В этой статье я расскажу о конструкции автоматического привода штор, установленного у меня на балконе. Там у нас растут цветы, которым вреден прямой солнечный свет. Кроме того, летом, если окна балкона закрыты, при прямом солнечном свете воздух на балконе быстро перегревается. Однако когда прямого света нет, шторы желательно открыть - тень тоже не способствует росту цветов. Поэтому, для поддержания на балконе приемлемой освещенности, я автоматизировал работу штор.
Механика
Шторы изначально уже были на балконе. Их две, обе подвешены на металлическом тросике, протянутом под потолком от одной стены балкона до другой. Понятно, что передвигать нужно сразу обе шторы, при этом из-за трения штор об тросик (он достаточно шершавый) требуемая сила должна быть достаточно велика. Кроме того, иногда на пути шторы могут встречаться препятствия, например, приоткрытое окно балкона, что еще больше увеличивает требования к силе.Таким образом, привод должен быть достаточно мощным и надежным - на балконе часто бывает повышенная влажность, возможна достаточно большая разница температур зимой и летом. Поэтому основой привода я сделал автомобильный привод стеклоподъемника. Он обладает достаточной мощностью, способен выдавать большой крутящий момент (в него встроен червячный редуктор) и очень надежен.
Схема механической части привода показана ниже:
Подробнее о конструкции. На вале привода стеклоподъемника (слева на схеме) закрепляется пластиковый ролик с проточкой, на который намотан виток веревки. Привод закрепляется на одной из стен балкона. На противоположной стене крепится такой же ролик, через который также пробрасывается веревка.
После этого веревка натягивается, так что трения веревки на ролике привода хватает для перемещения штор. Противоположные концы каждой шторы крепятся к веревке так, чтобы при вращении мотора штора раздвигалась или сдвигалась.
Для проверки работы привода я сделал его уменьшенную модель. Привод стеклоподъемника и независимый ролик закрепил на доске, натянул между ними веревку, после чего можно было проверять работу электроники и измерять силу, развиваемую приводом.
Фотография самого привода на макете:
Как видно из фотографии, к приводу стеклоподъемника прикреплена достаточно крупная тонкая пластина (я использовал текстолит). К ней крепится металлический уголок с двумя отверстиями, через которые пропущена веревка. Он нужен для того, чтобы виток веревки на ролике не путался, для этого отверстия в уголке сделаны на разной высоте относительно пластины.
Правее уголка - концевые выключатели, нужные для остановки штор к крайних положениях. Для того, чтобы обозначить эти положения, на веревку надеваются две пластиковые трубочки (на фотографии рядом с нижним выключателем видна только одна из них). Трубочки располагаются так, что при достижении шторой крайнего положения одна их них нажимает на выключатель, при этом для надежного нажатия рядом с каждым из выключателей крепится металлическая пластинка, которая прижимает трубочку к выключателю.
Три металлические стойки, прикрепленные к пластине, нужны для крепления крышки привода.
Оба ролика для веревки сделаны из колес для мебели. Используя дрель и напильник, в каждом из них нужно проточить канавку, в канавке ролика привода должны укладываться два витка веревки. Ролик привода крепится на валу за счет натяжения, при этом отверстие в нем пришлось расточить до квадратного, так как вал привода квадратный.
Привод крепится к стене балкона при помощи подходящих мебельных уголков (один из них виден на фотографии слева). В приводе стеклоподъемника достаточно крепежных отверстий, так что проблем с креплением не возникает.
Вид привода, уже прикрепленного к стене и закрытого крышкой:
Для того, чтобы натягивать веревку, используется специальный винт с гайкой, к которому крепятся концы веревки:
Также к нему прикреплен конец одной из штор.
Электроника
Вся электроника у меня разбита на две части - силовую и управляющую. Главная задача силовой части - обеспечение питания двигателя привода. Привод стеклоподъемника может потреблять очень большой ток. Для уменьшения этого тока я уменьшил напряжение питания привода до 5 вольт, но даже при этом максимальный ток, потребляемый двигателем, может доходить до 3А. Чтобы обеспечить такой ток, я использовал блок питания от принтера, способный выдавать напряжение около 30В и ток до 0.7А, а так же DC-DC преобразователь до 5В. За счет понижения напряжения DC-DC вполне способен выдать нужный ток.Управление питанием двигателя производится при помощи мощного реле, предназначенного для изменения полярности сигнала, и MOSFET, управляющего подачей напряжения на двигатель. Благодаря использованию MOSFET можно регулировать скорость вращения двигателя, но в данный момент эта возможность не используется.
Также на силовой части установлены стабилизаторы, предназначенные для питания управляющей электроники и цепь контроля питания двигателя. Стабилизаторы питаются от более низковольтной цепи блока питания, напряжение там не превышает 12В.
Управляющая электроника представлена микроконтроллером STM8S. Контроллер выполняет достаточно много функций - измерение освещенности, принятие решения о запуске привода, контроль за положением штор по концевым выключателем, управление питанием привода, управление приводом в ручном режиме - по командам пульта ДУ. Кроме того, к контроллеру подключен радиомодуль на NRF24L01 и шина 1-Wire, по которой подключены три датчика температуры. При помощи радиомодуля можно управлять приводом и считывать значения температуры в разных точках балкона и на улице, однако в данный момент второй радиомодуль подключен только к макетной плате, так что далее этот функционал я рассматривать не буду.
Используемый блок питания от принтера имеет вход для перевода его в состояние Stand-by. Его я тоже использую, благодаря чему уменьшается потребление энергии конструкцией. В программе учитывается, что блок питания переходит в рабочий режим с определенной задержкой, а после 30 секунд бездействия привода блок питания опять переходит в режим Stand-by.
Индикация работы привода - при помощи трехцветного светодиода (используются только синий и красный диоды). Синий загорается при подаче напряжения на двигатель, красный начинает периодически мигать при наличии ошибок в работе привода. Число вспышек позволяет определить номер ошибки.
Для звуковой сигнализации некоторых событий (например, при подаче команды на закрытие уже закрытых штор) используется сам двигатель привода. На него подается ШИМ сигнал с маленьким коэффициентом заполнения, в результате чего двигатель достаточно громко пищит.
В качестве датчика освещенности используется фоторезистор, прикрепленный присоской к окну. Так как присоска может отпасть от окна, рядом с фоторезистором расположена маленькая кнопка. Пока присоска держится на окне, кнопка прижата к окну. Если присоска отпадет, автоматическая работа привода прекращается и начинает мигать красный диод. Если датчик не подключен к разъему, то это тоже обнаруживается контроллером.
Вид датчика освещенности:
Так как освещенность датчика может резко изменяться - из-за различных вспышек на улице, переменной облачности, то данные от датчика приходится фильтровать. У меня реализован следующий алгоритм обработки: данные от датчика оцифровываются с частотой 10Гц, и записываются в массив. Раз в секунду значение этого массива усредняется (в первую очередь это нужно для фильтрации шумов и вспышек). Далее полученные значения добавляются в другой массив размерностью 600 элементов, после достижения конца массива запись начинается с его начала. Также каждую секунду производится анализ этого массива - контроллер подсчитывает, какой процент элементов массива меньше определенного порога (с ростом освещенности напряжение на выходе фотодатчика падает). Если значения более 66% элементов меньше заданного порога - то считается, что освещенность достаточно велика, и шторы можно закрывать. Таким образом проводится фильтрация периодических изменений освещенности. При этом на частоту работы привода тоже наложено ограничение - в автоматическом режиме мотор включается не чаще раза в десять минут.
Как я упоминал выше, имеется возможность управлять шторами с пульта ДУ. При помощи пульта можно полностью открыть и закрыть шторы, частично открыть их, запустить привод по мгновенному значению освещенности.При управлении с пульта ограничений на частоту работы привода нет.
Также есть возможность программно перезагрузить контроллер.
При передвижении штор контроллер следит за состоянием концевых выключателей. Если после начала движения соответствующий выключатель не сработает в течении 20 секунд, работа мотора прекращается. Чтобы продолжить работу привода после устранения неисправности, как раз и нужно перезагрузить контроллер.
Вся электроника установлена в стандартный пластмассовый корпус.
Электропривод для жалюзи
(видео в конце обзора)
В рамках реализации идеи "умный дом", было у меня давнее желание - приобрести жалюзи с электроприводом, или как их еще иногда называют - "моторизированные жалюзи". Пластиковые окна давно установлены, жалюзи (обычные, алюминиевые) давно куплены и прекрасно выполняют свою функцию. Но вот задался я целью оснастить их электроприводом. И изучив предложения на рынке малость прифегел от цен! На одно окно некоторые фирмы предлагают электро жалюзи по цене 30 тыс руб! Окно у меня трехсекционное. Выходит цена будет 90 тыс. руб! Это уже даже не смешно... Причем жалюзи мне неприменно придется менять, на "правильную" модель, к которой подходят фирменные электроприводы. В общем все это меня мягко говоря не устраивало. На EBay тоже не нашел нормальных вариантов. Может не там искал?... Что бы и не дорого, и к своим имеющимся жалюзям можно было прикрутить. В этоге поразмыслив на досуге, пришел к выводу, что сложного то тут ни чего нет, и можно вполне все сделать самому.
И так, тема с одной стороны для тех, у кого есть огромное желание получить жалюзи с электроприводом, и с другой, имеется умение творчески поработать руками
Что мы имеем?
Классические алюминиевые жалюзи. Окно у меня трехстворчатое, а значит и жалюзей 3 штуки.
Как и у большинства подобных жалюзи, управление здесь реальзовано по простой классической схеме: тянем веревочку - поднимаем жалюзи наверх, крутим пластиковую палочку (в одну или другую сторону) - створки жалюзи открываются или закрываются поворачиваясь.
Здесь собственно есть вариации потребностей. Электропривод можно сделать на поднятие жалюзи вверх. Либо на поворот створок (открытие и закрытие). Можно конечно же сделать и то и другое одновременно. Так как я в посведневной жизни чаще всего использую именно механизм поворота "лопастей", открывая или закрывая окно, то именно на это и было решено сделать электропривод.
Сразу хочу сказать, что реализации идеи самодельных моторизованных жалюзи не ограничивает Вас в фантазии. Можно сделать управление с пульта, управление по датчику внешнего освещения, датчику движения, можно сделать автоматическую работу по таймеру (например вечером жалюзи закрываются, утром открываются). Причем все это можно выполнить практически на простом, бытовом уровне. Таймер можно использовать обычный, который управляет розеткой. По поводу ДУ управления с пульта - так же можно задействовать многочисленные устройства, втыкающиеся между розеткой и потребителем, управляемые дистанционно. Таких сейчас продается море и стоят они совсем не дорого. Подключется все это элементарно.
Мне лично не нужен беспроводной пульт ДУ. Проводной пульт, стоящий на столе возле компьютера меня вполне утроит. В таймере тоже необходимости не испытываю (во всяком случае пока). Так что в своем обзоре я опишу реализацию "моторизированных жалюзи" под себя. Хотя вариантов автоматизации здесь может быть конечно же очень много. И совсем не за те бешенные деньги, которые сейчас все это стоит на рынке.
И так:
Основной идеи было создания механизма, при котором не будут повреждены сами жалюзи и их конструкция. Я как то не люблю портить хорошие вещи, поэтому руководствовался принципом внесения как можно меньших изменений в жалюзи. Делал с оглядкой на то, что бы можно было все разобрать и вернуть жалюзи в первоначальное состояние.
Основным центром реализации идеи являются моторы. Немного изучив EBay, я нашел в продаже всевозможные "движители" на любой вкус. Главное тут купить мотор с редуктором. Это позволит с одной стороны выбрать (при покупке) любую необходимую скорость вращения вала, и с другой, усилие вращения будет достаточным, что бы вращать ручку жалюзи.
Прикинув, сколько оборотов делает ручка жалюзи, что бы их открыть или закрыть, я остановился на моторе со скоростью вращения вала 15 оборотов в минуту (вообще можно было взять и побыстрее). Питающее напряжение 12 вольт. Ищутся такие моторы на EBay очень просто. Есть варианты с разной скоростью вращения. Каждый сможет подобрать себе то, что нужно.
В поиске EBay пишем: Motor 12v 15 rpm
(rpm - скорость вращения вала).
3 мотора стоимостью 13$ за штуку были куплены и скоро приехали ко мне из китая.
Очень важно, что бы моторы были реверсивные. Это значит, что при смене полярности, вал может крутиться в обратную сторону. Не все моторы это умеют. Если найдете как у меня на фото, можете смело брать. Они бывают 15, 20, 30, 50 rpm и т.д.. и выглядят внешне одинаково.
День работы и все готово! УРА!
Можно откинуться в кресле, выпить кофе, кто курит - курите
Видео как все это работает. Длина кабеля у пульта 10 метров. Видео можно посмотреть в HD качестве непосредственно на YouTube.:
Спасибо за внимание к моему обзору.
На вопросы отвечу.
Если есть другие идеи/варианты реализации электроприводов для классических жалюзи, пишите, будет интересно.
На мой личный взгляд наибольший интерес вызывают конструкции, позволяющие моторизировать любые имеющиеся жалюзи, а не покупать какие то специальные модели под определенный привод.
В этой статье я расскажу о конструкции автоматического привода штор, установленного у меня на балконе. Там у нас растут цветы, которым вреден прямой солнечный свет. Кроме того, летом, если окна балкона закрыты, при прямом солнечном свете воздух на балконе быстро перегревается. Однако когда прямого света нет, шторы желательно открыть - тень тоже не способствует росту цветов. Поэтому, для поддержания на балконе приемлемой освещенности, я автоматизировал работу штор.
Механика
Шторы изначально уже были на балконе. Их две, обе подвешены на металлическом тросике, протянутом под потолком от одной стены балкона до другой. Понятно, что передвигать нужно сразу обе шторы, при этом из-за трения штор об тросик (он достаточно шершавый) требуемая сила должна быть достаточно велика. Кроме того, иногда на пути шторы могут встречаться препятствия, например, приоткрытое окно балкона, что еще больше увеличивает требования к силе.
Таким образом, привод должен быть достаточно мощным и надежным - на балконе часто бывает повышенная влажность, возможна достаточно большая разница температур зимой и летом. Поэтому основой привода я сделал автомобильный привод стеклоподъемника. Он обладает достаточной мощностью, способен выдавать большой крутящий момент (в него встроен червячный редуктор) и очень надежен.
Схема механической части привода показана ниже:
Подробнее о конструкции. На вале привода стеклоподъемника (слева на схеме) закрепляется пластиковый ролик с проточкой, на который намотан виток веревки. Привод закрепляется на одной из стен балкона. На противоположной стене крепится такой же ролик, через который также пробрасывается веревка.
После этого веревка натягивается, так что трения веревки на ролике привода хватает для перемещения штор. Противоположные концы каждой шторы крепятся к веревке так, чтобы при вращении мотора штора раздвигалась или сдвигалась.
Для проверки работы привода я сделал его уменьшенную модель. Привод стеклоподъемника и независимый ролик закрепил на доске, натянул между ними веревку, после чего можно было проверять работу электроники и измерять силу, развиваемую приводом.
Фотография самого привода на макете:
Как видно из фотографии, к приводу стеклоподъемника прикреплена достаточно крупная тонкая пластина (я использовал текстолит). К ней крепится металлический уголок с двумя отверстиями, через которые пропущена веревка. От нужен для того, чтобы виток веревки на ролике не путался, для этого отверстия в уголке сделаны на разной высоте относительно пластины.
Правее уголка - концевые выключатели, нужные для остановки штор к крайних положениях. Для того, чтобы обозначить эти положения, на веревку надеваются две пластиковые трубочки (на фотографии рядом с нижним выключателем видна только одна из них). Трубочки располагаются так, что при достижении шторой крайнего положения одна их них нажимает на выключатель, при этом для надежного нажатия рядом с каждым из выключателей крепится металлическая пластинка, которая прижимает трубочку к выключателю.
Три металлические стойки, прикрепленные к пластине, нужны для крепления крышки привода.
Оба ролика для веревки сделаны из колес для мебели. Используя дрель и напильник, в каждом из них нужно проточить канавку, в канавке ролика привода должны укладываться два витка веревки. Ролик привода крепится на валу за счет натяжения, при этом отверстие в нем пришлось расточить до квадратного, так как вал привода квадратный.
Привод крепится к стене балкона при помощи подходящих мебельных уголков (один из них виден на фотографии слева). В приводе стеклоподъемника достаточно крепежных отверстий, так что проблем с креплением не возникает.
Вид привода, уже прикрепленного к стене и закрытого крышкой:
Для того, чтобы натягивать веревку, используется специальный винт с гайкой, к которому крепятся концы веревки:
Также к нему прикреплен конец одной из штор.
Электроника
Вся электроника у меня разбита на две части - силовую и управляющую. Главная задача силовой части - обеспечение питания двигателя привода. Привод стеклоподъемника может потреблять очень большой ток. Для уменьшения этого тока я уменьшил напряжение питания привода до 5 вольт, но даже при этом максимальный ток, потребляемый двигателем, может доходить до 3А. Чтобы обеспечить такой ток, я использовал блок питания от принтера, способный выдавать напряжение около 30В и ток до 0.7А, а так же DC-DC преобразователь до 5В. За счет понижения напряжения DC-DC вполне способен выдать нужный ток.
Управление питанием двигателя производится при помощи мощного реле, предназначенного для изменения полярности сигнала, и MOSFET, управляющего подачей напряжения на двигатель. Благодаря использованию MOSFET можно регулировать скорость вращения двигателя, но в данный момент эта возможность не используется.
Также на силовой части установлены стабилизаторы, предназначенные для питания управляющей электроники и цепь контроля питания двигателя. Стабилизаторы питаются от более низковольтной цепи блока питания, напряжение там не превышает 12В.
Управляющая электроника представлена микроконтроллером STM8S. Контроллер выполняет достаточно много функций - измерение освещенности, принятие решения о запуске привода, контроль за положением штор по концевым выключателем, управление питанием привода, управление приводом в ручном режиме - по командам пульта ДУ. Кроме того, к контроллеру подключен радиомодуль на NRF24L01 и шина 1-Wire, по которой подключены три датчика температуры. При помощи радиомодуля можно управлять приводом и считывать значения температуры в разных точках балкона и на улице, однако в данный момент второй радиомодуль подключен только к макетной плате, так что далее этот функционал я рассматривать не буду.
Используемый блок питания от принтера имеет вход для перевода его в состояние Stand-by. Его я тоже использую, благодаря чему уменьшается потребление энергии конструкцией. В программе учитывается, что блок питания переходит в рабочий режим с определенной задержкой, а после 30 секунд бездействия привода блок питания опять переходит в режим Stand-by.
Индикация работы привода - при помощи трехцветного светодиода (используются только синий и красный диоды). Синий загорается при подаче напряжения на двигатель, красный начинает периодически мигать при наличии ошибок в работе привода. Число вспышек позволяет определить номер ошибки.
Для звуковой сигнализации некоторых событий (например, при подаче команды на закрытие уже закрытых штор) используется сам двигатель привода. На него подается ШИМ сигнал с маленьким коэффициентом заполнения, в результате чего двигатель достаточно громко пищит.
В качестве датчика освещенности используется фоторезистор, прикрепленный присоской к окну. Так как присоска может отпасть от окна, рядом с фоторезистором расположена маленькая кнопка. Пока присоска держится на окне, кнопка прижата к окну. Если присоска отпадет, автоматическая работа привода прекращается и начинает мигать красный диод. Если датчик не подключен к разъему, то это тоже обнаруживается контроллером.
Вид датчика освещенности:
Так как освещенность датчика может резко изменяться - из-за различных вспышек на улице, переменной облачности, то данные от датчика приходится фильтровать. У меня реализован следующий алгоритм обработки: данные от датчика оцифровываются с частотой 10Гц, и записываются в массив. Раз в секунду значение этого массива усредняется (в первую очередь это нужно для фильтрации шумов и вспышек). Далее полученные значения добавляются в другой массив размерностью 600 элементов, после достижения конца массива запись начинается с его начала. Также каждую секунду производится анализ этого массива - контроллер подсчитывает, какой процент элементов массива меньше определенного порога (с ростом освещенности напряжение на выходе фотодатчика падает). Если значения более 66% элементов меньше заданного порога - то считается, что освещенность достаточно велика, и шторы можно закрывать. Таким образом проводится фильтрация периодических изменений освещенности. При этом на частоту работы привода тоже наложено ограничение - в автоматическом режиме мотор включается не чаще раза в десять минут.
Как я упоминал выше, имеется возможность управлять шторами с пульта ДУ. При помощи пульта можно полностью открыть и закрыть шторы, частично открыть их, запустить привод по мгновенному значению освещенности.При управлении с пульта ограничений на частоту работы привода нет.
Также есть возможность программно перезагрузить контроллер.
При передвижении штор контроллер следит за состоянием концевых выключателей. Если после начала движения соответствующий выключатель не сработает в течении 20 секунд, работа мотора прекращается. Чтобы продолжить работу привода после устранения неисправности, как раз и нужно перезагрузить контроллер.
Вся электроника установлена в стандартный пластмассовый корпус:
Один из выключателей нужен для перевода электроники в автоматический режим работы, второй позволяет полностью отключить питание мотора.
При помощи гнезд Jack 3.5мм к устройству подключаются датчик освещенности, TSOP для приема данных от пульта, и внешние термодатчики.
Белым колпачком закрыт светодиод - так его видно под любым углом.
Вид собранного и установленного на свое место блока электроники:
Видео работы привода (управление с пульта):
Устройство электропривода для управления шторами означает значительное повышение комфорта в помещении. Кроме удобства манипуляций со шторами, такой электропривод гарантирует наивысшую степень сохранность комплекса штор. Это объясняется тем, что усилия электропривода прилагаются к шторам, бегункам и направляющим профилям в наиболее естественном направлении - вдоль линии движения. Такое естественное и рациональное приложение усилий гарантирует наименьший износ всех компонентов и такой же наименьший риск их поломки, прежде всего - бегунков и крючков .
Электропривод штор своими руками - основные узлы такого устройства прикрыты простейший ширмой.
Из-за того, что устройство привода требует размещения управляющего троса - корда - передающего усилия на бегунки, такие шторы с электрическим управлением можно делать, когда используются потолочные карнизы. Управляющий корд можно спрятать в одну из полостей карнизного профиля, специально предназначенного для такого конструктивного решения. Именно такой профиль, предназначенный для штор с управлением, и выбирает домашний мастер для реализации своих планов.
Некоторые домашние умельцы устраивают электропривод и для штор, размещенных на обычном алюминиевом или даже пластиковом карнизном потолочном профиле. Дело в том, что комплекс штор, чаще всего, устраивается вблизи окна и в таком месте вполне возможно скрыть видимый корд управления с помощью незаметного дополнительного декора.
Электропривод своими руками
Опыт многих мастеров-умельцев показал, что наиболее эффективного результата при самостоятельном устройстве электрического управления штор можно добиться с помощью готового узла привода стеклоподъемника любого автомобиля. Вот основные технические качества этого автомобильного агрегата, объясняющие это решение:
- Работа стеклоподъемника автомобиля полностью соответствует характеру работы шторы - это возвратно-поступательное движение. Соответственно, конструкция узла привода стеклоподъемника соответствует идее автоматизации управления шторами
- Усилия, развиваемые автомобильным электроприводом, достаточны для управления шторами среднего и даже большого веса
- Устройство такого привода можно усовершенствовать автоматикой остановки, используемой на автомобиле.
Самое главное, что корд управления шторами может быть устроен точно так же, как и управляющий трос в приводе автомобиля. От мастера требуется решение всех сопутствующих задач, прежде всего - надежного крепления узла привода к стене и создания работоспособной трансмиссии, требующей устройства блоков. Такие блоки также можно подобрать из непростого автомобильного хозяйства.
Важно, чтобы мастер смог грамотно преодолеть основной недостаток такой автомобильной системы - питание от источника постоянного тока 12 вольт. Для соответствующего трансформирующего устройства лучше всего предусмотреть вентилируемую нишу вблизи мотора-потребителя, куда можно разместить необходимые реле и узел предохранителя, защищающего эту цепь.
С каждым годом проблема самостоятельного изготовления электрического привода для штор становится все менее и менее острой. Многие производители электромеханического оборудования предлагают новые и новые модели электроприводов для штор. В наше время электропривод для рулонных штор своими руками всё чаще означает удачный выбор производителя и поставщика такого устройства.
Модная на Западе традиция «сделай сам» встречает содействие многих изготовителей электроприводов, которые рассчитаны на любительский монтаж и подключение. От покупателя требуется только выбрать и . Когда эти конструкции будут установлены на место, к ним можно выбрать наиболее подходящую силовую установку с дистанционным управлением.
Аппаратура привода есть для всех типов штор. Установки для раздвижных систем, которого мало чем отличается от среднего уровня, миниатюрные и тихие модели подороже - умелый мастер может сделать выбор с высокой точностью.
В этой статье я расскажу о конструкции автоматического привода штор, установленного у меня на балконе. Там у нас растут цветы, которым вреден прямой солнечный свет. Кроме того, летом, если окна балкона закрыты, при прямом солнечном свете воздух на балконе быстро перегревается. Однако когда прямого света нет, шторы желательно открыть — тень тоже не способствует росту цветов. Поэтому, для поддержания на балконе приемлемой освещенности, я автоматизировал работу штор.
Механика
Шторы изначально уже были на балконе. Их две, обе подвешены на металлическом тросике, протянутом под потолком от одной стены балкона до другой. Понятно, что передвигать нужно сразу обе шторы, при этом из-за трения штор об тросик (он достаточно шершавый) требуемая сила должна быть достаточно велика. Кроме того, иногда на пути шторы могут встречаться препятствия, например, приоткрытое окно балкона, что еще больше увеличивает требования к силе.
Таким образом, привод должен быть достаточно мощным и надежным — на балконе часто бывает повышенная влажность, возможна достаточно большая разница температур зимой и летом. Поэтому основой привода я сделал автомобильный привод стеклоподъемника. Он обладает достаточной мощностью, способен выдавать большой крутящий момент (в него встроен червячный редуктор) и очень надежен.
Схема механической части привода показана ниже:
Подробнее о конструкции. На вале привода стеклоподъемника (слева на схеме) закрепляется пластиковый ролик с проточкой, на который намотан виток веревки. Привод закрепляется на одной из стен балкона. На противоположной стене крепится такой же ролик, через который также пробрасывается веревка.
После этого веревка натягивается, так что трения веревки на ролике привода хватает для перемещения штор. Противоположные концы каждой шторы крепятся к веревке так, чтобы при вращении мотора штора раздвигалась или сдвигалась.
Для проверки работы привода я сделал его уменьшенную модель. Привод стеклоподъемника и независимый ролик закрепил на доске, натянул между ними веревку, после чего можно было проверять работу электроники и измерять силу, развиваемую приводом.
Фотография самого привода на макете:
Как видно из фотографии, к приводу стеклоподъемника прикреплена достаточно крупная тонкая пластина (я использовал текстолит). К ней крепится металлический уголок с двумя отверстиями, через которые пропущена веревка. Он нужен для того, чтобы виток веревки на ролике не путался, для этого отверстия в уголке сделаны на разной высоте относительно пластины.
Правее уголка — концевые выключатели, нужные для остановки штор к крайних положениях. Для того, чтобы обозначить эти положения, на веревку надеваются две пластиковые трубочки (на фотографии рядом с нижним выключателем видна только одна из них). Трубочки располагаются так, что при достижении шторой крайнего положения одна их них нажимает на выключатель, при этом для надежного нажатия рядом с каждым из выключателей крепится металлическая пластинка, которая прижимает трубочку к выключателю.
Три металлические стойки, прикрепленные к пластине, нужны для крепления крышки привода.
Оба ролика для веревки сделаны из колес для мебели. Используя дрель и напильник, в каждом из них нужно проточить канавку, в канавке ролика привода должны укладываться два витка веревки. Ролик привода крепится на валу за счет натяжения, при этом отверстие в нем пришлось расточить до квадратного, так как вал привода квадратный.
Привод крепится к стене балкона при помощи подходящих мебельных уголков (один из них виден на фотографии слева). В приводе стеклоподъемника достаточно крепежных отверстий, так что проблем с креплением не возникает.
Вид привода, уже прикрепленного к стене и закрытого крышкой:
Для того, чтобы натягивать веревку, используется специальный винт с гайкой, к которому крепятся концы веревки:
Также к нему прикреплен конец одной из штор.
Электроника
Вся электроника у меня разбита на две части — силовую и управляющую. Главная задача силовой части — обеспечение питания двигателя привода. Привод стеклоподъемника может потреблять очень большой ток. Для уменьшения этого тока я уменьшил напряжение питания привода до 5 вольт, но даже при этом максимальный ток, потребляемый двигателем, может доходить до 3А. Чтобы обеспечить такой ток, я использовал блок питания от принтера, способный выдавать напряжение около 30В и ток до 0.7А, а так же DC-DC преобразователь до 5В. За счет понижения напряжения DC-DC вполне способен выдать нужный ток.
Управление питанием двигателя производится при помощи мощного реле, предназначенного для изменения полярности сигнала, и MOSFET, управляющего подачей напряжения на двигатель. Благодаря использованию MOSFET можно регулировать скорость вращения двигателя, но в данный момент эта возможность не используется.
Также на силовой части установлены стабилизаторы, предназначенные для питания управляющей электроники и цепь контроля питания двигателя. Стабилизаторы питаются от более низковольтной цепи блока питания, напряжение там не превышает 12В.
Схема силовой части
Управляющая электроника представлена микроконтроллером STM8S. Контроллер выполняет достаточно много функций — измерение освещенности, принятие решения о запуске привода, контроль за положением штор по концевым выключателем, управление питанием привода, управление приводом в ручном режиме — по командам пульта ДУ. Кроме того, к контроллеру подключен радиомодуль на NRF24L01 и шина 1-Wire, по которой подключены три датчика температуры. При помощи радиомодуля можно управлять приводом и считывать значения температуры в разных точках балкона и на улице, однако в данный момент второй радиомодуль подключен только к макетной плате, так что далее этот функционал я рассматривать не буду.
Используемый блок питания от принтера имеет вход для перевода его в состояние Stand-by. Его я тоже использую, благодаря чему уменьшается потребление энергии конструкцией. В программе учитывается, что блок питания переходит в рабочий режим с определенной задержкой, а после 30 секунд бездействия привода блок питания опять переходит в режим Stand-by.
Индикация работы привода — при помощи трехцветного светодиода (используются только синий и красный диоды). Синий загорается при подаче напряжения на двигатель, красный начинает периодически мигать при наличии ошибок в работе привода. Число вспышек позволяет определить номер ошибки.
Для звуковой сигнализации некоторых событий (например, при подаче команды на закрытие уже закрытых штор) используется сам двигатель привода. На него подается ШИМ сигнал с маленьким коэффициентом заполнения, в результате чего двигатель достаточно громко пищит.
Схема управляющей части
В качестве датчика освещенности используется фоторезистор, прикрепленный присоской к окну. Так как присоска может отпасть от окна, рядом с фоторезистором расположена маленькая кнопка. Пока присоска держится на окне, кнопка прижата к окну. Если присоска отпадет, автоматическая работа привода прекращается и начинает мигать красный диод. Если датчик не подключен к разъему, то это тоже обнаруживается контроллером.
Вид датчика освещенности:
Так как освещенность датчика может резко изменяться — из-за различных вспышек на улице, переменной облачности, то данные от датчика приходится фильтровать. У меня реализован следующий алгоритм обработки: данные от датчика оцифровываются с частотой 10Гц, и записываются в массив. Раз в секунду значение этого массива усредняется (в первую очередь это нужно для фильтрации шумов и вспышек). Далее полученные значения добавляются в другой массив размерностью 600 элементов, после достижения конца массива запись начинается с его начала. Также каждую секунду производится анализ этого массива — контроллер подсчитывает, какой процент элементов массива меньше определенного порога (с ростом освещенности напряжение на выходе фотодатчика падает). Если значения более 66% элементов меньше заданного порога — то считается, что освещенность достаточно велика, и шторы можно закрывать. Таким образом проводится фильтрация периодических изменений освещенности. При этом на частоту работы привода тоже наложено ограничение — в автоматическом режиме мотор включается не чаще раза в десять минут.
Как я упоминал выше, имеется возможность управлять шторами с пульта ДУ. При помощи пульта можно полностью открыть и закрыть шторы, частично открыть их, запустить привод по мгновенному значению освещенности.При управлении с пульта ограничений на частоту работы привода нет.
Также есть возможность программно перезагрузить контроллер.
При передвижении штор контроллер следит за состоянием концевых выключателей. Если после начала движения соответствующий выключатель не сработает в течении 20 секунд, работа мотора прекращается. Чтобы продолжить работу привода после устранения неисправности, как раз и нужно перезагрузить контроллер.
Вся электроника установлена в стандартный пластмассовый корпус:
Один из выключателей нужен для перевода электроники в автоматический режим работы, второй позволяет полностью отключить питание мотора.
При помощи гнезд Jack 3.5мм к устройству подключаются датчик освещенности, TSOP для приема данных от пульта, и внешние термодатчики.
Белым колпачком закрыт светодиод — так его видно под любым углом.
Вид собранного и установленного на свое место блока электроники:
Видео работы привода (управление с пульта):