Voice Home Control V1.0: 12 passos

2024 Autora: John Day | [email protected]. Última modificació: 2024-01-30 08:12

Fa uns mesos vaig adquirir un assistent personal, concretament un Echo Dot equipat amb Alexa. L’he escollit perquè he descobert que d’una manera senzilla es poden afegir connectors per controlar l’aparició i l’encesa del dispositiu, com ara llums, ventiladors, etc. per què no fer-ho teu?

Amb aquesta idea en ment, vaig començar a dissenyar una placa amb connexió Wi-Fi i 4 relés de sortida. A continuació, descriuré el disseny pas a pas a partir del diagrama esquemàtic, el disseny, la programació i la prova de PCB que culminaran amb un funcionament reeixit.

CARACTERÍSTIQUES

1. Connexió de xarxa wifi
2. Voltatge d'entrada de 100 / 240VAC
3. 4 relés de sortida (màxim 10A)
4. LED indicador d'alimentació
5. Indicador de potència de 4 LED del relé
6. Capçalera de programació
7. Botó de reset

Pas 1: components i eines

Components

1. 3 resistències 0805 d'1k ohm
2. 5 resistències 0805 de 220 ohms
3. 2 resistències 0805 de 10k ohms
4. 1 resistència 0805 de 4,7 k ohms
5. 2 condensadors 0805 de 0,1uf
6. 2 condensadors 0805 de 10uf
7. 4 díodes ES1B o similars de 100v 1A paquet SMA
8. 1 Regulador de tensió AMS1117-3.3
9. 4 LED verds 0805
10. 1 LED vermell 0805
11. 4 transistors NPN MMBT2222A o paquet similar SOT23
12. 1 mòdul Wi-Fi ESP 12-E
13. 1 font d'alimentació HLK-PM01
14. 1 Canviar SMD tàctil
15. Capçalera d'1 pin de 6 posicions
16. 5 borns de 2 posicions de pas de 5,08 mm
17. 4 relés de 5VDC

Eines

1. Estació de soldadura o cautina de 25-30 watts
2. Soldadura de plom
3. Flux
4. Pinces
5. Metxa desoldadora

Pas 2: alimentador i regulador de voltatge

Per al funcionament del circuit es requereixen 2 voltatges, un de 3,3 V CC per a la secció de control i un altre de 5 V CC per a la secció de potència, ja que la idea és que la placa tingui tot el necessari per al funcionament, utilitzeu una font commutada que subministri directament La tensió de línia és de 5 V i és fonamental, això ens estalvia la necessitat d’un adaptador d’alimentació extern i només cal afegir un regulador lineal de 3,3 V (LDO).

Tenint en compte l’anterior, com a font he seleccionat l’Hi-Link HLK-PM01 que té una tensió d’entrada de 100-240VAC a 0,1A i una sortida de 5VDC a 0,6A, seguit d’aquest, he situat l’AMS1117-3.3 àmpliament utilitzat. regulador ja que és molt comú i, per tant, fàcilment disponible.

Consultant el full de dades de l’AMS1117 trobareu els valors dels condensadors d’entrada i sortida, que són 0.1uf i 10uf per a l’entrada i una altra secció igual per a la sortida. Per últim, he col·locat un LED indicador d’alimentació amb la seva respectiva resistència limitant, que es calcula fàcilment aplicant la llei d’ohm:

R = 5V-Vled / Iled

R = 5 - 2 / 0,015 = 200

El corrent de 15 mA al led és perquè no brille tant i allargui el seu temps de vida.

Pas 3: control de la secció

Per a aquesta secció he seleccionat un mòdul Wi-Fi ESP-12-E perquè és petit, econòmic i molt senzill d’utilitzar amb l’IDE Arduino. Com que el mòdul té tot el necessari per al seu funcionament, el maquinari extern necessari perquè funcioni l'ESP és mínim.

Alguna cosa a tenir en compte és que alguns GPIO del mòdul no es recomana utilitzar i d’altres tenen funcions específiques, a continuació mostraré una taula sobre els pins i quines funcions compleixen:

GPIO --------- Entrada ---------------- Sortida ---------------------- --- Notes

GPIO16 ------ no hi ha interrupció ------ no hi ha compatibilitat amb PWM o I2C --- Alta en arrencar per a despertar-se del son profund

GPIO5 ------- OK ------------------- OK -------------- s'utilitza sovint com a SCL (I2C)

GPIO4 ------- OK ------------------- OK --------------- sovint s'utilitza com a SDA (I2C)

GPIO0 ------- tirat cap amunt ---------- OK --------------- Baix al mode FLASH, l’arrencada falla si es posa baix

GPIO2 ------- tirat cap amunt ---------- D'acord --------------- l'arrencada falla si es tira baix

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

GPIO12 ----- OK ------------------- OK -------------- SPI (MISO)

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

GPIO15 ----- s'ha extret a GND ---- D'acord --------------- SPI (CS) L'arrencada falla si es treu Alt

GPIO3 ------- OK ------------------- Pin RX ---------- Alt en arrencar

GPIO1 ------- PIN PIN -------------- OK -------------- Alta en arrencar, l'arrencada falla si es baixa

ADC0 -------- Entrada analògica ----- X

La informació anterior es va trobar al següent enllaç:

Basant-me en les dades anteriors, vaig escollir els pins 5, 4, 12 i 14 com a sortides digitals que activaran cadascun dels relés, que són els més estables i segurs d’activació.

Finalment, vaig afegir el necessari per a la programació, un botó de restabliment en aquest pin, una resistència connectada a l’alimentació del pin d’activació, una resistència a terra del GPIO15, una capçalera que s’utilitza per connectar un FTDI al TX, els pins RX i connecteu a terra el GPIO0 per posar el mòdul en mode Flash.

Pas 4: Power Seccion

Aquesta secció s'encarregarà d'utilitzar els 3.3VDC de sortida als ports GPIO per activar un relé. Els relés necessiten més potència que la que proporciona un pin ESP, de manera que cal un transistor per activar-lo, en aquest cas fem servir el MMBT2222A.

Hem de tenir en compte el corrent que passarà pel col·lector (Ic), amb aquestes dades podem calcular la resistència que es col·locarà a la base del transistor. En aquest cas, la Ic serà la suma del corrent que passa per la bobina del relé i del corrent del LED que indica l’encesa:

Ic = Irelay + Iled

Ic = 75mA + 15mA = 90mA

Com que tenim l’Ic actual, podem calcular la resistència de base del transistor (Rb), però necessitem un parell de dades addicional, el guany del transistor (hFE), que en el cas del MMBT2222A té un valor de 40 (el guany és adimensional, per tant no té unitats de mesura) i el potencial de barrera (VL) que en els transistors de silici té un valor de 0,7v. Amb l’anterior podem procedir a calcular Rb amb la següent fórmula:

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

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

Basant-me en el càlcul anterior, vaig triar una resistència de 1 kohm.

Finalment, es va col·locar un díode paral·lel a la bobina del relé amb el càtode cap a Vcc. El díode ES1B evita el FEM invers (la FEM o la força electromotriu inversa és la tensió que es produeix quan varia el corrent a través d’una bobina)

Pas 5: Disseny de PCB: organització esquemàtica i de components

Per a l'elaboració de l'esquema i la targeta he utilitzat el programari Eagle.

Comença fent l’esquema del PCB, ha de capturar cada part del circuit prèviament explicada, comença col·locant el símbol de cada component que l’integra, després es fan les connexions entre cada component, s’ha de procurar no connectar-se erròniament, aquest error es reflectirà en el disseny del circuit i provocarà un mal funcionament. Finalment, els valors de cada component s’indicaran segons el que es va calcular en els passos anteriors.

Ara podem continuar amb el disseny de la targeta, el primer que hem de fer és organitzar els components perquè ocupin el mínim espai possible, cosa que disminuirà el cost de fabricació. Personalment, m’agrada organitzar els components de manera que s’agraeixi un disseny simètric, aquesta pràctica m’ajuda a l’hora d’encaminar, fa que sigui més fàcil i elegant.

És important seguir una quadrícula a l’hora d’acomodar els components i la ruta, en el meu cas he utilitzat una quadrícula de 25mil, per regla IPC, els components han de tenir una separació entre ells, generalment aquesta separació també és de 25mil.

Pas 6: Disseny de PCB: vores i forats de muntatge

Tenint tots els components al seu lloc, podem delimitar el PCB, mitjançant la capa "Dimensió 20", es dibuixa el perímetre del tauler, assegurant-se que tots els components hi són.

Com a consideracions especials, val a dir que el mòdul Wi-Fi té una antena integrada a la PCB, per evitar atenuar la recepció del senyal, vaig fer un tall just a sota de la zona on es troba l’antena.

D’altra banda, treballarem amb corrent altern, que té una freqüència de 50 a 60Hz segons el país on es trobi, aquesta freqüència pot generar soroll en senyals digitals, per la qual cosa és bo aïllar les seccions que manegen el corrent altern de la part digital, es fa tallant la targeta a prop de les zones per les quals circularà el corrent altern. L'anterior també ajuda a evitar qualsevol curtcircuit a la PCB.

Finalment, els forats de muntatge es col·loquen a les 4 cantonades del PCB per tal que, si voleu col·locar-lo en un armari, la col·locació sigui fàcil i ràpida.

Pas 7: Disseny de PCB: enrutament superior

Comencem la part divertida, l’encaminament, és fer les connexions entre components seguint certes consideracions, com ara l’amplada de la pista i els angles de gir. En general, primer faig connexions que no són elèctriques ni de terra, ja que les darreres les faig amb plans.

Els plans de terra i de potència paral·lels són extremadament útils per atenuar el soroll a la font d'alimentació a causa de la seva impedància capacitiva i s'han de repartir per la zona més àmplia possible de la placa. També ens ajuden a reduir la radiació electromagnètica (EMI).

Per a les vies hem de tenir cura de no generar girs amb angles de 90 °, ni massa amples ni massa prims. En línia podeu trobar eines que ens ajuden a calcular l’amplada de les pistes tenint en compte la temperatura, el corrent que circularà i la densitat de coure al PCB: https://www.4pcb.com/trace-width-calculator. html

Pas 8: Disseny de PCB: enrutament inferior

A la cara inferior fem les connexions que falten i a l’excés d’espai posem plans de terra i de potència, podem notar que es van col·locar diverses vies que connecten els plans de terra de les dues cares, aquesta pràctica consisteix a evitar bucles de terra.

Els bucles de terra són 2 punts que teòricament haurien de ser el mateix potencial, però realment no ho són per la resistència del material conductor.

Les pistes des dels contactes del relé fins als terminals també van quedar exposades, per tal de reforçar-les amb soldadura i suportar una càrrega de corrent superior sense escalfar-se ni cremar-se.

Pas 9: Gerber Files i ordenació dels PCB

Els fitxers Gerber són utilitzats per la indústria de les plaques de circuits impresos per fabricar PCBs, contenen tota la informació necessària per a la seva fabricació, com ara capes de coure, màscara de soldadura, serigrafia, etc.

Exportar fitxers Gerber des de Eagle és molt senzill mitjançant l’opció "Generar dades CAM", el processador CAM genera un fitxer.zip que conté 10 fitxers corresponents a les capes de PCB següents:

1. Coure inferior
2. Serigrafia inferior
3. Pasta de soldadura inferior
4. Soldermask inferior
5. Capa de molí
6. Coure superior
7. Serigrafia superior
8. Pasta de soldadura superior
9. Top Soldermask
10. Fitxer de trepant

Ara és el moment de convertir els nostres fitxers Gerber en un PCB real. Pengeu els meus fitxers Gerber a JLCPCB per fabricar el meu PCB. El seu servei és bastant ràpid. Vaig rebre el meu PCB a Mèxic en 10 dies.

Pas 10: Muntatge del PCB

Ara que tenim els PCB, estem preparats per al muntatge del tauler, per a això necessitarem l'estació de soldadura, la soldadura, el flux, les pinces i la malla per dessoldar.

Començarem per soldar totes les resistències als seus llocs respectius, col·locarem una petita quantitat de soldadura en un dels dos coixinets, soldarem el terminal de la resistència i procedirem a soldar el terminal restant, ho repetirem en cadascun de les resistències.

De la mateixa manera, continuarem amb els condensadors i els LED, hem de tenir precaució amb aquests darrers ja que tenen una petita marca verda que indica el càtode.

Procedirem a soldar els díodes, transistors, regulador de tensió i polsador. Respecta les marques de polaritat dels díodes que mostra la serigrafia, també aneu amb compte a l'hora de soldar els transistors; escalfar-los massa els pot danyar.

Ara col·locarem el mòdul Wi-Fi, primer soldarem un pin tenint cura que estigui perfectament alineat, aconseguint això, soldarem tots els pins restants.

Només queda soldar tots els components del forat travesser, són els més senzills per tenir una mida més gran, només cal assegurar-se de fer una soldadura neta que tingui un aspecte brillant.

Com a pas addicional, reforçarem les pistes exposades dels relés amb estany, com he esmentat abans, això ajudarà a que la pista aguanti més corrent sense cremar-se.

Pas 11: programari

Per a la programació he instal·lat la biblioteca fauxmoesp Arduino, amb aquesta biblioteca podeu emular els llums Phillips Hue, tot i que també podeu controlar el nivell de brillantor, aquesta placa només funcionarà com a interruptor d’encès / apagat.

Us deixo l'enllaç perquè pugueu descarregar i instal·lar la biblioteca:

Utilitzeu un exemple de codi d’aquesta biblioteca i feu les modificacions necessàries per al funcionament del dispositiu, us deixo el codi Arduino perquè el pugueu descarregar i provar.

Pas 12: Conclusió

Un cop muntat i programat el dispositiu, procedirem a provar-ne la funcionalitat, només caldrà col·locar un cable d’alimentació a la placa de terminals superior i connectar-lo a una presa que proporciona 100-240VAC, el LED vermell (ON) s’encén, buscarà la xarxa d’internet i es connectarà.

entrem a la nostra aplicació Alexa i us demanem que cerqueu dispositius nous; aquest procés trigarà uns 45 segons. Si tot és correcte, hauríeu de veure 4 dispositius nous, un per a cada relé a la placa.

Ara només queda dir-li a Alexa que engegui i apagui els dispositius; aquesta prova es mostra al vídeo.

Llestos !!! Ara podeu activar i desactivar amb el vostre assistent personal el dispositiu que vulgueu.