Αυτόματος φωτισμός εισόδου: 10 βήματα

2024 Συγγραφέας: John Day | [email protected]. Τελευταία τροποποίηση: 2024-01-30 08:32

Θέλω να εγκαταστήσω αυτόματο φωτισμό στην είσοδο μέσα στο σπίτι. Στις περισσότερες περιπτώσεις, ένας διακόπτης ανίχνευσης κίνησης PIR (Passive Infrared Sensor) και ένας λαμπτήρας θα το κάνουν, αλλά την αφήνω αυτή την ιδέα, καθώς ένας αισθητήρας που είναι συνδεδεμένος έξω φαίνεται αδέξιος.

Ο στόχος μου σε αυτό το έργο:

1. Η προοπτική του φωτισμού πρέπει να φαίνεται απλή και χαμηλού προφίλ.
2. Είναι επίσης το ενδιαφέρον μου να δοκιμάσω νέα πράγματα και να επαληθεύσω νέες ιδέες στο έργο:

• Χρησιμοποιήστε τρισδιάστατη εκτύπωση για πολύπλοκη γεωμετρία.
• Circuit Design, PCB (Printed Circuit Board) Διάταξη και Prototyping για τα ηλεκτρονικά.
• Είχα χρησιμοποιήσει το WiFi-MCU (Microcontroller) ESP32 πριν. Δεδομένου ότι μπορούμε να αλληλεπιδράσουμε με το MCU μέσω του διακομιστή http, δεν είναι βολικό εάν έχουμε μια διεπαφή που βασίζεται στον ιστό για να διαβάζουμε σήματα αισθητήρων και να ρυθμίζουμε τις παραμέτρους φωτισμού;

Με βάση αυτές τις ιδέες έκανα ένα Mockup και επαληθεύω ότι λειτουργεί. Σχεδιάζω και κατασκευάζω το σύστημα φωτισμού.

Σημείωση:

• Οι φυσικές διαστάσεις που αναφέρονται σε αυτό το έργο είναι για φωτισμό μιας περιοχής 1m x 1.5m. Μπορείτε να το χρησιμοποιήσετε ως αναφορά για την κλίμακα του σχεδίου σας.
• Ορισμένες εργασίες σε αυτό το έργο μπορεί να είναι επικίνδυνες, λάβετε τις απαραίτητες προφυλάξεις πριν από τη δοκιμή και την εγκατάσταση.
• Δεν έχω όλο τον εξοπλισμό και τα εργαλεία για την κατασκευή εξαρτημάτων. Ως αποτέλεσμα, αναθέτω εργασίες 3D εκτύπωσης και κατασκευής PCB σε επαγγελματικά στούντιο. Το CAD όπως το Fusion 360 και το EAGLE βοηθά πολύ σε αυτό το σενάριο. Θα μιλήσω περισσότερο στις επόμενες ενότητες.

Βήμα 1: Επισκόπηση σχεδιασμού, διάταξη και μοντέλο

Η ιδέα μου είναι να κάνω ένα σύστημα φωτισμού να «κρύβεται» μέσα στο ξύλινο διαμέρισμα, αλλά να επιτρέπει τον φωτισμό μέσω ενός ανοίγματος.

Χρησιμοποιώ το Fusion360 για να μοντελοποιήσω πρώτα όλη τη σκηνή. Μπορείτε να επισκεφθείτε το Σεμινάριο για το πώς να το χρησιμοποιήσετε. Το CAD βοηθά πολύ για καλύτερη απεικόνιση στη φάση του σχεδιασμού.

Για παράδειγμα, χρησιμοποιούμε αισθητήρες υπερύθρων για την παρακολούθηση τυχόν ατόμων που πλησιάζουν και ανάβουν το φως. Επομένως, οι αισθητήρες πρέπει να τοποθετηθούν με ακρίβεια. Μπορούμε απλά να σχεδιάσουμε τη διαδρομή υπέρυθρων ακτίνων στο μοντέλο. Περιστρέψτε και μετακινήστε τους αισθητήρες με οποιονδήποτε τρόπο θέλουμε χωρίς περίπλοκο υπολογισμό εκ των προτέρων.

Τέλος, το έφτιαξα με αυτόν τον τρόπο:

• Δημιουργήστε ένα άνοιγμα και εγκαταστήστε ένα συγκρότημα LED πάνω από αυτό.
• Ένας φωτοαντιστάτης για να ελέγξει αν το δωμάτιο είναι αρκετά σκοτεινό για να φωτιστεί.
• Χρησιμοποιώ 2 αισθητήρες υπερύθρων μεγάλης εμβέλειας για να ανιχνεύσω εάν κάποιος πλησιάζει την είσοδο, ανάβοντας το φως εάν είναι αρκετά κοντά.
• Ένας άλλος αισθητήρας υπερύθρων μικρής εμβέλειας για να ελέγξετε αν ανοίγει η πόρτα.
• Το άνοιγμα είναι στενό και έτσι πρέπει να τοποθετήσουμε τους αισθητήρες σε ακριβείς θέσεις. Χρειαζόμαστε επίσης έναν ανακλαστήρα για να κατευθύνει το φως LED να περνάει από το άνοιγμα. Μπορούμε να εκτυπώσουμε 3D ένα μόνο μέρος (The Sensors Holder) για να εκπληρώσουμε αυτούς τους 2 σκοπούς.
• Παρακολούθηση συστήματος και ρύθμιση παραμέτρων μέσω WiFi: Ποιες είναι οι ενδείξεις των αισθητήρων τώρα; Πόσο κοντά στο άναμμα του φωτός; Πόσο σκοτεινό πρέπει να ανάψει το φως; Πόσο καιρό πρέπει να ανάψει η λάμπα; Μπορούμε να ελέγξουμε τον φωτισμό μέσω ενός προγράμματος περιήγησης ιστού χρησιμοποιώντας ένα WiFi MCU όπως το ESP32.

Βήμα 2: Κάνοντας το άνοιγμα

Εργαλεία:

• Τετραγωνικός Χάρακας
• Πριόνι- χειροκίνητο ή ηλεκτρικό.
• Τρυπάνι - τρυπάνι χειρός ή οποιοδήποτε ηλεκτρικό πρόγραμμα οδήγησης ικανό να τρυπήσει σε ξύλο και πλαστικό.
• Αρχείο
• Μυστρί, γυαλόχαρτο και πινέλο - για επαναφορά της επιφάνειας στην αρχική κατάσταση και χρώμα.

Υλικά:

• Ακρυλικές λωρίδες - Το ξύσιμο είναι λεπτό υπό την προϋπόθεση ότι είναι αρκετά παχύ (~ 5mm)
• Γύψος
• Εσωτερική βαφή

Διαδικασίες:

1. Δημιουργήστε ένα ακρυλικό πρότυπο για να ορίσετε τη διάσταση του ανοίγματος. Στοιβάζω 4 ακρυλικές λωρίδες και τις κολλάω μεταξύ τους. Χρησιμοποιήστε έναν τετράγωνο χάρακα για να βεβαιωθείτε ότι είναι 90 βαθμοί μεταξύ τους. Το μέγεθος του ανοίγματος είναι 365mm X 42mm.
2. Κάντε 4 οπές στερέωσης στο πρότυπο και, στη συνέχεια, στερεώστε το στο διαμέρισμα χρησιμοποιώντας βίδες.
3. Ανοίξτε τρύπες κατά μήκος των άκρων και κόψτε την ανεπιθύμητη περιοχή.
4. Χρησιμοποιήστε ένα αρχείο για να αφαιρέσετε το περιττό υλικό και να κάνετε τις άκρες ευθείες κατά μήκος του προτύπου.
5. Αφαιρέστε το πρότυπο. Εφαρμόστε γύψο στις οπές στερέωσης και στην ξύλινη επιφάνεια.
6. Τρίψτε την επιφάνεια και εφαρμόστε γύψο. Επαναλάβετε αυτά τα βήματα έως ότου η επιφάνεια είναι λεία.
7. Βάψτε την επιφάνεια.

Βήμα 3: Δημιουργία της διάταξης LED

Εργαλεία:

• Πριόνι - χειροκίνητο ή ηλεκτρικό.
• Τρυπάνι - τρυπάνι χειρός ή οποιοδήποτε ηλεκτρικό πρόγραμμα οδήγησης ικανό να τρυπήσει σε ξύλο και πλαστικό.
• Wire Stripper
• Συγκολλητικό σίδερο

Υλικά:

• Tub 20mm σωλήνες PVC και θήκες.
• Λάμπα LED 5W G4 και πρίζα x5
• Ηλεκτρικά καλώδια
• Σύρμα συγκόλλησης
• Ακούστε σωλήνα συρρίκνωσης

Διαδικασίες:

1. Κόψτε ένα σωλήνα PVC μήκους 355 mm ως σώμα του λαμπτήρα.
2. Τοποθετήστε δύο στηρίγματα σωλήνων και στα δύο άκρα ως βάσεις.
3. Τρυπήστε πέντε τρύπες Ø17mm στο σωλήνα PVC για τις πρίζες LED.
4. Τοποθετήστε τις πρίζες LED και βεβαιωθείτε ότι τα καλώδια είναι αρκετά μακριά για να βγουν από το σωλήνα, επεκτείνετε το καλώδιο σε περίπτωση που είναι πολύ κοντά. Καθώς θα χρησιμοποιήσουμε λαμπτήρες LED 5W G4 ως πηγές φωτός, το ρεύμα θα είναι m 23mA για πηγή 220VAC. Χρησιμοποιώ κορδέλα AWG#24 για να κολλήσω το αρχικό καλώδιο. Χρησιμοποιήστε σωλήνα συρρίκνωσης για να προστατέψετε την ενωμένη περιοχή.
5. Τοποθετήστε τους λαμπτήρες LED στις πρίζες LED.
6. Συνδέστε τις λάμπες LED παράλληλα.

Βήμα 4: Δημιουργία της θήκης αισθητήρα

Χρησιμοποιώ το Fusion360 για να μοντελοποιήσω πρώτα τη θήκη του αισθητήρα. Για απλοποίηση της εγκατάστασης και της κατασκευής, η θήκη του αισθητήρα χρησιμεύει επίσης ως ανακλαστήρας φωτός και αποτελούν ένα μόνο μέρος. Ο κάτοχος του αισθητήρα πρέπει να έχει κοιλότητες τοποθέτησης που ταιριάζουν με τα σχήματα των αισθητήρων IR Range. Αυτό μπορεί να γίνει εύκολα όταν χρησιμοποιείτε το Fusion360:

1. Εισαγάγετε και τοποθετήστε τους αισθητήρες και τη θήκη αισθητήρων στις επιθυμητές θέσεις τους [όπως φαίνεται στο βήμα 2]
2. Χρησιμοποιήστε την εντολή παρεμβολής για να ελέγξετε για επικαλυπτόμενη ένταση μεταξύ της θήκης και των αισθητήρων.
3. Κρατήστε τους αισθητήρες και αφαιρέστε την επικαλυπτόμενη ένταση στο στήριγμα.
4. Αποθηκεύστε το μοντέλο ως νέο μέρος. Οι κοιλότητες τοποθέτησης έχουν πλέον το σχήμα των αισθητήρων!
5. Θα πρέπει επίσης να λάβουμε υπόψη την ανοχή κατασκευής: Η ανοχή διάστασης αισθητήρα είναι ± 0.3mm και η ανοχή κατασκευής της τρισδιάστατης εκτύπωσης είναι ± 0.1mm. Έφτιαξα μια εξωτερική μετατόπιση 0,2 mm σε όλες τις επιφάνειες επαφής των κοιλοτήτων για να εξασφαλίσω μια προσαρμογή στο διάκενο.

Το μοντέλο αποστέλλεται σε στούντιο για τρισδιάστατη εκτύπωση. Για να μειώσω το κόστος κατασκευής, χρησιμοποιώ μικρό πάχος 2mm και δημιουργώ κενά σχέδια για εξοικονόμηση υλικού.

Ο χρόνος εκτύπωσης της τρισδιάστατης εκτύπωσης είναι περίπου 48 ώρες και κοστίζει 32 ~ US $. Το τελειωμένο μέρος είχε ήδη λειανθεί όταν το λαμβάνω, αλλά είναι πολύ χοντρό. Συνεπώς, βελτιώνω τις επιφάνειες με υγρό γυαλόχαρτο 400 grit, ακολουθούμενο από ψεκασμό του εσωτερικού με λευκή μπογιά.

Βήμα 5: Σχεδιασμός κυκλωμάτων

Στόχοι και εκτιμήσεις

• Δεν έχω φούρνο ανανέωσης συγκόλλησης, οπότε λαμβάνονται υπόψη μόνο τα εξαρτήματα στο πακέτο DIP.
• Σχεδιασμός μονής πλακέτας: Το PCB περιείχε όλα τα εξαρτήματα, συμπεριλαμβανομένης της μονάδας τροφοδοσίας AC-DC.
• Εξοικονόμηση ενέργειας: Ενεργοποιήστε τους αισθητήρες και τη λάμπα LED μόνο όταν η είσοδος είναι αρκετά σκοτεινή.
• Απομακρυσμένη διαμόρφωση: ρυθμίστε τις παραμέτρους MCU μέσω WiFi.

Πώς λειτουργεί το κύκλωμα

• Είσοδος ισχύος εναλλασσόμενου ρεύματος μέσω του κουτιού τερματικών (TB1), με ασφάλεια προστασίας (XF1).
• Μια μικροσκοπική τροφοδοσία AC-DC (PS1) χρησιμοποιείται για την παροχή ισχύος 5VDC στην πλακέτα ESP32 MCU (JP1 & 2) και στους αισθητήρες.
• Το WiFi MCU ESP32 (NodeMCU-32S) διαβάζει σήμα τάσης από το Photoresistor (PR) χρησιμοποιώντας ένα κανάλι ADC (ADC1_CHANNEL_7). Ενεργοποιήστε το MOSFET (Q1) μέσω του GPIO pin22 για να ενεργοποιήσετε και τους 3 αισθητήρες υπερύθρων αν το σήμα είναι χαμηλότερο από το όριο.
• Άλλα 3 κανάλια ADC (ADC1_CHANNEL_0, ADC1_CHANNEL_3, ADC1_CHANNEL_6) για την έξοδο σήματος 3 αισθητήρων υπερύθρων (IR_Long_1, IR_Long_2, IR_Short). Εάν το σήμα είναι υψηλότερο από το όριο, ενεργοποιήστε το MOSFET (Q2) μέσω του pin GPIO 21, το οποίο ενεργοποιεί το SSR (K1) και ανάβει τις λυχνίες LED που είναι συνδεδεμένες στο TB1.
• Το MCU ελέγχει εάν το WiFi Toggle (S1) είναι ενεργοποιημένο μέσω (ADC1_CHANNEL_4), εκτελώντας το WiFi Task για να επιτρέπονται οι παράμετροι στο MCU.

Λίστα εξαρτημάτων

1. NodeMCU-32S x1
2. Mean Well IRM-10-5 Τροφοδοτικό x1
3. Omron G3MC-202P-DC5 Ρελέ στερεάς κατάστασης x1
4. STP16NF06L N-Channel MOSFET x2
5. Sharp GP2Y0A710K0F Distance Measuring Sensor x2
6. Sharp GP2Y0A02YK0F Distance Measuring Sensor x1
7. Γυναικεία κεφαλίδα 2,54mm -19 ακίδες x2 (ή οποιοσδήποτε συνδυασμός κεφαλίδων για να γίνει 19 pins)
8. HB-9500 Απόσταση 9 μm Terminal Block 4-pin2 (HP-4P) x1
9. KF301 5,08mm αποστάτης ακροδέκτης 2 ακίδων x1
10. KF301 5,08mm απόσταση τερματικού συνδετήρα μπλοκ 3 ακίδων x3
11. Διακόπτης εναλλαγής SS1-12D00 1P2T x1
12. BLX-A Θήκη ασφάλειας x1
13. Ασφάλεια 500mA
14. PhotoResistor x1
15. Αντιστάσεις 1k Ohm x3
16. Πυκνωτές 0.1uF x3
17. Πυκνωτής 10uF x1
18. M3X6mm Νάιλον βίδες x6
19. M3X6mm Νάιλον βίδες με βύθιση x4
20. M3X8mm Νάιλον διαχωριστής x4
21. M3 Νάιλον καρύδια x2
22. Πλαστικό περίβλημα (μέγεθος μεγαλύτερο από 86mm x 84mm)
23. 2W 33k Ohm Resistor x1 (προαιρετικό)

Σημειώστε ότι η λυχνία LED χαμηλής ισχύος ενδέχεται να εξακολουθεί να ανάβει ακόμη και το ρελέ στερεάς κατάστασης είναι σβηστό, αυτό οφείλεται στο σνομπ στο εσωτερικό του ρελέ στερεάς κατάστασης. Mayσως χρειαστεί να συνδεθείτε μια αντίσταση και ένας πυκνωτής παράλληλα με τη λυχνία LED για να λύσετε αυτό το πρόβλημα.

Βήμα 6: Διάταξη και συναρμολόγηση PCB

Μπορούμε να χρησιμοποιήσουμε πρωτότυπο καθολικό PCB για να κάνουμε το κύκλωμα. Αλλά προσπαθώ να χρησιμοποιήσω το EAGLE CAD για να σχεδιάσω το σχηματικό σχήμα και τη διάταξη. Οι εικόνες του πίνακα (αρχείο Gerber) αποστέλλονται στο PCB Prototyping Studio για κατασκευή.

Χρησιμοποιείται σανίδα FR4 2 επιπέδων με χαλκό 1oz. Περιλαμβάνονται χαρακτηριστικά όπως οπές στερέωσης, επιμεταλλωμένες οπές, ισοπέδωση θερμού αέρα, στρώμα μάσκας συγκολλήσεως, κείμενο μεταξοτυπίας (τώρα χρησιμοποιούν εκτύπωση με μελάνι). Το κόστος κατασκευής PCP 10 τεμαχίων (MOQ) είναι 2 4,2 US $ - μια λογική τιμή σε τέτοια ποιότητα εργασίας.

Υπάρχουν καλά μαθήματα σχετικά με τη χρήση του EAGLE για σχεδιασμό PCB.

Από το Sparkfun:

• Χρήση EAGLE: Σχηματική
• Χρήση EAGLE: Διάταξη πίνακα

Ένα καλό σεμινάριο στο Youtube από την Ilya Mikhelson:

• Eagle PCB Tutorial: Σχηματικό
• Eutle PCB Tutorial: Layout
• Eagle PCB Tutorial: Οριστικοποίηση του Σχεδιασμού
• Φροντιστήριο Eagle PCB: Προσαρμοσμένη Βιβλιοθήκη

Τοποθετήστε τα εξαρτήματα στο PCB και κολλήστε στο πίσω μέρος. Ενισχύστε το ρελέ στερεάς κατάστασης, το κιβώτιο ασφαλειών και τους πυκνωτές με θερμή κόλλα. Ανοίξτε τρύπες στο κάτω μέρος του πλαστικού περιβλήματος και εγκαταστήστε τα νάιλον αποστάτες. Κάντε ανοίγματα στα πλευρικά τοιχώματα για να επιτρέψετε τις συνδέσεις καλωδίων. Τοποθετήστε τη διάταξη PCB στο πάνω μέρος των αποστατών.

Βήμα 7: Επεκτείνετε τα καλώδια αισθητήρα

Τα αυθεντικά καλώδια αισθητήρα είναι πολύ κοντά και χρειάζονται επέκταση. Χρησιμοποιώ θωρακισμένο καλώδιο σήματος 22AWG για να μειώσω τον θόρυβο από την παρεμβολή στην τάση σήματος. Συνδέθηκε η θωράκιση με τον αισθητήρα Ground, ενώ η Vcc και η Vo με άλλα καλώδια. Προστατέψτε την άρθρωση με σωλήνα συρρίκνωσης.

Επεκτείνετε τη φωτοαντίσταση με τον ίδιο τρόπο.

Βήμα 8: Συναρμολόγηση

1. Τοποθετήστε το συγκρότημα LED, εφαρμόστε σιλικόνη ή θερμή κόλλα στη βάση και στερεώστε το στο διαμέρισμα.
2. Τοποθετήστε τη θήκη αισθητήρα για να καλύψετε το συγκρότημα LED. Τοποθετήστε τους 3 αισθητήρες υπερύθρων στις υποδοχές αισθητήρων.
3. Τρυπήστε μια τρύπα.56,5mm στο διαμέρισμα κοντά στη γωνία. Τοποθετήστε τη φωτοαντίσταση, στερεώστε το και το καλώδιο χρησιμοποιώντας θερμή κόλλα θερμότητας.
4. Τοποθετήστε το περίβλημα που περιέχει το κύκλωμα ελέγχου στον τοίχο.
5. Κάντε τις ακόλουθες συνδέσεις καλωδίων:

• Πηγή ισχύος AC στο "AC IN" του κυκλώματος.
• Η λυχνία LED τροφοδοτείται στο "AC OUT" του κυκλώματος.
• Αισθητήρες υπερύθρων: Vcc σε "5V", GND σε "GND", Vo σε "Vout" στο κύκλωμα
• Φωτοαντίσταση στο "PR" στο κύκλωμα.

Βήμα 9: Το υλικολογισμικό και η εγκατάσταση

Μπορείτε να κατεβάσετε τον πηγαίο κώδικα υλικολογισμικού σε αυτόν τον σύνδεσμο GitHub.

Ενεργοποιήστε το κουμπί WiFi Toggle και ενεργοποιήστε τη συσκευή. Το MCU θα εισέλθει στη λειτουργία SoftAP από προεπιλογή και μπορείτε να συνδεθείτε στο Σημείο Πρόσβασης "ESP32_Entrance_Lighting" μέσω WiFi.

Μεταβείτε στο 192.168.10.1 στο πρόγραμμα περιήγησης και αποκτήστε πρόσβαση στις ακόλουθες λειτουργίες:

1. Ενημέρωση υλικολογισμικού OTA μέσω μεταφόρτωσης προγράμματος περιήγησης.
2. Ρύθμιση παραμέτρων:

• PhotoResistor - Επίπεδο ενεργοποίησης Photoresistor κάτω από το οποίο θα ενεργοποιηθούν οι αισθητήρες (εύρος ADC 12bit 0-4095)
• IR_Long1 - Απόσταση κάτω από την οποία ο αισθητήρας υπερύθρων μεγάλης εμβέλειας 1 θα ανάψει τη λάμπα (εύρος ADC 12bit 0-4095)
• IR_Long2 - Απόσταση κάτω από την οποία ο αισθητήρας υπερύθρων μεγάλης εμβέλειας 2 θα ανάψει τη λάμπα (εύρος ADC 12bit 0-4095)
• IR_Short - Απόσταση κάτω από την οποία ο αισθητήρας υπερύθρων μικρής εμβέλειας θα ανάψει τη λάμπα (εύρος ADC 12bit 0-4095)
• Light On Time - Η διάρκεια στην οποία παραμένει η λάμπα (χιλιοστά του δευτερολέπτου)

Κάντε κλικ στην επιλογή "Ενημέρωση" για να ορίσετε τα επίπεδα σκανδάλης στις τιμές στα πλαίσια κειμένου.

Κάντε κλικ στην επιλογή "Sensor polling", οι τρέχουσες ενδείξεις του αισθητήρα θα ενημερώνονται κάθε δευτερόλεπτο, με την προϋπόθεση ότι το επίπεδο φωτισμού είναι χαμηλότερο από το επίπεδο σκανδάλης της φωτοαντίστασης.

Βήμα 10: Τέλος

Μερικές σκέψεις για περαιτέρω βελτίωση:

• Λειτουργία βαθύ ύπνου MCU/συνεπεξεργαστής εξαιρετικά χαμηλής ισχύος για μείωση της κατανάλωσης ενέργειας.
• Χρήση websocket/safe websocket αντί για παραδοσιακό μήνυμα HTTP για ταχύτερη απόκριση.
• Χρήση εξαρτημάτων χαμηλότερου κόστους, όπως αισθητήρες εμβέλειας λέιζερ.

Το υλικό κόστος για αυτό το έργο είναι περίπου 91 δολάρια ΗΠΑ - λίγο ακριβό, αλλά νομίζω ότι αξίζει να δοκιμάσετε νέα πράγματα και να εξερευνήσετε την τεχνολογία.

Το έργο ολοκληρώθηκε και λειτουργεί. Ελπίζω να απολαύσετε αυτό το Instructable.