Özet:
Bu bildiride, bir otomatik kapı modelinin uzaktan kontrolu bir RF (Radyo Freakansı) modülü ve bir mikrodenetleyici kullanılarak gerçekleştirilmiştir. Tasarlanan sistem kapı modeli, kapı kontrol devresi, RF alıcı-verici modülü, IR (Infra-red) alıcı-verici devresi ve mikrodenetleyicili kumanda devrelerinden oluşmaktadır. Kapı modeli bir CDROM sürücüsünün kapağı ve motoru kullanılarak gerçekleştirilmiştir. Kapı kontrol devresi röleler ve sınır anahtarlar yardımıyla gerçekleştirilmiştir. RF modülü ile uzaktan kumanda işlemi yapılmakta olup, aynı zamanda kapının açılıp kapatılabilmesi için iki tane buton kullanılmıştır. IR alıcı-verici devresi ile kapı kapanırken kapı aralığından geçen bir cisim olup olmadığı tespit edilmektedir. Mikrodenetleyicili kumanda devresi PIC16F84 kullanılarak elde edilmiştir. Kapı modeli hem mikrodenetleyicili kumanda devresi hem de 24V DC gerilim girişli-röle çıkışlı herhangi bir PLC ile çalışabilecek şekilde gerçekleştirilmiştir. Sonuç olarak düşük maliyetli mikrodenetleyici kontrollu bir sistem tasarlanmış ve hem uygulamaya dönük hem de eğitim amaçlı uzaktan kontrollu bir otomatik kapı kontrolu gerçekleştirilmiştir.
1. GİRİŞ
Elektronik endüstrisi, geliştirdiği yeni teknolojileri ucuza üretebilme ve bu teknolojiler için yeni pazar oluşturabilme yeteneğine sahiptir. Yıllardan beri üretim teknolojileri alanında yapılan çalışmalar sonunda, elektronik devre elemanlarının ucuza üretilmesi, kuramsal olarak gelişimini tamamlamış, maliyet engeline takılan birçok sistemin dünya pazarına girmesine olanak sağlamıştır [1]. Son zamanlarda bu gelişmelerden payını almış en şanslı sistem, ev otomasyonudur. Otomasyon sistemi, insanlara çok büyük kolaylıklar ve zamandan tasarruf sağlar. Otomasyon, bir sistemin belirli bir senaryoya göre, herhangi bir operatöre gerek duyulmaksızın yönetilmesidir. Senaryoların akışı, algılayıcılarla algılanan olaylara ve zamana göre belirlenir. Endüstride, otomasyon sistemleri yüzyılı aşkın bir süredir kullanılmaktadır. Bu sistemlerin evlerde kullanımı ancak üretim teknolojisindeki gelişmelerle gerçekleşebilmiştir. Bu bildiride ev otomasyonun ilk meyveleri olan RF'li (Radyo Frekansı) uzaktan kumanda ile bir otomatik kapı modelinin kontrolü gerçeşleştirilmiştir. Şekil 1'de sistemin basit bir şeması görülmektedir. Bu sistemi kontrol etmek için PIC 16F84 mikrodenetleyicisi kullanılmıştır. Algılayıcılar tarafından alınan bilgiler ve mikrodenetleyiciye yazılan programa göre kapı kumanda edilmektedir. Böylelikle kullanıcıya kolaylık ve emniyetli geçiş imkanı sağlanmaktadır. Kapı modeli mikrodenetleyici ve PLC (Programmable Logic Controller) ile çalıştırılabilecek şekilde tasarlanmıştır. Tasarlanan sistem; kapı modeli, kapı kontrol devresi, RF alıcı-verici modülü, IR (Infra-red) alıcı-verici devresi ve mikrodenetleyicili kumanda devrelerinden oluşmaktadır [2]. Bildirinin ilerki kısımlarında bu devreler sırasıyla incelenmektedir.
Şekil 1. Tasarlanan sistemin basit şeması.
2. KAPI MODELİ
Kumanda edilecek otomatik kapıyı temsil etmek üzere bir CDROM sürücüsünün kapağı kullanılmış, sürücünün motoru ve sınır anahtarı da modelde yer almıştır. İlave olarak ikinci bir sınır anahtarı, IR alıcıverici, kapı modeline eklenmiştir. Kapı modeli uzaktan RF modülü ile çalıştırılabildiği gibi bir kumanda odasında bulunduğu varsayılan açma ve kapama işlemi için kullanılan iki tane butonla da çalıştırılabilmektedir. Otomatik kapı modeli Şekil 2'de görülmektedir. Şekil 2'de görülen kapı modeli istenilen şartları yerine getirmesi için şu özelliklere sahiptir. Kapının açık veya kapalı olduğunu anlamak için SA1 ve SA2 sınır anahtarları şekildeki gibi yerleştirilmiştir. Kapı boşluğunda bir engel olup olmadığını tespit etmek için IR alıcı-verici, otomatik kapıyı uzaktan kumanda için RF uzaktan kumanda modülü kullanılmıştır. Kapıyı bir kumanda odasından kumanda etmek için de aç ve kapat butonları bulunmaktadır. Şekil 2'de görülen kapının çalışma şartları şunlardır:
1. Kapı kapalıyken RF verici butonuna ya da kumanda odasındaki aç butonuna basılırsa kapı açılmaya başlayacaktır. Kapının açıldığı SA1 sınır anahtarı ile belirlenerek kapı duracaktır. Kapı açılırken RF butonuna ya da aç butonuna bir kez daha basılırsa kapı bulunduğu konumda duracaktır.
2. Kapı açıkken RF verici butonuna ya da kumanda odasındaki kapat butonuna basılırsa kapı kapanmaya başlayacak. Kapının kapandığı SA2 sınır anahtarı ile belirlenerek kapı duracaktır. Kapı kapanırken RF butonuna ya da aç butonuna bir kez daha basılırsa kapı bulunduğu konumda duracaktır. Kapı kapanırken IR alıcı-verici kapı boşluğunda bir engel tespit ederse kapı açılıp, 2 sn açık bekleyecek ve tekrar kapanmaya başlayacaktır.
3. Kapı modeli eğitim amaçlı olarak kullanılmak üzere hem mikrodenetleyicili kumanda devresi hem de 24V DC gerilim girişli-röle çıkışlı herhangi bir PLC ile çalışabilecek şekilde modüler olarak tasarlanacaktır.
Şekil 2. Otomatik kapı modeli.
3.KAPI KONTROL DEVRESİ
Kapı modelini kontrol etmek için Şekil 3'te görülen devre tasarlanmıştır. CDROM kapağındaki DC motor kapı modelini kontrol etmek için kullanılmıştır. Röle 1 ve Röle 2 kapıya yerleştirilmiş olan SA1 ve SA2 sınır anahtarları ile kontrol edilmektedir. Röle 3 ve Röle 4 ise mikrodenetleyici ile motorun yönünü değiştirmek için (motorun armatür gerilimlerini ters çevirmek için) kullanılmıştır. Röle 3 ve Röle 4'ün gerilimleri mikrodenetleyiciden gönderilen kumanda sinyalleri ve sırasıyla Röle 1 ve Röle 2'nin kontaklarıyla kontrol edilmektedir.
Şekil 3. Kapı kontrol devresi.
4. RF ALICI-VERİCİ MODÜLÜ
Uzaktan kumanda sistemleri infrared, ultrasonik RF(Radyo Freakansı), v.b. gibi çok çeşitli yöntemler ile gerçekleştirilmektedir. RF yöntemi hariç diğer yöntemlerde kumanda sistemleri çok yakın mesafede ve birbirlerini doğrudan gören verici ve alıcı ile gerçekleştirilmekte olup, verici ve alıcı arasına girebilecek bir engel etkileşimi engellemektedir. Halbuki radyo frekansı kullanılarak yapılan uzaktan kumanda uygulamalarında böyle bir problem söz konusu değildir. Etkileşim mesafesi ise kullanılan RF vericisinin çıkış gücü ile doğru orantılı olarak arttırılabilmektedir. Şekil 4'de görüldüğü gibi RF uzaktan kumanda modülü alıcı ve verici kısımlarından oluşur. Vericide kod sinyali üretici ve modülatör, alıcıda ise kod çözücü ve demodülatör bulunmaktadır.
Şekil 4. RF alıcı-verici devresinin mikrodenetleyiciye bağlantısı.
4.1. KOD SİNYALİ ÜRETİCİ (MC 145026)
Bu kısımda yer alan MC145026 entegresi Motorola firmasının ürettiği özel kodlayıcı bir entegredir. Dokuzlu dip switch gurubu ile belirlenen 9 bitlik sayısal bilgi ile yine bu entegrenin ürettiği özel bir frekanstaki sinyal, pals modulasyonu işlemi ile modüle edilerek, 9 bitlik sayısal kelime ile kodlanmış sinyal elde edilir. Bu sinyal modülator katının girişine uygulanır.
4.2. KOD ÇÖZÜCÜ (MC 145028)
RF ile gelen kod MC145028 entegresinin girişine uygulanır. Gelen kod sinyali bu entegrede belirlenmiş kod ile karşılaştırılır. Kod çözücü entegrenin kodu yine 9'lu bir dip switch gurubuyla belirlenmiştir. Kod çözücü ve kod üreticinin kod girişleri 9 adet olup bunlardan 5'i (A.....E) trinary (3 konumlu) son 4'ü binary (iki konumlu) kod girişleridir. MC145028'de belirlenmiş kod ile verici kod sinyalinin eşitlik sağlaması halinde entegrenin "11" nolu çıkışına bir pals gönderilmesine sebep olunur. Bu çıkış transistörle güçlendirilerek röleyi çalıştırır. Devrenin bu hali ile 3888 değişik kod üretilmektedir. Trinary (üç konumlu) girişlerin anlamları şöyledir:
1. Girişin toprağa bağlanması: Lojik "0" 2. Girişin +V'ye bağlanması: Lojik "1" 3. Girişin boşta kalması: Z(Yüksek Empedans)
Kod üretici ve kod çözücünün devresi Şekil 3'te görülmektedir.
Şekil 5. Kod üretici ve kod çözücü.
5. IR ALICI-VERİCİ DEVRESİ
Bu çalışmada kapı açıkken kapının aralığında herhangi bir nesne olup olmadığını anlamak için karşıdan ışık görmeli kızılötesi bir algılayıcı kullanılmıştır. Eğer herhangi bir cisim varsa mikrodenetleyici devre çıkışındaki rölenin enerjisini keser. IR verici-alıcı devresi Şekil 6'da görülmektedir.
5.1. IR VERİCİ BÖLÜMÜ
Şekil 6'da görülen NE 555 entegresi 18 kHz de astable multivibratör olarak çalışmaktadır. NE 555'in çıkışı, infrared led'i süren transistöre gider. Devre iki kısımdan meydana geldiğinden dolayı bu iki devreyi birbirinden yalıtmak için D1 diyotu ve 220uF'lık kondansatör mutlaka kullanılmalıdır. Çünkü 18 kHz'de çalışan NE 555 besleme hattına harmonikler oluşturur. Bu harmonikler NE 567 devresine sıçrayacağından entegreye sinyal gelmemesine rağmen yanıltıp sürekli çalışmasını sağlar.
5.2. IR ALICI BÖLÜMÜ
Şekil 6'daki fototransistörün çıkışı bir kuvvetlendirici NPN transistörle NE 567 PLL (Phase Locked Loop) entegresinin sinyal girişine bağlanır. NE 567 entegresinin sinyal girişindeki frekans, entegerede programlanan frekansla aynı frekansta ise NE 567'nin 8. bacağı toprak seviyesinde olur ve L3 ledi yanar. Programlama frekansı entegrenin 5. ve 6. bacağına bağlı R-C (5 Kohm potansiyometre, 47 K direnç ve 1 nF kondansatör) elemanlarının değerleriyle ayarlanır (fo=1/[1,1x(R1+R2)xC]). Devre bir bant geçiren filtre gibi davranır. 8 nolu bacağın çıkışı diğer transistörler ile röleyi çalıştırır.
6. MİKRODENETLEYİCİLİ KUMANDA DEVRESİ
Bu çalışmada kapı modelinin kumandasını gerçekleştirmek için PIC16F84 mikrodenetleyicisi [3] kullanılmıştır. Kumanda devresini incelemeden önce kısaca PIC16F84 mikrodenetleyicisini inceleyelim:
PIC Serisi mikrodenetleyiciler MICROCHIP firması (www.microchip.com) tarafından geliştirilmiş ve üretim amacı çok fonksiyonlu lojik uygulamaların hızlı ve ucuz bir mikrodenetleyici ile yazılım yoluyla karşılanmasıdır [4]. PIC16F84 düşük maliyetli, yüksek performanslı, CMOS, full-statik, 8 bitlik mikrodenetleyicidir.
Tüm PIC 16/17 mikrodenetleyiciler RISC (Reduced Instruction Set Controller) mimarisini kullanmaktadır. PIC16FXX mikrodenetleyicileri birçok önemli özelliklere sahiptir. 8 seviyeli, derin küme ve çoklu iç ve dış kesme kaynaklarına sahiptir. Harward Mimarisinin ayrı komut ve veri taşıyıcısıyla ayrı 8 bitlik veri taşıyıcılı, 14 bitlik komut kelimesine imkan vermektedir. 2 aşamalı komut hattı tüm komutların tek bir saykıl'la (çevrimle) işlenmesini sağlamaktadır. Yalnızca bazı özel komutlar 2 saykılda gerçekleşirler. Bu komutlar dallanma komutlarıdır. PIC16FXX mikrodenetleyicileri tipik olarak 2:1 oranında kod sıkıştırmasına erişmektedir ve sınıflarındaki 8 bit mikrodenetleyicilerden 2:1 oranında hız arttırılmasına olanak sağlanmaktadır. PIC16F84 36 bayt RAM belleğe, 64 bayt EEPROM belleğe ve 13 I/O pin'ine sahiptir. Bunun yanısıra, PIC16F84'ün iç yapısında timer ve sayaç ta mevcuttur. PIC16FXX ailesi dış elemanları azaltacak spesifik özelliklere sahiptir ve böylece maliyet minimuma inmekte, sistemin güvenirliği artmakta, enerji sarfiyatı azalmaktadır. Bunun yanısıra tüm PIC'lerde 4 adet osilatör seçeneği mevcuttur. Bunlardan tek pinli RC osilatör, düşük maliyetli çözüm sağlamakta (4 MHz), LP osilatör (Kristal veya seramik rezonatör), enerji sarfiyatını minimize etmekte (asgari akım) (40 KHZ), XT kristal veya seramik rezonatör osilatörü standart hızlı ve HS kristal veya seramik rezonatörlü osilatör çok yüksek hıza sahiptir (20 MHz).
Şekil 6. IR verici ve alıcı.
PIC mikro denetleyicilerin en büyük özelliği sleep (uyku) modu özelliğidir. Bu mod ile PIC işlem yapılmadığı durumlarda uyuma moduna geçerek çok düşük akım çeker (5mA). Kullanıcı bir kaç iç ve dış kesmeyle PIC'i uyuma modundan çıkarabilmektedir. Yüksek güvenilirlikli Watchdog Timer kendi bünyesindeki chip içi RC osilatörü ile yazılımı kilitlenmeye karşı korumaktadır.
PIC16F84 Flash EEPROM program belleği sayesinde uygulama devresinden çıkarılmadan yeniden programlanabilir ve kodu güncelleştirmeye izin verir.
PIC'ler özellikle de PIC16F84 yüksek hızlı otomobillerden, motor kontrolü uygulamaları, düşük enerji sarfiyatlı uzaktan çalışan sensörler, elektronik kilitler, güvenlik aygıtları ve akıllı kartlara kadar bir çok uygulamalarda kullanılmaktadır. EEPROM teknolojisi uygulama programlarının (Transmitter kodları, motor hızları, alıcı frekansları, güvenlik kodları vb.) uygulanmasını son derece hızlı ve uygun hale getirmektedir. Küçük boyutlarıyla bu mikrodenetleyiciler alan sınırlaması bulunan uygulamalara çok uygundur. Düşük maliyet, düşük enerji sarfiyatı, yüksek performans, kullanım kolaylığı ve I/O esnekliği özellikle de PIC 16F84 mikrodenetleyicisinin daha önce kullanılması hiç düşünülmeyen alanlarda bile kullanılmasına imkan sağlamaktadır.
ICSP (In Circuit Serial Programming) devre içi seri programlama özelliği (iki pinin üzerinden) PIC mikrodenetleyicilere büyük esneklik vermektedir. PIC16F84 mikrodenetleyicisi ile ilgili özellikleri aşağıda görüldüğü gibi özetleyebiliriz:
• Sadece 35 komut ile programlama
• Çalışma hızı DC-10 MHz
• 8 bitlik veriyolu
• 36x8 genel amaçlı register (SRAM)
• 1Kx14 EEPROM Program Hafızası
• 64 Byte EEPROM Data Hafızası
• Direkt/Dolaylı Adresleyebilme
• 4 adet Kesme Fonksiyonu. (PB0, TMR0, RB Change, EEPROM Write)
• 13 adet giriş/çıkış noktası
• 1000'den fazla yazma silme (program hafızası)
• Kolay ve ucuz programlayabilme
• 40 yıldan fazla EEPROM'da veri tutma süresi
• Her bir pinden 25 mA e kadar akım verebilme
• 8 bit programlanabilir Timer
• Ucuz fiyat (2~3$)
Bu çalışmada tasarlanan PIC16F84 mikrodenetleyicili kumanda devresinin donanımı Şekil 7'de görülmektedir. Daha önce incelenmiş olan devrelerle PIC 16F84'ün irtibatını sağlamak için PORTB kullanılmıştır. PortB'nin 8 adet giriş/çıkış ucu vardır. Bunlardan 2 tanesi çıkış (RB6 ve RB7) diğer 6 tanesi ise giriş (RB0-RB5) olarak kullanılmıştır. Bu giriş/çıkışların diğer devrelere bağlantısı aşağıda gösterildiği gibidir:
Çıkış noktaları: Portb.7: kapıyı açmak için gönderilen bilgi (AÇ) Portb.6:kapıyı kapatmak gönderilen bilgi (KAPA)
Giriş noktaları:
Portb.5 : "Kapı açık", sınır anahtarı bilgisi
(SA1)
Portb.4: "Kapı kapalı", sınır anahtarı bilgisi
(SA2)
Portb.3: "Kapıyı aç" buton bilgisi (aç butonu)
Portb.2: "Kapıyı kapat" buton bilgisi (kapat
butonu)
Portb.1: IR sensör bilgisi (IR)
Portb.0: RF (Radyo Frekansı) uzaktan
kumanda bilgisi
Şekil 7. Kapı modelini kontrol etmek için tasarlanan PIC16F84'lü kumanda devresinin donanımı.
Sistemin Çalışması:
Kapı modeli uzaktan kumanda veya kumanda odasında bulunan butonlar ile kumada edilir. RF uzaktan kumanda veya kapı açma butonuna basıldığında kapı açılmaya başlar. RF uzaktan kumanda veya kapı açma butonuna tekrar basıldığında kapı bulunduğu konumda durur. Bu durumda kapının tekrar açılmaya devam etmesini istersek RF uzaktan kumanda veya kapı açma butonuna tekrar basmak gerekecektir. Kapının açılması işlemi SA1 sınır anahtarı kapanana kadar devam eder. Böylelikle kapı açılmış olur. Kapıyı kapatmak için RF uzaktan kumanda veya kapı kapatma butonuna basıldığında kapı kapanmaya başlar. Kapı kapanmaya başladıktan sonra RF uzaktan kumanda veya kapı kapatma butonuna tekrar basılırsa kapı bulunduğu konumda durur. Bu şekilde duran kapıyı tekrar kapanma işlemine devam ettirmek için RF uzaktan kumanda veya kapı kapatma butonuna bir kez daha basmak gerekir. Kapının kapanması sırasında herhangi bir cisim kapı aralığından geçerse kapı otomatik durur ve açılmaya başlar. Kapı tamamen açıldıktan iki saniye sonra tekrar kapanmaya başlar. Eğer cisim ortadan kalkarsa kapı kapanır. Sistem yazılımı yukarıdaki şartlara göre yazılmış ve PIC16F84 mikrodenetleyicisine yüklenerek sistem başarılı bir biçimde çalıştırılmıştır.
7. SONUÇ
Bu çalışmada, bir otomatik kapı modelinin uzaktan kontrolü bir RF (Radyo Freakansı) modülü ve bir mikrodenetleyici kullanılarak gerçekleştirilmiştir. Tasarlanan sistem; kapı modeli, kapı kontrol devresi, RF alıcı-verici modülü, IR (Infra-red) alıcı-verici devresi ve mikrodenetleyicili kumanda devrelerinden oluşmaktadır. Kapı modeli hem mikrodenetleyicili kumanda devresi hem de 24V DC gerilim girişli-röle çıkışlı herhangi bir PLC ile çalışabilecek şekilde gerçekleştirilmiştir. Böylelikle düşük maliyetli mikrodenetleyici kontrollu bir sistem tasarlanmış ve hem uygulamaya dönük hem de eğitim amaçlı uzaktan kontrollu bir otomatik kapı kontrolu gerçekleştirilmiştir. Sonuç olarak, gerçekleştirilen kumanda sistemi geliştirilerek hem gerçek kapı kontrolunda ve hem de eğitim amaçlı olarak kullanılabilir.
KAYNAKLAR
[1]. E.E. Sülün, M. Aslan, A. Çakır, Elektronik Devre Uygulamaları I, II, III, Azim Ofset, 2000. [2]. M. Can, "RF ile Uzaktan Kumandalı Otomatik Kapının Gerçekleştirilmesi", Bitirme Ödevi, Niğde Üniv. Müh. Mim. Fak. Elektrik-Elektronik Müh. Böl., Haziran 2002.
[3]. S. Katzen, The Quintessential PIC Microcontroller, Springer-Verlag, 2000.
[4]. O. Altınbaşak, Mikrodenetleyiciler ve PIC Programlama, Altaş Yayınları, 2000.
