Voice Home Control V1.0: 12 trinn

2024 Forfatter: John Day | [email protected]. Sist endret: 2024-01-30 11:21

For noen måneder siden kjøpte jeg en personlig assistent, nærmere bestemt en Echo Dot utstyrt med Alexa. Jeg valgte det fordi jeg oppdaget at på en enkel måte kan jeg legge til plugins for å kontrollere enheten av og på som lys, vifter, etc. I nettbutikker så jeg et stort antall enheter som oppfyller denne funksjonen, og det var da jeg tenkte…. hvorfor ikke lage din egen?

Med denne ideen i tankene begynte jeg å designe et kort med Wi-Fi-tilkobling og 4 utgangsreléer. Nedenfor vil jeg beskrive designet trinn for trinn fra det skjematiske diagrammet, PCB -design, programmering og testing som kulminerte i vellykket drift.

FUNKSJONER

1. Wifi nettverkstilkobling
2. 100 / 240VAC inngangsspenning
3. 4 utgangsreléer (maks 10A)
4. Strømindikator LED
5. 4 LED -indikatorer for reléet
6. Programmering header
7. Nullstillknapp

Trinn 1: Komponenter og verktøy

Komponenter

1. 3 motstander 0805 på 1k ohm
2. 5 motstander 0805 på 220 ohm
3. 2 motstander 0805 på 10k ohm
4. 1 motstand 0805 på 4,7 k ohm
5. 2 kondensatorer 0805 av 0.1uf
6. 2 kondensatorer 0805 av 10uf
7. 4 dioder ES1B eller lignende av 100v 1A SMA -pakke
8. 1 Spenningsregulator AMS1117-3.3
9. 4 grønne lysdioder 0805
10. 1 rød LED 0805
11. 4 Transistorer NPN MMBT2222A eller lignende SOT23 -pakke
12. 1 ESP 12-E Wi-Fi-modul
13. 1 Strømforsyning HLK-PM01
14. 1 Bytt taktil SMD
15. 1 Pin header på 6 posisjoner
16. 5 rekkeklemme med 2 posisjoner 5,08 mm avstand
17. 4 reléer på 5VDC

Verktøy

1. Loddestasjon eller cautin på 25-30 watt
2. Bly loddetinn
3. Flux
4. Pinsett
5. Desoldering wick

Trinn 2: Strømforsyning og spenningsregulator

For drift av kretsen kreves 2 spenninger, en på 3,3 VDC for kontrolldelen, og en annen på 5 VDC for effektseksjonen, ettersom tanken er at kortet har alt som er nødvendig for drift, bruk En koblet kilde som leverer direkte 5v og er drevet av nettspenning er avgjørende, dette sparer oss for å trenge en ekstern strømadapter, og vi trenger bare å legge til en 3.3v lineær regulator (LDO).

Med det ovennevnte i tankene, valgte jeg som kilde Hi-Link HLK-PM01 som har en inngangsspenning på 100-240VAC ved 0.1A og utgang på 5VDC ved 0.6A, etterfulgt av dette, plasserte jeg den mye brukte AMS1117-3.3 regulator som allerede er veldig vanlig og derfor lett tilgjengelig.

Ved å se databladet til AMS1117 finner du verdiene for inngangs- og utgangskondensatorene, disse er 0.1uf og 10uf for inngangen og en annen lik seksjon for utgangen. Til slutt plasserte jeg en strømindikator -LED med sin respektive begrensningsmotstand, som enkelt kan beregnes ved bruk av ohmens lov:

R = 5V-Vled / Iled

R = 5 - 2 / 0,015 = 200

Strømmen på 15mA i ledningen er slik at den ikke skinner så sterkt og forlenger levetiden.

Trinn 3: Kontroller Seccion

For denne delen valgte jeg en ESP-12-E Wi-Fi-modul fordi den er liten, billig og veldig enkel å bruke med Arduino IDE. Siden modulen har alt som er nødvendig for driften, er den eksterne maskinvaren som er nødvendig for at ESP skal fungere minimal.

Noe å huske på er at noen GPIO i modulen ikke anbefales å bruke, og andre har spesifikke funksjoner. Deretter viser jeg en tabell om pinnene og hvilke funksjoner de oppfyller:

GPIO --------- Inngang ---------------- Utgang ---------------------- --- Notater

GPIO16 ------ no interrupt ------ no PWM or I2C support --- High at boot used to wake up from deep sleep

GPIO5 ------- OK ------------------- OK --------------- ofte brukt som SCL (I2C)

GPIO4 ------- OK ------------------- OK --------------- ofte brukt som SDA (I2C)

GPIO0 ------- trukket opp ---------- OK --------------- Lav til FLASH-modus, oppstart mislykkes hvis den trekkes lav

GPIO2 ------- trukket opp ---------- OK --------------- oppstart mislykkes hvis den trekkes lavt

GPIO14 ----- OK ------------------- OK --------------- SPI (SCLK)

GPIO12 ----- OK ------------------- OK --------------- SPI (MISO)

GPIO13 ----- OK ------------------- OK --------------- SPI (MOSI)

GPIO15 ----- trukket til GND ---- OK --------------- SPI (CS) Oppstart mislykkes hvis den trekkes høy

GPIO3 ------- OK ------------------- RX pin ---------- High at boot

GPIO1 ------- TX-pinne -------------- OK --------------- Høy ved oppstart, støvelen mislykkes hvis den trekkes lavt

ADC0 -------- Analog inngang ----- X

Informasjonen ovenfor ble funnet på følgende lenke:

Basert på dataene ovenfor, valgte jeg pinne 5, 4, 12 og 14 som de digitale utgangene som vil aktivere hver av reléene, disse er de mest stabile og trygge for aktivering.

Til slutt la jeg til det som er nødvendig for programmering, en tilbakestillingsknapp på den pinnen, en motstand koblet til strømmen på aktiveringsnålen, en motstand mot bakken på GPIO15, en topptekst som brukes til å koble en FTDI til TX, RX -pinnene og jordet GPIO0 for å sette modulen i Flash -modus.

Trinn 4: Power Seccion

Denne delen tar seg av bruk av 3.3VDC -utgangene på GPIO -portene for å aktivere et relé. Reléene trenger mer strøm enn den som leveres av en ESP -pinne, så en transistor er nødvendig for å aktivere den, i dette tilfellet bruker vi MMBT2222A.

Vi må ta hensyn til strømmen som vil passere gjennom kollektoren (Ic), med disse dataene kan vi beregne motstanden som vil bli plassert ved basen av transistoren. I dette tilfellet skal Ic være summen av strømmen som passerer gjennom reléspolen og strømmen til LED -en som indikerer tenningen:

Ic = Irelay + Iled

Ic = 75mA + 15mA = 90mA

Siden vi har den nåværende Ic kan vi beregne transistorens (Rb) grunnmotstand, men vi trenger et ekstra datapar, forsterkningen til transistoren (hFE), som i tilfelle MMBT2222A har en verdi på 40 (forsterkningen er dimensjonsløs, derfor har den ikke måleenheter) og barrierepotensialet (VL) som i silisiumtransistorer har en verdi på 0,7v. Med det ovennevnte kan vi fortsette å beregne Rb med følgende formel:

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

Rb = [(3,3 - 0,7) (40)] / 0,09 = 1155,55 ohm

Basert på beregningen ovenfor valgte jeg en motstand på 1kohm.

Til slutt ble en diode plassert parallelt med reléspolen med katoden vendt mot Vcc. ES1B -dioden forhindrer revers FEM (FEM, eller Reverse Electromotive Force er spenningen som oppstår når strømmen gjennom en spole varierer)

Trinn 5: PCB -design: skjematisk og komponentorganisasjon

For utarbeidelse av skjemaet og kortet brukte jeg Eagle -programvaren.

Den begynner med å lage en skjematisk oversikt over kretskortet, den må fange hver tidligere forklarte del av kretsen, den begynner med å plassere symbolet for hver komponent som integrerer den, deretter opprettes forbindelsene mellom hver komponent, det må tas hensyn til ikke å koble til feilaktig vil denne feilen gjenspeiles i kretsdesignet som forårsaker en feil. Til slutt vil verdiene til hver komponent bli indikert i henhold til det som ble beregnet i de foregående trinnene.

Nå kan vi fortsette med utformingen av kortet, det første vi må gjøre er å organisere komponentene slik at de tar minst mulig plass, dette vil redusere produksjonskostnadene. Personlig liker jeg å organisere komponentene på en slik måte at en symmetrisk design blir verdsatt, denne praksisen hjelper meg når du ruter, gjør det enklere og mer stilig.

Det er viktig å følge et rutenett når du tar imot komponentene og ruten, i mitt tilfelle brukte jeg et 25mil rutenett, etter IPC -regel, må komponentene ha et skille mellom dem, vanligvis er denne separasjonen også 25mil.

Trinn 6: PCB -design: Kanter og monteringshull

Når vi har alle komponentene på plass, kan vi avgrense PCB -en ved hjelp av "20 Dimension" -laget, periferien av brettet er tegnet, slik at alle komponentene er inne i det.

Som spesielle hensyn er det verdt å nevne at Wi-Fi-modulen har en antenne integrert i kretskortet, for å unngå å dempe mottaket av signalet, gjorde jeg et kutt like under området der antennen er plassert.

På den annen side skal vi jobbe med vekselstrøm, denne har en frekvens på 50 til 60Hz avhengig av landet du befinner deg i. Denne frekvensen kan generere støy i digitale signaler, så det er godt å isolere seksjonene som håndterer vekselstrøm fra den digitale delen, gjøres dette ved å gjøre kutt i kortet nær områdene som vekselstrømmen vil sirkulere gjennom. Ovennevnte hjelper også til med å unngå kortslutning på kretskortet.

Til slutt plasseres monteringshull i de fire hjørnene på kretskortet slik at plasseringen er enkel og rask hvis du vil plassere den i et skap.

Trinn 7: PCB -design: Topp ruting

Vi begynner den morsomme delen, ruting, er å lage forbindelser mellom komponenter etter visse hensyn som sporbredde og svingvinkler. Generelt gjør jeg først forbindelsene som ikke er strøm og jord, siden sistnevnte gjør jeg med planer.

Parallelle bakke- og kraftplan er ekstremt nyttige for å dempe støy fra strømkilden på grunn av dens kapasitive impedans og bør spres over det bredest mulige området på brettet. De hjelper oss også med å redusere elektromagnetisk stråling (EMI).

For sporene må vi være forsiktige med å generere svinger med 90 ° vinkler, verken for brede eller for tynne. På nettet kan du finne verktøy som hjelper oss med å beregne bredden på sporene med tanke på temperaturen, strømmen som vil sirkulere og tettheten av kobber på PCB: https://www.4pcb.com/trace-width-calculator. html

Trinn 8: PCB Design: Bottom Routing

På bunnflaten gjør vi de manglende forbindelsene, og i overflødig plass setter vi bakken og kraftplanene, vi kan legge merke til at det ble plassert flere vias som kobler bakkenes fly til begge ansikter, denne praksisen er å unngå jordsløyfer.

Jordsløyfer er to punkter som teoretisk sett må være det samme potensialet, men de er det egentlig ikke på grunn av motstanden til det ledende materialet.

Sporene fra relékontaktene til terminalene ble også avslørt for å forsterkes med loddetinn og tåle en høyere strømbelastning uten overoppheting og brenning.

Trinn 9: Gerber -filer og bestilling av PCB -er

Gerber -filer brukes av kretskortindustrien til å produsere PCB, de inneholder all informasjon som er nødvendig for produksjonen, for eksempel kobberlag, loddemaske, silketrykk, etc.

Eksport av Gerber -filer fra Eagle er veldig enkelt ved å bruke alternativet "Generer CAM -data", CAM -prosessoren genererer en.zip -fil som inneholder 10 filer som tilsvarer følgende PCB -lag:

1. Bunn kobber
2. Nederste silketrykk
3. Bunnloddepasta
4. Bunnlodemaske
5. Kvernlag
6. Topp kobber
7. Topp silketrykk
8. Topp loddemasse
9. Topp loddemaske
10. Drill File

Nå er det på tide å gjøre Gerber -filene våre til en ekte PCB. Last opp Gerber -filene mine i JLCPCB for å produsere min PCB. Tjenesten deres er ganske rask. Jeg mottok min PCB i Mexico på 10 dager.

Trinn 10: Montering av kretskortet

Nå som vi har PCB -er, er vi klare for montering av brettet, for dette trenger vi loddestasjonen, loddetinn, fluss, pinsett og mesh for å avlodde.

Vi starter med å lodde alle motstandene på sine respektive steder, vi legger en liten mengde loddetinn på en av de to putene, vi lodder terminalen til motstanden og vi fortsetter med lodding av den gjenværende terminalen, vi vil gjenta dette i hver enkelt av motstandene.

På samme måte vil vi fortsette med kondensatorene og lysdiodene, vi må være forsiktige med sistnevnte siden de har et lite grønt merke som indikerer katoden.

Vi fortsetter med lodding av dioder, transistorer, spenningsregulator og trykknapp. Det respekterer polaritetsmerkene til dioder at det viser silketrykk, vær også forsiktig når du lodder transistorer, oppvarming av dem for mye kan skade dem.

Nå skal vi plassere Wi-Fi-modulen, først skal vi lodde en pinne og passe på at den er perfekt justert, for å oppnå dette, vil vi lodde alle de resterende pinnene.

Det gjenstår bare å sveise alle gjennomgående hullkomponenter, de er de enkleste for å være av større størrelse, bare sørg for å lage en ren sveis som har et skinnende utseende.

Som et ekstra trinn vil vi styrke de eksponerte sporene på reléene med tinn, som jeg nevnte før, dette vil hjelpe banen til å tåle mer strøm uten å brenne.

Trinn 11: Programvare

For programmering installerte jeg Arduino fauxmoesp -biblioteket, med dette biblioteket kan du etterligne Phillips Hue -lys, selv om du også kan kontrollere lysstyrkenivået, vil dette kortet bare fungere som en av / på -bryter.

Jeg lar deg lenken slik at du kan laste ned og installere biblioteket:

Bruk en eksempelkode fra dette biblioteket og gjør de nødvendige endringene for driften av enheten. Jeg lar Arduino -koden ligge for deg å laste ned og teste.

Trinn 12: Konklusjon

Når enheten er montert og programmert, fortsetter vi med å teste funksjonaliteten, vi trenger bare å plassere en strømkabel i det øvre terminalbordet og koble den til en stikkontakt som gir 100-240VAC, den røde lysdioden (ON) lyser, vil se etter nettverket av internett og vil koble til.

vi går inn i vår Alexa -applikasjon og ber deg om å søke etter nye enheter, denne prosessen vil ta rundt 45 sekunder. Hvis alt er riktig, bør du se 4 nye enheter, en for hvert relé på brettet.

Nå gjenstår det bare å be Alexa om å slå enhetene på og av, denne testen vises i videoen.

Klar!!! Nå kan du slå den på og av med din personlige assistent enheten du ønsker.