8kanálový programovatelný časovač: 13 kroků

2024 Autor: John Day | [email protected]. Naposledy změněno: 2024-01-30 08:23

Úvod

Pro své projekty používám řadu mikrokontrolérů Microchip PIC od roku 1993 a veškeré své programování jsem prováděl v jazyce assembler pomocí Microchip MPLab IDE. Moje projekty sahaly od jednoduchých semaforů a blikajících LED diod až po rozhraní USB joysticku pro R/C modely a analyzátory rozváděčů používané v průmyslu. Vývoj trval mnoho dní a někdy i tisíce řádků kódu assembleru.

Po obdržení Matrix Multimedia Flowcode 4 Professional jsem byl k softwaru docela skeptický. Vypadalo to příliš snadno věřit. Rozhodl jsem se to zkusit a otestoval jsem všechna různá komponentní makra, vše s velkým úspěchem. Nejlepší část používání Flowcode byla v tom, že jednoduché projekty lze kódovat za jedinou noc. Po hraní s I²C a hodinami reálného času DS1307 jsem se rozhodl navrhnout 8kanálový časovač pomocí Flowcode. Protože to nebyl malý a snadný projekt, věřil jsem, že to bude skvělý projekt, jak se naučit Flowcode.

Výběr mikroprocesoru a dalších komponent

Vzhledem k požadovanému počtu I/O pinů bylo jasné, že bude potřeba 40 pinové zařízení. Byl vybrán PIC 18F4520, hlavně pro 32K programovou paměť a 1536 bytů datové paměti. Všechny použité komponenty jsou standardní průchozí zařízení, což umožňuje v případě potřeby sestavit obvod na desce Vero. To také pomohlo s vývojem na prkénku.

Krok 1: Cíle projektu

Cíle

- Přesné uchovávání času se záložní baterií.

- Všechny programy a data budou zachována i po výpadku napájení.

- Jednoduché uživatelské rozhraní.

- Flexibilita programování.

Dodržování času

Pokud žijete v oblasti náchylné k výpadkům napájení, standardní 50/60 Hz z elektrického vedení nebude dostačující pro přesné dodržování času. Hodiny v reálném čase byly zásadní a po testování několika čipů RTC jsem se rozhodl pro DS1307 kvůli jeho jednoduché konfiguraci oscilátoru a baterie. Docela přesné udržování času bylo získáno pouze pomocí krystalu 32,768 kHz připojeného k DS1307. Přesnost byla do 2 sekund během 2měsíční zkušební doby s použitím 4 různých značek krystalů.

Uchování dat

Všechna data programu časovače musí být zachována i při výpadku napájení. Díky až 100 různým programům a různým konfiguračním datům bylo jasné, že 256 bajtů palubní EEPROM PIC nebude dostatečně velké. K uložení všech programovacích informací se používá EEPROM 24LC256 I²C.

Jednoduché uživatelské rozhraní

Uživatelské rozhraní se skládá pouze ze 2 položek, 16 x 4 řádkového LCD displeje s LED podsvícením a klávesnice 4 x 3. Veškeré programování lze provést stisknutím několika tlačítek. Doplňky rozhraní jsou slyšitelný piezoelektrický bzučák a vizuálně blikající podsvícení LCD.

Krok 2: Flexibilita programování

Aby byla zajištěna dostatečná flexibilita programu, má časovač 100 programů, které lze nastavit jednotlivě. Pro každý program lze nastavit čas zapnutí, čas vypnutí, výstupní kanály a den v týdnu. Každý program má tři režimy:

- Auto: Je nastaven čas zapnutí, čas vypnutí, výstupní kanál a den v týdnu.

- Vypnuto: Individuální program lze deaktivovat, aniž byste odstranili nastavení. Chcete -li program znovu povolit, jednoduše vyberte jiný režim.

- Den/noc: Je nastaven čas zapnutí, vypnutí, výstupní kanál a den v týdnu. Funguje stejně jako automatický režim, ale bude

výstupy zapínejte pouze mezi časy zapnutí a vypnutí, když je tma. To také umožňuje plné ovládání den/noc

jako přidaná flexibilita pro zapnutí světla při západu slunce a vypnutí při východu slunce.

Příklad 1: Světlo se rozsvítí po 20:00 a vypne se při východu slunce:

Dne: 20:00, Vypnuto: 12: 00, Příklad 2: Zapne světlo při západu slunce a vypne světlo ve 23:00.

Dne: 12:00

Vypnuto: 23:00

Příklad 3: Zapne světlo při západu slunce a vypne světlo při východu slunce.

Dne: 12:01

Vypnuto: 12:00

K dispozici jsou další možnosti, všechny pracují nezávisle na 100 programech zapnutí/vypnutí.

Programové kanály aktivní: Namísto vypnutí několika programů lze jednotlivé výstupní kanály deaktivovat, aniž by bylo nutné programy měnit.

Pomocné vstupy: K dispozici jsou dva digitální vstupy, které umožňují zapnutí určitých výstupních kanálů na určitou dobu. Lze jej například použít k zapnutí určitých světel při příchodu domů pozdě v noci, při stisknutí tlačítka na dálkovém ovladači nebo k zapnutí jiného serialu při spuštění domácího alarmu.

Pomocné výstupy: K dispozici jsou dva další výstupy (kromě 8 výstupních kanálů). Lze je naprogramovat tak, aby se zapnuly s určitými výstupními kanály nebo s digitálními vstupy. V mé instalaci mám výstupy 6-8 ovládající moji závlahu, která funguje na 24V. Kanály 6-8 používám k zapnutí jednoho z pomocných výstupů, k zapnutí napájení 24 V pro zavlažovací systém.

Manual On: Na hlavní obrazovce lze pomocí tlačítek 1-8 kanály ručně zapnout nebo vypnout.

Krok 3: Hardware

Napájení: Napájení se skládá z usměrňovače, vyhlazovacího kondenzátoru a pojistky 1 A pro ochranu proti přetížení. Toto napájení je pak regulováno regulátorem 7812 a 7805. Napájení 12 V se používá pro pohon výstupních relé a všechny ostatní obvody jsou napájeny ze zdroje 5 V. Protože je regulátor 7805 připojen k výstupu regulátoru 7812, celkový proud musí být omezen na 1 ampér přes regulátor 7812. Tyto regulátory je vhodné namontovat na vhodný chladič.

I²C Bus: Přestože Flowcode umožňuje hardwarové řízení I²C, rozhodl jsem se využít softwarovou konfiguraci I²C. To umožňuje větší flexibilitu přiřazení pinů. Přestože je pomalejší (50 kHz), ve srovnání s hardwarovou sběrnicí I²C stále funguje skvěle. K této sběrnici I²C jsou připojeny DS1307 i 24LC256.

Hodiny reálného času (DS1307): Během spouštění se načte registr RTC 0 a 7, aby se zjistilo, zda obsahuje platná časová a konfigurační data. Po správném nastavení se načte čas RTC a čas se načte do PIC. Toto je jediný čas, kdy je čas načten z RTC. Po spuštění bude na pinu 7 RTC přítomen pulz 1 Hz. Tento signál 1 Hz je připojen k RB0/INT0 a prostřednictvím rutiny služby přerušení je čas PIC aktualizován každou sekundu.

Externí EEPROM: Všechna data a možnosti programu jsou uloženy na externí EEPROM. Data EEPROM se načtou při spuštění a kopie dat se uloží do paměti PIC. Data EEPROM se aktualizují pouze při změně nastavení programu.

Senzor den/noc: Jako senzor den/noc se používá standardní odpor závislý na světle (LDR). Protože LDR přicházejí v mnoha tvarech a variantách, všechny s různými hodnotami odporu za stejných světelných podmínek, použil jsem ke čtení úrovně světla analogový vstupní kanál. Denní i noční úrovně jsou nastavitelné a umožňují určitou flexibilitu pro různé senzory. K nastavení hystereze lze nastavit individuální hodnoty pro den a noc. Stav se změní pouze tehdy, je -li hladina světla pod nastavenými hodnotami Den nebo Nad Noc déle než 60 sekund.

LCD displej: Používá se 4řádkový, 16místný displej, protože všechna data nelze zobrazit na 2řádkovém displeji. Projekt obsahuje některé vlastní znaky, které jsou definovány v makru LCD_Custom_Char.

Pomocné vstupy: Oba vstupy jsou pufrovány tranzistorem NPN. +12v a 0V je také k dispozici na konektoru, což umožňuje flexibilnější připojení k externím připojením. Jako příklad lze k napájení připojit přijímač dálkového ovládání.

Výstupy: Všechny výstupy jsou elektricky izolovány od obvodu pomocí relé 12V. Použitá relé jsou dimenzována na 250 V AC, při 10 ampérech. Normálně otevřené a normálně zavřené kontakty jsou vyvedeny na svorky.

Klávesnice: Použitá klávesnice je maticová klávesnice 3 x 4 a je připojena PORTB: 2..7.

Krok 4: Přerušení klávesnice

Chtěl jsem využít přerušení PORTB při změně Přerušení při jakémkoli stisknutí klávesy. Za tímto účelem bylo nutné v Flowcode vytvořit vlastní přerušení, aby bylo zajištěno, že směr a data PORTB jsou nastavena správně před a po každém přerušení klávesnice. Přerušení je generováno při každém stisknutí nebo uvolnění tlačítka. Rutina přerušení reaguje pouze při stisknutí klávesy.

VLASTNÍ PŘERUŠENÍ

Povolit kód

portb = 0b00001110; trisb = 0b11110001;

intcon. RBIE = 1;

intcon2. RBIP = 1;

intcon2. RBPU = 1;

rcon. IPEN = 0;

Kód obsluhy

if (intcon & (1 << RBIF))

{FCM_%n ();

portb = 0b00001110;

trisb = 0b11110001;

wreg = portb;

clear_bit (intcon, RBIF);

}

Nalezeny problémy

Během přerušení musí rutina služby přerušení za ŽÁDNÝCH podmínek volat jakékoli jiné makro, které by mohlo být použito někde ve zbytku programu. To nakonec povede k problémům s přetečením zásobníku, protože k přerušení může dojít ve stejnou dobu, kdy je hlavní program také ve stejném podprogramu. Toto je také identifikováno jako VÁŽNÁ CHYBA podle Flowcode při kompilaci kódu.

Ve vlastním kódu klávesnice pod GetKeyPadNumber existuje takové volání makra Delay_us, které způsobí přetečení zásobníku. Abych to překonal, odstranil jsem příkaz Delay_us (10) a nahradil jej 25 řádky „wreg = porta;“příkazy. Tento příkaz přečte PORTA a umístí svou hodnotu do registru W, aby získal určité zpoždění. Tento příkaz bude zkompilován do jediné instrukce podobné assembleru movf porta, 0. Pro 10MHz hodiny použité v projektu budou každá instrukce 400ns a pro získání 10us zpoždění jsem potřeboval 25 těchto instrukcí.

Poznámka na druhém řádku obrázku 3: Vlastní kód GetKeypadNumber, že původní příkaz delay_us (10) byl deaktivován pomocí „//“. Pod to jsem přidal svých 25 „wreg = porta;“příkazy pro získání nového 10us zpoždění. Bez volání jakýchkoli maker uvnitř vlastního kódu Keypad_ReadKeypadNumber lze nyní makro Keypad použít uvnitř rutiny služby přerušení.

Je třeba poznamenat, že komponenty Flowcode Keypad a eBlocks nepoužívají na vstupních linkách standardní výsuvné odpory. Místo toho používá 100K stahovací odpory. Kvůli určitému rušení zjištěnému na klávesnici během vývoje byly všechny odpory 100K nahrazeny 10K a všechny odpory 10K nahrazeny 1K5. Klávesnice byla testována na správnou funkci s vývody 200 mm.

Krok 5: Použití časovače

Všechny obrazovky jsou nastaveny tak, aby zobrazovaly všechny požadované informace pro uživatele, aby mohl provést rychlé změny nastavení. Řádek 4 slouží k navigaci v nabídkách a programových možnostech. Během normálního provozu je k dispozici celkem 22 obrazovek.

ŘÁDEK 1: Čas a stav

Zobrazuje aktuální den a čas, následovaný stavovými ikonami:

A - Indikuje, že byl aktivován Aux vstup A a časovač Aux Input A běží.

B - Indikuje, že byl aktivován Aux vstup B a časovač Aux Input B běží.

C - Indikuje, že je zapnut Aux výstup C.

D - Indikuje, že je zapnut Aux výstup D.

} - Stav senzoru Den/Noc. Pokud je k dispozici, znamená to, že je noc.

ŘÁDEK 2: Výstupy programu

Ukazuje kanály, které byly zapnuty různými programy. Kanály jsou zobrazeny ve svých výstupních číslech a „-“znamená, že konkrétní výstup není zapnutý. Kanály, které byly deaktivovány v „Programové výstupy aktivní“, zde budou stále zobrazeny, ale skutečné výstupy nebudou nastaveny.

ŘÁDEK 3: Skutečné výstupy

Ukazuje, které kanály jsou zapnuty různými programy, Aux vstupy A & B nebo manuálními výstupy nastavenými uživatelem. Stisknutím 0 se vrátí všechny ručně aktivované výstupy na vypnuté a resetují se časovače A & B Aux Output.

Řádek 4: Nabídka a možnosti kláves (ve všech nabídkách)

Udává funkci kláves „*“a „#“.

Středová část ukazuje, která numerická tlačítka (0-9) jsou pro vybranou obrazovku aktivní.

Stav vstupu Aux vstupu A a B je také zobrazen pomocí ikony otevřeného nebo zavřeného spínače.

Výstupy lze zapnout/vypnout ručně stisknutím odpovídající klávesy na klávesnici.

K procházení různými možnostmi programu slouží v nabídkách klávesy Star a Hash. K nastavení možností slouží klávesy 0-9. Pokud je na jedné obrazovce nebo v programovací nabídce k dispozici více možností, pomocí klávesy Hash procházíte různými možnostmi. Aktuálně vybraná možnost bude vždy označena znakem „>“v levé části obrazovky.

0-9 Zadejte časové hodnoty

1-8 Změňte výběr kanálu

14 36 Krokové programy, 1 krok zpět, 4 kroky zpět 10 programů, 3 kroky vpřed, 6 kroků vpřed 10

programy

1-7 Nastavené dny v týdnu. 1 = neděle, 2 = pondělí, 3 = úterý, 4 = středa, 5 = čtvrtek, 6 = pátek, 7 = sobota

0 Na hlavní obrazovce vymažte všechna ruční přepsání a časovače vstupu A a vstupu B. V ostatních nabídkách se změní

vybrané možnosti

# Na hlavní obrazovce deaktivujete všechna ruční přepsání, časovače vstupu A a vstupu B a výstupy programů, dokud

další událost.

* a 1 Restartujte časovač

* a 2 Vymažte všechny programy a možnosti, obnovte výchozí nastavení.

* a 3 Přepněte časovač do pohotovostního režimu. Chcete -li časovač znovu zapnout, stiskněte libovolnou klávesu.

Při nesprávném zadání jakékoli časové hodnoty bude podsvícení LCD 5krát blikat, což indikuje chybu. Současně zazní bzučák. Příkazy Exit a Next budou fungovat, pouze pokud je aktuální položka správná.

LCD podsvícení

Při prvním spuštění se podsvícení LCD zapne na 3 minuty, pokud:

- Došlo k selhání hardwaru (EEPROM nebo RTC nebyl nalezen)

- Čas není nastaven v RTC

Podsvícení displeje LCD se znovu zapne na 3 minuty na libovolném vstupu uživatele na klávesnici. Pokud je podsvícení LCD vypnuté, jakýkoli příkaz klávesnice nejprve zapne podsvícení LCD a ignoruje stisknutou klávesu. Tím je zajištěno, že uživatel bude schopen přečíst LCD displej před použitím klávesnice. Pokud je aktivován Aux Input A nebo Aux Input B, podsvícení LCD se také zapne na 5 sekund.

Krok 6: Záběry obrazovky nabídky

Pomocí klávesnice lze snadno naprogramovat každou z možností. Obrázky poskytují některé informace o tom, co každá obrazovka dělá.

Krok 7: Návrh systému

Veškerý vývoj a testování probíhaly na breadboardu. Při pohledu na všechny části systému jsem systém rozdělil na tři moduly. Toto rozhodnutí bylo způsobeno především omezeními velikosti DPS (80 x 100 mm) bezplatné verze Eagle.

Modul 1 - Napájení

Modul 2 - CPU deska

Modul 3 - Reléová deska

Rozhodl jsem se, že všechny komponenty musí být snadno dostupné a že nechci používat komponenty pro povrchovou montáž.

Pojďme projít každou z nich.

Krok 8: Napájení

Napájecí zdroj je přímý a napájí desky CPU a relé 12 V a 5 V.

Namontoval jsem regulátory napětí na slušné chladiče a pro napájení jsem také použil nadhodnocené kondenzátory.

Krok 9: CPU deska

Všechny komponenty, kromě displeje LCD, klávesnice a relé, jsou namontovány na desce CPU.

Pro zjednodušení spojení mezi napájením, dvěma digitálními vstupy a světelným senzorem byly přidány svorkovnice.

Piny/zásuvky záhlaví zajišťují snadné připojení k obrazovce LCD a klávesnici.

Pro výstupy do relé jsem použil ULN2803. Již obsahuje všechny požadované hnací odpory a diody flyback. Tím bylo zajištěno, že desku CPU lze stále vyrábět pomocí bezplatné verze Eagle. Relé jsou připojena ke dvěma ULN2803. Spodní ULN2803 se používá pro 8 výstupů a horní ULN2803 pro dva pomocné výstupy. Každý pomocný výstup má čtyři tranzistory. Připojení k relé je také přes kolíky/zásuvky záhlaví.

PIC 18F4520 byl vybaven programovací zásuvkou, která umožňuje snadné programování pomocí programátoru PicKit 3.

POZNÁMKA:

Všimněte si, že deska obsahuje dalších 8 pinů IC. Horní IC je PIC 12F675 a je připojen k digitálnímu vstupu. To bylo přidáno během návrhu DPS. To usnadňuje předběžné zpracování digitálního vstupu. V mé aplikaci je jeden z digitálních vstupů připojen k mému poplachovému systému. Pokud zazní alarm, v mém domě se rozsvítí určitá světla. Zapnutí a vypnutí mého poplašného systému vydává různá pípnutí na siréně. Pomocí PIC 12F675 nyní mohu rozlišovat mezi aktivací/deaktivací a skutečným alarmem. 12F675 je také vybaven programovací zásuvkou.

Také jsem provedl opatření pro port I2C přes pin/socket záhlaví. To se bude hodit později u reléových desek.

Deska obsahuje několik propojek, které by měly být pájeny před montáží IC zásuvek.

Krok 10: Závěr Flowcode

Protože jsem zvyklý pracovat na úrovni registru v sestavě, bylo někdy obtížné a frustrující používat makra komponent. Bylo to hlavně kvůli mé nedostatečné znalosti programovací struktury Flowcode. Jediné místo, kde jsem použil bloky C nebo ASM, bylo zapnout výstupy uvnitř rutiny přerušení a v rutině Do_KeyPressed zakázat/povolit přerušení klávesnice. PIC je také umístěn do režimu SLEEP pomocí bloku ASM, když není nalezena EEPROM nebo RTC.

Nápověda k používání různých příkazů I²C byla získána ze souborů nápovědy Flowcode. Před úspěšným použitím příkazů je nutné přesně vědět, jak různá zařízení I²C fungují. Navrhování obvodu vyžaduje, aby projektant měl k dispozici všechny relevantní datové listy. Toto není nedostatek Flowcode.

Flowcode opravdu obstál v testu a je velmi doporučován osobám, které chtějí začít pracovat s řadou mikroprocesorů Microchip.

Programování a konfigurace Flowcode pro PIC byly nastaveny podle obrázků

Krok 11: Volitelná deska relé I2C

Deska CPU již má připojení záhlaví pro 16 relé. Tyto výstupy jsou tranzistory s otevřeným kolektorem přes dva čipy ULN2803. Lze je použít k přímému napájení relé.

Po prvních testech systému se mi nelíbily všechny vodiče mezi deskou CPU a relé. Protože jsem na desku CPU zahrnul port I2C, rozhodl jsem se navrhnout reléovou desku pro připojení k portu I2C. Pomocí 16 kanálového expandéru I/O portů MCP23017 I/O a tranzistorového pole ULN2803 jsem redukoval spojení mezi CPU a relé na 4 vodiče.

Protože se mi na desku plošných spojů 80 x 100 mm nevešlo 16 relé, rozhodl jsem se vyrobit dvě desky. Každý MCP23017 používá pouze 8 ze 16 portů. Deska 1 zpracovává 8 výstupů a deska 2 dva pomocné výstupy. Jediným rozdílem na deskách jsou adresy jednotlivých desek. To lze snadno nastavit pomocí mini propojky. Každá deska má konektory pro napájení dat a I2C dat na druhou desku.

POZNÁMKA:

V případě potřeby software zajišťuje pouze jednu desku, která může využívat všech 16 portů. Všechna data výstupního relé jsou k dispozici na první desce.

Protože obvod je volitelný a velmi jednoduchý, nevytvořil jsem schéma. Pokud bude dostatečná poptávka, mohu ji přidat později.

Krok 12: Volitelné RF spojení

Po dokončení projektu jsem brzy pochopil, že musím k časovači natáhnout spoustu kabelů 220 V AC. Vyvinul jsem vysokofrekvenční spojení pomocí standardních modulů 315 MHz, které umožňovaly umístění časovače do skříně a reléových desek do střechy, v blízkosti všech kabelů 220 V.

Odkaz používá AtMega328P běžící na 16 MHz. Software pro vysílač i přijímač je stejný a režim je vybrán mini jumperem.

Vysílač

Vysílač je jednoduše zapojen do portu CPU I2C. Není vyžadováno žádné další nastavení, protože AtMega328P poslouchá stejná data jako desky relé I2C.

Data jsou na portu I2C aktualizována jednou za sekundu a vysílač tyto informace odesílá přes RF spojení. Pokud vysílač nepřijímá data I2C přibližně 30 sekund, vysílač bude nepřetržitě vysílat data, aby vypnul všechna relé do přijímací jednotky.

Napájení modulu vysílače lze volit mezi 12 V a 5 V pomocí mini propojky na desce PC. Napájím vysílač 12V.

Přijímač

Přijímač poslouchá kódovaná data z vysílače a umístí je na I2C port. Reléová deska se jednoduše zapojí do tohoto portu a funguje stejně, jako byla zapojena do desky CPU.

Pokud přijímač nepřijme platná data po dobu 30 sekund, bude přijímač nepřetržitě odesílat data na port I2C, aby vypnul všechna relé na reléových deskách.

Schémata

Jednoho dne, pokud po tom bude poptávka. Skica Arduina obsahuje všechny požadované informace pro sestavení obvodu bez schématu zapojení.

Rozsah

V mé instalaci je vysílač a přijímač od sebe asi 10 metrů. Časovač je uvnitř skříně a reléová jednotka nahoře na stropě.

Krok 13: Konečný produkt

Hlavní jednotka byla vložena do starého projektového boxu. Obsahuje následující:

- Transformátor 220V/12V

- Deska napájecího zdroje

- CPU deska

- LCD displej

- Klávesnice

- RF Link vysílač

- Další domácí dálkový přijímač, který mi umožňuje zapínat/vypínat světla pomocí dálkového ovladače

Reléová jednotka se skládá z následujících částí:

- Transformátor 220V/12V

- Deska napájecího zdroje

- Přijímač RF Link

- 2 x reléové desky I2C

Všechny desky byly navrženy se stejnými rozměry, což usnadňuje jejich stohování na sebe pomocí 3mm mezikusů.