Voice Home Control V1.0: 12 βήματα

2024 Συγγραφέας: John Day | [email protected]. Τελευταία τροποποίηση: 2024-01-30 08:33

Πριν από μερικούς μήνες απέκτησα έναν προσωπικό βοηθό, συγκεκριμένα ένα Echo Dot εξοπλισμένο με Alexa. Το επέλεξα επειδή ανακάλυψα ότι με έναν απλό τρόπο μπορεί να προσθέσει πρόσθετα για τον έλεγχο της συσκευής σβηστή και αναμμένη όπως φώτα, ανεμιστήρες κ.λπ. Στα ηλεκτρονικά καταστήματα είδα έναν μεγάλο αριθμό συσκευών που εκπληρώνουν αυτήν τη λειτουργία και τότε σκέφτηκα…. γιατί να μην φτιάξεις το δικό σου;

Με αυτή την ιδέα στο μυαλό, άρχισα να σχεδιάζω μια πλακέτα με σύνδεση Wi-Fi και 4 ρελέ εξόδου. Παρακάτω θα περιγράψω τον σχεδιασμό βήμα προς βήμα από το σχηματικό διάγραμμα, το σχεδιασμό PCB, τον προγραμματισμό και τις δοκιμές με αποκορύφωμα την επιτυχή λειτουργία.

ΧΑΡΑΚΤΗΡΙΣΤΙΚΑ

1. Σύνδεση δικτύου Wifi
2. Τάση εισόδου 100 / 240VAC
3. 4 ρελέ εξόδου (Μέγιστο 10Α)
4. LED ένδειξης ισχύος
5. 4 Ένδειξη ισχύος LED του ρελέ
6. Κεφαλίδα προγραμματισμού
7. Κουμπί επαναφοράς

Βήμα 1: Στοιχεία και εργαλεία

Συστατικά

1. 3 αντιστάσεις 0805 του 1k ohm
2. 5 αντιστάσεις 0805 των 220 ohm
3. 2 αντιστάσεις 0805 των 10k ohm
4. 1 αντίσταση 0805 των 4,7k ohm
5. 2 Πυκνωτές 0805 του 0.1uf
6. 2 Πυκνωτές 0805 από 10uf
7. 4 Δίοδοι ES1B ή παρόμοια συσκευασία SMA 100v 1A
8. 1 Ρυθμιστής τάσης AMS1117-3.3
9. 4 πράσινα LED 0805
10. 1 κόκκινο LED 0805
11. 4 τρανζίστορ NPN MMBT2222A ή παρόμοιο πακέτο SOT23
12. 1 μονάδα ESP 12-E Wi-Fi
13. 1 Τροφοδοτικό HLK-PM01
14. 1 Αλλαγή απτικής SMD
15. 1 κεφαλίδα καρφίτσας 6 θέσεων
16. 5 Τερματικό μπλοκ 2 θέσεων πίσσα 5,08mm
17. 4 ρελέ 5VDC

Εργαλεία

1. Σταθμός συγκόλλησης ή καουτίν 25-30 Watts
2. Συγκόλληση μολύβδου
3. Ροή
4. Τσιμπιδακι ΦΡΥΔΙΩΝ
5. Φυτίλι αποκόλλησης

Βήμα 2: Τροφοδοτικό και ρυθμιστής τάσης

Για τη λειτουργία του κυκλώματος απαιτούνται 2 τάσεις, μία των 3,3 VDC για το τμήμα ελέγχου και μια άλλη των 5 VDC για το τμήμα ισχύος, καθώς η ιδέα είναι ότι ο πίνακας έχει όλα τα απαραίτητα για τη λειτουργία, χρησιμοποιήστε μια μεταγωγική πηγή που τροφοδοτεί άμεσα 5v και τροφοδοτείται από τάση γραμμής είναι απαραίτητη, αυτό μας εξοικονομεί από την ανάγκη εξωτερικού προσαρμογέα ρεύματος και χρειαζόμαστε μόνο να προσθέσουμε έναν γραμμικό ρυθμιστή 3.3v (LDO).

Έχοντας κατά νου τα παραπάνω, ως πηγή επέλεξα το Hi-Link HLK-PM01 το οποίο έχει τάση εισόδου 100-240VAC στα 0.1A και έξοδο 5VDC στα 0.6A, ακολουθούμενο από αυτό, τοποθέτησα το ευρέως χρησιμοποιούμενο AMS1117-3.3 είναι ήδη πολύ συνηθισμένο και επομένως εύκολα διαθέσιμο.

Διαβάζοντας το φύλλο δεδομένων του AMS1117 θα βρείτε τις τιμές για τους πυκνωτές εισόδου και εξόδου, αυτές είναι 0.1uf και 10uf για την είσοδο και ένα άλλο ίσο τμήμα για την έξοδο. Τέλος, τοποθέτησα μια ενδεικτική λυχνία LED ισχύος με την αντίστοιχη περιοριστική της αντίσταση, η οποία υπολογίζεται εύκολα εφαρμόζοντας τον νόμο του ωμ:

R = 5V-Vled / Iled

R = 5 - 2 / 0.015 = 200

Το ρεύμα των 15mA στο led είναι έτσι ώστε να μην λάμπει τόσο έντονα και να παρατείνει τον χρόνο ζωής του.

Βήμα 3: Ελέγξτε το τμήμα

Για αυτήν την ενότητα επέλεξα μια μονάδα ESP-12-E Wi-Fi επειδή είναι μικρή, φθηνή και πολύ απλή στη χρήση με το Arduino IDE. Δεδομένου ότι η μονάδα διαθέτει όλα τα απαραίτητα για τη λειτουργία της, το εξωτερικό υλικό που απαιτείται για τη λειτουργία του ESP είναι ελάχιστο.

Κάτι που πρέπει να θυμάστε είναι ότι ορισμένα GPIO της ενότητας δεν συνιστάται να χρησιμοποιούνται και άλλα έχουν συγκεκριμένες λειτουργίες, στη συνέχεια θα δείξω έναν πίνακα σχετικά με τις ακίδες και ποιες λειτουργίες εκπληρώνουν:

GPIO --------- Είσοδος ---------------- Έξοδος ---------------------- --- Σημειώσεις

GPIO16 ------ χωρίς διακοπή ------ χωρίς υποστήριξη PWM ή I2C --- Υψηλή εκκίνηση που χρησιμοποιείται για να ξυπνήσει από βαθύ ύπνο

GPIO5 ------- ΟΚ ------------------- ΟΚ --------------- χρησιμοποιείται συχνά ως SCL (I2C)

GPIO4 ------- ΟΚ ------------------- ΟΚ --------------- χρησιμοποιείται συχνά ως SDA (I2C)

GPIO0 ------- τραβήχτηκε προς τα πάνω ---------- ΟΚ --------------- Χαμηλό στη λειτουργία FLASH, η εκκίνηση αποτυγχάνει αν τραβηχτεί χαμηλά

Το GPIO2 ------- τραβήχτηκε προς τα πάνω ---------- ΟΚ --------------- η εκκίνηση αποτυγχάνει αν τραβηχτεί χαμηλά

GPIO14 ----- ΟΚ ------------------- ΟΚ --------------- SPI (SCLK)

GPIO12 ----- ΟΚ ------------------- ΟΚ --------------- SPI (MISO)

GPIO13 ----- ΟΚ ------------------- ΟΚ --------------- SPI (MOSI)

GPIO15 ----- τραβήχτηκε στο GND ---- OK --------------- Η εκκίνηση SPI (CS) αποτυγχάνει αν τραβηχτεί ψηλά

GPIO3 ------- OK ------------------- RX pin ---------- Υψηλή κατά την εκκίνηση

GPIO1 ------- TX pin -------------- OK --------------- Υψηλή κατά την εκκίνηση, η εκκίνηση αποτυγχάνει αν τραβηχτεί χαμηλά

ADC0 -------- Αναλογική είσοδος ----- X

Οι παραπάνω πληροφορίες βρέθηκαν στον ακόλουθο σύνδεσμο:

Με βάση τα παραπάνω δεδομένα, επέλεξα τις ακίδες 5, 4, 12 και 14 ως τις ψηφιακές εξόδους που θα ενεργοποιήσουν καθένα από τα ρελέ, αυτά είναι τα πιο σταθερά και ασφαλή για ενεργοποίηση.

Τέλος πρόσθεσα ό, τι είναι απαραίτητο για τον προγραμματισμό, ένα κουμπί επαναφοράς σε αυτόν τον πείρο, μια αντίσταση που συνδέεται με την τροφοδοσία στον ακροδέκτη ενεργοποίησης, μια αντίσταση στη γείωση στο GPIO15, μια κεφαλίδα που χρησιμοποιείται για τη σύνδεση ενός FTDI στις ακίδες TX, RX και γειώστε το GPIO0 για να θέσετε τη μονάδα σε λειτουργία Flash.

Βήμα 4: Power Seccion

Αυτή η ενότητα θα φροντίσει για τη χρήση των 3.3VDC εξόδου στις θύρες GPIO για ενεργοποίηση ενός ρελέ. Τα ρελέ χρειάζονται περισσότερη ισχύ από αυτή που παρέχεται από έναν πείρο ESP, επομένως απαιτείται ένα τρανζίστορ για να το ενεργοποιήσει, σε αυτή την περίπτωση χρησιμοποιούμε το MMBT2222A.

Πρέπει να λάβουμε υπόψη το ρεύμα που θα περάσει από τον συλλέκτη (Ic), με αυτά τα δεδομένα μπορούμε να υπολογίσουμε την αντίσταση που θα τοποθετηθεί στη βάση του τρανζίστορ. Σε αυτήν την περίπτωση, το Ic θα είναι το άθροισμα του ρεύματος που διέρχεται από το πηνίο του ρελέ και το ρεύμα του LED που υποδεικνύει την ανάφλεξη:

Ic = Irelay + Iled

Ic = 75mA + 15mA = 90mA

Δεδομένου ότι έχουμε το τρέχον Ic μπορούμε να υπολογίσουμε την αντίσταση βάσης του τρανζίστορ (Rb) αλλά χρειαζόμαστε ένα επιπλέον ζεύγος δεδομένων, το κέρδος του τρανζίστορ (hFE), το οποίο στην περίπτωση του MMBT2222A έχει τιμή 40 (το κέρδος είναι χωρίς διάσταση, επομένως δεν έχει μονάδες μέτρησης) και το δυναμικό φραγμού (VL) που στα τρανζίστορ πυριτίου έχει τιμή 0,7v. Με τα παραπάνω μπορούμε να προχωρήσουμε στον υπολογισμό του Rb με τον ακόλουθο τύπο:

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

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

Με βάση τον παραπάνω υπολογισμό, επέλεξα αντίσταση 1kohm.

Τέλος, μια δίοδος τοποθετήθηκε παράλληλα με το πηνίο ρελέ με την κάθοδο να βλέπει Vcc. Η δίοδος ES1B αποτρέπει την αντίστροφη FEM (FEM, ή αντίστροφη ηλεκτροκινητική δύναμη είναι η τάση που συμβαίνει όταν το ρεύμα μέσω ενός πηνίου ποικίλλει)

Βήμα 5: Σχεδιασμός PCB: Σχηματική και οργανωτική συνιστώσα

Για την επεξεργασία του σχηματικού και της κάρτας χρησιμοποίησα το λογισμικό Eagle.

Ξεκινά κάνοντας το σχηματικό σχήμα του PCB, πρέπει να καταγράφει κάθε προηγουμένως εξηγημένο μέρος του κυκλώματος, ξεκινά τοποθετώντας το σύμβολο κάθε στοιχείου που το ενσωματώνει, στη συνέχεια γίνονται οι συνδέσεις μεταξύ κάθε εξαρτήματος, πρέπει να προσέξουμε να μην συνδεθεί λανθασμένα, αυτό το σφάλμα θα αντικατοπτρίζεται στον σχεδιασμό του κυκλώματος προκαλώντας δυσλειτουργία. Τέλος, οι τιμές κάθε στοιχείου θα υποδεικνύονται σύμφωνα με όσα υπολογίστηκαν στα προηγούμενα βήματα.

Τώρα μπορούμε να συνεχίσουμε με το σχεδιασμό της κάρτας, το πρώτο πράγμα που πρέπει να κάνουμε είναι να οργανώσουμε τα εξαρτήματα έτσι ώστε να καταλαμβάνουν τον λιγότερο δυνατό χώρο, αυτό θα μειώσει το κόστος κατασκευής. Προσωπικά, μου αρέσει να οργανώνω τα εξαρτήματα με τέτοιο τρόπο ώστε να εκτιμάται ένας συμμετρικός σχεδιασμός, αυτή η πρακτική με βοηθά όταν δρομολογώ, το καθιστά ευκολότερο και πιο κομψό.

Είναι σημαντικό να ακολουθήσετε ένα πλέγμα όταν τοποθετείτε τα εξαρτήματα και τη διαδρομή, στην περίπτωσή μου χρησιμοποίησα ένα πλέγμα 25mil, σύμφωνα με τον κανόνα IPC, τα εξαρτήματα πρέπει να έχουν διαχωρισμό μεταξύ τους, γενικά αυτός ο διαχωρισμός είναι επίσης 25mil.

Βήμα 6: Σχεδιασμός PCB: Άκρες και οπές τοποθέτησης

Έχοντας όλα τα εξαρτήματα στη θέση τους, μπορούμε να οριοθετήσουμε το PCB, χρησιμοποιώντας το στρώμα "20 Dimension", σχεδιάζεται η περίμετρος του πίνακα, διασφαλίζοντας ότι όλα τα εξαρτήματα βρίσκονται μέσα σε αυτό.

Ως ιδιαίτερες εκτιμήσεις, αξίζει να αναφερθεί ότι η μονάδα Wi-Fi διαθέτει κεραία ενσωματωμένη στο PCB, για να αποφευχθεί η εξασθένηση της λήψης του σήματος, έκανα μια τομή ακριβώς κάτω από την περιοχή στην οποία βρίσκεται η κεραία.

Από την άλλη πλευρά, πρόκειται να εργαστούμε με εναλλασσόμενο ρεύμα, αυτό έχει συχνότητα 50 έως 60Hz ανάλογα με τη χώρα στην οποία βρίσκεστε, αυτή η συχνότητα μπορεί να δημιουργήσει θόρυβο στα ψηφιακά σήματα, οπότε είναι καλό να απομονώσετε τα τμήματα που χειρίζονται εναλλασσόμενο ρεύμα από το ψηφιακό μέρος, αυτό γίνεται κάνοντας περικοπές στην κάρτα κοντά στις περιοχές μέσα από τις οποίες θα κυκλοφορεί το εναλλασσόμενο ρεύμα. Τα παραπάνω βοηθούν επίσης στην αποφυγή τυχόν βραχυκυκλώματος στο PCB.

Τέλος, τοποθετούνται οπές στερέωσης στις 4 γωνίες του PCB, ώστε αν θέλετε να το τοποθετήσετε σε ντουλάπι, η τοποθέτηση να είναι εύκολη και γρήγορη.

Βήμα 7: Σχεδιασμός PCB: Κορυφαία δρομολόγηση

Ξεκινάμε το διασκεδαστικό κομμάτι, η δρομολόγηση, είναι να κάνουμε τις συνδέσεις μεταξύ των εξαρτημάτων ακολουθώντας ορισμένες εκτιμήσεις, όπως το πλάτος της διαδρομής και οι γωνίες στροφής. Γενικά, κάνω πρώτα τις συνδέσεις που δεν είναι δύναμη και έδαφος, αφού τις τελευταίες τις κάνω με σχέδια.

Τα παράλληλα επίπεδα γείωσης και ισχύος είναι εξαιρετικά χρήσιμα για τη μείωση του θορύβου στην πηγή ισχύος λόγω της χωρητικής σύνθετης αντίστασής του και πρέπει να απλώνονται στην ευρύτερη δυνατή περιοχή του πίνακα. Μας βοηθούν επίσης να μειώσουμε την ηλεκτρομαγνητική ακτινοβολία (EMI).

Για τα κομμάτια πρέπει να είμαστε προσεκτικοί ώστε να μην δημιουργούμε στροφές με γωνίες 90 °, ούτε πολύ φαρδιές ούτε πολύ λεπτές. Στο διαδίκτυο μπορείτε να βρείτε εργαλεία που μας βοηθούν να υπολογίσουμε το πλάτος των κομματιών λαμβάνοντας υπόψη τη θερμοκρασία, το ρεύμα που θα κυκλοφορήσει και την πυκνότητα του χαλκού στο PCB: https://www.4pcb.com/trace-width-calculator. html

Βήμα 8: Σχεδιασμός PCB: Κατώτατη δρομολόγηση

Στην κάτω όψη κάνουμε τις συνδέσεις που λείπουν και στον υπερβολικό χώρο τοποθετούμε αεροπλάνα εδάφους και ισχύος, μπορούμε να παρατηρήσουμε ότι τοποθετήθηκαν αρκετές οδοί που συνδέουν τα επίπεδα εδάφους και των δύο όψεων, αυτή η πρακτική είναι να αποφεύγονται οι βρόχοι γείωσης.

Οι βρόχοι εδάφους είναι 2 σημεία που θεωρητικά θα έπρεπε να έχουν το ίδιο δυναμικό, αλλά πραγματικά δεν οφείλονται στην αντίσταση του αγώγιμου υλικού.

Τα ίχνη από τις επαφές ρελέ στους ακροδέκτες ήταν επίσης εκτεθειμένα, προκειμένου να ενισχυθούν με συγκόλληση και να αντέξουν υψηλότερο φορτίο ρεύματος χωρίς υπερθέρμανση και καύση.

Βήμα 9: Αρχεία Gerber και παραγγελία των PCB

Τα αρχεία Gerber χρησιμοποιούνται από τη βιομηχανία τυπωμένων κυκλωμάτων για την κατασκευή PCB, περιέχουν όλες τις απαραίτητες πληροφορίες για την κατασκευή τους, όπως στρώματα χαλκού, μάσκα συγκόλλησης, μεταξοτυπία κ.λπ.

Η εξαγωγή αρχείων Gerber από τον Eagle είναι πολύ απλή χρησιμοποιώντας την επιλογή "Δημιουργία δεδομένων CAM", ο επεξεργαστής CAM δημιουργεί ένα αρχείο.zip που περιέχει 10 αρχεία που αντιστοιχούν στα ακόλουθα επίπεδα PCB:

1. Κάτω χαλκός
2. Κάτω μεταξοτυπία
3. Πάστα κόλλησης κάτω
4. Κάτω Soldermask
5. Mill Layer
6. Κορυφαίο χαλκό
7. Κορυφαία μεταξοτυπία
8. Κολλήστε επικόλληση
9. Top Soldermask
10. Τρυπάνι αρχείο

Τώρα είναι η ώρα να μετατρέψουμε τα αρχεία Gerber σε πραγματικό PCB. Ανεβάστε τα αρχεία Gerber μου σε JLCPCB για την κατασκευή του PCB μου. Η εξυπηρέτησή τους είναι αρκετά γρήγορη. Έλαβα το PCB μου στο Μεξικό σε 10 ημέρες.

Βήμα 10: Συναρμολόγηση του PCB

Τώρα που διαθέτουμε τα PCB, είμαστε έτοιμοι για τη συναρμολόγηση του σκάφους, γι 'αυτό θα χρειαστούμε τον σταθμό συγκόλλησης, τη συγκόλληση, τη ροή, τις λαβίδες και το πλέγμα για να ξεκολλήσουμε.

Θα ξεκινήσουμε με συγκόλληση όλων των αντιστάσεων στις αντίστοιχες θέσεις τους, τοποθετούμε μια μικρή ποσότητα συγκόλλησης σε ένα από τα δύο μαξιλάρια, κολλάμε τον ακροδέκτη της αντίστασης και προχωράμε στη συγκόλληση του υπόλοιπου τερματικού, θα το επαναλάβουμε σε κάθε μία των αντιστάσεων.

Με τον ίδιο τρόπο, θα συνεχίσουμε με τους πυκνωτές και τα LED, πρέπει να είμαστε προσεκτικοί με τους τελευταίους αφού έχουν ένα μικρό πράσινο σημάδι που υποδεικνύει την κάθοδο.

Θα προχωρήσουμε στη συγκόλληση των διόδων, των τρανζίστορ, του ρυθμιστή τάσης και του κουμπιού. Σέβεται τα σημάδια πολικότητας των διόδων που δείχνει τη μεταξοτυπία, επίσης να είστε προσεκτικοί κατά τη συγκόλληση των τρανζίστορ, η υπερθέρμανσή τους μπορεί να τους προκαλέσει ζημιά.

Τώρα θα τοποθετήσουμε τη μονάδα Wi-Fi, πρώτα θα κολλήσουμε μια καρφίτσα φροντίζοντας να είναι τέλεια ευθυγραμμισμένη, επιτυγχάνοντας αυτό, θα κολλήσουμε όλες τις υπόλοιπες ακίδες.

Απομένει μόνο η συγκόλληση όλων των εξαρτημάτων μέσω της οπής, είναι τα πιο απλά για να είναι μεγαλύτερου μεγέθους, απλώς φροντίστε να κάνετε μια καθαρή συγκόλληση που έχει λαμπερή εμφάνιση.

Ως πρόσθετο βήμα, θα ενισχύσουμε τα εκτεθειμένα κομμάτια των ρελέ με κασσίτερο, όπως προανέφερα, αυτό θα βοηθήσει την πίστα να αντέξει περισσότερο ρεύμα χωρίς καύση.

Βήμα 11: Λογισμικό

Για προγραμματισμό εγκατέστησα τη βιβλιοθήκη Arduino fauxmoesp, με αυτήν τη βιβλιοθήκη μπορείτε να μιμηθείτε τα φώτα Phillips Hue, αν και μπορείτε επίσης να ελέγξετε το επίπεδο φωτεινότητας, αυτός ο πίνακας θα λειτουργεί μόνο ως διακόπτης on / off.

Σας αφήνω τον σύνδεσμο για να μπορείτε να κατεβάσετε και να εγκαταστήσετε τη βιβλιοθήκη:

Χρησιμοποιήστε ένα παράδειγμα κώδικα από αυτήν τη βιβλιοθήκη και κάντε τις απαραίτητες τροποποιήσεις για τη λειτουργία της συσκευής, αφήνω τον κωδικό Arduino για λήψη και έλεγχο.

Βήμα 12: Συμπέρασμα

Μόλις η συσκευή συναρμολογηθεί και προγραμματιστεί, θα προχωρήσουμε στη δοκιμή της λειτουργικότητάς της, χρειάζεται μόνο να τοποθετήσουμε ένα καλώδιο τροφοδοσίας στον άνω ακροδέκτη και να το συνδέσουμε σε μια πρίζα που παρέχει 100-240VAC, ανάβει το κόκκινο LED (ON), θα αναζητήσει το δίκτυο του διαδικτύου και θα συνδεθεί.

εισάγουμε την εφαρμογή Alexa και σας ζητάμε να αναζητήσετε νέες συσκευές, αυτή η διαδικασία θα διαρκέσει περίπου 45 δευτερόλεπτα. Εάν όλα είναι σωστά, θα πρέπει να δείτε 4 νέες συσκευές, μία για κάθε ρελέ στον πίνακα.

Τώρα μένει μόνο να πούμε στην Alexa να ενεργοποιήσει και να απενεργοποιήσει τις συσκευές, αυτή η δοκιμή εμφανίζεται στο βίντεο.

Ετοιμος!!! Τώρα μπορείτε να ενεργοποιήσετε και να απενεργοποιήσετε με τον προσωπικό σας βοηθό τη συσκευή που θέλετε.