Moduł TTMSB USB

Moduł TTMSB USB – Time Temperature Motor Switch Beeper

Cele

Celem projektu jest budowa modułu który za pośrednictwem otrzymanych z portu USB lub UART instrukcji będzie realizował następujące funkcje:

• sterowanie dwoma silnikami DC,
• włączanie i wyłączanie dwóch urządzeń dużej mocy,
• odczyt temperatury otoczenia,
• udostępnianie czasu rzeczywistego (niezależny RTC),
• sygnalizacja dźwiękowa.

Zasilanie urządzenia realizowane jest z portu USB, natomiast silników opcjonalnie z portu USB bądź z zewnętrznego źródła (możliwość dostarczenia wyższego napięcia i mocy).

1. Projekt PCB

Urządzenie zostało zaprojektowane z zastosowaniem podzespołów montowanych metodą przewlekaną (THT). Rozmiar PCB wynosi 110mm na 86mm.

Rys. Projekt PCB urządzenia wraz z umiejscowieniem podzespołów.

2. Podzespoły urządzenia

Głównym podzespołem jest mikrokontroler PIC18F4550, który otrzymując instrukcje przez port USB lub UART odsyła ewentualne wyniki zapytań i steruje podłączonymi układami realizującymi założone cele.

Rys. Relacje między głównymi podzespołami modułu TTMSB.

Wykaz podzespołów

Rys. Złącza modułu TTMSB.

Tab. Oznaczenia złącz modułu TTMSB

2.1.1. Złącze UART

Szeregowy port komunikacyjny pracuje w standardzie napięć TTL.

2.1.1. Gniazdo USB

Gniazdo USB dostarcza zasilania głównym podzespołom modułu, za jego pośrednictwem odbywa się komunikacja z urządzeniem sterującym.

2.1.2. Złącze I2C

Złącze szeregowej magistrali danych zostało rozszerzone o dwa piny zasilające podłączone do magistrali urządzenia.

2.1.3. Złącze 1Wire

Złącze magistrali 1Wire zostało wyposażone w pin zasilający, umożliwia to zasilanie urządzeń do niej podłączonych trybem normalnym i pasożytniczym.

2.1.4. Złącze ICSP

Mikrokontroler programowany jest w standardzie wysokonapięciowym, złącze ICSP zostało wyposażone w diody zabezpieczające przed uszkodzeniem pozostałe podzespoły urządzenia w trakcie programowania.

Rys. Wyprowadzenia złącza ICSP

2.1.5. Złącze A/D

W opracowaniu

2.1.6. Złącze Przekaźnika

W opracowaniu

2.1.7. Złącze silnika

W skład złącza silnika wchodzą dwie pary pinów dla dwóch silników prądu stałego:

• S1 – silnik pierwszy,
• S2 – silnik drugi.

2.1.8. Zwora wyboru źródła zasilania silników

Silniki prądu stałego podłączone do złącza S1 i S2 mogą być zasilane z jednego z dwóch źródeł:

• portu USB – należy zworką połączyć pin “USB” z “IN”,
• zewnętrznego źródła zasilania – należy zworką połączyć  pin “ZEWN” i “IN”.

2.1.9. Gniazdo zewnętrznego zasilania silników

Z uwagi na małą wydajność prądową portu USB oraz stosunkowo niskie napięcie, moduł został wyposażony w gniazdo opcjonalnego zewnętrznego zasilania silników, które należy podłączyć do zasilacza o napięciu zależnym od napięcia pracy silników. Gniazdo posiada zabezpieczenie w postaci diody, chroniącej przed podłączeniem odwrotnej polaryzacji.

Tab. Parametry zewnętrznego źródła zasilania

2.2. Mikrokontroler

Czterdziestopinowy mikrokontroler PIC18F4550 o mocy obliczeniowej 12 MIPS został wyposażony przez producenta w sprzętowy port USB 2.0, UART oraz magistralę I2C oraz SPI. Pracuje w przedziale napięć od 2V do 5,5V. Oddaje do dyspozycji 32KB pamięci programu typu Flash i 2048 B pamięci RAM. Posiada 10 bitowy przetwornik analogowo cyfrowy, timer 8 bitowy i trzy timery 16 bitowe.

Rys. Wyprowadzenia PIC18F4550.

2.3. Sterownik silników

Za sterowanie dwoma silnikami napięcia stałego odpowiedzialny jest układ L298N, będący dwukanałowym mostkiem H. Jego Napięcie zasilania może wynosić maksymalnie 46V a prąd chwilowy 2A. Sterownik znajduje się w obudowie Multiwatt15.

Rys. Sterownik silnika L298N.

2.4. Zegar czasu rzeczywistego

Układ scalony DS1307 jest zegarem czasu rzeczywistego. Mikrokontroler odczytuje aktualny czas z zegara za pośrednictwem magistrali I2C. W przypadku zaniku zewnętrznego zasilania, zegar automatycznie przełącza się na zasilanie awaryjne z baterii 3,2V.

Rys. Zegar czasu rzeczywistego DS1307.

W pamięci mikrokontrolera zarezerwowane jest miejsce dla sześciu zmiennych typu byte w których przechowywana jest aktualna data i czas.

byte sec,min,hour,day,month,year;

Funkcja odczytująca dane z zegara czasu rzeczywistego odwołuje się do funkcji “read_ds1307” zdefiniowanej w bibliotece napisanej dla tego układu (biblioteka dostępna w dziale 4 – Pliki).

void read_time(){
sec=bcdToDec(read_ds1307(0));
min=bcdToDec(read_ds1307(1));
hour=bcdToDec(read_ds1307(2));
day=bcdToDec(read_ds1307(4));
month=bcdToDec(read_ds1307(5));
year=bcdToDec(read_ds1307(6));
}

2.5. Czujnik temperatury

Odczyt temperatury realizowany jest za pomocą czujnika DS18B20. Komunikacja między mikrokontrolerem a czujnikiem odbywa się po magistrali 1Wire, która umożliwia jednoczesne podłączenie wielu czujników. Jeden układ zainstalowany jest na płycie modułu, kolejne mogą zostać podłączone do złącza 1Wire (rodział 2.1.3).

Rys. Wyprowadzenia układu DS18B20

3. Komunikacja

Komunikacja z modułem TTMSB może odbywać się na dwa sposoby:

• Za pomocą bezpośredniego podłączenia innego mikrokontrolera do portu UART umieszczonego na płycie modułu TTMSB.
• Po podłączeniu modułu TTMSB do portu USB komputera z systemem operacyjnym Linux lub Windows jest on automatycznie rozpoznawany jako wirtualny port UART (zaimplementowano USB CDC) i instalowany w systemie. Dalsza komunikacja z urządzeniem odbywa się na takich samych zasadach jak by był on podłączony do portu COMx komputera. By wydawać polecenia modułowi można użyć programu Hypertimernal wchodzącego w skład systemu operacyjnego Windows, CuteCom w systemie Linux lub używając dedykowanego oprogramowania umieszczonego w dziale 4 – Pliki.

Tab. Parametry połączenia

3.1 Protokół komunikacyjny

Urządzenie nadrzędne, wysyła polecenia w postaci literałów znakowych typu char.

Tab. Instrukcje sterujące modułem TTMSB

4. Pliki

Pliki projektu.

• Wsad mikrokontrolera.
• Biblioteka w języku C do obsługi układu DS1307 przez mikrokontrolery PIC
• Projekt PCB w formacie PDF
• Rozmieszczenie elementów na płycie PCB w formacie PDF
• ttmsb.py Przykładowa aplikacja sterująca modułem TTMSB napisana w języku Python dla Linux
• ttmsb.exe Przykładowa aplikacja sterująca modułem TTMSB dla Windows

Noty katalogowe.

• PIC18F4550 – mikrokontroler.
• DS1307 – zegar czasu rzeczywistego.
• DS18B20 – czujnik temperatury.
• L298N – podwójny mostek H sterujący silnikami.

5. Odnośniki

• Temat na forum elektroda.pl dotyczący modułu TTMSB