Разработка модуля дистанционного управления светом для системы «умный дом»

А.И. Мамонтов

Аннотация: В данной статье рассмотрен процесс разработки модуля управления освещением для системы «Умный Дом» от постановки технической задачи до аппаратной реализации. Приведены электрическая принципиальная схема, компьютерная модель, программа на языке ассемблер, чертеж печатной платы. Благодаря компьютерному моделированию и программированию была сконструирована компактная модель устройства дистанционного управления светом. Представлены популярные программные продукты, фотографии самого модуля и вспомогательного устройства сконструированные автором статьи.

Умный Дом (Smart House) — это интеллектуальная система управления, обеспечивающая согласованную и автоматическую работу всех инженерных сетей дома. Такая система грамотно распределяет ресурсы снижает эксплуатационные затраты и обеспечивает понятный интерфейс контроля и управления.

Модуль дистанционного управления светом может найти применение в следующих случаях:

1. Замена двухклавишного выключателя комнатного освещения.

2. Может быть встроен в бра, торшеры, настольные лампы и т.д.

3. Для облегчения выключения света пожилыми людьми и инвалидами.

4. Дистанционное управление вытяжкой, приборами для обогрева помещений, насосами, компрессорами, уличным освещением (например, фонарь на гараже), и т.д.

5. Управление детскими игрушками.

6. Для замены механических выключателей при их расположении в труднодоступных местах.

В данной статье рассмотрен процесс разработки модуля дистанционного управления (ДУ) светом через пульт от телевизора.

Основные физико-технические эффекты. Данный модуль имеет в своем составе фотоприемник, представляющий готовую микросборку. Главной его частью является фототранзистор. Под действием инфракрасного излучения в фототранзисторе возникает внутренний фотоэффект, вследствие чего фототранзистор меняет свое проходное сопротивление с высокого уровня (теневой ток) на более низкий, соответствующий интенсивности облучения фотоприемника.

Поскольку устройство состоит из полупроводниковых приборов и медных проводников, он обладает как электронной, так и электронно-дырочной проводимостью.

Модуль оснащен индикатором активности в виде светодиода. Под действием напряжения через p-n переход светодиода протекает небольшой ток. Из-за рекомбинаций дырок и электронов в переходе, полупроводник испускает фотоны света длинной волны, соответствующей виду полупроводника светодиода. Таким образом, происходит электролюминесценция.

Постановка задачи. Нужно создать устройство дистанционного управления светом для системы «Умный Дом», малое по габаритам, с низким энергопотреблением и приемлемой стоимостью. Рассмотрим для начала примерную блок-схему для модуля (см. рисунок 1).

Благодаря развитию микроэлектроники появилась возможность проектировать различные устройства на универсальных программируемых микросхемах – микроконтроллерах. В основе данного модуля лежит одно из таких сложных устройств. Оно выполняет следующие функции:

1. Принимает электрические сигналы на порт ввода вывода от инфракрасного (ИК) приемника.

2. Записывает кодовую последовательность пульта ДУ в энергонезависимую память.

3. Сравнивает принятый сигнал с тем, что записан в энергонезависимой памяти и в зависимости от результата сравнения принимает решение передавать сигнал управления на исполнительное устройство.

Рисунок 1. - Блок схема модуля управления светом.

ИК приемники в настоящее время изготавливаются как единое устройство в миниатюрном корпусе с входами питания и сигнальным выходом. Такие приемники можно встретить во всех телевизорах, музыкальных центрах и прочих бытовых устройствах, управляемых по ИК каналу. Модуль должен быть оснащен кнопкой управления, для того чтобы пользователь мог проконтролировать процесс записи принятого кода от пульта ДУ. В качестве исполнительного устройства может быть применено электромагнитное реле с усилителем тока на транзисторе, в случае если прибор питается от источника постоянного тока. Если прибор будет работать от переменного тока, то нужно применить симистор (симметричный управляемый диод). В данной статье не будут рассматриваться тонкости проектирования источников питания и выбор исполнительного устройства, а будет представлена демонстрационная модель с батарейным питанием и светодиодной нагрузкой.

Обоснование выбора микроконтроллера для модуля. Микроконтро?ллер (англ. Micro Controller Unit, MCU) — микросхема, предназначенная для управления электронными устройствами. Типичный микроконтроллер сочетает в себе функции процессора и периферийных устройств, может содержать ОЗУ и ПЗУ. По сути, это однокристальный компьютер, способный выполнять простые задачи. Большая часть выпускаемых в современном мире процессоров — микроконтроллеры. Для данного модуля был выбран микроконтроллер фирмы Microchip на базе ядра PIC12 (см. рисунки 2, 3). Называется этот МК – PIC12F675. Его отличительные особенности:

1. Маленький – всего 8 ножек;

2. 6 портов ввода-вывода, назначаемых пользователем;

3. Есть внутренний тактовый генератор на 8 МГц, нет необходимости подключать кварцевый резонатор и, как следствие, занимать им ножки МК;

4. Высокая надежность и диапазон рабочих температур;

5. Всего 35 команд для управления.

Рисунок 2. - Микроконтроллер PIC12F675 в корпусе DIP8.

Интегрированная среда разработки программ для управления микроконтроллерами фирмы Microchip. Специально для PIC микроконтроллеров создана среда для написания программ на языке ассемблер – MPLAB (см. рисунок 4). Она распространяется бесплатно, представляет все удобства для написания программы под конкретную микросхему.

Рисунок 3. - Внутренняя архитектура PIC12F675.

Рисунок 4. - Эмблема MPLAB.

На рисунке 5 изображен интерфейс программы. В главном окне слева вверху – это код ассемблера с комментариями программиста. Окно ниже слева – список регистров специального назначения. Окно правее – карта регистров памяти программ. Красным цветом помечены те регистры, в которых только что произошло изменение в ходе выполнения программы, например инкремент числа в регистре (увеличение на 1) . Имеется также приятная возможность посмотреть, сколько памяти занимает код программы в микроконтроллере.

Рисунок 5. - Интерфейс MPLAB.

MPLAB позволяет моделировать процесс выполнения программы на виртуальном микроконтроллере, посмотреть шаг за шагом как меняется содержимое регистров после выполнения каждой команды. Программа выполняется всегда, никогда не останавливается, даже тогда, когда микроконтроллер с виду ничего не делает, он, словно заводная игрушка во время включения питания заводится и все время наверстывает круги по программе пока его не выключат. Остановка программы означает сбой. А уход выполнения программы в вечный цикл означает, что микроконтроллер «застрял». В этом смысле отладка кода программы в MPLAB выручит, она удобна и оптимизирована на то, чтобы программист как можно скорее нашел и исправил ошибку в независимости функциональная она или грамматическая.

Если код ассемблера написан правильно, то MPLAB генерирует два файла: первый – код ассемблера в формате.asm, второй – шестнадцатеричный код, файл с разрешением .hex – это и есть то, что «понимает» микроконтроллер. На профессиональном жаргоне этот файл звучит как «прошивка» (см. рисунок 6).

Рисунок 6. - Фрагмент «прошивки».

Программирование микроконтроллера через программатор. Записать шестнадцатеричный код в микроконтроллер можно только с помощью специального устройства – программатора. Существует множество разновидностей этих устройств, некоторые сделаны под конкретные микросхемы, другие – универсальные. Самый большой недостаток здесь – это их высокая стоимость. Поэтому автором данной статьи был сконструирован самодельный программатор, который широко распространен в Internet (см. рисунок 7).

Программатор подключается к персональному компьютеру через COM порт. А управляется через специальное приложение программатор, речь о котором пойдет чуть позже. ExtraPIC – универсальный программатор, на его плате находятся сокеты (гнезда) под различные корпуса микроконтроллеров. Таким образом, он аппаратно поддерживает большой перечень микросхем. При программировании через компьютер, микроконтроллер вставляется в нужный сокет и программируется через приложение-программатор (рисунок 8).

Рисунок 7. - Самодельный программатор «ExtraPIC».

Также как и аппаратных программаторов, «виртуальных» программаторов существует много. IC-Prog 1.06b – один из бесплатных программаторов, поддерживающий PIC – контроллеры. В нем достаточно произвести быструю настройку, указать путь к файлу прошивки и нажать кнопку «программировать микросхему». Тогда микросхема будет запрограммирована и после выполнения записи, ее можно вытащить из аппаратного программатора.

Моделирование модуля управления светом в среде Proteus 7 ISIS. Для моделирования будущих электронных устройств на базе микроконтроллеров идеально подходит программа Proteus 7 ISIS. В ней собирается электрическая принципиальная схема, подается питание и производится симуляция работы в режиме реального времени, либо пошагово, если требуется. На рисунке 9 показана компьютерная модель модуля дистанционного управления светом.

Рисунок 8. - Программатор IC-Prog 1.06b.

Запись кода прошивки в Proteus 7 происходит виртуально, указывается только путь к файлу с кодом программы, что очень удобно. Есть возможность пошагово просматривать каждые операции, которые проделывает процессор, это позволяет проводить мониторинг работы, что невозможно при макетировании реального устройства.

Чертеж электрической принципиальной схемы в программе sPlan 6.0. Если проектируется какое-либо электронное устройство, то положено начертить его электрическую принципиальную схему. Для этих целей я использовал программу sPlan 6.0. Она обладает удобным и понятным интерфейсом, а также русифицирована и бесплатна.

Электрическая принципиальная схема модуля управления светом изображена на рисунке 10.

Рисунок 9. - Компьютерная модель в Proteus 7 ISIS.

Электрическая принципиальная схема модуля управления светом изображена на рисунке 10.

На схеме видно, что схема проста, благодаря применению микропроцессора PIC12F675. Для демонстрации работы прибора вместо исполнительных устройств, включены, популярные сегодня, белые светодиоды с усилителями тока на транзисторах. В цепи баз транзисторов включены электролитические конденсаторы для придания эффекта плавности включения света. Роль ИК приемника выполняет устройство TSOP1738. Вся система питается от источника постоянного тока в 5 вольт.

Проектирование печатной платы в программе Sprint Layout 5. Sprint Layout 5 – самая удобная для проектирования печатных плат программа, с моей точки зрения. В ней богатое количество макросов для рисования и много опций. В последней версии №5 их больше всего.

Рисунок 10. - Электрическая принципиальная схема модуля управления светом.

Печатная плата, спроектированная для главного устройства, имеет вид, представленный на рисунке 11. Ее габаритные размеры – 65 х 40 мм. Питание подается на клеммник.

Рисунок 11. - Печатная плата для устройства управления светом.

Сборка устройства. Устройство управления светом было собрано на односторонне фольгированном стеклотекстолите (см. рисунки 12, 13).

На рисунке 14 изображено конечное устройство, установленное на отсек для батареек типа АА. Важные компоненты помечены цифрами:

1. Клеммник питания

2. Кнопка управления

3. Микроконтроллер

4. Индикатор активности

5. Фотоприемник

6. Светодиоды.

Рисунок 12. - Вид устройства со стороны печатных проводников.

Рисунок 13. - Вид со стороны установленных элементов.

Принцип работы устройства. Вначале на устройство подается напряжение питания. Далее нажимается кнопка записи в память. Загорается индикатор активности. Во время его свечения необходимо нажать на пульте ДУ от телевизора или любой другой бытовой техники две выбранные Вами кнопки. Тут важно выбрать те кнопки, которые не включают или выключают телевизор. Несоблюдение этого правила создаст некоторые неудобства.

Рисунок 14. - Расположение элементов.

После процесса записи в память индикатор активности мигнет и погаснет – процесс записи завершен. Теперь, можно управлять белыми светодиодами. Поскольку устройство двухканальное можно включать или выключать любой из них. Делается это одним нажатием кнопки, соответствующей нужному каналу. То есть одно нажатие включит нужные светодиоды, повторное нажатие – погасит. В режиме ожидания (оба канала погашены) ток потребления прибора очень маленький не превышает 10 мА. А при работе на светодиодную нагрузку (во включенном состоянии) ток потребления гораздо меньше, чем при работе на нагрузку из ламп накаливания. Это делает прибор экономичным с точки зрения энергопотребления.

Технические характеристики.

1. Напряжение питания: 4,5 – 6 В.

2. Токи потребления: 10 мА (светодиоды отключены), 50 мА (все светодиоды включены).

3. Суммарная сила света светодиодов: 20 Кд.

4. Максимальное расстояние управления: 100 м.

Выводы.

Актуальность данной темы обеспечивается благодаря применению современных сред программирования и проектирования, а также использованию в проекте высокотехнологичных программируемых микросхем. Данное устройство предназначено для прямой замены традиционного двухклавишного выключателя освещения. Применение современной элементной базы обеспечивает компактность и экономичность устройств подобного типа.