Pioggia Improvvisa? Automatizza la Chiusura delle Tapparelle con un Sistema Domotico Fai-da-Te

Abbinato a un sensore di pioggia, tramite un relé può comandare la chiusura di una tenda da esterno, ma anche una tapparella motorizzata per evitare che la pioggia bagni gli infissi.

L’arrivo della stagione calda porta con sé, anche e soprattutto a causa dei cambiamenti climatici, fenomeni di precipitazione atmosferica improvvisi e intensi, tanto che se fino a qualche anno fa avevamo piogge distribuite nei mesi, da qualche tempo siamo purtroppo abituati a forti temporali con grandine anche piuttosto pericolosa, per tutto e tutti: in special modo per le tende da sole che si usa estendere sui terrazzi e sulle verande per ripararsi dal sol leone.

Se siamo al lavoro lontano da casa e arriva un forte temporale con vento e grandine, aver lasciato aperta la tenda magari per impedire che il sole surriscaldi una balconata, una porta finestra o un patio, può costare caro; non potendo avvisare alcuno che corra a chiuderla, l’ideale è optare per una tenda motorizzata asservita a un impianto domotico o a un semplice circuito come quello descritto in queste pagine, dove esponiamo un interruttore elettronico a soglia comandato da un sensore di pioggia.

Entriamo subito nel vivo spiegando di cosa si tratta: per rilevare la presenza della pioggia utilizziamo un semplicissimo sensore basato su un circuito stampato a singola faccia riportante piste interdigitate collegate da un lato a una piazzola e dal lato opposto a un’altra, fra le quali sono ricavate delle cave che consentono lo scolo dell’acqua in eccesso. Il sensore (cod. RN01) va disposto orizzontalmente all’esterno, con le piste rivolte verso l’alto, affinché in caso di pioggia si bagnino.

 

Come funziona l’automatismo per tende da sole

Quando le gocce d’acqua bagnano la superficie ramata e stagnata della basetta, a un certo punto il velo d’acqua le unisce e tanto maggiore è la quantità d’acqua, nonché la superficie delle piste che viene toccata dall’acqua, tanto minore diviene la resistenza elettrica fra le piste stesse; quindi tra i contatti di uscita del sensore RN01 in condizioni di sensore asciutto si rileva un circuito aperto (resistenza infinita) mentre man mano che l’acqua pervade la superficie della basetta ramata, si comincia ad apprezzare una resistenza via-via decrescente.

Collegando le due piazzole all’ingresso del circuito che ora vi descriveremo, ossia all’ingresso di un comparatore di tensione alimentato da una resistenza che fa partitore con quella del sensore, è possibile ottenere un livello di tensione in presenza di pioggia.

Più esattamente, il comparatore permette di commutare il proprio stato d’uscita quando il sensore è bagnato e con esso viene pilotato un monostabile la cui uscita controlla un relé, il cui scambio useremo per attivare a tempo il motore di avvolgimento della tapparella o tenda motorizzata; il monostabile è stato previsto per fare in modo che la chiusura dello scambio del relé avvenga per un determinato tempo e non a permanenza, a prescindere dallo stato di uscita del comparatore che triggera il monostabile stesso.

Poi, se la pioggia bagna discontinuamente il sensore, ad ogni commutazione del comparatore corrisponderà un nuovo impulso all’uscita del monostabile, sempre che l’uscita stessa non sia già eccitata.

 

 

Schema elettrico

Andiamo dunque a vedere come ciò venga realizzato, attraverso l’analisi dello schema elettrico del circuito elettronico interfacciato al sensore di pioggia; come vedete, il tutto si basa su un amplificatore operazionale configurato come comparatore non-invertente, la cui uscita triggera un monostabile realizzato con l’immancabile e versatile 555 in una configurazione un po’ inconsueta, almeno per quel riguarda la rete di trigger.

Partiamo analizzando la parte interfacciata sensore che rileva la pioggia e fornisce al 555 l’impulso di eccitazione: è realizzata grazie a una sezione del doppio comparatore LM393, siglato U1a nello schema elettrico, il cui ingresso invertente riceve una tensione di riferimento attraverso il trimmer da 10 kohm siglato R2; l’input non-invertente è invece polarizzato attraverso un partitore resistivo formato dalla resistenza R1 e il valore resistivo determinato tra i contatti SENS, a loro volta da collegare alle piazzole del sensore RN01.

A sensore asciutto, l’ingresso è praticamente aperto, pertanto il piedino 3 dell’U1a si trova a un potenziale pari a quello di alimentazione presente al pin 8, quindi superiore a quello applicato al piedino 2 (sempre che il cursore di quest’ultimo non venga portato all’estremo positivo) e l’uscita del comparatore si trova fissa a livello alto (circa 12 volt); quando piove e la resistenza tra i contatti SENS scende, a un certo punto il potenziale sull’ingresso non-invertente si porta a un valore inferiore a quello sull’invertente ed a quel punto l’uscita dell’U1a commuta dal livello alto a circa zero volt.

La quantità d’acqua (che influenza il valore di resistenza visto ai capi del condensatore C2, utilizzato per filtrare eventuali disturbi all’ingresso ed evitare false commutazioni del comparatore) necessaria a far portare a livello basso il piedino 1 dell’LM393, si regola con il trimmer R2 e, più esattamente, avvicinando il cursore al positivo di alimentazione il circuito diviene più sensibile, mentre portandolo nella direzione di massa occorrerà una maggior quantità di pioggia per far scattare il comparatore.

Andiamo adesso al monostabile, che verrà triggerato ogni qual volta l’uscita del comparatore U1a subirà una commutazione dal livello alto a quello basso. Come accennato, il monostabile fa capo all’integrato NE555 siglato U2, collegato nella configurazione canonica eccetto per la rete di trigger, la quale si avvale di due resistenze di pull-up (una prima del condensatore e una dopo) e di un ulteriore resistore di scarica del condensatore C3. Prima di spiegare il funzionamento del monostabile spieghiamo cosa c’è all’interno del timer 555 e come funzionano gli stadi correlati.

Qualunque ne sia il produttore, il 555 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; dei 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 (THR, ossia Threshold) e l’invertente di quello superiore, corrispondente al piedino 2 (TRI, 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 (CV, 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).

Più esattamente, nella configurazione astabile, abbassando la tensione sul piedino 5 si accorcia il periodo della commutazione dell’uscita e quindi si incrementa la frequenza generata, viceversa lasciando salire la tensione fino al livello caratteristico (a vuoto, ossia senza alcun circuito collegato al piedino 5) o incrementandola si allunga il periodo e si riduce la frequenza prodotta.

Nella configurazione monostabile, invece, la tensione altera la durata degli impulsi, il che permette, pilotando il trigger con impulsi a frequenza costante, di ottenere un modulatore PWM.

Le uscite dei comparatori pilotano una il RESET (quella del comparatore superiore) e l’altra l’ingresso di 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 esattamente opposto 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 DIS (Discharge, 7).

Il transistor può commutare una corrente di collettore di 200 mA, utilizzato in modo sink (ad assorbimento di corrente). L’uscita diretta, Q, è invece collegata al piedino OUT (3) dell’integrato attraverso un buffer interno push-pull, capace di erogare un massimo di 200 mA.

Il negativo di alimentazione, vale a dire la massa di riferimento 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.

Dal momento che nel nostro circuito usiamo il timer 555 per produrre impulsi di durata costante ad ogni attivazione del suo input di trigger, andiamo dunque a vedere come il 555 funziona da monostabile, configurazione, questa, che prevede i piedini 4 e 8 fissi al positivo di alimentazione (in modo da disattivare il reset forzato RST) e il 4 (GND a massa); inoltre i piedini 6 e 7 sono uniti e connessi a massa mediante il condensatore di temporizzazione C4 e al positivo di alimentazione tramite la resistenza di temporizzazione (Rt) composta dalla serie del trimmer R8 e del resistore fisso R9.

 

Ogni volta che il piedino 2 viene portato per un istante a livello logico basso, l’uscita (pin 3) del 555 fornisce un impulso di durata pari a:

t = 1,1 x Rt x C4 = 1,1 x (R8+R9) x C4

vale a dire 1,1 volte la costante di tempo (t) di carica del C4.

Il trimmer, come è intuibile, consente di variare il tempo di durata dell’impulso ed essendo connesso a reostato semifisso, quando il cursore si avvicina ai piedini 6 e 7 accorcia tale intervallo, mentre se ruotato nella direzione opposta causa l’aumento della durata.

Con il trimmer tutto escluso (cortocircuitato) la durata dell’impulso a livello alto sul piedino 3 vale:

t = 1,1 x 1 kohm x 100 µF = 0,11 secondi

Invece inserendo l’intera resistenza del trimmer, la durata arriva a:

t = 1,1 x 101 kohm x 100 µF = 11,1 secondi

Per farvi capire cosa accade nel circuito analizziamo, con l’aiuto dello schema interno del 555 proposto nella Fig. 2, il funzionamento del circuito partendo con il condensatore elettrolitico C4 scarico e considerando che, essendo i pin 6 e 7 uniti, l’ingresso non-invertente del comparatore superiore e il collettore del transistor di Discharge sono collegati insieme al + del C4; in tali condizioni, inizialmente l’uscita del comparatore superiore si trova a livello basso e il piedino 2, ammettendo C3 scarico e l’uscita del comparatore U1a a riposo (niente pioggia) è a livello alto.

Per effetto di ciò, SET e RESET del flip-flop sono a riposo e il transistor si trova in interdizione, il che lascia che l’elettrolitico venga caricato, finché la tensione ai suoi capi non supera quella di riferimento del comparatore superiore, allorché il flip-flop viene resettato e il transistor va in saturazione, scaricando il C4. Ora il 555 rimane in tale condizione di riposo, almeno finché non riceve un impulso di trigger.

Quando il comparatore LM393 commuta lo stato della propria uscita dal livello alto a quello basso (la condizione viene evidenziata dall’accensione del LED LD1, alimentato attraverso la resistenza R4) a causa del rilevamento di acqua da parte del sensore RN01, l’armatura di sinistra del condensatore C3 viene trascinata a massa e siccome il condensatore è inizialmente carico con polarità positiva su di essa, si scarica e poi assorbe corrente dalla resistenza di pull-up R5, determinando un abbassamento istantaneo (che tende poi ad annullarsi quando C3 si ricarica con polarità positiva verso il piedino di trigger del 555) del potenziale sul piedino 2 dell’U2 e triggerando così il monostabile. Infatti il piedino 2 porta l’ingresso invertente ad un potenziale inferiore a quello del riferimento interno, settando così il flip-flop, la cui uscita si porta a livello basso e sblocca il transistor, lasciando il pin 7 aperto e consentendo alla corrente in arrivo dalla serie R8-R9 di caricare il condensatore C4.

Intanto e per effetto di ciò, l’uscita del 555 (piedino 3) si porta a livello logico alto. Quando C4 si carica abbastanza da presentare ai piedini 6 e 7 un potenziale che supera quello di riferimento del comparatore superiore, il flip-flop interno al 555 viene nuovamente resettato e l’uscita (pin 3) torna a zero logico; come accennato, questo richiede un tempo pari a 1,1 volte la costante di tempo del C4.

Notate che anche se l’uscita dell’LM393 permane a livello logico basso per un tempo prolungato, a causa della presenza della pioggia, il monostabile basato sul 555, una volta triggerato non attiva nuovamente la propria uscita; affinché ciò avvenga occorre che il sensore di pioggia torni ad asciugarsi abbastanza da far tornare a livello alto il piedino 1 dell’U1a (in tal caso C3 si scarica e torna a caricarsi con polarità positiva verso lo stesso pin 1) e solo allora, in caso di ritorno a zero logico, il 555 potrà essere nuovamente eccitato, determinando una nuova attivazione del relé.

Andando avanti nell’analisi dello schema elettrico, vediamo che ogniqualvolta l’uscita dell’U2 si trova a livello alto, la base del transistor T1 viene polarizzata fino alla saturazione grazie al partitore resistivo R6-R7, allorché il collettore dell’NPN si porta a un potenziale di poche centinaia di millivolt e fa fluire corrente attraverso la bobina del relé RL1 e nel LED LD2 (utilizzato come spia dell’attivazione del relé) che è polarizzato attraverso la R10.

In tale condizione lo scambio del RL1 si chiude (per un tempo pari a quello di attivazione del 555) tra i contatti C ed NO e può controllare un circuito elettrico, anche ad alta tensione, come ad esempio quello del pulsante di chiusura della tapparella o tenda motorizzata (allo scopo i contatti possono essere collegati in parallelo ai corrispondenti del pulsante deviatore di comando manuale).

Al solito, in parallelo alla bobina del relé abbiamo collegato un diodo che ha lo scopo di spegnere le extratensioni inverse che la bobina stessa tende a generare quando il transistor la priva della corrente.

Il collettore del transistor è stato portato anche sul connettore CN2, dove corrisponde al polo OUT; lo scopo è consentire il pilotaggio di ingressi di centraline domotiche o dispositivi di segnalazione locale o remota.

L’intero circuito va alimentato a tensione continua del valore di 12 V tramite i contatti + e – PWR; la linea di alimentazione, filtrata dal condensatore C1, è stata estesa tramite il connettore CN1, che ha due poli per il positivo e altrettanti per il negativo; CN1 serve ad esempio per alimentare altri tipi di sensore o circuiti ausiliari.

 

Realizzazione pratica

Iniziate il montaggio dei componenti (tutti a montaggio tradizionale, per la gioia di chi non familiarizza con gli SMD…) con le resistenze, il diodo al silicio D1, i due trimmer e i condensatori non polarizzati, quindi procedendo con gli zoccoli per gli integrati LM393 e 555 (richiedono entrambi zoccoli dip 4+4 contatti (montate gli integrati una volta saldati tutti gli altri componenti).

Passate ai due LED (ricordate che il loro catodo è l’elettrodo dal lato smussato del contenitore) e alle tre morsettiere a passo 5 mm che vi serviranno a connettere il sensore (SENS, bipolare) l’alimentazione (PWR bipolare) e lo scambio del relé (C, NO, NC, tripolare). Inserite e saldate poi l’elettrolitico e i pin-strip per realizzare CN1 e CN2.

Per l’orientamento dei componenti polarizzati fate riferimento al disegno di montaggio visibile in queste pagine.

Una volta completato il montaggio e verificatane l’esattezza, con un cavetto bipolare di lunghezza adeguata collegate la piastrina del sensore RN01 alla morsettiera SENS (stando attenti a fare un’ansa da rivolgere verso il basso in modo che se il cavo si bagnasse non porti l’acqua fino al PCB) e poi connettete l’uscita dell’alimentatore (con uscita da 12Vcc, almeno 100 mA di corrente…) alla morsettiera PWR rispettando la polarità indicata; fate un primo test portando inizialmente il cursore del trimmer R2 a metà corsa e lasciando R8 al minimo.

Provate a bagnare il sensore e verificate che il LED LD1 si accenda, altrimenti agite sul cursore dell’R2 fino a vederlo accendersi. In tal caso sentirete anche scattare il relé, che ricadrà una volta esaurito il tempo impostato con R8. Se tutto va come indicato, il vostro dispositivo è pronto per l’installazione.