Plašič krtků
Moles repeller

Plašič na krtky, který jsem si koupil, fungoval asi měsíc. V okolí plašiče se po tuto dobu neobjevila žádná nová krtina. Pak si však tito hyzdiči trávníku zvykli a jako důkaz některý z nich vyhrabal krtinu v těsné blízkosti plašiče. Usoudil jsem, že nazrál čas pro inovaci plašiče. Mezitím si i sousedka začala stěžovat na pravidelné bzučení plašiče, a tak nakonec vznikl plašič zcela nový, který generuje různě dlouhé plašicí signály v nepravidelných intervalech. Generátor vibrací jsem umístil do samostatného pouzdra, které lze zahrabat do země. Vibrace se pak šíří pouze v půdě a sousedy neruší. Plašič má dva výstupy: jeden pro bzučák, na druhý lze připojit buď piezoelektrický reproduktor, nebo další bzučák, takže lze kombinovat plašení vibracemi a akustickými signály.

Popis zapojení

Základem plašiče je malý mikrokontrolér PIC12F1501, který se stará doslova o všechno. Na rozdíl od starších mikrokontrolérů 12F6xx má několik zajímavých periférií, které mohou zjednodušit program a ušetřit několik součástek. Mikrokontrolér generuje plašicí signály, řídí nabíjení akumulátoru Li-ion ze solárního článku a přepne plašič do režimu s minimální spotřebou, pokud je akumulátor téměř vybitý. Zapojení plašiče je na obr. 1.

Obr. 1. Zapojení plašiče
Fig. 1. Mole repeller schematic

Režim plašení lze přepínat DIL spínačem na desce plašiče. Kromě režimu plašení krtků lze zvolit signál pro plašení kun [1] a slimáků [2]. Signály byly naprogramovány podle popisu v uvedených článcích a jejich účinnost nebyla v „terénu“ prakticky ověřena. V režimu „krtek“ je aktivní výstup pro bzučák (buzzer) a výstup pro piezoelektrický reproduktor, na kterém je generován tón s kolísavým kmitočtem. V režimu plašení kun a slimáků je aktivní pouze výstup pro reproduktor. V režimu „krtek 2“ jsou oba výstupy určeny pro spínání bzučáků. Odpory rezistorů R4 a R5 uvedené ve schématu byly zvoleny s ohledem na tento režim.

Ke sledování napětí baterie je použita vnitřní napěťová reference, 5bitový DAC a komparátor. Zjednodušené zapojení těchto periférií je na obr. 2. DAC je vlastně jen odporový žebříček se 32 rezistory a analogovým multiplexerem, který připojuje jednotlivé odbočky děliče. Vstup děliče je v průběhu měření připojen na napájecí napětí mikrokontroléru. Výstup děliče je přiveden na neinvertující vstup komparátoru, na invertující vstup je přivedena vnitřní napěťová reference nastavená na 2,048 V. U všech tří testovaných IO však bylo referenční napětí o něco větší, až okolo 2,1 V. Pro řízení nabíjení je použita 16. odbočka děliče a komparátor se překlopí při napětí asi 4,1 až 4,2 V. Pro ochranu baterie před nadměrným vybitím je komparátor připojen na 19. odbočku děliče a testované napětí je asi 3,45 V. Pro jemnější rozlišení by bylo možné po úpravě programu použít interní 10bitový ADC, ale přesnost sledování napětí 5bitovým DAC a komparátorem je v tomto zapojení zcela vyhovující.

Obr. 2. Měření napětí baterie
Fig. 2. Battery voltage measuring

Velmi zajímavou a v této aplikaci užitečnou periférií mikrokontroléru je NCO (Numerically Controlled Oscillator). Ten umožňuje generovat na výstupu signál s kmitočtem přímo úměrným číslu, zapsanému do registrů NCO. Lze generovat buď signál s pevně nastavenou šířkou výstupních impulsů, nebo, jako v mém případě, signál se střídou 1:1 a polovičním kmitočtem. NCO generuje signál zcela samostatně a program se může věnovat jiné činnosti. Při použití interního oscilátoru 16 MHz lze generovat signál se střídou 1:1 až do 500 kHz s krokem přibližně 7,5 Hz.

K nabíjení baterie se předpokládá solární panel s 11 články zapojenými v sérii. Takový panel dodá při plném slunečním světle napětí naprázno asi 6,5 V a v proudovém režimu proud úměrný velikosti článků. Proud prochází ze solárního panelu tranzistorem T2 do akumulátoru Li-ion nebo Li-poly. Vzhledem k poměrně malému odběru zařízení lze použít i vysloužilé baterie z mobilních telefonů a jiných zařízení. Jen je třeba dbát na to, aby maximální proud, který dodá solární panel, byl číselně menší než polovina kapacity článku. Vyzkoušel jsem panely s proudem 60 a 100 mA. Akumulátor by tedy v tomto případě měl mít kapacitu nejméně 120, respektive 200 mAh. Pak se bude nabíjet proudem nejvýše 0,5 C, který by neměl akumulátor poškodit. Použijete-li místo solárního panelu např. síťový adaptér, je třeba nabíjecí proud omezit rezistorem nebo žárovkou. Zjistí-li mikrokontrolér, že napětí baterie je větší než 4,1 až 4,2 V, objeví se na RA5 úroveň log. 1, přes rezistor R2 se otevře tranzistor T1 a nabíjení se zastaví. Solární panel dodá napětí 6,5 V, což je více, než je maximální napětí mikrokontroléru (5,5 V). Pokud není připojen akumulátor, je napětí pro mikrokontrolér omezeno Zenerovou diodou 5,6 V (ZD1) zapojenou paralelně k T1.

Programovací napětí Vpp mikrokontroléru PIC12F1501 je jen 8 až 9 V, na rozdíl od starších typů, které mají programovací napětí 13 V. Proto byl do zapojení doplněn rezistor R6 a Zenerova dioda D2. Pokud máte programátor, který již nižší programovací napětí podporuje, můžete R6 nahradit zkratem a D2 vypustit.

Bzučák 1

Bzučák používaný v plašičích je obvykle elektromechanické zařízení s cívkou a tranzistorovým oscilátorem. Nad cívkou je umístěno ocelové pero s malým neodymovým magnetem. Oscilátor pero rozvibruje, čímž vzniká charakteristický zvuk (obr. 3). Tento typ bzučáku se sice v českých obchodech se součástkami prodává, ale jen na napětí 12 nebo 24 V. Problém lze obejít několika způsoby. Můžete vymontovat bzučák z nějakého prodávaného plašiče, použít bzučák na 12 V spolu s malým zvyšujícím měničem napětí, nebo zvolit jiný zdroj vibrací.

Obr. 3. Bzučák z továrně vyráběného plašiče krtků, vnější pohled a vnitřní konstrukce
Fig. 3. Electromechnic buzzer

Já jsem použil obě poslední varianty. Na obr. 4 je 12V bzučák spolu se zvyšujícím měničem MT3608 z čínského e-shopu Aliexpress. Přímo k desce měniče jsem připájel svorkovnici a bzučák. Tuto sestavu jsem pak vložil do dózy od Ibuprofenu, která zajistí odolnost vůči vlhkosti. Do víčka dózy jsem zašrouboval nejmenší běžně prodávanou těsnicí kabelovou průchodku (PG-7) – obr. 5. Je důležité vypodložit bzučák tak, aby byl přitisknut ke stěně dózy, jinak se jeho vibrace do půdy špatně přenášejí. Odběr bzučáku s měničem je při napájecím napětí 4 V asi 70 mA.

Obr. 4. Sestava bzučáku s měničem
Fig. 4. 12V Buzzer with DC/DC converter (MT3608)

Obr. 5. Umístění sestavy v dóze od Ibuprofenu
Fig. 5. Buzzer location in a jar of Ibuprofen

Bzučák 2

Ve druhém bzučáku jsem použil vibrační motorek ze starého mobilního telefonu. Motorek jsem vlepil do plastové příčky (obr. 6) a tu pak umístil do spojky od plastového odpadového systému HT o průměru 32 mm. Konce spojky jsou uzavřeny víčky ze stejného systému. Gumové těsnicí kroužky ve spojce umožnují zachovat dobrou rozebíratelnost při výborné těsnosti pouzdra. Přívodní kabel prochází těsnicí průchodkou. Víčko, kterým průchodka prochází, však není zcela hladké a průchodka na nerovném povrchu špatně těsní. Doporučuji proto nápisy na víčku trochu zbrousit a pod průchodku dát těsnění, nebo těsně před montáží průchodku podmáznout silikonovým tmelem. Celá sestava vibrátoru je na obr. 7. Odběr při 4 V je asi 50 mA.

Obr. 6. Vibrační motorek z mobilního telefonu vlepený do příčky z plastu
Fig. 6. Vibrating motor from mobile phone

Obr. 7. Bzučák s vibračním motorkem v trubce odpadního systému HT 32
Fig. 7. Vibrating motor in the waste pipe

Vibrační motor z MT po jedné sezóně odešel - momentálně reším náhradu.

Pokud by někomu připadal vibrační motorek z telefonu slabý, je možné použít vibrační motorek do erotických pomůcek a hraček, který lze levně koupit po e-shopech. (Klíčové slovo „vibrating motor“, cena okolo 1 USD). Proudový odběr takového motoru může být však až 1 A.

Piezoreproduktor

Pro vysoké kmitočty je nejvhodnější piezoelektrický reproduktor. Aby reproduktor v použitém zapojení správně pracoval, musí k němu být paralelně připojena cívka, v nouzi alespoň rezistor. Indukčnost cívky spolu s kapacitou reproduktoru tvoří rezonanční obvod s malou jakostí. V okolí rezonančního kmitočtu je akustický signál nejhlasitější a budič má největší účinnost. Vyzkoušel jsem zapojení s reproduktorem PH8, jehož kapacita je asi 100 nF. Pro kmitočty okolo 10 kHz použijeme tlumivku s indukčností asi 2,7 mH, pro kmitočty okolo 17 kHz pak vyhoví indukčnost 1 mH – obr. 8. Pro signály s velkým rozsahem kmitočtů je vhodné můstkové zapojení budiče [1], případně externí zesilovač. Použije-li se výstup plašiče pro připojení piezoreproduktoru, je vhodné zvětšit odpor rezistoru R5. Optimální odpor je nejlepší určit zkusmo, já jsem dosáhl největší hlasitosti s odporem 10 kiloohmů. Klasický magnetodynamický reproduktor lze připojit k plašiči přímo – změna odporu ani tlumivka není potřeba.

Obr. 8. Připojení reproduktoru a piezoreproduktoru
Fig. 8. Speaker connections

Mechanická konstrukce

Deska s plošnými spoji a osazení desky je na obrázcích 9 a 10. Na výšku není pro součástky moc místa, proto jsou vyšší součástky naležato a mikrokontrolér je bez objímky. Protože se jedná o venkovní zařízení, mělo by být pokud možno odolné nepřízni počasí. Řídicí obvod jsem umístil do krabičky od solární lampičky z výprodeje v GM electronic. Z původní lampičky je použit solární článek (je součástí pouzdra) a Li-ion akumulátor. Desku s původní elektronikou jsem odstranil. Desku s LED jsem v pouzdru ponechal, LED však nejsou nikam připojeny. Máte-li pro LED jiné využití, lze desku nahradit jinou, kterou si vyrobíme. Na desce s LED je oboustranně lepivou páskou přichycen akumulátor a deska s elektronikou. Dodatečně jsem do plašiče přidal spínač akumulátoru, abych, jako loni, nemusel plašič rozebírat, když jsem ho chtěl na zimu uložit. Tlačítkový spínač s aretací jsem tavným lepidlem přichytil v místě, kde byl původně mikrofon. Jako výstupní konektory jsem použil modelářské konektory XT60, které jsem vlepil do pouzdra krabičky. Prostor kontaktů je před stékající vodou chráněn krytem konektoru. Pro daný účel jsou tyto konektory zbytečně robustní a v případě možnosti lze použít jakékoli jiné. Uspořádání vnitřku krabičky je na obr. 11.

Obr. 9. Deska s plošnými spoji plašiče (42 × 35 mm).
Použijete-li pravé tlačítko myši a zvolíte-li "Uložit obrázek jako", získáte předlohu spojů v rozlišení 600 dpi
Figure. 9. PCB layout. Click right mouse button and choose "Save image as" to get 600 dpi resolution image
PCB in pdf file

Obr. 10. Osazení desky součástkami
Fig. 7. Components on board

Popis programu

Režimy práce plašiče jsou v tab. 1. Režimy „test“ jsou určeny k ověření funkce bzučáků, případně ke stanovení indukčnosti cívky a optimálního buzení piezoreproduktoru.

Program běží v nekonečné smyčce. Nejdříve otestuje napětí baterie. Pokud je napětí menší než asi 3,45 V, přejde mikrokontrolér do režimu SLEEP na dobu asi 32 sekund. Mikrokontrolér je taktován interním RC oscilátorem 31 kHz. Všechny periferie jsou vypnuty až na watchdog timer, který však spotřebu nezvětšuje, protože je taktován ze stejného oscilátoru. Celková spotřeba zařízení v klidu je jen asi 20 µA. V takovém režimu vydrží zbylý náboj akumulátoru i několik týdnů. Když se program po „zásahu“ watchdogu probudí, je po nezbytně nutnou dobu zapnut DAC a komparátor a znovu změřeno napětí. Je-li napětí větší než 3,45 V, testuje se ještě napětí 4,1 V. Pokud je překročeno, zastaví se nabíjení.

Dále program otestuje propojky na DIP spínači a podle logických úrovní na RA2 a RA4 zvolí režim plašení. Vývody RA2 a RA4 jsou po většinu času konfigurovány jako výstupy a je do nich zapsána log. 0. V tomto režimu jsou vypnuty vnitřní pull-up rezistory, které by zvětšovaly spotřebu, pokud je DIP spínač sepnut. Po dobu čtení propojek jsou RA2 a RA4 nakonfigurovány jako vstupy, přečteny a opět nakonfigurovány jako výstupy. Pin RA3 takto použít nelze, používá se při programování mikrokontroléru a nelze ho použít jako výstup. Proto je DIP spínač na RA3 použit pouze pro testování obvodu a při běžném provozu a programování musí být rozpojen! Propojky se testují při každém průchodu smyčky. Její průchod však může trvat i několik desítek sekund a tak reakce na změnu může být pomalá.

Ke generování nepravidelných intervalů jsem použil softwarový generátor pseudonáhodných čísel. Rutina byla stažena z internetu, odkaz na pramen je ve zdrojovém kódu. Ke generování zvuků je použit NCO. Celkově je program krátký a zabírá jen malou část programové paměti.

Dodatečně se ukázalo, že jsem podhodnotil výkon solárního panelu. Proto jsem připravil ještě jeden program pro mikrokontrolér, který je určen ale jen pro plašení krtků dvěma bzučáky. Podle nastavení DIP spínače pracuje buď stejně jako původní program v režimu krtek 2, nebo se zkrátí interval mezi plašeními, prodlouží doba plašení, případně obojí - viz tab. 2. Podrobnější popis je u programu. Zdrojový kód v asembleru a přeložený hex soubor je k dispozici zde. Program můžete libovolně upravovat podle svých potřeb.
Firmware pro plašič krtků, obě verze

Závěr

Plašič používám s programem krt2-1501 s oběma popsanými bzučáky. Podzimní provoz zařízení v roce 2015 byl krátký a také v dubnu, kdy byl článek připravován k tisku, byla ještě aktivita krtků malá, takže nebyla ověřena účinnost přístroje. Lze však předpokládat, že bude minimálně srovnatelná s komerčně vyráběnými plašiči s pevným intervalem plašení. Provoz v roce 2016 ukázal, že i na nepravidelné intervaly plašení si krtci zvyknou, jen to trvá déle. Vibrační motorek z mobilního telefonu nevydržel a ke konci sezóny přestal pracovat. Až se doberu nějaké opravy, přidám ji k popisu článku.

Pro zvýšení výkonu by bylo možné použít silnější bzučáky, akumulátor Li--ion nebo Li-poly s větší kapacitou a také větší solární panel.

Seznam součástek
Components

Vladimír Hejtmánek

Článek byl otištěn v časopise "Praktická elektronika" 6/2016 na s. 11
This article was printes in magazine "Praktická elektronika" 6/2016, page 11

22. 3. 2016

Literatura

[1] Voráček, V.: Jak jednoduše a účinně na kuny. PE-AR 4/2012, s. 21.
[2] Bureš, M.: Elektronika a slimáci. PE-AR 11/2013, s. 18.