Υπάρχουν αρκετές εφαρμογές που χρειάζονται τηλεχειρισμό από μικρή απόσταση όπως άναμμα φώτων κήπου, ασύρματο κουδούνι πόρτας, άνοιγμα γκαραζόπορτας, κίνηση κεραίας λήψης και διάφορα παιχνίδια ή εφέ με ανάγκη χειρισμού ενός ή περισσοτέρων εξόδων. Για την υλοποίηση αυτού του κυκλώματος χρειαζόμαστε:
- κωδικοποιητή εντολών χειρισμού
- πομπό μικρής ισχύος
- δέκτη για δεδομένα ("data")
- κεραίες
- αποκωδικοποιητή παλμοσειράς δεδομένων (data)
- οδήγηση ρελέ
Στην Ευρώπη οι επιτρεπόμενες συχνότητες για τηλεχειρισμούς μικρών αποστάσεων είναι στις μπάντες των 433MHz και 868MHz.
Απλούστερη στη χρήση και φθηνότερη στα εξαρτήματα είναι η μπάντα των 433MHz.
Κωδικοποιητής εντολών χειρισμού
Σήμερα στην πλειοψηφία το ρόλο του κωδικοποιητή/αποκωδικοποιητή στους τηλεχειρισμούς τον έχει ένας μικροεπεξεργαστής με πλεονεκτήματα ασφαλείας και επαναπρογραμματισμού κωδικών. Οι περισσότερες εφαρμογές τηλεχειρισμού δεν χρειάζονται "απόλυτη ασφάλεια" στην μετάδοση της εντολής αλλά πρέπει να είναι ανθεκτικοί στο θόρυβο της ραδιοσυχνότητας και να ενεργούν μόνο όταν τους χειριζόμαστε! Επιπλέον, σε εκπαιδευτικές/ερασιτεχνικές κατασκευές αρκετοί θέλουν να αποφύγουν τους μικροεπεξεργαστές.
Ο απλούστερος στη χρήση κωδικοποιητής/αποκωδικοποιητής για τηλεχειρισμό μικρών αποστάσεων εμφανίστηκε το 1982 με το όνομα MM53200 (National Semiconductor, τώρα T.I.). Ο κωδικός του τηλεχειρισμού φτιαχνόταν από 12 διακόπτες (dip switches) ή βραχυκυκλώματα (jumpers) για να δηλώσουν 2 ψηφιακές καταστάσεις (High/Low). Ακολούθησαν αρκετοί μιμητές όπως και "βελτιωμένες" εκδόσεις με περισσότερους κωδικούς από διακόπτες 3-ών καταστάσεων (High/Low/NoConnection) όπως το MC145026 (Motorola, τώρα ON Semiconductor).
Ακόμη και σήμερα τα πιο εμπορικά "ισοδύναμα" του MM53200 είναι η σειρά HT12 (HT12E encoder, HT12D και HT12F decoders) της Holtek Semiconductor.
Ξεκινώντας από τον κωδικοποιητή της εντολής, δείχνω παρακάτω το μπλοκ διάγραμμα και τα πόδια του HT12E:
Η σωστή συνδεσμολογία για χειρισμό 4 καναλιών από μπουτόν υπάρχει στο datasheet του HT12E:
Στο παραπάνω κύκλωμα, 8 διακόπτες (ή jumpers) φτιάχνουν τον κωδικό εκπομπής (A0-A7) και 4 είναι οι εντολές χειρισμού (AD8-AD11). Οι δίοδοι συμπληρώνουν τον κωδικό και τροφοδοτούν το HT12E όταν πατάμε κάποιο μπουτόν, συνδέοντας το Vss του HT12E με την αρνητικό πόλο τροφοδοσίας. Το κύκλωμα καταναλώνει ισχύ μόνο όταν έχουμε τηλεχειρισμό. Επιλέγουμε την αντίσταση ταλάντωσης με βάση τον πίνακα του datasheet. Για μια τυπική συχνότητα ταλάντωσης των 3KHz και τροφοδοσία περίπου 11VDC, θα χρησιμοποιήσουμε αντίσταση 1.1ΜΩ
Πομπός μικρής ισχύος
Σε αρκετά καλές τιμές θα βρείτε έτοιμα modules για εκπομπή σημάτων τηλεχειρισμού σε μικρές αποστάσεις:
Επιλέγετε συχνότητα λειτουργίας και είδος διαμόρφωσης σήματος. Αυτά με διαμόρφωση FM είναι ακριβότερα αλλά πιό αξιόπιστα. Από πλευράς συνδεσμολογίας, συνήθως έχουν 4 ακροδέκτες: V+, GND, DATA, Antenna. Η λειτουργία κάθε ακροδέκτη είναι προφανής.
Για να πετύχουμε μικρή κατανάλωση ισχύος, πρέπει να τροφοδοτούμε το module μόνο όταν εκπέμπουμε τον κωδικό χειρισμού. Αυτό μερικές φορές γίνεται αυτόματα όταν η είσοδος DATA είναι σε λογικό LOW, άλλες φορές υπάρχει πάντα μιά μικρή κατανάλωση και πρέπει να αποσυνδέουμε εντελώς και ένα πόδι τροφοδοσίας. Αν χρησιμοποιήσουμε την τοπολογία που φαίνεται στο παραπάνω κύκλωμα με το HT12E, συνδέοντας το Vss του HT12E μαζί με το GND της πλακέτας εκπομπής ("TX-module"), η τροφοδότηση θα γίνεται μόνο όταν πατάμε κάποιο μπουτόν μέσω των διόδων.
Μερικά TX-modules έχουν ενσωματωμένη κεραία με πηνίο ή διάδρομο χαλκού ακόμη και όταν υπάρχει ακροδέκτης κεραίας "Antenna". Διαβάστε το datasheet του TX-module που αγοράσατε για να σιγουρευτείτε.
Δέκτης για δεδομένα ("data")
Η λήψη των δεδομένων είναι σοβαρότερη υπόθεση και τα κυκλώματα πιο σύνθετα. Η ποικιλία των δεκτών διαφέρει αρκετά σε ποιότητα, τιμή καθώς και στους ακροδέκτες της πλακέτας:
Πρώτος κανόνας για την επιλογή του δέκτη είναι να αντιστοιχεί στην πλακέτα του πομπού, τόσο στην συχνότητα λειτουργίας όσο και στην διαμόρφωση του σήματος. Οι δέκτες FM και όσοι είναι θωρακισμένοι είναι καλύτεροι.
Για σωστή συνδεσμολογία συμβουλευτείτε το datasheet του RX-module, λ.χ. το παρακάτω:
Σε αυτό το παράδειγμα 3 ακροδέκτες συνδέονται με το 0V/GND, 2 με την τροφοδοσία (V+) και οι άλλοι είναι η κεραία, η έξοδος Data Out και μια έξοδος ελέγχου (test). Προσέξτε τη σημείωση για την υψηλή αντίσταση φορτίου στο Data Out. Σημαντικό σημείο για "καθαρό" σήμα στην έξοδο είναι η προσαρμογή της εισόδου κεραίας.
Κεραίες
Οι κεραίες εκπομπής και λήψης μπορούν να είναι εσωτερικές, ακόμη και σχεδιασμένες στην πλακέτα (θα χρησιμοποιήσουμε πλαστικό κουτί) ή εξωτερικές. Η απλούστερη μορφή είναι ένα απλό τεντωμένο σύρμα μήκους 16.4cm (433MHz whip antenna) ή μια σε μορφή πηνίου (helical antenna). Για μικρότερο μέγεθος θα σχεδιάσετε την κεραία επάνω στην πλακέτα ή θα χρησιμοποιήσετε έτοιμες κεραίες σε μορφή πηνίου ή chip (ψάξτε για 433MHz embedded antenna).
Στις εξωτερικές κεραίες, εκτός από το σύρμα/μαστίγιο (whip) μπορούμε να χρησιμοποιήσουμε κατευθυνόμενες κεραίες ή ground plane:
Το μήκος των στοιχείων (λ/4) για συχνότητα 433.92MHz είναι: 299793/433920/4x0.95=0.164m=16.4cm
(ταχύτητα του φωτός διά τη συχνότητα διά 4 για λ/4 επί τον συντελεστή βράχυνσης 0.95)
Για γρήγορους υπολογισμούς χρησιμοποιήστε το "Another one λ/4 calculator".
Θα βρείτε αρκετές πληροφορίες και τύπους υπολογισμού κεραιών στα datasheet και τα application notes των κατασκευαστών RF module:
- Radiometrix, περιγραφή κεραιών σε datasheet δέκτη
- T.I., AN058, Antenna Selection Guide by Richard Wallace
- T.I., Chipcon, AN003, SRD Antennas
Αποκωδικοποιητής παλμοσειράς δεδομένων (data)
Ο αποκωδικοποιητής της παλμοσειράς τηλεχειρισμού πρέπει να ταιριάζει με τον κωδικοποιητή στην μορφή και την ταχύτητα αποστολής των δεδομένων. Μερικά ολοκληρωμένα κυκλώματα έχουν δυνατότητα χρήσης ως κωδικοποιητής ή αποκωδικοποιητής γεφυρώνοντας έναν ακροδέκτη τους. Αλλοι κατασκευαστές κατασκευάζουν διαφορετικά ολοκληρωμένα για την αποκωδικοποίηση. Σε κάθε περίπτωση μπορεί να χρησιμοποιηθεί μικροεπεξεργαστής με πρόγραμμα αποκωδικοποίησης ενός ή περισσοτέρων τύπων κωδικοποίησης. Σε αυτή την περίπτωση μπορούμε να έχουμε και διαδικασία εκμάθησης ("learning") διαφορετικών κωδικών για χρήση με τον ίδιο δέκτη.
Στο παράδειγμα της εφαρμογής μας θα χρησιμοποιήσουμε το HT12D που είναι το "ζευγάρι" του HT12E και έχει 4 εξόδους "data" για χρήση ως 4 τηλεχειριζόμενα κανάλια. Η συνδεσμολογία του είναι απλή. Το μόνο που πρέπει να προσέξουμε είναι η σωστή επιλογή της αντίστασης ταλάντωσης η οποία πρέπει να ρυθμίσει συχνότητα ταλάντωσης 50x αυτής του HT12E. Για παράδειγμα, αν χρησιμοποιήσουμε συχνότητα 3KHz στον κωδικοποιητή, θα ρυθμίσουμε τον αποκωδικοποιητή στα 150KHz, δηλαδή αντίσταση 51ΚΩ για τροφοδοσία 5VDC. Να συμβουλευτείτε οπωσδήποτε τα σχετικά datasheets!
Οδήγηση ρελέ
Στο HT12D κάθε έξοδος data μπορεί να δώσει ρεύμα 1-2mA. Για να τις χρησιμοποιήσουμε θα συνδέσουμε εξωτερικό τρανζίστορ οδήγησης. Στο παρακάτω κύκλωμα φαίνεται η οδήγηση ενός ρελέ 12V:
Σχετικά:
- datasheet MM53200 (με application notes)
- datasheet MC145026-7-8
- datasheet ΗΤ12Ε
- datasheet HT12D/F
(
(