Hackeando a máquina de lavar
Webert Oliveira
Consertando máquina de lavar Electrolux, com Arduino
Posted in Arduino e Eletrônica By Paulo Marcos Trentin On fevereiro 10, 2012Introdução
Neste post, vou mostrar como podemos resolver o problema de uma máquina de lavar com relógio analógico, que vivia dando problemas! Nunca entendi o que passava na cabeça dos engenheiros quando criaram (a uns 9 anos atrás) o projeto desta máquina, por que usar um relógio analógico para fazer algo que envolve programação? Daqui a pouco você vai entender do que estou falando.
A ideia de desenvolver esse projeto já existia ha muito tempo, mas claro, eu sabia que iria demorar muito para fazê-lo, e sabia que até aquele tempo era supérfulo, afinal a máquina estava funcionando.
O problema
O que ocorreu recentemente foi que a máquina parou de funcionar. Nesse período eu e a mãe já estávamos de saco cheio de levá-la na assistência e o pessoal trocar 60% dos componentes para depois encontrar o “real problema”. Resolvi então que iria consertá-la, seja lá como fosse.
A primeira tentativa foi fazer o conserto tradicional, tentando apenas arrumar somente o ponto do problema. O que ocorria era a carbonização entre os contatos do relógio mecânico (qual contém a programação das rotinas da máquina, ou seja, ele “sabe” quando ligar o quê).
Para entendermos melhor do que estou falando, vamos ver algumas imagens da máquina:
Foto frontal da máquina de lavar e seus respectivos botões de configuração
Relógio mecânico que contém a programação dos passos da máquina removido
Contatos internos do relógio. Repare que aqui temos 5 pinos, onde o do meio é o “pino mestre”, qual faz conexão com os outros 4
O problema que ocorre quando um conector carboniza é simples: ele não permitem mais a passagem de energia elétrica, fazendo com que o dispositivo conectado a ele (seja motor, lâmpada, etc) não faça seu papel, fazendo com que a máquina pare de funcionar, ou fique “meio maluca” – o que é mais provável.
Para ficar mais claro o que fiz nesse relógio, nas várias tentativas em consertá-lo, mostro abaixo as imagens que fiz em abril de 2010 (sim, esse problema já era bem antigo), quando “resolvi o problema” apenas lixando os contatos que estavam carbonizados.
Ponta de contato antes de ser lixada
Ponta de contato lixada (do outro lado)
Depois de muitas tentativas em consertar o relógio, verifiquei que não adiantava, afinal ele voltava a carbonizar em poucos meses de uso. A solução seria então trocá-lo por um novo: ótima ideia! Foi aqui que minha antiga ideia finalmente mostrou-se útil.
Quando liguei na loja autorizada de minha cidade (Videira – SC) para verificar o preço, eles falaram que esse modelo de relógio agora mudou, “é maior” disse-me a vendedora. Ok eu pensei, então pedi quanto cobrariam para trocá-lo. Antes de me passar o valor, porém, fui informado que para trocar o relógio precisaria também trocar todo o chicote da máquina (chicote eles se referem aos fios de conexão internos), certo, então questionei, por que trocar? Não dá para simplesmente adaptar ao novo relógio?
Infelizmente a resposta foi não e o orçamento final iria passar dos 200,00 reais, que apesar de ser um custo razoável para esse tipo de conserto, eu julguei não valer à pena, simplesmente pelo fato da loja ter sido tão inflexível. Poxa, desde quando não dá para adaptar??? Aqui veremos que podemos fazer muito mais do que uma simples adaptação de “chicote”…
A solução
Confesso que fiquei até feliz por não ter dado certo o esquema com a loja. Não que eu não quisesse resolver o quanto antes o problema, mas é que assim seria inevitável eu colocar minha ideia em prática hehe.
Feita as devidas negociações de tempo com minha mãe, resolvi tirar do papel “a tal ideia”. Pensei inicialmente: “Basicamente preciso mapear todas as conexões feitas pelo relógio mecânico e esse deverá ser meu maior problema”. Erroneamente porém, não tive nenhum grande problema, somente pequenos pontos de ajustes que você irá conferir depois.
O primeiro passo – Mapear os valores do relógio mecânico
Parti logo para o que julgava ser o mais difícil, afinal defendo a ideia de que fazendo o mais difícil o resto é mole e se seu projeto não parar nessa primeira etapa então ele vai dar certo!
O princípio de funcionamento do relógio mecânico, ou o seletor de programas é muito simples. Ele contém 4 camadas de chaveamento, onde cada camada possui chaves independentes acionadas por um “rotor principal”. Esse rotor não tem nenhum segredo. Alguém lembra daquelas caixinhas de músicas?
“O piano” da caixinha de música. Fonte: Wikipedia
O princípio de funcionamento é mesmo: “programação mecânica”. A música da caixinha era gravada em um rolo, qual girava em uma mesma velocidade enquanto havia força na mola em que se dava a corda.
Neste rolo eram presas pequenas esferas quais tocavam de forma sincronizada as astes de ferro que vibravam em uma determinada frequência. Todas juntas reproduziam uma música maravilhosa, não preciso falar do incrível dançar da bailarina, preciso?
O que fiz, foi então conectar fios em cada chave do relógio mecânico. Podemos ver essas chaves como simples relés, onde, a maior parte delas, possui os estados NA (normalmente aberto) e/ou NF (normalmente fechado). Esses fios então foram conectados à leds, indicando o exato momento em que a chave acionou. Aqui vemos uma utilidade sem igual da protoboard: simples e prática!
Desta forma eu coloquei o “ponteiro” do relógio mecânico no ponto qual julgava ser o “minuto 0″. Observei que esse relógio tem extatos 60 pontos (cada ponto é “executado” a cada 2 minutos), então cada ponto tem uma sequência de acionamento de chaves, e era exatamente isso que eu precisava mapear.
O tempo de acionamento de cada estágio é de 2 minutos, como dito anteriormente. Ele é sincronizado com os 60Hertz da rede elétrica, quais fazem um motor girar levando uma espécie de pá para frente e para traz e essa pá é que vai aos poucos girando o ponteiro do relógio mecânico. Admito que o esquema é muito engenhoso e de tirar o chapéu. O problema é que eu acabei perdando uma pequena mola que estava ligado nessa pá, não permitindo que eu reproduzisse aqui seu funcionamento. De qualquer forma, acredito ser muito mais fácil programar isso tudo :) .
Nomeei as chaves de cada nível do relógio em A, B, C e D. Para o primeiro nível temos 4 interruptores: ou seja: A1, A2, A3 e A4. O Aref é o pino “mestre” que falei antes, qual faz conexões independentes entre os outros, seguindo essa lógica: A1 OR A2 AND A3 OR A4. Isso quer dizer que Aref está conectado com A1 ou com A2 e ao mesmo tempo pode estar conectado com A3 ou A4.
O mesmo ocorre para as chaves B1 OR B2 AND B3. A chave C funciona de forma mais simples: Cref está conectado apenas em C1 ou em C2. A chave D1 é a mais simples: está ligada ou não.
Fios soldados no relógio mecânico com respectivas legendas
Leds na protoboard correspondendo a cada chave do relógio mecânico
Rascunho do mapeamento das chaves
Tendo feito essas conexões físicas, tudo que precisei fazer foi posicionar o ponteiro em cada estágio, e anotar os valores lidos em cada led. Coloquei tudo isso em uma planilha e depois apenas à converti em uma matriz booleana de 10×60.
A programação final da máquina pode ser conferida nas imagens a seguir:
Programação do relógio em uma planilha
E aqui a conversão dos dados acima para programação:
Programação do relógio – em linguagem C
Feito isso a primeira parte estava concluída, afinal toda a lógica da máquina, antes mecânica, agora completamente mapeada para um programa de computador!
Segundo passo – Construir o circuito elétrico
Tendo feito o mapeamento, o que precisei fazer então foi a parte física que substituiria os contatos do relógio mecânico. Como dito anteriormente, ele não passa de uma série de relés, então resolvi fazer o óbvio: usar relés!
Humm, mas aí vem a pergunta: “Paulo, não dá para otimizar isso com os famosos TRIACs BTA?”. Droga, se você pensou isso tem completa razão. Infelizmente, preciso admitir aqui que não fiz um estudo tão aprofundado da máquina para saber exatamente quais relés poderia ter substituido por BTAs, mas tenho certeza de que a maioria deles poderia ser.
Porém, como eu tinha uma urgência em terminar o projeto, usei o mais fácil: simples relés de acionamento. Esse projeto tem várias possíveis melhorias, mas como um “eterno protótipo” está muito funcional até o momento, depois darei mais detalhes sobre a inesperada estabilidade dele.
Definido os atuadores, o que fiz foi então separar todos os componentes que iria precisar na montagem da placa. Entre eles temos vários relés, onde alguns são de 40A e outros de 15A, vários resistores, regulador de tensão 7805, bornes de conexão na placa, transistores BD137 (para acionar os relés), diodos de proteção contra corrente inversa causada pela bobina do relé, um display LCD 16×2 que removi do shield que o professor Herculano havia me emprestado, obrigado Herculano! (Parece que depois de alguns meses “apareceu” um irmão gêmio do Shield e este foi devolvido com segurança hehe). E claro, o mais importante: o chip do Atmega328 com seus respectivos componentes básicos como oscilador e capacitores 27pf (quais não aparecem na foto).
Componentes separados para montar a placa
Ok, admito, adoro tirar fotos com peças…
Layout inicial da placa
Após definir o layout básico e ter separado todos os componentes era hora de começar a colocar a mão na massa. Não vou postar aqui o esquema do circuito elétrico até porque não o fiz, pois existem muitos tutoriais na internet mostrando como acionar relés e outros componentes através da lógica TTL (5V).Aqui você pode encontrar um excelente tutorial do Rogercom que explica como fazer isso. Você pode também se inspirar na placa Tomad@ da Globalcode.
Eu soldando os componentes na placa ilhada
Componentes soldados na placa ilhada
Trilhas feitas através de fios e solda na placa ilhada
Como removi o display LCD de seu shield (não faça isso ok? eu quase o danifiquei fazendo, é melhor ter paciência e comprar um display avulso), precisei então montar uma base para ele. Aí entrou em ação meu modo gambiarra hehe, e é nessas horas que fazemos as melhores coisas: Encontrei um AP queimado (eu não consigo jogar fora essas coisas) e dei uma analisada em sua capa. Logo percebi que as hastes que parafusam um lado ao outro da capa poderiam perfeitamente ser usadas como base do meu display. Acompanhe o processo:
Ap aberto e suas hastes
Usando soldador para remover a haste do ap
Haste pronta para ser removida
E aqui a parte final:
Todas as hastes removidas e parafusadas no display
Analisando o próximo corte – para fazer a base principal do display lcd
Display lcd 16×4 perfeitamente montado em sua nova base
Depois de montada toda a placa, desenvolvi uma interface de programação, afinal não vale à pena deixar num projeto desses um sistema de gravação completo (FT232BL e etc), pois ele será raramente usado. Tendo isso em vista, com 5 pinos criei uma simples interface de programação, com comunicação serial, alimentação e pino de reset. Liguei essa interface ao meu adaptador USB -> RS232 (que acabou virando um gravador serial excelente graças a adição de 1 capacitor 104) e a partir desse ponto já podia gravar software no chip Atmega. Repare que nesta imagem estamos testando tando o display LCD 16×4 quanto os relés (e seus respectivos LEDs):
Placa ilhada com todos os componentes funcionando e o gravador Serial conectado
Na foto temos todos os componentes montados e funcionando. Não cabe à este post explicar como usar o Arduino diretamente na placa, existem tutoriais explicando isso na internet.
Veja que usei um regulador 7805, que reduz, neste projeto, 12V da fonte de alimentação para 5V necessários para alimentar o Atmega 328. Atenção! É essencial usar dois capacitores para esse regulador de tensão, do contrário você não terá 5V estabilizados na saída! (apanhei muito antes de cair a ficha de que deveria seguir o esquema indicado pelo fabricante. Aqui um tutorial em português).
Feito isso a placa estava praticamente pronta, faltando apenas cortá-la no tamanho correto para colocá-la em uma caixa adequada.
Terceiro passo – Construindo a caixa para acoplar a placa ilhada e seus componentes
Uma vez desenvolvida a placa e testada, eu simplesmente teria que fazer um bom suporte para acoplá-la. Não sou muito bom e fazer coisas bonitas, e como adoro madeira, peguei logo alguns pedaços de MDF que tinha aqui em casa, uma serrinha de serrar ferro, uma régua um canetão e fui cortar a caixa.
O processo de construção de uma simples caixa não envolve muito segredo. Basicamente precisamos de um fundo e 4 “paredes”, veja:
Placa ilhada cortada no tamanho correto e pronta para ser usada como medida
Medidas feitas no MDF
Caixa montada e pronta para ser pregada (com pregos 9mm!)
Quarto passo – instalação da placa na máquina
Aqui as coisas começaram a ficar incrivelmente emocionantes, afinal estava tudo pronto para dar certo, nessa altura o software já estava construido e rodando (Apesar de eu não adentrar no funcionamento do programa, disponibilizo o código fonte mais à frente caso você queira estudá-lo). Tinha tudo para dar certo eu pensava, afinal só troquei umas chaves analógicas por outras “digitais”. Felizmente eu estava certo, mas depois você verá o video final.
O que eu precisava fazer agora era cortar fios de tamanho bom para ligar a máquina até a placa. A distância dos fios foi de 1 metro aproximadamente. A sobra é útil quando precisa-se limpar atrás da máquina ou fazer alguma manutenção. Comprei fios de várias cores para facilitar a conexão deles no circuito.
Algumas conexões da máquina exigiam mais corrente e para estas usei os relés de 40A e um par de fios para fazer a conexão com a placa, isso tudo para garantir que transferência de corrente não seria um problema. Provavelmente eu tenha superdimensionado o circuito, mas assim trabalhei mais tranquilo.
Confira as imagens:
Fios soldados – dois fios para maior transferência de corrente
Fios conectados à placa ilhada
Conexões dos fios nos bornes da placa
Após conectado os fios na placa o próximo passo foi conectá-los à máquina! Finalmente, uma interface! Para não fazer um sistema muito intrusivo, e facilitar futuras manutenções, revolvi usar conectores na máquina. Aqui é o ponto que a loja disse “não dá para adaptar”. Siiim, dá sim, veja nas fotos abaixo.
Foi necessário fazer um pequeno buraco na capa da máquina (sorry mama) para a passagem dos fios. Feito todas as conexões, meu ambiente de testes estava montado! O notebook ao lado foi usado para acompanhar o retorno serial feito pelo programa, informando o que extamente estava fazendo e também para fazer atualizações do programa “em tempo real”. Nos videos isso fica mais claro.
Fios adaptados ao conector da máquina, sim, é possível!
Fios passando pela capa plástica da máquina
Ambiente de testes
Quinto passo, Fazendo tudo funcionar!
Nessa etapa é que os nervos ficam a flor da pele! Em teoria está tudo pronto, mas você com a conhecida experiência de programador, sabe: vai dar pau! hehe. E realmente, um programa nunca funciona de primeira! Mas isso é normal. Confira no video abaixo como foi emocionante fazer os testes.
Por fim, o sistema instalado, terminado e funcional!
Veja que ele gera uma certa interação com a mãe. Futuramente pode-se desenvolver um comportamento para a máquina do tipo “ainda quer lavar?”, “estou exausta”, “Como é bom ser uma máquina de lavar roupas” e assim por diante.
Placa instalada na prateleira e rodando o sistema
Máquina dando boas vindas para a mãe
Máquina feliz por ter terminado seu trabalho
Máquina finalizada e em uso
Código fonte do Programa
Como dito anteriormente, não vou aprofundar-me no código fonte, até porque ele está bastante fácil de entender. Fique atento, esse código não está otimizado ok? Peço desculpas aos desenvolvedores avançados…
Apesar de simples, sempre tem muito que podemos aprender. Esse sistema trabalha com a EEPROM do Arduino, afinal caso seja aberta a tampa da máquina ou acabe a luz, o sistema se desliga, e precisa saber onde estava para continuar seu trabalho.
Ele também trabalha com o display LCD, qual você poderá notar a simplicidade que é em se trabalhar. Veja também que o programa não usa o método loop() do Arduino. Bons estudos!
Conclusão
Esse projeto foi iniciado no dia 2 de outubro de 2011 e teve sua conclusão 7 dias depois. Ele significou muito para mim, pois identificar um problema, desenvolver e validar uma solução eletrônica sempre foi algo complexo e que até então não havia conseguido fazer algo de maneira eficaz.
Quando mais novo (12 anos em diante) até esse projeto, sempre tive enormes dificuldades em terminar minhas ideias (exceto é claro minha carregadeira feita aos 13 anos, que não tirei nenhuma foto :( – as câmeras digitais não eram populares naquele tempo). Sempre comecei muito empolgado e depois acabava desistindo seja qual for fosse o motivo – normalmente tinha uma ideia melhor e desmontava a anterior para fazer a próxima (falta de peças hehe). Então, se você é assim, muito empolgado em desenvolver algo e com o passar do tempo trabalhando no mesmo projeto se sentir desanimado, lembre-se: eu passei muitas vezes por isso, o importante claro é continuar, continuar, continuar. Um dia chegamos lá!
Dica:
Quando for desenvolver qualquer tipo de projeto eletrônico, separe-o em etapas bem definidas, depois execute cada uma como se fosse a mais importante e não tenha pressa em testá-lo! Desfrute cada pedaço do todo com muita paciência. As chances de concluir sua ideia só aumentarão.
O que mais me impressionou foi a estabilidade do “eterno protótipo”, pois 4 meses depois, a máquina continua lavando roupas, sem reclamar e sem travar! Eu imaginei que iria ter muita dor de cabeça ainda, mas repito: fiquei impressionado com a estabilidade do Atmega 328. Não tenho experiência com PIC ainda, mas será que com um circuito “tão pobre” como o desenvolvido aqui ele teria a mesma estabilidade? Fica aberta essa questão para daqui alguns meses/anos eu responder.
Espero sinceramente ter lhe ajudado em algo, obrigado pela paciência em ler até aqui.
Agradecimentos
Obrigado mãe, por ter confiado em mim e ter tido paciência de ficar 7 dias sem lavar roupas aguardando, sem garantias, o desenvolvimento e teste do projeto que iria consertar a máquina.
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Paulo Trentin
Maluco desde criança por desmontar carrinhos logo após sair do 1,99 e levar xingões da mãe por fazê-lo. Apaixonado por eletrônica e programação. Sou formado em Ciência da Computação e trabalho com desenvolvimento de software, nosso carro chefe é o http://www.auryn.com.br
Paulo Henrique Barros
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