Il·luminació automàtica d'entrada: 10 passos

2024 Autora: John Day | [email protected]. Última modificació: 2024-01-30 08:11

Vull instal·lar il·luminació automàtica a l’entrada de la casa. En la majoria dels casos, un interruptor de detecció de moviment PIR (Passive Infrared Sensor) i una làmpada funcionaran, però deixo de banda aquesta idea, ja que un sensor connectat a l’exterior sembla maldestre.

El meu objectiu en aquest projecte:

1. La perspectiva de la il·luminació hauria de ser senzilla i de perfil baix.
2. També m'interessa provar coses noves i verificar idees noves en el projecte:

• Utilitzeu la impressió 3D per obtenir geometries complexes.
• Disseny de circuits, disseny de PCB (circuit imprès) i prototipatge per a l’electrònica.
• Abans he utilitzat el WiFi-MCU (microcontrolador) ESP32. Com que podem interactuar amb l’MCU a través del servidor http, no és convenient si tenim una interfície basada en web per llegir el senyal dels sensors i establir els paràmetres d’il·luminació?

Basant-me en aquestes idees, vaig fer una maqueta i vaig comprovar que funcionés; Dissenyo i faig el sistema d’il·luminació.

Nota:

• Les dimensions físiques que s’indiquen en aquest projecte són per il·luminar una superfície d’1m x 1,5m. Podeu utilitzar-lo com a referència per escalar el vostre disseny.
• Algunes obres d’aquest projecte poden ser perilloses; preneu les precaucions necessàries abans de provar-les i instal·lar-les.
• No tinc tots els equips i eines per fabricar components. Com a resultat, externalitzo feines d’impressió 3D i fabricació de PCB a estudis professionals. CAD com Fusion 360 i EAGLE ajuden molt en aquest escenari. En parlaré més a les seccions posteriors.

Pas 1: Visió general del disseny, disseny i model

La meva idea és fer que un sistema d'il·luminació s'amagui dins del compartiment de fusta, però permetre la il·luminació mitjançant una obertura.

Faig servir Fusion360 per modelar primer tota l’escena. Podeu visitar el tutorial sobre com utilitzar-lo. El CAD ajuda molt a una millor visualització en la fase de disseny.

Per exemple, utilitzem sensors d’infrarojos per fer el seguiment de les persones que s’acosten i encenen la llum. Per tant, els sensors han de posicionar-se amb precisió. Només podem dibuixar el recorregut de rajos infrarojos al model. Gireu i moveu els sensors de la forma que vulgueu sense cap càlcul complicat prèviament.

Finalment, ho vaig fer d’aquesta manera:

• Creeu una obertura i instal·leu un conjunt de LED per sobre.
• Un fotoresistor per comprovar si l’habitació és prou fosca per il·luminar-se.
• Utilitzo 2 sensors d’infraroig de llarg abast per detectar si algú s’acosta a l’entrada i encén el llum si està prou a prop.
• Un altre sensor d'infrarojos de curt abast per comprovar si la porta s'obre.
• L’obertura és estreta i, per tant, hem de col·locar els sensors en posicions precises. També necessitem un reflector per dirigir la llum LED que travessa l’obertura. Podem imprimir en 3D una sola part (The Sensors Holder) per complir aquests 2 propòsits.
• Supervisió del sistema i ajust de paràmetres mitjançant WiFi: Quines són les lectures del sensor ara? Què tan a prop d’encendre la llum? Quina foscor s’ha d’encendre la llum? Quant de temps ha de romandre encès el llum? Podem controlar la il·luminació mitjançant un navegador web mitjançant un MCU WiFi com ESP32.

Pas 2: fer l'obertura

Eines:

• Regla quadrada
• Serra de serra o accionada elèctricament.
• Trepant: trepant manual o qualsevol conductor elèctric capaç de perforar fusta i plàstic.
• Dossier
• Paleta, paper de vidre i pinzell: per restablir la superfície al seu estat i color originals.

Materials:

• Tires acríliques: el material raspat està bé sempre que sigui prou gruixut (~ 5 mm)
• Guix
• Pintura interior

Tràmits:

1. Feu una plantilla d’acrílic per definir la dimensió de l’obertura. Apilo 4 tires d’acrílic i les enganxo. Utilitzeu una regla quadrada per assegurar-vos que estiguin 90 graus entre si. La mida de l'obertura és de 365 mm X 42 mm.
2. Feu 4 orificis de muntatge a la plantilla i, a continuació, fixeu-la al compartiment mitjançant cargols.
3. Practicar forats al llarg de les vores i treure la zona no desitjada.
4. Utilitzeu un fitxer per eliminar l’excés de material i fer que les vores siguin rectes al llarg de la plantilla.
5. Traieu la plantilla. Apliqueu guix als forats de muntatge i a la superfície de fusta.
6. Lijar la superfície i aplicar guix. Repetiu aquests passos fins que la superfície sigui llisa.
7. Pinta la superfície.

Pas 3: realització del muntatge del LED

Eines:

• Serra: serra de mans o alimentació elèctrica.
• Trepant: trepant manual o qualsevol conductor elèctric capaç de perforar fusta i plàstic.
• Decapant de filferro
• Soldador

Materials:

• Tubs i suports de PVC de Ø20mm.
• Bombeta i endoll LED G4 de 5W x5
• Cables elèctrics
• Filferro de soldadura
• Escolta el tub de contracció

Tràmits:

1. Tallar una longitud de tub de PVC de 355 mm com a cos de la làmpada.
2. Instal·leu dos suports de tubs als dos extrems com a suports.
3. Practicar cinc forats de Ø17mm a la canonada de PVC per a les preses LED.
4. Introduïu els endolls LED i assegureu-vos que els cables siguin prou llargs per sortir del tub, esteneu el cable per si són massa curts. Com que farem servir làmpades LED G4 de 5W com a fonts de llum, el corrent serà de ~ 23mA per a una font de 220VAC. Utilitzo cables de cinta AWG # 24 per soldar el cable original. Utilitzeu un tub de contracció per protegir la zona articulada.
5. Instal·leu les bombetes LED als endolls LED.
6. Connecteu les làmpades LED en paral·lel.

Pas 4: fabricació del suport del sensor

Utilitzo Fusion360 per modelar primer el suport del sensor. Per simplificar la instal·lació i la fabricació, el suport del sensor també serveix de reflector de llum i constitueix una sola peça. El suport del sensor ha de tenir cavitats de muntatge que coincideixin amb les formes dels sensors IR Range. Això es pot fer fàcilment amb Fusion360:

1. Importeu i col·loqueu els sensors i el suport del sensor a les posicions desitjades [com es mostra al pas 2]
2. Utilitzeu l'ordre d'interferència per comprovar si hi ha volum superposat entre el suport i els sensors.
3. Conserveu els sensors i traieu el volum solapat al suport.
4. Deseu el model com a peça nova. Les cavitats de muntatge ara tenen la forma dels sensors.
5. També hem de tenir en compte la tolerància de fabricació: la tolerància de la dimensió del sensor és de ± 0,3 mm i la tolerància de fabricació de la impressió 3D és de ± 0,1 mm. Vaig fer un desplaçament exterior de 0,2 mm en totes les superfícies de contacte de les cavitats per garantir un ajust lliure.

El model s’envia a un estudi per a la impressió 3D. Per reduir el cost de fabricació, faig servir un petit gruix de 2 mm i creeu patrons buits per estalviar material.

El temps d’expressió de la impressió 3D és d’unes 48 hores i costa uns 32 dòlars EUA. La part acabada ja s’havia esmicolat quan rebia, però és massa gruixuda. Per tant, refino les superfícies amb paper de vidre mullat de 400 grales, seguit de polvorització interior amb pintura blanca.

Pas 5: disseny de circuits

Objectius i consideracions

• No tinc un forn de reflux de soldadura, de manera que només es consideren les parts del paquet DIP.
• Disseny de placa única: el PCB contenia tots els components, inclosa la font d'alimentació AC-DC.
• Estalvi d’energia: enceneu els sensors i el llum LED només quan l’entrada sigui prou fosca.
• Configuració remota: configureu els paràmetres de la MCU mitjançant WiFi.

Com funciona el circuit

• Entrada d’alimentació de CA a través de la Terminal Box (TB1), amb protecció contra fusibles (XF1).
• S'utilitza una font d'alimentació AC-DC en miniatura (PS1) per subministrar energia de 5VDC a la placa ESP32 MCU (JP1 & 2) i als sensors.
• El MCU WiFi ESP32 (NodeMCU-32S) va llegir el senyal de voltatge del fotoresistor (PR) mitjançant un canal ADC (ADC1_CHANNEL_7). Activeu MOSFET (Q1) mitjançant el pin 22 GPIO per encendre els 3 sensors d'infrarojos si el senyal és inferior al llindar.
• Altres 3 canals ADC (ADC1_CHANNEL_0, ADC1_CHANNEL_3, ADC1_CHANNEL_6) per a la sortida del senyal dels 3 sensors d’infrarojos (IR_Long_1, IR_Long_2, IR_Short). Si el senyal és superior al llindar, activeu el MOSFET (Q2) mitjançant el pin 21 GPIO, que engega el SSR (K1) i il·lumina les làmpades LED connectades a TB1.
• La MCU comprova si el commutador WiFi (S1) està activat mitjançant (ADC1_CHANNEL_4), executant la tasca WiFi per permetre els paràmetres establerts a la MCU.

Llista de peces

1. NodeMCU-32S x1
2. Font d'alimentació Mean Well IRM-10-5 x1
3. Relé d’estat sòlid Omron G3MC-202P-DC5 x1
4. MOSFET de canal N STP16NF06L x2
5. Sensor de mesura de distància Sharp GP2Y0A710K0F x2
6. Sensor de mesura de distància Sharp GP2Y0A02YK0F x1
7. Capçal femení 2,54 mm -19 pins x2 (o qualsevol combinació de capçaleres per fer-ne 19 pines)
8. HB-9500 Espai de 9 mm: bloc de terminals 4-pin2 (HP-4P) x1
9. KF301 Espai de 5,08 mm Connector de borns de 2 pins x1
10. KF301 Espai de 5,08 mm Connector de borns de 3 pins x3
11. Interruptor alternador SS-12D00 1P2T x1
12. BLX-A Portafusibles x1
13. Fusible de 500 mA
14. PhotoResistor x1
15. Resistències 1k Ohm x3
16. Condensadors 0.1uF x3
17. Condensador 10uF x1
18. Cargols de niló M3X6mm x6
19. Cargols avellanats de niló M3X6mm x4
20. Separador de niló M3X8mm x4
21. Femelles de niló M3 x2
22. Tancament de plàstic (mida superior a 86 mm x 84 mm)
23. Resistència 2W 33k Ohm x1 (opcional)

Tingueu en compte que el LED de baixa potència pot brillar fins i tot fins que el relé d'estat sòlid estigui apagat, això és degut a la protuberància a l'interior del relé d'estat sòlid. És possible que necessiteu una resistència i un condensador connectats en paral·lel amb la làmpada LED per solucionar aquest problema.

Pas 6: Disseny i muntatge de PCB

Podem utilitzar un prototip de PCB universal per fer el circuit. Però intento utilitzar EAGLE CAD per dissenyar l’esquema i el disseny. Les imatges del tauler (fitxer Gerber) s’envien a PCB Prototyping Studio per a la seva fabricació.

S'utilitza una placa FR4 de 2 capes amb coure de 1 oz. S'inclouen funcions com ara forats de muntatge, forats travessats, anivellament de soldadura per aire calent, capa de màscara de soldadura, text de serigrafia (bé … ara utilitzen impressió per raig de tinta). El cost per fabricar PCB de 10 unitats (MOQ) és de ~ 4,2 dòlars EUA, un preu raonable amb aquesta qualitat de treball.

Hi ha bons tutorials sobre com utilitzar EAGLE per al disseny de PCB.

Des de Sparkfun:

• Utilitzant EAGLE: esquema
• Utilitzant EAGLE: disseny del tauler

Un bon tutorial de Youtube d'Ilya Mikhelson:

• Tutorial Eagle PCB: esquema
• Tutorial Eagle PCB: Disseny
• Tutorial Eagle PCB: Finalització del disseny
• Tutorial Eagle PCB: biblioteca personalitzada

Introduïu els components al PCB i soldeu a la part posterior. Reforceu el relé d’estat sòlid, la caixa de fusibles i els condensadors amb cola calenta. Feu forats a la part inferior de la carcassa de plàstic i instal·leu els separadors de niló. Feu obertures a les parets laterals per permetre les connexions del cable. Munteu el conjunt del PCB a la part superior dels separadors.

Pas 7: amplieu els cables del sensor

Els cables del sensor originals són massa curts i necessiten una extensió. Utilitzo un cable de senyal blindat de 22AWG per reduir el soroll que interfereix amb la tensió del senyal. Connectat el blindatge a la massa del sensor, mentre que Vcc i Vo a altres cables. Protegiu l'articulació amb un tub de contracció.

Amplieu la fotoresistència de la mateixa manera.

Pas 8: Muntatge

1. Instal·leu el conjunt LED, apliqueu silicona o cola calenta al suport i fixeu-lo al compartiment.
2. Instal·leu el suport del sensor per cobrir el conjunt del LED. Munteu els 3 sensors d'infrarojos als suports del sensor.
3. Practicar un forat de Ø6,5 mm al compartiment a prop de la cantonada. Introduïu el fotoresistor, fixeu-lo i el cable mitjançant una cola calenta.
4. Munteu el recinte que conté el circuit de control a la paret.
5. Realitzeu les connexions per cable següents:

• Font d'alimentació de CA a "CA IN" del circuit.
• La llum del LED s’alimenta a la “CA OUT” del circuit.
• Sensors infrarojos: Vcc a "5V", GND a "GND", Vo a "Vout" al circuit
• Fotoresistència a "PR" al circuit.

Pas 9: el firmware i la configuració

El codi font del firmware es pot descarregar en aquest enllaç de GitHub.

Activeu el botó de commutació WiFi i engegueu el dispositiu. La MCU entrarà al mode SoftAP per defecte i podeu connectar-vos al punt d'accés "ESP32_Entrance_Lighting" mitjançant WiFi.

Aneu a 192.168.10.1 al navegador i accediu a les funcions següents:

1. Actualització del firmware OTA mitjançant la càrrega del navegador.
2. Configuració de paràmetres:

• PhotoResistor - Nivell de desencadenament de la fotoresistència per sota del qual s’encenen els sensors (rang ADC de 12 bits 0-4095)
• IR_Long1: distància per sota de la qual el sensor d'infrarojos de llarg abast 1 encendrà el llum (rang ADC de 12 bits 0-4095)
• IR_Long2: distància per sota de la qual el sensor d'infrarojos de llarg abast 2 encendrà el llum (rang ADC de 12 bits 0-4095)
• IR_Short: distància per sota de la qual el sensor d'infrarojos de curt abast encendrà el llum (rang ADC de 12 bits 0-4095)
• Temps d'encesa: la durada de la làmpada (mil·lisegons)

Feu clic a "Actualitza" per establir els nivells d'activació als valors dels quadres de text.

Feu clic a "Interrogació del sensor". Les lectures actuals del sensor s'actualitzaran cada segon, sempre que el nivell de llum sigui inferior al nivell d'activació del fotoresistor.

Pas 10: Acabeu

Algunes reflexions sobre una millora addicional:

• Mode de son profund MCU / coprocessador d’ultra baixa potència per reduir el consum d’energia.
• Utilitzar websocket / websocket segur en lloc del missatge HTTP tradicional per obtenir una resposta més ràpida.
• Ús de components de menor cost com els sensors de gamma làser.

El cost del material d’aquest projecte és d’uns 91 dòlars americans, una mica car, però crec que val la pena provar coses noves i explorar la tecnologia.

Projecte finalitzat i funciona. Espero que gaudiu d’aquest instructiu.