Рябенький В.М. Компьютерное управление внешними устройствами через стандартные интерфейсы

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

Посмотрев все их них я остановился на Eagle, так как в его библиотеке были «похожие» детали. Вот что получилось в нем:

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

Вид этих деталей:

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

Так как в качестве провода использовалась обычная витая пара, то не хватило одного проводка, но для данного устройства достаточно только пяти проводов, так что данный вариант подходит. В качестве включаемой нагрузки у нас выступает простой советский фонарик. Ну и в качестве блока питания - универсальный китайский блок питания (4 коннектора и питание от 3 до 12 в). Вот все в сборе:

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);

Многие из нас наверно хотели бы управлять электрическими цепями через компьютер. А что? Неплохо было бы. Представь, звонит тебе друг, говорит: «Через 20 мин буду», тут проходит 20 минут, звонок в двери, но как не хочется вставать из-за компьютера, идти открывать двери и т.д. А представь иную ситуацию: звонок в двери, тут у тебя на мониторе выползает сообщение типа «У Вас гости», ты нажимаешь кнопку на компьютере - открывается магнитный замок на дверях, и ты орешь на весь дом: «Заходи», или тебе нужно включить электрочайник, свет или еще что то. В наше время это уже не фантастика, а вполне реалистично, только вот из-за плохой экономики далеко не каждый может позволить себе даже самый простейший «смарт-хаус», но если есть желание и прямые руки, то можно запросто сделать управление электрическими цепями через ПК.

В наше время достаточно много людей умеет программировать, они могут написать программку под компьютер, которая смогла бы управлять внешними устройствами, но как подключить тотже электрочайник к компьютеру? Ну, можно, к примеру, через LPT порт, только вот его уже редко где можно увидеть, что тогда остается? USB!!!

Давайте сделаем устройство, которое будет подключаться к USB и сможет управлять электроцепями (например, включать освещение), реагировать на замыкание кнопок (например, дверной звонок) и еще что-то.

Итак, из чего же мы будем его делать? Те, кто интересовался данным вопросом, наверно уже слышали о модуле Ke-USB24A.

Описание:

Модуль Ke-USB24A предназначен для сопряжения внешних цифровых и аналоговых устройств, датчиков и исполнительных механизмов с компьютером через шину USB. Определяется как дополнительный (виртуальный) COM порт. Модуль имеет 24 дискретные линии ввода/вывода (либо лог. 0 либо лог. 1) с возможностью настройки направления передачи данных (вход/выход) и встроенный 10-ти разрядный АЦП. Для управления модулем предусмотрен набор текстовых команд управления (KE - команды).

Отличительные особенности:

интерфейсный модуль для сопряжения по шине USB
определяется ОС Windows/Linux как виртуальный COM порт
не требует дополнительных схемных элементов, сразу готов к работе
24 дискретные линии ввода/вывода с возможностью независимой настройки направления передачи данных (вход/выход) и сохранения настроек в энергонезависимой памяти модуля
встроенный 10-ти разрядный АЦП с гарантированной частотой дискретизации до 400 Гц.
динамический диапазон напряжения входного аналогового сигнала для АЦП от 0 до 5 В.
набор готовых текстовых команд управления высокого уровня (KE - команды)
удобный форм-фактор в виде модуля с DIP-колодкой и разъемом USB-B
возможность питания как от шины USB, так и от внешнего источника питания (режим выбирается джампером на плате)
возможность сохранения данных пользователя в энергонезависимой памяти модуля (до 32 байт)
возможность изменения строкового дескриптора USB устройства
каждый модуль имеет уникальный серийный номер доступный программно
поддержка ОС Windows 2000, 2003, XP 32/64 bit, Vista 32/64 bit и Windows 7 32/64 bit
поддержка OS Linux

Вроде бы это то, что нам нужно, НО… цена этого чуда начинается от $40. Наверно у вас уже пропало желание его покупать.

Давайте лучше сами соберем подобный модуль, только чтобы он был доступный даже голодному студенту!

Из обязательных критериев: дешевизна и легко доступность компонентов, простота сборки.

В качестве микроконтроллера возьмем широко распространенный ATmega8 (без индекса L в конце). Характеристики нашего модуля будут такие:

Подключение к ПК через USB.
определяется ОС Windows как USB HID устройство, не требующее драйверов .
Сразу готов к работе.
7 линий вывода с логическим состоянием (активен / неактивен).
2 линии вывода с плавным управлением напряжения от минимума до максимума. Только это не ЦАП (цифро-аналоговый преобразователь) а ШИМ (широтно-импульсная модуляция). Но с помощью фильтра можно легко превратить в ЦАП.
7 линий ввода с логическим состоянием (активен / неактивен).
1 АЦП (аналогово-цифровой преобразователь) с возможностью подключения внешнего источника опорного напряжения (ИОН).
Возможность заливать новую прошивку прямо через USB.

Почему я выбрал именно HID, а не виртуальный COM порт (CDC)? Во-первых, не нужны драйвера, во-вторых, HID в несколько раз меньше грузит микроконтроллер, чем CDC, так как данные запрашиваются не постоянно, а только тогда, когда этого требует хост (компьютер), и вообще, COM порт уже отмирает, сейчас аппаратных COM портов уже практически нет, остались только виртуальные. Логические линии вывода предназначены для управления только двумя состояниями - включенный или выключенный, при выключенном на выходе (ножке микроконтроллера) будет 0В при включенном - 5В, сюда вы можете подключить просто светодиод и управлять ним с ПК, а можете подключить реле (через транзистор) и управлять более мощной нагрузкой (освещение и т.д.). Линии вывода с регулировкой напряжения (ШИМ выход) позволяют плавно менять напряжение на ножке микроконтроллера от 0В до +5В с шагом 5/1024В. Линии ввода с логическим состоянием предназначены для мониторинга состояния кнопок, ключей и т.д. Когда линия замкнута на землю (корпус, GND), ее состояние = 0, если не замкнута - 1. АЦП позволяет измерять напряжение, сюда можно подключить потенциометр, аналоговый термодатчик, или еще что то, только напряжение, на этой ножке не должно превышать напряжение питания. В качестве источника опорного напряжения для АЦП можно использовать как внешний ИОН, так и напряжение питания модуля. Чтобы при перепрошивке не приходилось подключать микроконтроллер к программатору, сделаем возможность заливки прошивки прямо через USB, без использования внешнего программатора.

Схема устройства:

Как видите, схема достаточно проста, только коннекторы я прикрепил на схеме не по порядку, это потому что у ATmega8 ножки каждого порта, почему то расположены в разброс, зато на самой плате будет выглядеть красиво.

Печатная плата:

Ну и в результате получилось вот что:

Теперь разберемся, что куда будем подключать.

USB - Порт. Думаю, его все знают.
Индикатор питания.
Логический вход 1.
Логический вход 2.
Логический вход 3.
Логический вход 4.
Логический вход 5.
Логический вход 6.
Логический вход 7.
Вход АЦП.
Вход для подключения ИОН.
Этот контакт подключен к питанию устройства. Замкните перемычкой 12 и 13 контакты, чтобы напряжение ИОНа было равно напряжения питания.
Логический выход 1.
Логический выход 2.
ШИМ выход 1.
ШИМ выход 2.
Логический выход 3.
Логический выход 4.
Логический выход 5.
Логический выход 6.
Логический выход 7.

Что такое GND?

Даже начинающий радиолюбитель знает, что такое GND, но некоторым людям это кажется страшным буквами. GND - это, так сказать, общий контакт. Его еще называют землей и массой. Провод обычно черного цвета (иногда белого или еще, какого нить). GND также подключается к металлическому корпусу устройства. На плате в большинстве случаев все свободное место заполняет GND в виде больших полигонов. На нашем модуле есть полигоны в виде сеточки, они так же соединяются с корпусом USB - разъема.

Программа для микроконтроллера.

Так как в статье я хочу рассказать, как управлять цепями через USB с помощью готового модуля, то я не буду объяснять, как работает программа микроконтроллера, снизу можете скачать исходники и посмотреть, там много комментов. Здесь я напишу просто об идентификаторах устройства.

Итак, в исходниках находится файл usbconfig.h , в нем есть строки

#define USB_CFG_VENDOR_ID 0x10, 0x00

#define USB_CFG_DEVICE_ID 0x01, 0x00

#define USB_CFG_VENDOR_NAME "k","i","b","e","r","m","a","s","t","e","r",".","p","l",".","u","a"

#define USB_CFG_VENDOR_NAME_LEN 17

#define USB_CFG_DEVICE_NAME "U","S","B","-","C","o","n","t","r","o","l"

#define USB_CFG_DEVICE_NAME_LEN 11

Первые две строчки - это ID устройства и ID продукта, такие есть у каждого USB устройства, только в этом файле указывается сначала младший байт, потом старший, в программе под компьютер - наоборот . Дальше идет имя производителя (вендора) и название устройства, также указывается длина строки в байтах. Программа ПК сначала будет искать устройств по ID и потом, среди найденных, будет искать по имени.

Прошивка устройства.

В скачанных файлах в папке MCUusb_bootloader найдите файл main.hex - это usb-bootloader, его нужно залить в МК с помощью внешнего программатора. После заливки также нужно правильно установить фьюзы, в окне программатора STK500 должно выглядеть так:

Если вы пользуетесь другой программой, то можете просто ввести значения фьюз-битов HIGH и LOW (смотрите на скрин).

После удачной прошивки, можно попробовать прошить устройство через бутлоадер. Как он работает? При включении МК (просто при подаче питания, или после ресета) сразу запускается бутлоадер, он проверяет условие, если оно истинно, то запускается инициализация бутлоадера (компьютер при этом находит устройство). В качестве условия у нас будет «Логический вход 1 = 0″, то есть, чтобы запустить бутлоадер, нужно замкнуть Логический вход 1 на GND и нажать на устройстве кнопку RESET, в диспетчере устройство должно появиться новое HID устройство, так же не требующее драйверов:

Такс, теперь в папке MCUUSB_Controldefault запускаем файл boot.bat , должно выскочить окошко, в котором будут бегать циферки:

Если окно сразу же закрылось, тогда вы сделали что то, не правильно. Если же все ок, тогда внешний программатор для этого устройства Вам уже не понадобится. Теперь можете отключить Логический вход 1 от GND. И на всякий случай, нажмите RESET. В диспетчере устройств так же должно появиться HID устройство (компьютер напишет, что найдено новое). Убедитесь, что в диспетчере появилось именно это устройство.

Хост - это то, что будет управлять устройством, в нашем случае - компьютер. Управление устройством с ПК я опишу более подробно.

Для программистов Delphi написать программу управления HIDом не составит проблем, так как в интернете куча информации. А вот программистам C++ Builder не все так сладко, но, как оказалось, не так все и плохо. В интернете я нарыл библиотеку hidlibrary.h, вот с ее помощью мы будет работать с HID устройством.

Скачайте исходники и запустите USB Control.cbproj (C++ Builder 2010).

В файле hidlibrary.h в самом верху есть строка

Создадим форму, на форме будет один CheckListBox для управления логическими выходами, 2 ScrollBar для управления ШИМ каналами, один ListBox для отображения логических входов, один Label для отображения состояния АЦП и один таймер. Должно получиться вот такое:

Переименуйте СкрулБары в ScrollBar_PWM1 и ScrollBar_PWM2, в их свойствах установите Max=1023.

Создадим структуру

#pragma pack (push, 1)

struct status_t{

unsigned char logical_outputs;

unsigned char logical_inputs;

unsigned char ADC_DATA;

unsigned short int PWM1;

unsigned short int PWM2;

struct status_t DeviceStatus;

#pragma pack (pop)

#pragma pack нужна чтобы компилятор не выравнивал структуру. В logical_outputs хранятся состояние всех логических выходов, в побитном режиме, то есть, первый бит хранит состояние первого выхода, второй - второго и так до седьмого. Аналогично logical_inputs хранит состояние логических входов. В ADC_DATA хранится состояние АЦП, минимальное значение 0, максимальное - 255. В PWM1 хранится состояние первого ШИМ выхода (плавная регулировка напряжения), в PWM2 - состояние второго, минимальное значение 0, максимальное - 1023.

В программе ПК нужно считать с микроконтроллера эту структуру, ну и далее обработать принятые данные. Чтобы установить новые значения выходов, нужно сначала записать в структуру новые значения, а потом отправить измененную структуру на микроконтроллер. При установке новых значений нужно редактировать только первый, 4 и 5 элементы, редактирование остальных двух не даст никакого эффекта.

HIDLibrary hid;

И добавляем функцию connect().

Теперь данные с HID-устройства можно запросить с помощью функции hid.ReceiveData, указав в качестве параметра указатель на структуру, только перед запросом нужно проверить, подключено ли устройство:

А теперь давайте допишем нашу программу (или просто скачайте исходники, там все готовое).

Добавьте где нить в коде (лучше сразу после структуры) эти строки:

В свойствах таймера укажите Enabled = True, Interval = 500. Щелкните по нему дважды и в обработчике напишите

if (!connect()) return; // Выходим, если устройство не подключено

hid.ReceiveData(&DeviceStatus); // Читаем данные с устройства

for (char i = 0; i < 7; i++)

CheckListBox_LogOuts->Checked[i] = CheckBit(DeviceStatus.logical_outputs, i);

ScrollBar_PWM1->Position = DeviceStatus.PWM1;

ScrollBar_PWM2->Position = DeviceStatus.PWM2;

ListBox_LogInputs->Clear();

for (char i = 0; i < 7; i++)

ListBox_LogInputs->Items->Add(" Лог. вход "+IntToStr(i+1)+" = "+BoolToStr(CheckBit(DeviceStatus.logical_inputs, i)));

Label_ADC->Caption = DeviceStatus.ADC_DATA;

Думаю, тут все понятно и объяснений не требует.

Кликните дважды по CheckListBox, в обработчике напишите

Все, можно компилировать!

Тест-драйв.

Итак, все готово: устройство собрано, микроконтроллер прошит, программа для компьютера создана, можно протестировать.

Подключите устройство к ПК, запустите программу. Слева в листбоксе отображается состояние всех логических входов, если, к примеру, Логический вход 1 не замкнут на GND, тогда будет написано «Лог. вход 1 = -1″, если подключен, то «Лог. вход 1 = 0″. Вот скрин:

Под этим листбоксом отображается результат преобразования АЦП. Замкните вход АЦП на минус, тогда результат будет равен 0, замкните на + питания, результат будет 255. Можно подключить сюда потенциономер, или еще что. Напряжение на ножке АЦП можно вычислить по формуле: Напряжение_ИОН/255*результат_АЦП .

Теперь подключите какую то маленькую нагрузку к Логическом выходу 1 (светодиод или просто вольтметр). Поставьте галочку возле "Лог. выход 1" - светодиод загорится.

Подключите вольтметр к первому ШИМ каналу, покрутите ползунок - напряжение будет меняться.

Завершение.

Теперь можете сделать на основе этого модуля управление освещением или ещё какими-то электроприборами. К логическим входам можно подключить кнопку дверного звонка или какой-то другой ключ. К входу АЦП можете подключить аналоговый датчик влажности, термодатчик или фоторезистор (будете знать, ночь на улице или день).

Как вам эта статья?

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.

Категории