PRESEPIO ELETTRONICO MULTIMEDIALE



Nativita' in poliuretano e gesso - Natale 2003

CONTROLLER PER LUCI A BASSA TENSIONE


INDICE



Fig. 1 - Piano di montaggio del Controller

PRESENTAZIONE

Dopo 5 anni dalla presentazione della centralina classica per il Presepio Elettronico Multimediale eccomi con un nuovo progetto:

CONTROLLER PER LUCI A BASSA TENSIONE PER PRESEPIO

L'idea e' nata dall'esigenza di pilotare in bassa tensione:


Attualmente la centralina classica delle luci per il Presepio Elettronico Multimediale dispone soltanto di 8 uscite in corrente alternata a 220 Volts che vengono utilizzate per la dissolvenza alba/giorno/notte/tramonto.

Oltre alle 4 uscite, utilizzate per le fasi giornaliere, rimangono a disposizione soltanto altre 4 uscite per usi generali, ritenute dalla maggioranza dei Presepisti, insufficienti per completare la circuiteria di controllo dell'illuminazione del Presepio.

Il costo dei vari apparecchi in commercio per simulare il crepitio dei  fuochi e l'evanescenza delle stelle e' molto elevato.

E' nata l'idea di avere qualcosa di economico e flessibile che potesse essere di complemento alla storica centralina.

CARATTERISTICHE DEL CONTROLLER


Il controller che mi accingo a presentarvi dispone delle seguenti caratteristiche:
 A prima vista appare complesso, ma in verita' il circuito e' estremamente semplice e flessibile per coprire tutte le esigenze di alimentazione delle luci a bassa tensione.


Foto del primo prototipo realizzato con il circuito stampato

In modalita' STELLE o FUOCHI e' possibile collegare una o piu' luci per ogni singolo canale.

Le luci potrebbero anche essere utilizzate come sorgente d'illuminazione per le fibre ottiche.

Le uscite sono state divise in due gruppi da 7 chiamati rispettivamente G1 e G2.

Per ogni gruppo si puo' scegliere la tensione di alimentazione piu' adatta alle proprie esigenze in funzione delle lampadine a disposizione.

Le lampade possono essere collegate in serie o in parallelo.

COLLEGAMENTO IN SERIE DELLE LAMPADE


Nel collegamento in serie, le lampadine devono essere tutte dello stesso tipo, ovvero devono avere la stessa tensione e watt (o corrente nominale).

La tensione d'alimentazione del gruppo deve essere pari al valore nominale della tensione d'alimentazione moltiplicato per il numero delle lampade da collegare in serie. 

Se per esempio colleghiamo 4 lampadine da 3 Volts, la tensione d'alimentazione del gruppo deve essere uguale a 4 X 3 = 12 Volts.

La corrente va calcolata in base alla potenza nominale della lampadina e rimane uguale per tutte le lampadine per il fatto che sono collegate in serie.

Per le lampadine più piccole, al posto della potenza il fabbricante indica direttamente la corrente d'alimentazione.

COLLEGAMENTO IN PARALLELO DELLE LAMPADE


Nel collegamento in parallelo le lampadine devono avere tutte la medesima tensione d'esercizio, uguale a quella d'alimentazione del gruppo.

Il wattaggio delle lampade da collegare in parallelo può anche differire.

Le correnti in questo caso vanno sommate.

Attenzione comunque che la  corrente massima per singolo canale non superi i 200 mA per non bruciare il driver ULN2003A!

USO DEI LED AL POSTO DELLE LAMPADE


E' possibile collegare al posto delle lampadine anche dei led.

Il led deve avere una resistenza in serie che limiti la corrente a meno di 10-20 mA.

Attenzione alla polarita' nel collegamento del led all'uscita dei canali.

Collegare un led al contrario significa danneggiarlo irrimediabilmente!

ALIMENTAZIONE DEL CONTROLLER E DEI GRUPPI DI CANALI


Per alimentare il tutto bisogna disporre di tre sorgenti di alimentazione esterne in corrente continua:
 Nel caso in cui i due gruppi d'uscita utilizzassero la medesima tensione e il valore di tale tensione fosse superiore a 9 Volts, e' possibile usare un solo alimentatore per tutti e tre gli ingressi.

Se utilizzassimo per esempio una tensione di 12 Volts per i due gruppi d'uscita, possiamo usare tale tensione anche per alimentare il controller.

Il circuito e' fornito di tre ingressi d'alimentazione indipendenti per motivi di flessibilita', ma nulla vieta di usare un'unica tensione d'alimentazione sia per il controller che per i due gruppi d'uscita.

Analizziamo di seguito le modalita' di funzionamento:

MODO STELLE/FUOCHI

Sia nella modalita' "STELLE" che nella modalita' "FUOCHI" le lampade brillano con sequenza pseudocasuale diversa da canale a canale.

La differenza tra il modo STELLE e quello FUOCHI e' nella frequenza e intensita' della brillantezza.

Nel modo FUOCHI la lampadina lampeggia con un'intermittenza che simula il fuoco che arde.

Nel modo STELLE la lampadina cambia la luminosita' piu' lentamente e meno vistosamente simulando la deriva di luminosita' di una stella.

MODO ON/OFF

Nel modo ON/OFF le luci vengono attivate o disattivate sotto il controllo del PC.

In genere i canali d'uscita sono utilizzati per attivare dei carichi che funzionano ON/OFF in corrente continua oppure generalmente dei rele'.

Nel caso di collegamento di rele', accertarsi di usare la tensione di alimentazione del gruppo pari alla tensione nominale d'esercizio dei rele' da utilizzare.

Non servono i diodi di clamping esterni in quanto essi sono gia' presenti all'interno del driver ULN 2003A.

Usare comunque dei rele' che abbiano una corrente nominale inferiore ai 200 mA!

MODALITA' DI FUNZIONAMENTO DEL CONTROLLER

Il controller puo' funzionare in due modalita' diverse:

MODALITA' STAND-ALONE


Nella modalita' stand-alone, il controller legge lo stato dei ponticelli P1.0-P1.3 e stabilisce le modalita' di funzionamento dei due gruppi di uscite.

L'ingresso SIN viene utilizzato per comandare l'accensione e spegnimento globale delle lampade e sincronizzare il controller con eventuali eventi esterni.

In questa modalita' l'ingresso SIN viene pilotato mediante un contatto di chiusura verso massa (chiudere tra loro il pin 1 e 2 di P1).

In modalita' stand-alone tutte le uscite programmate in modo ON/OFF si accendono e spengono in contemporanea in funzione dello stato dell'ingresso SIN.

Impostare il modo ON/OFF in modalita' stand-alone ha quindi poco senso!

Se viene variato lo stato dei ponticelli P1.0-P1.3, il controller cambia modo di funzionamento adeguandosi opportunamente  alle nuove predisposizioni senza dover spegnere e riaccendere (riconfigurazione dinamica).

La riconfigurazione dinamica e' valida solo per la modalita' stand-alone.

MODALITA' ASSERVITA AL PC


Nella modalita' asservita al PC, il controller legge lo stato dei ponticelli P1.0-P1.3 e stabilisce le modalita' di funzionamento di default dei due gruppi di uscite.

In questo caso la riconfigurazione dinamica non viene effettuata a meno di cambiare le modalita' tramite il comando XSEND CONF.

All'inizio tutte le uscite si trovano nello stato OFF.

Su comando tramite XSEND/XSEND2 e' possibile cambiare lo stato delle uscite.

Nello stato OFF l'uscita rimane spenta qualunque sia la modalita' (ON/OFF-FUOCHI-STELLE)  impostata.

Nello stato ON l'uscita si predispone:
 La modalita' ON/OFF e' particolarmente indicata per pilotare dei rele'.

I rele' possono essere collegati direttamente alle uscite corrispondenti senza diodo di clamp per il fatto che e' gia' presente all'interno del driver ULN2003A.

Con le uscite dotate di rele' e' possibile pilotare dei carichi anche diversi dalle lampadine ed ogni carico puo' essere alimentato in maniera indipendente.

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DESCRIZIONE

Lo schema del controller luci a bassa tensione è imperniato sul microcontrollore AT89C52 in pos U1 con un clock di sistema pari a 4 Mhz.



Fig. 2 - Schema Elettrico del Controller

L'oscillatore è basato sul quarzo X1 e sui due condensatori ceramici C3 e C4.

La rete RC costituita dalla resistenza R3 e il condensatore C5 garantisce il corretto tempo di reset di circa 100 ms.

La porta P1 è utilizzata per impostare le predisposizioni, mentre le porte P0 e P2 vengono usate per comandare i canali di uscita.

Degli 8 pin delle porte ne vengono utilizzati soltanto 7.

Si hanno così a disposizione 2 gruppi indipendenti da 7 canali ciascuno.

La rete resistiva è necessaria a garantire la corretta polarizzazione delle uscite della porta P0.

In basso a sinistra si può notare il circuito di alimentazione del microntroller che fornisce una tensione stabilizzata e filtrata pari a 5 Volts.

L'ingresso P2 è protetto contro l'inersioni di polarità e può essere alimentato con una tensione raddrizzata da un minimo di 9 ad un massimo di 30 Volts.

I canali d'uscita sono pilotati da due driver ULN2003A che garantiscono correnti d'uscita fino ad un massimo di 500 mA.

Per evitare surriscaldamenti e rotture del componente per eccessiva dissipazione termica è opportuno limitare la corrente massima di un singolo canale a 200 mA massimi.

I due driver hanno ingressi di alimentazione indipendenti per avere la massima flessibilità.

Ogni gruppo di canali può quindi essere alimentato con tensioni diverse l'uno dall'altro.

Ogni gruppo di canali ha un proprio fusibile di protezione da 2A del tipo F e dispone di un diodo di protezione in serie contro le inversioni della polarità d'ingresso su P4 e P11.

Sia il microntroller che i due driver sono montati su zoccolo per una eventuale facile sostituzione in caso di guasto.

Il ponticello SW1 può essere utilizzato, quando cortocircuitato, per effettuare il LAMP TEST.

Il ponticello SW2 deve essere chiuso solo per l'uso dell'ingresso SIN in modalità stand-alone.

In questo caso, il circuito può essere attivato/disattivato mediante un contatto di chiusura verso massa.

Nella modalità asservita al PC, il ponticello SW2 deve restare aperto.

In questo caso l'ingresso viene utilizzato mediante connessione alla porta seriale del PC con una velocita' di trasmissione  pari a 2400 baud.

Il led verde in posizione D2 quando illuminato indica una condizione di corretto funzionamento del controller.

Il pin 31 del microcontrollore deve essere collegato a +5volts per un corretto funzionamento vista la  compatibilità del micro AT89C52 con la serie 8052.

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DOCUMENTAZIONE COSTRUTTIVA


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FIRMWARE PER 89C52

Il firmware del microcontrollore e' contenuto nel file star.hex.

Il file star.hex puo' essere usato per programmare il microntrollore 89C52 mediante un programmatore universale.

Il microcontroller appena acquistato risulta pulito (componente vergine) e va poi programmato appunto con il nostro firmware.

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PROGRAMMI PER PC


Allegati nel CD-ROM potrete trovare i seguenti programmi usati dai file batch del PC:


Oltre a questi programmi già disponibili per la centralina classica ne sono stati aggiunti i seguenti specifici per il controller:


La comunicazione tra il PC e la centralina avviene tramite una porta seriale alla velocita' di 2400 baud.

Il PC invia un solo byte contenente l'informazione per la centralina.

Meta' del byte contiene il comando vero e proprio mentre l'altra meta' i parametri relativi al comando in questione.

Di seguito vengono analizzati i comandi strettamente correlati all'uso con il controller.

Per gli altri si rimanda la lettura del manuale d'uso della centralina classica.


DELAY

Mediante il comando DELAY è possibile impostare una pausa di un certo numero di millisecondi.


Sintassi


DELAY <ms>: Aspetta x millisecondi


Parametri


<ms> Numero di millisecondi <1-65535>


WSEC


Mediante il comando WSEC è possibile impostare una pausa di un certo numero di secondi.


Sintassi


WSEC <sec>: Aspetta x secondi


Parametri


<sec> Numero di secondi <1-100>


INIT/INITCOM2


Mediante il comando INITCOM/INITCOM2 è possibile inizializzare la porta seriale COM1/COM2 rispettivamente.

Sintassi


INITCOM: Inizializza la COM1

INITCOM2: Inizializza la COM2


XSEND/XSEND2


Mediante il programma XSEND/XSEND2 è possibile inviare comandi al controller di luci a bassa tensione tramite la porta seriale COM1/COM2 rispettivamente.

Mediante il comando XSEND/XSEND2 è possibile:



Sintassi:


XSEND OFF <canale>

XSEND ON <canale>

XSEND CONF <c1><c2>


Parametri:


<canale>: Numero di canale = <1-14>

<c1>: Modo del gruppo G1 = o/f/s

<c2> Modo del gruppo G2 = o/f/s


I parametri <c1> o <c2> possono assumere i seguenti valori:


o = modo ON/OFF

f = modo FUOCHI

s = modo STELLE


I canali da 1 a 7 appartengono al gruppo G1, mentre quelli da 8 a 14 al gruppo G2


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SORGENTI SOFTWARE


I programmi del PC sono stati scritti in linguaggio C usando il compilatore Borland C 4.5.

I sorgenti sono contenuti nel seguente file:

source.zip

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SORGENTI  FIRMWARE

Il firmware del microcontrollore della centralina luci e' stato scritto interamente in assembler 51, usando l'assembler  ASM51.

I sorgenti sono contenuti nei seguenti due files:
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INSTALLAZIONE E TEST

Per installare il software:

Lanciare il file installa.bat alla comparsa della finestra:

Per installare il controller seguire i seguenti passi:

 In questa maniera e' stata verificato il funzionamento in modalita' stand-alone.

Per la verifica in modalita' asservita al PC eseguire i seguenti passi:

 Il LAMP TEST deve funzionare anche con il controller in modalita' asservita al PC!
Fig. 3 - Schema cavo seriale split

A questo punto se tutto ha funzionato regolarmente non resta che creare i propri file batch magari che possano comandare anche la centralina classica.

In questo caso la centralina classica va collegata all'ingresso DB9 maschio del cavo split fornito in dotazione con il controller, per avere il controllo dei due oggetti tramite la stessa porta seriale.

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ESEMPI DI FILE BATCH


Nel CD ROM potete trovare i seguenti file eseguibili:

ESEGUIBILI COMUNI PER TUTTI I CIRCUITI:
ESEGUIBILI PER LA CENTRALINA CLASSICA:
ESEGUIBILI PER IL CONTROLLER LUCI A BASSA TENSIONE:
ESEGUIBILI PER L'INTERFACCIA RELE'
L'idea è stata quella di creare un unico CD che contenesse tutti programmi per i tre oggetti in maniera che potessero essere usati sia singolarmente che in combinazione.

I file possono essere lanciati manualmente come fossero dei normali comandi DOS oppure usati all'interno di file batch creando così una sorta di programma eseguibile.

Il file batch può essere editato in maniera semplice con EDIT: l'editor del DOS.

Nel CD ROM sono disponibili anche dei file batch che costituiscono degli esempi di programmazione.

Per l'utilizzo del controller luci a bassa tensione, l'esempio principale è costituito dai seguenti files:


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KIT DI MONTAGGIO

Chi avesse difficolta' a reperire il materiale e' disponibile qualche esemplare di kit di montaggio.


Kit di montaggio del controller luci

Il kit di montaggio contiene:

Per informazioni senza impegno sul kit di montaggio del controller luci a bassa tensione, inviare  una email al seguente indirizzo di posta elettronica:

salvitti.geo@yahoo.com

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CDROM

E' stato creato un nuovo CD-ROM che contiene sia  la parte relativa alla centralina classica che la parte relativa  al nuovo controller.

Per semplicità, la procedura d'installazione comprende entrambi , ma nulla vieta di usare o solo la centralina classica o solo il controller oppure i due insieme.

Dipende soltanto da come vengono creati i file batch.

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