Kawalan Rumah Suara V1.0: 12 Langkah

2024 Pengarang: John Day | [email protected]. Diubah suai terakhir: 2024-01-30 11:08

Beberapa bulan yang lalu saya memperoleh pembantu peribadi, khususnya Echo Dot yang dilengkapi dengan Alexa. Saya memilihnya kerana saya dapati bahawa dengan cara mudah dapat menambahkan pemalam untuk mengawal dan mematikan peranti seperti lampu, kipas, dll. Di kedai dalam talian, saya melihat sebilangan besar peranti yang memenuhi fungsi ini, dan ketika itulah saya fikir…. mengapa tidak membuat sendiri?

Dengan idea ini, saya mula merancang papan dengan sambungan Wi-Fi dan 4 relai output. Di bawah ini saya akan menerangkan reka bentuk langkah demi langkah dari rajah skematik, reka bentuk, pengaturcaraan dan pengujian PCB yang berpuncak pada operasi yang berjaya.

CIRI-CIRI

1. Sambungan rangkaian wifi
2. Voltan input 100 / 240VAC
3. 4 geganti output (Maksimum 10A)
4. LED penunjuk kuasa
5. 4 penunjuk kuasa relay LED
6. Pengepala pengaturcaraan
7. Butang set semula

Langkah 1: Komponen dan Alat

Komponen

1. 3 Perintang 0805 daripada 1k ohm
2. 5 Perintang 0805 daripada 220 ohm
3. 2 Perintang 0805 daripada 10k ohm
4. 1 Perintang 0805 daripada 4.7k ohm
5. 2 Kapasitor 0805 daripada 0.1uf
6. 2 Kapasitor 0805 daripada 10uf
7. 4 Diod ES1B atau serupa dengan pakej SMA 100v 1A
8. 1 Pengatur voltan AMS1117-3.3
9. 4 LED Hijau 0805
10. 1 LED Merah 0805
11. 4 pakej Transistor NPN MMBT2222A atau serupa SOT23
12. 1 modul Wi-Fi ESP 12-E
13. 1 Bekalan Kuasa HLK-PM01
14. 1 Tukar SMD taktil
15. Header 1 Pin 6 kedudukan
16. 5 Terminal Blok 2 kedudukan 5.08mm padang
17. 4 geganti 5VDC

Alat

1. Stesen solder atau kautin 25-30 Watt
2. Pateri plumbum
3. Selsema
4. Pinset
5. Kapal penyekat

Langkah 2: Bekalan Kuasa dan Pengatur Voltan

Untuk operasi litar diperlukan 2 voltan, salah satu dari 3,3 VDC untuk bahagian kawalan, dan satu lagi dari 5 VDC untuk bahagian kuasa, kerana idea adalah bahawa papan mempunyai semua yang diperlukan untuk operasi, gunakan sumber beralih yang langsung membekalkan 5v dan dikuasakan oleh voltan talian adalah mustahak, ini menjimatkan kita daripada memerlukan penyesuai kuasa luaran dan kita hanya perlu menambahkan pengatur linear 3.3V (LDO).

Dengan mempertimbangkan perkara di atas, sebagai sumber saya memilih Hi-Link HLK-PM01 yang mempunyai voltan input 100-240VAC pada 0.1A dan output 5VDC pada 0.6A, diikuti dengan ini, saya meletakkan AMS1117-3.3 yang banyak digunakan pengatur sudah sangat biasa dan oleh itu mudah didapati.

Dengan melihat lembaran data AMS1117, anda akan menemui nilai untuk kapasitor input dan output, ini adalah 0.1uf dan 10uf untuk input dan bahagian lain yang sama untuk output. Terakhir, saya meletakkan LED penunjuk daya dengan rintangan had masing-masing, yang dengan mudah dikira menggunakan undang-undang ohm:

R = 5V-Vled / Iled

R = 5 - 2 / 0,015 = 200

Arus 15mA dalam lekapan sedemikian rupa sehingga tidak bersinar dengan begitu terang dan memanjangkan jangka hayatnya.

Langkah 3: Kawal Seksyen

Untuk bahagian ini saya memilih modul Wi-Fi ESP-12-E kerana ia kecil, murah dan sangat mudah digunakan dengan Arduino IDE. Oleh kerana modul mempunyai semua yang diperlukan untuk pengoperasiannya, perkakasan luaran yang diperlukan agar ESP berfungsi minimum.

Sesuatu yang perlu diingat adalah bahawa beberapa GPIO modul tidak digalakkan digunakan dan yang lain mempunyai fungsi tertentu, seterusnya saya akan menunjukkan jadual mengenai pin dan fungsi apa yang mereka laksanakan:

GPIO --------- Input ---------------- Output ---------------------- --- Catatan

GPIO16 ------ tanpa gangguan ------ tidak ada sokongan PWM atau I2C --- Tinggi saat boot digunakan untuk bangun dari tidur nyenyak

GPIO5 ------- OK ------------------- OK --------------- sering digunakan sebagai SCL (I2C)

GPIO4 ------- OK ------------------- OK --------------- sering digunakan sebagai SDA (I2C)

GPIO0 ------- ditarik ke atas ---------- OK --------------- Mod rendah ke FLASH, boot gagal jika ditarik Rendah

GPIO2 ------- ditarik ke atas ---------- OK --------------- but gagal jika ditarik Rendah

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

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

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

GPIO15 ----- ditarik ke GND ---- OK --------------- SPI (CS) Boot gagal jika ditarik Tinggi

GPIO3 ------- OK ------------------- Pin RX ---------- Tinggi semasa boot

GPIO1 ------- Pin TX -------------- OK --------------- Tinggi semasa boot, boot gagal jika ditarik rendah

ADC0 -------- Input Analog ----- X

Maklumat di atas terdapat pada pautan berikut:

Berdasarkan data di atas, saya memilih pin 5, 4, 12 dan 14 sebagai output digital yang akan mengaktifkan setiap geganti, ini adalah yang paling stabil dan selamat untuk diaktifkan.

Akhirnya saya menambahkan apa yang perlu untuk pengaturcaraan, butang reset pada pin itu, perintang yang disambungkan ke kuasa pada pin aktif, rintangan ke tanah pada GPIO15, header yang digunakan untuk menyambungkan FTDI ke pin TX, RX dan arahkan GPIO0 untuk meletakkan modul dalam mod Flash.

Langkah 4: Seksyen Daya

Bahagian ini akan mengurus penggunaan output 3.3VDC pada port GPIO untuk mengaktifkan geganti. Relay memerlukan lebih banyak kuasa daripada yang disediakan oleh pin ESP, jadi transistor diperlukan untuk mengaktifkannya, dalam hal ini kita menggunakan MMBT2222A.

Kita mesti mengambil kira arus yang akan melalui pengumpul (Ic), dengan data ini kita dapat mengira rintangan yang akan diletakkan di dasar transistor. Dalam kes ini, Ic akan menjadi jumlah arus yang melewati gegelung geganti dan arus LED yang menunjukkan pencucuhan:

Ic = Irelay + Iled

Ic = 75mA + 15mA = 90mA

Oleh kerana kita mempunyai Ic semasa kita dapat mengira rintangan asas transistor (Rb) tetapi kita memerlukan pasangan data tambahan, keuntungan transistor (hFE), yang dalam hal MMBT2222A memiliki nilai 40 (keuntungan tidak berdimensi, oleh itu ia tidak mempunyai unit ukuran) dan potensi penghalang (VL) yang pada transistor silikon mempunyai nilai 0.7v. Dengan perkara di atas, kita dapat menghitung Rb dengan formula berikut:

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

Rb = [(3.3 - 0.7) (40)] / 0.09 = 1155.55 ohm

Berdasarkan pengiraan di atas, saya memilih rintangan 1kohm.

Akhirnya, diod diletakkan selari dengan gegelung relay dengan katod menghadap Vcc. Diod ES1B mencegah FEM terbalik (FEM, atau Reverse Electromotive Force adalah voltan yang berlaku ketika arus melalui gegelung bervariasi)

Langkah 5: Reka Bentuk PCB: Organisasi Skematik dan Komponen

Untuk penjelasan skema dan kad saya menggunakan perisian Eagle.

Ia bermula dengan membuat skema PCB, ia mesti menangkap setiap bahagian litar yang telah dijelaskan sebelumnya, ia bermula dengan meletakkan simbol setiap komponen yang mengintegrasikannya, kemudian hubungan antara setiap komponen dibuat, berhati-hati harus dilakukan agar tidak tersambung secara salah, ralat ini akan ditunjukkan dalam reka bentuk litar yang menyebabkan kerosakan. Akhirnya, nilai setiap komponen akan ditunjukkan mengikut apa yang dikira pada langkah sebelumnya.

Sekarang kita dapat meneruskan reka bentuk kad, perkara pertama yang harus kita lakukan adalah menyusun komponen sehingga mereka menempati ruang paling sedikit, ini akan mengurangkan kos pembuatan. Secara peribadi, saya suka menyusun komponen sedemikian rupa sehingga reka bentuk simetri dihargai, latihan ini membantu saya ketika membuat laluan, menjadikannya lebih mudah dan lebih bergaya.

Penting untuk mengikuti grid ketika menampung komponen dan laluan, dalam kes saya, saya menggunakan grid 25mil, oleh peraturan IPC, komponen mesti mempunyai pemisahan di antara mereka, umumnya pemisahan ini juga 25mil.

Langkah 6: Reka Bentuk PCB: Tepi dan Lubang Pemasangan

Setelah semua komponen terpasang, kita dapat membatasi PCB, menggunakan lapisan "20 Dimensi", perimeter papan dilukis, memastikan semua komponen ada di dalamnya.

Sebagai pertimbangan khusus, perlu disebutkan bahawa modul Wi-Fi mempunyai antena yang terintegrasi dalam PCB, untuk mengelakkan penerimaan isyarat, saya memotong tepat di bawah kawasan di mana antena berada.

Sebaliknya, kita akan bekerja dengan arus bolak-balik, ini mempunyai frekuensi 50 hingga 60Hz bergantung pada negara di mana anda berada, frekuensi ini dapat menghasilkan bunyi dalam isyarat digital, jadi ada baiknya anda mengasingkan bahagian yang mengendalikan arus ulang-alik dari bahagian digital, ini dilakukan dengan membuat potongan kad berhampiran kawasan di mana arus ulang-alik akan beredar. Perkara di atas juga membantu mengelakkan litar pintas pada PCB.

Akhirnya, lubang pemasangan diletakkan di 4 penjuru PCB agar jika anda ingin meletakkannya di kabinet, penempatannya mudah dan cepat.

Langkah 7: Reka Bentuk PCB: Laluan Teratas

Kami memulakan bahagian yang menyenangkan, routing, adalah membuat hubungan antara komponen dengan pertimbangan tertentu seperti lebar trek dan sudut putaran. Secara amnya, saya mula-mula membuat sambungan yang bukan kuasa dan tanah, kerana yang terakhir saya buat dengan rancangan.

Pesawat tanah dan daya selari sangat berguna dalam mengurangkan kebisingan pada sumber kuasa kerana impedans kapasitifnya dan harus tersebar di kawasan seluas mungkin. Mereka juga membantu kita mengurangkan sinaran elektromagnetik (EMI).

Untuk trek kita mesti berhati-hati untuk tidak menghasilkan putaran dengan sudut 90 °, tidak terlalu lebar atau terlalu tipis. Dalam talian anda boleh mencari alat yang membantu kami mengira lebar lintasan dengan mengambil kira suhu, arus yang akan beredar dan ketumpatan tembaga pada PCB: https://www.4pcb.com/trace-width-calculator. html

Langkah 8: Reka Bentuk PCB: Laluan Bawah

Pada permukaan bawah kita membuat sambungan yang hilang dan di ruang yang berlebihan kita meletakkan pesawat tanah dan kuasa, kita dapat melihat bahawa beberapa titik diletakkan yang menghubungkan permukaan tanah kedua-dua muka, praktik ini adalah untuk mengelakkan gelung tanah.

Gelung tanah adalah 2 titik yang secara teorinya mempunyai potensi yang sama tetapi sebenarnya bukan kerana ketahanan bahan konduktif.

Jalur dari kenalan relay ke terminal juga terdedah, agar diperkuat dengan solder dan menahan beban arus yang lebih tinggi tanpa terlalu panas dan terbakar.

Langkah 9: Fail Gerber dan Memesan PCB

Fail gerber digunakan oleh industri papan litar bercetak untuk mengeluarkan PCB, fail tersebut mengandungi semua maklumat yang diperlukan untuk pembuatannya, seperti lapisan tembaga, solder mask, silkscreen, dll.

Mengeksport fail Gerber dari Eagle sangat mudah menggunakan pilihan "Hasilkan Data CAM", pemproses CAM menghasilkan fail.zip yang mengandungi 10 fail yang sesuai dengan lapisan PCB berikut:

1. Tembaga Bawah
2. Skrin Sutera Bawah
3. Tampal Pateri Bawah
4. Soldermask bawah
5. Lapisan Kilang
6. Tembaga Atas
7. Skrin Sutera Teratas
8. Tampal Solder Teratas
9. Soldermask Teratas
10. Fail Bor

Sekarang adalah masa untuk mengubah fail Gerber kita menjadi PCB sebenar. Muat naik fail Gerber saya di JLCPCB untuk mengeluarkan PCB saya. Perkhidmatan mereka cukup pantas. Saya menerima PCB saya di Mexico dalam 10 hari.

Langkah 10: Pemasangan PCB

Sekarang kita mempunyai PCB, kita sudah siap untuk pemasangan papan, untuk ini kita memerlukan stesen solder, solder, fluks, pinset dan mesh untuk desolder.

Kami akan mulakan dengan menyolder semua perintang di tempat masing-masing, kami meletakkan sejumlah kecil pateri pada salah satu daripada dua pad, kami menyolder terminal rintangan dan kami meneruskan pematerian terminal yang tinggal, kami akan mengulanginya di masing-masing daripada perintang.

Dengan cara yang sama, kita akan terus menggunakan kapasitor dan LED, kita harus berhati-hati dengan yang terakhir kerana mereka mempunyai tanda hijau kecil yang menunjukkan katod.

Kami akan meneruskan pematerian dioda, transistor, pengatur voltan dan tekan butang. Ia menghormati tanda polaritas diod yang menunjukkan skrin silks, juga berhati-hati ketika menyolder transistor, memanaskannya terlalu banyak boleh merosakkannya.

Sekarang kita akan meletakkan modul Wi-Fi, pertama-tama kita akan menyolatkan pin dengan memastikan ia diselaraskan dengan sempurna, mencapai ini, kita akan menyolder semua pin yang tinggal.

Tetap hanya untuk mengimpal semua komponen Through-Hole, mereka adalah yang paling sederhana kerana saiznya lebih besar, pastikan untuk membuat pengelasan bersih yang mempunyai penampilan berkilat.

Sebagai langkah tambahan, kami akan memperkuat jejak relay yang terdedah dengan timah, seperti yang saya nyatakan sebelumnya, ini akan membantu trek menahan arus lebih lama tanpa terbakar.

Langkah 11: Perisian

Untuk pengaturcaraan saya memasang perpustakaan fauxmoesp Arduino, dengan perpustakaan ini anda dapat meniru lampu Phillips Hue, walaupun anda juga dapat mengawal tahap kecerahan, papan ini hanya akan berfungsi sebagai suis hidup / mati.

Saya tinggalkan pautan kepada anda supaya anda boleh memuat turun dan memasang perpustakaan:

Gunakan contoh kod dari perpustakaan ini dan buat pengubahsuaian yang diperlukan untuk pengoperasian peranti, saya meninggalkan kod Arduino untuk anda muat turun dan uji.

Langkah 12: Kesimpulannya

Setelah peranti dipasang dan diprogramkan, kami akan terus menguji fungsinya, kami hanya perlu meletakkan kabel kuasa di papan terminal atas dan menyambungkannya ke soket yang menyediakan 100-240VAC, LED merah (ON) menyala, akan mencari rangkaian internet dan akan berhubung.

kami memasukkan aplikasi Alexa kami dan meminta anda mencari peranti baru, proses ini akan memakan masa sekitar 45 saat. Sekiranya semuanya betul, anda mesti melihat 4 peranti baru, satu untuk setiap geganti di papan.

Sekarang masih perlu memberitahu Alexa untuk menghidupkan dan mematikan peranti, ujian ini ditunjukkan dalam video.

Sedia !!! Kini anda boleh menghidupkan dan mematikan dengan pembantu peribadi peranti yang anda mahukan.