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Controlliamo gli utilizzatori di casa o di altri luoghi mediante un semplice battito di mani.
Viviamo nell’epoca della domotica e dell’intelligenza artificiale, dove ormai ci sembra naturale ed anzi dovuto comandare le luci, le tapparelle, la televisione o lo stereo di casa con lo smartphone, se non addirittura con la voce, grazie agli ormai diffusi sistemi di riconoscimento vocale che anche noi in passato abbiamo sperimentato; eppure ci sono altri modi di interagire personalmente con degli automatismi, magari senza troppe valutazioni né riconoscimenti biometrici, ma come si vedeva una volta in qualche film che per l’epoca era particolarmente all’avanguardia: con un battito di mani, proprio come il maitre chiama i camerieri o in una lontana nobiltà si dava il via a qualche cerimoniale.
La cosa bella è che questo evergreen della domotica, questo comando in grado di strabiliare amici e conoscenti, si può impartire senza bisogno di ricorrere a computer, Internet, smartphone né algoritmi di intelligenza artificiale: lo dimostra il circuito proposto in queste pagine, che è una riedizione del classico interruttore a battito di mani nato decine di anni fa, quando buona parte di quello cui siamo abituati ancora non esisteva e tutto si faceva funzionare con transistor e logica cablata.
E, come vedrete, questo dispositivo è composto proprio da un transistor, un comune NE555 e un tradizionalissimo, quanto datato, contatore decimale CMOS: cose semplici, di basso costo ma di sicuro effetto, quando funzionano insieme a un microfono electret-condenser che diventa di fatto l’interfaccia con l’umano.
Schema elettrico del Clap Switch
Andiamo subito a vedere di cosa si tratta partendo innanzitutto da come funziona questo interruttore davvero speciale, che si aziona senza contatto: con un battito di mani, magari energico (non con gli applausi, perché altrimenti impazzisce…) a una distanza fino a due metri, il relé di cui è dotato cambia di stato; il circuito parte con il relé a riposo e al primo battito di mani si eccita (chiudendo i contatti C ed NO tra loro) al secondo torna a riposo, al terzo si eccita nuovamente e via di seguito.
Tutto questo è reso possibile dalla semplice circuitazione che andiamo subito a spiegare, appoggiandoci allo schema elettrico pubblicato in queste pagine.
Il tutto si basa su un contatore decimale le cui uscite, opportunamente collegate, pilotano il transistor T2, attraverso il quale viene alimentato il relé RL1 e con esso il LED verde LD1 (polarizzato tramite la resistenza R6 che ne limita la corrente al valore ottimale); più esattamente, il relé scatta ogni qualvolta il transistor NPN va in saturazione e ciò avviene quando il contatore U2 gli fornisce il livello logico alto in base del transistor T2 attraverso la resistenza R7.
Il CD4017, ossia il nostro contatore, riceve il clock da un generatore di impulsi di durata fissa implementato con l’aiuto di un timer 555 (U1, nello schema elettrico) configurato come multivibratore monostabile, a sua volta triggerato dall’uscita di un amplificatore di tensione che eleva il segnale della capsula microfonica electret condenser a due fili (MIC1) la quale rappresenta l’elemento sensore che interfaccia il nostro battito di mani al circuito.
Spieghiamo dunque come funziona l’insieme, partendo da quando battiamo le mani (o produciamo un rumore netto che si colloca intorno alle frequenze intermedie dello spettro audio, riconoscibili dal circuito come trigger): il rumore prodotto viene captato dalla capsula (alimentata attraverso la resistenza di polarizzazione R1) e trasformato in un segnale elettrico variabile che passa attraverso il condensatore C1 (quest’ultimo, oltre a separare in continua, la polarizzazione della capsula da quella di base del T1, forma con le resistenze una costante di tempo tale da attenuare le basse frequenze, rendendo in qualche modo selettivo l’interruttore) e raggiunge la base dell’NPN, il quale, configurato ad emettitore comune, ne eleva il livello abbastanza da triggerare l’NE555. Notate che la polarizzazione è tale da mantenere, a riposo, il potenziale di collettore intorno al 60% del valore della tensione che alimenta U1, il che è sufficiente a mantenere il monostabile a riposo. In presenza di segnale, il potenziale del collettore oscilla intorno a tale valore e quando scende al di sotto di 1/3 della predetta tensione triggera l’NE555.
Per capire perché ciò accade e cosa ne deriva nel resto del circuito, occorre capire cosa si trova all’interno del 555, aiutandoci con lo schema a blocchi proposto nella Fig.1; vediamo che l’integrato contiene due comparatori aventi in comune un partitore di tensione multiplo che polarizza per l’operazionale superiore l’ingresso invertente e per quello inferiore, il non-invertente.
Fig. 1 Schema a blocchi del 555: la massa è il pin 1, il TRIGGER è il 2, OUT è il 3, RESET è il 4, CONTROL VOLTAGE è il 5, THRESHOLD il 6, DISCHARGE è il 7 e il +Vcc è l’8
Dei due comparatori, vengono resi accessibili dall’esterno gli ingressi non-invertente di quello superiore (i termini superiore e inferiore si riferiscono al potenziale di riferimento che ricevono dal partitore multiplo, quindi quello superiore riceve la tensione più elevata), corrispondente al piedino 6 (THLD, ossia Threshold) e l’invertente di quello superiore, corrispondente al piedino 2 (TRG, ossia Trigger).
Il nodo tra la prima e la seconda (considerate dall’alimentazione positiva) resistenza del partitore multiplo di riferimento dei due comparatori (alimentato, come il resto degli stadi interni al 555, dal piedino 8) viene portato all’esterno tramite il piedino 5 (CTRL, Control Voltage) e ciò permette di alterare le tensioni di riferimento dei comparatori, così da controllare con una tensione esterna la frequenza di lavoro nella configurazione astabile (operando lo shift di frequenza come si fa nei VCO, ossia gli oscillatori controllati in tensione) oppure la durata degli impulsi in quella da timer (monostabile).
Nel nostro caso non viene utilizzato (ne stabilizziamo la tensione con l’aiuto del condensatore C3, che filtra eventuali interferenze) perché vogliamo che ad ogni commutazione dal livello alto a quello basso del piedino 2 il timer generi un impulso di durata costante.
Le uscite dei comparatori entrano una nel RESET (comparatore superiore) e nel SET (comparatore inferiore) di un flip-flop di tipo RS, che è un circuito logico la cui uscita diretta (Q) va a livello alto (corrispondente a circa il potenziale del piedino 8) quando il SET è a livello alto, ovvero assume lo zero logico se SET è posto a circa zero volt; l’uscita presenta un comportamento speculare quando ad essere stimolato è l’ingresso RESET, il quale, posto a livello logico alto, resetta il flip-flop, intendendo con ciò che ne azzera lo stato di Q.
Il flip-flop ha anche un’uscita complementata (/Q), la cui condizione logica è sempre l’inverso di quella Q; nel 555 è collegata, tramite una resistenza, alla base di un transistor NPN configurato ad open collector il cui emettitore è connesso a massa e il collettore al piedino DCHR (Discharge, 7).
L’uscita diretta, Q, è invece collegata al piedino OUT (3) dell’integrato attraverso un buffer interno push-pull. Il negativo di alimentazione (massa del 555) corrisponde al piedino 1, mentre al 4 è connesso il reset a logica invertita del flip-flop: questo piedino permette di resettare forzatamente il circuito dall’esterno applicando un livello logico basso.
Vediamo ora di spiegare come funziona il monostabile, premettendo che per far lavorare il 555 in tale modalità occorre unire i piedini 6 e 7 connettendoli all’uscita di un bipolo R/C, che nel caso del nostro schema è formato da R5 e C2; il segnale di controllo va applicato al pin 2 e deve consistere in un impulso a livello basso, ossia la tensione deve scendere al di sotto della soglia di commutazione del comparatore inferiore, quindi 1/3 Vcc (1/3 del potenziale che alimenta il piedino 8).
A riposo, ossia se il piedino 2 è a un potenziale superiore ad 1/3 di Vcc, l’uscita del comparatore inferiore è a livello basso e il flip-flop resettato, mentre se arriva un segnale audio tale da far scen-dere il potenziale, tale comparatore commuta la propria uscita ad 1 logico ed essendo l’uscita di quello superiore a livello basso perché C2 è scarico, il flip-flop viene settato e porta il proprio Q a livello alto e la /Q a zero, cosicché l’uscita (pin 3) va ad 1 logico.
Tale condizione ora lascia interdire il transistor collegato al DISCHARGE e, quindi, il condensatore elettrolitico C2 è libero di caricarsi, grazie alla corrente che fluisce nella R6 (perché il pin 7 non assorbe alcunché, essendo interdetto il transistor di scarica…) fin quando supera la tensione di soglia del comparatore inferiore, che è pari a 1/3 di quella applicata al piedino 8; ora l’uscita del suddetto comparatore si porta a zero logico e libera il SET del flip-flop, la cui uscita rimane comunque a livello alto fin quando la tensione ai capi del C2, continuando a crescere, non si porta a un valore superiore ai 2/3 della tensione di alimentazione del 555, ovvero alla soglia di commutazione del comparatore superiore.
Quando ciò accade, l’uscita del comparatore superiore si porta a livello logico alto e resetta il flip-flop, la cui uscita diretta passa a zero logico mentre la /Q si porta a livello alto, mandando in saturazione il transistor interno collegato al piedino 7, il quale attraverso R2 scarica C2. L’uscita del 555 ora commuta nuovamente nella condizione di riposo.
La situazione rimane questa fin quando la tensione del piedino di TRIGGER (2) non scende nuovamente al di sotto della soglia di 1/3 della Vcc; se ciò accade, l’uscita del timer produce un nuovo impulso di clock per il contatore U2.
La durata di ciascun impulso prodotto dall’NE555 nella configurazione monostabile appena descritta è pari a:
t = 1,1 x R6 x C2
ed è espresso in secondi se R6 è in Mohm è C2 in microfarad. Nel nostro caso l’impulso dura circa 2,9 millisecondi, avendo una resistenza di temporizzazione di 0,56 kohm e un condensatore da 4,7 microfarad.
Il ruolo del contatore
Stabilito come funziona il 555, possiamo proseguire l’analisi del circuito vedendo che il segnale impulsivo fornito dal piedino OUT pilota direttamente l’ingresso di clock dell’integrato U2, il quale è un decade-counter con uscite decimali (10 in tutto, numerate da 0 a 9). U2 è utilizzato per far attivare il relé ogni due battiti di mani, ovvero per fare in modo che ad ogni battito il relé RL1 inverta la propria condizione.
Il contatore è di tipo Johnson e internamente è formato da una cascata di cinque flip-flop di tipo D con l’ingresso di clock del primo connesso, tramite una porta logica NOR e una NOT (per consentire l’eventuale inibizione del clock attraverso la linea CLOCK INHIBIT, qui non utilizzata e perciò connessa a massa), al pin CLOCK dell’integrato (pin 14). Ogni flip-flop si comporta da divisore di frequenza per 2 e quindi per triggerare il successivo deve ricevere in ingresso due impulsi a livello logico alto; ne deriva che il contatore può dividere per 10.
Ma la struttura siffatta è binaria e prelevando le uscite dirette e complementate dei flip-flop si otterrebbe una rappresentazione binaria del conteggio, quindi nel CD4017 è stato implementato un decoder binario/decimale in grado di convertire le combinazioni logiche alle uscite dei flip-flop in formato decimale, ovvero attivare una sola uscita tra 0, 1, 2, 3, 4, 5, 6, 7, 8, 9 alla volta.
Quindi all’arrivo del primo livello logico alto (dopo un reset o l’accensione del circuito) l’uscita 0 passa a livello alto e le restanti rimangono a zero, al secondo impulso passa a livello logico alto l’uscita 1 (e le altre rimangono a zero) e via di seguito, fino al decimo impulso, che attiva l’uscita 9.
Dopo il contatore viene azzerato, l’uscita CARRY OUT (piedino 12) fornisce un impulso a 1 logico e il conteggio riprende dall’inizio, pertanto l’undicesimo impulso attiva l’uscita 0 e via di seguito.
Questo è ciò che accadrebbe se il contatore lavorasse con le uscite libere, ma nel nostro caso, come vedete dallo schema elettrico, sono state realizzate due connessioni particolari: la prima è quella dell’uscita D04 (che si attiva al raggiungimento del piedino CLK dal quarto impulso del monostabile) che risulta connessa direttamente al RST, tanto che al quarto battito di mani il contatore riparte da 0. La seconda è il parallelo delle uscite D01 e D02, che serve all’inversione dello stato del relé ad ogni “clap”.
Vediamo perché il circuito opera in questo modo, immaginando di partire con il timer resettato (a riposo) e di battere le mani: il segnale microfonico fa produrre un impulso di clock e il contatore, che inizialmente ha l’uscita 0 a livello alto, porta essa a zero e la D01 ad 1 logico, mandando in saturazione T2 ed eccitando così il relé.
Un ulteriore battito di mani fa avanzare il conteggio e stavolta D01 passa a livello basso e sale ad 1 la D02, che però non è collegata; ciò produce l’effetto di lasciare interdire il transistor e ricadere l’equipaggio mobile del relé.
Ancora un battito di mani e il contatore avanza, portando stavolta a livello alto D03, con il risultato di resettare il contatore ma al ritorno a zero, quindi il relé viene nuovamente azionato.
Ciò detto, possiamo concludere l’analisi dello schema elettrico con la sezione di alimentazione del circuito, che prevede una tensione continua, nel nostro caso tipicamente 12 volt, applicata tra i contatti PWR, dei quali il positivo è l’1 e il negativo il 2. Un diodo protegge il tutto dall’inversione di polarità.
Realizzazione pratica
Elenco Componenti:
R1, R5, R7: 18 kohm R2: 33 Kohm R3: 4,7 kohm R4: 100 ohm R6: 560 ohm C1, C3: 100 nF 63 VL poliestere C2: 4,7 µF 63 VL elettrolitico (ø 5mm) D1, D2: 1N4007 LD1, LED: 3 mm verde T1, T2: BC547B U1: NE555P U2: CD4017BE MIC1: Capsula microfonica preamplificata RL1: Relé 12V 1 scambio PWR: Plug DC OUT: Morsetto 3 vie 5.08 mm Varie: - Zoccolo 4+4 - Zoccolo 8+8 - Circuito stampato S1512 (56x53 mm)
Il vostro gadget è pronto all’uso giacché non richiede alcuna operazione di taratura preliminare e funziona da subito inserendo la pila nella presa a strappo.
Installatelo magari all’interno di una scatola per impianti elettrici o ad incasso, fornendogli tensione con un alimentatore, anche switching, da 10÷12Vcc (ne basta uno qualsiasi, anche piccolissimo e da un centinaio di milliampere); per il collegamento all’utilizzatore, che sia una lampada, una tapparella motorizzata, un’elettroserratura o che altro vi pare, connettete lo scambio del relé C-NC in serie a uno dei cavi di alimentazione, ricordando che se questo lo farete su un utilizzatore funzionante a 220 Vca dovrete sempre sconnettere la linea elettrica, agendo sul sezionatore o magnetotermico di pertinenza.
E soprattutto curate bene l’isolamento dei cavi, perché con l’alta tensione non si scherza!
Detto questo, possiamo concludere ricordandovi che il circuito può anche essere utilizzato come sensore, magari abbinato a una centralina per la gestione domotica.
