Управление устройствами через компьютер. Аппаратное и программное обеспечение пк. Подготовка печатной платы

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

Устройство компьютерного управления
различными приборами, схема которого показана на рис. 1, функцио­нально подобно
описанному в , но подключается к USB-порту компьюте­ра, который (в отличие
от СОМ-порта) сегодня есть в каждом из них. Единственная мик­росхема устройства
- распространенный мик­роконтроллер ATmega8. Он необходим для орга­низации
связи по шине USB. Хотя в нем и отсут­ствует специализирован­ный аппаратный
модуль, эта функция выполняется программно. Резистор R1, подклю­ченный между
положи­тельным выводом источ­ника питания и линией D-шины USB, переводит ее в низкоскоростной
режим LS со скоростью обмена 1,5 Мбит/с, что и позво­ляет расшифровывать по­сылки
компьютера про­граммным способом. Ре­зисторы R4 и R5 устра­няют переходные
процес­сы, возникающие при об­мене информацией, что увеличивает стабильность работы.
Конденсатор С1 блокирует импульсные по­мехи в цепи питания, что также улучшает
стабиль­ность работы устройства. Диоды VD1 и VD2 служат для понижения напряже­ния
питания микроконт­роллера приблизительно до 3,6 В - это требуется для
согласования уровней с шиной USB. Сигналы управления приборами формируются на
выходах РВ0-РВ5 и РС0, РС1 микроконтроллера. Высокий логический уровень -
напряжение око­ло 3,4 В. Напряжение низкого уровня близко к нулю. К выходам
можно под­ключать приборы, потребляющие ток не более 10 мА (от каждого выхода).
Если требуются большие значения тока или напряжения, то следует использовать узлы
согласования, показанные в на рис. 5 и 6.

Устройство собрано на макетной плате,
печатная не разрабатывалась. Применены резисторы МЛТ, конденса­торы С2 и С3 -
керамические высоко­частотные, С1 - К50-35 или аналогич­ный импортный. Диоды
кремниевые с падением напряжения на переходе около 0,7 В. Программа для микро­контроллера
разработана в среде Bascom-AVR версии 1.12.0.0. Для работы с шиной USB
использована библиотека swusb.LBX, которая выполняет программное декодирование сигналов
USB в режиме реаль­ного времени. Полученный в результате компиляции код программы
из файла с расши­рением HEX следует загрузить во FLASH-память микроконт­роллера.
Для этого был ис­пользован программатор совместно со встроенной в Bascom-AVR
утилитой. Состоя­ние разрядов конфигурации микроконтроллера должно со­ответствовать
показанному на рис. 2. При первом подключении устройства к компьютеру опе­рационная
система обнаружит новое USB HID совместимое устройство с именем
“uniUSB” и установит необходимые драйверы. Через несколько се­кунд
устройство настроено и готово к использованию.

Для работы с ним была создана программа
UniUSB. Она пред­ставлена в двух вариантах: для 32-разрядных (х86) и 64-раз­рядных
(х64) операционных систем семейства Windows. Работа 32-разрядной версии проверена
в операционных системах Windows 98, Windows ХР, Windows 7, а 64-разрядной -
только в Windows ХР х64. Программа UniUSB написана на языке PureBasic (версия
4.31) с исполь­зованием библиотеки пользовательс­ких функций HID_lib,
поддерживающей работу с USB HID устройствами. Внеш­ний вид окна программы
показан на рис. 3. В одной папке с ее исполняемым файлом должен находиться
файл, называющийся UniUSB_Код.txt или UniCOM_Код.txt. Последний вариант необходим
для совместимости с про­граммой UniCOM, предложенной в . В этом файле
хранится сценарий управ­ления внешними приборами. При запуске программы данные
из файла загружаются в таблицу, расположенную в главном окне, а при завершении
рабо­ты сохраняются в файле. Щелчок левой кнопкой мыши по ячейкам таблицы поз­воляет
изменять их состояние: 1 - высокий логический уровень, 0 или пусто - низкий
логический уровень. Для добавления или удаления столбца таблицы нужно по ней
щелкнуть правой кнопкой мыши и в появившемся меню выбрать требуемое действие.

При подключении устройства к USB-порту
программа обнаружит его и активирует кнопку, расположенную в верхней части
окна на панели инстру­ментов. Нажатием на эту кнопку запус­кают процесс
перебора столбцов таб­лицы и установки указанных в них со­стояний выходов. Для
большей нагляд­ности слева от таблицы подсвечивают­ся номера выходов, на
которых в дан­ный момент установлен высокий логи­ческий уровень. Скорость
перебора (время в миллисекундах между перехо­дами от столбца к столбцу) задают
в поле “Скорость, мс”.

Учтите, операционная система Windows
- многозадачная! Это означает, что процессорное время делится между множеством
иногда скрытых от пользователя процессов, которые вы­полняются по очереди с
учетом уста­новленных в системе приоритетов. По­этому не стоит ожидать большой
точно­сти выдерживания интервалов времени менее 100 мс. Для кратковременной
остановки пе­ребора столбцов используйте кнопку Повторное нажатие на нее
продолжит перебор с места остановки. Кнопка полностью прекращает перебор столб­цов
таблицы. Если в процессе обмена информацией между компьютером и устройством
произойдет сбой либо уст­ройство будет отключено от разъема USB компьютера,
программа сообщит об ошибке, выведя в строке состояния соответствующее
сообщение.

ЛИТЕРАТУРА

1. Носов Т. Управление приборами
через СОМ-порт компьютера. - Радио, 2007, № 11,0.61,62.

2. Рыжков А. US-программатор
микро­контроллеров AVR и AT89S, совместимый с AVR910. - Радио, 2008, № 7, с.
28, 29.

От редакции . Программы для микро­контроллера и компьютера находятся
на нашем FTP-сервере по адресу ftp:// ftp.radio.ru/pub/2011/02/uniUSB.zip

Автор разработал программу и устройство для управления различными электро и радиоприборами с помощью компьютера. Устройство подключают к одному из СОМ-портов, а управлять приборами можно как с помощью экранных клавиш, так и внешних датчиков.

Схема устройства показана на рис.1. Его основа - микросхема 74HC595, представляющая собой 8-разрядный сдвиговый регистр с последовательным вводом и последовательным и параллельным выводами информации. Параллельный вывод осуществляется через буферный регистр с выходами, которые имеют три состояния. Информационный сигнал подают на вход SER (вывод 14), сигнал записи - на вход SCK (вывод 11), а сигнал вывода - на вход RSK (вывод 12). На микросхеме DA1 собран стабилизатор напряжения 5 В для питания регистра DD1.

Рисунок 1. Схема устройства

Устройство подключают к одному из СОМ-портов компьютера. Информационные сигналы поступают на контакт 7 розетки XS1, сигналы завиписи информации - на контакт 4, а сигналы вывода информации - на контакт 3. Сигналы СОМ-порта согнласно стандарту RS-232 имеют уровни около -12 В (лог.1) и около +12 В (лог.0). Сопряжение этих уровней с входными уровнями регистра DD1 выполнено с помощью резисторов R2, R3, R5 и стабилитронов VD1-VD3 с напряжением стабилизации 5,1 В.

Сигналы управления внешними приборами формируются на выходах Q0-Q7 регистра DD1. Высокий уровень равен напряжению питания микросхемы (около 5 В), низкий - менее 0,4 В. Эти сигналы являются статическими и обновляются на момент поступления высокого уровня на вход RSK (вывод 12) регистра DD1. Светодиоды HL1-HL8 предназначены для наблюдения за работой устройства.

Управление устройством осуществляется с помощью разработанной автором программы UmiCOM. Внешний вид главного окна программы показан на рис.2.

Рисунок 2. Внешний вид программы UniCOM

Псоле ее запуска следует выбрать свбодный СОМ-порт и скорость переключения выходов. В строки таблицы вводят состояние каждого из выходов устройства (высокий уроень - 1, низкий - 0 или пусто). Программа "перебирая" в рабочем цикле столбцы таблицы, устанавливает на выходах устройства соответствующие логические уровни. Занесенная в таблицу информация автоматически сохраняется при завершении работы программы и загружается вновь при ее следующем запуске. Для наглядности, в левой части окна программы подсвечены номера выходов, на которых установлен высокий уровень.

Управление приборами можно осуществлять и с помощью внешних контактных датчиков, которые подключают к входам 1-3 и линии +5 В. Они должны работать на замыкание или размыкание контактов. Пример схемы подключения датчиков показан на рис.3.

Рисунок 3. Подключение контактных датчиков

При нажатии на экранную клавишу "Настройка входов" открывается окно "Согласование входов и выходов" (рис.4. ), где выбирают входы, которые будут изменять состояние выходов. Имитировать работу входов можно нажимая на экранные клавиши "1", "2", "3" основного окна программы. В тех случаях, когда приборами нельзя управлять с помощью логических уровней, следует применить реле, схема подключения которого показана на рис.5 , или транзисторную оптопару (рис.6. ).

Рисунок 4. Согласование входов и выходов

Рисунок 5. Схема подключения реле

Рисунок 6. Схема подключения транзисторной оптопары

Большинство деталей монтируют на печатной плате из односторонего фольгированного стеклотекстолита толщиной 1...1,5 мм, чертеж которой показан на рис.7. Резисторы R1-R6 монтируют на выводах розетки XS1.

Рисунок 7. Чертеж печатной платы

В устройстве применены резисторы С2-23. МЛТ, оксидные конденсаторы - К50-35 или импортные, розетка XS1 - DB9F. Помимо указанных на схеме стабилитронов, можно применить BZX55C5V1 или отечественные КС174А, светодиоды - любые. Питают устройство от стабилизированного или нестабилизированного источника питания нпаряжением 12 В и током до 100 мА.

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

	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 приравниваются к нулю)

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.