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  Avant propos :

     Le développement à grande échelle des systèmes d'automatisation de toutes sortes à fait apparaître dans les foyers, au bureau et dans les lieux publics des petites centrales destinées à la commande de toutes sortes d'appareils électriques.
     L'attrait de ces dispositifs est en constante augmentation chez le particulier mais rares sont ceux dans le commerce à proposer une interconnexion de type USB. La présente interface vient combler ce vide à partir d'une solution peu onéreuse et à réaliser soi-même.

       Composée de 8 entrées, 1 sortie PWM et de 16 sorties indépendantes à collecteur ouvert, cette carte permet de contrôler de relais, des leds, des triacs, des moteurs et de tout autre dispositif électrique commandé à partir d'un ordinateur.
      Vous pouvez également suivre l'évolution des états logiques présents sur les 8 entrées de l'interface en y connectant de nombreux circuits logiques, capteurs tout ou rien, micro-switchs, opto-coupleur, etc...

       Un logiciel de gestion très simple écrit en Bordand Delphi est disponible en téléchargement accompagné de son code source. Les commandes sont extrêmement simples à maitriser grâce à l'usage d'une DLL (Dynamic Link Library) spécifiquement dédiée à la communication USB (mcHID.dll). 

       Enfin, les sorties S1 à S16 de l'interface sont destinées à drainer des courants importants, c'est la raison pour laquelle nous avons préféré ne pas avoir recours à une auto-alimentation de l'interface au moyen du bus USB. En effet, le bus USB peut drainer en théorie 500mA maxi.
      Ainsi, l'alimentation de la platine sera fournie par une source de tension externe de votre choix, tel qu'un adaptateur secteur du commerce...


 
  Caractéristiques de l'interface USB :

        Alimentation de la platine comprise entre +8V et +20V DC. La platine n'est pas auto-alimentée par le port USB. Une alimentation externe est indispensable à son fonctionnement.
        16 sorties à collecteur ouvert indépendantes pouvant piloter une charge alimentée jusqu'à +50V. Les sorties peuvent être pilotées en mode impulsionnel ou bistable (toggle).       
        1 sortie PWM (précision sur 8 bits) pour une fréquence du signal de 15kHz avec variation du rapport cyclique de 0% à 100%.
        8 entrées numériques 0 / 5V avec pull-up ou pull-down configurable par cavalier.
        Contrôle de l'interface via le PC par liaison USB.
        Port USB : câble compatible USB 2.0 ou 1.1.
        Configuration minimale : CPU Pentium 4 avec port USB.
        OS conseillés  8, Seven, Vista et XP.



  Présentation de l'interface USB :

      Aspect général de la platine :

       L'alimentation :

            La partie alimentation est classique. Nous retrouvons l'embase d'alimentation J3, suivie d'un condensateur de filtrage et se terminant par un régulateur de tension. Tout cet ensemble participe à la section alimentation de la platine.
              L'alimentation peut s'effectuer indifféremment depuis l'embase coudée ou bien encore, depuis les deux picots tulipes référencés également J3.

       Les 16 sorties à collecteur ouvert :

          Toutes regroupées sur le même plan, les sorties sont référencées de S1 à S16. La connexion physique avec l'extérieur s'opère au moyen de picots tulipes.

       La commande de puissance :

          L'étage de puissance est assurée par deux ULN2803 composés de 8 transistors Darlington à collecteur ouvert.

       La logique de contrôle :

      L'oscillateur du PIC18F2550 bat à 8MHz, fréquence définie par le quartz X1épaulé par la paire de condensateurs classiques. Si vous utilisez comme sur la photo un résonnateur 8MHz à 3 broches, il ne faudra pas monter dans ce cas les condensateurs céramiques C6 et C7.
        Dans la pratique le microcontrôleur U1 travaille à 48MHz, fréquence générée en interne par le biais d'une PLL et d'un diviseur de fréquence à partir du 8MHz fournit par le quartz.  Ces 48MHz sont des multiples rond de la vitesse du bus USB.

Un microcontrôleur 18F2550  prend en charge l'intégralité
du fonctionnement du montage.

       L'expenseur de bus :

          Notre microcontrôleur U1 ne disposant pas assez d'entrées et sorties, nous avons eu recours à un expenseur de bus PCF8574P du constructeur Philips afin d'accroitre le nombre de sorties à un total de 16.
             Les 8 nouvelles sorties disponibles en sortie de l'expenseur de bus sont par la suite bufférisées au moyen d'U3, un ULN2803. Ainsi, toutes les sorties S1 à S16 disposent des mêmes caractéristiques électriques.

       Les 8 entrées en logique 5V :

             Les 8 entrées sont référencées de E1 à E8. La connexion physique avec l'extérieur s'opère au moyen de picots tulipes, comme ci-dessous :

              Les 8 entrées disposent de 8 pull-up ou 8 pull-down à configurer par l'utilisateur au moyen du cavalier SW1. Selon la position occupée par SW1,  8 résistances de 47kohms intégrées dans le réseau RP1 sont reliées soit au +5V, soit à la masse.

Cavalier en pull-up                                                   Cavalier en pull-down

       La sortie PWM :

             Cette sortie délivre un signal rectangulaire de fréquence fixe 15kHz. En revanche, son rapport cyclique est variable de 0% à 100%. Vous pouvez ainsi utiliser cette sortie afin de faire varier la vitesse de rotation d'un moteur, l'intensité lumineuse d'une ampoule basse tension, etc...

  Présentation du logiciel de gestion de l'interface PC :

        Afin de piloter la platine, un petit programme écrit en Borland Delphi est disponible en téléchargement au chapitre [ Utilisation ].

       Le logiciel est compatible avec Seven, Vista et XP et n'a pas été testé sous les OS antérieurs.

       En plus du fichier exécutable, vous trouverez le code source du programme afin de vous aider dans l'écriture de votre propre logiciel sous différentes langages: Delphi, Visual Basic,, C++, etc...

Aspect du logiciel permettant d'actionner
toutes les commandes possibles de l'interface.

 
  Exemples de câblage des sorties S1 à S16 de la platine :

        Loin d'être complet, voici quelques exemples de câblages vous permettant à partir des différentes sorties S1 à S16 de piloter des relais, des leds ou bien encore une ampoule 230V via un opto-triac.

       Les sorties sont commandées depuis le PC que ce soit en mode ON ou OFF ou bien encore en mode bistable (toogle) à partir de l'interface graphique du logiciel comme ci-dessous :

       Connexion de 3 relais 1RT - 12V sur les sorties S3, S6 et S15 :

           Dans cet exemple, la tension d'alimentation +V a été choisie a +12V. L'interface est alimentée également par la même tension +12V à partir du connecteur d'alimentation J3.

           Puisque la tension +V est différente de la tension de fonctionnement interne de l'interface +5V, J6 est laissé libre comme ci-dessous :

            Nous connectons 3 relais 1RT - 12V sur les sorties S3, S6 et S15.  Il est inutile d'ajouter des diodes de roue libre en parallèle avec les bobines des différents relais car ces dernières sont intégrées dans les deux circuits ULN2803.

      Connexion de 3 leds sur les sorties S3, S7, S10 et S14 :

           Dans cet exemple, nous alimentons nos leds à partir de la tension de fonctionnement en +5V délivrée en interne par la platine. De la sorte, afin de relier le +5V au +V, il nous suffit de court-circuiter les deux picots de J6 comme ci-dessous :

      Connexion d'une ampoule 230V sur la sortie S12 :

         Dans ce nouvel exemple, nous utilisons comme précédemment la tension +5V interne de la platine pour alimenter les sorties +V.  Ainsi, nous court-circuitons les deux picots de J6 comme ci-dessous :

         
           La sortie S12 est connectée à la cathode de la led intégrée à l'opto-triac de manière à piloter l'ampoule sous 230V comme ci-après :

  Cliquez sur l'image ci-dessus pour l'agrandir

 

  Exemples de câblage des entrées numériques E1 à E8 de la platine :

           Les entrées sont conçues pour fonctionner entre 0V et 5V et sont au nombre de 8.
           Sur le plan logiciel, l'interface scanne simultanément les entrées toutes les 5ms et renvoie au PC la valeur décimale de l'octet présent sur ces 8 entrées.

      Connexion de boutons poussoirs et de micro-switchs :

             Dans le cadre de cet exemple, nous avons placé le cavalier SW1 en configuration pull-up afin de disposer des résistances de rappels au +5V sur l'ensemble des 8 entrées.

             Une pression sur les boutons poussoirs 1 à 4 nous permet de modifier le quartet de poids fort appliqué à ces entrées. Idem pour les micro-switchs placés sur le quartet de poids faible.

      Connexion de boutons poussoirs et d'un circuit logique TTL :

             Nous plaçons le cavalier SW1 sur le mode pull-down afin de disposer des résistances de rappels à la masse sur l'ensemble des 8 entrées.

            Un compteur binaire en technologie TTL (7490) est placé sur le quartet de poids faible.             Quatre boutons poussoirs reliés au +5V nous permettent de changer le quartet de poids fort.

      Connexion avec isolation optique ;

              Dans le cadre de cet exemple, nous avons placé le cavalier SW1 en configuration pull-up afin de disposer des résistances de rappels au +5V sur l'ensemble des 8 entrées. Ce mode est nécessaire pour la polarisation du transistor NPN intégré à l'opto-coupleur TIL111.

            Le signal logique est envoyé sur l'entrée E1 de l'interface. Une led permet de visualiser l'état logique 0 ou 5V appliqué sur le bornier deux plots.

             Pour des états logiques en 0 / 12V appliqués sur le bornier deux plots, remplacez la résistance de 470 ohms par une résistance de 2,2k.

  Exemples de câblage pour la sortie PWM référencée J5 :

             La sortie PWM est directement reliée à la broche RC2 du microcontrôleur U1. Il faudra veiller à ne pas surcharger cette sortie sous peine d'endommager irréversiblement la sortie RC2.
 

      Connexion d'une led dont on fait varier l'intensité lumineuse :

            Sur le plan matériel, la led est pilotée via un transistor tampon de type BC337 ou équivalent.             Sur le plan logiciel, un bouton de réglage vous permet de modifier le rapport cyclique du signal de sortie entre 0% et 100% pour une fréquence constante de 15kHz. Lorsque le rapport cyclique est proche de 0%, la led est faiblement allumée. Inversement, lorsqu'on s'approche de 100%, la led est plus fortement allumée.

     Connexion d'un moteur à courant continu dont on fait varier la vitesse de rotation :

              Un MOS-FET de puissance est chargé de faire varier la vitesse de rotation d'un moteur à courant continu en jouant sur le rapport cyclique du signal délivré par l'interface au niveau de la sortie PWM.
 
              Notez qu'il est parfaitement possible de remplacer le moteur par une ampoule ou par un ventilateur de PC (12V ou 24V) , etc... Il faudra toutefois penser à modifier la tension de service du condensateur de 220µF en fonction de la tension d'alimentation +V.