การควบคุมบ้านด้วยเสียง V1.0: 12 ขั้นตอน

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

ไม่กี่เดือนที่ผ่านมา ฉันได้รับผู้ช่วยส่วนตัว โดยเฉพาะ Echo Dot ที่ติดตั้ง Alexa ฉันเลือกมันเพราะพบว่าด้วยวิธีง่ายๆ สามารถเพิ่มปลั๊กอินเพื่อควบคุมการเปิดและปิดอุปกรณ์ได้ เช่น ไฟ พัดลม ฯลฯ ในร้านค้าออนไลน์ ฉันเห็นอุปกรณ์จำนวนมากที่ทำหน้าที่นี้ให้ครบถ้วน และนั่นคือตอนที่ฉันคิดว่า …. ทำไมไม่ทำของคุณเอง?

ด้วยแนวคิดนี้ ฉันจึงเริ่มออกแบบบอร์ดที่มีการเชื่อมต่อ Wi-Fi และรีเลย์เอาต์พุต 4 ตัว ด้านล่างนี้ ฉันจะอธิบายขั้นตอนการออกแบบทีละขั้นตอนจากแผนผัง การออกแบบ PCB การเขียนโปรแกรมและการทดสอบซึ่งนำไปสู่การดำเนินงานที่ประสบความสำเร็จ

คุณสมบัติ

1. การเชื่อมต่อเครือข่ายไร้สาย
2. แรงดันไฟฟ้าขาเข้า 100 / 240VAC
3. 4 รีเลย์เอาท์พุต (สูงสุด 10A)
4. ไฟแสดงสถานะ LED
5. 4 LEDs ไฟแสดงสถานะของรีเลย์
6. ส่วนหัวของการเขียนโปรแกรม
7. ปุ่มรีเซ็ต

ขั้นตอนที่ 1: ส่วนประกอบและเครื่องมือ

ส่วนประกอบ

1. ตัวต้านทาน 3 ตัว 0805 จาก 1k ohm
2. ตัวต้านทาน 5 ตัว 0805 จาก 220 โอห์ม
3. ตัวต้านทาน 2 ตัว 0805 จาก 10k ohms
4. 1 ตัวต้านทาน 0805 จาก 4.7k ohms
5. ตัวเก็บประจุ 2 ตัว 0805 จาก 0.1uf
6. ตัวเก็บประจุ 2 ตัว 0805 จาก 10uf
7. 4 ไดโอด ES1B หรือคล้ายกันของแพ็คเกจ 100v 1A SMA
8. 1 ตัวควบคุมแรงดันไฟฟ้า AMS1117-3.3
9. ไฟ LED สีเขียว 4 ดวง 0805
10. 1 LED สีแดง 0805
11. 4 ทรานซิสเตอร์ NPN MMBT2222A หรือแพ็คเกจ SOT23 ที่คล้ายกัน
12. 1 โมดูล ESP 12-E Wi-Fi
13. 1 พาวเวอร์ซัพพลาย HLK-PM01
14. 1 สวิตช์สัมผัสSMD
15. 1 พินเฮดเดอร์ 6 ตำแหน่ง
16. 5 Terminal Block 2 ตำแหน่ง 5.08 มม. pitch
17. 4 รีเลย์ 5VDC

เครื่องมือ

1. สถานีบัดกรีหรือ cautin 25-30 วัตต์
2. ตะกั่วบัดกรี
3. ฟลักซ์
4. แหนบ
5. ไส้ตะเกียง Desoldering

ขั้นตอนที่ 2: แหล่งจ่ายไฟและตัวควบคุมแรงดันไฟฟ้า

สำหรับการทำงานของวงจร ต้องใช้ 2 โวลท์ คือ 3.3 VDC สำหรับส่วนควบคุม และอีก 5 VDC สำหรับภาคจ่ายไฟ ตามแนวคิดที่ว่าบอร์ดมีทุกอย่างที่จำเป็นสำหรับการทำงาน ให้ใช้แหล่งจ่ายกระแสสลับที่จ่ายโดยตรง 5v และขับเคลื่อนโดยแรงดันไฟในสายเป็นสิ่งจำเป็น ซึ่งช่วยให้เราไม่ต้องใช้อะแดปเตอร์จ่ายไฟภายนอก และเราเพียงต้องเพิ่มตัวควบคุมเชิงเส้น 3.3v (LDO) เท่านั้น

จากที่กล่าวมาข้างต้น ผมจึงเลือก Hi-Link HLK-PM01 ซึ่งมีแรงดันไฟเข้า 100-240VAC ที่ 0.1A และเอาท์พุต 5VDC ที่ 0.6A ตามด้วย AMS1117-3.3 ที่ใช้กันอย่างแพร่หลาย เรกูเลเตอร์อยู่แล้วซึ่งเป็นเรื่องธรรมดามากดังนั้นจึงหาได้ง่าย

การดูเอกสารข้อมูลของ AMS1117 คุณจะพบกับค่าของตัวเก็บประจุอินพุตและเอาต์พุต ซึ่งมีค่าเท่ากับ 0.1uf และ 10uf สำหรับอินพุตและอีกส่วนที่เท่ากันสำหรับเอาต์พุต สุดท้ายนี้ ฉันวางไฟ LED แสดงสถานะกำลังที่มีความต้านทานจำกัดตามลำดับ ซึ่งคำนวณได้ง่ายโดยใช้กฎของโอห์ม:

R = 5V-Vled / Iled

R = 5 - 2 / 0.015 = 200

กระแสไฟ 15mA ในไฟ LED นั้นจะไม่ส่องสว่างและยืดอายุการใช้งาน

ขั้นตอนที่ 3: ควบคุมส่วน

สำหรับส่วนนี้ ฉันเลือกโมดูล Wi-Fi ESP-12-E เนื่องจากมีขนาดเล็ก ราคาถูก และใช้งานง่ายมากกับ Arduino IDE เนื่องจากโมดูลมีทุกอย่างที่จำเป็นสำหรับการทำงาน ฮาร์ดแวร์ภายนอกที่จำเป็นสำหรับ ESP ในการทำงานจึงน้อยมาก

สิ่งที่ต้องจำไว้คือไม่แนะนำให้ใช้ GPIO ของโมดูลบางตัวและส่วนอื่นๆ มีฟังก์ชันเฉพาะ ต่อไปฉันจะแสดงตารางเกี่ยวกับพินและฟังก์ชันที่ตอบสนอง:

GPIO--------- อินพุต ---------------- เอาต์พุต ---------------------- ---หมายเหตุ

GPIO16------ไม่มีการขัดจังหวะ------ไม่สนับสนุนPWMหรือI2C---สูงตอนบูตที่ใช้ในการปลุกจากการนอนหลับลึก

GPIO5 -------- ตกลง -------------------- ตกลง -------------- มักใช้เป็น SCL (I2C)

GPIO4-------ตกลง-------------------ตกลง-------------- มักใช้เป็น SDA (I2C)

GPIO0 -------- ดึงขึ้น ---------- ตกลง --------------- โหมด Low to FLASH การบูตล้มเหลวหากดึงต่ำ

GPIO2------- ดึงขึ้น ---------- ตกลง --------------- การบูตล้มเหลวหากดึง Low

GPIO14 ----- ตกลง ----- ตกลง ----- ----- SPI (SCLK)

GPIO12 ----- ตกลง -------------------- ตกลง --------------- SPI (MISO)

GPIO13 ----- ตกลง -------------- ตกลง --------------- SPI (MOSI)

GPIO15 ----- ดึงไปที่ GND ---- ตกลง --------------- การบูต SPI (CS) ล้มเหลวหากดึงสูง

GPIO3 ------- ตกลง -------------------- RX pin ---------- สูงเมื่อบูต

GPIO1------- พิน TX --------------- ตกลง --------------- สูงเมื่อบูตการบูตล้มเหลวหากดึงต่ำ

ADC0 ----- อินพุตแบบอะนาล็อก ----- X

ข้อมูลข้างต้นพบได้ที่ลิงค์ต่อไปนี้:

จากข้อมูลข้างต้น ฉันเลือกพิน 5, 4, 12 และ 14 เป็นเอาต์พุตดิจิตอลที่จะเปิดใช้งานรีเลย์แต่ละตัว ซึ่งเสถียรและปลอดภัยที่สุดสำหรับการเปิดใช้งาน

ในที่สุดฉันก็เพิ่มสิ่งที่จำเป็นสำหรับการเขียนโปรแกรม, ปุ่มรีเซ็ตบนพินนั้น, ตัวต้านทานที่เชื่อมต่อกับพลังงานบนพินเปิดใช้งาน, การต้านทานต่อกราวด์บน GPIO15, ส่วนหัวที่ใช้เชื่อมต่อ FTDI กับพิน TX, RX และ กราวด์ GPIO0 เพื่อให้โมดูลอยู่ในโหมดแฟลช

ขั้นตอนที่ 4: Power Seccion

ส่วนนี้จะดูแลการใช้เอาต์พุต 3.3VDCs บนพอร์ต GPIO เพื่อเปิดใช้งานรีเลย์ รีเลย์ต้องการพลังงานมากกว่าที่ได้รับจากพิน ESP ดังนั้นจำเป็นต้องมีทรานซิสเตอร์เพื่อเปิดใช้งาน ในกรณีนี้ เราใช้ MMBT2222A

เราต้องคำนึงถึงกระแสที่จะผ่านตัวสะสม (Ic) ด้วยข้อมูลนี้ เราสามารถคำนวณความต้านทานที่จะวางที่ฐานของทรานซิสเตอร์ได้ ในกรณีนี้ Ic จะเป็นผลรวมของกระแสที่ไหลผ่านคอยล์รีเลย์และกระแสไฟ LED ที่ระบุการจุดระเบิด:

Ic = Irelay + Iled

ไอซี = 75mA + 15mA = 90mA

เนื่องจากเรามี Ic ปัจจุบัน เราจึงสามารถคำนวณความต้านทานพื้นฐานของทรานซิสเตอร์ (Rb) ได้ แต่เราต้องการคู่ข้อมูลพิเศษ อัตราขยายของทรานซิสเตอร์ (hFE) ซึ่งในกรณีของ MMBT2222A มีค่า 40 (ค่าเกน ไม่มีมิติดังนั้นจึงไม่มีหน่วยวัด) และศักย์กั้น (VL) ที่ทรานซิสเตอร์ซิลิกอนมีค่า 0.7v จากข้างต้นเราสามารถดำเนินการคำนวณ Rb ด้วยสูตรต่อไปนี้:

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

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

จากการคำนวณข้างต้น ฉันเลือกความต้านทาน 1kohm

ในที่สุด ไดโอดถูกวางขนานกับคอยล์รีเลย์โดยให้แคโทดหันไปทาง Vcc ไดโอด ES1B ป้องกัน FEM ย้อนกลับ (FEM หรือ Reverse Electromotive Force คือแรงดันที่เกิดขึ้นเมื่อกระแสผ่านขดลวดแปรผัน)

ขั้นตอนที่ 5: การออกแบบ PCB: แผนผังและส่วนประกอบองค์กร

เพื่อความละเอียดของแผนผังและการ์ด ฉันใช้ซอฟต์แวร์ Eagle

เริ่มต้นด้วยการทำแผนผังของ PCB โดยจะต้องจับแต่ละส่วนของวงจรที่ได้อธิบายไว้ก่อนหน้านี้ เริ่มต้นด้วยการวางสัญลักษณ์ของแต่ละส่วนประกอบที่รวมเข้าด้วยกัน จากนั้นจึงทำการเชื่อมต่อระหว่างแต่ละส่วนประกอบ ระวังอย่าเชื่อมต่อ ข้อผิดพลาดนี้จะสะท้อนให้เห็นในการออกแบบวงจรทำให้เกิดความผิดปกติ สุดท้าย ค่าของแต่ละองค์ประกอบจะถูกระบุตามสิ่งที่คำนวณในขั้นตอนก่อนหน้านี้

ตอนนี้ เราสามารถออกแบบการ์ดต่อไปได้ สิ่งแรกที่เราต้องทำคือจัดระเบียบส่วนประกอบเพื่อให้ใช้พื้นที่น้อยที่สุดเท่าที่จะเป็นไปได้ ซึ่งจะเป็นการลดต้นทุนการผลิต โดยส่วนตัวแล้ว ฉันชอบจัดระเบียบส่วนประกอบในลักษณะที่ได้รับความนิยมจากการออกแบบที่สมมาตร การฝึกฝนนี้ช่วยฉันได้ในการกำหนดเส้นทาง ทำให้ง่ายขึ้นและมีสไตล์มากขึ้น

สิ่งสำคัญคือต้องติดตามกริดเมื่อรองรับส่วนประกอบและเส้นทาง ในกรณีของฉัน ฉันใช้กริดขนาด 25 มม. ตามกฎ IPC ส่วนประกอบต้องมีการแยกระหว่างกัน โดยทั่วไป การแยกนี้ก็เท่ากับ 25 ล้าน

ขั้นตอนที่ 6: การออกแบบ PCB: ขอบและรูยึด

เมื่อมีส่วนประกอบทั้งหมดเข้าที่แล้ว เราสามารถกำหนดขอบเขต PCB โดยใช้เลเยอร์ "20 Dimension" วาดเส้นรอบวงของบอร์ดเพื่อให้แน่ใจว่าส่วนประกอบทั้งหมดอยู่ภายใน

เมื่อพิจารณาเป็นกรณีพิเศษ เป็นมูลค่าการกล่าวขวัญว่าโมดูล Wi-Fi มีเสาอากาศที่รวมอยู่ใน PCB เพื่อหลีกเลี่ยงการลดทอนการรับสัญญาณ ฉันจึงทำการตัดใต้พื้นที่ที่มีเสาอากาศอยู่

ในทางกลับกันเราจะทำงานกับกระแสสลับซึ่งมีความถี่ 50 ถึง 60Hz ขึ้นอยู่กับประเทศที่คุณอยู่ความถี่นี้สามารถสร้างสัญญาณรบกวนในสัญญาณดิจิทัลได้ดังนั้นจึงควรแยกส่วนที่จัดการ กระแสสลับจากส่วนดิจิตอลทำได้โดยการตัดการ์ดใกล้กับบริเวณที่กระแสสลับจะหมุนเวียน ข้อมูลข้างต้นยังช่วยหลีกเลี่ยงการลัดวงจรบน PCB

สุดท้าย รูยึดจะอยู่ที่มุมทั้ง 4 ของ PCB เพื่อที่ว่าหากคุณต้องการวางลงในตู้ การจัดวางจะง่ายและรวดเร็ว

ขั้นตอนที่ 7: การออกแบบ PCB: การกำหนดเส้นทางยอดนิยม

เราเริ่มส่วนที่สนุก นั่นคือ การกำหนดเส้นทาง เพื่อสร้างการเชื่อมต่อระหว่างส่วนประกอบต่างๆ ตามการพิจารณาบางอย่าง เช่น ความกว้างของรางและมุมเลี้ยว โดยทั่วไปแล้ว อันดับแรก ฉันสร้างการเชื่อมต่อที่ไม่ใช่พลังงานและพื้นดิน เนื่องจากอย่างหลังฉันทำด้วยแผน

พื้นขนานและระนาบกำลังไฟฟ้ามีประโยชน์อย่างมากในการลดสัญญาณรบกวนที่แหล่งพลังงานเนื่องจากอิมพีแดนซ์ของประจุไฟฟ้า และควรกระจายไปทั่วบริเวณที่กว้างที่สุดของบอร์ด นอกจากนี้ยังช่วยลดการแผ่รังสีแม่เหล็กไฟฟ้า (EMI)

สำหรับรางรถไฟ เราต้องระวังอย่าให้เกิดการเลี้ยวด้วยมุม 90° ไม่กว้างเกินไปหรือบางเกินไป คุณสามารถค้นหาเครื่องมือที่ช่วยเราคำนวณความกว้างของรางโดยคำนึงถึงอุณหภูมิ กระแสที่จะหมุนเวียน และความหนาแน่นของทองแดงบน PCB ทางออนไลน์ได้ที่ https://www.4pcb.com/trace-width-calculator html

ขั้นตอนที่ 8: การออกแบบ PCB: การกำหนดเส้นทางด้านล่าง

ที่ด้านล่างสุด เราทำการเชื่อมต่อที่ขาดหายไป และในพื้นที่ส่วนเกินที่เราใส่กราวด์และระนาบกำลัง เราจะสังเกตได้ว่ามีการวางจุดแวะหลายอันที่เชื่อมระนาบพื้นของใบหน้าทั้งสอง แนวทางปฏิบัตินี้คือเพื่อหลีกเลี่ยงการวนซ้ำของกราวด์

กราวด์ลูปเป็น 2 จุดที่ในทางทฤษฎีจะต้องมีศักยภาพเท่ากัน แต่จริงๆ แล้วไม่ใช่เพราะความต้านทานของวัสดุนำไฟฟ้า

รางจากหน้าสัมผัสรีเลย์ไปยังเทอร์มินัลก็ถูกเปิดเผยเช่นกัน เพื่อที่จะเสริมด้วยบัดกรีและทนต่อโหลดกระแสไฟที่สูงขึ้นโดยไม่เกิดความร้อนสูงเกินไปและการเผาไหม้

ขั้นตอนที่ 9: ไฟล์ Gerber และการสั่งซื้อ PCBs

ไฟล์ Gerber ถูกใช้โดยอุตสาหกรรมแผงวงจรพิมพ์เพื่อผลิต PCB โดยประกอบด้วยข้อมูลทั้งหมดที่จำเป็นสำหรับการผลิต เช่น ชั้นทองแดง หน้ากากประสาน ซิลค์สกรีน ฯลฯ

การส่งออกไฟล์ Gerber จาก Eagle ทำได้ง่ายมากโดยใช้ตัวเลือก "สร้างข้อมูล CAM" โปรเซสเซอร์ CAM จะสร้างไฟล์.zip ที่มี 10 ไฟล์ที่สอดคล้องกับเลเยอร์ PCB ต่อไปนี้:

1. ทองแดงด้านล่าง
2. ซิลค์สกรีนด้านล่าง
3. วางประสานด้านล่าง
4. ด้านล่าง Soldermask
5. Mill Layer
6. ทองแดงยอดนิยม
7. ซิลค์สกรีนยอดนิยม
8. วางประสานยอดนิยม
9. Soldermask ยอดนิยม
10. ไฟล์เจาะ

ถึงเวลาแล้วที่จะเปลี่ยนไฟล์ Gerber ของเราให้เป็น PCB จริง อัปโหลดไฟล์ Gerber ของฉันใน JLCPCB เพื่อผลิต PCB ของฉัน บริการของพวกเขาค่อนข้างเร็ว ฉันได้รับ PCB ของฉันในเม็กซิโกใน 10 วัน

ขั้นตอนที่ 10: การประกอบ PCB

ตอนนี้เรามี PCB แล้ว เราก็พร้อมสำหรับการประกอบบอร์ดแล้ว สำหรับสิ่งนี้ เราจำเป็นต้องมีสถานีบัดกรี, บัดกรี, ฟลักซ์, แหนบ และเมชเพื่อทำการบัดกรี

เราจะเริ่มต้นด้วยการบัดกรีตัวต้านทานทั้งหมดในตำแหน่งนั้น ๆ เราวางบัดกรีจำนวนเล็กน้อยบนหนึ่งในสองแผ่นเราประสานขั้วของความต้านทานและเราดำเนินการบัดกรีขั้วที่เหลือเราจะทำซ้ำในแต่ละอัน ของตัวต้านทาน

ในทำนองเดียวกัน เราจะใช้ตัวเก็บประจุและไฟ LED ต่อไป เราต้องระวังตัวหลัง เนื่องจากมีเครื่องหมายสีเขียวเล็กๆ ที่ระบุแคโทด

เราจะดำเนินการประสานไดโอด ทรานซิสเตอร์ ตัวควบคุมแรงดันไฟฟ้า และปุ่มกด โดยคำนึงถึงเครื่องหมายขั้วของไดโอดที่แสดงซิลค์สกรีน และควรระมัดระวังในการบัดกรีทรานซิสเตอร์ด้วย การให้ความร้อนมากเกินไปอาจทำให้ทรานซิสเตอร์เสียหายได้

ตอนนี้เราจะวางโมดูล Wi-Fi ก่อนอื่นเราจะประสานหมุดโดยดูแลให้อยู่ในตำแหน่งที่สมบูรณ์แบบ การทำเช่นนี้เราจะบัดกรีหมุดที่เหลือทั้งหมด

ยังคงเป็นเพียงการเชื่อมส่วนประกอบผ่านรูทั้งหมดเท่านั้น ซึ่งเป็นวิธีที่ง่ายที่สุดสำหรับขนาดที่ใหญ่กว่า เพียงตรวจสอบให้แน่ใจว่าได้เชื่อมที่สะอาดและมีลักษณะเป็นมันเงา

เป็นขั้นตอนเพิ่มเติม เราจะเสริมความแข็งแกร่งของรางรีเลย์ที่เปิดอยู่ด้วยดีบุกดังที่ได้กล่าวไว้ก่อนหน้านี้ ซึ่งจะช่วยให้รางสามารถทนต่อกระแสไฟได้มากขึ้นโดยไม่เกิดการเผาไหม้

ขั้นตอนที่ 11: ซอฟต์แวร์

สำหรับการเขียนโปรแกรม ฉันติดตั้งไลบรารี fauxmoesp ของ Arduino ด้วยไลบรารีนี้ คุณสามารถจำลองไฟ Phillips Hue ได้ แม้ว่าคุณจะสามารถควบคุมระดับความสว่างได้ แต่บอร์ดนี้จะทำงานเป็นสวิตช์เปิด/ปิดเท่านั้น

ฉันทิ้งลิงก์ไว้เพื่อให้คุณสามารถดาวน์โหลดและติดตั้งไลบรารี่:

ใช้โค้ดตัวอย่างจากไลบรารีนี้และทำการปรับเปลี่ยนที่จำเป็นสำหรับการทำงานของอุปกรณ์ ฉันปล่อยให้โค้ด Arduino ให้คุณดาวน์โหลดและทดสอบ

ขั้นตอนที่ 12: บทสรุป

เมื่อประกอบและตั้งโปรแกรมอุปกรณ์แล้ว เราจะดำเนินการทดสอบการทำงานของอุปกรณ์ต่อไป เราเพียงแค่วางสายไฟในแผงขั้วต่อด้านบนและเชื่อมต่อกับซ็อกเก็ตที่ให้ 100-240VAC ไฟ LED สีแดง (ON) จะสว่างขึ้น จะมองหาเครือข่ายอินเทอร์เน็ตและจะเชื่อมต่อ

เราเข้าสู่แอปพลิเคชัน Alexa และขอให้คุณค้นหาอุปกรณ์ใหม่ กระบวนการนี้จะใช้เวลาประมาณ 45 วินาที หากทุกอย่างถูกต้อง คุณควรเห็นอุปกรณ์ใหม่ 4 เครื่อง อย่างละเครื่องต่อรีเลย์บนบอร์ด

ตอนนี้เหลือเพียงบอกให้ Alexa เปิดและปิดอุปกรณ์เท่านั้น การทดสอบนี้จะแสดงในวิดีโอ

พร้อม!!! ตอนนี้คุณสามารถเปิดและปิดอุปกรณ์ที่คุณต้องการได้ด้วยผู้ช่วยส่วนตัวของคุณ