Od strony elektronicznej urządzenie podzielone jest na dwa bloki:

Programator służy do ustalania, zapamiętywania i odtwarzania żądanych sekwencji wyjściowych. Jest to cała “logika” urządzenia. Poprzez cienką tasiemkę informacje z programatora przekazywane są do modułu wykonawczego złożonego z 16 przekaźników wystawiających napięcie na zaciski wyjściowe. Ze względu na ograniczoną ilość portów zastosowanego mikrokontrolera, wyjścia podzielone są na dwie sekcje, po 8 bitów każda...

Taki podział blokowy umożliwia i znacznie ułatwia ewentualną rozbudowę czy modyfikację układu, a nawet pozwala na zastosowanie poszczególnych jego części w zupełnie innych urządzeniach.

MODUŁ PROGRAMATORA

Rys1.1. Schemat modułu programatora

SERCE UKŁADU

Kod źródłowy, wraz ze wszystkimi niezbędnymi narzędziami, znajduje się na załączonej płycie CD. Wszelkie opisy programu mają postać komentarzy i zawarte są w pliku źródłowym. W dodatku C znajduje się pełna dokumentacja mikrokontrolera.

Bezpośrednio do portu P0 i bitów P2.6 i P2.7 podłączona jest magistrala danych urządzenia – przez nią wymieniane są dane między modułami programatora i wykonawczym. Magistralę fizycznie stanowi plastykowa tasiemka (FC-16) dostarczająca jednocześnie stabilizowane napięcie 5V dla programatora.

KLAWIATURA

Rys.1.2. Klawiatura przeglądana sekwencyjnie

Jak widać, w każdym rzędzie i w każdej kolumnie znajdują się po 4 przyciski, a więc łączna ich ilość daje liczbę 16 (4*4). Jest to rozwiązanie bardzo ergonomiczne, ponieważ zaoszczędzamy aż 12 linii portów I/O, w przypadku gdybyśmy chcieli podłączyć każdy guzik pojedynczo. W razie potrzeby zastosowania klawiatury 20-klawiszowej, wystarczyłoby dodać jeden rząd (lub kolumnę) przycisków...

Załóżmy, że na bit 0 portu 1 (P1.0) wystawiamy wartość logiczną 0. Odczytując stan bitu P1.4 możemy sprawdzić czy guzik SW4 jest wciśnięty - jeśli jest wciśnięty stan 0 z bitu P1.0 zostanie “przeniesiony” na bit P1.4 poprzez zwarcie przyciskiem. Jeśli natomiast SW4 nie będzie wciśnięty, to na P1.4 będzie stan wysoki – wymuszony rezystorem R15.

Program obsługi klawiatury wykonuje odpowiednią pętlę, która najpierw zeruje bit P1.0, po czym sprawdza stan linii P1.4, P1.5, P1.6, P1.7 - jeśli na żadnej z nich nie będzie niskiego poziomu, ustawia bit P1.0 a zeruje P1.1 i znów sprawdza P1.4, .., P1.7, czynność powtarza. Jeśli któryś z guzików zostanie naciśnięty, procedura wpisze jego numer do odpowiedniej komórki pamięci. Jeśli procedura wyzeruje P1.3 lecz na liniach P1.4, .., P1.7 nie będzie stanu niskiego, znaczy to tyle, że żaden guzik nie został naciśnięty – wówczas ustawia P1.3 w stan wysoki i w zależności od potrzeby albo rozpoczyna swe działanie od początku, albo w odpowiedniej komórce umieszcza jakąś umowną wartość (na przykład 0).

Nasz program zawiera dwie procedury obsługi klawiatury. Pierwsza sprawdza stan klawiatury i umieszcza numer wciśniętego guzika w odpowiedniej komórce pamięci. Jeśli żaden przycisk nie jest wciśnięty funkcja zwraca wartość zero. Takie rozwiązanie jest bardzo przydatne, gdy chcemy tylko sprawdzić, który / czy guzik jest wciśnięty.

Druga funkcja, zbudowana przy użyciu pierwszej, czeka na naciśnięcie guzika i dopiero wtedy powraca z wywołania.


WAIT_FOR_KEY:
   PUSH   ACC
WAIT_FOR_KEY_LOOP:
   LCALL   GET_KEY
   MOV   A,KEY_NUMBER
   CJNE   A,#0,WAIT_FOR_KEY_END
   LJMP   WAIT_FOR_KEY_LOOP
WAIT_FOR_KEY_END:
   POP   ACC
   RET


WYŚWIETLACZ

Rys.1.3. Wyświetlacz multipleksowany

Detonator wyposażony jest w czterocyfrowy cyfrowy wyświetlacz numeryczny LED. Składa się on z czterech pojedyńczych wyświetlaczy siedmiosegmentowych (W1..W4) ze wspólną anodą. Jako dekoder BCD na 7 segmentów użyty został układ scalony 7447 (U3). Ponieważ dekoder ten potrafi obsłużyć tylko jeden wyświetlacz, konieczne było zastosowanie 4 tranzystorów i trybu multipleksowania.

Wyświetlacz multipleksowany może składać się z wielu pojedyńczych wyświetlaczy. Jeśli stosujemy wyświetlacze 7. segmentowe, to wszystkie mają równolegle podłączone segmenty a...g i dp (kropka). Takie rozwiązanie powoduje, że zapalenie segmentu a na pierwszym spowoduje zapalnie tegoż segmentu na wszystkich pozostałych. Osobno jednak sterowane są anody poszczególnych “cyfr” – co daje możliwość wyboru / uaktywnienia tylko wybranych wyświetlaczy.

Cała sekwencyjność polega na tym, że najpierw ustala się które segmenty mają świecić, później włącza się odpowiedni wyświetlacz... najczęściej jest to robione po kolei / sekwencyjnie dla każdego wyświetlacza, i powtarzane bez przerwy – stąd nazwa.

Kolejne włączanie i wyłączanie poszczególnych “cyfr” potocznie nazywane jest przemiataniem czy też odświeżaniem. Jeśli odstęp czasu pomiędzy zgaszeniem jednego wyświetlacza a włączeniem następnego jest wystarczająco mały (odświeżanie jest szybkie / duże), wówczas bezwładność oka ludzkiego sprawi, że obraz wszystkich cyfr złoży się w jeden.

Procedura obsługi wyświetlacza wysyła do układu 7447 (U) informacje, jaki znak ma być wyświetlony, po czym włącza pierwszą cyfrę wyświetlacza. Po odczekaniu określonego czasu “pozycja” pierwsza jest gaszona, a do układu 7447 trafia informacja o znaku dla drugiej “pozycji”, po czym włączana jest cyfra druga wyświetlacza itd... Po zgaszeniu “pozycji” czwartej wyświetlana jest od nowa “pozycja” pierwsza.

W detonatorze wyświetlanie odbywa się w przerwaniu timera T0. Na początku ustawiamy odpowienie parametry timera i systemu przerwań.


LED_W1   EQU   P3.7
LED_W2   EQU   P3.6
LED_W3   EQU   P3.5
LED_W4   EQU   P3.4
LED_DIGIT1   EQU   38H
LED_DIGIT2   EQU   39H
LED_DIGIT3   EQU   3AH
LED_DIGIT4   EQU   3BH
TMOD_SET   EQU   00000001B

   MOV   TMOD,#TMOD_SET   ; tryb 1 T0 – licznik impulsów
   MOV   TL0,#0      ; wartości początkowe
   MOV   TH0,#0      ; rejstrów licznika

   SETB   EA         ; ogólne zezwolenie na przerwania
   SETB   ET0         ; zezwolenie na przerwanie T0


Obsługa przerwania T0 odbywa się pod adresem 0BH, tam następuje skok do odpowiedniej procedury:

Jak widać, procedura za każdym razem wyświetla kolejną cyfrę – najpierw pierwszą, później drugą, trzecią, czwartą i od nowa. Wartości wyświetlane przechowywane są w komórkach wewnętrznej pamięci RAM, dla ułatwienia nazwanych LED_DIGIT1..LED_DIGIT4.

Na LED wyświetlane są zawsze dwie liczby dwucyfrowe – krok i opóźnienie. Procedura rozbija te liczby na cyfry i ładuje je do komórek LED_DIGIT1..LED_DIGIT4:


LED_PRINT_STEP_AND_DELAY:
   PUSH   ACC
   MOV   A,CURRENT_STEP
   MOV   B,#10
   DIV   AB
   MOV   LED_DIGIT4,A
   MOV   LED_DIGIT3,B
   MOV   A,CURRENT_DELAY
   MOV   B,#10
   DIV   AB
   MOV   LED_DIGIT2,A
   MOV   LED_DIGIT1,B
   POP   ACC
   RET


Włączenie wyświetlania odbywa się przez włączenie timera T0:    SETB   TR0
Wyłączenie wyświetlania odbywa się po zatrzymaniu timera T0:    CLR   TR0

PAMIĘĆ EEPROM

Szeregowa pamięć EEPROM serii 24Cxx (U2), w jaką zostało wyposażone urządzenie, pozwala na zapisanie stukrokowej sekwencji wyjściowej. Oczywiście typ zastosowanej pamięci zwalnia użytkownika z obowiązku bateryjnego podtrzymania jej zawartości.

Pamięć ta podzielona jest przez producenta na “strony”. Program urządzenia wykorzystuje ten podział przechowując w pierwszej (strona 0) czas opóźnienia do następnego kroku, zaś w drugiej (strona 1) stan zacisków wyjściowych. Przechowywana w pamięci wartość opóźnienia podczas odtwarzania sekwencji jest mnożona przez 100msek, zatem użytkownik ustawia opóźnienie w setnych częściach sekundy.

Zarówno zastosowana pamięć, jak i mikrokontroler są ośmiobitowe, dlatego też strona 1 przechowuje każdą sekwencję wyjściową w dwóch bajtach (dwa bajty po 8 bitów każdy). Widać zatem przyczynę podziału logicznego wyjścia na dwie sekcje. Wydawać by się mogło, że jest to wada. Tak jednak nie jest – gdybyśmy chcieli w przyszłości rozbudować urządzenie o dodatkowe wyjścia, wystarczy dodać sekcje reprezentowane przez jedną linię I/O mikrokontrolera każda, nie zaś całe 8 bitów, jak by to było w przypadku pojedynczych wyjść...

Jako zamiennik można zastosować pamięć 24C04, 24C08 czy 24C16, nie mniejsze, ponieważ tylko te pamięci posiadają podział na strony (mają ich dwie lub więcej). Kompletna dokumentacja układów znajduje się z dodatku D.

Program urządzenia zwiera kilka procedur obsługujących szeregową pamięć EEPROM:


; deklaracja stałych i zmiennych
I2C_MEMORY_SDA   EQU   P2.4
I2C_MEMORY_SCL   EQU   P2.3
I2C_MEMORY_ADDR   EQU   31H
I2C_MEMORY_PAGE   EQU   32H
I2C_READ      EQU   33H
I2C_FAIL      EQU   34H
I2C_FAIL_COUNT   EQU   50
I2C_BYTE_COUNT   EQU   35H
I2C_MEMORY_CHIP_ADDR   EQU   0H
I2C_MEMORY_DATA   EQU   36H
I2C_MEMORY_DATA_ADDR   EQU   37H


<p>Odczytuje bajt z aktualnego adresu w pamięci
   I2C_MEMORY_READ_BYTE
   zwraca wartość w:   I2C_MEMORY_DATA

<p>Odczytuje bajt spod wskazanego adresu w pamięci:
   I2C_MEMORY_ADDRESS_READ_BYTE
   należy podać adres w:   I2C_MEMORY_DATA_ADDR
   należy podać stronę w:   I2C_MEMORY_PAGE
   zwraca wartość w:      I2C_MEMORY_DATA

<p>Zapisuje bajt pod wskazany adres:
   I2C_MEMORY_WRITE_BYTE
   należy podać adres w:   I2C_MEMORY_DATA_ADDR
   należy podać stronę w:   I2C_MEMORY_PAGE
   należy podać daną w:   I2C_MEMORY_DATA   

<p>Zapisuje stronę danych:
   I2C_MEMORY_PAGE_WRITE_FIRST
   należy podać adres w:   I2C_MEMORY_DATA_ADDR
   należy podać stronę w:   I2C_MEMORY_PAGE
   należy podać pierwszą daną w:   I2C_MEMORY_DATA   

   zaraz po czym należy wywoływać funkcję:

   I2C_MEMORY_PAGE_WRITE_NEXT
   należy podać następne dane w:   I2C_MEMORY_DATA

   koniec zapisu do pamięci należy zakończyć funkcją:
   I2C_MEMORY_PAGE_WRITE_END


SYGNALIZACJA AKUSTYCZNO-OPTYCZNA

Diody LED w znacznym stopniu ułatwiają programowanie urządzenia odzwierciedlając stan zacisków wyjściowych. Świecenie jednej z ośmiu diód (“1”-”8”) oznacza aktywność odpowiedniego wyjścia sekcji wskazanej przez diody “A” lub “B”. Wyjście jest aktywne, gdy na zapalnik przekazane jest napięcie zdolne odpalić ładunek. UWAGA!

Oczywiście podczas programowania sygnały z “diód” nie są przekazywane do modułu wykonawczego – są jedynie pomocą przy wizualizacji sekwencji wyjściowej. Faktem jest jednak, że diody te bezpośrednio odzwierciedlają stan portu P0, a zatem i magistralę między programatorem a modułem wykonawczym. Przypadkowy impuls ujemny na linii zegarowej jednego z zatrzasków mógłby uaktywnić wyjścia. Dlatego też układ powinien być wyłączony do momenty, gdy w pobliżu ładunków nie będzie znajdować się żadna osoba.

Ostatnim elementem informacyjnym modułu programatora jest buzzer piszczyk. Służy on do akustycznej komunikacji z użytkownikiem oraz sygnalizacji stanu pracy urządzenia.

MODUŁ WYKONAWCZY

Rys.2.1. Schemat ideowy modułu wykonawczego detonatora

Moduł wykonawczy składa się z następujących elementów:

MAGISTRALA DANYCH

Na magistralę składają się:

ZATRZASKI

O tym, kiedy należy daną “zatrzasnąć” mówi programator poprzez dwa bity wskazujące sekcję – każdy bit oznacza jedną sekcję (podłączony jest do jednego zatrzasku). Tak więc uaktywnienie odpowiednich wyjść sprowadzi się do wystawienia danych na magistrali i zatrzaśnięciu ich w odpowiednim zatrzasku.

W rzeczywistości sekwencja nie pojawia się na wszystkich wyjściach jednocześnie, lecz odpowiednio najpierw na sekcji numer 1, później 2. Opóźnienie to ma wartość kilku mikro / milisekund, więc praktycznie jest niezauważalne...

Programator wykonuje więc następujące kroki w celu uaktywnienia odpowiedniej sekwencji wyjściowej w module wykonawczym: wystawia dane dla pierwszej sekcj na magistrali zatrzaskuje dane w pierwszym zatrzasku (U1) ujemnym impulsem na nóżce CLK (11) wystawia dane dla drugiej sekcj na magistrali zatrzaskuje dane w drugim zatrzasku (U2) ujemnym impulsem na nóżce CLD (11)

Obwód RC podłączony do nóżki CLR zatrzasku ma na celu wyzerowanie wszystkich jego wyjść zaraz po włączeniu zasilania. Kondensator C1/C2 podaje krótki impuls ujemny na wejścia CLR, rezystory R17/R18 utrzymują wysoki stan na tych wejściach. Działanie tego obwodu jest krytyczne i zabezpiecza przed przypadkową aktywacją wyjść po włączeniu zasilania!

OPIS KANAŁU MODUŁU WYKONAWCZEGO

Jak widać na schemacie, wyjścia zatrzasków (U1 i U2) podłączone są przez tranzystory sterujące do przekaźników. Każdy zatrzask ma po 8 wyjść. Nazwijmy jedno takie wyjście kanałem. Każdy kanał składa się z przekaźnika kilku diod, rezystorów i tranzystora. Omówmy jego działanie na przykładzie kanału pierwszego.

Tranzystor T1 w takim układzie pełni rolę drivera mocy – aby zbytnio nie obciążać wyjść sterującego nim układu scalonego U1. Kiedy na jego bazie pojawi się stan wysoki, przejdzie w stan nasycenia i załączy przekaźnik. Dioda D1 włączona równolegle do przekaźnika w kierunku zaporowym, ma na celu wytłumienie wszelkich przepięć / impulsów wygenerowanych przez cewkę przekaźnika.

W urządzeniu zastosowany został tani przekaźnik dwupozycyjny na 12V. Do środkowego styku podłączone jest jedno złącze zacisku wyjściowego. Kiedy przekaźnik jest włączany, zwiera styk środkowy do zasilania powodując aktywację zapalnika (żaróweczki), a więc detonację ładunku.

Domyślnie jednak, po włączeniu zasilania, przekaźnik ustawiony jest w pozycji “wyłączony” zwierając do wyjścia zieloną diodę LED D33 i rezystor R35. Dioda ta jest wyprowadzona na zewnątrz obudowy i sygnalizuje podłączenie ładunku wybuchowego do zacisków wyjściowych urządzenia – przewód wraz zapalnikiem stanowią obwód elektryczny (rezystor), który pozwala świecić diodzie. Oczywiście prąd świecenia diody musi być ograniczony rezystorem (R35), aby nie dopuścić do zaświecenia żaróweczki stanowiącej zapalnik - detonacji ładunku.

Stosowana żaróweczka nie może być na zbyt małe napięcie, gdyż prąd płynący przez R35 mógłby być wystarczający do powolnego rozgrzewania zapalnika... Dioda D17 i rezystor R19 włączone równolegle do przekaźnika PK1, sygnalizują optycznie stan pracy zacisku wyjściowego urządzenia i są wyprowadzone na zewnątrz obudowy. Jeśli dioda świeci wyjście jest aktywne, przekaźnik jest włączony – na zapalnik podane jest napięcie.

Równolegle do każdego z zacisków wyjściowych urządzenia podłączony jest kondensator, w celu eliminacji zakłóceń mogących się wyindukować w przewodach połączeniowych między detonatorem a ładunkami. Takie zakłócenia mógłby spowodować na przykład telefon komórkowy...

ZASILANIE AKUMLATOROWE

Ze względu na możliwość zastosowania w ciężkich warunkach, detonator wyposażony został w zasilanie bateryjne, na które składają się dwa akumlatory bezobsługowe, o napięciu 6V i pojemności 1.2Ah każdy. Podłączone są one równolegle do kondensatorów filtrujących, zaraz za mostkiem Gretz'a, w module wykonawczym.

Ładowanie odbywa się automatycznie po podłączeniu zewnętrznego źródła zasilania, którego napięcie powinno wynosić około 14..15V. Przy takim zasilaniu niedopuszczalne jest włączenie układu – uszkodzeniu mogą ulec przekaźniki.

Urządzenie wyposażone zostało w prosty układ sygnalizujący pełne naładowanie akumlatorów. W przypadku gdy akumlatory są rozładowane, naciśnięcie przycisku SW1 nie spowoduje świecenia diody D2.

Potencjometrem R3 ustawić możemy próg zadziałania sygnalizatora. W prototypie ustawiłem ten prog na ok 11.8V, co gwarantowało mi 6 minut nieprzerwanej pracy przy aktywnych wszystkich wyjściach. Stan, w którym napięcie akumlatorów było minimalnie niższe od napięcia progowego rozpoznawałem po krótkim mignięciu diody D2 po wciśnięciu SW1.

INSTRUKCJA OBSŁUGI

Zaraz po włączeniu układ sygnalizuje gotowość do pracy sygnałem dźwiękowym. Pływające punkty świetlne w sekcji podglądu wyjść oznaczają, że użytkownik znajduje się w głównym menu, a układ czeka na wybór funkcji. Może to być: 1.programowanie sekwencji wyjściowej 2.automatyczne odtwarzanie sekwencji wyjściowej 3.pół-automatyczne odtwarzanie sekwencji wyjściowek 4.kasowanie pamięci

Wybór funkcji odbywa się poprzez naciśnięcie przycisku o odpowiednim numerze. Na pulpicie, dla ułatwienia umieszczona została ściąga określająca funkcje poszczególnych klawiszy. I tak jeśli chcemy skasować pamięć, naciskamy guzik 4...

PROGRAMOWANIE SEKWENCJI WYJŚCIOWEJ

AUTOMATYCZNE ODTWARZANIE SEKWENCJI WYJŚCIOWEJ

PÓŁAUTOMATYCZNE ODTWARZANIE SEKWENCJI WYJŚCIOWEJM

KASOWANIE PAMIĘCI

MONTAŻ I URUCHOMIENIE

Wskazówki dotyczące wykonania układu

Układ jest dosyć prosty, dlatego montaż nie powinien sprawić nikomu kłopotu, podam jednak kilka przydatnych wskazówek. Rozpocząć należy od elementów najmniejszych – zworek i rezystorów, skończyć na największych. Mikrostyki należy zamontować wysoko, aby można było później dostosować ich pozycję do otworów w obudowie. Diody sygnalizacyjne z modułem wykonawczym należy połączyć nieco dłuższym przewodem, aby możliwe było późniejsze rozłożenie urządzenia. Tasiemka łącząca programator i moduł wykonawczy również powinna mieć taką długość, alby dawała swobodę ruchów przy manipulacji programatorem. Do podłączania ładunków można użyć kostki telefonicznej. Dużo wygodniejsze byłyby złącza zaciskowe (jak w głośnikach), jednak nie znalazłem wystarczająco małych – nie mieściły się z tyłu obudowy. Wszelkie panele i naklejki wygodnie jest zrobić z kartki zalaminowanej samoprzylepnie. Najpierw wykonuje się otwory w obudowie, później graduje, następnie przykleja się naklejki i dopiero w nich wykonuje otwory skalpelem lub nożem do tapet. Aby w panelu uzyskać prześwit na wyświetlacz, należy w kartce wyciąć prostokątny otwór przed jej zalaminowaniem.

W dodatku A znajdują się widoki płytek drukowanych zarówno programatora, jak i modułu wykonawczego wraz ze schematami rozmieszczenia elementów. Płytki te są również dostępne na płycie CD w formacie Protel PCB.

Wskazówki dotyczące materiałów pirotechnicznych

Urządzenie na zaciskach wyjściowych w momencie aktywacji wystawia napięcie 12V. Pozwala to na zastosowanie zwykłej żarówki jako zapalnika. Najlepsze do tego celu są miniaturowe żaróweczki do podświetlania paneli w radiach samochodowych (zwykle na napięcia 3..12V). Aby spreparować zapalnik należy delikatnie stłuc bańkę żarówki nie naruszając żarnika.

Taki zapalnik jest od razu gotowy do użycia – należy wcisnąć go do ładunku wybuchowego (oczywiście bardzo delikatnie, aby nie naruszyć żarnika). Jeśli stosujemy petardy zakupione w sklepie, zapalnik umieszczamy w miejscu pozostałym po “pierwotnym elemencie zapłonowym” (najczęściej uprzednio usuniętym loncie czy drasce). Zwrócić uwagę należy na budowę “standardowych” petard, które to składają się z ładunku inicjującego (najczęściej prochu) oraz właściwego ładunku wybychowego. Taka konstrucja wprowadza nieprzewidywalne opóźnienie detonacji w granicach ok 2..5 sekund. Fakt ten należy wziąć pod uwagę opracowując sekwencje wybuchów.

Jeśli używamy ładunków własnej konstrukcji pamiętać należy, że im bardziej wytrzymała i szczelna obudowa, tym lepszy efekt pirotechniczny. Najlepiej gdy używamy ładunków złożonych z jednej substancji, o niskiej temperaturze zapłonu (wystarczająco niskiej na odpalenie żażącym włóknem żarówki, lecz nie nazbyt niskiej ze względów bezpieczeństwa).

Jeśli potrzbujemy odpalić ładunek posiadający lont, możemy to zrobić w następujący sposób:

UWAGA! FABRYCZNE ZAPALNIKI!