Управление устройствами на 220в через LPT порт (полный цикл создания)

Предыстория

После прочтения статьи на Хабре об управлении лампой через интернет, появилась идея управлять освещением дома с компьютера, а так как у меня уже настроено управление компьютером с сотового телефона, то это значит, что и светом можно будет управлять с того же телефона. После демонстрации статьи одному из моих коллег по работе, он сказал, что ему это как раз и нужно. Так как он часто за фильмами, которые смотрит на компьютере, засыпает. Компьютер через некоторое время после окончания фильма тоже засыпает и отключает монитор, а вот свет в комнате остается включённым. Т.е. было решено, что вещь это полезная, и я начал собирать информацию и детали для этого чуда.
Остальная информация под habracut (осторожно много картинок — трафик).

Схема устройства

За исходную схему была взята одна из схем, найденных в Internet и выглядела она вот так:

Но только с небольшим изменением: между 1-ым пином оптопары 4N25 и 2-ым пином LPT был добавлен резистор на 390 Ом, и еще добавлен светодиод для индикации включения. Схема была собрана в тестовом режиме, т.е. просто соединена проводами так как нужно и проверена. В этом варианте она просто включала и выключала старый советский фонарик.
Было решено, что если уже делать управление, то не для одного устройства, а минимум на 4 устройства (из расчёта: одна лампа на столе, люстра на два выключателя, запасная розетка). На данном этапе стало необходимо построение полной схемы устройства, начался выбор различных программ.
Были установлены:

1. PBC
2. KiCAD
3. gEDA
4. Eagle

Посмотрев все их них я остановился на Eagle, так как в его библиотеке были «похожие» детали. Вот что получилось в нем:




На схеме использован порт DB9 т.е. обычный COM порт, это сделано из соображений экономии как места на плате, так и самих разъёмов (COM'вские у меня были), а так как мы будем использовать только 5 проводников, то этого нам хватит с запасом. Таким образом делаем еще и переходник с DB25 (LPT) на DB9 (COM), в моем случае делается он следующим образом:
LPT 2-9 pin = COM 1-8 pin — это управляющие пины данных;
LPT 18-25 pin (зачастую они соединены между собой) = COM 9 pin — это наша земля.
Так же в схеме используется дополнительное питание на 12В для питания реле, по плану это будет простое китайское зарядное или может быть крона на 9В (одно реле срабатывает нормально, надо проверить на 4 одновременно). Отдельное питание и гальваническая развязка с помощью оптопары используется для того чтобы обезопасить порт компьютера. При желании можно конечно запитаться от 12В блока питания компьютера, но это каждый делает сам и на свой страх и риск.

Необходимые детали для создания устройства

1. COM порт — 1 шт
2. коннектор питания — 1 шт
3. светодиод зелёный — 4 шт
4. оптопара 4n25 — 4 шт
5. посадочное место под оптопару (у меня было только на 8 ног) — 4 шт
6. резистор 390 Ом — 4 шт
7. резистор 4,7 кОм — 4 шт
8. транзистор КТ815Г — 4 шт
9. реле HJR-3FF-S-Z — 4 шт
10. зажимы на 3 контакта — 4 шт
11. фольгированный текстолит

Подготовка схемы печатной платы

Попытавшись использовать Eagle для подготовки печатной платы я понял, что это будет сложновато и решил найти более простой вариант. Этим вариантом стала программа sprint layout 5 пусть она и в исполнении для windows, но без проблем запускается в wine под linux. Интерфейс у программы интуитивно понятный, на русском языке и в программе имеется достаточно понятная помощь (help). Поэтому все дальнейшие действия по разработке печатной платы производились в sprint layout 5 (далее SL5).
Хоть и многие используют данную программу для разработки плат своих устройств, в ней не оказалось необходимых мне деталей (даже в куче скачанных коллекций макросов). Поэтому пришлось сначала создать недостающие детали:

1. COM порт (тот что был не совпал с моим, по отверстиям крепления)
2. гнездо питания
3. зажим на три контакта
4. реле HJR-3FF-S-Z

Вид этих деталей:


После добавления необходимых деталей началось само проектирование печатной платы. Проходило оно в несколько попыток, было их около пяти. Каждый вариант платы печатался на картоне прокалывались отверстия и в них вставлялись детали. Собственно так и было выяснено, что мой COM порт не совпадает с тем который был в SL5. Так же всплыла небольшая ошибка в схеме реле — реально корпус реле был сдвинут на 2-3 мм. Естественно все ошибки были исправлены.
На первом печатном варианте выяснилось еще и не правильное подключение транзистора, были перепутаны два контакта.
После всех исправлений и подгонок получилось плата следующего вида:


В SL5 есть функция «Фотовид» для просмотра платы, вот как она выглядит в нем:




На финальном варианте платы будут еще немного подправлены дорожки, а в остальном она выглядит так же.

В SL5 так же есть удобный вариант печати платы, можно скрывать не нужные слои и выбирать цвет печати каждого слоя, что очень пригодилось.

Подготовка печатной платы

Плату решено было делать методом ЛУТ (лазерно-утюговая технология). Далее весь процесс в фото.

Вырезаем необходимого размера кусок текстолита.


Берем самую мелкую наждачку и аккуратно зачищаем медную поверхность.


После зачистки поверхности её необходимо промыть и обезжирить. Промывать можно водой, а обезжиривать ацетоном (в моем случае это был растворитель 646).
Далее печатаем на лазерном принтере на мелованной бумаге нашу плату, не забыв в принтере установить самую жирную печать (без экономии тонера). Этот вариант получился немного не удачным, так как размазался тонер, но другая попытка была в самый раз.


Теперь необходимо перенести рисунок с бумаги на текстолит. Для этого вырезаем рисунок и прикладываем его к текстолиту, стараемся его выровнять как нужно и после этого прогреваем утюгом. Необходимо тщательно прогреть всю поверхность, что бы тонер расплавился и прилип к медной поверхности. Потом даем плате немного остыть и идём мочить её под струей воды. Когда бумага достаточно хорошо промокнет её необходимо отделить от платы. На плате останется только прилипший тонер. Выглядит это так:


Далее необходимо подготовить раствор для травления. Я использовал для этого хлорное железо. На банке с хлорным железом написано, что раствор необходимо делать 1 к 3. Я немного отступил от этого и сделал 60 г хлорного железа на 240 г воды, т.е. получилось 1 к 4, не смотря на это травление платы происходило нормально, только немного медленнее. Обратите внимание на то, что процесс растворения сухого хлорного железа в воде идёт с выделением тепла, поэтому всыпать его в воду необходимо небольшими порциями и размешивать. Естественно для травления необходимо использовать не металлическую посуду, в моем случае это была пластиковая ёмкость (вроде от селёдки). У меня получился вот такой раствор:


Перед тем как опустить плату в раствор, я с помощью скотча приклеил к её обратной стороне леску, что бы было удобнее доставать и переворачивать плату. Если раствор попадет на руки надо быстро его смыть с мылом (мыло его нейтрализует), но пятна могут все равно остаться, все зависит от конкретных условий. Пятна с одежды вообще не выводятся, но мне повезло этого не проверить на себе. Погружать плату в раствор надо медью вниз и не всю плашмя, а под углом. Время от времени плату желательно очищать от отработки, так как она мешает дальнейшему травлению. Делать это можно при помощи ватных палочек.




Весь процесс травления у меня занял 45 минут, хватило бы и 40 минут, но я был просто занят ещё одним делом.
После травления промываем плату с мылом отрываем скотч с леской и получаем:




Внимание! Не выливайте раствор хлорного железа в раковину (канализацию) — это может повредить металлические детали раковины, да и вообще раствор может ещё пригодиться.
Далее нам необходимо смыть тонер, это успешно делается тем же растворителем 646, который использовался для обезжиривания (долгий контакт растворителя с кожей может её повредить).


Следующим шагом является сверление отверстий. У меня на плате предусмотрены были отверстия 1мм и 1.5 мм изначально, так как найти более тонких свёрл не удалось. Так же найти у нас в городе цанговый патрон для крепления его на электромоторчик не удалось, поэтому все делалось большой дрелью.


Первое устройство подошло


На первый раз я взял только два сверла, а при использовании такой дрели этого оказалось мало. Одно сверло сломалось, а второе погнулось. Все что я успел просверлить в первый день:


На следующий день я купил пять свёрл. И их как раз хватило, так как если они не ломаются (кстати из пятёрки сломал только одно), то тупятся, а при сверлении тупыми — портятся дорожки, медь начинает отслаиваться. После полного сверления платы получаем:




После сверления необходимо провести лужение платы. Для этого я использовал старый способ — паяльник, флюс ТАГС и олово. Хотелось попробовать с использованием сплава Розе, но его не найти у нас в городе.


После лужения получаем следующий результат:




Далее необходимо промыть плату для удаления остатков флюса, так как ТАГС водоотмывной, то делать это можно или водой или спиртом. Я сделал что-то среднее — отмывал старой водкой и протирал ватными палочками. После всех этих действий наша плата готова.

Монтаж деталей

Для проверки правильности платы изначально собираю только одну(из четырёх) линию деталей, мало ли где закралась ошибка.


После монтажа деталей идём и подключаем устройство к компьютеру через LPT, для этого спаян переходник с DB25(LPT) на DB9(COM) в следующем виде:

• 2 пин DB25 к 1 пину DB9
• 3 пин DB25 к 2 пину DB9
• 4 пин DB25 к 3 пину DB9
• 5 пин DB25 к 4 пину DB9
• 6 пин DB25 к 5 пину DB9
• 7 пин DB25 к 6 пину DB9
• 8 пин DB25 к 7 пину DB9
• 21 пин DB25 (можно любой с 18 по 25) к 9 пину DB9

Так как в качестве провода использовалась обычная витая пара, то не хватило одного проводка, но для данного устройства достаточно только пяти проводов, так что данный вариант подходит. В качестве включаемой нагрузки у нас выступает простой советский фонарик. Ну и в качестве блока питания — универсальный китайский блок питания (4 коннектора и питание от 3 до 12 в). Вот все в сборе:


А вот уже устройство работает:


На этом закончился ещё один вечер и монтаж остальных деталей был оставлен на следующий день.

А вот и уже полностью собранное устройство:




Ну и небольшое видео о том как это работает (качество не очень, не было чем снять нормально)

Вот и все, осталось только найти нормальный корпус для устройства и запускать его в дело.

Программная часть

Естественно для управления LPT портом нужно какое-то ПО, но так как у меня дома linux, то было решено просто написать простейшую программку самому, а в последствии её уже дописать и адаптировать как надо. Выглядела она примерно так:
#include <stdio.h>
#include <stdlib.h>
#include <unistd.h>
#include <sys/io.h>
#define BASE 0x378
#define TIME 100000
int main ()
{
int x = 0x0F;
int y = 0x00;
if (ioperm (BASE, 1, 1))
{
perror ("ioperm()");
exit (77);
}
outb (x, BASE);
return 0;
}


Данная программка отправляет в LPT порт 0x0F = 00001111, т.е. подает 1 на 2-5 пины (Data0-Data3), а это и есть наше управляющее напряжение между 2-5 пинами и землей (18-25 пины), таким образом будут включаться все четыре реле. Точно так же действует программа для отправки 0x00 в порт для отключения, просто вместо x отправляется y — outb (y, BASE). Еще можно прочитать состояние порта:
#define BASEPORT 0x378 /* lp1 */
...
printf("статус: %d\n", inb(BASEPORT));
...

Единственный нюанс этой программки в том, что её необходимо выполнять от root, так как простому пользователю не доступна функция ioperm. Думаю, как решать такую проблему можно не рассказывать, каждый выберет более подходящий ему вариант.

В последствии программа была доработана так, что бы передавая ей параметры командной строки можно было указывать с каким устройством и что сделать.
Вывод «sw --help»:
Программа для управления реле через LPT порт.
У программы может быть один или два параметра.
Формат параметров: sw [номер устройства] [действие]
номер устройства - от 1 до 8
действие - "on", "off", "st" - включение, выключение, статус
Пример: "sw 2 on" для включения второго устройства или "sw --help" для вывода помощи

PS если кому понадобится, то потом могу где-нибудь выложить файл схемы платы в sl5 и исходник программки управления.