Automatické vchodové osvětlení: 10 kroků

2024 Autor: John Day | [email protected]. Naposledy změněno: 2024-01-30 08:18

Chci nainstalovat automatické osvětlení do vchodu uvnitř domu. Ve většině případů bude stačit spínač snímání pohybu PIR (pasivní infračervený senzor) a lampa, ale tuto myšlenku upustím, protože snímač připojený venku vypadá neohrabaně.

Můj cíl v tomto projektu:

1. Výhled osvětlení by měl vypadat jednoduše a nízkoprofilově.
2. Je také mým zájmem vyzkoušet nové věci a ověřit nové nápady v projektu:

• Pro komplexní geometrii použijte 3D tisk.
• Návrh obvodu, rozvržení desky plošných spojů (PCB) a prototypování elektroniky.
• Dříve jsem používal WiFi-MCU (mikrokontrolér) ESP32. Protože můžeme komunikovat s MCU prostřednictvím http serveru, není vhodné, když máme webové rozhraní pro čtení signálu ze senzorů a nastavování parametrů osvětlení?

Na základě těchto myšlenek jsem vytvořil maketu a ověřil, že funguje; Navrhuji a vyrábím osvětlovací systém.

Poznámka:

• Fyzické rozměry uvedené v tomto projektu jsou pro osvětlení plochy 1 m x 1,5 m. Můžete jej použít jako referenci pro změnu měřítka svého návrhu.
• Některé práce v tomto projektu mohou být nebezpečné, před testováním a instalací proveďte nezbytná opatření.
• Nemám všechno vybavení a nástroje na výrobu komponentů. V důsledku toho zadávám zakázky 3D tisku a výroby PCB profesionálním studiím. CAD jako Fusion 360 a EAGLE v tomto scénáři hodně pomáhají. Více povím v dalších částech.

Krok 1: Přehled návrhu, rozvržení a model

Moje představa je nechat osvětlovací systém „schovat“uvnitř dřevěného prostoru, ale umožnit osvětlení otvorem.

Pomocí Fusion360 nejprve vymodeluji celou scénu. Můžete navštívit návod, jak jej používat. CAD hodně pomáhá k lepší vizualizaci ve fázi návrhu.

Například používáme infračervené senzory ke sledování všech lidí, kteří se blíží a zapínají světlo. Senzory proto musí přesně polohovat. V modelu můžeme jen nakreslit cestu infračerveného paprsku. Senzory můžete libovolně otáčet a přesouvat bez komplikovaného výpočtu předem.

Nakonec jsem to udělal takto:

• Vytvořte otvor a nainstalujte nad něj sestavu LED.
• Fotorezistor ke kontrole, zda je místnost dostatečně tmavá, aby se rozsvítila.
• Používám 2 infračervené senzory s dlouhým dosahem, abych zjistil, zda se někdo blíží ke vchodu, a rozsvítil světlo, pokud je dostatečně blízko.
• Další infračervený senzor krátkého dosahu, který kontroluje, zda se dveře otevírají.
• Otvor je úzký, a proto musíme senzory uvést do přesných poloh. Potřebujeme také reflektor pro nasměrování LED světla skrz otvor. Abychom splnili tyto 2 účely, můžeme vytisknout jednu část (držák senzorů) 3D.
• Monitorování systému a nastavení parametrů přes WiFi: Jaké jsou nyní hodnoty senzorů? Jak blízko k zapnutí světla? Jak tmavé světlo by se mělo rozsvítit? Jak dlouho by měla lampa zůstat ZAPNUTÁ? Osvětlení můžeme ovládat prostřednictvím webového prohlížeče pomocí WiFi MCU jako ESP32.

Krok 2: Otevření

Nástroje:

• Pravítko čtvercové
• Pila nebo elektrická pila.
• Vrták - ruční vrtačka nebo jakýkoli elektrický šroubovák schopný vrtat do dřeva a plastu.
• Soubor
• Zednická lžíce, brusný papír a štětec - pro obnovení povrchu do původního stavu a barvy.

Materiály:

• Akrylové proužky - škrábaný materiál je v pořádku, pokud je dostatečně silný (~ 5 mm)
• Omítka
• Interiérová barva

Postupy:

1. Vytvořte akrylovou šablonu, která definuje rozměr otvoru. Naskládám 4 akrylové proužky a slepím je k sobě. Použijte čtvercové pravítko, abyste se ujistili, že jsou navzájem 90 stupňů. Velikost otvoru je 365 mm x 42 mm.
2. Na šabloně vytvořte 4 montážní otvory a poté je pomocí šroubů připevněte k přihrádce.
3. Vyvrtejte otvory podél okrajů a odřízněte nežádoucí oblast.
4. Pomocí souboru odeberte přebytečný materiál a zarovnejte okraje rovně podél šablony.
5. Odeberte šablonu. Na montážní otvory a dřevěný povrch naneste omítku.
6. Povrch přebruste a naneste omítku. Tyto kroky opakujte, dokud nebude povrch hladký.
7. Natřete povrch.

Krok 3: Výroba sestavy LED

Nástroje:

• Pila - ruční pila nebo elektrický pohon.
• Vrták - ruční vrtačka nebo jakýkoli elektrický šroubovák schopný vrtat do dřeva a plastu.
• Odizolovávač drátu
• Páječka

Materiály:

• Hadice a držáky z PVC o Ø 20 mm.
• 5W G4 LED žárovka a patice x5
• Elektrické kabely
• Pájecí drát
• Slyšte smršťovací trubičku

Postupy:

1. Odřízněte trubku z PVC o délce 355 mm jako tělo lampy.
2. Namontujte dva držáky trubek na obou koncích jako stojany.
3. Vyvrtejte pět otvorů Ø17 mm do PVC trubky pro LED zásuvky.
4. Vložte zásuvky LED a ujistěte se, že jsou kabely dostatečně dlouhé, aby vyzařovaly z trubice, prodlužte kabel v případě, že jsou příliš krátké. Protože jako světelné zdroje použijeme 5W LED žárovky G4, bude proud pro zdroj 220VAC ~ 23mA. K pájení původního kabelu používám páskové vodiče AWG#24. K ochraně spojované oblasti použijte smršťovací trubku.
5. Nainstalujte LED žárovky do LED diod.
6. Připojte LED žárovky paralelně.

Krok 4: Výroba držáku senzoru

K modelování držáku senzoru nejprve použiji Fusion360. Pro zjednodušení instalace a výroby slouží držák senzoru také jako reflektor světla a jsou jedinou částí. Držák senzoru by měl mít montážní dutiny odpovídající tvarům senzorů IR dosahu. To lze snadno provést pomocí Fusion360:

1. Importujte a umístěte senzory a držák senzorů do požadovaných poloh [jak je znázorněno v kroku 2]
2. Pomocí rušení zkontrolujte překrývající se objem mezi držákem a senzory.
3. Ponechejte senzory a odstraňte překrývající se objem v držáku.
4. Uložte model jako novou součást. Montážní dutiny nyní mají tvar senzorů!
5. Měli bychom také zohlednit výrobní toleranci: Tolerance rozměru snímače je ± 0,3 mm a výrobní tolerance 3D tisku je ± 0,1 mm. Na všech styčných plochách dutin jsem provedl posunutí o 0,2 mm směrem ven, abych zajistil vůli.

Model je odeslán do studia pro 3D tisk. Abych snížil výrobní náklady, používám malou tloušťku 2 mm a vytvářím prázdné vzory, abych ušetřil materiál.

Doba zpracování 3D tisku je přibližně 48 hodin a stojí ~ 32 USD. Hotová část již byla pískována, když jsem ji obdržel, ale je příliš hrubá. Povrchy proto zjemňuji mokrým brusným papírem o zrnitosti 400 a následně postřikem interiéru bílou barvou.

Krok 5: Návrh obvodu

Cíle a úvahy

• Nemám troubu na přetavování pájky, takže se zvažují pouze části v DIP Package.
• Jednodeskové provedení: Deska plošných spojů obsahovala všechny komponenty včetně napájecího zdroje AC-DC.
• Úspora energie: Senzory a LED lampu zapněte pouze tehdy, když je vchod dostatečně tmavý.
• Vzdálená konfigurace: nastavte parametry MCU přes WiFi.

Jak obvod funguje

• Vstup střídavého proudu přes svorkovnici (TB1), s pojistkou (XF1).
• Miniaturní napájecí zdroj AC-DC (PS1) slouží k napájení 5VDC na desku ESP32 MCU (JP1 & 2) a senzory.
• WiFi MCU ESP32 (NodeMCU-32S) čte napěťový signál z fotorezistoru (PR) pomocí kanálu ADC (ADC1_CHANNEL_7). Pokud je signál nižší než prahová hodnota, zapněte MOSFET (Q1) přes GPIO pin22, abyste zapnuli všechny 3 infračervené senzory.
• Další 3 kanály ADC (ADC1_CHANNEL_0, ADC1_CHANNEL_3, ADC1_CHANNEL_6) pro výstup signálu 3 infračervených senzorů (IR_Long_1, IR_Long_2, IR_Short). Pokud je signál vyšší než práh, zapněte MOSFET (Q2) přes GPIO pin 21, který zapne SSR (K1) a rozsvítí LED diody připojené na TB1.
• MCU zkontroluje, zda je přepínač WiFi (S1) zapnutý pomocí (ADC1_CHANNEL_4), spuštěním úlohy WiFi, která umožní nastavení parametrů v MCU.

Seznam součástí

1. NodeMCU-32S x1
2. Mean Well Zdroj IRM-10-5 x1
3. Polovodičová relé Omron G3MC-202P-DC5 x1
4. STP16NF06L N-kanálový MOSFET x2
5. Senzor měření vzdálenosti Sharp GP2Y0A710K0F x2
6. Senzor měření vzdálenosti Sharp GP2Y0A02YK0F x1
7. Zásuvka 2, 54 mm -19 pinů x2 (nebo libovolná kombinace záhlaví, aby byla 19 pinů)
8. Svorkovnice HB-9500 s roztečí 9 mm, 4 piny2 (HP-4P) x1
9. KF301 Rozteč 5,08 mm Konektor svorkovnice 2kolíkový x1
10. KF301 Rozteč 5,08 mm Konektor svorkovnice 3kolíkový x3
11. Přepínač SS-12D00 1P2T x1
12. BLX-A Držák pojistek x1
13. 500mA pojistka
14. PhotoResistor x1
15. Rezistory 1k Ohm x3
16. Kondenzátory 0,1uF x3
17. 10uF kondenzátor x1
18. Nylonové šrouby M3X6 mm x6
19. Šrouby se zápustnou hlavou M3X6 mm x4
20. Nylonová podložka M3X8 mm x4
21. Nylonové matice M3 x2
22. Plastový kryt (velikost větší než 86 mm x 84 mm)
23. 2W 33k Ohm rezistor x1 (volitelně)

Všimněte si, že LED dioda s nízkým výkonem může stále svítit, i když je polovodičové relé VYPNUTO, je to kvůli tlumení uvnitř polovodičového relé. K vyřešení tohoto problému budete možná potřebovat paralelně s LED lampou připojit odpor a kondenzátor.

Krok 6: Rozložení a montáž DPS

K výrobě obvodu můžeme použít prototyp univerzální DPS. Ale snažím se použít EAGLE CAD k návrhu schématu a rozvržení. Obrázky desky (soubor Gerber) jsou odeslány do PCB Prototyping Studio k výrobě.

Je použita 2vrstvá deska FR4 s 1 oz mědi. Zahrnuty jsou funkce, jako jsou montážní otvory, pokovené otvory, vyrovnávání horkým vzduchem, vrstva pájecí masky, text Silkscreen (nyní … nyní používají inkoustový tisk). Náklady na výrobu 10ks (MOQ) PCB jsou ~ 4,2 USD - rozumná cena při takové kvalitě práce.

Existují dobré návody k používání EAGLE pro návrh DPS.

Ze Sparkfunu:

• Použití EAGLE: Schéma
• Použití EAGLE: Rozložení desky

Dobrý Youtube tutoriál od Ilyy Mikhelson:

• Eagle PCB Tutorial: Schematic
• Eagle PCB Tutorial: Layout
• Eagle PCB Tutorial: Finalizing Design
• Eagle PCB Tutorial: Custom Library

Vložte součásti do desky plošných spojů a pájení na zadní straně. Polovodičové relé, pojistkovou skříňku a kondenzátory vyztužte horkým lepidlem. Vyvrtejte otvory ve spodní části plastového krytu a nainstalujte nylonové rozpěrky. Na bočních stěnách vytvořte otvory, které umožní připojení kabelů. Namontujte sestavu DPS na rozpěrky.

Krok 7: Prodlužte kabely senzoru

Původní kabely senzoru jsou příliš krátké a vyžadují prodloužení. Pro snížení šumu z rušení signálního napětí používám stíněný signální kabel 22AWG. Stínění bylo připojeno k uzemnění snímače, zatímco Vcc a Vo k jiným vodičům. Chraňte spoj smršťovací trubkou.

Stejným způsobem vysuňte fotorezistor.

Krok 8: Sestavení

1. Nainstalujte sestavu LED, naneste na stojan silikon nebo horké lepidlo a upevněte ji na přihrádce.
2. Nainstalujte držák senzoru tak, aby zakryl sestavu LED. Namontujte 3 infračervené senzory na držáky senzorů.
3. Do přihrádky poblíž rohu vyvrtejte otvor o průměru 6,5 mm. Vložte fotorezistor, upevněte jej a kabel pomocí horkého tepelného lepidla.
4. Namontujte skříň obsahující ovládací obvod na zeď.
5. Proveďte následující drátová připojení:

• Zdroj střídavého proudu do „AC IN“obvodu.
• LED lampa napájí "AC OUT" obvodu.
• Infračervené senzory: Vcc až „5V“, GND až „GND“, Vo až „Vout“v obvodu
• Fotorezistor na "PR" v obvodu.

Krok 9: Firmware a nastavení

Zdrojový kód firmwaru lze stáhnout v tomto odkazu na GitHub.

Zapněte přepínač WiFi a zapněte zařízení. MCU ve výchozím nastavení přejde do režimu SoftAP a k přístupovému bodu „ESP32_Entrance_Lighting“se můžete připojit přes WiFi.

Přejděte v prohlížeči na adresu 192.168.10.1 a získejte přístup k následujícím funkcím:

1. Aktualizace firmwaru OTA nahráním z prohlížeče.
2. Nastavení parametrů:

• PhotoResistor - úroveň spouštění fotorezistoru, pod kterou se senzory zapnou (12bitový rozsah ADC 0-4095)
• IR_Long1 - vzdálenost, pod kterou infračervený senzor 1 dlouhého dosahu zapne lampu (12bitový rozsah ADC 0-4095)
• IR_Long2 - vzdálenost, pod kterou infračervený senzor 2 s dlouhým dosahem zapne lampu (12bitový rozsah ADC 0-4095)
• IR_Short - vzdálenost, pod kterou infračervený senzor krátkého dosahu zapne lampu (12bitový rozsah ADC 0-4095)
• Light On Time - doba, po kterou lampa zůstane (milisekundy)

Kliknutím na „Aktualizovat“nastavíte úrovně spouště na hodnoty v textových polích.

Klikněte na „Senzorové dotazování“, aktuální hodnoty senzorů se budou aktualizovat každou sekundu za předpokladu, že úroveň světla je nižší než spouštěcí úroveň fotorezistoru.

Krok 10: Dokončete

Několik myšlenek k dalšímu zlepšení:

• Režim hlubokého spánku MCU/koprocesor s ultra nízkým výkonem ke snížení spotřeby energie.
• Použití websocketu/zabezpečeného websocketu místo tradiční zprávy HTTP pro rychlejší odezvu.
• Použití levnějších komponent, jako jsou snímače laserového dosahu.

Materiální náklady na tento projekt se pohybují kolem 91 USD - trochu drahé, ale myslím si, že stojí za to vyzkoušet nové věci a prozkoumat technologie.

Projekt dokončen a funguje. Doufám, že se vám tento Instructable bude líbit.