Продолжим тему дачной автоматики, сдвиговый регистр 74HC595 для полива огорода

Летом и осенью я сделал немало устройств упрощающих жизнь в дачных условиях. Но наступила зима, да и времени было мало — была пауза в обзорах. Сейчас появилось время, и я продолжил свое творчество для дачи. Данная микросхема позволяет размножить выходы контроллера для управления большИм количеством устройств. Под катом краткий обзор микросхемы и изготовление устройства, ардуинство + программная часть…

Данная микросхема уже обозревалась здесь. Но там был пример, приведенный в большинстве инструкций по этой микросхеме. В данном обзоре постараемся рассмотреть реальное практическое применение.

Посылка дошла за 3 недели, никаких проблем с микросхемами в дороге не произошло.
Вид:

В прошлом обзоре уже привели основные свойства микросхемы, кратко скажу только следующее:
Датшит на микросхему.
Микросхема 74HC595 — один из самых распространённых сдвиговых регистров: синхронный, с регистром данных (latch). Она позволяет увеличивать количество выходов микроконтроллера.
Чип преобразовывает входящий последовательный сигнал на 1 пине (Ds) в выходной параллельный на 8 пинах (Qx). Последовательная передача синхронна: для такта используется дополнительный пин (SHcp). Также отдельным пином управляется регистр данных (STcp), что позволяет изменять сигнал на 8 выходах единовременно, когда все данные переданы.
Таким образом образом из трёх пинов микроконтроллера, такого как Arduino, можно получить 8 цифровых выходов. Из регистров 74HC595 можно делать каскады, подключая один за другим (через пин Q7’), и таким образом из всё тех же 3 входящих линий получать 16, 24, 32 и т.д. цифровых выходов. Естественно, что скорость передачи данных снизится.
Выпускается в корпусах:

В нашем случае микросхема 74HC595N, соответственно она имеет DIP-16 корпус.
Обозначения выводов:

Типовая схема включения одной микросхемы:

Типовая схема каскадного включения:


Выводы DS, ST_CP, SH_CP — подключаются к микроконтроллеру и позволяют формировать все возможные комбинации на выходе микросхемы.

Программирование в среде Arduino подробно описано здесь.

У микросхемы из обзора есть брат 74HC165. С помощью этой микросхемы по тому же принципу, можно размножать входы контроллера.

Теперь к нашим попугаям. Я публиковал одним из первых обзор электрического шарового крана. Там же была описана плата управления данными кранами. Летом конечно я это все внедрил для полива огорода… но описанная там плата управляет только 4-мя шаровыми кранами, а у меня их уже 6… Временно я решил эту проблему подключив блок из 4-х реле для управления двумя кранами на которые не хватило управляющих выводов. Процесс смены полярности двумя реле я описал в обзоре про автоматизацию теплицы. И вот пришло время заменить одной платой все, что я там нагородил.

Маленькое отступление. Для Arduino Uno есть мотор -шилд, который позволяет без лишних паек управлять 4-мя двигателями. Но во первых там также всего 4 двигателя, во вторых устройство получается довольно громоздкое (следует учесть еще и сетевой модуль). Поэтому принято решение делать свое устройство.

И так исходные данные: необходимо по сети управлять минимум 6-ю электрическими шаровыми кранами, устройство должно питаться от блока питания и формировать все необходимые для себя напряжения + выдавать напряжение 12 Вольт нужной полярности на заданный кран.

Схему на компьютере я не рисовал, так на макетке прикинул по документации (я лентяй- не делайте как я). Печатную плату рисовал в простой программе Sprint Layout
результат:

В качестве заготовки использовал текстолит (скорее бакелит как в этом обзоре) размером 7 на 10 сантиметров, удалось вписать в этот прямоугольник все требуемые элементы. Все элементы и выводы на плате обозначены, поэтому совсем не трудно понять мою простую логику. Верху видно 8 винтовых клемников — для подключения 8-ми шаровых кранов. Далее идет ряд из 4-х микросхем L293D — драйверов двигателей, каждая из них может управлять 2-мя двигателями и изменять направление вращения — меняя полярность. Далее идут две микросхемы (предмета этого обзора) — которые позволяют из 3-х выводов Arduino Pro Mini (d4,d5 и d6) управлять всеми 8-ю шаровыми кранами. Также виден сетевой шилд enc28j60 (его особенности я описал в этом обзоре). Ну а правая часть относится к питанию: собственно сам раъем, импульсный преобразователь cn1584 (получает 5 В из входных 12), линейный стабилизатор напряжения lm317 получает 3.3 вольта из 5 Вольт для питания сетевого модуля. Электролитические конденсаторы номиналом 470 мкФ 25 Вольт. Дорожки я делал разными, силовые шириной 1 мм на шинах и 0.6 мм локально, сигнальные 0.4 мм. Постарался все разместить компактно.

Далее изготовление платы. Использовал лазерный утюг (ЛУТ), подробнее как я это делаю можно прочитать тут.

Тонер перенесен на текстолит и просверлены большие отверствия:


Результат травления в хлорном железе:


Результат лужения сплавом Розе:


Ну и готовое устройство:

На импульсном преобразователе виден лак для ногтей, им перестраховался от случайного поворота потенциометра, после выставления 5В на выходе.

При подключении устройство отказалось работать… Немного анализа и совсем мало нецензурных слов, выявили 2 ошибки: одну микросхему l293d припаял вверх ногами (хм ...) и один вывод сетевого адаптера тоже неправильно подключил… Берем оплетку выпаиваем микросхему, режем дорожку и припаиваем проводок… Вид:

Смываем флюс:


Тестируем, убеждаемся что все компоненты устройства проходят простой набор тестов… Покрываем защитным лаком Plastik-71 плату:


Ну и итог:



Переходим к программной части… У нас есть сетевой модуль, необходимо управлять всеми кранами через веб. Нужно описать каждый кран и сделать универсальные средства управления. При включении питания неизвестно состояние кранов, поэтому нужно перевести их в нормальное для каждого состояние. Еще пара важных моментов, хоть в момент остановки кран не потребляет ток, не хотелось бы длительно держать его под напряжением, всякое может быть в огороде. И хоть мне и известно потребление крана при движении, возможны нештатные ситуации — разрешим движение только одного крана в один момент времени. Это все ключевые моменты, которые позволят интересующимся разобраться с кодом. Могу сказать, что я модифицировал код, который исправно проработал все лето поливая огород, соответственно какая-то доля уверенности в его работе у меня есть. Хотелось бы еще внести ряд доработок в код, одна из них отключение полива по аварийному таймеру (например если связь с центральным сервером пропала) и тд. Но это предмет будущего, время есть.
Собственно сам код:

Загружаем код в контроллер, с помощью usb-ttl конвертора и проверяем логику:


В период открытия крана присутствует напряжение одной полярности.


В период закрытия крана напряжение меняет полярность
В остальное время напряжение отсутствует. Таким образом, я проверил все 8 кранов, на всех одна и та же ситуация, которой хотелось достичь.

Важный момент обозреваемой микросхемы, при включении питания регистры находятся в случайном состоянии, и важно обнулить состояние 74HC595:

        digitalWrite(ST_CP_PIN, LOW);       
        shiftOut(DS_PIN, SH_CP_PIN, MSBFIRST, 0b00000000);
        shiftOut(DS_PIN, SH_CP_PIN, MSBFIRST, 0b00000000);
        digitalWrite(ST_CP_PIN, HIGH);

Конечно можно было по датшиту использовать дополнительные входы управления, но я посчитал, что во первых я привожу все краны при загрузке в нормальное для них состояние, во вторых промежуток очень маленький до устранения мусора в регистрах.

Тем кто захотел повторить, выложу файлик печатной платы. В нем уже исправлена ошибка с сетевым адаптером, поэтому у Вас не будет неаккуратного проводка на обратной стороне.

Компоненты использованные при построении устройства:
Arduino Pro Mini
сетевой модуль enc28j60
микросхемы регистров 74HC595
микросхемы драйверов двигателей L393D
понижающий преобразователь напряжения CN1584
линейный стабилизатор напряжения LM317
двойные винтовые клемники
разъем питания
светодиод 3мм
электролитические конденсаторы 470 мкФ 25В
резистор 1 кОм (для светодиода индикации питания)
керамический конденсатор 1 мкФ (в схеме подключения 74HC595) офлайн
резистор 4.7 кОм для будущего подключения к схеме шины 1-wire
односторонний текстолит
штырьковые разъемы разных цветов
проводки

+ флюс ЛТИ120, припой

На этом заканчиваю. У меня есть планы по модернизации многих дачных процессов, если будет интересно — обязательно опишу. Спасибо всем, кто дочитал до конца! Надеюсь, что кому-то приведенная информация окажется полезной.