РАЗРАБОТКА ЭЛЕКТРОНИКИ

Электронный сенсорный выключатель с дистанционным управлением

Проведена разработка электронных устройств, предназначенных для управления любыми нагрузками, подключенными к сети ~220V. Устройства имеют три варианта управления: ручное управление - при помощи емкостного сенсора, управление с пульта ДУ, управление от компьютера или центрального блока передачи команд в составе системы автоматизации домашнего оборудования. Разработка электроники выполнена с использованием микроконтроллера PIC16F628 (Microchip), приемник IR-сигнала TSOP1736. Устройство позволяет плавно или ступенчато регулировать выходную мощность, имеет защиту от превышения тока нагрузки, автоматическое отключение нагрузки по истечении 12 часов с момента включения или изменения мощности. Может использоваться в качестве настенного выключателя освещения. Это электронное устройство разработано по заказу компании "Smart Systems". По вашему заказу в нашей компании выполняется разработка любой электроники бытового назначения, включая разработку электронных систем "умный дом", электронных выключателей освещения и устройств защиты ламп. Разработка любых электронных устройств будет реализована качественно и точно в срок.

 

 

 

Разработанное электронное устройство предназначено для использования в качестве настенного выключателя-регулятора освещения или управляемой розетки для подключения любых бытовых приборов. Может использоваться как самостоятельное устройство, либо в составе автоматизированной системы управления освещением в доме. Впрочем, данное устройство может быть использовано и для управления любыми другими бытовыми приборами. Например, масляным обогревателем, вытяжной и приточной вентиляцией, жалюзи и т.д. Имеет адресное управление, позволяющее размещать в одном помещении большое количество подобных устройств и выборочно управлять ими как при помощи пульта ДУ, так и командами от центрального блока автоматического управления или компьютера. При этом каждое устройство имеет свой адрес от 00 до 99. Используется также альтернативное ручное управление посредством емкостного сенсора.

 

Купить выключатели, собранные по этому проекту, в настоящее время нельзя - они не производятся и не продаются, но сохраняется возможность производства больших партий на заказ. Единичные образы для тестирования предоставляются только при крупном заказе на производство.

Многофункциональное устройство управления домашними приборами - электронный сенсорный выключатель «Smart Home Device 1» (далее по тексту SHD1) имеет следующие функции:

 

1. Включение и выключение нагрузки.
2. Плавная регулировка мощности (с помощью пульта дистанционного управления или сенсора).
3. Регулирование выходной мощности ступенчато (по 20%) при получении команд от компьютера или центрального блока управления при работе в системах автоматизации управления светом в доме. То есть, в этом случае, возможны следующие значения мощности, подводимой к нагрузке: 0%, 20%, 40%, 60%, 80%, 100%.
4. Защита ламп. Обеспечивается плавным разогревом нитей накала ламп при включении. Время разогрева - 2 секунды при поднятии мощности на нагрузке до 100%.
5. Управление устройством с пульта дистанционного управления. Для доступа к управлению конкретным устройством, необходимо нажать с интервалом времени не более 1 сек., последовательно, две цифровые кнопки на пульте, набрав номер, соответствующий номеру устройства. Затем на SHD1 загорается светодиод на 4 секунды. В течение этого времени необходимо нажать одну из четырёх кнопок: включение, выключение, прибавление, убавление мощности. Каждое нажатие любой из этих кнопок продлевает время готовности к приёму команд управления до 4-х секунд.
6. Управление устройством посредством получения команд от центрального блока управления или компьютера.
7. Ручное управление включением и выключением устройства, регулировкой мощности. Используется емкостный сенсор, реагирующий на легкое касание к поверхности корпуса выключателя. При включении устройства будет установлен уровень мощности, использовавшийся последним.
8. Звуковые сигналы подтверждения приема команд управления.
9. Световой сигнал (красный светодиод). Индицирует включение режима приёма команд управления (после приёма номера устройства с пульта).
10. Автоматическое выключение нагрузки через 12 часов после последнего включения или изменения уровня мощности с пульта ДУ. Отменяется при получении любой команды от центрального блока управления.
11. Автоматическое отключение нагрузки на 30 секунд при превышении максимально возможной мощности подключенных устройств.

 

Функциональные особенности устройства

 

Передача команд для электронного выключателя осуществляется с пульта ДУ по IR-каналу в стандарте RC-5 на несущей частоте около 36 kHz. Как вариант, возможна передача команд по RF-каналу на частоте 433,92MHz с использованием компактных стандартных приемников и передатчиков радиосигнала.

 

Протокол передачи инфракрасного сигнала от пульта в системе дистанционного управления RC-5

 

 

Каждое сформированное передатчиком 14-разрядное командное слово RC-5 (см. рисунок) выдается спустя определенный временной интервал, установленный для устранения "дребезга" контактов и опроса клавиатуры. Один бит-интервал (далее в тексте под интервалом в N бит понимается интервал времени, эквивалентный длительности формирования или передачи N бит) равен 1.778мс, поэтому передача такого 14-разрядного командного слова занимает 24.889 мс. В течение всего времени, пока нажата соответствующая клавиша, командное слово повторяется с интервалом в 64 бита, т.е. с периодичностью 113.78 мс. Начавшаяся передача данных завершается только после передачи всего командного слова. Передатчик команд ДУ формирует 14-разрядное слово в следующем формате:

 

1. Два стартовых бита (S и F) для установки уровня АРУ приемника, первый из которых всегда логическая "1", а второй - бит задания набора (Field Bit), указывает на один из двух возможных вариантов декодирования команд (коды команд от N0 до N63 в случае логической "1" либо коды команд от N64 до N127 в случае логического "0").
2. Один управляющий бит (С), состояние которого меняется на противоположное при каждом размыкании клавишного контакта для обозначения запуска новой передачи.
3. Пять бит адреса системы, которые позволяют выбрать одну из 32-х возможных систем.
4. Шесть командных бит, предназначенных вместе со вторым старт-битом для передачи одной из 128 возможных команд RC-5.

 

Для повышения устойчивости к помехам, вызванным влиянием других источников ИК-излучения (преимущественно прямые лучи солнечного света, искусственные источники света типа ламп накаливания и люминесцентных ламп, строчная развертка ТВ-приемников и передатчики стерео-звуковых сигналов в ИК-диапазоне), использован метод двухфазной модуляции (так называемый Манчестерский код). Согласно такой двухфазной модуляции (см. рисунок),содержимое каждого бита командного слова определяется направлением изменения логического уровня в середине соответствующего бит-интервала: переход с ВЫСОКОГО на НИЗКИЙ уровень означает логический "0", а обратный переход (с НИЗКОГО на ВЫСОКИЙ уровень) - логическую "1".

 

Перед передачей командного слова через схему на ИКД, ВЫСОКИЙ логический уровень внутри бит-интервала (1.778 мс) заполняется импульсами несущей частоты (36 кГц), имеющей коэффициент заполнения импульсной последовательности 0.25. Каждая такая половина бит-интервала с ВЫСОКИМ логическим уровнем содержит 32 импульса длительностью 6.944 мкс и периодом повторения 27.777 мкс.

 

Помехоустойчивость системы RC-5 при передачи кода по инфракрасному каналу связи от пульта на устройство

 

ИК-сигнал, в силу специфики среды его распространения, испытывает воздействие различных помехообразующих факторов. Среди основных источников таких помех следует назвать солнце ( в основном прямые лучи солнечного света), искусственные источники света типа ламп накаливания и люминесцентных ламп, передатчики стерео-звуковых сигналов в ИК-диапазоне, и строчная развертка в ТВ-приемниках. Далее дается краткий анализ влияния каждого из этих помехообразующих факторов.

 

Влияние солнца на передачу и прием команд управления в инфракрасном диапазоне волн

 

Освещение, например, фотодиода BPW50 лучами прямого солнечного света вызывает фототок величиной около 2-ЗмА. Влияние этого тока на вход приемника резко снижается, если фотодиод работает в третьем квадранте своей вольт-амперной характеристики с индуктивной нагрузкой. Однако, на работу АРУ приемника будет влиять среднеквадратическое значение шумового тока. Этот ток на частоте модуляции 36kHz равен 1.465 нА.

 

Помехи от ламп накаливания, затрудняющие прием команд от пульта дистанционного управления

 

Излучение от ламп накаливания, работающих от сети переменного тока, инициирует фототок в фотодиоде приемника системы RC-5. Этот ток содержит как постоянную, так и переменную составляющую, включающую частоты гармонических составляющих сетевого напряжения. На рисунке справа показан пример спектральной характеристики шумов лампы накаливания. Индуктивная нагрузка позволяет устранить пульсации с частотами напряжения сети и его гармонических составляющих.

 

Действие люминесцентных ламп на качество приема кодовых посылок от инфракрасного пульта ДУ по протоколу RC-5

 

Выходное излучение люминесцентных ламп модулировано напряжением питания и может содержать более высокие гармоники (см. рисунок слева). Большую часть этого выходного излучения в видимой красной части спектра можно подавить путем использования оптического полосового ИК-фильтра. Этот способ позволяет также снизить влияние облучения фотодиода солнечным светом и освещением от ламп накаливания.

 

Беспроводная акустическая передача данных в ИК-диапазоне затрудняет работу системы дистанционного управления RC-5

 

Излучение в ИК-диапазоне на длине волны 940 нм, модулированное частотами 95 кГц и 250 кГц с девиацией частоты 50 кГц используется для беспроводной акустической передачи на стереофонические наушники. При несущей частоте 36 кГц приемник рассматриваемого типа системы RC-5 не подвержен влиянию помех от такого источника.

 

Строчная развертка ТВ-приемника оказывает небольшое влияние на прием команд в инфракрасном диапазоне волн. Несущая частота 36 кГц системы RC-5 обеспечивает помехозащищенность приемника от излучения системы телевизионной строчной развертки. Частоты строчной развертки в ТВ-приемниках, на использование в которых ориентирована система RC-5 - 15.625 кГц и 20.475 кГц со вторыми гармониками, соответственно, 31.25 кГц и 40.95 кГц.

 

Пульт дистанционного управления системы RC-5 (инфракрасный)

 

Может быть использован любой стандартный пульт ДУ, работающий в стандарте RC-5, либо специально собираемый пульт для этого применения на микросхеме SAA3010. ИМС SAA3010 предназначена для реализации системы инфракрасного дистанционного управления общего назначения (по протоколу RC-5). Характеризуется низким уровнем напряжения питания, а также более длительным интервалом времени, по сравнению с SAA3006, на устранение "дребезга" контактов клавиатуры. ИМС SAA3010 формирует 2048 различных команд и рассчитана на работу с клавиатурой на однополюсных нормально-разомкнутых контактах. Команды упорядочены для возможности адресации к 32 системам, каждая из которых содержит 64 различных команды.

 

 

 

Принципиальная схема инфракрасного пульта дистанционного управления с системой команд RC-5

 

 

На схеме показана полностью подключенная матрица клавиатуры. На практике же такого количества клавиш не требуется. Необходимо подключить лишь клавиши ввода цифр от 0 до 9 (обязательно) и еще четыре любые кнопки, которые будут отвечать за включение и выключение нагрузки, прибавление и убавление мощности. Коды произвольно назначенных, таким образом, клавиш должны быть записаны в EEPROM микроконтроллера по соответствующим адресам.

 

Описание многофункционального устройства управления домашними приборами - электронного сенсорного выключателя

 

• В SHD1 предусмотрена возможность внутрисхемного перепрограммирования управляющего микроконтроллера для загрузки программы после сборки, а также для обновления версии программы в случае необходимости.
• SHD1 может встраиваться в корпус стандартного выключателя для скрытой проводки.
• Может быть использован любой стандартный пульт ДУ, работающий в стандарте RC-5.
• Выключатель имеет возможность внутрисхемного программирования и изменения номера устройства, номера системы команд RC-5 для управления от пульта ДУ, номера системы команд RC-5 для получения команд от центрального блока управления, всех кодов команд управления, статуса устройства (разрешение или запрещение на регулировку мощности). Все данные записываются в EEPROM память данных микроконтроллера и могут быть изменены в последствии без изменения кода программы, который остается защищен от считывания. Для записи и чтения этих данных можно использовать любой стандартный программатор, включая простейший COMPIC1.

 

Распределение памяти EEPROM для хранения данных

 

Формат: Адрес / Наименование / Выполняемая функция и примечание

 

00 - DEVICE_STATUS - Регистр имеет битовую конфигурацию. Установка D0 разрешает регулировку мощности. Сброс D0 — запрещает. Остальные биты зарезервированы.

 

01 - POWER_STATUS - При программировании должен быть сброшен в 00H. Используется микроконтроллером для запоминания включения или выключения нагрузки. Включенная нагрузка — FFh, выключенная — 00h. Другие значения недопустимы.

 

02 - POWER_DEFAULT - При программировании должен быть сброшен в 00H. Используется микроконтроллером для запоминания текущей мощности нагрузки.

 

03 - NUM_SYS_GEN - Номер системы для приёма команд от блока управления.

 

04 - NUM_SYS_REM - Номер системы для приёма команд от пульта ДУ.

 

05 - NUM_DEV_H - Старший байт номера устройства. Может принимать значения от 00h до 09h.

 

06 - NUM_DEV_L - Младший байт номера устройства. Может принимать значения от 00h до 09h.

 

07 - SET_GEN_OFF - Команда выключения от блока управления.

 

08 - SET_GEN_20 - Команда включения на 20% мощности от блока управления.

 

09 - SET_GEN_40 - Команда включения на 40% мощности от блока управления.

 

0A - SET_GEN_60 - Команда включения на 60% мощности от блока управления.

 

0B - SET_GEN_80 - Команда включения на 80% мощности от блока управления.

 

0C - SET_GEN_100 - Команда включения на 100% мощности от блока управления.

 

0D - SET_REM_OFF - Команда выключения от пульта ДУ.

 

0E - SET_REM_DOWN - Команда уменьшения мощности от пульта ДУ.

 

0F - SET_REM_UP - Команда увеличения мощности от пульта ДУ.

 

10 - SET_REM_ON - Команда включения от пульта ДУ.

 

Принципиальная схема электронного сенсорного выключателя SHD1 с адресацией команд и дистанционным управлением

 

 

Разработка электронных устройств выполнена с использованием микроконтроллера PIC16F628 (Microchip). Для приема команд по IR-каналу использован специализированный приемник TSOP1736, имеющий с своем составе усилитель с селективным фильтром и автоматической регулировкой уровня. На выходе у него присутствует стандартный цифровой сигнал. В качестве излучателя звука применен малогабаритный пьезоизлучатель HPA-17A. Конденсаторы С3, С4, С7 - электролитические на напряжение 10V, конденсатор С2 - керамический на напряжение не ниже 250V, конденсатор С8 - керамический на напряжение не ниже 100V, остальные конденсаторы SMD 0805 или 1206. Резисторы R14, R15, R3 должны иметь мощность 2W, резистор R1 следует применить обычный (не SMD) с мощностью 0,25W. Это обусловлено получением большего расстояния между его выводами при горизонтальном монтаже и, как следствие, повышением предельно допустимого напряжения на его выводах.

 

Инструкция по эксплуатации многофункционального сенсорного выключателя с дистанционным управлением «SHD1»

 

После подачи электроэнергии (примерно через 5 сек.) устройство переходит в рабочий режим и готово принимать команды от блока управления, пульта ДУ или сенсора. Переход сопровождается звуковым сигналом. До истечения этого срока нельзя подносить руку к выключателю, так как в это время происходит цифровая настройка сенсора. В противном случае, после перехода в рабочий режим, сенсор работать не будет. В этом случае необходимо отключить электроэнергию и через 5-10 сек. включить её снова, не поднося руку к выключателю. При монтаже выключателя следует отключить электроэнергию, полностью установить выключатель, установить клавишу и только после этого снова подать электроэнергию в сеть.

Кратковременное касание сенсора позволяет включать и выключать нагрузку. В случае касания и удержания руки, когда нагрузка включена, будет происходить увеличение мощности, сопровождающееся звуковыми сигналами, до тех пор, пока не будет снята рука или не будет достигнута максимальная мощность. В случае касания и удержания руки, когда нагрузка выключена, произойдет плавное включение нагрузки, а затем будет происходить уменьшение мощности, сопровождающееся звуковыми сигналами, до тех пор, пока не будет снята рука или не будет достигнута минимальная мощность. Через 12 часов после включения нагрузки, она автоматически выключится, если не поступит любая команда от центрального блока управления, которая в любом случае отменит режим автоматического выключения.

 

Каждое устройство (выключатель, розетка и прочее) имеет свой номер, позволяющий адресовать команды только одному такому устройству из многих находящихся рядом. Для включения режима управления необходимо направить пульт ДУ на выключатель и последовательно нажать две клавиши, определяющие номер устройства к которому происходит обращение (от 00 до 99). После правильного нажатия первой клавиши загорится светодиод на выключателе. После правильного нажатия второй — раздастся звуковой сигнал, сопровождающийся однократным миганием светодиода. После этого выключатель готов принимать команды на включение, выключение или регулировку мощности в течение 4 сек. По истечении этого времени светодиод погаснет и выключатель выйдет из режима управления. До выхода из режима управления не следует пытаться управлять другим устройством. Иначе предыдущее устройство, не успевшее выйти из режима управления, будет также выполнять передаваемые команды. Прием команд сопровождается миганием светодиода и звуковым сигналом. На пульте есть четыре кнопки, которые вы можете использовать для управления нагрузкой. Это "включение", "выключение", "увеличение мощности" и "уменьшение мощности". При нажатии и удержании двух последних клавиш происходит плавное изменение мощности, подводимой к нагрузке. Через 12 часов после включения нагрузки, она автоматически выключится, если не поступит команда от центрального блока управления.

 

Центральный блок управления также может изменять состояние выключателя. Он может включить или выключить нагрузку, а также установить мощность на одно из следующих значений: 20%, 40%, 60%, 80%, 100%.

 

Выключатель имеет функцию защиты ламп от перегорания в момент включения. Эта функция значительно продлевает срок эксплуатации ламп. Обеспечивается плавным разогревом нитей накала ламп при включении.

 

Выключатель обеспечивает защиту с автоматическим восстановлением от подключения нагрузки с мощностью выше максимально допустимой. Максимальная мощность нагрузки: примерно 1320W, что соответствует току 6А при напряжении питания ~220V.

 

Проект N11. Разработка электронных устройств управления домашними приборами выполнена Александром Петровичем Протопоповым (г. Москва). Сайт разработчика: https://razrabotka.pro.