Управление электрическими цепями через USB. Управление устройствами через USB-порт компьютера - Железо

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.

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);

Устройство компьютерного управления различными приборами, схема которого показана на рис. 1, подключается к USB-порту компьютера, который 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.

Рисунок 1

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.

Устройство собрано на макетной плате, печатная не разрабатывалась Применены резисторы МЛТ, конденсаторы С2 и СЗ - 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. Состояние разрядов конфигурации микроконтроллера должно соответствовать показанному на рис. 2.

Рисунок 2

При первом подключении устройства к компьютеру операционная система обнаружит новое USB НID 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.

Рисунок 3

В одной папке с ее исполняемым файлом должен находиться файл, называющийся UniUSB_KOfl.txt . 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 "Пуск" , 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".

class="eliadunit">

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 "Пауза". Повторное нажатие на нее продолжит перебор с места остановки. Кнопка "Стоп" 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.

Источник: Радио №2, 2011 г.

Архив для статьи "Управление нагрузкой через USB интерфейс"
Описание: Исходные тексты программ, файл прошивки микроконтроллера, программа uniUSB
Размер файла: 89.3 KB Количество загрузок: 2 773

П. ВЫСОЧАНСКИЙ, г. Рыбница, Приднестровье, Молдавия

У стройство 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 РВО-РВ5 и РСО, 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 СЗ - 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 XP, Windows 7, а 64-разрядной - только в Windows ХРх64.

Программа UniUSB написана на языке PureBasic (версия 4.31) с использованием библиотеки пользовательских функций HIDJJb, 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_KOfl.txt или UniCOM_KOfl.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".

Для кратковременной остановки перебора столбцов используйте кнопку JB. 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.