Сдвиговый регистр 74HC165 для автоматизации дачной бочки (питьевая вода)

Я уже написал немало обзоров о применении разных штук для комфортного проживания на даче. В этот раз решил поделится своими соображениями на тему удобного использования привозной воды на даче. Вначале хотел назвать обзор «умной бочкой», но засилие всего умного (а иногда под этим термином скрываются и не очень умные, да и не всегда полезные вещи) — остановило. Данная микросхема позволяет размножить входы контроллера для получения большего количества данных. Под катом краткий обзор микросхемы и изготовление дачной бочки с выходом в интернет, ардуинство + программная часть…

Я уже описывал применение сдвигового регистра 74HC595 для полива огорода. Та микросхема позволяла увеличить количество выходов микроконтроллера. Микросхема 74HC165 позволяет увеличить количество цифровых входов микроконтроллера, иногда их не хватает для решения каких то задач.

Посылка дошла за 2 недели, был период Чемпионата Европы по футболу — почтовые футболисты видимо были заняты просмотром и ничего не повредили.

Фото предмета обзора:


Сразу дам ссылку на датшит — где все подробно про нее написано.

Микросхема 74HC165 — сдвиговый регистр, преобразующий параллельный входной сигнал в последовательный выходной. Из трёх пинов микроконтроллера (в том числе ардуино) можно получить 8 цифровых входов. Из регистров 74HC165 можно делать каскады, подключая один за другим, и таким образом из всё тех же 3 входящих линий получать 16, 24, 32 и т.д. цифровых входов.

Данная микросхема выпускается в корпусах SOIC, SSOP, PDIP, SO, CDIP, CFP, TSSOP — для всех характерно следующее обозначение выводов:

D0-D7— входы, состояние которых считывается в регистр
Q7— последовательный вывод
Q7— инверсный вывод, на нём идут биты с Q7, но инвертированные
DS— последовательный ввод; к нему можно подсоединить вывод Q7 второго регистра, получив каскадное подключение
Vcc — питание
GND — земля
PL — защёлка
CP — тактовый вход
CE — когда на нём 1 — тактирование выключено

Чтобы понять работу микросхемы, удобно представить ее в следующем виде:

Чип преобразовывает входящий параллельный сигнал на 8 пинах (Dx) в выходной последовательный сигнал на 1 пине (Q7). Передача синхронна: для такта используется дополнительный пин (CP). Также отдельным пином управляется регистр данных (PL), что позволяет «загружать» параллельный сигнал для последовательного считывания с 8 выходов единовременно.

74HC165 и 74HC595 при использовании вместе могут использовать общий пин синхронизации. В итоге при подключении к м/к в сумме используют 5 выводов.

Типовое использование данной микросхемы с Arduino требует SPI и выглядит следующим образом:

Код примера:

#include <SPI.h>

const byte LATCH = 9;

void setup ()
{
  SPI.begin ();
  Serial.begin (115200);
  Serial.println ("Begin switch test.");
  pinMode (LATCH, OUTPUT);
  digitalWrite (LATCH, HIGH);
}  // end of setup

byte optionSwitch;
byte oldOptionSwitch; // previous state

void loop ()
{
  digitalWrite (LATCH, LOW);    // pulse the parallel load latch
  digitalWrite (LATCH, HIGH);
  optionSwitch = SPI.transfer (0);
  
  byte mask = 1;
  for (int i = 1; i <= 8; i++)
    {
    if ((optionSwitch & mask) != (oldOptionSwitch & mask))
      {
      Serial.print ("Switch ");
      Serial.print (i);
      Serial.print (" now ");
      Serial.println ((optionSwitch & mask) ? "closed" : "open");
      }  // end of bit has changed
    mask <<= 1;  
    }  // end of for each bit
  
  oldOptionSwitch = optionSwitch;
  delay (10);   // debounce
}  // end of loop

Если по каким-то причинам занимать SPI не желательно, то можно использовать библиотеку bitBangedSPI. Код будет выглядеть следующим образом:

#include <bitBangedSPI.h>

bitBangedSPI bbSPI (bitBangedSPI::NO_PIN, 6, 7);  // MOSI, MISO, SCK

const byte LATCH = 8;

void setup ()
{
  bbSPI.begin ();
  Serial.begin (115200);
  Serial.println ("Begin switch test.");
  pinMode (LATCH, OUTPUT);
  digitalWrite (LATCH, HIGH);
}  // end of setup

byte optionSwitch;
byte oldOptionSwitch; // previous state

void loop ()
{
  digitalWrite (LATCH, LOW);    // pulse the parallel load latch
  digitalWrite (LATCH, HIGH);
  optionSwitch = bbSPI.transfer (0);
  
  byte mask = 1;
  for (int i = 1; i <= 8; i++)
    {
    if ((optionSwitch & mask) != (oldOptionSwitch & mask))
      {
      Serial.print ("Switch ");
      Serial.print (i);
      Serial.print (" now ");
      Serial.println ((optionSwitch & mask) ? "closed" : "open");
      }  // end of bit has changed
    mask <<= 1;  
    }  // end of for each bit
  
  oldOptionSwitch = optionSwitch;
  delay (10);   // debounce
}  // end of loop

Аппаратный SPI позволяет увеличить скорость работы с микросхемой, но не всегда это необходимо.

Теперь о применении. Я уже писал в своих обзорах про дачную автоматику, как у меня организована система подачи воды. Источниками выступают дачный водопровод и скважина. Автоматика по приоритету переключает источники, подробнее тут. Развитие тут. Работает все замечательно… НО из крана бежит не питьевая вода… Дачный водопровод использует воду из реки, а вода из скважины содержит немало железа, которое, конечно, фильтруется но не полностью. Сложные системы фильтрации воды для дачи не подходят, поэтому для пищевых целей пользуемся водой, привозимой из города в канистрах. Такие канистры стояли на веранде, при необходимости вода переливалась в меньшие емкости и использовалась по своему назначению. Наливать из канистры (30 литров) не сильно удобно, плюс мешающие канистры на веранде — все это дало повод прибегнуть к паяльнику и программированию. Предмет обзора также составляет немаловажную часть проекта.

Основные требования:
— легкое получение воды (кран);
— отсутствие емкостей на веранде (нужно использовать внешнюю емкость — бочку)
— легкий набор воды в емкость
— автоматический мониторинг количества запасов воды (лучше с телефона)

Принято решение за зоной мойки закрепить к стене бочку емкостью 120 литров — для питьевых целей, это довольно большой объем… Ну и нарукожопить какую то автоматику. Схема планируемого решения:

Немного пояснений:
— красными, синими и зелеными стрелочками показано движение воды. При этом: красные — забор воды в емкость из внешней канистры, синим выдача воды из бочки в кран, зеленым — общий путь воды.
— черными стрелочками показаны электрические связи
— кнопка переключает режим работы бочки: выдача или прием воды
— плата управления всем управляет
— бочка имеет 4 датчика: 3 датчика уровня — Д1-Д3 (на герконах) и один датчик температуры — ДТ (на ds18b20)
— кран 1 и кран 2 — управляемые шаровые краны (у меня завалялась парочка с обратной связью — поэтому от них идут стрелочки на плату управления)
— насос 1 и насос 2 — соответственно пищевые насосы, мощности имеющихся пищевых насосов мне не хватило, поэтому решил использовать два, работающих параллельно
— счетчик — будет считать количество проходящей через него воды, а учитывая известное направление — можно понять сколько налилось в бочку и сколько вылилось, нужно для замены фильтров и общих знаний о бочке
— реле — реле давления — даст сигнал о необходимости включить или выключить насос
— фильтр — обычный фильтр из 3-х колб (я использовал «гейзер») для шланга 1/4"
— под коммутатором понимается Ethernet switch 100 Mb ps — служит для взаимодействия бочки с внешним миром

При включении штатно работает синяя ветка воды. Бочка отдает воду, включая насосы при срабатывании реле, перед краном вода фильтруется. При нажатии кнопки — шаровые краны переводят поток воды на красную ветку и бочка начинает забор воды из внешнего источника, при достижении верхнего геркона забор воды прекращается.

Зная требуемую логику, нетрудно разработать плату управления. Так как исходных данных планируется много, то потребуется предмет обзора — микросхема 74HC165.

Разрабатываем плату в Sprint layout:

Из-за наличия dip-версий микросхем решил использовать именно их, так как место в данном проекте не критично. Плата получилась 7 на 10 см. Использованы следующие микросхемы: ATmega 328, 74HC165, L293D, импульсный dc-dc преобразователь cn1584 и линейный стабилизатор ams1117-3.3. Основным мозгом устройства выступает ATmega, 74HC165 — позволяет получить нужное количество входов, а драйвер двигателей L293D — обеспечивает управление шаровыми кранами. Для включения и выключения насосов используется ключ на полевом n-канальном транзисторе, выпаянном с материнской платы (70T03GH). Резисторы и керамические конденсаторы я решил использовать в версии для поверхностного монтажа.

Процесс изготовления:

Печатаем заготовку для термотрансфера на желтой китайской бумаге.

Переносим утюгом на фольгированный текстолит

После травления

После лужения сплавом Розе

После пайки элементов поверхностного монтажа в держателе отсюда

После пайки перемычек

После пайки всех элементов, кроме сетевого модуля. Я решил использовать гнезда для микросхем, мало ли чего… а так заменить можно быстро

Обратная сторона

Первое включение

Программные тесты

Отладка. Для удобства в места включения нагрузки подключил светодиоды с токоограничительными резисторами, а к кнопке припаял проводки, для тестов подключал ее на все входы:

Конструкцию решил собрать металлическом ящике и повесить над бочкой:

Плату закрепил на дин-рейке используя «изолятор» от фирмы IEK за 12 руб в Леруа Мерлен. Я в курсе, что есть более цивилизованные решения, но там либо дорого, либо долго, либо непонятно, как покупать — например так как в этом обзоре. Меня устроило такое крепление.

Закрепил щиток и провел в него коммуникации:

В процессе прокладки проводов увидел новых нежданных соседей, которых пришлось депортировать:


Готовим главный аксессуар всей поделки:

На фото видно 3 трубки: одна для забора воды, вторая для отдачи и третья для компенсации давления с окружающей средой.

Собираем водные принадлежности:

На фото счетчик потока воды, управляемый шаровый кран и реле давления.

Шаровый кран, в отличии от крана из этого моего обзора, подключается 5-ю проводами:
синий и желтый — как и в том обзоре крана, обеспечивают смену положения крана, направление вращения определяется, как и ранее, полярностью подаваемого напряжения (12V)
зеленый и красный провода обеспечивают распознавание достижения краном одного из крайних положений, при достижении одного положения зеленый замыкается с черным, при достижении другого: красный с черным. Это позволяет не ждать таймаута на поворот крана а сразу после достижения одного из положений распознать это. Эти краны ждали своего звездного часа более года — для полива они мне не понравились существенным заужением проходного отверстия, но в данном случае отлично подходят.


Оптимально подходящим в данном случае средством для герметичного монтажа резьбовых соединений мне показался анаэробный сантехмастергель из этого моего обзора, забегая наперед скажу, что он оправдал все мои ожидания. Напомню, что гель выпускается в 3-х версиях (по мере убывания крепости и диаметра резьбы): красной синей и зеленой. Так как давления и резьбы небольшие я использовал зеленую версию, слегка сделав колечко из геля вокруг резьбы:

Остатки выдавленного геля убрал тряпкой. Так как работы было достаточно разной, то подал воду где-то спустя пару часов — проблем не было.

Пищевые насосы подключаются шлангом 9 мм:

Как я уже писал, производительность такого насоса невысока (1,5 литра в минуту), поэтому я объединил их 2 параллельно:


Чтобы спокойно осуществлять монтаж конструкции на кирпичной стене — прикрепил обрезок ДСП под металлический ящик, на ДСП все и смонтировал:


Делаем кнопку для переключения между режимами выдачи и приема воды:


Кнопку расположил повыше, чтобы дети не баловались. Для изоляции соединений проводов и герметизации этих соединений использовал толстую термоусадку с клеем (усаживается в 3 раза — что очень удобно), брал тут .

Удлиняем и заводим проводки в ящик (проводов не мало):

Подключаем проводки к плате (пока не закреплено — режим отладки):

Подключаем систему шлангов к бочке:

Устанавливаем маленький кран на раковину веранды:

Под раковину выводим шланг для забора воды:

Для утяжеления на конец шланга надел латунный переходник на 1/2".
Собираем и подключаем фильтры:


Ну и запускаем систему… Далее в сопровождении нецензурных выражений вносим мелкие правки в программу и в соединения… я этот этап опущу…

Кому интересно, или может кто то захочет повторить, вот код полученного решения (осторожно он совсем сырой и корявый). Кратко по коду. Для считывания данных счетчика воды используются прерывания по сигналу на входе D2. Раз в секунду содержимое счетчика прерываний обнуляется, суммируясь с общей цифрой. Для сенсоров сформировал массив структур (9 элементов): 8 от 74HC165 и один дополнительный пин контроллера. Для всех сенсоров предусмотрена защита от дребезга. Обработка шаровых кранов осуществляется параллельно, кроме случая с датчиками крайних положений. Данные о температуре воды в бочке снимаются раз в 10 минут. Предусмотрена защита, если насосы работают более 30 минут — они отключаются и система переходит в аварийный режим.

Если зайти браузером по ip-адресу бочки, то можно видеть следующую картину:

Количество воды в данный момент ниже самого нижнего датчика, температура воды 13 градусов, шаровые краны в положении выдачи воды из бочки, насос выключен, ручной режим выключен, бочка отдала 682 миллилитра и не получила нисколько.

Для сервера бочка отдает свое состояние (то же что и ранее) в следующем виде:


Бытовое использование бочки. Приносим канистру, опускаем в нее шланг из под раковины, нажимаем кнопку — бочка заберет из канистры воду. Если в процессе набора воды бочка переполнится, то насосы будут отключены и бочка перейдет в режим выдачи воды. Убираем пустую канистру в сарай. Нажимаем еще раз кнопку — бочка переходит в режим выдачи воды. Открываем кран, срабатывает реле давления и включаются насосы — из крана бежит чистая вода после фильтров. Закрываем кран, срабатывает реле — насосы выключаются. С телефона или любого другого устройства можно посмотреть текущую наполненность бочки, количество принятой и отданной воды, температуру воды. Помимо этого есть возможность перевести бочку в ручной режим и управлять ей, например с телефона.

В целом программа работает корректно.

На этом заканчиваю свой обзор про построение «умной» дачной бочки. Дачная автоматика у меня постоянно развивается, но не все процессы, по моему мнению, интересны читателям. О каких-то процессах обязательно расскажу еще, если, конечно, будет интересно. Спасибо всем, кто дочитал до конца! Надеюсь, что кому-то приведенная информация окажется полезной.