Многофункциональная система распределенного отображения информации

Идею данной разработки навеяли многочисленные световые табло — «электронные часы-календари-термометры», отображающие время, дату, температуру воздуха и разного рода социальную и коммерческую информацию практически в любом административном здании или крупном магазине. Они существуют в самых различных исполнениях, начиная от локальных устройств с семиэлементными индикаторами и заканчивая многоцветными «бегущими строками», способными объединяться в сеть. Изучая информацию в Интернете, легко убедиться, что сегодня такие устройства перешли из разряда роскоши в повседневную реальность.

Так почему бы не применить систему централизованного отображения времени, скажем, в многокомнатной квартире или частном доме? Ведь в этом случае отпадет необходимость размещать в каждой комнате отдельные часы, следить за тем, чтобы они показывали одинаковое время, своевременно менять в них элементы питания. Показания современных светодиодных индикаторов при правильном расположении хорошо различимы в любое время суток. Кроме того, возможность распределенного отображения, например, температуры воздуха на улице позволит узнать ее, находясь в любой комнате.

Однако выяснилось, что большинство подобных устройств предназначено в первую очередь для установки вне помещений, поэтому они имеют большие размеры, энергопотребление и повышенную яркость свечения индикаторов (чаще всего составленных из «ультраярких» светодиодов). Нерентабельными для бытового использования их делают и высокая стоимость, а также избыточные или недостаточные функциональные возможности.

Было решено разработать аналогичную систему самостоятельно, предусмотрев в ней возможности отображения времени и показаний одного датчика температуры в четырех разных местах, дистанционного включения и выключения с центрального пульта управления до восьми бытовых приборов с визуальным контролем их состояния, подключения в дальнейшем дополнительных датчиков.

Ведущее устройство, названное станцией сбора и обработки информации (ССОИ), получает от датчиков или само вырабатывает информацию, преобразует ее в формат, необходимый для передачи по линиям связи, и передает вторичным устройствам — модулям индикации (МИ), размещенным в разных помещениях. Каждый МИ имеет собственный адрес, что позволяет при необходимости отображать на индикаторах разных МИ разную информацию. Было принято решение строить систему по структуре «звезда», в которой для соединения каждого ведомого устройства с ведущим предусмотрена отдельная независимая линия связи.

ССОИ состоит из основного блока (контроллера) и кроссплаты, помещенных в общий пластмассовый корпус G758V размерами 260x180x65 мм, габаритно-присоединительный чертеж которого можно найти по адресу www.gainta.com/pdf/G758.pdf . Расположение органов индикации и управления на лицевой панели ССОИ показано на рис. 1.

Основой контроллера, схема которого изображена на рис. 2, служит микроконтроллер PIC16F876A-I/SP (DD1), работающий с тактовой частотой 4 МГц. Выбор этого микроконтроллера обусловлен достаточно большими объемом программной памяти и числом линий ввода—вывода, а также наличием внутреннего многоканального АЦП, позволяющего при необходимости подключать к ССОИ аналоговые датчики.

Для отсчета текущего времени применена микросхема DS1302Z (DD2) с внешними элементами — «часовым» кварцевым резонатором ZQ2 и элементом резервного питания G1, наличие которого позволяет сохранять правильным ход часов даже при длительном отключении основного источника питания. Диоды VD1, VD2 предотвращают как недопустимую для литиевого элемента G1 подзарядку от основного источника питания, так и разрядку этого элемента через цепи питания микросхем выключенной ССОИ.

В процессе регулировки хода часов была проверена работа микросхемы DS1302Z с кварцевыми резонаторами в корпусах двух конструкций: «лодочка» и «цилиндр». В итоге предпочтение было отдано последнему. Даже в отсутствие внешних подстроечных конденсаторов с ним удалось добиться стабильного запуска и ухода часов всего на 0,5 с в сутки. При выборе резонатора учтите, что, согласно требованиям производителя микросхемы DS1302Z, его собственная емкость не должна быть более 6 пф.

Разъем Х2 — резервный. В дальнейшем он может быть использован для подачи на микроконтроллер внешних цифровых и аналоговых сигналов. Разъем ХЗ служит для подключения датчиков и других устройств с интерфейсом 1-Wire. В принципе, возможно параллельное подключение нескольких устройств с подобным интерфейсом. Поскольку каждое из них имеет свой уникальный идентификационный код, при соответствующем программном обеспечении микроконтроллер DD1 сможет их различать. Но существующая версия программы микроконтроллера обеспечивает работу лишь с одним таким прибором — датчиком температуры DS18B20.

Для связи ССОИ с МИ использован интерфейс RS-485, поэтому к выходу RC7 микроконтроллера подключен приемопередатчик этого интерфейса ADM485AR (DD3). Поскольку в системе требуется лишь односторонняя передача данных, приемник микросхемы DD3 не используется (на выводах 2, 3 постоянно высокий уровень).

Пользователь взаимодействует с ССОИ посредством ЖКИ DV16252 (HG1) — две строки по 16 символов с подсветкой и пяти кнопок SB1—SB5. В микроконтроллере программно включены внутренние резисторы, соединяющие его входы RBO—RB4 с плюсом питания, поэтому во внешних резисторах такого назначения нет необходимости. Кнопки расположены в виде «джойстика»: SB3 — в центре, а остальные — вокруг нее согласно соответствующим им направлениям. В тех режимах, где функции кнопок отличаются от интуитивно понятных, на индикатор HG1 выводятся соответствующие подсказки.

Светодиоды HL1 и HL3 сигнализируют об обмене информацией соответственно по интерфейсам 1 -Wire и RS-485, а светодиод HL2 — о наличии напряжения питания. Светодиоды HL4—HL7 предназначены для контроля состояния четырех МИ, соединенных с ССОИ.

Чертеж печатной платы контроллера — на рис. 3. Она рассчитана на установку сдвоенных светодиодов A694B/2SYG-S530-E1 зеленого цвета свечения, причем светодиод, «парный» с HL2, оставлен неиспользованным. Можно применить, конечно, и обычные единичные светодиоды. Для микроконтроллера на плате устанавливают панель.

Схема кросс-платы показана на рис. 4. К разъему Х2 подключают любой, способный отдавать ток 1…1.2А, источник напряжения 7,5…12 В. Автор использовал импульсный преобразователь AC/DC от цифрового фотоаппарата Напряжение 5 В на разъем Х6, соединенный плоским двухпроводным кабелем с разъемом Х5 контроллера, поступает с выхода интегрального стабилизатора DA1. Разъемы Х1, Х5 и Х7 также соединены плоскими кабелями с разъемами контроллера — соответственно Х6, Х4 и ХЗ. Разъем ХЗ кросс-платы — блок из четырех розеток RJ-45 от сетевого маршрутизатора. К ним подключают кабелями четыре МИ, размещенных в разных комнатах.

Датчик температуры DS18B20 (ВК1), расположенный на удалении от ССОИ там, где требуется контролировать температуру, соединен с разъемом Х4 экранированным кабелем длиной 5 м со стереофоническим аудиоштекером диаметром 3,5 мм. Места пайки проводов к выводам датчика и сам он защищены от воздействия внешней среды термоусаживаемой трубкой белого цвета. Датчик следует также защитить от прямого солнечного света и обеспечить свободную циркуляцию воздуха вокруг него.
Чертеж печатных проводников кросс-платы и размещение элементов на ней приведен на рис. 5.


Основа МИ (рис. 6) — также микроконтроллер (DD7), в данном случае PIC16F628A-I/SO, тактируемый от внутреннего RC-генератора. Разъем Х1 МИ соединяют с одной из розеток RJ-45 ССОИ обычным Ethernet-кабелем с четырьмя витыми парами проводов Схема кабеля показана на рис. 7.

Информационный сигнал поступает на микроконтроллер через приемопередатчик интерфейса RS-485 DD6, работающий в режиме приема. Светодиоды HL1, HL2 сигнализируют о приеме сигналов и о работе МИ. После соответствующих преобразований информация загружается в сдвиговые регистры DD1—DD5, к выходам которых подключены семиэлементные светодиодные индикаторы HG1—HG5. Резисторы R1— R40 подобраны экспериментально. При их номиналах, указанных на схеме, ток через элементы индикаторов не превышает 4 мА, их свечение хорошо различимо днем и не утомляет зрение ночью.

В порт В микроконтроллера выводятся сигналы управления внешними устройствами, подключаемыми к разъему ХЗ. Состояние разрядов этого порта показывают светодиоды Н L3—Н L10.

Напряжение питания стабилизировано интегральным стабилизатором DA1, диод VD1 защищает МИ от случайной подачи напряжения питания в неправильной полярности, а диод VD3 предотвращает подпитку узлов МИ от программатора, подключенного к разъему Х2 для загрузки программы в микроконтроллер.


МИ собран на двух односторонних печатных платах. Чертеж основной платы и расположения элементов на ее верхней стороне изображен на рис. 8. Однако большинство элементов и перемычек для поверхностного монтажа установлено со стороны печатных проводников, чертеж их расположения — на рис. 9. Плата индикаторов (рис. 10) укреплена перпендикулярно основной, как показано на рис. 11, соединения выводов индикаторов HG1—HG5 с контактными площадками основной платы выполнены тонкими проводами «в натяг», которые после монтажа залиты термоклеем. Аноды светодиодов HL3—HL10 подключены к основной плате жгутом из восьми проводов с двумя четырехконтактными разъемами BLS.

В МИ применены микросхемы (кроме DA1) в корпусах SOIC, резисторы R1— R40, перемычки для поверхностного монтажа и конденсаторы (за исключением оксидных С1 и С4) — типоразмера 1206, остальные резисторы — 0805. Светодиоды HL1 и HL2 встроены в разъем RJ-45 (Х1). Вилка Х2 — PLS-5, розетка ХЗ — DB9F.

Сборка из двух плат помещена в пластмассовый корпус G738 размерами 140x110x35 мм с резиновыми ножками. Его габаритно-присоединительный чертеж находится в Интернете по адресу [www.gainta.com/pdf/G738.pdf ].


Непрозрачная передняя панель корпуса заменена аналогичной по размерам пластиной органического стекла толщиной 2 мм, покрытого пленкой для тонирования автомобильных стекол.
Программирование микроконтроллера DD7 выполняется после полной сборки МИ через разъем Х2 любым программатором, обеспечивающим внутрисхемное программирование (ICSP), например ExtraPic. Светодиоды HL3— HL10 подключают только после программирования.

Схемы узлов управления приборами, подключаемых к разъему ХЗ, не приводятся. Они могут быть любыми, рассчитанными на работу от сигналов стандартных логических уровней. Автор использовал в этих узлах твердотельные оптоэлектронные реле MCX240D5, описание которых можно найти в Интернете по адресу [www.crydom.com/userResources/productFamilies/12/crydom_MCX.pdf ]. Такие реле обеспечивают гальваническую развязку входных и выходных цепей, имеют высокую чувствительность и помехозащищенность. По сравнению с аналогичными по нагрузочной способности электромагнитными реле они потребляют значительно меньший ток по цепи управления.

Программы микроконтроллеров ССОИ и МИ разработаны с помощью Proton PICBASIC Development Suite 3. Каждый МИ имеет уникальный восьмиразрядный системный адрес, так что теоретически в системе может быть до 255 МИ, управляющих 8×255=2040 приборами. После подключения МИ к линии связи он в течение 3 с отображает свой адрес, а затем начинает отображение адресованной ему информации. Если адреса всех или некоторых МИ, подключенных к ССОИ, идентичны, они будут выводить на индикатор одинаковую информацию и одинаково исполнять команды. Программа микроконтроллера МИ, содержащаяся в приложенном к статье НЕХ-файле, присваивает ему адрес 201. Для замены адреса (при работе с прилагаемой программой микроконтроллера ССОИ он может находиться в интервале 201—204) требуется вмешательство в исходный текст программы МИ, ее повторная компиляция и загрузка в микроконтроллер.

Скорость передачи информации, равная 300 Бод, была выбрана как вполне надежная и достаточная для поочередного опроса МИ приблизительно два раза в секунду. При монтаже системы автором удаление МИ от ССОИ достигало 102 м. Искажений информации не наблюдалось.

Кодовая посылка, посылаемая ССОИ каждому МИ, состоит из восьми байтов. Первый байт с десятичным значением 242 служит признаком начала кодовой посылки. За ним следуют байт адреса МИ и пять байтов для вывода на индикаторы этого МИ. Завершает посылку байт, в соответствии со значениями разрядов которого устанавливаются логические уровни на контактах разъема ХЗ МИ.

Сразу после включения питания ССОИ тестирует МИ, кратковременно включая все элементы семиэлементных индикаторов. Он также устанавливает на выходах МИ уровни в соответствии с кодами, хранящимися в EEPROM микроконтроллера. При первом включении там записаны коды, состоящие только из единиц, поэтому на всех выходах всех МИ уровень станет высоким. Далее происходит опрос датчика температуры и экран ССОИ принимает рабочее состояние.

В первой строке выводятся текущие дата и время в 24-часовом формате, во второй — день недели, вид выводимой на МИ информации (время или температура), а также значение температуры, измеренное датчиком. Если он отсутствует или неисправен, вместо температуры выводится сообщение «TS OFF>», a все МИ отображают только текущее время. Отображение на МИ даты пока не предусмотрено.

При нажатии на кнопку SB3 (см. рис. 2) индикация времени и температуры прекращается, на МИ выводится стилизованная надпись «НАСТР», ССОИ переходит в сервисный режим.

При нажатии на кнопку SB4 ССОИ вернется в рабочий режим. Путем же последовательных нажатий на кнопку SB2 перебирают следующие режимы:
— установка времени;
— установка даты;
— проверка МИ (включение всех элементов их индикаторов);
— управление выходами МИ;
— включение и выключение звукового сигнала, подаваемого по окончании каждого часа.

Переход к выбранному режиму происходит при нажатии на кнопку SB3. Все нажатия на кнопки сопровождаются звуковыми сигналами.

В режиме установки времени в верхней строке экрана ССОИ отображается текущее время (ЧЧ:ММ), в нижней — подсказка об отмене режима кнопкой SB4, а также название изменяемого параметра (в данном случае — «Часы»). Нажатиями на кнопки SB1 и SB5 устанавливают нужное значение от 0 до 23 по кругу. Затем нажатием на кнопку SB2 переходят к установке минут (надпись внизу слева — «Минуты»). Теперь при нажатии на кнопку SB2 ССОИ возвратится к перебору режимов.

В режиме установки даты в верхней строке экрана отображаются текущая дата (ДД.ММ.ГГ) и номер дня недели. В правом нижнем углу — название изменяемого параметра. Нажимая на кнопку SB2, переходят в режимы установки месяцев, лет и дней недели. Допустимые значения изменяются по кольцу.

Чтобы в режимах установки времени и даты запомнить измененные значения, необходимо нажать не только на кнопку SB3, но и подтвердить необходимость выполнения операции нажатием на кнопку SB2. Это сделано для исключения случайной записи при длительном удержании кнопки SB3 нажатой.

В режиме управления выходами МИ в верхней строке экрана ССОИ отображены адрес МИ, с которым производится операция, номер выхода и его состояние: «ON» — включен (высокий уровень), «OFF» — выключен (низкий уровень). Адрес МИ (в интервале 201…204) выбирают нажатиями на кнопки SB1 и SB5. Нажав на кнопку SB3, изменяют состояние выбранного выхода. Выходы перебирают однократными нажатиями на кнопку SB2. Двойным нажатием на эту же кнопку выключают.

Прилагаемые файлы: File1

И. НИКИТИН, г. Тюмень
«Радио» №№ 11-12 2008г.

Добавить комментарий

Ваш e-mail не будет опубликован. Обязательные поля помечены *