- Розробка модуля дистанційного керування світлом для системи «розумний дім» А.І. Мамонтов Анотація:...
- Постановка задачі. Потрібно створити пристрій дистанційного керування світлом для системи «Розумний...
- Обгрунтування вибору мікроконтролера для модуля. Мікроконтро? Ллерена ( англ. Micro Controller...
- Інтегроване середовище розробки програм для управління микроконтроллерами фірми Microchip. Спеціально...
- Програмування мікроконтролера через програматор. Записати шістнадцятковий код в мікроконтролер можна...
- Моделювання модуля управління світлом в середовищі Proteus 7 ISIS. Для моделювання майбутніх електронних...
- Креслення електричної принципової схеми в програмі sPlan 6.0. Якщо проектується якесь електронний...
- Друкована плата, спроектована для головного пристрою, має вигляд, представлений на малюнку 11. Її габаритні...
- Збірка пристрою. Пристрій управління світлом було зібрано на односторонньо фольгированном стеклотекстолите...
- Принцип роботи пристрою. Спочатку на пристрій подається напруга живлення. Далі натискається кнопка...
- Після процесу запису в пам'ять індикатор активності блимне і згасне - процес запису завершено. Тепер,...
Розробка модуля дистанційного керування світлом для системи «розумний дім»
А.І. Мамонтов
Анотація: У даній статті розглянуто процес розробки модуля управління освітленням для системи «Розумний Дім» від постановки технічного завдання до апаратної реалізації. Наведено електрична принципова схема, комп'ютерна модель, програма на мові асемблер, креслення друкованої плати. Завдяки комп'ютерному моделюванню і програмуванню була сконструйована компактна модель пристрою дистанційного керування світлом. Представлені популярні програмні продукти, фотографії самого модуля і допоміжного пристрою сконструйовані автором статті.
Розумний Дім (Smart House) - це інтелектуальна система управління, що забезпечує узгоджену і автоматичну роботу всіх інженерних мереж будинку. Така система грамотно розподіляє ресурси знижує експлуатаційні витрати і забезпечує зрозумілий інтерфейс контролю і управління.
Модуль дистанційного керування світлом може знайти застосування в таких випадках:
1. Заміна Двоклавішний вимикача кімнатного освітлення.
2. Може бути вбудований в бра, торшери, настільні лампи і т.д.
3. Для полегшення вимикання світла літніми людьми та інвалідами.
4. Дистанційне керування витяжкою, приладами для обігріву приміщень, насосами, компресорами, вуличним освітленням (наприклад, ліхтар на гаражі), і т.д.
5. Управління дитячими іграшками.
6. Для заміни механічних вимикачів при їх розташуванні в важкодоступних місцях.
У даній статті розглянуто процес розробки модуля дистанційного керування (ДУ) світлом через пульт від телевізора.
Основні фізико-технічні ефекти. Даний модуль має в своєму складі фотоприймач, який представляє готову мікрозборку. Головною його частиною є фототранзистор. Під дією інфрачервоного випромінювання в фототранзисторі виникає внутрішній фотоефект, внаслідок чого фототранзистор змінює своє прохідне опір з високого рівня (тіньовий ток) на більш низький, відповідний інтенсивності опромінення фотоприймача.
Оскільки пристрій складається з напівпровідникових приладів і мідних провідників, він володіє як електронної, так і електронно-доречнийпровідністю.
Модуль оснащений індикатором активності у вигляді світлодіода. Під дією напруги через pn перехід світлодіода протікає невеликий струм. Через рекомбінації дірок і електронів в переході, напівпровідник випускає фотони світла довжиною хвилі, відповідної увазі напівпровідника світлодіода. Таким чином, відбувається електролюмінесценція.
Постановка задачі. Потрібно створити пристрій дистанційного керування світлом для системи «Розумний Дім», мале за габаритами, з низьким енергоспоживанням і прийнятною вартістю. Розглянемо для початку приблизну блок-схему для модуля (див. Малюнок 1).
Завдяки розвитку мікроелектроніки з'явилася можливість проектувати різні пристрої на універсальних програмованих мікросхемах - мікроконтролерах. В основі даного модуля лежить одне з таких складних пристроїв. Воно виконує наступні функції:
1. Приймає електричні сигнали на порт введення виведення від інфрачервоного (ІК) приймача.
2. Записує кодову послідовність пульта ДУ в незалежну пам'ять.
3. Порівнює прийнятий сигнал з тим, що записано в незалежній пам'яті і в залежності від результату порівняння приймає рішення передавати сигнал управління на виконавчий пристрій.
Малюнок 1. - Блок схема модуля управління світлом.
ІК приймачі в даний час виготовляються як єдиний пристрій в мініатюрному корпусі з входами харчування і сигнальним виходом. Такі приймачі можна зустріти у всіх телевізорах, музичних центрах та інших побутових пристроях, керованих по ІЧ каналу. Модуль повинен бути оснащений кнопкою управління, для того щоб користувач міг проконтролювати процес запису прийнятого коду від пульта дистанційного керування. Як виконавчий пристрій може бути застосоване електромагнітне реле з підсилювачем струму на транзисторі, в разі якщо прилад харчується від джерела постійного струму. Якщо прилад буде працювати від змінного струму, то потрібно застосувати симистор (симетричний керований діод). У даній статті не будуть розглядатися тонкощі проектування джерел живлення і вибір виконавчого пристрою, а буде представлена демонстраційна модель на батарейках і світлодіодним навантаженням.
Обгрунтування вибору мікроконтролера для модуля. Мікроконтро? Ллерена ( англ. Micro Controller Unit, MCU) - мікросхема, призначена для управління електронними пристроями. Типовий мікроконтролер поєднує в собі функції процесора і периферійних пристроїв, може містити ОЗУ і ПЗУ. По суті, це однокристальний комп'ютер, здатний виконувати прості завдання. Велика частина випускаються в сучасному світі процесорів - мікроконтролери. Для даного модуля був обраний мікроконтролер фірми Microchip на базі ядра PIC12 (див. Малюнки 2, 3). Називається цей МК - PIC12F675. Його відмінні риси:
1. Маленький - всього 8 ніжок;
2. 6 портів введення-виведення, що призначаються користувачем;
3. Є внутрішній тактовий генератор на 8 МГц, немає необхідності підключати кварцовий резонатор і, як наслідок, займати їм ніжки МК;
4. Висока надійність і діапазон робочих температур;
5. Всього 35 команд для управління.
Малюнок 2. - Мікроконтролер PIC12F675 в корпусі DIP8.
Інтегроване середовище розробки програм для управління микроконтроллерами фірми Microchip. Спеціально для PIC мікроконтролерів створено середовище для написання програм на мові асемблер - MPLAB (див. Малюнок 4). Вона поширюється безкоштовно, представляє всі зручності для написання програми під конкретну мікросхему.
Малюнок 3. - Внутрішня архітектура PIC12F675.
Малюнок 4. - Емблема MPLAB.
На малюнку 5 зображено інтерфейс програми. У головному вікні зліва вгорі - це код асемблера з коментарями програміста. Вікно нижче зліва - список регістрів спеціального призначення. Вікно правіше - карта регістрів пам'яті програм. Червоним кольором позначені ті регістри, в яких тільки що відбулася зміна в ході виконання програми, наприклад інкремент числа в регістрі (збільшення на 1). Є також приємна можливість подивитися, скільки пам'яті займає код програми в мікроконтролері.
Малюнок 5. - Інтерфейс MPLAB.
MPLAB дозволяє моделювати процес виконання програми на віртуальному микроконтроллере, подивитися крок за кроком як змінюється вміст регістрів після виконання кожної команди. Програма виконується завжди, ніколи не зупиняється, навіть тоді, коли мікроконтролер на вигляд нічого не робить, він, немов заводна іграшка під час включення живлення заводиться і весь час надолужує кола за програмою поки його не вимкнуть. Зупинка програми означає збій. А догляд виконання програми в вічний цикл означає, що мікроконтролер «застряг». У цьому сенсі налагодження коду програми в MPLAB виручить, вона зручна і оптимізована на те, щоб програміст якомога швидше знайшов і виправив помилку в незалежності функціональна вона чи граматична.
Якщо код асемблера написаний правильно, то MPLAB генерує два файли: перший - код асемблера в формате.asm, другий - шістнадцятковий код, файл з дозволом .hex - це і є те, що «розуміє» мікроконтролер. На професійному жаргоні цей файл звучить як «прошивка» (див. Рисунок 6).
Малюнок 6. - Фрагмент «прошивки».
Програмування мікроконтролера через програматор. Записати шістнадцятковий код в мікроконтролер можна тільки за допомогою спеціального пристрою - програматора. Існує безліч різновидів цих пристроїв, деякі зроблені під конкретні мікросхеми, інші - універсальні. Найбільший недолік тут - це їх висока вартість. Тому автором даної статті був сконструйований саморобний програматор, який набув значного поширення в Internet (див. Малюнок 7).
Програматор підключається до персонального комп'ютера через COM порт. А управляється через спеціальний додаток програматор, мова про який піде трохи пізніше. ExtraPIC - універсальний програматор, на його платі знаходяться сокети (гнізда) під різні корпуси мікроконтролерів. Таким чином, він апаратно підтримує великий перелік мікросхем. При програмуванні через комп'ютер, мікроконтролер вставляється в потрібний сокет і програмується через додаток-програматор (рисунок 8).
Малюнок 7. - Саморобний програматор «ExtraPIC».
Також як і апаратних программаторов, «віртуальних» программаторов існує багато. IC-Prog 1.06b - один з безкоштовних программаторов, що підтримує PIC - контролери. У ньому досить зробити швидке налаштування, вказати шлях до файлу прошивки і натиснути кнопку «програмувати мікросхему». Тоді мікросхема буде запрограмована і після виконання запису, її можна витягнути з апаратного програматора.
Моделювання модуля управління світлом в середовищі Proteus 7 ISIS. Для моделювання майбутніх електронних пристроїв на базі мікроконтролерів ідеально підходить програма Proteus 7 ISIS. У ній збирається електрична принципова схема, підключений до джерела живлення і проводиться симуляція роботи в режимі реального часу, або покроково, якщо потрібно. На малюнку 9 показано комп'ютерна модель пристрою дистанційного керування світлом.
Малюнок 8. - Программатор IC-Prog 1.06b.
Запис коду прошивки в Proteus 7 відбувається віртуально, вказується тільки шлях до файлу з кодом програми, що дуже зручно. Є можливість покроково переглядати кожні операції, які проробляє процесор, це дозволяє проводити моніторинг роботи, що неможливо при макетування реального пристрою.
Креслення електричної принципової схеми в програмі sPlan 6.0. Якщо проектується якесь електронний пристрій, то належить накреслити його електричну принципову схему. Для цих цілей я використовував програму sPlan 6.0. Вона має зручний і зрозумілий інтерфейс, а також русифікована і безкоштовна.
Електрична принципова схема модуля управління світлом зображена на малюнку 10.
Малюнок 9. - Комп'ютерна модель в Proteus 7 ISIS.
Електрична принципова схема модуля управління світлом зображена на малюнку 10.
На схемі видно, що схема проста, завдяки застосуванню мікропроцесора PIC12F675. Для демонстрації роботи приладу замість виконавчих пристроїв, включені, популярні сьогодні, білі світлодіоди з підсилювачами струму на транзисторах. У ланцюзі баз транзисторів включені електролітичні конденсатори для додання ефекту плавності включення світла. Роль ІК приймача виконує пристрій TSOP1738. Вся система живиться від джерела постійного струму в 5 вольт.
Проектування друкованої плати в програмі Sprint Layout 5. Sprint Layout 5 - найзручніша для проектування друкованих плат програма, з моєї точки зору. У ній багате кількість макросів для малювання і багато опцій. В останній версії №5 їх найбільше.
Малюнок 10. - Електрична принципова схема модуля управління світлом.
Друкована плата, спроектована для головного пристрою, має вигляд, представлений на малюнку 11. Її габаритні розміри - 65 х 40 мм. Харчування подається на клеммник.
Малюнок 11. - Друкована плата для пристрою управління світлом.
Збірка пристрою. Пристрій управління світлом було зібрано на односторонньо фольгированном стеклотекстолите (див. Малюнки 12, 13).
На малюнку 14 зображено кінцеве пристрій, встановлений на відсік для батарейок типу АА. Важливі компоненти позначені цифрами:
1. Клеммник харчування
2. Кнопка управління
3. Микроконтроллер
4. Індикатор активності
5. Фотоприймач
6. Світлодіоди.
Малюнок 12. - Вид пристрою з боку друкованих провідників.
Малюнок 13. - Вид з боку встановлених елементів.
Принцип роботи пристрою. Спочатку на пристрій подається напруга живлення. Далі натискається кнопка запису в пам'ять. Загоряється індикатор активності. Під час його світіння необхідно натиснути на пульті дистанційного керування телевізором або будь-який іншої побутової техніки дві обрані Вами кнопки. Тут важливо вибрати ті кнопки, які не включають або вимикають телевізор. Недотримання цього правила створить деякі незручності.
Малюнок 14. - Розташування елементів.
Після процесу запису в пам'ять індикатор активності блимне і згасне - процес запису завершено. Тепер, можна управляти білими світлодіодами. Оскільки пристрій двухканальное можна включати або вимикати будь-який з них. Робиться це одним натисненням кнопки, відповідної потрібного каналу. Тобто одне натискання включить потрібні світлодіоди, повторне натискання - погасить. У режимі очікування (обидва канали погашені) струм споживання приладу дуже маленький не перевищує 10 мА. А при роботі на світлодіодну навантаження (у включеному стані) струм споживання набагато менше, ніж при роботі на навантаження з ламп розжарювання. Це робить прилад економічним з точки зору енергоспоживання.
Технічні характеристики.
1. Напруга живлення: 4,5 - 6 В.
2. Токи споживання: 10 мА (світлодіоди відключені), 50 мА (всі світлодіоди включені).
3. Сумарна сила світла світлодіодів: 20 Кд.
4. Максимальна відстань управління: 100 м.
Висновки.
Актуальність даної теми забезпечується завдяки застосуванню сучасних середовищ програмування і проектування, а також використання в проекті високотехнологічних програмованих мікросхем. Цей пристрій призначений для прямої заміни традиційного Двоклавішний вимикача освітлення. Застосування сучасної елементної бази забезпечує компактність і економічність пристроїв подібного типу.
Мікроконтро?Мікроконтро?