DIY urządzenia IoT za pomocą ciągów LED: 9 kroków (ze zdjęciami)

2024 Autor: John Day | [email protected]. Ostatnio zmodyfikowany: 2024-01-30 11:31

(Zastrzeżenie: nie jestem native speakerem.)

Jakiś czas temu moja żona kupiła kilka lampek LED, aby oświetlić ogród w nocy. Stworzyli bardzo miłą atmosferę. Ułożono je wokół drzew, ale zgadnij co, co powinno się stać, przecinamy sznurki podczas ścinania drzew…

To, co chcę wam dzisiaj pokazać, to jak ratować zepsute rzeczy, takie jak te ciągi LED, i tworzyć ciekawe połączone urządzenia, którymi można sterować za pomocą smartfona.

Dowiesz się, jak wykorzystać mikrokontroler i tranzystor do sterowania diodami LED, jak podłączyć urządzenie do Internetu oraz jak sterować urządzeniem ze smartfona. Po prostu zakładam, że masz podstawową wiedzę o elektronice, jak zastosowanie prawa Ohma. Jeśli kiedykolwiek programowałeś Arduino, jest jeszcze lepiej.

Zacznijmy od urządzeń, które chcę zbudować. Dobrą rzeczą w ciętych strunach jest to, że są co najmniej dwa kawałki. W ten sposób mogę zbudować co najmniej dwa urządzenia. Zacznę od podłączonej lampy, którą postawię na stole, a następnie od podłączonego ciągu LED, który wykorzystam do oświetlenia mojej nowej sypialni. Wszystko, czego chcę, to sposób na włączanie i wyłączanie światła za pomocą mojego smartfona.

Ale najpierw musimy zobaczyć, jak wszystko działa, aby ponownie wykorzystać światła.

Krok 1: Inżynieria odwrotna

Mamy dwa ciągi diod LED, ale nie znamy spadku napięcia na pinach ciągu i wymaganego przez nie prądu. Niestety nie mam arkusza danych, aby uzyskać te wartości.

W takich przypadkach będziemy musieli wszystko rozgryźć sami. Rozbierzmy obudowę.

Po odkręceniu kilku śrubek śrubokrętem widzimy bardzo prosty układ. Interesująca część jest wokół pinów LED string, widzimy regulator napięcia (element 3 pinów), rezystor (czarne pudełko z 100 na nim) i piny LED string. Przyglądając się nieco bliżej (konstrukcja obwodu), widzimy, że wyjście regulatora jest połączone z ciągiem diod LED, który z kolei jest podłączony do masy przez rezystor 10 omów (100 oznacza 10x10e0). Włóżmy trochę baterii i zmierzmy spadek napięcia na pinach struny oraz między wyjściem regulatora a masą.

Za pomocą multimetru możemy zmierzyć spadek napięcia około 3V na wyprowadzeniach struny (co widać na zdjęciach). Mierzymy również 4,5V między wyjściem regulatora a masą. W ten sposób wnioskujemy, że na oporniku 10 omów występuje spadek napięcia o 1,5 V; możemy to również zmierzyć. Korzystając z prawa Ohma (U = RI), wiemy, że prąd płynący przez gałąź wynosi 1,5 V/10 omów = 0,150 A lub 150 mA. Ponownie możemy zmierzyć prąd, ale musielibyśmy połączyć multimetr szeregowo ze sznurkiem, co nie jest łatwe.

Teraz wiemy, jak sterować ciągami LED. Zbudujmy nasze urządzenie.

Krok 2: Materiały i narzędzia

Oto, czego będziesz potrzebować do zbudowania urządzeń:

- trochę śrubokrętów do rozdrabniania rzeczy, podoba mi się taki zestaw

- niektóre diody LED, jeśli chcesz odtworzyć urządzenia

- ESP8266, będzie mózgiem naszego urządzenia

- płytka stykowa i przewody, z których zbudujemy prototyp

- zestaw asortymentowy rezystorów i zestaw asortymentowy tranzystorów, można również kupić większy zestaw zawierający wiele przydatnych elementów, możliwość zakupu tylko wymaganych elementów

Jeśli chcesz stworzyć obwód stały, będziesz potrzebować narzędzi i kilku płyt prototypowych:

- na początek możesz kupić zestaw do lutowania dość tanio, znajdziesz multimetr, który możesz wykorzystać do inżynierii wstecznej własnych rzeczy, tylko uważaj, aby nie manipulować urządzeniami podłączonymi do sieci lub nawet urządzeniami, które używają więcej niż 30V DC

- przecinak jest bardzo przydatny do cięcia przewodów i wyprowadzeń elementów

- niektóre płyty prototypowe

- trochę solidnego drutu

Rozpoczęcie może wydawać się dużo, ale zbudujesz zapasy dla każdego innego projektu, który możesz mieć. Jeśli nie masz nic przeciwko czekaniu, możesz zamówić wszystko na Aliexpress znacznie taniej. Alternatywnie, jeśli nie chcesz kupować tych narzędzi, możesz również udać się do najbliższego hakera.

Na koniec będziesz potrzebować kilku godzin, aby wszystko zbudować (mniej, jeśli po prostu będziesz postępować zgodnie z tym samouczkiem).

Krok 3: Jak korzystać z tranzystora

Wiemy, że ciąg LED wymaga 150mA, ale jest to znacznie więcej niż to, co ESP8266 może bezpiecznie dostarczyć na swoich pinach wyjściowych. Nie chcesz sterować więcej niż 12mA na piny GPIO w mikrokontrolerze. Aby obejść to ograniczenie, potrzebny będzie jakiś przełącznik, który może być kontrolowany przez mikrokontroler. Najczęstszymi przełącznikami są przekaźnik i tranzystor. Przekaźnik z pewnością będzie działał, ale będzie większy, droższy i przez większość czasu będziesz chciał użyć tranzystora do sterowania przekaźnikiem.

W obu urządzeniach zastosujemy tranzystory. Aby użyć tranzystora jako przełącznika, musimy przepuścić prąd przez jego podstawę. Prąd płynący przez ciąg diod LED będzie proporcjonalny do prądu płynącego przez podstawę.

Możesz grać z Arduino i tranzystorem na Tinkercad, aby zorientować się, jak wszystko działa. Stworzyłem podstawową symulację, którą możesz modyfikować. Jeśli chcesz dowiedzieć się więcej o Tinkercad, możesz skorzystać z tego niesamowitego samouczka: Jak używać Tinkercad do testowania i wdrażania swojego sprzętu.

Widać, że tranzystor działa jak przełącznik zamknięty, gdy wyjście GPIO jest w stanie wysokim i jak przełącznik otwarty, gdy wyjście GPIO jest niskie. Możesz także pobawić się wartościami rezystorów. Rezystor połączony szeregowo z diodą LED ograniczy przepływ prądu przez diodę, a rezystor podłączony do bazy tranzystora będzie sterował maksymalnym prądem płynącym przez diodę LED. Jeśli zwiększysz rezystor bazowy, nie dostarczysz wystarczającego prądu dla diody LED, a światło będzie ciemniejsze.

Możesz zajrzeć do moich notatek, aby zobaczyć, jakie wartości rezystorów wybieram dla urządzeń. Mógłbym użyć wyjścia 3,3 V zamiast wyjścia 5 V, ale wtedy nie miałbym odpowiednich rezystorów do budowy obwodu. Nie wahaj się przeczytać arkusza danych tranzystora, aby znaleźć wzmocnienie tranzystora.

Zbudujmy teraz prototyp.

Krok 4: Zbuduj prototyp obwodu

Będziemy musieli przygotować przewód sznurka LED. Najpierw odetnijmy pierwszą połowę, aby oddzielić pojemnik na baterie. Następnie zdejmij przewód, użyłem listwy zaciskowej, aby podłączyć ciąg LED do płytki stykowej. Będziemy potrzebować również ESP8266, użyłem mini klonu D1, dwóch oporników i tranzystora.

Wybrałem p2222a dla tranzystora, ale możesz wybrać dowolny tranzystor NPN. Wystarczy przejrzeć wartości rezystorów zgodnie ze wzmocnieniem tranzystora, które można znaleźć w arkuszu danych tranzystora. Wybieram rezystor bazowy 1 kΩ i rezystor LED 15 Ω. Podstawa jest napędzana przez GPIO5 lub D1.

Zachowaj pojemnik na baterie, ponieważ może się przydać do innego projektu, a nawet do zasilania nowo utworzonych urządzeń.

Postępuj zgodnie z samouczkiem, jak wgrać program na ESP8266 za pomocą Arduino IDE, wgraj program migający, zastępując LED_BUILTIN przez D1, i możesz teraz cieszyć się migającym ciągiem LED.

Jeśli obwód nie działa, spróbuj zamienić przewody LED, ponieważ musisz podłączyć anodę do rezystora LED. Zawsze odwracam przewody…

Użyj multimetru, aby sprawdzić połączenie i spadek napięcia. Powinieneś zobaczyć 3,3 V między D1 a ziemią, gdy wyjście jest wysokie. Powinieneś również zobaczyć napięcie 3V między przewodami ciągu LED.

Posiadanie migającego ciągu LED jest dobre, ale jak możemy sterować ciągiem LED za pomocą naszego smartfona?

Krok 5: Używanie smartfona do sterowania diodami LED - część I

Musisz zainstalować aplikację Blynk na swoim smartfonie.

Po zainstalowaniu aplikacji utwórz nowy projekt. Blynk wyśle Ci wiadomość e-mail z tokenem (seria znaków szesnastkowych), który będzie potrzebny do Twojego programu ESP8266. Utwórz przycisk, który będzie działał jako przełącznik. Przycisk powinien napędzać pin GPIO5 lub D1 ESP8266. Możesz teraz odtworzyć swój projekt. Pamiętaj, że aplikacja poinformuje Cię, że urządzenie jest w trybie offline.

Możesz edytować projekt później, aby dodać zegary, które będą sterować światłami.

Krok 6: Używanie smartfona do sterowania diodami LED - część II

Otwórz swoje Arduino IDE. Będziesz musiał zainstalować bibliotekę Blynk; w tym celu wykonaj zrzuty ekranu, które zrobiłem. Przejdź do menu „Narzędzia”, kliknij „Zarządzaj bibliotekami”, wyszukaj „Blynk” i zainstaluj najnowszą wersję.

Możesz teraz otworzyć przykład, który skonfiguruje Blynk na ESP8266 dla Ciebie. Przykład pokazano na zrzutach ekranu.

Upewnij się, że wybrałeś właściwą kartę, w moim przypadku „D1 mini” i właściwy port.

Zaktualizuj kod swoim identyfikatorem SSID Wi-Fi i hasłem (zwykle kluczem WPA lub WEP w skrzynce internetowej), musisz również wypełnić token otrzymany e-mailem.

Możesz teraz wgrać kod do ESP8266. Po przesłaniu kodu odczekaj kilka sekund, aby upewnić się, że urządzenie jest połączone przez Wi-Fi z routerem internetowym i będziesz mógł sterować światłami za pomocą utworzonego przycisku Blynk.

Masz teraz urządzenie IoT! Możesz się tam zatrzymać, jeśli chcesz, ale nie zapomnij przeczytać sekcji „Zasoby”. Jeśli chcesz mieć więcej zabawy i zbudować stały obwód i ogrodzenie, czytaj dalej.

Krok 7: Utwórz obwód stały (bonus)

Czas stworzyć stały obwód. Możesz obejrzeć ten i ten film, aby dowiedzieć się o lutowaniu. Użyłem standardowej płyty proto z nagłówkiem dla ESP8266. W ten sposób, jeśli chcę ponownie wykorzystać mikrokontroler do innego projektu, mogę. Możesz wybrać przylutowanie mikrokontrolera bezpośrednio do płyty proto. Jeśli nie masz pewności, wybierz płytkę prototypową, która wygląda jak deska do krojenia chleba; będziesz mógł ponownie wykorzystać połączenia płytki prototypowej.

Z pierwszym urządzeniem popełniłem dwa błędy. Nie użyłem listwy zaciskowej do łańcucha LED… i odwróciłem przewody. Możesz oznaczyć przewód ujemny lub dodatni, ale zalecane jest użycie listwy zaciskowej. Drugim błędem jest to, że użyłem 3,3 V do napędzania ciągu LED, co spowodowało przyciemnienie światła. Jeśli tak jak ja popełniasz błędy, nie martw się, łatwo usunąć lut i zmienić wartości rezystorów lub zaktualizować połączenia. Możesz nawet dodać więcej komponentów później!

Teraz, gdy masz stały obwód, nadszedł czas na zbudowanie jego obudowy.

Krok 8: Zbuduj obudowę (bonus)

Śledziłem samouczek sparkfun na Tinkercad, aby zbudować obudowę dla moich urządzeń. Wydrukowałem obudowę za pomocą mojej nowo nabytej Prusa i3 MK3 z dodatkiem filamentu PLA (20% wypełnienia i 0,2 mm). To właściwie dla mnie pierwszy raz i już popełniłem dwa błędy, które widać na zdjęciach. Moja pierwsza obudowa nie miała wymaganego miejsca na wtyczkę USB, a otwory nie były wyrównane. Następnie zaprojektowałem nową wersję o lepszym dopasowaniu, która może również wspierać pokrywkę. Możesz zaoszczędzić trochę czasu i pieniędzy, drukując tylko wymaganą część obudowy, aby przetestować dopasowanie do obwodu.

Masz teraz dwa urządzenia IoT, którymi możesz sterować za pomocą Blynk. Tylko niebo Cię ogranicza. Możesz całkowicie rozszerzyć projekt o czujnik obecności, który steruje oświetleniem, o zegar, który wyłącza światło po określonym czasie, a nawet za pomocą świateł LED jako systemu powiadamiania; mogą migać, gdy na przykład otrzymasz wiadomość e-mail.

Miłego hackowania!

Krok 9: Zasoby

Nie mogę wystarczająco polecić tej książki: Make: Electronics: Learning Through Discovery. Możesz dowiedzieć się o tranzystorach, kondensatorach i wielu innych ciekawych rzeczach o elektronice. Posiada niezbędną wiedzę, aby zacząć majstrować przy podzespołach elektronicznych. W połączeniu z dopiero co zdobytą wiedzą na temat ESP8266, Blynk i Tinkerpad, będziesz w stanie zbudować bardzo interesujące rzeczy.

Możesz się wiele nauczyć oglądając filmy na Youtube. Polecam następujące kanały:

- Blog EEV

- Świetny Scott!

- Khan academy

Jeśli jesteś wystarczająco odważny, możesz zdobyć więcej wiedzy dzięki kursom edx lub coursera z zakresu IoT lub elektroniki.