Voice Home Control V1.0: 12 korakov

2024 Avtor: John Day | [email protected]. Nazadnje spremenjeno: 2024-01-30 12:03

Pred nekaj meseci sem si pridobil osebnega pomočnika, natančneje Echo Dot, opremljeno z Alexa. Odločil sem se, ker sem odkril, da lahko na preprost način dodam vtičnike za nadzor in izklop naprave, kot so luči, ventilatorji itd. V spletnih trgovinah sem videl veliko število naprav, ki opravljajo to funkcijo, in takrat sem pomislil…. zakaj ne bi naredil svojega?

S to idejo v mislih sem začel oblikovati ploščo s povezavo Wi-Fi in 4 izhodnimi releji. Spodaj bom korak za korakom opisal načrtovanje, shematsko shemo, oblikovanje tiskanih vezij, programiranje in preskušanje, ki je doseglo vrhunec uspešnega delovanja.

LASTNOSTI

1. Povezava z omrežjem Wifi
2. 100 / 240VAC vhodna napetost
3. 4 izhodni releji (največ 10A)
4. LED indikator napajanja
5. 4 LED indikator napajanja releja
6. Programska glava
7. Gumb za ponastavitev

Korak: Komponente in orodja

Sestavni deli

1. 3 upori 0805 1k ohm
2. 5 uporov 0805 od 220 ohmov
3. 2 upora 0805 10k ohmov
4. 1 upor 0805 od 4,7 k ohmov
5. 2 kondenzatorja 0805 od 0,1 uf
6. 2 kondenzatorja 0805 od 10uf
7. 4 diode ES1B ali podobne v paketu 100V 1A SMA
8. 1 Regulator napetosti AMS1117-3.3
9. 4 zelene LED diode 0805
10. 1 rdeča LED 0805
11. 4 tranzistorji NPN MMBT2222A ali podoben paket SOT23
12. 1 modul Wi-Fi ESP 12-E
13. 1 Napajalnik HLK-PM01
14. 1 Preklopite taktilni SMD
15. 1 zatič glave 6 položajev
16. 5 Stezni blok z dvema položajema Nagib 5,08 mm
17. 4 releji 5VDC

Orodja

1. Spajkalna postaja ali kautin 25-30 W
2. Svinčeni spajkalnik
3. Flux
4. Pinceta
5. Odpakiranje stenja

2. korak: Regulator napajanja in napetosti

Za delovanje vezja sta potrebni 2 napetosti, ena od 3.3 VDC za krmilni del in druga za 5 VDC za napajalni del, saj je ideja, da ima plošča vse potrebno za delovanje, uporabite preklopni vir, ki neposredno napaja 5v in ga napaja omrežna napetost, je bistvenega pomena, kar nam prihrani potrebo po zunanjem napajalniku in dodati moramo le 3.3v linearni regulator (LDO).

Glede na zgoraj navedeno sem kot vir izbral Hi-Link HLK-PM01, ki ima vhodno napetost 100-240VAC pri 0,1A in izhod 5VDC pri 0,6A, nato pa sem postavil široko uporabljen AMS1117-3,3 regulator, ki je zelo pogost in zato lahko dostopen.

Če pogledate podatkovni list AMS1117, boste našli vrednosti za vhodne in izhodne kondenzatorje, to sta 0,1 uf in 10 uf za vhod in še enak odsek za izhod. Nazadnje sem postavil indikatorsko LED diodo z ustrezno mejno upornostjo, ki se zlahka izračuna po ohmovem zakonu:

R = 5V-Vled / Iled

R = 5 - 2 / 0,015 = 200

Tok 15mA v LED je tako, da ne sveti tako močno in podaljša življenjsko dobo.

3. korak: Nadzorite Seccion

Za ta razdelek sem izbral modul Wi-Fi ESP-12-E, ker je majhen, poceni in zelo enostaven za uporabo z Arduino IDE. Ker ima modul vse potrebno za delovanje, je zunanja strojna oprema, potrebna za delovanje ESP, minimalna.

Ne pozabite, da nekaterih GPIO modula ni priporočljivo uporabljati, drugi pa imajo posebne funkcije, nato bom prikazal tabelo o zatičih in funkcijah, ki jih opravljajo:

GPIO --------- Vhod ---------------- Izhod ---------------------- --- Opombe

GPIO16 ------ brez prekinitve ------ brez podpore PWM ali I2C --- visoko ob zagonu, ki se uporablja za prebujanje iz globokega spanca

GPIO5 ------- OK ------------------- OK --------------- pogosto se uporablja kot SCL (I2C)

GPIO4 ------- OK ------------------- OK --------------- pogosto se uporablja kot SDA (I2C)

GPIO0 ------- potegnjeno navzgor ---------- OK --------------- Low to FLASH mode, zagon ne uspe, če potegnete Low

GPIO2 ------- potegnjeno navzgor ---------- OK --------------- zagon ne uspe, če je potegnjen Low

GPIO14 ----- OK ------------------- OK --------------- SPI (SCLK)

GPIO12 ----- V redu ------------------- V redu --------------- SPI (MISO)

GPIO13 ----- OK ------------------- OK --------------- SPI (MOSI)

GPIO15 ----- potegnjeno v GND ---- OK --------------- SPI (CS) Zagon ne uspe, če ga potegnemo visoko

GPIO3 ------- OK ------------------- RX pin ---------- Visoko ob zagonu

GPIO1 ------- TX pin -------------- OK --------------- Visoko ob zagonu, zagon ne uspe, če ga spustimo nizko

ADC0 -------- Analogni vhod ----- X

Zgornje informacije so bile najdene na naslednji povezavi:

Na podlagi zgornjih podatkov sem za digitalne izhode izbral zatiče 5, 4, 12 in 14, ki bodo aktivirali vsakega od relejev, ti so najbolj stabilni in varni za vklop.

Nazadnje sem dodal še tisto, kar je potrebno za programiranje, gumb za ponastavitev na tem zatiču, upor, priključen na napajanje na priključku za omogočanje, upor proti ozemljitvi na GPIO15, glavo, ki se uporablja za priključitev FTDI na zatiče TX, RX in ozemljite GPIO0, da modul preklopite v način bliskavice.

4. korak: Power Seccion

Ta razdelek bo obravnaval uporabo izhodnih 3.3VDC na vratih GPIO za aktiviranje releja. Releji potrebujejo več energije, kot jo zagotavlja pin ESP, zato je za aktiviranje potreben tranzistor, v tem primeru uporabljamo MMBT2222A.

Upoštevati moramo tok, ki bo potekal skozi kolektor (Ic), s temi podatki lahko izračunamo upor, ki bo postavljen na dno tranzistorja. V tem primeru bo Ic vsota toka, ki prehaja skozi relejno tuljavo, in tok LED, ki označuje vžig:

Ic = Irelay + Iled

Ic = 75mA + 15mA = 90mA

Ker imamo trenutni Ic, lahko izračunamo bazni upor tranzistorja (Rb), vendar potrebujemo dodaten par podatkov, dobiček tranzistorja (hFE), ki ima v primeru MMBT2222A vrednost 40 (dobiček je brez dimenzij, zato nima merskih enot) in pregradnega potenciala (VL), ki ima v silicijevih tranzistorjih vrednost 0,7v. Z zgoraj navedenim lahko nadaljujemo z izračunom Rb po naslednji formuli:

Rb = [(VGPIO - VL) (hFE)] / Ic

Rb = [(3,3 - 0,7) (40)] / 0,09 = 1155,55 ohmov

Na podlagi zgornjega izračuna sem izbral upor 1 kohm.

Nazadnje je bila vzporedna z relejno tuljavo nameščena dioda s katodo obrnjeno proti Vcc. Dioda ES1B preprečuje obratno FEM (FEM ali Reverse Electromotive Force je napetost, ki se pojavi, ko se tok skozi tuljavo spreminja)

5. korak: Oblikovanje tiskanih vezij: shema in organizacija komponent

Za izdelavo sheme in kartice sem uporabil programsko opremo Eagle.

Začne se z izdelavo sheme tiskanega vezja, mora zajeti vsak predhodno razložen del vezja, začne se z umeščanjem simbola vsake komponente, ki jo integrira, nato se vzpostavijo povezave med vsako komponento, paziti je treba, da se ne povežejo pomotoma se bo ta napaka odrazila v zasnovi vezja, ki bo povzročila okvaro. Na koncu bodo vrednosti vsake komponente navedene v skladu z izračunom v prejšnjih korakih.

Zdaj lahko nadaljujemo z oblikovanjem kartice, prva stvar, ki jo moramo narediti, je, da sestavimo komponente tako, da zasedejo čim manj prostora, kar bo zmanjšalo stroške izdelave. Osebno rad sestavim komponente tako, da je cenjena simetrična oblika, ta praksa mi pomaga pri usmerjanju, olajša in naredi elegantnejše.

Pri nameščanju komponent in poti je pomembno slediti mreži, v mojem primeru sem uporabil mrežo 25mil, po pravilu IPC morajo imeti komponente med seboj ločitev, na splošno je ta ločitev tudi 25mil.

Korak 6: Oblikovanje tiskane plošče: robovi in montažne luknje

Ko so vse komponente nameščene, lahko razmejimo tiskano vezje s plastjo "20 dimenzij", narišemo obod plošče in tako zagotovimo, da so vse komponente znotraj nje.

Kot posebne pomisleke velja omeniti, da ima modul Wi-Fi anteno, vgrajeno v tiskano vezje, da bi se izognili slabljenju sprejema signala, sem naredil rez tik pod območjem, kjer se nahaja antena.

Po drugi strani pa bomo delali z izmeničnim tokom, ta ima frekvenco od 50 do 60Hz, odvisno od države, v kateri se nahajate, ta frekvenca lahko ustvari šum v digitalnih signalih, zato je dobro izolirati odseke, ki obravnavajo izmenični tok iz digitalnega dela, se to naredi tako, da se na kartici režejo blizu območij, skozi katera bo krožil izmenični tok. Zgoraj navedeno pomaga tudi pri preprečevanju kratkega stika na tiskanem vezju.

Nazadnje so v 4 vogale tiskanega vezja nameščene montažne luknje, tako da je namestitev enostavna in hitra, če jo želite postaviti v omaro.

Korak 7: Oblikovanje tiskanih vezij: Top usmerjanje

Zabavni del, usmerjanje, začnemo z vzpostavljanjem povezav med komponentami v skladu z nekaterimi premisleki, kot sta širina sledi in koti zavijanja. Na splošno najprej vzpostavim povezave, ki niso močne in ozemljene, saj slednje vzpostavljam z načrti.

Vzporedne talne in energetske ravnine so zaradi kapacitivne impedance izjemno uporabne pri zmanjševanju hrupa pri viru napajanja in jih je treba razširiti po čim širšem območju plošče. Pomagajo nam tudi pri zmanjševanju elektromagnetnega sevanja (EMI).

Pri tirih moramo biti previdni, da ne ustvarimo zavojev pod kotom 90 °, niti preširokih niti pretankih. Na spletu lahko najdete orodja, ki nam pomagajo izračunati širino sledi ob upoštevanju temperature, toka, ki bo krožil, in gostote bakra na tiskanem vezju: https://www.4pcb.com/trace-width-calculator. html

8. korak: Oblikovanje tiskanih vezij: spodnje usmerjanje

Na spodnji strani naredimo manjkajoče povezave in v odvečni prostor postavimo talno in električno ravnino, lahko opazimo, da je bilo postavljenih več prehodov, ki povezujejo ozemljitvene ravnine obeh ploskev, ta praksa je izogibanje zank tal.

Ozemljitvene zanke so dve točki, ki bi teoretično morali imeti enak potencial, vendar v resnici niso zaradi odpornosti prevodnega materiala.

Izpostavljene so bile tudi sledi od kontaktov releja do sponk, da bi bile ojačane s spajkanjem in vzdržale večjo tokovno obremenitev brez pregrevanja in gorenja.

9. korak: Gerberjeve datoteke in naročanje tiskanih vezij

Datoteke Gerber uporablja industrija tiskanih vezij za izdelavo PCB -jev, vsebujejo vse podatke, potrebne za njihovo izdelavo, na primer bakrene plasti, spajkalno masko, sitotisk itd.

Izvoz datotek Gerber iz Eagle je zelo preprost z možnostjo »Ustvari podatke CAM«, procesor CAM ustvari datoteko.zip, ki vsebuje 10 datotek, ki ustrezajo naslednjim slojem tiskanega vezja:

1. Spodnji baker
2. Spodnji sitotisk
3. Spodnja spajkalna pasta
4. Spodnja spajkalna maska
5. Mill Layer
6. Vrhnji baker
7. Vrhunska sitotisk
8. Top Spajkalna pasta
9. Top Soldermask
10. Vrtalna datoteka

Zdaj je čas, da naše datoteke Gerber spremenimo v pravo tiskano vezje. Naložite moje datoteke Gerber v JLCPCB za izdelavo mojega tiskanega vezja. Njihova storitev je precej hitra. PCB sem prejel v Mehiki v 10 dneh.

10. korak: Sestavljanje tiskanega vezja

Zdaj, ko imamo PCB -je, smo pripravljeni na montažo plošče, za to pa bomo potrebovali spajkalno postajo, spajkanje, fluks, pinceto in mrežo za odtaljevanje.

Začeli bomo s spajkanjem vseh uporov na ustreznih mestih, majhno količino spajkanja položimo na eno od dveh blazinic, spajkamo priključek upora in nadaljujemo s spajkanjem preostalega priključka, to bomo ponovili v vsakem uporov.

Na enak način bomo nadaljevali s kondenzatorji in LED diodami, pri slednjih moramo biti previdni, saj imajo majhno zeleno oznako, ki označuje katodo.

Nadaljevali bomo s spajkanjem diod, tranzistorjev, regulatorja napetosti in gumba. Spoštuje oznake polarnosti diod, ki jih prikazuje sitotisk, bodite previdni tudi pri spajkanju tranzistorjev, če jih preveč segrejete, jih lahko poškodujete.

Zdaj bomo postavili modul Wi-Fi, najprej bomo spajkali zatič, pri čemer pazimo, da je popolnoma poravnan, kar bomo dosegli, spajkali bomo vse preostale zatiče.

Ostaja le, da zvarimo vse sestavne dele skozi luknjo, saj so najpreprostejše velikosti, le poskrbite, da naredite čist zvar, ki ima sijoč videz.

Kot dodaten korak bomo s kositrom okrepili izpostavljene sledi relejev, kot sem že omenil, to bo progi pomagalo vzdržati več toka brez gorenja.

11. korak: Programska oprema

Za programiranje sem namestil knjižnico fauxmoesp Arduino, s to knjižnico lahko posnemate luči Phillips Hue, čeprav lahko nadzorujete tudi stopnjo svetlosti, bo ta plošča delovala le kot stikalo za vklop / izklop.

Pustim vam povezavo, da lahko prenesete in namestite knjižnico:

Uporabite primer kode iz te knjižnice in naredite potrebne spremembe za delovanje naprave, kodo Arduino pustite, da jo prenesete in preizkusite.

12. korak: Zaključek

Ko je naprava sestavljena in programirana, bomo nadaljevali s preizkušanjem njene funkcionalnosti, samo napajalni kabel moramo postaviti v zgornjo priključno ploščo in ga priključiti v vtičnico, ki zagotavlja 100-240VAC, prižge se rdeča LED (ON), iskal bo internetno omrežje in se povezal.

vstopimo v našo aplikacijo Alexa in vas prosimo, da poiščete nove naprave, ta postopek bo trajal približno 45 sekund. Če je vse v redu, bi morali videti 4 nove naprave, po eno za vsak rele na plošči.

Zdaj je le še treba Alexa povedati, naj vklopi in izklopi naprave, ta test je prikazan v videoposnetku.

Pripravljen !!! Zdaj lahko z osebnim asistentom vklopite in izklopite želeno napravo.