Hvorfor spare penger når du kan bygge det selv?

Kategorier: Gadgets & Moro

Ir-lysskranke
INFRARØD LYSSKRANKE: Pappas hjemmelagde garasjeport-sensor. Foto: Espen Andersen CC BY 4.0 (alle bilder om ikke annet er oppgitt)


Noen bruker mer penger på å lage duppeditter selv enn å kjøpe dem for lommerusk på eBay. Selv øynet jeg et hobbyprosjekt da garasjeporten hjemme skulle sikres med infrarød sensor.

Selvgjort er dårligere og dyrere, men veldig gøy. Tilfanget av billige elektroniske produkter og tjenester har redusert behovet for å bygge selv til null, men samtidig – og av samme grunn – har mulighetene for selvbygging aldri vært større.

Hvilket av disse poengene du synes er viktigst, avgjør om du er en idiot som meg eller ikke.

Ir-sender montert ved portåpning
DROPP REALITETSORIENTERINGEN: Hvis du skal ha det gøy med elektronikkprosjekter, må du stort sett lukke øynene for at andre allerede har masseprodusert dingsen til en betydelig lavere pris enn du klarer å bygge den for selv.

Såkalte infrarøde lysskranker brukes til mye rart, som for eksempel robotstyring i bilvaskehaller, detektering i alarmanlegg, automatisk spyling i urinaler og sikring av dører og porter i butikker, heiser og parkeringsanlegg.

Først, teknologien bak

En standard garasjeport-lysskranke består av to små enheter som monteres på hver side av portåpningen. Den ene fungerer som sender, den andre som mottaker. Mottakeren videresender et aktivt signal til styringselektronikken hvis det infrarøde lyset (IR-strålen) ikke er brutt slik at porten trygt kan senkes.

Prinsippskisse, lysskranke
I PORTÅPNINGEN: Prinsippet for en lysskranke. Når noe kommer i veien for IR-strålen, registreres det av mottakeren, som så slutter å sende «ok-signal» til styringselektronikken.

Dersom noe(n) kommer i veien mens porten er på vei ned, slutter mottakeren å sende signal. Motoren snur og porten går opp igjen. Mange garasjeportmotorer har lavspente tilkoblinger for slike sensorer som brukeren selv kan installere.

Elektronikken er i prinsippet enkel. Senderen har en lysdiode (LED), som sender ut en infrarød stråle i stedet for vanlig lys. Mottakeren har en fotodiode som ser IR-strålen.

På nettet finnes mange eksempler på hvordan bygge infrarøde lysskranker. Søk på «infrared light barrier» for å finne byggetegninger og kretsskjemaer.

Du finner også beskrivelser av hvordan signaloverføringen til ulike typer garasjeportmotorer foregår, slik som for eksempel denne YouTube-videoen.

Førsteutkast uten loddebolt

Noen utkast ble koblet opp på et såkalt breadboard, en eksperimentplate med standardiserte kontakthull. Du stikker komponentene nedi hullene for å sette sammen kjappe testløsninger uten bruk av loddebolt.

Breadboard med komponenter
IR-SENDER: Første versjon av kretsen er her koblet opp på et såkalt breadboard. IR-dioden er utstyrt med en liten reflektor, og står nede til høyre.

Lysskranken måtte ha tilstrekkelig effekt og rekkevidde for å fungere også i skarpt sollys. Jeg oppdaget tidlig at billige IR-dioder fra eBay ikke var noen god løsning.

Hos en av de seriøse elektronikkleverandørene fant jeg i stedet en kraftig IR-diode som fint hamler opp med dagslys selv når den er montert mange meter unna mottakeren.

Ir-diode, reflektor og linse
LYSSTERK: Jeg valgte en IR-diode med ekstra høy effekt. En reflektor og en passende linse sørget i tillegg for å konsentrere lyset mest mulig inn mot mottakeren. Delene ble satt sammen med litt epoxylim og et par krympeslanger.

IR-stråler er usynlige for det menneskelige øyet, men hvis du har et mobilkamera uten IR-filter, kan du rette det mot senderen. De vil du se den infrarøde strålingen lyse ganske voldsomt mot deg fra skjermen.

Blinkende ir-diode
USYNLIG: Lyset fra den infrarøde lysdioden er ikke mulig å se med det blotte øye, men når du filmer LED-en med et mobilkamera ser du hvor kraftig IR-strålingen faktisk er.

Blinker for å bli gjenkjent

I tillegg til å bruke en god sende-diode, må vi modulere IR-strålen. Både dagslys og kunstig lys har et betydelig innslag av infrarød stråling. Mottakeren bør ikke bli lurt av andre strålingskilder, derfor må lyset fra senderen skille seg ut.

For å løse problemet, lar vi sende-dioden blinke et visst antall ganger i sekundet. Mottakeren er finjustert til kun å kjenne igjen IR-lys som blinker med samme frekvens.

Plott fra oscilloskop
PULSTOG: IR-dioden blinker med en signalfrekvens på 10Hz (vist i blått), og med en bærefrekvens på 38kHz. De to frekvensene er lagt oppå hverandre, slik at bærefrekvensen sendes ut som et pulstog med 10 «vogner» i sekundet (vist i gult). Med denne konfigurasjonen kunne senderen og mottakeren stå mange meter fra hverandre uten at signalet fikk problemer med å nå frem.

Etter en del utprøving kom jeg frem til at en stabil løsning for min bruk, var å modulere IR-dioden to ganger. Først med en bærefrekvens på 38 000 ganger i sekundet (38 kHz), deretter med en fast signalfrekvens på 10 ganger i sekundet (10 Hz).

Tegne kretsskjema

Siste ledd i utprøvingen av designet var å koble oppsettet til garasjeportmotoren for å se om overføringen gikk som planlagt. Et par fremprovoserte garasjeport-nødstopp senere følte jeg meg ganske klar for å gå til tegnebordet.

Et skikkelig kretsskjema er nemlig en absolutt nødvendighet, når resten av prosjektet skal i havn med eventuelle tilpasninger og påfølgende kretskortdesign.

Testrigg på garasjegulvet
TEORI OG PRAKSIS: Med en versjon av sender og mottaker koblet opp på breadboard, kunne jeg teste om konseptet fungerte i den virkelige verdenen. Oscilloskopet viser «ok-signalet» som sendes tilbake til garasjeportmotoren så lenge ir-strålen ikke er brutt.

Tidene har forandret seg også når det gjelder såkalte EDA-programmer (Electronics Design Automations). For bare et par tiår siden kostet slike tegne- og designprogrammer fra et par tusenlapper for nedstrippede versjoner, til mange titall tusen for fullverdige utgaver.

Nå finnes det knallgode gratisprogrammer uten praktiske begrensninger, som enten er åpen kildekode-programmer eller friversjoner av kommersielle programvarepakker. KiCad er min personlige favoritt.

Kretsskjema
ARBEIDSTEGNING: Kretsskjemaet, tegnet ut i open source-programvaren KiCad. Senderkretsen til venstre, mottakerkretsen til høyre.

Prototyping

Med et ferdig kretsskjema i hånden, kunne jeg gå i gang med prototypen. På tide å varme opp loddebolten og finne frem et par stripboards, en type ferdigborede universalkretskort med etsede kobberbaner på baksiden. Nå var utfordringen å koble sammen innretningen nøyaktig etter diagrammet.

Kretskort og innkapsling
STRIPBOARD: Prøveversjon av sender og mottaker, laget helt etter tegningen. Prototypen gikk inn i to standard plastinnkapslinger. Bearbeidingen besto i å bore to hull i hver boks, til indikatorlys og IR-sender/-mottaker. Jeg måtte ta bort de to store blå kondensatorene og erstatte dem med to mindre utgaver for å få plass.

Kortene måtte ikke være større enn at de gikk inn i en temmelig trang plastinnkapsling. Innbyggingsboksen jeg valgte, har ører til veggmontering, og det er laget åpninger for utføring av signalkabel.

Da jeg hadde loddet sammen en fungerende prøveversjon av lysskranken, var det bare å installere den og innlede en evalueringsperiode på noen uker for å se at konstruksjonen ikke sviktet i praktisk bruk.

Det er mulig vår gode nabo undret seg over hvorfor jeg stoppet opp midt i åpningen med et engstelig blikk hver gang garasjeporten var på vei ned, for så å bryte ut i et selvtilfreds flir når porten faktisk stanset og gikk opp igjen.

Montering av sendermodul
UTPRØVING: Montering av protypen for testing på garasjeporten. Et laservater var nyttig for å få senderen og mottakeren nøyaktig plassert.

Design av kretskort

Jeg kunne nok slått meg til ro med den fungerende protoypen min, men det ville vært som å stoppe rett før målstreken fordi dommer, tidtaker og tilskuere har lagt seg for flere timer siden. Noen av oss kravler henrykt videre gjennom natta. Som de absolutt siste, for et hvert «no-nonsense» elektroprosjekt må jo ha et skikkelig kretskort!

Pc med KiCad
NÅR UNGENE ER I SENG: Nei, pappa surfer ikke på tvilsomme nettsider når han sitter alene i stua kl. 02 om natta. Han tegner kretskort.

Siden jeg hadde tegnet skjemaet, visste KiCad allerede hvordan delene skal kobles sammen. Resten av jobben besto i å finne akkurat de rette komponentmodellene blant flere tusen ferdigtegnede fotavtrykk og 3D-filer.

Med litt konsentrasjon lot komponentene seg greit plassere på et par fem ganger tre centimeter store kretskort. Til slutt ble lederbanene på over- og undersiden av kortene trukket opp, og den påtrykte teksten (silketrykket) tilpasset for å unngå å få maling der det skal loddes.

Grafikk fra KiCad
SLIK BLIR DET: Hvis du har lagt inn 3D-modeller av komponentene du bruker, kan KiCad vise deg sånn omtrent hvordan kretskortet vil se ut når det er ferdigmontert.

Programmet kontrollerer at du ikke gjør feil underveis, og varsler deg hvis du gjør tabber som å tegne lederbaner for tett, eller at de kortsluttes eller feilkobles på noe vis. Nettet er for øvrig fullt av veiledninger og foruminnlegg om hvordan tegne kretskort i KiCad.

Saltsyre og høyfjellssol

Det fantes en tid der gutterommet var eneste stedet det var mulig å fullføre prosjekter som dette innenfor en hensiktsmessig økonomisk ramme. Hvis du bare skulle ha et par kretskort, var det bare å glemme å gå til profesjonelle produsenter.

Gutteroms-prosessen med å overføre kretskort-layouten til kobberlaminatet var på den annen side ikke spesielt helsefremmende.

Den involverte loddestopp-lakk med dødningehode på boksen, natronlut og en sydende blanding av saltsyre og hydrogenperoksid. På toppen av det hele kom en såkalt høyfjellssol, en ultrafiolett strålekilde basert på kvikksølvdamp, så intens at den gjorde deg solbrent i løpet av tiden det tok å eksponere et par laminater.

Osra Ultra-Vitalux pære
HØYFJELLSSOL: Osrams 300 watts uv-pære var velegnet til å eksponere UV-følsomt kretskortlaminat på gutterommet, samtidig som den vedlikeholdt en kledelig rødfarge i trynet på uforsiktige elektronikkentusiaster.

En kretskort-produsent for hobbyister

De siste årene har det imidlertid dukket opp tjenester mellom fabrikkene og elektronikkentusiastene. Disse tjenestene kommer selvskaderne til unnsetning ved å eliminere behovet for å bade i saltsyre og uv-lys på hjemmebane.

OSH Park i USA er en av disse, og forretningsmodellen er like enkel som den er genial.

Konvolutt og kretskort
LILLA KRETSKORT: OSH Park produserer kortene for deg, og sender dem rett i postkassa fra USA. Lilla loddestopplakk er varemerket deres.

I stedet for å sende ett og ett prosjekt til kretskortprodusenten, samler OSH Park opp flere titall prosjekter om gangen. Når de har fått nok bestillinger til å fylle et stort panel på 46 x 61 cm med mange ulike hobbyprosjekter, sender de det til fabrikken, som dermed lager ett kjempestort kretskort i stedet for mange små.

Når det ferdigproduserte kretskortet kommer tilbake etter noen dager, knekkes det bokstavelig talt opp i enkeltprosjekter igjen, og sendes til sine respektive mottakere over hele kloden.

Produksjonskostnadene blir dermed fordelt på kanskje 60 ulike prosjekter, der prisen til hvert enkelt står i forhold til størrelsen på kretskortet.

Alt jeg behøvde gjøre, var å laste opp prosjektfilen fra KiCad, resten gikk av seg selv.

Webside
NETTBESTILLING: Etter å ha lastet opp KiCad-prosjektet ditt til OSH Park, får du nøyaktig pris, samt en forhåndsvisning av hvordan kretskortet ditt kommer til å se ut. Foto: Skjermbilde

Seks kretskort (tre av hvert) kostet godt under tollvesenets 350 kroners-grense. For totalsummen på rett over 25 dollar var til og med frakt inkludert.

OSH Park produserer for øvrig sine kort i USA, og de tilfredsstiller EUs miljøkrav (RoHS). Hør grunnleggeren av OSH Park, James Neal, fortelle mer om konseptet i videobloggen Hardware Hangout.

Den endelige versjonen

Å lodde komponentene på et kretskort man har fått laget selv, er nok et av høydepunktene underveis i slike prosjekter. Hvis jeg har gjort en grundig nok jobb med kretsskjemaet og merkingen av komponentplassene på kortet, skal heller ikke loddejobben kreve spesielt mye tankearbeid.

Lodding av kretskort
ENDELIG VERSJON: Denne gangen er lodde-jobben litt enklere. Hver komponentplass er merket av og nummerert slik at det er lett å finne den igjen på skjemaet.

Når både senderen og mottakeren var satt sammen, kalibrert og testet, gjensto siste finish: Å få alt sammen pent på plass i innkapslingene sine. Her krevdes litt tilpasninger.

Jeg valgte blant annet å lime linse-elementene fast til utsiden av boksen i stedet for å holde meg til den opprinnelige planen om å ha både linser og reflektor på innsiden.

Innkapsling og kretskort
SENDEREN: Linse-elementet ble limt fast på utsiden av innkapslingen med epoxylim. Reflektoren med ir-dioden ble limt fast på innsiden.

En pen 5mm innfatning til indikator-lysdiodene ga dessuten fronten på boksene et litt mer profesjonelt utseende enn bare et drillet hull.

Så lenge det varer…

Når både senderen og mottakeren var montert i hver sine innkapslinger, var tiden kommet til å pensjonere prototypene som jeg monterte noen uker tidligere. De har fungert uten problemer, og nå ble de ofret til fordel for en forhåpentlig enda mer stabil konstruksjon.

Ir-mottaker
I DRIFT: Ferdig versjon av mottakeren montert og justert. Med linsene påmontert, blir vinkelen og plasseringen i forhold til mottakeren viktigere.

Nå gjenstår det å se om konstruksjonen tåler langvarig bruk. Jeg har ikke finregnet på komponentverdiene, og må nok være forberedt på plutselig en morgen å stå rådvill foran en vidåpen garasje fordi porten ikke vil ned uansett hvor mye jeg prøver.

Jeg kan ikke forutsi når transistoren ryker eller IR-dioden tar kvelden, men kan ut fra erfaring anta at det blir en vintermorgen med et par og tjue minusgrader, helst mens jeg har to gretne unger i baksetet og veldig dårlig tid til jobben.

Men enn så lenge føler jeg meg litt ovenpå:

KiCad-prosjektfilene er for øvrig tilgjengelig på GitHub, og kretskort-layoutene er delt på OSH Park, for dem som måtte være helt spesielt interesserte. Men husk: All eventuell gjenbruk skjer på eget ansvar.

5 kommentarer

  1. Jeg pleier alltid å trykke på knappen for å lukke porten og så snike meg ut gjennom porten før den går helt ned. Blir for komplisert hvis jeg må stupe kråke mellom porten som er på vei ned og laserstråler nederst for å unngå at alarmen går og hele planen går i vasken.

    Men når det er sagt. Kjempeluddi prosjekt. Inspirasjon til å komme i gang med alle prosjektene som ligger og støver ned i boden. Mye gøyale ting å bruke sommeren på.

    Svar på denne kommentaren

    • Hei og takk for tilbakemelding!

      Jeg tror produsentene av garasjeport-motorene har tenkt på at ikke alle brukerne er kretsmestere i limbo. Hos meg er det en kort forsinkelse i styringselektronikken som gjør det mulig å smette forbi IR-strålen uten at porten bråstopper.

Legg igjen en kommentar

Din e-postadresse vil ikke bli publisert. Obligatoriske felt er merket med *. Les vår personvernserklæring for informasjon om hvilke data vi lagrer om deg som kommenterer.