Lampka nocna zapalana grzechotką

Projekt dotyczy stosunkowo prostego, ale z punktu widzenia osoby niepełnosprawnej ruchowo, bardzo przydatnego wynalazku. Mowa o włączniku do lampki nocnej w postaci grzechotki, która jest przyczepiona obok łóżka w taki sposób, aby ta osoba mogła sięgnąć do niej ręką lub inną częścią ciała, nad którą ma władzę.

Zagrzechotanie włącza lub wyłącza światło. Dodatkowo, jeżeli światło się świeci to po 10 minutach samo się wyłącza.

Założenia:

• osoba niepełnosprawna ma władzę nad jakąś częścią ciała (np. ręką lub nogą),
• osoba niepełnosprawna może sięgnąć i dotknąć bezpośrednio przedmiotu (zawierającego czujnik), który jest na stałe zaczepiony do jakiegoś nieruchomego elementu (mebla) nad łóżkiem lub obok łóżka,
• przedmiot jest połączony przewodem sygnałowym z puszką przekaźnikową.

Potrzeba:

• możliwość załączenia i wyłączenia światła wymagającego minimum precyzji w dłoniach lub nogach (np. kopnij w mebel, a światło się zaświeci),
• światło zgaśnie samo po dłuższym czasie żeby nie przeszkadzało w spaniu albo żeby nie marnować prądu jeżeli zostało włączone przypadkowo.

Cel:

• kontrola nad włączeniem/wyłączeniem światła za pomocą przedmiotu, który wystarczy lekko szturchnąć (nie trzeba w nic precyzyjnie celować ani używać siły żeby coś wcisnąć),
• implementacja licznika czasowego, który wyłączy światło po określonym czasie (np. 10 minut).

Projekt zrealizowano w oparciu o mikrokontroler Arduino, przekaźnik prądowy, moduł zasilania AC/DC 5V i przełacznik kulkowy (ball switch, znany też jako wykrywacz wstrząsów lub wykrywacz przechyłu). Przekaźnik steruje włączaniem lub wyłączaniem przedłużacza, do którego została podłączona lampka nocna.

Użyte części:

• mikrokontroler Arduino Pro Mini,
• moduł przekaźnika 5V 10A / 250V AC,
• moduł zasilacza o napięciu zasilania 85V – 265V AC dający napięcie wyjściowe 5V DC i prąd wyjściowy 700mA,
• przełącznik kulkowy HDX-2801 (grzechotka),
• dwa rezystory 10kΩ,
• kondensator ceramiczny 100nF,
• bezpiecznik 230V / 500mA,
• kabel sygnałowy z dwoma przewodami (tak na wszelki wypadek z izolacją dla 230V),
• dwie złączki instalacyjne 3-przewodowe (np. WAGO),
• dwie złączki/listwy elektryczne po 3 przewody,
• kabelki do połączeń 230V i połączeń 5V,
• 4 sztuki śrubek M2, do tego podkładki, tulejki dystansowe oraz wkładki gwintowane (ang. insert nut),
• płytka uniwersalna PCB plus kilka kabelków do połączeń,
• listwa goldpin żeńska 8×2,
• listwa goldpin męska kątowa 2×1, 3×1 i dwie listwy 1×1,
• wtyczka BLS02,
• puszka elektryczna 9x9x5 cm,
• dwa dławiki 9 mm (lepszy byłby 8 mm, ale nie mieli) i jeden dławik 7 mm (tu też 1 mm mniej i byłoby lepiej),
• stary przedłużacz,
• termoklej, rurki termokurczliwe, taśma izolacyjna, dwustronna taśma samoprzylepna piankowa, klej błyskawiczny (np. Kropelka).

Wykonanie

Rys. 1. Całość.

Urządzenie to składa się z puszki z całą elektroniką i przełącznika kulkowego, który jest instalowany poza puszką. Puszka jest wpięta w środek kabla między wtyczką i przedłużaczem (rys. 1). Steruje ona przepływem prądu w tym przedłużaczu (załącza lub rozłącza przewód z fazą). Przełącznik kulkowy połączony jest z puszką za pomocą dłuższego (kilka metrów) przewodu sygnałowego.

Zatem z puszki wychodzą 2 kable 230V i jeden kabel sygnałowy. Kable przechodzą przez dławiki, które zabezpieczają przed ich wyrwaniem z puszki. Puszka i dławiki mają uszczelkę, zatem puszka powinna być odporna na zalanie jej wodą. Dodatkowo, w puszce przewód fazowy przechodzi przez bezpiecznik 230V/500mA. Bezpiecznik instalowany jest przed rozdzieleniem przewodu fazowego na moduł zasilania 5V i przekaźnik (rys. 4).

Oczywiście, jeżeli komuś nie szkoda rozcinać oryginalnego kabla od lampki nocnej to nie ma ku temu przeszkód. Ja po prostu trzymam się zasady nie niszczenia nowych lub ładnych rzeczy. Natomiast z chęcią utylizuję rzeczy stare i brzydkie.

Łączenie elektroniki

Rys. 2. Płytka PCB od góry.

Płytka PCB powinna zostać zaprojektowana, wytrawiona i zabezpieczona w taki sposób aby miała dwie, bezpiecznie odizolowane od siebie strefy dla napięcia 230V i 5V. Ewentualnie, zamiast tego, można zastosować sam laminat z materiału izolacyjnego (PCB bez miedzi) i łączyć wszystko jak w czasach sprzed ery PCB.

Użyty moduł zasilania należy solidnie przylutować do PCB z obu stron, a dostęp do połączenia 230V wyprowadzić za pośrednictwem kostki zaciskowej do druku. Zamiast modułu przekaźnika powinno się wlutować w płytkę PCB sam przekaźnik wraz z potrzebnymi do jego działania rezystorami, diodą zenera, tranzystorem i kostką zaciskową na przewody 230V.

Ja niestety nie miałem pod ręką ani odpowiednich materiałów ani odpowiedniego warsztatu żeby tak to zrobić, więc musiałem kombinować, co w przypadku gdy jest to tylko hobby, sprawia przy okazji niezłą frajdę i pobudza najgłębsze pokłady kreatywnego myślenia :)

Użyłem jednostronnej płytki uniwersalnej PCB (rys. 2), której wymiary akurat pasowały jak ulał. Wadą płytki uniwersalnej była gęsta sieć przewiercień (raster 2,54 mm), które po jednej stronie miały miedzianą obwódkę umożliwiającą przylutwanie coś do tej płytki. Odległości, które są odpowiednie dla 5V, mogą być zbyt małe dla 230V (rys. 3). Dojdzie wtedy do przebicia przez izolację albo nawet przez samo powietrze. Początkowo chciałem zeskrobać miedź, ale okazało się, że idzie to nie najlepiej więc stwierdziłem, że nie będę się w to dalej bawił tylko wymyślę coś innego.

Aby uniknąć ryzyka przebicia napięcia 230V do płytki PCB, moduły zostały zainstalowane na stronie płytki PCB, która nie ma miedzi. Dodatkowo, przestrzeń pod modułami zasilania i przekaźnika, gdzie jest napięcie 230V, zostały podklejone kilkoma warstwami taśmy izolacyjnej. Następnie na te taśmy została naklejona dwustronna piankowa taśma samoprzylepna, do której zostały przyklejone moduły zasilania i przekaźnika.

Dzięki temu, moduły są solidnie przymocowane. Natomiast taśma piankowa stała się poduszką dla ostrych, wystających elementów modułów i dzięki temu nie ma teraz ryzyka przerwania taśmy izolacyjnej.

Moduły zasilania i przekaźnika zostały przylutowane do płytki PCB z jednej strony (tej 5V). Moduły zostały przylutowane za pomocą goldpinów męskich w taki sposób, że między płytką modułu i płytką PCB jest ten plastikowy dystans na goldpinie. Wcześniej ilość warstw taśmy izolacyjnej została tak dobrana, żeby moduł leżał na tej piance i plastikowym dystansie goldpin w pozycji poziomej (czyli suma grubości warstw taśmy izolacyjnej i warstwy taśmy piankowej = wysokość plastikowego dystansu goldpin).

Rys. 3. Płytka PCB od dołu.

Następnie do płytki PCB przylutowałem goldpiny żeńskie dla montażu Arduino. Dzięki temu Arduino można łatwo wyjąć w celu przeprogramowania. Kabel sygnałowy również jest połączony z płytką PCB za pośrednictwem goldpin, tym razem męskiego oraz wtyczki BLS02.

Na rys. 3 przewody czerwone zostały zarezerwowane dla 5V, czarne dla masy, żółte dla połączenia Arduino z modułem przekaźnika (na schemacie rys. 4 fioletowy), a pomarańczowe (na schemacie rys. 4 zielone) dla połączenia przełącznika kulkowego z Arduino.

Rys. 4. Schemat połączeń.

Arduino oraz moduł przekaźnika są zasilane napięciem 5V, które pochodzi bezpośrednio od modułu zasilania 5V.

Moduł zasilania sterowany jest bezpośrednio z pinu 10.

Przełącznik kulkowy składa się z dwóch przewodzących kulek wewnątrz obudowy. Gdy przełącznik znajduje się w pozycji pionowej (wyprowadzeniami do dołu), to przewodzi prąd. Gdy przełącznik jest przechylony o co najmniej 90° lub jest wręcz w odwrotnej pozycji, to grawitacja przemieszcza kulki i obwód zostaje przerwany. Natomiast gdy przełącznik jest w pozycji pionowej i zostanie wstrząśnięty to ruch kulek powoduje tylko chwilowe przerwanie obwodu.

Przełącznik kulkowy został podłączony bezpośrednio do 5V i do pinu 3 za pośrednictwem rezystora pulldown 10kΩ, który wymusza stan niski gdy przełącznik jest w stanie rozłączenia obwodu. Ponieważ kabel sygnałowy ma kilka metrów, potrafił złapać zakłócenia jakie pojawiają się podczas włączania lub wyłączania innych urządzeń elektrycznych. Gdy zapalano/gaszono górne światło lub podłączano radio/komputer do gniazdka to lampka się wtedy włączała albo gasiła. Problem został rozwiązany dzięki dodaniu filtra dolnoprzepustowego RC składającego się z kondensatora ceramicznego 100nF i rezystora 10kΩ.

Zgodnie z rys. 4, Arduino podłączono:

• Pin 3 → przez rezystor pulldown i filtr dolnoprzepustowy do przełącznika kulkowego,
• Pin 10 → do IN w module przekaźnika,
• GND → do GND modułu zasilania,
• VCC → do wyjścia +5V modułu zasilania.

Moduł przekaźnika podłączono:

• IN → do Pin 13 w Arduino,
• GND → do GND modułu zasilania,
• VCC → do wyjścia +5V modułu zasilania.

Przełącznik kulkowy (symetryczny):

• jedna nóżka → do wyjścia +5V modułu zasilania,
• druga nóżka → przez rezystor pulldown i filtr dolnoprzepustowy do Pin 3 w Arduino.

Montowanie puszki

Rys. 5. Puszka od środka.

W puszce najpierw wywiercono (a raczej wydłubano nożykiem) dziury na dławiki. Następnie przymocowano wkładki gwintowane (ang. insert nut) pod śruby mocujące płytkę PCB.

Montowanie wkładek na śrubki

Wkładki gwintowane były mocowane w taki sposób, że najpierw skręcono samą płytkę PCB ze wszystkimi podkładkami i tulejkami dystansowymi, a następnie przykręcono do nich wkładki gwintowane. Ponieważ użyte wkładki mają prześwit na wylot, trzeba było je jakoś zatkać od dołu. Nie miałem niczego plastelino-podobnego więc użyłem kawałka taśmy samoprzylepnej.

Tak przygotowaną płytkę PCB ze śrubkami umieszczono w puszce w takim miejscu w jakim miała być docelowo. Następnie podlano wkładki klejem błyskawicznym Kropelka. Dzięki uszczelnieniu, klej nie przedostał się do środka wkładki. Gdy klej złapał wkładki, delikatnie odkręcono śrubki i wyjęto płytkę PCB. Następnie oblano wkładki dookoła termoklejem. Dzięki temu zostały one przymocowane do puszki dość solidnie.

Montowanie elektryki

Ważnym elementem jest zabezpieczenie kabli przed wyrawniem ich z puszki. Dławik 9 mm na kable 230V okazał się zbyt szeroki. Pomimo mocnego skręcenia, kabel i tak dało się wysunąć. Dławika 8 mm nie było w sklepie, a przez dławik 7 mm kabel w ogóle nie chciał przejść.

Początkowo chciałem zwiększyć grubość kabla przez nałożenie na niego warstwy lub kilku warstw koszulki termokurczliwej. Niestety okazało się, że po takiej koszulce gumka dławika jeszcze łatwiej się ślizga.

Znów z pomocą przyszła polska pomysłowość. Najpierw przewleczono kabel przez dławik. Następnie, w okolicach końcówki kabla, naniesiono kilka warstw koszulki termokurczliwej. Koszulka bardzo mocno złapała się kabla. Przy okazji powstało zgrubienie, które daje się wsunąć do dławika, ale przez przepust w dławiku już nie przejdzie. To samo zrobiono z kablem sygnałowym, dla którego zastosowano dławik 7 mm.

Rys. 6. Układ w puszce.

W puszce przewody z kabla od przedłużacza powinny zostać przykręcone do kostek w taki sposób, aby izolacja przewodu kończyła się jeszcze wewnątrz. Przekaźnik jest tylko jeden, dlatego dla gniazdka, do którego będzie to podłączane należy zbadać który przewód jest fazowy, a który neutralny. Jeżeli użyta lampka nie wykorzystuje uziemienia (czyli chyba w ponad 99% przypadkach tak właśnie będzie) to nie ma konieczności jego przyłączania.

Wewnętrzne połączenia elektryczne należy zrealizować za pomocą przewodów dla 230V i przewidzianych dla urządzeń o mocy co najmniej takiej jaką ma lampka plus 5W dla układu. W praktyce, przewód dla 100W będzie miał spory zapas.

Zarówno przewód fazowy jak i neutralny są rozdzielane na przewód idący do modułu zasilania i przewód idący odpowiednio do przekaźnika i bezpośrednio do przedłużacza. Jeżeli w zastosowanej kostce nie mieści się więcej przewodów niż jeden, należy użyć szybkozłączek instalacyjnych np. WAGO.

W omawianym projekcie wewnętrzne połączenia zostały zrealizowane za pomocą przewodów miedzianych dla 230V i 16A, bo tylko takie mieli w Leroy Merlin, a tylko ten sklep był otwarty w Wigilię.

Ponieważ użyte przewody były bardzo grube i sztywne, najpierw odpowiednio je wymierzono, następnie przycięto, na koniec wygięto kombinerkami w odpowiednim miejscu o odpowiedni kąt.

Brązowego przewodu użyto dla fazy, a niebieskiego dla linii neutralnej i uziemienia. Dla uziemienia powinno się zastosować przewód w kolorze zielono-żółtym. W Leroy Merlin mieli taki ale był jeszcze grubszy.

Rys. 7. Bezpiecznik.

Przewód fazowy, zanim zostanie rozdzielony na moduł zasilania i przekaźnik, powinien być poprowadzony przez taki bezpiecznik, który nie spali się podczas normalnego użytkowania, a szybko spali się i przerwie połączenie w przypadku jakiegoś zwarcia. W projekcie zastosowano bezpiecznik 230V 500mA.

Na potrzeby lampki, która ma w specyfikacji “MAX 40W”, tak gruby przewód jest oczywiście o wiele na wyrost. Cieńsze przewody są znacznie elastyczniejsze. Ponadto podstawowy warunek lutowania polega na tym, że zarówno lutowany element jak i spoiwo lutownicze (np. cyna) zostają rozgrzane do temperatury, w której topi się to spoiwo. W przypadku grubszego przewodu miedzianego i użycia zwykłej stacji lutowniczej, jest to po prostu trudniejsze i istnieje duże ryzyko pojawienia się tzw. zimnego lutu.

Zimny lut charakteryzuje się wysoką rezystancją (może się grzać). Ponadto ma gorsze właściwości mechaniczne (łatwiej go rozerwać) i może być bardziej podatny na korozję.

Nawet gdy gruby przewód został prawidłowo przylutowany do PCB to znacznie łatwiej taki lut uszkodzić. Cienki przewód jest elastyczny i w ten sposób sam dostosowuje się do różnych naprężeń mechanicznych. Gruby przewód jest sztywny przez co prawie cała siła naprężeń mechanicznych przekazywane są na lut. Podczas pracy nad tym projektem wiele razy doszło do wyłamania przewodu przylutowanego do modułu zasilania. Ten problem jest znacznie mniejszy w przypadku zastosowania kostki zaciskowej do druku zamiast lutowania przewodu bezpośrednio.

Montowanie grzechotki

Rys. 8. Grzechotka.

Przełącznik kulkowy został przylutowany do dwóch przewodów sygnałowych. Wcześniej na te przewody zostały nasunięte odcinki koszulki termokurczliwej. Po zlutowaniu zostały one naciągnięte na luty i resztę wystających nóżek przełącznika, tak aby całkowicie je od siebie odizolować. Następnie na całość została nałożona kolejna koszulka termokurczliwa. Taka izolacja powinna zapewnić bezpieczeństwo nawet w przypadku przebicia się 230V do kabla sygnałowego.

Na takie sterczące coś można np. nadziać jakiegoś miśka. Wystarczy lekko szturchnąć by wygenerować sygnał. Tam gdzie ja to zamontowałem – jest on nad głowy śpiącej osoby – podklejony taśmą do mebla oddzielającego aneks kuchenny od sypialni. Jak się kopnie w ten mebel, trzaśnie szufladą albo mocno walnie w stół w kuchni to lampka się zaświeci. No i przede wszystkim fajnie grzechocze ten przełącznik.

W tej chwili grzechotka jest tylko podklejona ponieważ testuje swoje miejsce. Gdy miejsce to się sprawdzi w dłuższej perspektywie użytkowania, to zostanie przymocowana na stałe może za pomocą jakiegoś uchwytu przywierconego do mebla.

Część programistyczna

Program na Arduino wykorzystuje mechanizm przerwań mikrokontrolera ATMega do wykrycia spadku napięcia, które powstaje w momencie przerwania obwodu przez przełącznik kulkowy.

Kulka, zanim się ustabilizuje, dokona takiego przełączenia wielokrotnie. Dlatego w kodzie zastosowano blokadę przełączania stanu przekaźnika, która trwa 0,5s od momentu ostatniego sygnału od przełącznika kulkowego.

Dodatkowo, podczas podłączania całego układu do prądu, wykonuje on prostą procedurę testową: najpierw przekaźnik zostaje załączony na 1s. Potem, w zależności czy przełącznik kulkowy jest w stanie zwarcia czy przerwania obwodu, przekaźnik zostaje odpowiednio wyłączony lub włączony przez kolejną 1s. Następnie przekaźnik zostaje włączony jeszcze przez 1s i wyłączony na 0,5. Dopiero po tym czasie układ przechodzi do normalnego trybu pracy.

Zatem, jeżeli po podłączeniu układu do prądu, lampka zaświeci się na 1s, następnie zgaśnie na 1s, po czym znów się zaświeci na 1s, to znaczy, że układ został prawidłowo zainicjowany, a przełącznik kulkowy jest w takim stanie w jakim powinien być. Następnie lekkie szturchnięcie przełącznika powinno włączyć lampkę, a ponowne wyłączyć (rys. 9). Natomiast ciągłe i nieprzerwane potrząsanie czujnikiem nie powinno powodować ciągłego włączania i wyłączania lampki.

Kod źródłowy programu na Arduino został umieszczony w GitHub.

Podsumowanie

Opisany wynalazek jest jedną z tych rzeczy, które zdrowym ludziom mogą okazać się całkowicie nieprzydatne, natomiast osobom z ograniczeniami ruchowymi potrafią niesamowicie ułatwić życie.

Urządzenie jest łatwe w budowie. Wykonać je może każdy, ale pod okiem fachowca, bo jednak 230V może zrobić poważną krzywdę. Dlatego tyle materiału poświęcono bezpieczeństwu.

Dla prawdziwych elektroników, wykorzystanie Arduino dla implementacji tylko dwóch liczników czasowych jest jak strzelanie z armaty do komara. Trzeba jednak zwrócić uwagę na to, że po pierwsze, nowy użyteczny wynalazek nie powstaje od razu, a jest efektem wielu prób i użytkowania go przez dłuższy czas. Po drugie, wynalazek powstaje w celu zapewnienia jakichś potrzeb użytkownika i zostaje zbudowany w oparciu o możliwości oraz ograniczenia użytego sprzętu i umiejętności wynalazcy. Po trzecie, zarówno potrzeby jak i możliwości zmieniają się w czasie, bo użytkownik mógł odkryć nowe potrzeby, a wynalazca nauczyć się czegoś nowego.

To nie jest produkt seryjny, to jest projekt indywidualny. Zastosowanie programowalnego mikrokontrolera daje szerokie możliwości rozbudowy i modyfikacji sposobu działania urządzenia, które w najprostszej formie może sprowadzać się tylko do wgrania nowego firmware (bez konieczności lutowania i rozlutowywania). Przed publikacją tego artykułu z takiej możliwości skorzystano dwa razy, ponieważ początkowe założenia dotyczące tego, kiedy lampka ma się świecić, były zupełnie inne i w praktyce te założenia nie sprawdziły się. Obecne rozwiązanie sprawdza się, ale już są pomysły nad jego udoskonaleniem. Jeżeli udoskonalenia zostaną wprowadzone, to ten artykuł zostanie zaktualizowany.