piGarden PCB

In questo articolo andremo a creare una scheda elettrica da poter collegare direttamente ai pin presenti sul Raspberry e utilizzarla per diminuire i 40 pin di cui è predisposto ai pin essenziali per collegare il modulo relè, un modulo di rilevamento pioggia e una ventolina da 5V per tenere il box elettrico areato. Prima di seguire questa guida è necessario compiere una attenta lettura dell’articolo e solo alla fine, una rilettura per la messa in pratica in quanto ci sono dei momenti in cui non si può perdere tempo e si ha bisogno di avere già tutto pronto e alla portata di mano.

Avvertenze:

Per realizzare ciò bisogna essere consapevoli che si ha a che fare con sostanze tossiche e dannose per l’ambiente. Smaltirli secondo l’uso corretto e prima di utilizzarle bisogna trovarsi in un ambiente aperto e ventilato con indosso panni che se si dovessero rovinare non sarà un problema, guanti, occhiali e mascherina. La reazione chimica dell’acido con cui si andrà a lavorare, potrebbe generare dei vapori invisibili e quasi inodori che potrebbero causare seri problemi alla nostra salute. Se non siete sicuri di ciò che fate, evitate di farlo o provateci con chi ha esperienze o basi sulla chimica delle sostanze.


Necessario:

  • Stampante Laser
  • Foglio di carta A4
  • Pennarello indelebile a punta fine
  • Righello
  • Scotch di carta
  • Piastra ramata per circuiti elettrici
  • Ferro da stiro
  • Cloruro Ferrico sol.40%
  • Bicchiere o Contenitore di plastica rigida e spessa
  • Seghetto
  • Sapone per piatti
  • Spugnetta per piatti
  • Carta abrasiva o spugnetta metallica
  • Carta scottex
  • Una vecchia asciugamani
  • Saldatore Stagno
  • Stagno
  • Mini Drimmer
  • Punta di precisione per Drimmer
  • Bomboletta Vernice Spray di qualsiasi colore
  • Componenti Elettrici (Lista in fondo alla pagina con schema circuito)

Precisazioni prima di cominciare:

Stampante

E’ importante assicurarsi che la propria stampante abbia il toner monocromatico e che sia laser in quanto le stampanti inkjet spruzzano l’inchiostro liquido che va ad impregnare la carta e resta attaccata ad essa. Il toner invece è polvere d’inchiostro che con il calore può sciogliersi da una superficie e rimare attaccata ad un’altra al suo raffreddamento.

Foglio A4

Il Foglio A4 è preferibile che abbia la superficie liscia per un miglior risultato. Se è ruvido funzionerà comunque ma non ci si dovrà aspettare chissà che, ma risolvibile rifacendo alla fine le piste con pennarello  indelebile nero a mano aiutandosi con un righello.

Pennarello

Il pennarello indelebile, ci servirà per ripassare le piste dove il toner non si sarà trasferito completamente sulla piastra di rame e avrà la stessa funzione, ovvero coprire la parte di rame che non dovrà sciogliersi a contatto con l’acido.

Piastra Ramata

La si trova principalmente nei negozi di componenti elettronici e facilmente trovabile su internet. Consiglio per il prezzo che hanno, di acquistarne sempre qualcuna in più e di dimensione più grande possibile in quanto con l’ausilio del seghetto si potrà andare a ritagliarne soltanto quella che ci serve.

Ferro da Stiro

Il Ferro da stiro servirà per il trasferimento del toner presente sul foglio A4 sulla piastra ramata; bisognerà utilizzarlo alla media potenza senza che sia troppo caldo e né troppo freddo.

Cloruro Ferrico

Il Cloruro Ferrico è un acido che attacca tutto ciò che è metallico e la sua reazione viene ostacolata dalla plastica. Per cui se immergete in esso qualcosa di metallico, questo comincerà a mangiarselo lentamente fino a che non ne rimarrà nulla (In media impiega dagli 8 ai 15 minuti per sciogliere il rame esposto delle basette). Occhio a non farlo gocciolare sui pavimenti o indumenti in quanto macchia e lascia macchie di colore ruggine e non verrà più via. Lo si trova sia in granuli di polvere che liquido. Consiglio di acquistarlo direttamente liquido per evitare di sbagliare dosaggi di acqua per la soluzione in grammi corretta.

Spugnetta per Piatti

Utilizziamone una quasi vecchia con la parte abrasiva (verde) ancora funzionante per poter pulire la basetta di rame, meglio se si ha una spugnetta metallica fine.

Carta Abrasiva

E’ davvero indispensabile? Dipende da ciò che si ha in casa. La sua funzione, una volta completato il processo di scioglimento del rame di “scarto”, sarà quella di ripulire le piste di rame coperte dal toner o pennarello indelebile affinché lo stagno durante la saldatura possa unirle ai componenti elettronici. Se non la si ha, una valida soluzione potrebbe essere una spugnetta metallica o qualsiasi cosa che possa sciogliere il getto d’inchiostro a polvere come l’acetone o solventi simili.


Iniziamo:

Stampare Circuito

Stampare la foto allegata in formato .pdf in fondo la pagina senza modificarne la dimensione disattivando ogni modalità di risparmio inchiostro presente sulla nostra stampa affinché i circuiti possano essere quanto più neri possibili (ad occhio è impercepibile ma messo sotto a un microscopio la differenza si nota e come).

Ritagliare il Circuito

Ritagliare la foto seguendo il tratteggio.

Prendere le misure per coprire la porzione necessaria per la schedina.

Tagliare con l’ausilio del seghetto la porzione di piastra ramata che ci servirà.

Apporre la Foto su Rame

Posizionare il foglietto di carta ritagliato con la faccia stampata a contatto con la piastrina di rame appena finita di tagliare

Facciamo dei ripiegamenti di carta lungo i bordi della piastra di rame in modo tale che il foglietto non si possa muovere in nessuna posizione.

Laviamo il Rame

Ora che ci siamo assicurati che le dimensioni del foglio di carta stampato corrispondono alla dimensione della piastra di rame dobbiamo procedere a mettere da parte il foglio con la cura di non sgualcirlo e portare la nostra schedina di rame in un lavandino dove poterla lavare.

Assicuriamoci prima che il venditore non ce l’abbia data con una pellicola protettiva; nel caso rimuoverla.

Indossare guanti in lattice da questo momento in poi.

Lavarla con sapone per piatti utilizzando la parte verde della spugnetta affinché il rame possa essere scoperto dal sottile strato di ossidazione che si fa a contatto con l’aria.

Man mano che si lava si potrà notare un cambio del colore dal più scuro al più chiaro lucido.

Una volta completata la fase di lavaggio, è estremamente importante evitare di toccarla a mani nude per evitare di lasciare strati di grasso, oli o simili presenti sulle mani che non ci accorgiamo di avere normalmente; per questo sempre con i guanti in lattice, porre la basetta ramata su carta scottex, asciugarla e tenerla asciutta e coperta da essa fino a che non si è pronti a passare al prossimo passo.

Creare Circuito

Recuperare il foglio di carta stampato che abbiamo messo da parte prima di lavare la basetta e riposizionarlo fermamente utilizzando il nastro di carta. L’Importante è che non sia di plastica in quanto con il caldo potrebbe squagliarsi e combinerete un disastro con il ferro da stiro.

Prendere l’asciugamani vecchia (o qualsiasi altra cosa che non può bruciare con il calore emesso dal ferro da stiro) e metterla sul tavolo dove dovremmo andare a stirare.

Accendere il Ferro da stiro e metterlo su media potenza e attendere che la temperatura si stabilizzi.

Quando il Ferro sarà pronto procedere a stirare la nostra basetta con movimenti lenti e in tutte le direzioni assicurandoci che stiamo passando su tutta la superficie che ci interessa. In questo modo stiamo portando il toner alla temperatura necessaria per sciogliersi e per l’effetto di gravità il 50% cadrà per gravità sul rame, il restante si trasferirà con la pressione che impiegherete verso il basso con il ferro da stiro. (Dopo svariate PCB effettuate, ho notato che preriscaldare la basetta di rame prima di apporre la faccia stampata del foglio A4, aiuta a trasferire maggiore toner)

Questa è una procedura delicata in quanto bisogna stare attenti a che il foglio non si muova dalla sua sede e che il processo avvenga nei migliori dei modi. Il tempo necessario per concludere l’operazione di trasferimento toner è e resterà un’incognita in quanto non tutti i ferri da stiro avranno la stessa potenza e/o regolazione per cui si dovrà stirare a sensazione. In genere tra i 5-10 minuti dovrebbero essere più che sufficienti. Consiglio se si usa una basetta di rame a doppia faccia ramata di capovolgerla con delicatezza ogni tanto e riscaldare anche la faccia non utilizzata.

!!->ATTENZIONE<-!!: Ricordo che state riscaldando un materiale di genere metallico e il rame oltre ad essere il migliore conduttore di corrente, subito dopo l’alluminio è anche un ottimo conduttore di calore, per cui potreste scottarvi. Fate attenzione e magari utilizzate delle pinzette durante questa procedura fino a che la basetta non si sarà raffreddata nei prossimi passaggi.

Staccare il Foglio

E’ arrivato il momento di spegnere il Ferro da Stiro, e rimuovere la carta. Per farlo cominciamo a rimuovere delicatamente il nastro di carta adesivo usato per tenerlo fermo (si dovrebbe togliere con facilità dopo la stiratura).

Non staccare immediatamente la carta dal rame con le mani perché correrete il rischio di tirare via il toner ancora caldo, per farlo ritornate nel lavandino e posizionate la piastra ramata sotto l’acqua corrente tiepida, non fredda e non calda. In questo modo la carta si ammorbiderà e tenderà a staccarsi facilmente. Se non dovesse venire via da sola, passateci le mani delicatamente senza strofinare troppo sulle strisce nere che rimarranno sul rame.

Alla fine di questo processo vi potrete trovare in una situazione come la seguente in cui le piste non sono completamente nere dovuta alla carta poco liscia o al risparmio toner che la stampante non avrà omesso.

Non disperiamoci, è l’ora di tornare a scuola… passiamo tutte le linee con il nostro pennarello indelebile aiutandoci con un righello per linee dritte e i punti stando attenti a non sbavare o unire le tracce. Quindi fatevi anche una camomilla, prendetevi tutto il tempo che vi serve e fatelo con molta pazienza e calma.

Siamo pronti ad utilizzare il Cloruro Ferrico. Se ancora non l’avete fatto prendete tutte le precauzioni necessarie per l’uso di questo Acido e occhio a maneggiarlo con cura.

Creiamo il nostro PCB

Prendere la basetta di rame e inserirla nel contenitore di plastica rigida e spessa che abbiamo a disposizione e che abbiamo deciso di utilizzare per il nostro scopo.

Versiamo il nostro acido assicurandoci che ricopra l’intera basetta e facciamo passare 15 minuti tenendo tutto fuori dalla portata di animali e persone, in un ambiente arieggiato (fuori casa) e senza pericoli che possano urtare inavvertitamente l’acido.

La fase di “scioglimento rame” può avvenire in tempi variabili per diverse condizioni come la temperatura dell’acido, l’ossigeno presente in esso e altro. Molti preferiscono tenerlo a “bagnomaria” facendogli raggiungere una temperatura di 60°C per ridurre i tempi, altri aggiungendo un po’ di acqua ossigenata, e altri come me muovendo un po’ la scheda di tanto in tanto con l’ausilio di pinzette di plastica o di ferro isolate con guaine termo-restringenti per non farle andare in contatto con l’acido che le scioglierebbe. Io fretta non ne ho, e voi? Non mi sembra necessario utilizzare acidi come questo in condizioni chimiche accelerate anche perché se non si è esperti meglio qualche minuto in più che seri problemi. Ovviamente ognuno farà tutto questo a proprio rischio e pericolo.

Passati 15 minuti circa il risultato che avrete, per essere pronto e concluso, dovrà essere un pezzo spesso di polimeri con disegnate di nero le nostre piste elettriche.

Con delle pinzette di plastica ora, andiamo a tirare fuori dall’Acido la nostra PCB e posizioniamola su della carta assorbente scottex e sempre con i guanti ricopriamola bene fino a che questa si sia asciugata e non possa gocciolare acido.

Ora bisogna sciacquarla benissimo e attentamente con l’acqua, ma non farlo nei lavandini di casa in quanto questo acido devi ricordare passerà per condotti ferrosi dello scarico di casa tua e oltre a poterti danneggiare i tubi danneggerà anche l’ambiente. Allora come si fa? Il 98% dell’acido è stato assorbito dallo scottex per cui possiamo sciacquarlo sotto una fontana esterna di casa o giardino facendo scorrere prima un po’ di acqua in modo da diluire di più e rendere debole la possibile reazione.

Adesso la nostra PCB è pronta per essere toccata a mani nude senza che ci possa succedere qualcosa ma prima di togliere guanti, occhiali e mascherina dobbiamo sbarazzarci dell’acido utilizzato. Che facciamo lo smaltiamo o lo buttiamo? Di sicuro buttarlo MAI, si può smaltire facilmente secondo le regole di smaltimento del proprio comune di residenza oppure come faccio io, dato che è un acido ancora attivo (ciò vuol dire riutilizzabile ma non nuovo) lo tengo in una borraccia trasparente di plastica spessa che uso solo per lui e quando devo fare altre PCB non utilizzo l’acido nuovo ma riutilizzo questo dopo averlo sbattuto 1 minuto circa. Questo mi durerà altre 8 o 9 PCB, dipende dalla loro grandezza, tempi e modalità d’uso.

Scoprire il Rame

Siamo quasi giunti al termine ma non abbiamo ancora finito. Le piste sono ancora tutte coperte dal toner o pennarello indelebile, e sappiamo che lo stagno si collega solo con materiali ferrosi esposti per cui dobbiamo togliere la protezione delle piste. Per farlo utilizziamo la carta vetrata (non troppo fine e non troppo grande) e cominciamo a grattare sull’intera superficie. In questo modo cominceremo a vedere esposte le nostre piste elettriche di rame. Se utilizzate solventi come acetone ecc. consiglio di utilizzare una spugnetta anche se sconsiglio di utilizzarli in rispetto dell’ambiente in cui viviamo. Se possiamo evitare meglio farlo.

Creare Fori

Ora bisognerà andare a creare i fori con un mini trapano al centro di ogni punto stando attenti a non premere troppo e a tenere la punta (1mm) sempre perpendicolare alla basetta. Magari sotto di essa mettere una tavoletta di legno da buttare così da non rovinare la base di appoggio della basetta che potrebbe essere un tavolo da lavoro o simili e ogni 4-5 fori fermarsi qualche secondo per lasciarla raffreddare. Trattandosi di punte di precisione molto fini queste possono spezzarsi in qualsiasi momento e schizzare ovunque come proiettili, per cui raccomando l’uso di occhiali e guanti.

Saldare

Ormai siamo alla Conclusione, non ci resta che saldare i componenti elettrici ai loro posti

Possibilmente stagnare tutte le piste di rame se si utilizzerà un alimentatore da 12-24 DC per attivare le elettrovalvole. La larghezza delle piste dovrebbe essere già sufficiente al passaggio della corrente da 12-24 volt senza che possano bruciarsi come un fusibile d’auto, ma per una maggiore sicurezza, è consigliabile farlo.

Collegare

Raddrizzare i PIN del sensore di pioggia come illustrato e inserirlo nel suo alloggio su scheda. Si avrà la possibilità di poter regolare il potenziometro tramite il foro effettuato con una punta da “6” in qualsiasi momento.


Configurare

Entrare tramite SSH nel nostro Raspberry e diamo il comando:

                sudo nano /etc/piGarden.conf

Non ci resta che impostare i pin collegati seguendo questa lista:

Relè GPIO
1 18
2 23
3 24
4 25
Sensore Pioggia GPIO
/ 17

Assicurarsi di avere tra le impostazioni i pin settati in questo modo: 

RELE_GPIO_CLOSE=1

RELE_GPIO_OPEN=0


Conclusioni

Adesso, testare se funziona tutto. Se i relè si accendono quando si avviano le irrigazioni e il sensore le blocca in caso di pioggia, è opzionale ma consigliatissimo, spruzzare e lasciare asciugare tra un’applicazione all’altra 4 strati di vernice con una qualsiasi bomboletta. (Non farlo prima di aver testato la scheda in modo da poter dissaldare eventuali componenti installati nel senso sbagliato. Questa procedura servirà a proteggere le piste di rame e stagno dall’ossidazione e a creare uno strato isolante sulla PCB affinché non possano verificarsi spiacevoli cortocircuiti.

 

Ricorda che ogni Relè corrisponde a una zona per cui se le tue elettrovalvole sono Monostabili avrai 4 zone al massimo da poter gestire. Ricorda di impostare il pin del sensore pioggia e collegare il tuo sensore alla scheda. Inserisci nelle impostazioni il tempo di 1 secondo prima di poter attivare nuovamente l’irrigazione. Agendo con un cacciavite sul potenziometro girare tutto a sinistra. Assicurati che la centralina riconosca il falso allarme prodotto dal modulo dandoti l’ora attuale della pioggia recente di minuto in minuto. Cominciare ad aumentare affinché sulla centralina non risulti più attivo da qualche minuto e solo allora gettandoci l’acqua sopra controlla che questo blocchi le irrigazioni programmate.  In questo modo avremmo possibilità di collegare un qualsiasi sensore di pioggia che si trova in commercio che ha al suo interno una spugna che quando piove si imbeve e chiude il circuito dando quindi alla centralina la comunicazione di pioggia recente. Dopo un po’, con il sole, questa spugna interna del sensore si asciugherà tornando a staccare il circuito e quindi dopo 1 secondo la centralina attiverà immediatamente la possibilità di irrigare.


Lista Componenti [2.0]

Lista componenti da acquistare:

x4 Resistenza 5.6kΩ
x4 Resistenza 1kΩ
x4 Diodo 1N4007
x4 Transistor BC547
x1 Condensatore 25V 47µF
x1 Condensatore 25V 0.1µF
x1 Piastra Ramata 150 x 200 (o più grande)
x4 Relè 5V 10A
x4 Punta Trapano 1mm
x4 Jumper Pin (Ponticelli)
x3 Pin Strip (2,54mm) Maschio da 20
x3 Pin Strip (2,54mm) Femmina da 20

Posizione Componenti [2.0]

Lascio un’immagine raffigurante la posizione dei componenti acquistati. Da non utilizzare però per rispettare il positivo e negativo (catodo-anodo) dei diodi, led, transistor e condensatori o la scheda non funzionerà a dovere. Guardare la foto del risultato finale per inserire i componenti nella giusta posizione e nel giusto verso.

 

Risultato Finale [2.0]

Ecco la scheda come dovrà uscire e come i componenti dovranno essere installati (da notare la posizione dei ponticelli, transitor, diodi e condensatori):

Purtroppo la versione 2.0 è stata realizzata principalmente per Raspberry Pi Zero W, ma ciò non nega la possibilità di utilizzare Raspberry Pi3 B+ se si è disposti a sacrificare una colonna di prese USB da dissaldare dalla scheda Raspberry (una modifica che invalida la garanzia del prodotto). In futuro verrà rilasciata versione 2.5 risolvendo questo problema.


Installazione [2.0]

FAN: Collegare Ventola da 5V se necessario per raffreddare box elettrico

SENS.: Collegare i 2 cavi provenienti dal sensore di pioggia, non serve sapere quale dei due cavi va in A o in B, sarà indifferente.

INPUT: Collegare l’alimentazione delle elettrovalvole che può essere una batteria da 9 Volt fino a un trasformatore a 24 Volt.

OUTPUT: Prendere i cavi Negativi delle elettrovalvole e unirli in un solo cavo che andrà collegato alla porta COM; collegare i restanti cavi delle elettrovalvole alle porte 1-2-3-4.


 

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