Управление внешними устройствами через сеть. Рябенький В.М. Компьютерное управление внешними устройствами через стандартные интерфейсы. Подготовка схемы печатной платы
На Хабре об управлении лампой через интернет, появилась идея управлять освещением дома с компьютера, а так как у меня уже настроено управление компьютером с сотового телефона, то это значит, что и светом можно будет управлять с того же телефона. После демонстрации статьи одному из моих коллег по работе, он сказал, что ему это как раз и нужно. Так как он часто за фильмами, которые смотрит на компьютере, засыпает. Компьютер через некоторое время после окончания фильма тоже засыпает и отключает монитор, а вот свет в комнате остается включённым. Т.е. было решено, что вещь это полезная, и я начал собирать информацию и детали для этого чуда.
Остальная информация под habracut (осторожно много картинок - трафик).
Схема устройства
За исходную схему была взята одна из схем , найденных в Internet и выглядела она вот так:Но только с небольшим изменением: между 1-ым пином оптопары 4N25 и 2-ым пином LPT был добавлен резистор на 390 Ом, и еще добавлен светодиод для индикации включения. Схема была собрана в тестовом режиме, т.е. просто соединена проводами так как нужно и проверена. В этом варианте она просто включала и выключала старый советский фонарик.
Было решено, что если уже делать управление, то не для одного устройства, а минимум на 4 устройства (из расчёта: одна лампа на столе, люстра на два выключателя, запасная розетка). На данном этапе стало необходимо построение полной схемы устройства, начался выбор различных программ.
Были установлены:
- KiCAD
- Eagle
На схеме использован порт DB9 т.е. обычный COM порт, это сделано из соображений экономии как места на плате, так и самих разъёмов (COM"вские у меня были), а так как мы будем использовать только 5 проводников, то этого нам хватит с запасом. Таким образом делаем еще и переходник с DB25 (LPT) на DB9 (COM), в моем случае делается он следующим образом:
LPT 2-9 pin = COM 1-8 pin - это управляющие пины данных;
LPT 18-25 pin (зачастую они соединены между собой) = COM 9 pin - это наша земля.
Так же в схеме используется дополнительное питание на 12В для питания реле, по плану это будет простое китайское зарядное или может быть крона на 9В (одно реле срабатывает нормально, надо проверить на 4 одновременно). Отдельное питание и гальваническая развязка с помощью оптопары используется для того чтобы обезопасить порт компьютера. При желании можно конечно запитаться от 12В блока питания компьютера, но это каждый делает сам и на свой страх и риск.
Необходимые детали для создания устройства
- COM порт - 1 шт
- коннектор питания - 1 шт
- светодиод зелёный - 4 шт
- оптопара 4n25 - 4 шт
- посадочное место под оптопару (у меня было только на 8 ног) - 4 шт
- резистор 390 Ом - 4 шт
- резистор 4,7 кОм - 4 шт
- транзистор КТ815Г - 4 шт
- реле HJR-3FF-S-Z - 4 шт
- зажимы на 3 контакта - 4 шт
- фольгированный текстолит
Подготовка схемы печатной платы
Попытавшись использовать Eagle для подготовки печатной платы я понял, что это будет сложновато и решил найти более простой вариант. Этим вариантом стала программа sprint layout 5 пусть она и в исполнении для windows, но без проблем запускается в wine под linux. Интерфейс у программы интуитивно понятный, на русском языке и в программе имеется достаточно понятная помощь (help). Поэтому все дальнейшие действия по разработке печатной платы производились в sprint layout 5 (далее SL5).Хоть и многие используют данную программу для разработки плат своих устройств, в ней не оказалось необходимых мне деталей (даже в куче скачанных коллекций макросов). Поэтому пришлось сначала создать недостающие детали:
- COM порт (тот что был не совпал с моим, по отверстиям крепления)
- гнездо питания
- зажим на три контакта
- реле HJR-3FF-S-Z
После добавления необходимых деталей началось само проектирование печатной платы. Проходило оно в несколько попыток, было их около пяти. Каждый вариант платы печатался на картоне прокалывались отверстия и в них вставлялись детали. Собственно так и было выяснено, что мой COM порт не совпадает с тем который был в SL5. Так же всплыла небольшая ошибка в схеме реле - реально корпус реле был сдвинут на 2-3 мм. Естественно все ошибки были исправлены.
На первом печатном варианте выяснилось еще и не правильное подключение транзистора, были перепутаны два контакта.
После всех исправлений и подгонок получилось плата следующего вида:
В SL5 есть функция «Фотовид» для просмотра платы, вот как она выглядит в нем:
На финальном варианте платы будут еще немного подправлены дорожки, а в остальном она выглядит так же.
В SL5 так же есть удобный вариант печати платы, можно скрывать не нужные слои и выбирать цвет печати каждого слоя, что очень пригодилось.
Подготовка печатной платы
Плату решено было делать методом ЛУТ (лазерно-утюговая технология). Далее весь процесс в фото.Вырезаем необходимого размера кусок текстолита.
Берем самую мелкую наждачку и аккуратно зачищаем медную поверхность.
После зачистки поверхности её необходимо промыть и обезжирить. Промывать можно водой, а обезжиривать ацетоном (в моем случае это был растворитель 646).
Далее печатаем на лазерном принтере на мелованной бумаге нашу плату, не забыв в принтере установить самую жирную печать (без экономии тонера). Этот вариант получился немного не удачным, так как размазался тонер, но другая попытка была в самый раз.
Теперь необходимо перенести рисунок с бумаги на текстолит. Для этого вырезаем рисунок и прикладываем его к текстолиту, стараемся его выровнять как нужно и после этого прогреваем утюгом. Необходимо тщательно прогреть всю поверхность, что бы тонер расплавился и прилип к медной поверхности. Потом даем плате немного остыть и идём мочить её под струей воды. Когда бумага достаточно хорошо промокнет её необходимо отделить от платы. На плате останется только прилипший тонер. Выглядит это так:
Далее необходимо подготовить раствор для травления. Я использовал для этого хлорное железо. На банке с хлорным железом написано, что раствор необходимо делать 1 к 3. Я немного отступил от этого и сделал 60 г хлорного железа на 240 г воды, т.е. получилось 1 к 4, не смотря на это травление платы происходило нормально, только немного медленнее. Обратите внимание на то, что процесс растворения сухого хлорного железа в воде идёт с выделением тепла, поэтому всыпать его в воду необходимо небольшими порциями и размешивать. Естественно для травления необходимо использовать не металлическую посуду, в моем случае это была пластиковая ёмкость (вроде от селёдки). У меня получился вот такой раствор:
Перед тем как опустить плату в раствор, я с помощью скотча приклеил к её обратной стороне леску, что бы было удобнее доставать и переворачивать плату. Если раствор попадет на руки надо быстро его смыть с мылом (мыло его нейтрализует), но пятна могут все равно остаться, все зависит от конкретных условий. Пятна с одежды вообще не выводятся, но мне повезло этого не проверить на себе. Погружать плату в раствор надо медью вниз и не всю плашмя, а под углом. Время от времени плату желательно очищать от отработки, так как она мешает дальнейшему травлению. Делать это можно при помощи ватных палочек.
Весь процесс травления у меня занял 45 минут, хватило бы и 40 минут, но я был просто занят ещё одним делом.
После травления промываем плату с мылом отрываем скотч с леской и получаем:
Внимание! Не выливайте раствор хлорного железа в раковину (канализацию) - это может повредить металлические детали раковины, да и вообще раствор может ещё пригодиться.
Далее нам необходимо смыть тонер, это успешно делается тем же растворителем 646, который использовался для обезжиривания (долгий контакт растворителя с кожей может её повредить).
Следующим шагом является сверление отверстий. У меня на плате предусмотрены были отверстия 1мм и 1.5 мм изначально, так как найти более тонких свёрл не удалось. Так же найти у нас в городе цанговый патрон для крепления его на электромоторчик не удалось, поэтому все делалось большой дрелью.
Первое устройство подошло
На первый раз я взял только два сверла, а при использовании такой дрели этого оказалось мало. Одно сверло сломалось, а второе погнулось. Все что я успел просверлить в первый день:
На следующий день я купил пять свёрл. И их как раз хватило, так как если они не ломаются (кстати из пятёрки сломал только одно), то тупятся, а при сверлении тупыми - портятся дорожки, медь начинает отслаиваться. После полного сверления платы получаем:
После сверления необходимо провести лужение платы. Для этого я использовал старый способ - паяльник, флюс ТАГС и олово. Хотелось попробовать с использованием сплава Розе, но его не найти у нас в городе.
После лужения получаем следующий результат:
Далее необходимо промыть плату для удаления остатков флюса, так как ТАГС водоотмывной, то делать это можно или водой или спиртом. Я сделал что-то среднее - отмывал старой водкой и протирал ватными палочками. После всех этих действий наша плата готова.
Монтаж деталей
Для проверки правильности платы изначально собираю только одну(из четырёх) линию деталей, мало ли где закралась ошибка.
После монтажа деталей идём и подключаем устройство к компьютеру через LPT, для этого спаян переходник с DB25(LPT) на DB9(COM) в следующем виде:
- 2 пин DB25 к 1 пину DB9
- 3 пин DB25 к 2 пину DB9
- 4 пин DB25 к 3 пину DB9
- 5 пин DB25 к 4 пину DB9
- 6 пин DB25 к 5 пину DB9
- 7 пин DB25 к 6 пину DB9
- 8 пин DB25 к 7 пину DB9
- 21 пин DB25 (можно любой с 18 по 25) к 9 пину DB9
А вот уже устройство работает:
На этом закончился ещё один вечер и монтаж остальных деталей был оставлен на следующий день.
А вот и уже полностью собранное устройство:
Ну и небольшое видео о том как это работает (качество не очень, не было чем снять нормально)
Вот и все, осталось только найти нормальный корпус для устройства и запускать его в дело.
Программная часть
Естественно для управления LPT портом нужно какое-то ПО, но так как у меня дома linux, то было решено просто написать простейшую программку самому, а в последствии её уже дописать и адаптировать как надо. Выглядела она примерно так:#include
#include
#include
#include
#define BASE 0x378
#define TIME 100000
int main ()
{
int x = 0x0F;
int y = 0x00;
if (ioperm (BASE, 1, 1))
{
perror ("ioperm()");
exit (77);
}
outb (x, BASE);
return 0;
}
Данная программка отправляет в LPT порт 0x0F = 00001111, т.е. подает 1 на 2-5 пины (Data0-Data3), а это и есть наше управляющее напряжение между 2-5 пинами и землей (18-25 пины), таким образом будут включаться все четыре реле. Точно так же действует программа для отправки 0x00 в порт для отключения, просто вместо x отправляется y - outb (y, BASE). Еще можно прочитать состояние порта:
#define BASEPORT 0x378 /* lp1 */
...
printf("статус: %d\n", inb(BASEPORT));
...
Единственный нюанс этой программки в том, что её необходимо выполнять от root, так как простому пользователю не доступна функция ioperm. Думаю, как решать такую проблему можно не рассказывать, каждый выберет более подходящий ему вариант.
В последствии программа была доработана так, что бы передавая ей параметры командной строки можно было указывать с каким устройством и что сделать.
Вывод «sw --help»:
Программа для управления реле через LPT порт.
У программы может быть один или два параметра.
Формат параметров: sw [номер устройства] [действие]
номер устройства - от 1 до 8
действие - "on", "off", "st" - включение, выключение, статус
Пример: "sw 2 on" для включения второго устройства или "sw --help" для вывода помощи
PS если кому понадобится, то потом могу где-нибудь выложить файл схемы платы в sl5 и исходник программки управления.
Компьютер, некоторые детали, инструменты любой желающий сможет организовать простое управление бытовыми приборами с этого компьютера. Множество приборов используемых в быту имеют множество функций, например большинство современных телевизоров могут показывать некоторое количество разных каналов, у вентилятора м.б. некоторое количество разных режимов работы и т.д. Для того чтобы сделать такое сложное управление как например переключение каналов или режимов работы, помимо перечисленного выше понадобятся дополнительные знания, детали и инструменты но сделать простое включение и выключение под силу каждому кто это перечисленное имеет. Arduino связывается с компьютером через USB порт, передачу информации с компьютера на Arduino можно осуществлять через среду разработки для Arduino (называется Arduino IDE) которую можно скачать с страницы на официальном сайте Arduino . Существует множество разнообразных модулей для взаимодействия Arduino с внешним миром, например специальный модуль с блоком реле для коммутации нагрузок, при использовании таких модулей работа сильно упрощается, здесь же мы рассмотрим самостоятельное изготовление модуля с одним реле для включение/выключения бытовых приборов, при необходимости можно изготовить более одного такого модуля и использовать их с одним Arduino тем самым сделав возможным простое управление множеством бытовых приборов. Arduino (любое) имеет некоторое количество выводов общего назначения которые обозначаются, на плате, просто цифрами или цифрами с волнистым знаком "~". Подключив Arduino к компьютеру и записав в него (в Ардуино) специальный скетч (программа для Arduino) можно с этого компьютера через программу "Arduino IDE" управлять этими выводами делая на них высокое напряжение (примерно +5В (HIGH)) или низкое (примерно 0В (LOW)). Также на Arduino есть вывод "GND" (на плате так и обозначен). Если на одном из выводов общего назначения высокое напряжение то подключив что либо проводящее ток между этим выводом и выводом "GND" через то что подключено потечёт электрический ток и величина этого тока будет зависеть от сопротивления этого предмета и рассчитать её можно по , т.е. чем меньше сопротивление том больше ток, но если сопротивление будет слишком низким то через Arduino потечёт слишком большой ток и оно перегорит. Максимальный ток который может выдать вывод общего назначения Arduino может быть разным в зависимости от используемого в нём микроконтроллера но обычно это 40мА = 0.04А - этого может быть недостаточно для того чтобы включить реле которое будет включать прибор (приборы) поэтому для усиления тока необходимо использовать дополнительный элемент например биполярный транзистор. Биполярный транзистор имеет три вывода: эмиттер, коллектор, база. Максимальный ток транзистора также ограничен как и у Ардуино и обычно он больше, например у популярного КТ315 максимальный ток равен 100мА = 0.1А. Биполярные транзисторы бывают двух типов n-p-n и p-n-p использовать можно оба типа но по разному и далее рассмотрим использование транзистора КТ315 тип которого n-p-n. Для того чтобы транзистор усилил ток из Ардуино необходимо соединить его базу с выводом Ардуино ЧЕРЕЗ РЕЗИСТОР сопротивлением 1кОм (на резисторе м.б. написано 1к), эмиттер этого транзистора соединить с "GND" Arduino и минусом питания или "GND" источника питания напряжение которого равно напряжению обмотки имеющегося реле (допустим 12В) один из выводов обмотки реле соединить с коллектором транзистора другой с плюсом источника питания (+12В допустим) и ещё одной не влияющей на усиление но ОЧЕНЬ важной деталью является диод который нужно соединить анодом с коллектором и катодом с плюсом источника питания (+12В). Если диод импортный то на скорее всего на его корпусе будет светлая полоса - она указывает на катод, другой вывод диода это анод. Оставшиеся выводы реле - это выводы его контактов, если их два и они не замкнуты то при подаче достаточного тока на обмотку реле эти контакты замкнуться, их нужно соединить последовательно с прибором и это последовательное соединение можно втыкать в розетку, тогда при замыкании контактов на прибор поступит 220В и он включиться. Описанное выше можно изобразить на картинке:
Рисунок 1 - Управление прибором с компьютера
Это нестандартная схема для лучшего понимания, обычно используют схемы такие:
Рисунок 2 - Управление прибором с компьютера
Хотя в этой схеме тоже присутствует нестандартное обозначение платы Ардуино. На рисунке обозначено Arduino UNO (можно заказать по этой ссылке http://ali.pub/1v22bh) но можно использовать и любое другое. Соединения можно делать например на макетной плате и проводами или пайкой. После того как всё правильно соединено и проверено можно подключить Ардуино по USB к компьютеру и загрузить в неё скетч:
Char pc_code=0;
Void setup()
{
pinMode(2, OUTPUT);
Serial.begin(9600);
}
Void loop()
{
if (Serial.available() > 0)
{
pc_code = Serial.read();
if(pc_code=="a")
{
digitalWrite(2, HIGH);
}
else if(pc_code=="b")
{
digitalWrite(2, LOW);
}
}
}
О том как правильно настроить Ардуино и загрузить в неё скетч уже описано на странице . Далее для включения прибора необходимо на Ардуино отослать символ "a" для выключения символ "b". Для того чтобы отослать символ на ардуино можно, в среде Arduino IDE, войти по вкладке Инструменты-Монитор последовательного порта и в появившемся окне в верхнем текстовом поле вписывать символы и отсылать нажатием кнопки "отправить" символ придёт на ардуино и для данного случая если отослать символ "a" то прибор включиться, если "b" то соответственно выключиться. Если Ардуино не принимает символы то нужно в правом нижнем углу окна монитора последовательного порта установить такую же скорость какая прописана в скетче т.е. 9600 бод. Для того чтобы включать 2 прибора можно немного изменить скетч:
Char pc_code=0;
Void setup()
{
pinMode(2, OUTPUT);
pinMode(3, OUTPUT);
Serial.begin(9600);
}
Void loop()
{
if (Serial.available() > 0)
{
pc_code = Serial.read();
if(pc_code=="a")
{
digitalWrite(2, HIGH);
}
else if(pc_code=="b")
{
digitalWrite(2, LOW);
}
else if(pc_code=="c")
{
digitalWrite(3, HIGH);
}
else if(pc_code=="d")
{
digitalWrite(3, LOW);
13-01-2014
ATiny2313
Захаров Денис, Украина
Как известно, существует достаточное количество интерфейсов, с помощью которых микроконтроллер (МК) может общаться с внешними устройствами. Если необходимо связать МК с персональным компьютером или ноутбуком, то с уверенностью можно сказать, что лучше всего использовать интерфейс COM-порта RS-232.
Причина такого выбора очевидна - практически все контроллеры имеют аппаратные модули UART, с помощью которых можно передавать информацию при минимальном расходе ресурсов МК. Кроме того, существует множество хорошо зарекомендовавших себя программ, предназначенных для работы с COM-портом. Поскольку сигналы МК имеют уровни TTL, для согласования с интерфейсом RS-232 необходим преобразователь уровней. Часто его выполняют на основе доступной и популярной микросхемы MAX232 .
| Рисунок 1. |
Представленное устройство (Рисунок 1) предназначено для управления приборами с помощью любого ПК, имеющего порт USB. Современные компьютеры и ноутбуки имеют по несколько таких портов. С помощью этого комплекса можно производить управление светом, телевизором и другими приборами. Исполняющие устройства не обязательно должны находиться в непосредственной близости от ПК.
Прибор состоит из вполне доступных и распространенных элементов. Обе микросхемы - микроконтроллеры ATtiny2313 семейства . Первый контроллер подключен к USB-порту компьютера и выполняет функцию конвертора форматов USB-COM. Второй подключается к первому и все время сканирует команды, которые посылаются с ПК через терминальную программу Terminal v1.9b.
Подключенный к выводу 2 USB резистор R4 переводит устройство в низкоскоростной режим LS, позволяющий при обмене данными со скоростью 1.5 Мбит/с с помощью программы выпонять расшифровку посылок от ПК.
С помощью резисторов R2 и R3 происходит устранение переходных процессов. Конденсатор С5 блокирует импульсные помехи в цепи питания. Стабилитроны D1 и D2 необходимы для согласования логических уровней МК и USB входа ПК. Для безошибочной передачи данных между контроллерами частоты кварцевых резонаторов должны быть равны 12 и 4 МГц.
К выводам /RESET следует подключить подтягивающие резисторы, чтобы в дальнейшем избежать произвольного сброса МК из-за влияния помех и статических напряжений. В данной схеме все команды отображаются на светодиодах, подключенных к порту В. Чтобы управлять какими-либо устройствами, необходимо подключать выходы контроллера к реле (Рисунок 2).
Собрать устройство можно на макетной плате, хотя лучше, все же, на полноценной печатной плате. Элементы можно разместить, например, так, как показано на Рисунке 3.
Программа для микроконтроллера U1 разработана товарищем GetChiper в среде Bascom-AVR. Для работы с шиной USB использована библиотека swusb.LBX . С ее помощью выполняется программное декодирование USB протокола в режиме реального времени. Для работы устройства с ПК, нужно установить соответствующие драйверы, скопировав их на жесткий диск. При первом подключении устройство опознается и запросит драйвер. Далее нужно указать путь к папке с файлами, и все заработает.
Программа микроконтроллера U2 была написана мною в среде AVRStudio на языке ассемблера. Блок-схема алгоритма работы МК представлена на Рисунке 4. Аппаратный модуль UART следует настроить на прерывание по завершению приема данных. Сам МК не будет выполнять ни одной функции, пока не наступит прерывание. Для снижения энергопотребления можно воспользоваться режимом sleep, но в данной конструкции этого делать не понадобилось. Как только из терминала ПК последуют команды, МК мгновенно перейдет к их сканированию. На данный момент контроллер поддерживает следующую систему команд:
-on1, on2, on3, on4, on5, on6, on7, on8
- команды установки портов в «лог. 1»;
-off1, off2, off3, off4, off5, off6, off7, off8
- команды установки портов в «лог. 0»;
-ser - установить все порты в активное состояние «лог. 1»;
-clr
- сбросить все порты в состояние «лог.0».
После окончания ввода каждой команды необходимо нажимать Enter. Таким образом МК сможет определить конец команды и приступить к ее сканированию. На каждую верную команду контроллер будет отвечать «ok». Если ввести неверные данные, то в терминальную строку вернется «error». Пример выполнения команды показан на Рисунке 5.
Версия прошивки 1.0. Выставлять фьюзы необходимо в соответствии с Рисунком 6. Разрабатывается следующая версия прошивки, где будет происходить самообучение МК и изменение систем команд в терминале.
Программное обеспечение МК, виртуальная модель Proteus и драйвер для ПК -
Протокол передачи данных между МК и ПК- скачать
Для комментирования материалов с сайта и получения полного доступа к нашему форуму Вам необходимо зарегистрироваться . |
- ....вообще-то хотелось увидеть соопрежение м/у USB-портом одного компьютера с COM-портом второго...или LPT-порта третьего...
- Спасибо! Опечатка исправлена:)
- Зачем использовать 2 МК? Неужели у Attiny2313 мало flash? Или просто не хватает портов I/O? Тогда ладно, видно, что USB висит на INT0/INT1.
- Сопротивление катушек маломощных реле в районе 100-200 Ом, не учитывая насыщенный транзистор (это же не пускатель, и не контактор). Так что 50-200 мА подходящий ключ не испугается. Материал очень интересен в плане привязки МК к USB без всяких интерфейсных микросхем и без присутствия в структуре МК аппаратного USB. Но учитывая цели и задачи первоисточника http://www.recursion.jp/avrcdc/cdc-232.html, из двух МК один выполняет всё же функции преобразователя USB-COM. И весьма дешёвого преобразователя, что безусловно радует.
- Вот интересный гражданин попался с «дворянскими замашками», судя по нику. О каких экстремумах идёт речь? Вроде в материале нет даже упоминания о типе реле или транзисторов. И если реле запитывается от 5В USB то, безусловно, хотелось бы минимизировать потребление со стороны хоста на ПК. Этого можно добиться оптронами и дополнительным питанием реле со стороны нагрузки, что усложняет схему. Или ещё пару вариантов. Разве акцент в статье сделан на оптимизации? Автор добился своего и правильно делает, что не выкладывает конкретную плату. Для того, кто будет повторять, данного узла достаточно.
- Да, статейка еще та... но стоит ли так опситраться? Я тоже хотел кое что прокомментировать сразу как ее прочел, и диод в том числе. Но анонимно тут нельзя. Вот зачем автору AVR-CDC? Я не заметил что где-то в схеме используются сигналы DTR, DTS, RTS, CTS. V-USB не хватило? Про два "кирпича" уже написали выше, - хватило бы и одного. А про диод уже исправлено, слава Будде! Диод нужен для защиты транзистора от импульса напряжения самоиндукции обмотки реле, в момент размыкания тока. Вот, кстати, вспомнил одну реализацию. Статья была в журнале Радио, но и в интернетах нашлась, кому интересно можете глянуть.
