ไฟทางเข้าอัตโนมัติ: 10 ขั้นตอน

2024 ผู้เขียน: John Day | [email protected]. แก้ไขล่าสุด: 2024-01-30 13:03

ต้องการติดตั้งไฟอัตโนมัติที่ทางเข้าภายในบ้าน ในกรณีส่วนใหญ่ สวิตช์ตรวจจับการเคลื่อนไหว PIR (Passive Infrared Sensor) และหลอดไฟจะทำได้ แต่ฉันล้มเลิกความคิดนี้ เนื่องจากเซ็นเซอร์ที่ติดอยู่ภายนอกนั้นดูเงอะงะ

เป้าหมายของฉันในโครงการนี้:

1. มุมมองของแสงควรดูเรียบง่ายและต่ำ
2. ฉันยังสนใจที่จะลองสิ่งใหม่ๆ และตรวจสอบแนวคิดใหม่ในโครงการ:

• ใช้การพิมพ์ 3 มิติสำหรับรูปทรงที่ซับซ้อน
• การออกแบบวงจร เค้าโครง PCB (แผงวงจรพิมพ์) และการสร้างต้นแบบสำหรับอุปกรณ์อิเล็กทรอนิกส์
• ฉันเคยใช้ WiFi-MCU (ไมโครคอนโทรลเลอร์) ESP32 มาก่อน เนื่องจากเราสามารถโต้ตอบกับ MCU ผ่านเซิร์ฟเวอร์ http จะสะดวกหรือไม่หากเรามีอินเทอร์เฟซบนเว็บเพื่ออ่านสัญญาณเซ็นเซอร์และตั้งค่าพารามิเตอร์แสง

จากแนวคิดเหล่านี้ ฉันได้สร้าง Mockup และยืนยันว่าใช้งานได้ ฉันออกแบบและสร้างระบบไฟส่องสว่าง

บันทึก:

• ขนาดทางกายภาพที่ระบุในโครงการนี้มีไว้สำหรับให้แสงสว่างในพื้นที่ 1 ม. x 1.5 ม. คุณสามารถใช้เป็นข้อมูลอ้างอิงเพื่อปรับขนาดการออกแบบของคุณได้
• งานบางอย่างในโครงการนี้อาจเป็นอันตราย โปรดใช้ความระมัดระวังที่จำเป็นก่อนทำการทดสอบและติดตั้ง
• ฉันไม่มีอุปกรณ์และเครื่องมือทั้งหมดในการทำส่วนประกอบ ด้วยเหตุนี้ ฉันจึงจ้างงานการพิมพ์ 3 มิติและการผลิต PCB ให้กับสตูดิโอมืออาชีพ CAD เช่น Fusion 360 และ EAGLE ช่วยได้มากในสถานการณ์นี้ ฉันจะพูดคุยเพิ่มเติมในส่วนต่อไป

ขั้นตอนที่ 1: ภาพรวมการออกแบบ เค้าโครง และโมเดล

ความคิดของฉันคือทำให้ระบบไฟ "ซ่อน" ในช่องไม้ แต่ให้แสงสว่างผ่านช่องเปิด

ฉันใช้ Fusion360 เพื่อจำลองทั้งฉากก่อน คุณสามารถเยี่ยมชมบทช่วยสอนเกี่ยวกับวิธีการใช้งาน CAD ช่วยได้มากสำหรับการแสดงภาพที่ดีขึ้นในขั้นตอนการออกแบบ

ตัวอย่างเช่น เราใช้เซ็นเซอร์อินฟราเรดเพื่อติดตามผู้ที่เข้าใกล้และเปิดไฟ ดังนั้น เซนเซอร์จึงต้องจัดตำแหน่งให้ถูกต้อง เราสามารถวาดเส้นทางรังสีอินฟราเรดในแบบจำลองได้ หมุนและเคลื่อนย้ายเซ็นเซอร์ในแบบที่เราต้องการโดยไม่มีการคำนวณที่ซับซ้อนล่วงหน้า

ในที่สุดฉันก็ทำในลักษณะนี้:

• สร้างการเปิดและติดตั้งแอสเซมบลี LED ด้านบน
• โฟโตรีซีสเตอร์เพื่อตรวจสอบว่าห้องมืดพอที่จะสว่างหรือไม่
• ฉันใช้เซ็นเซอร์อินฟราเรดระยะไกล 2 ตัวเพื่อตรวจจับว่ามีใครเข้าใกล้ทางเข้าหรือไม่ และเปิดไฟหากเขาอยู่ใกล้พอ
• เซ็นเซอร์อินฟราเรดระยะใกล้อีกตัวเพื่อตรวจสอบว่าประตูเปิดหรือไม่
• ช่องเปิดแคบ เราจึงต้องวางเซ็นเซอร์ในตำแหน่งที่แม่นยำ นอกจากนี้เรายังต้องการตัวสะท้อนแสงเพื่อนำไฟ LED ส่องผ่านช่องเปิด เราสามารถ 3D-Print ได้เพียงส่วนเดียว (The Sensors Holder) เพื่อตอบสนองวัตถุประสงค์ 2 ประการนี้
• การตรวจสอบระบบและการปรับพารามิเตอร์ผ่าน WiFi: การอ่านเซ็นเซอร์ตอนนี้เป็นอย่างไร? เปิดไฟใกล้แค่ไหน? แสงควรเปิดมืดแค่ไหน? หลอดไฟควรเปิดอยู่นานเท่าใด เราสามารถควบคุมแสงผ่านเว็บเบราว์เซอร์โดยใช้ WiFi MCU เช่น ESP32

ขั้นตอนที่ 2: ทำการเปิด

เครื่องมือ:

• ไม้บรรทัดสแควร์
• เลื่อยมือหรือไฟฟ้า
• สว่าน - สว่านมือหรือตัวขับไฟฟ้าที่สามารถเจาะไม้และพลาสติกได้
• ไฟล์
• เกรียง กระดาษทราย และพู่กัน - สำหรับคืนสภาพพื้นผิวและสีเดิม

วัสดุ:

• แถบอะครีลิค - วัสดุที่ขูดมีความหนาเพียงพอ (~5 มม.)
• พลาสเตอร์
• สีทาภายใน

ขั้นตอน:

1. ทำแม่แบบอะคริลิกเพื่อกำหนดขนาดของช่องเปิด ฉันวางแถบอะครีลิค 4 แผ่นแล้วติดเข้าด้วยกัน ใช้ไม้บรรทัดสี่เหลี่ยมเพื่อให้แน่ใจว่าพวกมันอยู่ห่างกัน 90 องศา ขนาดช่องเปิด 365mm X 42mm.
2. ทำรูยึด 4 รูบนแม่แบบ จากนั้นยึดเข้ากับช่องโดยใช้สกรู
3. เจาะรูตามขอบแล้วตัดส่วนที่ไม่ต้องการออก
4. ใช้ไฟล์เพื่อลบวัสดุส่วนเกินและทำให้ขอบตรงไปตามแม่แบบ
5. นำเทมเพลตออก ฉาบปูนบนรูยึดและพื้นผิวไม้
6. ทรายพื้นผิวและทาปูนปลาสเตอร์ ทำซ้ำขั้นตอนเหล่านี้จนกว่าพื้นผิวจะเรียบ
7. ทาสีพื้นผิว

ขั้นตอนที่ 3: การสร้างแอสเซมบลี LED

เครื่องมือ:

• เลื่อย - เลื่อยมือหรือไฟฟ้า
• สว่าน - สว่านมือหรือตัวขับไฟฟ้าที่สามารถเจาะไม้และพลาสติกได้
• เครื่องปอกสายไฟ
• หัวแร้ง

วัสดุ:

• Ø20mm ท่อพีวีซีและตัวยึด
• 5W G4 หลอดไฟ LED และซ็อกเก็ต x5
• สายไฟฟ้า
• ลวดบัดกรี
• ได้ยินการหดตัวของท่อ

ขั้นตอน:

1. ตัดท่อพีวีซียาว 355 มม. เป็นตัวโคม
2. ติดตั้งตัวยึดท่อสองตัวที่ปลายทั้งสองข้างเป็นขาตั้ง
3. เจาะรู Ø17 มม. ห้ารูบนท่อพีวีซีสำหรับซ็อกเก็ต LED
4. เสียบปลั๊กไฟ LED และตรวจสอบให้แน่ใจว่าสายเคเบิลยาวพอที่จะออกมาจากท่อ ขยายสายเคเบิลในกรณีที่สั้นเกินไป เนื่องจากเราจะใช้หลอดไฟ LED 5W G4 เป็นแหล่งกำเนิดแสง กระแสไฟจะอยู่ที่ ~ 23mA สำหรับแหล่งกำเนิด 220VAC ฉันใช้สายไฟริบบอน AWG#24 ในการบัดกรีสายเดิม ใช้ท่อหดเพื่อป้องกันบริเวณรอยต่อ
5. ติดตั้งหลอดไฟ LED เข้ากับซ็อกเก็ต LED
6. เชื่อมต่อหลอดไฟ LED แบบขนาน

ขั้นตอนที่ 4: การสร้างที่ยึดเซนเซอร์

ฉันใช้ Fusion360 เพื่อสร้างโมเดลตัวยึดเซ็นเซอร์ก่อน เพื่อให้การติดตั้งและการผลิตง่ายขึ้น ตัวยึดเซ็นเซอร์ยังทำหน้าที่เป็นตัวสะท้อนแสงและเป็นส่วนเดียว ตัวยึดเซ็นเซอร์ควรมีช่องสำหรับติดตั้งที่ตรงกับรูปร่างของเซ็นเซอร์ช่วง IR สามารถทำได้ง่ายเมื่อใช้ Fusion360:

1. นำเข้าและจัดตำแหน่งเซ็นเซอร์และที่จับเซ็นเซอร์ไปยังตำแหน่งที่ต้องการ [ดังแสดงในขั้นตอนที่2]
2. ใช้คำสั่งการรบกวนเพื่อตรวจสอบระดับเสียงที่ทับซ้อนกันระหว่างตัวยึดกับเซ็นเซอร์
3. เก็บเซ็นเซอร์ไว้และถอดระดับเสียงที่ทับซ้อนกันในตัวยึด
4. บันทึกโมเดลเป็นส่วนใหม่ ตอนนี้รูยึดมีรูปร่างเหมือนเซ็นเซอร์แล้ว!
5. เราควรคำนึงถึงความคลาดเคลื่อนในการผลิตด้วย: ความคลาดเคลื่อนของขนาดเซ็นเซอร์คือ ±0.3 มม. และความคลาดเคลื่อนในการผลิตของการพิมพ์ 3 มิติคือ ±0.1 มม. ฉันทำการชดเชยด้านนอก 0.2 มม. บนพื้นผิวสัมผัสทั้งหมดของฟันผุเพื่อให้แน่ใจว่ามีระยะห่างพอดี

โมเดลจะถูกส่งไปยังสตูดิโอสำหรับการพิมพ์ 3 มิติ เพื่อลดต้นทุนการผลิต ฉันใช้ความหนาเล็กน้อย 2 มม. และสร้างรูปแบบเปล่าเพื่อประหยัดวัสดุ

เวลาตอบสนองของการพิมพ์ 3 มิติคือประมาณ 48 ชั่วโมงและมีราคาประมาณ 32 เหรียญสหรัฐ ตอนที่ฉันได้รับส่วนที่เสร็จแล้วได้ขัดแล้ว แต่มันหยาบเกินไป ดังนั้นฉันจึงปรับแต่งพื้นผิวด้วยกระดาษทรายเปียก 400 กรวด ตามด้วยพ่นสีขาวภายในห้องโดยสาร

ขั้นตอนที่ 5: การออกแบบวงจร

เป้าหมายและข้อควรพิจารณา

• ฉันไม่มีเตาอบบัดกรี reflow ดังนั้นจึงพิจารณาเฉพาะชิ้นส่วนใน DIP Package
• การออกแบบบอร์ดเดี่ยว: PCB มีส่วนประกอบทั้งหมดรวมถึงหน่วยจ่ายไฟ AC-DC
• การประหยัดพลังงาน: เปิดเซ็นเซอร์และหลอดไฟ LED เมื่อทางเข้ามืดพอเท่านั้น
• การกำหนดค่าระยะไกล: ตั้งค่าพารามิเตอร์ MCU ผ่าน WiFi

วงจรทำงานอย่างไร

• อินพุตไฟ AC ผ่านกล่องเทอร์มินัล (TB1) พร้อมระบบป้องกันฟิวส์ (XF1)
• แหล่งจ่ายไฟ AC-DC ขนาดเล็ก (PS1) ใช้เพื่อจ่ายไฟ 5VDC ให้กับบอร์ด ESP32 MCU (JP1&2) และเซ็นเซอร์
• WiFi MCU ESP32 (NodeMCU-32S) อ่านสัญญาณแรงดันไฟฟ้าจากโฟโตรีซีสเตอร์ (PR) โดยใช้ช่องสัญญาณ ADC (ADC1_CHANNEL_7) เปิด MOSFET (Q1) ผ่าน GPIO pin22 เพื่อเพิ่มพลังให้เซ็นเซอร์อินฟาเรดทั้ง 3 ตัว หากสัญญาณต่ำกว่าเกณฑ์
• อีก 3 ช่อง ADC (ADC1_CHANNEL_0, ADC1_CHANNEL_3, ADC1_CHANNEL_6) สำหรับเอาต์พุตสัญญาณเซ็นเซอร์อินฟราเรด 3 ตัว (IR_Long_1, IR_Long_2, IR_Short) หากสัญญาณสูงกว่าเกณฑ์ ให้เปิด MOSFET (Q2) ผ่าน GPIO pin 21 ซึ่งจะเปิด SSR (K1) และให้หลอดไฟ LED ที่เชื่อมต่อที่ TB1 สว่างขึ้น
• MCU ตรวจสอบว่า WiFi Toggle (S1) เปิดอยู่ผ่าน (ADC1_CHANNEL_4) หรือไม่ โดยเรียกใช้งาน WiFi เพื่ออนุญาตให้ตั้งค่าพารามิเตอร์ใน MCU

รายการชิ้นส่วน

1. NodeMCU-32S x1
2. พาวเวอร์ซัพพลาย Mean Well IRM-10-5 x1
3. Omron G3MC-202P-DC5 โซลิดสเตตรีเลย์ x1
4. STP16NF06L N-ช่อง MOSFET x2
5. Sharp GP2Y0A710K0F เซนเซอร์วัดระยะทาง x2
6. Sharp GP2Y0A02YK0F เซนเซอร์วัดระยะทาง x1
7. ส่วนหัวของตัวเมีย 2.54 มม. -19 พิน x2 (หรือส่วนหัวผสมกันเพื่อให้เป็น 19 พิน)
8. HB-9500 เทอร์มินัลบล็อกระยะห่าง 9 มม. 4-pin2 (HP-4P) x1
9. KF301 ขั้วต่อขั้วต่อบล็อกระยะห่าง 5.08 มม. 2-pins x1
10. KF301 ขั้วต่อบล็อกระยะห่าง 5.08 มม. 3-pins x3
11. SS-12D00 1P2T สวิตช์สลับ x1
12. BLX-A ตัวยึดฟิวส์ x1
13. 500mA ฟิวส์
14. โฟโต้รีซิสเตอร์ x1
15. ตัวต้านทาน 1k โอห์ม x3
16. ตัวเก็บประจุ 0.1uF x3
17. ตัวเก็บประจุ 10uF x1
18. สกรูไนล่อน M3X6mm x6
19. M3X6mm สกรูน๊อตซิงค์ไนล่อน x4
20. สเปเซอร์ไนลอน M3X8mm x4
21. น็อตไนลอน M3 x2
22. กล่องพลาสติก (ขนาดใหญ่กว่า 86 มม. x 84 มม.)
23. ตัวต้านทาน 2W 33k Ohm x1 (อุปกรณ์เสริม)

โปรดทราบว่า LED พลังงานต่ำอาจยังคงสว่างอยู่แม้ว่า Solid State Relay จะปิดอยู่ เนื่องจากเป็นสาเหตุมาจาก snubber ภายในรีเลย์โซลิดสเตต คุณอาจต้องใช้ตัวต้านทานและตัวเก็บประจุต่อขนานกับหลอดไฟ LED เพื่อแก้ปัญหานี้

ขั้นตอนที่ 6: เค้าโครง PCB และการประกอบ

เราสามารถใช้ต้นแบบ PCB สากลเพื่อสร้างวงจรได้ แต่ฉันพยายามใช้ EAGLE CAD เพื่อออกแบบแผนผังและเลย์เอาต์ อิมเมจของบอร์ด (ไฟล์ Gerber) จะถูกส่งไปยัง PCB Prototyping Studio เพื่อทำการประดิษฐ์

ใช้บอร์ด FR4 2 ชั้นที่มีทองแดง 1 ออนซ์ คุณสมบัติต่างๆ เช่น รูยึด, รูชุบผ่านรู, การปรับระดับประสานอากาศร้อน, ชั้นหน้ากากประสาน, ข้อความซิลค์สกรีน (ก็.. ตอนนี้พวกเขาใช้การพิมพ์อิงค์เจ็ท) รวมอยู่ด้วย ต้นทุนในการทำ PCB 10 ชิ้น (MOQ) อยู่ที่ ~ 4.2 เหรียญสหรัฐฯ ซึ่งเป็นราคาที่สมเหตุสมผลสำหรับคุณภาพของงานดังกล่าว

มีแบบฝึกหัดดีๆ เกี่ยวกับการใช้ EAGLE สำหรับการออกแบบ PCB

จากสปาร์คฟัน:

• ใช้ EAGLE: Schematic
• ใช้ EAGLE: เค้าโครงบอร์ด

บทช่วยสอน Youtube ที่ดีโดย Ilya Mikhelson:

• บทช่วยสอน Eagle PCB: Schematic
• บทช่วยสอน Eagle PCB: เค้าโครง
• บทช่วยสอน Eagle PCB: การออกแบบขั้นสุดท้าย
• บทช่วยสอน Eagle PCB: Custom Library

ใส่ส่วนประกอบเข้ากับ PCB และบัดกรีที่ด้านหลัง เสริมความแข็งแกร่งให้กับโซลิดสเตตรีเลย์ กล่องฟิวส์ และตัวเก็บประจุด้วยกาวร้อน เจาะรูที่ด้านล่างของโครงพลาสติกและติดตั้งตัวเว้นระยะไนลอน ทำช่องเปิดที่ผนังด้านข้างเพื่อให้สามารถต่อสายเคเบิลได้ ติดตั้ง PCB Assembly ที่ด้านบนของสเปเซอร์

ขั้นตอนที่ 7: ขยายสายเซนเซอร์

สายเซ็นเซอร์เดิมสั้นเกินไปและจำเป็นต้องต่อ ฉันใช้สายสัญญาณ 22AWG ที่มีฉนวนหุ้มเพื่อลดสัญญาณรบกวนจากการรบกวนแรงดันสัญญาณ เชื่อมต่อฉนวนกับกราวด์ของเซ็นเซอร์ในขณะที่ Vcc และ Vo กับสายอื่น ปกป้องข้อต่อด้วยท่อหด

ขยายโฟโตรีซีสเตอร์ในลักษณะเดียวกัน

ขั้นตอนที่ 8: การประกอบ

1. ติดตั้งชุด LED ใช้ซิลิโคนหรือกาวร้อนกับขาตั้งแล้วยึดเข้ากับช่อง
2. ติดตั้งตัวยึดเซ็นเซอร์เพื่อปิดชุดประกอบ LED ติดตั้งเซ็นเซอร์อินฟราเรด 3 ตัวเข้ากับตัวยึดเซ็นเซอร์
3. เจาะรู Ø6.5 มม. ในช่องใกล้กับมุม ใส่โฟโตรีซีสเตอร์ ยึดและต่อสายไฟโดยใช้กาวร้อน
4. ติดตั้งโครงที่มีวงจรควบคุมเข้ากับผนัง
5. ทำการเชื่อมต่อสายไฟต่อไปนี้:

• แหล่งพลังงาน AC เป็น "AC IN" ของวงจร
• หลอดไฟ LED จ่ายไฟให้กับ "AC OUT" ของวงจร
• เซ็นเซอร์อินฟราเรด: Vcc ถึง "5V", GND ถึง "GND", Vo ถึง "Vout" ในวงจร
• โฟโตรีซีสเตอร์กับ "PR" ในวงจร

ขั้นตอนที่ 9: เฟิร์มแวร์และการตั้งค่า

สามารถดาวน์โหลดซอร์สโค้ดเฟิร์มแวร์ได้ใน GitHub Link นี้

เปิดปุ่ม WiFi Toggle และเปิดเครื่อง MCU จะเข้าสู่โหมด SoftAP เป็นค่าเริ่มต้น และคุณสามารถเชื่อมต่อกับจุดเข้าใช้งาน "ESP32_Entrance_Lighting" ผ่าน WiFi ได้

ไปที่ 192.168.10.1 ในเบราว์เซอร์และเข้าถึงฟังก์ชันต่อไปนี้:

1. OTA Firmware Update ผ่านการอัปโหลดเบราว์เซอร์
2. การตั้งค่าพารามิเตอร์:

• PhotoResistor - ระดับทริกเกอร์โฟโตรีซีสเตอร์ซึ่งต่ำกว่าเซ็นเซอร์ที่จะจ่ายไฟ (ช่วง ADC 12 บิต 0-4095)
• IR_Long1 - ระยะทางที่ต่ำกว่าที่เซ็นเซอร์อินฟราเรดระยะไกล 1 จะเปิดหลอดไฟ (ช่วง ADC 12 บิต 0-4095)
• IR_Long2 - ระยะทางต่ำกว่าที่เซ็นเซอร์อินฟราเรดระยะไกล 2 จะเปิดหลอดไฟ (ช่วง ADC 12 บิต 0-4095)
• IR_Short - ระยะทางต่ำกว่าที่เซ็นเซอร์อินฟราเรดช่วงสั้นจะเปิดหลอดไฟ (ช่วง ADC 12 บิต 0-4095)
• Light On Time - ระยะเวลาที่หลอดไฟติด (มิลลิวินาที)

คลิก "อัปเดต" จะกำหนดระดับทริกเกอร์เป็นค่าในกล่องข้อความ

คลิก "การโพลเซ็นเซอร์" การอ่านค่าเซ็นเซอร์ปัจจุบันจะอัปเดตทุกวินาที โดยที่ระดับแสงจะต่ำกว่าระดับทริกเกอร์ของโฟโตรีซีสเตอร์

ขั้นตอนที่ 10: เสร็จสิ้น

ความคิดบางอย่างเกี่ยวกับการปรับปรุงเพิ่มเติม:

• โหมดหลับลึกของ MCU/ตัวประมวลผลร่วมพลังงานต่ำพิเศษเพื่อลดการใช้พลังงาน
• ใช้ websocket/secure websocket แทนข้อความ HTTP แบบเดิมเพื่อการตอบสนองที่รวดเร็วยิ่งขึ้น
• การใช้ส่วนประกอบที่มีต้นทุนต่ำ เช่น เซ็นเซอร์ระยะเลเซอร์

ค่าวัสดุสำหรับโครงการนี้อยู่ที่ประมาณ 91 เหรียญสหรัฐ - แพงนิดหน่อย แต่ฉันคิดว่ามันคุ้มค่าที่จะลองสิ่งใหม่ๆ และสำรวจเทคโนโลยี

โครงการเสร็จและใช้งานได้ หวังว่าคุณจะสนุกกับคำแนะนำนี้