Controle de até 8 relés utilizando GPIO e I2C
Tópicos
Controle de botoeira
Essa solução não é o que se pode chamar de “brilhante”, mas é uma maneira de economizar uma grana quando você precisa controlar a condição de vários relés baseados no estado de uma botoeira.
Pra quem não sabe, uma “botoeira” é um painel de botões para definir quando algo deve estar ligado ou desligado. Esse quadro de comando é um exemplo:
Essas chaves na base do quadro de comando não são botões de pulso, eles preservam um estado. Nesse caso, suponhamos que você precise monitorar 8 estados de botões para, conforme o estado, acionar até 8 relés. Nesse caso, você já teria que considerar de imediato um Arduino Mega, porque seriam necessários 16 GPIOs para fazer esse controle. Isso, se não tiver mais absolutamente nada a controlar, mas se você está optando por um controle através de uma MCU, certamente tem mais coisa a controlar (como por exemplo, LEDs de status, como os LEDs dispostos na caixa). Bem, tem uma solução simples para aproveitar os recursos do seu Arduino somado a um expansor de IO PCF8574.
Exemplo de uso com 1 PCF8574
Supondo que esteja utilizando um Arduino UNO, Leonardo ou Nano, serão necessários apenas 8 pinos de GPIO para acionar o relé e 2 pinos do I²C para controlar o PCF8574. Conforme o estado de cada pino do PCF8574, os relés correspondentes serão acionados ou desligados. Para isso, utilizaremos deslocamento de bits no PCF8574 e para relacionar os valores do PCF8574 aos respectivos pinos dos relés, podemos fazer um array contendo os pinos desses relés, depois varremos em um loop o estado de cada pino. Se você precisa de informações sobre a manipulação do PCF8574, recomendo esse artigo. Se estiver querendo descobrir o endereçamento do seu PCF8574, a forma mais simples é utilizando o scanner, descrito mais abaixo. Agora, vamos ao código, devidamente comentado.
#include <Wire.h>
#define ADDRESS 0x22 //endereço do "meu" PCF8574
#define TURN_OFF 1 //meu modulo desliga em HIGH
#define TURN_ON 0 //e liga em LOW
byte buf = 0; //buffer para armazenar o valor do PCF8574
byte relays[8] = {4,5,8,9,10,11,12,13}; //pinos para cada um dos reles
//função para ligar ou desligar os relés conforme os valores do PCF8574
void changeRelayState(){
byte state = buf; //equipara o buffer com o comparador e faz um loop nos pinos
for (int i=0;i<8;i++){
state = buf|(1<<i); //incrementa o valor do buffer com a respectiva posição
//se for possível incrementar o valor do buffer, significa que o
//pino do PCF8574 está em LOW
if (state != buf){
digitalWrite(relays[i],TURN_OFF); //nesse caso, desliga o relay da posição 'i'
Serial.print("OFF: ");
Serial.println(relays[i]);
state = buf;
}
/*Senão, liga o relay da posição 'i'*/
else{
digitalWrite(relays[i],TURN_ON);
Serial.print("ON: ");
Serial.println(relays[i]);
}
}
}
void setup()
{
Wire.begin();
Serial.begin(115200);
/*
* Como estou utilizando apenas um módulo duplo, fiz o pinMode diretamente, mas
* se tiver vários relays, basta rodar esse loop no mesmo tamanho do array relays[],
* com limite de 8, já que o máximo de pinos no PCF8574 é 8.
for (int i=0;i<8;i++){
pinMode(relays[i],OUTPUT);
}
*/
pinMode(RELAY_PORT_1,OUTPUT);
pinMode(RELAY_PORT_2,OUTPUT);
digitalWrite(relays[0],TURN_ON); //estado inicial: ligado
digitalWrite(relays[1],TURN_ON);
delay(2000);
Serial.println("Starting...");
}
void loop()
{
Wire.beginTransmission(ADDRESS); //inicia transmissao no barramento i2c
Wire.write(0xFF); //coloca tudo em HIGH. O que estiver em GND vai para LOW sozinho.
Wire.endTransmission(); //fim do envio do comando.
delay(1000);
Wire.requestFrom(ADDRESS,1); //solicita 1 byte (8 bits)
if (Wire.available()){
buf = Wire.read(); //armazena no buffer a leitura desse byte
}
Serial.println(buf);
changeRelayState();//manipula os relays conforme os bits do PCF8574
}Você pode questionar: “Mas, se o relay já está ligado, vai fazer digitalWrite novamente”. Sim, vai fazer mesmo, mas não muda nada. Assim haverá também uma ação imediata sem a necessidade de mais uma instrução do comparador condicional ‘if’.
Outra coisa que talvez lhe gere dúvida é sobre o deslocamento de bits. No video estou explicando como fiz a relação entre os bits do PCF8574 e os pinos dos relés, inclusive mostrando in flow no bPython para que fique fácil compreender.
Scanner I2C
Eu não decoro os endereçamentos dos PCF8574 e tenho uma baita preguiça de procurar até mesmo nos meus artigos, então, gosto de usar esse scanner I²C que encontrei há algum tempo no http://forum.arduino.cc/index.php?topic=197360 e que tem evoluido com o passar do tempo. Tudo o que você precisa fazer é colar esse código em um sketch, subir para o Arduino com o dispositivo I²C devidamente conectado e se guiar pelo menu que aparece no monitor serial. Dá pra fazer um single scan com ‘s’ ou um continuous scan com ‘c’, entre outros parâmetros configuráveis, mas não necessários para a maioria dos dispositivos que normalmente utilizamos.
//
// FILE: MultiSpeedI2CScanner.ino
// AUTHOR: Rob Tillaart
// VERSION: 0.1.7
// PURPOSE: I2C scanner at different speeds
// DATE: 2013-11-05
// URL: http://forum.arduino.cc/index.php?topic=197360
//
// Released to the public domain
//
#include <Wire.h>
#include <Arduino.h>
TwoWire *wi;
const char version[] = "0.1.7";
// INTERFACE COUNT (TESTED TEENSY 3.5 AND ARDUINO DUE ONLY)
int wirePortCount = 1;
int selectedWirePort = 0;
// scans devices from 50 to 800KHz I2C speeds.
// lower than 50 is not possible
// DS3231 RTC works on 800 KHz. TWBR = 2; (?)
const long allSpeed[] = {
50, 100, 200, 300, 400, 500, 600, 700, 800
};
long speed[sizeof(allSpeed) / sizeof(allSpeed[0])];
int speeds;
int addressStart = 0;
int addressEnd = 127;
// DELAY BETWEEN TESTS
#define RESTORE_LATENCY 5 // for delay between tests of found devices.
bool delayFlag = false;
// MINIMIZE OUTPUT
bool printAll = true;
bool header = true;
// STATE MACHINE
enum states {
STOP, ONCE, CONT, HELP
};
states state = STOP;
// TIMING
uint32_t startScan;
uint32_t stopScan;
void setup()
{
Serial.begin(115200);
delay(2000);
Serial.println("Starting...");
Wire.begin();
#if defined WIRE_IMPLEMENT_WIRE1 || WIRE_INTERFACES_COUNT > 1
Wire1.begin();
wirePortCount++;
#endif
#if defined WIRE_IMPLEMENT_WIRE2 || WIRE_INTERFACES_COUNT > 2
Wire2.begin();
wirePortCount++;
#endif
#if defined WIRE_IMPLEMENT_WIRE3 || WIRE_INTERFACES_COUNT > 3
Wire3.begin();
wirePortCount++;
#endif
wi = &Wire;
setSpeed('0');
displayHelp();
}
void loop()
{
char command = getCommand();
switch (command)
{
case '@':
selectedWirePort = (selectedWirePort + 1) % wirePortCount;
Serial.print(F("I2C PORT=Wire"));
Serial.println(selectedWirePort);
switch (selectedWirePort)
{
case 0:
wi = &Wire;
break;
case 1:
#if defined WIRE_IMPLEMENT_WIRE1 || WIRE_INTERFACES_COUNT > 1
wi = &Wire1;
#endif
break;
case 2:
#if defined WIRE_IMPLEMENT_WIRE2 || WIRE_INTERFACES_COUNT > 2
wi = &Wire2;
#endif
break;
case 3:
#if defined WIRE_IMPLEMENT_WIRE3 || WIRE_INTERFACES_COUNT > 3
wi = &Wire3;
#endif
break;
}
break;
case 's':
state = ONCE;
break;
case 'c':
state = CONT;
break;
case 'd':
delayFlag = !delayFlag;
Serial.print(F("<delay="));
Serial.println(delayFlag ? F("5>") : F("0>"));
break;
case 'e':
// eeprom test TODO
break;
case 'h':
header = !header;
Serial.print(F("<header="));
Serial.println(header ? F("yes>") : F("no>"));
break;
case 'p':
printAll = !printAll;
Serial.print(F("<print="));
Serial.println(printAll ? F("all>") : F("found>"));
break;
case '0':
case '1':
case '2':
case '4':
case '8':
setSpeed(command);
break;
case 'a':
setAddress();
break;
case 'q':
case '?':
state = HELP;
break;
default:
break;
}
switch (state)
{
case ONCE:
I2Cscan();
state = HELP;
break;
case CONT:
I2Cscan();
delay(1000);
break;
case HELP:
displayHelp();
state = STOP;
break;
case STOP:
break;
default: // ignore all non commands
break;
}
}
void setAddress()
{
if (addressStart == 0)
{
addressStart = 8;
addressEnd = 120;
}
else
{
addressStart = 0;
addressEnd = 127;
}
Serial.print(F("<address Range = "));
Serial.print(addressStart);
Serial.print(F(".."));
Serial.print(addressEnd);
Serial.println(F(">"));
}
void setSpeed(char sp)
{
switch (sp)
{
case '1':
speed[0] = 100;
speeds = 1;
break;
case '2':
speed[0] = 200;
speeds = 1;
break;
case '4':
speed[0] = 400;
speeds = 1;
break;
case '8':
speed[0] = 800;
speeds = 1;
break;
case '0': // reset
speeds = sizeof(allSpeed) / sizeof(allSpeed[0]);
for (int i = 0; i < speeds; i++)
{
speed[i] = allSpeed[i];
}
break;
}
}
char getCommand()
{
char c = '\0';
if (Serial.available())
{
c = Serial.read();
}
return c;
}
void displayHelp()
{
Serial.print(F("\nArduino MultiSpeed I2C Scanner - "));
Serial.println(version);
Serial.println();
Serial.print(F("I2C ports: "));
Serial.println(wirePortCount);
Serial.println(F("\t@ = toggle Wire - Wire1 - Wire2 [TEENSY 3.5 or Arduino Due]"));
Serial.println(F("Scanmode:"));
Serial.println(F("\ts = single scan"));
Serial.println(F("\tc = continuous scan - 1 second delay"));
Serial.println(F("\tq = quit continuous scan"));
Serial.println(F("\td = toggle latency delay between successful tests. 0 - 5 ms"));
Serial.println(F("Output:"));
Serial.println(F("\tp = toggle printAll - printFound."));
Serial.println(F("\th = toggle header - noHeader."));
Serial.println(F("\ta = toggle address range, 0..127 - 8..120"));
Serial.println(F("Speeds:"));
Serial.println(F("\t0 = 50 - 800 Khz"));
Serial.println(F("\t1 = 100 KHz only"));
Serial.println(F("\t2 = 200 KHz only"));
Serial.println(F("\t4 = 400 KHz only"));
Serial.println(F("\t8 = 800 KHz only"));
Serial.println(F("\n\t? = help - this page"));
Serial.println();
}
void I2Cscan()
{
startScan = millis();
uint8_t count = 0;
if (header)
{
Serial.print(F("TIME\tDEC\tHEX\t"));
for (uint8_t s = 0; s < speeds; s++)
{
Serial.print(F("\t"));
Serial.print(speed[s]);
}
Serial.println(F("\t[KHz]"));
for (uint8_t s = 0; s < speeds + 5; s++)
{
Serial.print(F("--------"));
}
Serial.println();
}
// TEST
// 0.1.04: tests only address range 8..120
// --------------------------------------------
// Address R/W Bit Description
// 0000 000 0 General call address
// 0000 000 1 START byte
// 0000 001 X CBUS address
// 0000 010 X reserved - different bus format
// 0000 011 X reserved - future purposes
// 0000 1XX X High Speed master code
// 1111 1XX X reserved - future purposes
// 1111 0XX X 10-bit slave addressing
for (uint8_t address = addressStart; address <= addressEnd; address++)
{
bool printLine = printAll;
bool found[speeds];
bool fnd = false;
for (uint8_t s = 0; s < speeds ; s++)
{
#if ARDUINO >= 158
wi->setClock(speed[s] * 1000);
#else
TWBR = (F_CPU / (speed[s] * 1000) - 16) / 2;
#endif
wi->beginTransmission (address);
found[s] = (wi->endTransmission () == 0);
fnd |= found[s];
// give device 5 millis
if (fnd && delayFlag) delay(RESTORE_LATENCY);
}
if (fnd) count++;
printLine |= fnd;
if (printLine)
{
Serial.print(millis());
Serial.print(F("\t"));
Serial.print(address, DEC);
Serial.print(F("\t0x"));
if (address < 0x10) Serial.print(0, HEX);
Serial.print(address, HEX);
Serial.print(F("\t"));
for (uint8_t s = 0; s < speeds ; s++)
{
Serial.print(F("\t"));
Serial.print(found[s] ? F("V") : F("."));
}
Serial.println();
}
}
stopScan = millis();
if (header)
{
Serial.println();
Serial.print(count);
Serial.print(F(" devices found in "));
Serial.print(stopScan - startScan);
Serial.println(F(" milliseconds."));
}
}
E se eu quiser controlar por pulso?
Se for controlar por pulso, pra fazer com PCF8574 fica um pouco complicado. Eu fiz um pequeno código de exemplo para controle por pulso sem a utilização do módulo I²C. Basicamente, coloco um botão com “destino” ao GND e coloco um pino em pullup. Quando ele for para GND, ele muda o estado em uma variável de memória, chamada ports[], que é um array de estados.
bool ports[2] = {1};
void setup() {
Serial.begin(115200);
//coloca em pullup e quando for pra gnd, gera o evento
pinMode(2,INPUT_PULLUP);
pinMode(4,OUTPUT);
pinMode(5,OUTPUT);
digitalWrite(4,HIGH);
digitalWrite(5,HIGH);
}
void loop() {
if (digitalRead(2) == LOW){
ports[0] = !ports[0];
digitalWrite(4,ports[0]);
Serial.println(ports[0]);
while(digitalRead(2) == LOW);
}
delay(200); //so pra nao retornar imediatamente ao evento
// put your main code here, to run repeatedly:
}Onde comprar o PCF8574
Sempre recomendo um dos parceiros do site, mas meus caros, “nenhum” deles tem o módulo, ou seja, essa vou ficar devendo. O dispositivo é realmente barato e vale a pena a aquisição. Inclusive, no próximo artigo vou mostrar como espelhar a configuração de um PCF8574 em outro PCF8574, o que simplifica mais ainda o controle dos relés. Também vou mostrar como fazer espelhamento remoto dos relés utilizando o rádio NRF24L01, é só acompanhar!
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