Automatyczne oświetlenie wejścia: 10 kroków

2024 Autor: John Day | [email protected]. Ostatnio zmodyfikowany: 2024-01-30 11:27

Chcę zainstalować automatyczne oświetlenie w wejściu do domu. W większości przypadków wystarczy czujnik ruchu PIR (Passive Infrared Sensor) i lampa, ale porzucam ten pomysł, ponieważ czujnik przymocowany na zewnątrz wydaje się niezgrabny.

Mój cel w tym projekcie:

1. Wygląd oświetlenia powinien wyglądać prosto i nisko.
2. Zależy mi również na próbowaniu nowych rzeczy i weryfikacji nowych pomysłów w projekcie:

• Użyj druku 3D dla złożonej geometrii.
• Projektowanie obwodów, układ PCB (płytka drukowana) i prototypowanie dla elektroniki.
• Wcześniej korzystałem z WiFi-MCU (mikrokontrolera) ESP32. Skoro możemy wchodzić w interakcję z MCU za pośrednictwem serwera http, czy nie jest wygodne, jeśli mamy interfejs sieciowy do odczytywania sygnału z czujników i ustawiania parametrów oświetlenia?

Na podstawie tych pomysłów stworzyłem Mockup i sprawdziłem, czy działa; Projektuję i wykonuję system oświetlenia.

Notatka:

• Podane w tym projekcie wymiary fizyczne dotyczą oświetlenia powierzchni 1m x 1,5m. Możesz użyć go jako odniesienia do skalowania swojego projektu.
• Niektóre prace w tym projekcie mogą być niebezpieczne, podejmij niezbędne środki ostrożności przed testowaniem i instalacją.
• Nie mam całego sprzętu i narzędzi do wykonania komponentów. W rezultacie zlecam drukowanie 3D i produkcję PCB profesjonalnym studiom. CAD, taki jak Fusion 360 i EAGLE, bardzo pomaga w tym scenariuszu. Więcej powiem w dalszej części.

Krok 1: Przegląd projektu, układ i model

Moim pomysłem jest, aby system oświetleniowy „ukrył się” wewnątrz drewnianej przegrody, ale umożliwił oświetlenie przez otwór.

Najpierw używam Fusion360 do modelowania całej sceny. Możesz odwiedzić samouczek, aby dowiedzieć się, jak z niego korzystać. CAD bardzo pomaga w lepszej wizualizacji w fazie projektowania.

Na przykład używamy czujników podczerwieni do śledzenia zbliżających się osób i włączania światła. Dlatego czujniki muszą być dokładnie pozycjonowane. Możemy po prostu narysować w modelu ścieżkę promieni podczerwonych. Obracaj i przesuwaj czujniki w dowolny sposób bez skomplikowanych obliczeń.

W końcu zrobiłem to w ten sposób:

• Utwórz otwór i zainstaluj nad nim zespół LED.
• Fotorezystor do sprawdzania, czy w pomieszczeniu jest wystarczająco ciemno, aby się rozświetlić.
• Używam 2 czujników podczerwieni dalekiego zasięgu, aby wykryć, czy jakakolwiek osoba zbliża się do wejścia, włączając światło, jeśli jest wystarczająco blisko.
• Kolejny czujnik podczerwieni krótkiego zasięgu, aby sprawdzić, czy drzwi się otwierają.
• Otwór jest wąski i dlatego musimy ustawić czujniki w precyzyjnych pozycjach. Potrzebujemy również odbłyśnika, aby skierować światło LED przez otwór. Możemy wydrukować w 3D pojedynczą część (uchwyt czujników), aby spełnić te 2 cele.
• Monitorowanie systemu i regulacja parametrów przez Wi-Fi: Jakie są teraz odczyty czujników? Jak blisko włączenia światła? Jak ciemno powinno się włączać światło? Jak długo lampa powinna być włączona? Oświetleniem możemy sterować przez przeglądarkę internetową za pomocą mikrokontrolera WiFi typu ESP32.

Krok 2: Dokonywanie otwarcia

Narzędzia:

• Linijka kwadratowa
• Piła - ręczna lub zasilana elektrycznie.
• Wiertarka - wiertarka ręczna lub dowolny wkrętak elektryczny z możliwością wiercenia w drewnie i plastiku.
• Plik
• Kielnia, Papier ścierny i Pędzel - do przywracania powierzchni do pierwotnego stanu i koloru.

Materiały:

• Paski akrylowe - zeskrobany materiał jest w porządku pod warunkiem, że jest wystarczająco gruby (~5 mm)
• Gips
• Farba wewnętrzna

Procedury:

1. Zrób Szablon akrylowy do określenia wymiaru otworu. Układam 4 paski akrylowe i sklejam je razem. Użyj kwadratowej linijki, aby upewnić się, że są one względem siebie o 90 stopni. Rozmiar otworu to 365mm X 42mm.
2. Zrób 4 otwory montażowe na szablonie, a następnie przykręć go do komory za pomocą śrub.
3. Wywierć otwory wzdłuż krawędzi i odetnij niechciany obszar.
4. Użyj pilnika, aby usunąć nadmiar materiału i wyrównaj krawędzie wzdłuż szablonu.
5. Usuń szablon. Na otwory montażowe i powierzchnię drewnianą nałożyć tynk.
6. Przeszlifować powierzchnię i nałożyć tynk. Powtarzaj te kroki, aż powierzchnia będzie gładka.
7. Pomaluj powierzchnię.

Krok 3: Wykonanie zespołu LED

Narzędzia:

• Piła - piła ręczna lub zasilana elektrycznie.
• Wiertarka - wiertarka ręczna lub dowolny wkrętak elektryczny z możliwością wiercenia w drewnie i plastiku.
• Narzędzie do ściągania izolacji
• Lutownica

Materiały:

• Rury i uchwyty PVC Ø20mm.
• Żarówka LED 5W G4 i gniazdo x5
• Kable elektryczne
• Drut lutowniczy
• Usłyszeć rurkę skurczową

Procedury:

1. Wytnij rurkę PVC o długości 355 mm jako korpus lampy.
2. Zainstaluj dwa uchwyty na rurki na obu końcach jako stojaki.
3. Wywierć pięć otworów Ø17mm w rurce PCV na gniazda LED.
4. Włóż gniazda LED i upewnij się, że kable są wystarczająco długie, aby wyjść z tuby, przedłuż kabel, jeśli są za krótkie. Ponieważ jako źródła światła użyjemy lamp LED G4 o mocy 5W, prąd będzie wynosił ~23mA dla źródła 220VAC. Do lutowania oryginalnego kabla używam przewodów taśmowych AWG#24. Użyj rurki termokurczliwej, aby chronić obszar łączony.
5. Zamontuj żarówki LED do gniazd LED.
6. Podłącz lampy LED równolegle.

Krok 4: Wykonanie uchwytu czujnika

Najpierw używam Fusion360 do modelowania uchwytu czujnika. Aby uprościć instalację i produkcję, uchwyt czujnika służy również jako odbłyśnik światła i stanowi jedną część. Uchwyt czujnika powinien mieć wnęki montażowe dopasowane do kształtu czujników IR Range. Można to łatwo zrobić, korzystając z Fusion360:

1. Zaimportuj i ustaw czujniki i uchwyt czujnika w żądanych pozycjach [jak pokazano w kroku 2]
2. Użyj polecenia interferencji, aby sprawdzić, czy pomiędzy uchwytem a czujnikami pokrywa się objętość.
3. Zachowaj czujniki i usuń nakładającą się objętość w uchwycie.
4. Zapisz model jako nową część. Wnęki montażowe mają teraz kształt czujników!
5. Powinniśmy również uwzględnić tolerancję produkcyjną: Tolerancja wymiaru czujnika wynosi ± 0,3 mm, a tolerancja produkcyjna druku 3D wynosi ± 0,1 mm. Wykonałem przesunięcie zewnętrzne o 0,2 mm na wszystkich powierzchniach styku wnęk, aby zapewnić dopasowanie luzu.

Model wysyłany jest do studia do druku 3D. Aby obniżyć koszty produkcji, używam małej grubości 2mm i tworzę puste wzory, aby zaoszczędzić materiał.

Czas realizacji druku 3D wynosi około 48 godzin i kosztuje ~32 USD. Gotowa część była już szlifowana, kiedy ją odbieram, ale jest zbyt gruba. Dlatego uszlachetniam powierzchnie mokrym papierem ściernym o ziarnistości 400, a następnie spryskuję wnętrze białą farbą.

Krok 5: Projekt obwodu

Cele i rozważania

• Nie posiadam pieca do rozpływu lutownicy, więc brane są pod uwagę tylko części w pakiecie DIP.
• Konstrukcja jednopłytowa: PCB zawiera wszystkie komponenty, w tym zasilacz AC-DC.
• Oszczędność energii: Włączaj czujniki i lampę LED tylko wtedy, gdy wejście jest wystarczająco ciemne.
• Zdalna konfiguracja: ustaw parametry MCU przez WiFi.

Jak działa obwód?

• Wejście zasilania prądem przemiennym przez skrzynkę zaciskową (TB1), z zabezpieczeniem bezpiecznikowym (XF1).
• Miniaturowy zasilacz AC-DC (PS1) służy do zasilania 5VDC płyty ESP32 MCU (JP1&2) i czujników.
• WiFi MCU ESP32 (NodeMCU-32S) odczytuje sygnał napięciowy z fotorezystora (PR) za pomocą kanału ADC (ADC1_CHANNEL_7). Włącz MOSFET (Q1) przez GPIO pin22, aby zasilić wszystkie 3 czujniki podczerwieni, jeśli sygnał jest niższy niż próg.
• Kolejne 3 kanały ADC (ADC1_CHANNEL_0, ADC1_CHANNEL_3, ADC1_CHANNEL_6) dla wyjścia sygnału 3 czujników podczerwieni (IR_Long_1, IR_Long_2, IR_Short). Jeśli sygnał jest wyższy niż próg, włącz MOSFET (Q2) przez pin 21 GPIO, który włącza SSR (K1) i zapala lampy LED podłączone na TB1.
• MCU sprawdza, czy przełącznik WiFi (S1) jest włączony przez (ADC1_CHANNEL_4), uruchamiając zadanie WiFi, aby zezwolić na parametry ustawione w MCU.

Lista części

1. Węzeł MCU-32S x1
2. Zasilacz Mean Well IRM-10-5 x1
3. Przekaźnik półprzewodnikowy Omron G3MC-202P-DC5 x1
4. STP16NF06L MOSFET z kanałem N x2
5. Czujnik odległości Sharp GP2Y0A710K0F x2
6. Czujnik odległości Sharp GP2Y0A02YK0F x1
7. Żeński nagłówek 2,54 mm-19 pinów x2 (lub dowolne kombinacje nagłówków, aby uzyskać 19 pinów)
8. HB-9500 Rozstaw 9 mm Blok zacisków 4-pin2 (HP-4P) x1
9. KF301 Rozstaw 5,08mm Złącze listwy zaciskowej 2-stykowe x1
10. KF301 Rozstaw 5,08mm Złącze listwy zaciskowej 3 piny x3
11. SS-12D00 1P2T przełącznik dwustabilny x1
12. Uchwyt bezpiecznika BLX-A x1
13. Bezpiecznik 500mA
14. FotoRezystor x1
15. Rezystory 1k Ohm x3
16. Kondensatory 0.1uF x3
17. Kondensator 10uF x1
18. Śruby nylonowe M3X6mm x6
19. Nylonowe śruby z łbem stożkowym M3X6mm x4
20. Przekładka nylonowa M3X8mm x4
21. Nakrętki nylonowe M3 x2
22. Obudowa z tworzywa sztucznego (rozmiar większy niż 86mm x 84mm)
23. Rezystor 2W 33k Ohm x1 (opcjonalnie)

Zwróć uwagę, że dioda LED o niskim poborze mocy może nadal świecić, nawet jeśli przekaźnik półprzewodnikowy jest wyłączony, jest to spowodowane tłumieniem wewnątrz przekaźnika półprzewodnikowego. Aby rozwiązać ten problem, możesz potrzebować rezystora i kondensatora połączonego równolegle z lampą LED.

Krok 6: Układ i montaż PCB

Do wykonania obwodu możemy wykorzystać prototypową uniwersalną płytkę drukowaną. Ale staram się używać EAGLE CAD do projektowania schematu i układu. Obrazy płytek (plik Gerber) są wysyłane do Prototyping Studio PCB w celu wykonania.

Zastosowano dwuwarstwową płytkę FR4 z 1 uncją miedzi. Funkcje takie jak otwory montażowe, platerowane otwory przelotowe, poziomowanie lutów gorącym powietrzem, warstwa maski lutowniczej, tekst sitodrukowy (no cóż… teraz używają drukowania atramentowego). Koszt wykonania 10 sztuk (MOQ) PCB wynosi ~ 4,2 USD - rozsądna cena przy takiej jakości pracy.

Istnieją dobre tutoriale na temat używania EAGLE do projektowania PCB.

Od Sparkfun:

• Korzystanie z EAGLE: Schemat
• Korzystanie z EAGLE: Układ planszy

Dobry samouczek na Youtube autorstwa Ilyi Mikhelson:

• Samouczek PCB Eagle: Schemat
• Samouczek PCB Eagle: Układ
• Samouczek PCB Eagle: Finalizacja projektu
• Samouczek PCB Eagle: Biblioteka niestandardowa

Włóż komponenty do PCB i przylutuj z tyłu. Wzmocnij przekaźnik półprzewodnikowy, skrzynkę bezpieczników i kondensatory gorącym klejem. Wywierć otwory w dolnej części plastikowej obudowy i zainstaluj nylonowe dystanse. Wykonaj otwory w ścianach bocznych, aby umożliwić podłączenie kabli. Zamontuj zespół PCB na górze przekładek.

Krok 7: Rozciągnij kable czujnika

Oryginalne kable czujników są za krótkie i wymagają przedłużenia. Używam ekranowanego kabla sygnałowego 22AWG, aby zredukować szumy spowodowane zakłócaniem napięcia sygnału. Podłączyłem ekranowanie do masy czujnika, natomiast Vcc i Vo do innych przewodów. Zabezpieczyć złącze rurką termokurczliwą.

W ten sam sposób wydłuż fotorezystor.

Krok 8: Montaż

1. Zamontuj zespół LED, nałóż silikon lub gorący klej na stojak i przymocuj go do przegródki.
2. Zainstaluj uchwyt czujnika, aby zakryć zespół diody LED. Zamontuj 3 czujniki podczerwieni do uchwytów czujników.
3. Wywierć otwór o średnicy 6,5 mm w komorze w pobliżu rogu. Włóż fotorezystor, napraw go i kabel za pomocą gorącego kleju.
4. Zamontuj obudowę zawierającą obwód sterowania do ściany.
5. Wykonaj następujące połączenia przewodowe:

• Źródło zasilania AC do "AC IN" obwodu.
• Zasilanie lampki LED na "AC OUT" obwodu.
• Czujniki podczerwieni: Vcc do "5V", GND do "GND", Vo do "Vout" w obwodzie
• Fotorezystor do „PR” w obwodzie.

Krok 9: Oprogramowanie i konfiguracja

Kod źródłowy oprogramowania układowego można pobrać w tym łączu GitHub.

Włącz przycisk przełączania Wi-Fi i włącz urządzenie. MCU domyślnie przejdzie w tryb SoftAP i będzie można połączyć się z punktem dostępowym „ESP32_Entrance_Lighting” przez WiFi.

Przejdź do 192.168.10.1 w przeglądarce i uzyskaj dostęp do następujących funkcji:

1. Aktualizacja oprogramowania układowego OTA za pośrednictwem przeglądarki.
2. Ustawienie parametrów:

• Fotorezystor - Poziom wyzwalania fotorezystora, poniżej którego czujniki będą się włączać (zakres 12-bitowy ADC 0-4095)
• IR_Long1 - Odległość poniżej której czujnik podczerwieni dalekiego zasięgu 1 włączy lampę (12-bitowy zakres ADC 0-4095)
• IR_Long2 - Odległość poniżej której czujnik podczerwieni dalekiego zasięgu 2 włączy lampę (12-bitowy zakres ADC 0-4095)
• IR_Short - Odległość poniżej której czujnik podczerwieni krótkiego zasięgu włączy lampę (zakres 12-bitowy ADC 0-4095)
• Czas świecenia - czas świecenia lampy (milisekundy)

Kliknięcie „Aktualizuj” spowoduje ustawienie poziomów wyzwalania zgodnie z wartościami w polach tekstowych.

Kliknij "Sensor polling" aktualne odczyty czujnika będą aktualizowane co sekundę, pod warunkiem, że poziom światła jest niższy niż poziom wyzwalania fotorezystora.

Krok 10: Zakończ

Kilka przemyśleń na temat dalszych ulepszeń:

• Tryb głębokiego uśpienia MCU/koprocesor Ultra Low Power w celu zmniejszenia zużycia energii.
• Używanie websocket/secure websocket zamiast tradycyjnej wiadomości HTTP w celu uzyskania szybszej odpowiedzi.
• Stosowanie tańszych komponentów, takich jak czujniki zasięgu laserowego.

Koszt materiałów do tego projektu to około 91 USD - trochę za drogo, ale myślę, że warto spróbować nowych rzeczy i odkryć technologię.

Projekt zakończony i działa. Mam nadzieję, że spodoba ci się ten Instruktaż.