روشنایی ورودی اتوماتیک: 10 مرحله

2024 نویسنده: John Day | [email protected]. آخرین اصلاح شده: 2024-01-30 08:52

من می خواهم روشنایی خودکار را در ورودی داخل خانه نصب کنم. در بیشتر موارد ، یک کلید سنجش حرکت PIR (سنسور مادون قرمز منفعل) و یک لامپ این کار را انجام می دهند ، اما من این ایده را کنار می گذارم ، زیرا یک سنسور متصل به خارج دست و پا گیر به نظر می رسد.

هدف من در این پروژه:

1. چشم انداز روشنایی باید ساده و کم نمای به نظر برسد.
2. همچنین علاقه من به آزمایش موارد جدید و تأیید ایده های جدید در پروژه است:

• از چاپ سه بعدی برای هندسه پیچیده استفاده کنید.
• طراحی مدار ، PCB (مدار چاپی) طرح بندی و نمونه سازی برای وسایل الکترونیکی.
• من قبلاً از WiFi-MCU (Microcontroller) ESP32 استفاده کرده ام. از آنجا که ما می توانیم از طریق سرور http با MCU ارتباط برقرار کنیم ، آیا این واسط مناسب نیست که یک رابط مبتنی بر وب برای خواندن سیگنال سنسورها و تنظیم پارامترهای روشنایی داشته باشیم؟

بر اساس این ایده ها ، من یک Mockup تهیه کردم و تأیید کردم که کار می کند. من سیستم روشنایی را طراحی و می سازم.

توجه داشته باشید:

• ابعاد فیزیکی بیان شده در این پروژه برای روشنایی مساحت 1 متر در 1.5 متر است. می توانید از آن به عنوان مرجعی برای مقیاس بندی طرح خود استفاده کنید.
• برخی از کارهای این پروژه ممکن است خطرناک باشند ، قبل از آزمایش و نصب اقدامات احتیاطی لازم را انجام دهید.
• من همه تجهیزات و ابزار لازم برای ساخت قطعات را ندارم. در نتیجه ، کارهای چاپ سه بعدی و تولید مدار چاپی را به استودیوهای حرفه ای برون سپاری می کنم. CAD مانند Fusion 360 و EAGLE کمک زیادی در این سناریو می کند. در بخشهای بعدی بیشتر صحبت خواهم کرد.

مرحله 1: نمای کلی طرح ، چیدمان و مدل

ایده من این است که یک سیستم روشنایی را درون محفظه چوبی "مخفی" کنم ، اما از طریق یک دهانه اجازه روشنایی را بدهم.

من ابتدا از Fusion360 برای مدل سازی کل صحنه استفاده می کنم. می توانید از آموزش نحوه استفاده از آن دیدن کنید. CAD برای تجسم بهتر در مرحله طراحی بسیار کمک می کند.

برای مثال ، ما از سنسورهای مادون قرمز برای ردیابی افرادی که نزدیک می شوند و چراغ را روشن می کنیم ، استفاده می کنیم. بنابراین ، سنسورها باید موقعیت دقیق داشته باشند. ما فقط می توانیم مسیر اشعه مادون قرمز را در مدل ترسیم کنیم. سنسورها را به هر شکلی که می خواهیم بچرخانیم و بدون محاسبه پیچیده از قبل انجام دهیم.

سرانجام ، من این را به روش زیر ساختم:

• یک Opening ایجاد کنید و یک مجموعه LED را در بالای آن نصب کنید.
• یک مقاومت در برابر نور برای بررسی اینکه آیا اتاق به اندازه کافی تاریک است تا روشن شود.
• من از 2 سنسور مادون قرمز دوربرد استفاده می کنم تا تشخیص دهم که آیا فردی به ورودی نزدیک می شود یا اگر به اندازه کافی نزدیک باشد چراغ را روشن می کند.
• سنسور مادون قرمز کوتاه برد دیگری برای بررسی باز شدن درب.
• دهانه باریک است و بنابراین ما باید سنسورها را در موقعیت های دقیق قرار دهیم. ما همچنین به یک بازتابنده برای هدایت نور LED از طریق دهانه نیاز داریم. ما می توانیم یک قسمت واحد (The Sensors Holder) را برای تحقق این دو هدف به صورت سه بعدی چاپ کنیم.
• نظارت بر سیستم و تنظیم پارامترها از طریق WiFi: قرائت سنسور در حال حاضر چگونه است؟ چقدر به روشن شدن چراغ نزدیک است؟ نور چقدر باید روشن شود؟ لامپ تا کی باید روشن بماند؟ ما می توانیم نور را از طریق مرورگر وب با استفاده از MCU WiFi مانند ESP32 کنترل کنیم.

مرحله 2: باز کردن

ابزارها:

• خط کش مربع
• اره برقی یا اره برقی
• مته - مته دستی یا هر درایور برقی که قادر به حفاری در چوب و پلاستیک است.
• فایل
• ماله ، کاغذ سنباده و قلم مو - برای بازگرداندن سطح به حالت اولیه و رنگ آن.

مواد:

• نوارهای اکریلیک - مواد خراشیده به شرط ضخامت کافی (mm 5 میلی متر) خوب هستند
• گچ
• رنگ داخلی

رویه ها:

1. یک الگوی اکریلیک بسازید تا ابعاد دهانه را مشخص کنید. من 4 نوار اکریلیک را روی هم چیده و به هم می چسبانم. از خط کش مربعی برای اطمینان از 90 درجه سانتیگراد استفاده کنید. اندازه دهانه 365 میلی متر در 42 میلی متر است.
2. 4 سوراخ نصب روی قالب ایجاد کنید ، سپس با استفاده از پیچ آن را روی محفظه ثابت کنید.
3. در امتداد لبه ها سوراخ کنید و ناحیه ناخواسته را جدا کنید.
4. از یک فایل برای حذف مواد اضافی و صاف کردن لبه ها در امتداد الگو استفاده کنید.
5. قالب را حذف کنید. گچ را روی سوراخ های نصب و سطح چوبی بمالید.
6. سطح را ماسه بزنید و گچ بزنید. این مراحل را تکرار کنید تا سطح صاف شود.
7. سطح را رنگ کنید.

مرحله 3: ساخت مجموعه LED

ابزارها:

• اره - اره دستی یا برقی.
• مته - مته دستی یا هر درایور برقی که قادر به حفاری در چوب و پلاستیک است.
• استریپر سیم
• آهن لحیم کاری

مواد:

• and لوله و نگهدارنده های PVC 20 میلیمتری.
• لامپ LED 5W G4 و سوکت x5
• کابل های برق
• سیم لحیم کاری
• لوله انقباض را بشنوید

رویه ها:

1. یک لوله PVC به طول 355 میلی متر را به عنوان بدنه لامپ برش دهید.
2. دو نگهدارنده لوله را در دو انتهای آن به عنوان پایه نصب کنید.
3. پنج سوراخ mm17 میلی متری روی لوله های PVC برای سوکت های LED ایجاد کنید.
4. سوکت های LED را وارد کنید و مطمئن شوید که کابل ها به اندازه کافی بلند هستند تا از لوله خارج شوند ، در صورت کوتاه بودن کابل ، آنها را گسترش دهید. از آنجا که ما از لامپ های LED 5W G4 به عنوان منابع نور استفاده می کنیم ، جریان برای منبع 220VAC 23mA خواهد بود. من از سیم های روبان AWG#24 برای لحیم کابل اصلی استفاده می کنم. برای محافظت از ناحیه مفصلی از لوله جمع کننده استفاده کنید.
5. لامپ های LED را روی سوکت های LED نصب کنید.
6. لامپ های LED را به صورت موازی وصل کنید.

مرحله 4: ساخت نگهدارنده سنسور

من ابتدا از Fusion360 برای مدل سازی نگهدارنده سنسور استفاده می کنم. برای ساده سازی نصب و ساخت ، نگهدارنده سنسور نیز به عنوان بازتابنده نور عمل می کند و آنها یک قسمت واحد هستند. نگهدارنده سنسور باید دارای حفره های نصب با شکل سنسورهای محدوده IR باشد. هنگام استفاده از Fusion360 این کار را می توان به راحتی انجام داد:

1. سنسورها و نگهدارنده سنسور را در موقعیت های مورد نظر خود وارد کرده و قرار دهید [همانطور که در مرحله 2 نشان داده شده است]
2. از فرمان تداخل برای بررسی میزان همپوشانی بین نگهدارنده و سنسورها استفاده کنید.
3. سنسورها را نگه دارید و حجم همپوشانی را در نگهدارنده بردارید.
4. مدل را به عنوان یک قسمت جدید ذخیره کنید. حفره های نصب شده اکنون شکل سنسورها را دارند!
5. ما همچنین باید تحمل تولید را در نظر بگیریم: تحمل ابعاد سنسور 0.3 میلی متر and و تحمل تولید چاپ سه بعدی 0.1 میلی متر است. من برای اطمینان از تناسب فاصله ، 0.2 میلیمتر افست بیرونی روی تمام سطوح تماس حفره ها ایجاد کردم.

مدل برای چاپ سه بعدی به استودیو ارسال می شود. برای کاهش هزینه تولید ، از ضخامت کوچک 2 میلی متر استفاده می کنم و الگوهای خالی برای صرفه جویی در مواد ایجاد می کنم.

زمان چاپ سه بعدی حدود 48 ساعت است و 32 دلار آمریکا هزینه دارد. هنگام دریافت ، قسمت تمام شده قبلاً سنباده شده بود ، اما خیلی درشت است. بنابراین سطوح را با کاغذ سنباده مرطوب 400 تکه تمیز می کنم ، و سپس اسپری فضای داخلی را با رنگ سفید انجام می دهم.

مرحله 5: طراحی مدار

اهداف و ملاحظات

• من اجاق جوش لحیم کاری ندارم ، بنابراین فقط قطعات موجود در بسته DIP در نظر گرفته می شود.
• طراحی تک برد: PCB شامل تمام قطعات از جمله واحد منبع تغذیه AC-DC بود.
• صرفه جویی در مصرف انرژی: سنسورها و لامپ LED را تنها زمانی روشن کنید که ورودی به اندازه کافی تاریک باشد.
• پیکربندی از راه دور: پارامترهای MCU را از طریق WiFi تنظیم کنید.

نحوه عملکرد مدار

• ورودی برق AC از طریق جعبه ترمینال (TB1) ، با حفاظت از فیوز (XF1).
• از منبع تغذیه AC-DC مینیاتوری (PS1) برای تأمین برق 5VDC به برد ESP32 MCU (JP1 & 2) و حسگرها استفاده می شود.
• WiFi MCU ESP32 (NodeMCU-32S) سیگنال ولتاژ را از Photoresistor (PR) با استفاده از یک کانال ADC (ADC1_CHANNEL_7) می خواند. اگر سیگنال پایین تر از آستانه است ، MOSFET (Q1) را از طریق GPIO pin22 روشن کنید تا هر 3 سنسور مادون قرمز را فعال کنید.
• 3 کانال ADC دیگر (ADC1_CHANNEL_0 ، ADC1_CHANNEL_3 ، ADC1_CHANNEL_6) برای خروجی سیگنال 3 سنسور مادون قرمز (IR_Long_1 ، IR_Long_2 ، IR_Short). اگر سیگنال بالاتر از آستانه است ، MOSFET (Q2) را از طریق GPIO pin 21 روشن کنید ، که SSR (K1) را روشن کرده و چراغ های LED متصل به TB1 را روشن می کند.
• MCU بررسی می کند که آیا WiFi Toggle (S1) از طریق (ADC1_CHANNEL_4) روشن است و وظیفه WiFi را اجرا می کند تا پارامترها در MCU تنظیم شوند.

لیست قسمت ها

1. NodeMCU-32S x1
2. میانگین منبع تغذیه IRM-10-5 منبع تغذیه x1
3. رله Omron G3MC-202P-DC5 حالت جامد x1
4. STP16NF06L N-Channel MOSFET x2
5. حسگر اندازه گیری فاصله شارپ GP2Y0A710K0F x2
6. Sharp GP2Y0A02YK0F سنسور اندازه گیری فاصله x1
7. هدر زن 2.54mm -19 پین x2 (یا هرگونه ترکیب سرصفحه برای ایجاد 19 پین)
8. HB-9500 فاصله 9.mm ترمینال بلوک 4 پین 2 (HP-4P) x1
9. KF301 5.08mm فاصله ترمینال بلوک اتصال 2 پین x1
10. KF301 5.08mm فاصله ترمینال بلوک اتصال 3 پین x3
11. SS-12D00 1P2T Toggle Switch x1
12. دارنده فیوز BLX-A x1
13. فیوز 500 میلی آمپر
14. PhotoResistor x1
15. مقاومتهای 1k اهم x3
16. خازن های 0.1uF x3
17. 10uF خازن x1
18. پیچ نایلونی M3X6mm x6
19. M3X6mm پیچ های نایلونی ضد خش x4
20. M3X8mm فاصله نایلون x4
21. M3 مهره های نایلونی x2
22. محفظه پلاستیکی (اندازه بزرگتر از 86 میلی متر در 84 میلی متر)
23. 2W 33k اهم مقاومت x1 (اختیاری)

توجه داشته باشید که LED کم مصرف ممکن است همچنان خاموش باشد حتی اگر رله حالت جامد خاموش باشد ، این به دلیل خنک شدن داخل رله حالت جامد است. برای حل این مشکل ممکن است به مقاومت و خازن موازی با چراغ LED نیاز داشته باشید.

مرحله 6: چیدمان و مونتاژ PCB

ما می توانیم از نمونه اولیه PCB جهانی برای ایجاد مدار استفاده کنیم. اما من سعی می کنم از EAGLE CAD برای طراحی شماتیک و طرح استفاده کنم. تصاویر تخته (فایل Gerber) برای ساخت به استودیو نمونه سازی PCB ارسال می شود.

از تخته دو لایه FR4 با مس 1oz استفاده می شود. ویژگی هایی مانند نصب سوراخ ها ، روکش از طریق سوراخ ها ، تراز کردن لحیم هوای گرم ، لایه ماسک لحیم کاری ، متن Silkscreen (خوب.. اکنون آنها از چاپ جوهر افشان استفاده می کنند) گنجانده شده است. هزینه ساخت PCB 10 عددی (MOQ) 4.2 دلار آمریکا است - قیمت مناسب در چنین کیفیت کاری.

آموزشهای خوبی در مورد استفاده از EAGLE برای طراحی PCB وجود دارد.

از Sparkfun:

• با استفاده از EAGLE: شماتیک
• با استفاده از EAGLE: Layout Board

آموزش خوب یوتیوب توسط ایلیا میخلسون:

• آموزش PCB عقاب: شماتیک
• آموزش PCB عقاب: طرح بندی
• آموزش PCB عقاب: نهایی شدن طراحی
• آموزش PCB عقاب: کتابخانه سفارشی

قطعات را به PCB وارد کرده و در پشت لحیم کنید. رله حالت جامد ، جعبه فیوز و خازن ها را با چسب حرارتی تقویت کنید. در قسمت پایین محفظه پلاستیکی سوراخ کنید و جدا کننده های نایلونی را نصب کنید. در دیوارهای جانبی دهانه هایی ایجاد کنید تا اتصال کابل امکان پذیر باشد. مونتاژ PCB را روی جدا کننده ها نصب کنید.

مرحله 7: کابل های سنسور را گسترش دهید

کابل های سنسور اصلی بسیار کوتاه هستند و نیاز به تمدید دارند. من از کابل سیگنال محافظ 22AWG برای کاهش نویز ناشی از تداخل با ولتاژ سیگنال استفاده می کنم. محافظ را به سنسور Ground و Vcc و Vo را به سیمهای دیگر وصل کرد. از مفصل با لوله جمع کننده محافظت کنید.

مقاومت عکس را به همان روش گسترش دهید.

مرحله 8: مونتاژ

1. مجموعه LED را نصب کنید ، سیلیکون یا چسب داغ را روی پایه بمالید و آن را روی محفظه ثابت کنید.
2. نگهدارنده سنسور را برای پوشش مجموعه LED نصب کنید. 3 سنسور مادون قرمز را به نگهدارنده های سنسور وصل کنید.
3. یک سوراخ.5 6.5 میلی متری در محفظه نزدیک گوشه ایجاد کنید. مقاومت نوری را وارد کنید ، با استفاده از چسب حرارتی داغ ، آن و کابل را ثابت کنید.
4. محفظه حاوی مدار کنترل را به دیوار وصل کنید.
5. اتصالات سیم زیر را انجام دهید:

• منبع تغذیه AC به "AC IN" مدار.
• منبع تغذیه لامپ LED "AC OUT" مدار است.
• سنسورهای مادون قرمز: Vcc به "5V" ، GND به "GND" ، Vo به "Vout" در مدار
• مقاومت در برابر نور به "PR" در مدار.

مرحله 9: سیستم عامل و راه اندازی

کد منبع سیستم عامل را می توانید در این پیوند GitHub بارگیری کنید.

دکمه WiFi Toggle را روشن کرده و دستگاه را روشن کنید. MCU به طور پیش فرض وارد حالت SoftAP می شود و می توانید از طریق WiFi به نقطه دسترسی "ESP32_Entrance_Lighting" متصل شوید.

در مرورگر به 192.168.10.1 بروید و به توابع زیر دسترسی پیدا کنید:

1. به روز رسانی سیستم عامل OTA از طریق بارگذاری مرورگر.
2. تنظیم پارامترها:

• PhotoResistor - سطح فعال کننده Photoresistor که در زیر آن سنسورها فعال می شوند (دامنه ADC 12bit 0-4095)
• IR_Long1 - مسافتی که در زیر آن سنسور مادون قرمز دور برد 1 لامپ را روشن می کند (محدوده 12 بیت ADC 0-4095)
• IR_Long2 - مسافتی که در زیر آن سنسور مادون قرمز دوربرد 2 لامپ را روشن می کند (محدوده 12 بیت ADC 0-4095)
• IR_Short - فاصله ای که در زیر آن سنسور مادون قرمز کوتاه برد لامپ را روشن می کند (محدوده 12 بیت ADC 0-4095)
• روشن بودن زمان - مدت زمانی که لامپ روی آن می ماند (میلی ثانیه)

با کلیک بر روی "Update" ، سطوح ماشه را روی مقادیر موجود در کادرهای متن تنظیم می کند.

با کلیک بر روی "Sensor polling" ، قرائت سنسور فعلی هر ثانیه به روز می شود ، به شرطی که سطح نور کمتر از سطح ماشه مقاومت نوری باشد.

مرحله 10: تمام کنید

چند نکته در مورد بهبود بیشتر:

• حالت خواب عمیق MCU/پردازنده فوق العاده کم مصرف برای کاهش مصرف انرژی.
• برای پاسخ سریعتر ، از websocket/websocket امن به جای پیام HTTP سنتی استفاده کنید.
• استفاده از اجزای کم هزینه مانند سنسورهای محدوده لیزری.

هزینه مواد برای این پروژه حدود 91 دلار آمریکا است - کمی گران است ، اما من فکر می کنم ارزش آن را دارد که چیزهای جدید را امتحان کرده و تکنولوژی را کشف کنم.

پروژه به پایان رسید و کار می کند. امیدوارم از این برنامه آموزشی لذت ببرید