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Comando a distanza a infrarossi dotato di uscite logiche ideale per interfacciarsi con microcontrollori, abbinato a una scheda a relè consente di gestire anche utilizzatori di potenza.
Quando si pensa a un comando a distanza, come l’apricancello, la mente va istintivamente al radiocomando; un po’ tutti ormai abbiamo associato il concetto di telecomando ai comandi via radio, dimenticando che il comando a distanza può essere effettuato anche utilizzando altri link per trasportare dati e informazioni: per esempio gli ultrasuoni (come nei telecomandi dei televisori di 30 anni fa) oppure gli utilizzatissimi raggi infrarossi, per anni i prediletti dei telecomandi per la chiusura centralizzata delle automobili (ancora oggi molte auto, come ad esempio le Ford, ne sono equipaggiate), la televisione e impianti hi-fi ed anche per il comando dei condizionatori d’aria ed altri dispositivi elettrodomestici.
Il pregio ed il motivo per cui si adottano ancor oggi comandi a distanza tramite infrarossi è che non generano interferenze nell’etere come invece fanno quelli via radio, quindi è possibile utilizzarne tanti nello stesso campo d’azione rischiando meno disturbi vicendevoli alle trasmissioni e senza determinare quell’inquinamento elettromagnetico un tempo trascurato ma oggi -in virtù dell’affollamento dell’etere da parte soprattutto dei telefoni cellulari, del WiFi e del Bluetooth- seriamente considerato.
L’unico limite dei comandi a distanza a infrarossi è la portata decisamente ridotta se paragonata a quella dei sistemi via radio, ma ciò non è un problema negli ambienti chiusi e quindi nelle abitazioni, dove poter trasmettere a qualche metro di distanza è più che sufficiente; anche per le auto è ammissibile, perché basta una decina di metri.
Visto che dei comandi a distanza che presentiamo, quasi tutti sono a radiofrequenza, ci è sembrato il caso di riequilibrare la situazione proponendo, questa volta, un progetto a infrarossi, visto che per le ragioni anzidette vi sono ambiti in cui esso è preferibile a quello via radio.
Il nostro progetto è quello di un telecomando quadricanale codificato a infrarossi, composto da un’unità trasmittente palmare, sottilissima, che si acquista già pronta, nonché da una ricevente miniaturizzata a microcontrollore, che dispone di quattro uscite a livello logico e altrettanti LED che ripetono lo stato di tali uscite.
La scelta di mandare in uscita solo dei livelli TTL e quindi di non integrare nella scheda degli attuatori (relé, TRIAC, SCR, transistor) è stata fatta per limitare al massimo le dimensioni del ricevitore, così da renderlo integrabile in altri apparati.
Schema elettrico del ricevitore IR
Per comprendere di cosa stiamo parlando diamo uno sguardo al circuito del ricevitore (lo schema elettrico è in questa pagina), che si basa su un microcontrollore Microchip PIC16F683 ad 8 bit, incapsulato in contenitore plastico dip a 4+4 pin; in questa applicazione il micro riceve il clock dall’oscillatore in esso integrato, che viene settato dal firmware.
L’utilizzo dell’oscillatore interno è, in questi piccoli microcontrollori che devono avere un numero ridottissimo di piedini, utile a limitare l’ingombro del circuito e a destinare i piedini solo all’utilizzo come I/O.
Il PIC funziona da decoder dei segnali in arrivo dall’unità trasmittente. Dopo il power-on-reset le linee di GPIO GP1, GP2, GP4 e GP5 sono inizializzate come uscite utilizzate per comandare i transistor NPN Q1, Q2, Q3, Q4 impiegati per accendere i LED spia dello stato delle uscite, stato che viene riportato alle uscite logiche del ricevitore, siglate OUT1, OUT2, OUT3, OUT4.
In serie alla base di ciascun transistor è stata posta una resistenza di limitazione della corrente e così pure sul collettore, a limitare la corrente assorbita da ciascun LED al valore di 1,8 mA a 3,3 volt di alimentazione e di 3,2 mA a 5 volt quando il ricevitore viene alimentato a 5 volt.
Quando l’uscita del microcontrollore si porta a livello logico alto, la giunzione base-collettore del rispettivo transistor viene polarizzata direttamente e il transistor corrispondente si porta in saturazione, facendo scorrere corrente nel relativo LED, che quindi si illumina; quindi ciascuna uscita è attiva a livello alto e a LED acceso.
Nel nostro telecomando tutte le uscite funzionano, per impostazione predefinita (e non modificabile a meno di non cambiare il firmware del microcontrollore), in modalità monostabile, vale a dire ad impulso: ciò significa che ciascuna uscita rimane a livello alto fintanto che il rispettivo pulsante sull’unità trasmittente viene mantenuto premuto e il ricevitore riceve un segnale sufficientemente forte da essere decodificato; al rilascio del pulsante o alla perdita del collegamento ottico fra trasmittente e ricevente, l’uscita ritorna a livello logico basso e il transistor corrispondente, non ricevendo più l’1 logico, torna interdetto e lascia spegnere il LED.
L’ultimo GPIO del microcontrollore viene inizializzato come ingresso e ci serve per ricevere i dati restituiti dal piedino (S) di uscita del modulo ricevitore IR1, il quale fornisce impulsi TTL analoghi a quelli di luce all’infrarosso che ne colpiscono la superficie sensibile.
Il modulo è un ricevitore IR integrato IR38DM composto da un fotodiodo sensibile all’infrarosso posto in serie a un resistore di elevato valore, ai capi del quale si collega l’ingresso di un preamplificatore, cui segue un comparatore di tensione la cui uscita commuta ad ogni impulso presentato ai capi del resistore, restituendolo all’uscita S ben squadrato.
Il comparatore ha infatti la duplice funzione di discriminare il segnale captato dal fotodiodo dal rumore di fondo e dall’effetto della luce diurna (minimizzato comunque dal fatto che l’involucro del fotodiodo ha un rivestimento che filtra il visibile ed è selettivo nei confronti degli infrarossi) e di squadrare i fronti di salita e discesa della tensione ai capi del resistore di carico, che non sono mai dritti a causa del tempo di risposta del fotodiodo.
Il ricevitore è alimentato, per poter far funzionare il suo comparatore interno, dagli stessi 5 volt (o 3,3 V) con cui funziona il microcontrollore IC1. IR1 contiene anche un filtro accordato sui 38 kHz, che è la banda di frequenze in cui si trova il segnale modulante della gran parte dei telecomandi a infrarossi.
Sulla linea di alimentazione sono collegati due condensatori, uno elettrolitico e l’altro ceramico, per filtrare la tensione da disturbi impulsivi captati dai fili di collegamento, nonché dall’eventuale residuo di alimentazione, nel caso il ricevitore venga integrato in un apparato e alimentato dal suo alimentatore.
Le uscite OUT1÷OUT4 forniscono livelli logici utilizzabili per inviare dei comandi a circuiti logici, agli ingressi di un microcontrollore, oppure a una scheda a relé come la 2846-RELAY4CH commercializzata dalla Futura Elettronica, visibile nella Fig. 1.
Fig. 1 La scheda a relé che permette di commutare carichi elettrici in continua e in alternata.
Il comando a livelli logici è utile se si integra il telecomando in un sistema che li accetta: ad esempio qualcosa che abbia una logica su cui agire per accenderlo e spegnerlo, per regolare una luminosità, per accendere o spegnere un display, ma anche per agire in parallelo su una logica controllata già da altri circuiti, per implementare un comando manuale in alternativa ad uno automatico esistente; è il caso di attuatori comandati da un microcontrollore o PLC che sono gestiti da software secondo sequenze ben definite, che si desidera gestire distintamente in modo manuale, a distanza.
Le uscite a relé sono invece ideali per gestire utilizzatori funzionanti in bassa o alta tensione, in alternata o continua, mantenendo l’isolamento galvanico: ad esempio elettroserrature, elettrovalvole, motori elettrici in c.c. e c.a. o trasformatori, ecc.
Piano di montaggio
Elenco Componenti:
R1÷R4: 10 kohm R5÷R8: 1,5 kohm C1: 47 µF 25VL elettrolitico C2: 100 nF ceramico Q1÷Q4: S8050 H1: LED 3mm blu H2: LED 3mm blu H3: LED 3mm blu H4: LED 3mm blu IC1: PIC12F683 (MF1282) IR1: IR38DM Varie: - Zoccolo 4+4 - Strip maschio 6 poli - Circuito stampato S1282 (29 x 38 mm)
Il modulo a relè 4CH
La Fig. 2 propone il collegamento del ricevitore alla scheda a relè e vale genericamente per qualsiasi scheda d’interfaccia a relè dotata di quattro ingressi TTL similare.
La scheda a relè che proponiamo a complemento del ricevitore è dotata di quattro relè con bobina a 5 V e scambio che consente di commutare carichi elettrici che funzionano con un massimo di 240Vca e assorbono fino a 10A (max); ciascun relè viene attivato portando l’ingresso di comando a livello logico alto (da 1,6 a 5 Vcc), quindi la scheda è ideale per attuare i segnali logici forniti dallo shield, anche perché ha un assorbimento, su ciascun input, di pochi milliampere, compatibile anche con le logiche CMOS e CMOS HC.
Gli ingressi della scheda 4 relè sono tutti optoisolati, così che laddove sia necessario è possibile separare galvanicamente la scheda dal circuito di comando; ogni optoisolatore ha l’anodo del diodo emettitore di ingresso (pin 1) collegato al rispettivo input tramite un resistore di limitazione della corrente e il catodo in comune con i catodi dei LED degli altri fotoaccoppiatori e connesso al contatto COM di ingresso.
Se si desidera rinunciare all’isolamento, si devono ponticellare il contatto GND e il COM (questo è ciò che abbiamo fatto nella Fig. 2, dato che non ci serve l’isolamento tra circuito di comando e relè).
Per ciascun relè è previsto un LED di stato posto sul bordo della scheda, che ripeterà quello del ricevitore, quindi in caso di abbinamento alla scheda a relè si può evitare di montare i LED di stato dei canali, che sarebbero ridondanti e determinerebbero un eccessivo assorbimento di corrente.
Fig. 2 Connessioni tra il ricevitore e la scheda a relè.
Come funziona il radiocomando IR
Detto ciò, passiamo a spiegare il funzionamento del telecomando IR, che è molto semplice: premendo uno dei quattro pulsanti del trasmettitore, il microcontrollore di quest’ultimo genererà il codice corrispondente (la decodifica è indispensabile ad evitare che il ricevitore possa essere influenzato dalle trasmissioni di altri TX attivati nei paraggi) sotto forma di stringa alla frequenza di 38 kHz e con esso pilota il LED emittente all’infrarosso che ha a bordo, il quale emetterà una serie di impulsi di luce (uno per ciascun livello logico alto) ripetendo la stringa di dati da inviare.
Il fotodiodo integrato nel ricevitore IR1 lo rileva (se è alla distanza che lo permetta, ossia entro otto metri) e restituisce in uscita gli impulsi ben squadrati corrispondenti ai dati generati dal microcontrollore encoder presente nella trasmittente.
Il PIC12F683 è normalmente in standby e all’arrivo del primo impulso si risveglia e analizza i dati in arrivo, stivando le stringhe in RAM e poi analizzandole per vedere se il codice e il formato sono quelli previsti; in caso contrario abbandona la procedura, svuota la RAM e torna a riposo, in attesa di nuovi dati.
Se invece la codifica è quella giusta, va a leggere il byte contenente il numero del canale da attivare e comanda il GPIO d’uscita corrispondente (CH1=OUT1, CH2=OUT2 e via di seguito) e il relativo LED di stato si accenderà; l’uscita corrispondente passerà da livello basso a livello alto.
Ricordiamo che la codifica è fissa e ogni trasmettitore può controllare più ricevitori. Fisso è anche il modo di attivazione delle uscite, le quali ripetono la condizione dei pulsanti sul trasmettitore.
La portata del telecomando è circa 5-8 metri e l’alimentazione del ricevitore è compresa fra 3,3 e 5 V quindi occorre un alimentatore stabilizzato o altra fonte di tensione continua che forniscano tali valori.
Per l’utilizzo, notate che il ricevitore richiede un’alimentazione ben stabilizzata o la pila cui si è accennato qualche paragrafo indietro e che ciascuna delle uscite può erogare 5÷10 mA al massimo.
Il trasmettitore funziona con una pila a bottone di tipo CR2025.
Per l’installazione rammentate che se inserite il ricevitore in un contenitore o in un apparato esistente dovete prevedere un foro o una finestrella vetrata trasparente dalla quale il sensore (la sua cupolina, nello specifico) all’esterno possa cogliere gli infrarossi emessi dal trasmettitore.
Se utilizzate le uscite per comandare ingressi di circuiti logici, verificate che la tensione cui essi funzionano non sia superiore a quella di alimentazione del ricevitore; se lo è mettete un diodo 1N4148 in serie a ciascuno, con l’anodo rivolto al ciascun OUT del circuito.
