В наше время в каждой мастерской по ремонту электротехники, да, в прочем, и у каждого радиолюбителя рабочий день начинается с включения ПК, а уж потом и вспомогательного электрооборудования. В прочем с включения ПК рабочий день начинается не только у радиолюбителей, но и во многих пользователей сего «девайса», плотно вошедшего в нашу жизнь. А вот каждый день включать утром и выключать вечером, ну, предположим, принтер, активные колонки, настольную лампу да мало ли чего можно встретить у рядового пользователя, немножко надоедает. Исходя из условленных задач была поставлена цель создать коммутатор нагрузки, предназначенный для включения-выключения всех сопутствующих устройств. Соглашусь можно пойти по пути наименьшего сопротивления и поставить на всё обыкновенный выключатель, но, похоже, это не путь для радиолюбителя. Мы будем делать гораздо удобнее - встроим автомат в сетевой фильтр:
Так как устройство отслеживает факт включения-выключения устройства по принципу «ведомый-ведущий» самый простой способ - использовать USB порт. Обозначу сразу, при использовании USB порта устройство работает в ноутбуках и компьютерах с блоком питания, отключающем все источники питания. К примеру, в последних моделях блоков питания +5 вольт USB порта присутствует как дежурное даже при выключенном блоке. С ними устройство работать не будет, точнее будет, но постоянно включено. Здесь необходимо как источник сигнала использовать какой либо иной порт, и, соответственно, согласовывать сигнал источника и исполнительного механизма.
В данном устройстве исполнительным механизмом служит реле, с контактами, рассчитаными на 16 ампер и с катушкой на 5 вольт. Использование реле выполняет гальваническую развязку источника сигнала и сети 220 вольт.
После проведения ряда экспериментов было установлено, что при питании, согласно паспортных данных, +5 вольт реле потребляет 150 мА тока. Если использовать стационарный компьютер - нет никаких проблем, ибо +5 вольт USB порта идут непосредственно с блока питания и не сильно нагружают его. Если всё вышесказанное устраивает на этом - можно остановиться и сделать свой вариант по ниже приведенной схеме.
Но если планируется использовать ноутбук, то как бы прогонять дополнительные 150 мА через через компьютер не желательно, в таком случае необходимо использовать дополнительный блок питания 5 вольт. В данном варианте был использован импульсный источник питания от зарядного устройства от мобильного телефона. Можно использовать любой нестабилизированный источник питания при условии, что он может обеспечить напряжение 5 вольт и ток порядка 250 мА с учетом запаса. Также можно использовать и другое напряжение, но в таком случае необходимо будет взять и реле с соответственным напряжением питания. Для согласования источника сигнала с реле и источником питания необходимо установить транзисторный ключ типа:
Транзистор выбран типа КТ815 с любой буквой и резистор 1 кОм, диод - КД522. При такой схеме включения ток потребления показал 4 мА, что не столь существенно для ноутбука. Светодиод LED1 и LED2 обозначают состояние цепи. По желанию вместе с резисторами их можно исключить из схемы.
Устройство управления 220 В собрано в свободном месте корпуса розетки - сетевого фильтра. Файл схемы в сплане находится
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.
|
Скорость переключения |
|
|
|
Выбор COM-порта |
|
Кнопка старт и пауза (включение порта) |
|
|
Кнопка стоп (отключение порта) |
|
|
Кнопка настройки выходов |
|
|
Кнопки ручного управления входами (1, 2, 3) |
|
|
Кнопка очистки таблицы |
|
|
Кнопка вызова справки |
|
|
Кнопка выхода из программы |
|
|
Индикаторы, имитирующие работу выходов |
|
|
Сетка таблицы со значениями (пустые ячейки |
Для управления нагрузкой в схемах с постоянным напряжением, например 24В, можно использовать любые мощные составные транзисторы - в нашем случае КТ829.
Для коммутации переменного тока 220В проще всего использовать так называемый полупроводниковый ключ переменного тока, который имеет на входе оптодрайвер с детектором нуля фазы, что обеспечивает гальваническую развязку.
Для увеличения коммутируемого тока симистор устанавливается на радиатор. Обратите внимание - в высоковольтной части использованы сопротивления мощностью 0,5 Вт.
Не забывайте о технике безопасности - во время работы коммутатора не касайтесь оголенных элементов, а при перепайке деталей и проводов отключите коммутатор от сети.
Плата выполнена из одностороннего фольгированного текстолита. Размер платы 30х25мм. На плате под корпусом микросхемы впаяна перемычка. В целях защиты от перегрева микросхемы во время пайки использована 16-контактная панель под микросхему.
Для управления выходами (светодиодами), устройство достаточно соединить с ПК 4х проводным шнуром. Шнур распаивается на стандартный разъем к COM-порту - розетку DB9.
Сигнал +5В для общего провода цифровых входов берётся из схемы устройства. Сопротивления в линиях цифровых входов можно распаять в корпусе розетки DB9.
К цифровым входам можно подключить кнопки, тумблера, микропереключатели.
Справочная информация
Основой устройства является доступная микросхема 74hc595, представляющая собой последовательный регистр сдвига с выходной блокировкой. Для управления этой микросхемой достаточно трёх сигнальных линий. В нашем случае сигналы инициируются в программе управления UniCOM и выдаются через интерфейс RS-232 (COM-порт). В качестве сигнальных линий в этом интерфейсе использованы линии 9-контактного разъема: RTS - 7 контакт, DTR - 4 контакт и TxD - 3 контакт.
Принцип работы микросхемы 74hc595 заключается в последовательной записи логических сигналов высокого и низкого уровней, подаваемых на вход DS (14 ножка). Запись осуществляется задним фронтом (переход из лог. 1 в лог. 0) на входе SH_CP (11 ножка). Вывод записанных данных происходит также задним фронтом, но на входе ST_CP (12 ножка). Таким образом, на ножках 1-7 и 15 появляются уровни последних восьми записанных сигналов.
Высокому уровню сигнала на выходах (ножки 1-7 и 15) соответствует напряжение питания микросхемы - в нашем случае +5 Вольт, а низкому уровню соответствует 0 Вольт. Сигналы на выходах являются статическими, т.е. неизменными до тех пор, пока не придёт очередной импульс на вход ST_CP (12 ножка). Необходимо отметить, что снижение напряжения питания ниже минимального уровня ведет к сбросу сигналов на выходах. Согласно документации на микросхему, минимальное напряжение питания составляет 2 вольта.
Сопряжение интерфейса RS-232 с микросхемой 74hc595 сделано посредством стабилитронов на 5,1В. Согласно спецификации на RS-232 высокий уровень сигнала лежит в диапазоне от +3 до +25В, что позволяет нам организовать обратную связь с программой управления UniCOM.
Одним из наиболее простых и часто используемых способов организация обмена данными между компьютером и внешними устройствами является использование стандартных портов ввода-вывода - таких, как COM, LPT, IrDA и USB, а также промышленных интерфейсов SPI,12С, I-Wire. Данная книга посвящена объяснению принципов их работы и созданию управляющих пользовательских программ. Рассмотрены вопросы сопряжения устройств с компьютером по указанным интерфейсам. Рассмотрены вопросы сопряжения устройств с компьютером по указанным интерфейсам. Приводятся примеры схем, а также исходные коды программ для компьютера и микроконтроллеров семейства AVR, Пособие ориентировано на разработчиков электронной аппаратуры, у которых возникает необходимость в обеспечении программной поддержки своих устройств.2. ПРОГРАММИРОВАНИЕ LPT-ПОРТА
2.1. Установка драйвера giveio sys
2:2. Управление состоянием линий LPT-порта
2.3. Схема стенда для отладки программы
2.4. Сопряжение микроконтроллера с LPT-портом
2.5. Аппаратно-программные средства снятия вольт-амперных характеристик полупроводниковых приборов
2.5.1. Снятие вольт-амперных характеристик биполярных транзисторов
2.5.2. Снятие вольтамперных характеристик полевых транзисторов
2.5.3. Снятие вольт-амперных характеристик диодов
2.5.4. Снятие вольт-амперных характеристик стабилитронов
2.5.5. Блок управления
2.5.6. Описание программных средств
3 ПОСЛЕДОВАТЕЛЬНЫЙ ПОРТ
3.1. Аппаратная организация порта
3.2. Интерфейс RS-232C
3.3. Электрический интерфейс
3.4. Управление потоком передачи
3.4. Интерфейс «токовая петля»
3.6. Инфракрасный интерфейс
3.7. Интерфейс MIDI
3.8. Конфигурирование СОМ-портов
3.9. Использование СОМ-портов
3.10. Неисправности и тестирование СОМ-портов
3.10.1. Проверка конфигурирования
3.10.2. Функциональное тестирование
3.11. Программирование UART для микроконтроллеров
3.11.1. Передача данных
3 11.2. Прием данных
3.11.3. Управление UART
3.11.4. Бод-генсратор (Baud Rate Generator)
3.12. Сопряжение компьютера с микроконтроллером по СОМ-порту
3.13. Программа для микроконтроллера
4. ПРОГРАММИРОВАНИЕ СОМ-ПОРТОВ
4.1. Открытие порта
3.2. Настройка параметров порта
4.3. Настройка тайм-аутов
4.4. Использование стандартного диалога настроек порта
4.5. Прием и передача данных
4.6. Использование потоков
5. ШИНА USB
5.1. Аппаратная организация шины
5.2. Преобразователи USB-FIFO
5.3. Подключение микросхемы FT245BM к USB
5.4. Преобразователи USB-RS232
5.5. Подключение микросхемы FT232BM к USB
6. ПРОГРАММИРОВАНИЕ USB-ШИНЫ
6.1. Установка драйверов
6.2 .Определение подключенных устройств. Получение информации об устройстве
6.3. Организация обмена данными
6.4. Программа для контроллера AVR
6.5. Использование тайм-аутов
6.6. Программирование устройств на базе FT232
6.7. Программирование EEPROM
6.8. Коды ошибок при работе с USB
7. ОБЗОР ПРОГРАММНЫХ СРЕДСТВ ДЛЯ РАБОТЫ С ПОРТАМИ
7.1. Proteus
7.2. SCADA-снстемы
7.2.1. Принцип работы SCADA систем
7.2.2. Система Genie
7.3. Teiminat
7.4. Wtnscope
8. ПРИНЦИПЫ ОРГАНИЗАЦИИ СЕТЕВЫХ КОММУНИКАЦИЙ
8.1. Использование Windows Sockets
8.2. Инициализация Winsock
8.3. Создание гнезда и открытие соединения
8.4. Отправление и получение сообщений
8.5. Управление процессом генерации сообщений
8.6. Пример разработки программы
ПРИЛОЖЕНИЯ
ЛИТЕРАТУРА
Издательство: Олди-плюс
Год издания: 2008
Страниц: 380
ISBN: 978-966-8447-51-8
Язык: русский
Формат: PDF
Размер: 8,5 Мб
Скачать: Рябенький В.М. Компьютерное управление внешними устройствами через стандартные интерфейсы
