Voice Home Control V1.0: 12 trin

2024 Forfatter: John Day | [email protected]. Sidst ændret: 2024-01-30 08:26

For et par måneder siden købte jeg en personlig assistent, specifikt en Echo Dot udstyret med Alexa. Jeg valgte det, fordi jeg opdagede, at jeg på en enkel måde kan tilføje plugins til at styre enheden fra og til som lys, ventilatorer osv. I onlinebutikker så jeg et stort antal enheder, der opfylder denne funktion, og det var da jeg tænkte…. hvorfor ikke lave din egen?

Med denne idé i tankerne begyndte jeg at designe et kort med Wi-Fi-forbindelse og 4 outputrelæer. Nedenfor vil jeg beskrive designet trin for trin fra det skematiske diagram, printkortdesign, programmering og test, der kulminerede i vellykket drift.

FUNKTIONER

1. Wifi netværksforbindelse
2. 100 / 240VAC indgangsspænding
3. 4 udgangsrelæer (maks. 10A)
4. Strømindikator LED
5. 4 LED's strømindikator for relæet
6. Programmering header
7. Genstarts knap

Trin 1: Komponenter og værktøjer

Komponenter

1. 3 modstande 0805 på 1k ohm
2. 5 modstande 0805 på 220 ohm
3. 2 modstande 0805 på 10k ohm
4. 1 modstand 0805 på 4,7k ohm
5. 2 kondensatorer 0805 af 0.1uf
6. 2 kondensatorer 0805 af 10uf
7. 4 dioder ES1B eller lignende af 100v 1A SMA -pakke
8. 1 Spændingsregulator 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 Skift taktil SMD
15. 1 Pin -header med 6 positioner
16. 5 Terminalblok med 2 positioner 5,08 mm afstand
17. 4 relæer på 5VDC

Værktøjer

1. Loddemetal eller cautin på 25-30 Watt
2. Bly loddetin
3. Strøm
4. Pincet
5. Desolderende væge

Trin 2: Strømforsyning og spændingsregulator

Til drift af kredsløbet kræves 2 spændinger, en på 3,3 VDC til styringsdelen, og en anden på 5 VDC til effektsektionen, da tanken er, at tavlen har alt, hvad der er nødvendigt for drift, skal du bruge En koblet kilde, der direkte forsyner 5v og er drevet af netspænding er afgørende, dette sparer os for at have brug for en ekstern strømadapter, og vi behøver kun at tilføje en 3.3v lineær regulator (LDO).

Med ovenstående i tankerne valgte jeg som kilde Hi-Link HLK-PM01, som har en indgangsspænding på 100-240VAC ved 0,1A og output på 5VDC ved 0,6A, efterfulgt af dette, placerede jeg den meget udbredte AMS1117-3.3 regulator allerede, hvilket er meget almindeligt og derfor let tilgængeligt.

Ved at se databladet for AMS1117 finder du værdierne for input- og outputkondensatorerne, disse er 0.1uf og 10uf for input og en anden lige sektion for output. Til sidst placerede jeg en strømindikator LED med dens respektive begrænsende modstand, som let beregnes ved hjælp af ohmens lov:

R = 5V-Vled / Iled

R = 5 - 2 / 0,015 = 200

Strømmen på 15mA i LED'en er, så den ikke skinner så stærkt og forlænger sin levetid.

Trin 3: Kontroller Seccion

Til dette afsnit valgte jeg et ESP-12-E Wi-Fi-modul, fordi det er lille, billigt og meget enkelt at bruge med Arduino IDE. Da modulet har alt, hvad der er nødvendigt for dets drift, er den eksterne hardware, der er nødvendig for, at ESP'en fungerer, minimal.

Noget at huske på er, at nogle GPIO i modulet ikke anbefales at bruge, og andre har specifikke funktioner. Dernæst vil jeg vise en tabel om stifterne, og hvilke funktioner de opfylder:

GPIO --------- Input ---------------- Output ---------------------- --- Noter

GPIO16 ------ ingen afbrydelse ------ ingen PWM- eller I2C-understøttelse --- Høj ved støvle bruges til at vågne op fra dyb søvn

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

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

GPIO0 ------- trukket op ---------- OK --------------- Lav til FLASH-tilstand, boot mislykkes, hvis den trækkes lav

GPIO2 ------- trukket op ---------- OK --------------- boot mislykkes, hvis den trækkes lavt

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

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

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

GPIO15 ----- trukket til GND ---- OK --------------- SPI (CS) Boot mislykkes, hvis den trækkes High

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

GPIO1 ------- TX pin -------------- OK --------------- Høj ved boot, boot mislykkes hvis den trækkes lavt

ADC0 -------- Analog indgang ----- X

Ovenstående oplysninger blev fundet på følgende link:

Baseret på ovenstående data valgte jeg ben 5, 4, 12 og 14 som de digitale udgange, der aktiverer hvert af relæerne, disse er de mest stabile og sikre til aktivering.

Endelig tilføjede jeg, hvad der er nødvendigt til programmering, en nulstillingsknap på den pin, en modstand tilsluttet strøm til aktiveringsstiften, en modstand mod jord på GPIO15, en header, der bruges til at forbinde en FTDI til TX, RX -benene og jordede GPIO0 for at sætte modulet i Flash -tilstand.

Trin 4: Power Seccion

Dette afsnit tager sig af brug af output 3.3VDC'er på GPIO -portene til at aktivere et relæ. Relæerne har brug for mere strøm end den, der leveres af en ESP -pin, så en transistor er påkrævet for at aktivere den, i dette tilfælde bruger vi MMBT2222A.

Vi skal tage højde for den strøm, der vil passere gennem kollektoren (Ic), med disse data kan vi beregne den modstand, der vil blive placeret ved transistorens bund. I dette tilfælde vil Ic være summen af den strøm, der passerer gennem relæspolen og LED'ens strøm, der angiver tændingen:

Ic = Irelay + Iled

Ic = 75mA + 15mA = 90mA

Da vi har den nuværende Ic, kan vi beregne transistorens (Rb) basismodstand, men vi har brug for et ekstra datapar, transistorens forstærkning (hFE), som i tilfælde af MMBT2222A har en værdi på 40 (forstærkningen er dimensionsløs, derfor har den ikke måleenheder) og barrierepotentialet (VL), der i siliciumtransistorer har en værdi på 0,7v. Med ovenstående kan vi fortsætte med at beregne Rb med følgende formel:

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

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

Baseret på ovenstående beregning valgte jeg en modstand på 1kohm.

Endelig blev en diode placeret parallelt med relæspolen med katoden vendt mod Vcc. ES1B -dioden forhindrer omvendt FEM (FEM eller Reverse Electromotive Force er den spænding, der opstår, når strømmen gennem en spole varierer)

Trin 5: PCB -design: Skematisk og komponentorganisation

Til udarbejdelsen af skematikken og kortet brugte jeg Eagle -softwaren.

Det begynder med at lave en skematisk oversigt over printkortet, det skal fange hver tidligere forklarede del af kredsløbet, det begynder med at placere symbolet for hver komponent, der integrerer det, derefter foretages forbindelserne mellem hver komponent, man skal passe på ikke at forbinde fejlagtigt vil denne fejl afspejles i kredsløbets design og forårsage en funktionsfejl. Endelig vil værdierne for hver komponent blive angivet i henhold til, hvad der blev beregnet i de foregående trin.

Nu kan vi fortsætte med design af kortet, den første ting vi skal gøre er at organisere komponenterne, så de optager mindst mulig plads, dette vil reducere produktionsomkostningerne. Personligt kan jeg godt lide at organisere komponenterne på en sådan måde, at et symmetrisk design er værdsat, denne praksis hjælper mig, når du router, gør det lettere og mere stilfuldt.

Det er vigtigt at følge et gitter, når komponenterne og ruten tilpasses, i mit tilfælde brugte jeg et 25mil gitter, efter IPC -regel, skal komponenterne have en adskillelse mellem dem, generelt er denne adskillelse også 25mil.

Trin 6: PCB -design: Kanter og monteringshuller

Når vi har alle komponenterne på plads, kan vi afgrænse printkortet ved hjælp af "20 Dimension" -laget, tegnes bordets omkreds og sikrer, at alle komponenterne er inde i det.

Som særlige overvejelser er det værd at nævne, at Wi-Fi-modulet har en antenne integreret i printkortet, for at undgå at dæmpe modtagelsen af signalet lavede jeg et snit lige under det område, hvor antennen er placeret.

På den anden side skal vi arbejde med vekselstrøm, dette har en frekvens på 50 til 60Hz afhængigt af det land, du befinder dig i, denne frekvens kan generere støj i digitale signaler, så det er godt at isolere de sektioner, der håndterer vekselstrøm fra den digitale del, gøres dette ved at lave nedskæringer i kortet nær de områder, gennem hvilke vekselstrømmen vil cirkulere. Ovenstående hjælper også med at undgå kortslutning på printkortet.

Endelig placeres monteringshuller i printets 4 hjørner, så placeringen er let og hurtig, hvis du vil placere den i et skab.

Trin 7: PCB Design: Top Routing

Vi begynder den sjove del, routing, er at lave forbindelser mellem komponenter efter visse overvejelser såsom sporbredde og drejevinkler. Generelt laver jeg først forbindelserne, der ikke er strøm og jord, da sidstnævnte laver jeg med planer.

Parallelle jord- og strømplaner er yderst nyttige til at dæmpe støj ved strømkilden på grund af dens kapacitive impedans og bør spredes over det bredest mulige område af tavlen. De hjælper os også med at reducere elektromagnetisk stråling (EMI).

For sporene skal vi passe på ikke at generere drejninger med 90 ° vinkler, hverken for brede eller for tynde. Online kan du finde værktøjer, der hjælper os med at beregne bredden på sporene under hensyntagen til temperaturen, den strøm, der vil cirkulere og densiteten af kobber på printkortet: https://www.4pcb.com/trace-width-calculator. html

Trin 8: PCB Design: Bottom Routing

På bundfladen laver vi de manglende forbindelser, og i det overskydende rum sætter vi jord- og strømplan, vi kan bemærke, at der blev placeret flere vias, der forbinder jordplanerne på begge ansigter, denne praksis er at undgå jordsløjfer.

Jordsløjfer er 2 punkter, der teoretisk set skulle være det samme potentiale, men de er virkelig ikke på grund af det ledende materiales modstand.

Sporene fra relækontakterne til terminalerne blev også udsat for at blive forstærket med loddetin og modstå en højere strømbelastning uden overophedning og afbrænding.

Trin 9: Gerber -filer og bestilling af printkort

Gerber -filer bruges af printpladeindustrien til fremstilling af printkort, de indeholder alle de nødvendige oplysninger til deres fremstilling, såsom kobberlag, loddemaske, silketryk osv.

Eksport af Gerber -filer fra Eagle er meget enkelt ved hjælp af "Generer CAM -data", CAM -processoren genererer en.zip -fil, der indeholder 10 filer, der svarer til følgende PCB -lag:

1. Bundkobber
2. Nederste silketryk
3. Bundlodningsmasse
4. Bundlodemask
5. Møllag
6. Top kobber
7. Top silketryk
8. Top loddemasse
9. Top loddemaske
10. Borefil

Nu er det tid til at gøre vores Gerber -filer til en ægte PCB. Upload mine Gerber -filer i JLCPCB for at fremstille mit printkort. Deres service er ret hurtig. Jeg modtog mit printkort i Mexico på 10 dage.

Trin 10: Samling af printkortet

Nu hvor vi har PCB'erne, er vi klar til montering af brættet, til dette har vi brug for loddemetal, lodde, flux, pincet og mesh til at aflodde.

Vi starter med at lodde alle modstande på deres respektive steder, vi placerer en lille mængde loddemetal på en af de to puder, vi lodder modstandsterminalen, og vi fortsætter med at lodde den resterende terminal, vi gentager dette i hver enkelt af modstandene.

På samme måde vil vi fortsætte med kondensatorerne og lysdioderne, vi skal være forsigtige med sidstnævnte, da de har et lille grønt mærke, der angiver katoden.

Vi fortsætter med at lodde dioder, transistorer, spændingsregulator og trykknap. Det respekterer diodernes polaritetsmærker, at det viser silketryk, også være forsigtig, når du lodder transistorer, opvarmning af dem for meget kan skade dem.

Nu placerer vi Wi-Fi-modulet, først lodder vi en nål og passer på, at den er perfekt justeret, for at opnå dette vil vi lodde alle de resterende stifter.

Det er kun tilbage at svejse alle Through-Hole-komponenterne, de er de enkleste for at være af en større størrelse, bare sørg for at lave en ren svejsning, der har et skinnende udseende.

Som et yderligere trin vil vi styrke relæernes eksponerede spor med tin, som jeg nævnte før, dette vil hjælpe banen til at modstå mere strøm uden at brænde.

Trin 11: Software

Til programmering installerede jeg Arduino fauxmoesp -biblioteket, med dette bibliotek kan du efterligne Phillips Hue -lys, selvom du også kan styre lysstyrkeniveauet, fungerer dette kort kun som en tænd / sluk -kontakt.

Jeg efterlader dig linket, så du kan downloade og installere biblioteket:

Brug en eksempelkode fra dette bibliotek og foretag de nødvendige ændringer til driften af enheden, jeg lader Arduino -koden stå til dig for at downloade og teste.

Trin 12: Konklusion

Når enheden er samlet og programmeret, fortsætter vi med at teste dens funktionalitet, vi behøver kun at placere et strømkabel i det øverste klemkort og tilslutte det til en stikkontakt, der giver 100-240VAC, den røde LED (ON) lyser, vil kigge efter netværket af internet og vil oprette forbindelse.

vi går ind i vores Alexa -applikation og beder dig om at søge efter nye enheder, denne proces vil tage omkring 45 sekunder. Hvis alt er korrekt, skal du se 4 nye enheder, en for hvert relæ på tavlen.

Nu er det kun tilbage at fortælle Alexa at tænde og slukke for enhederne, denne test vises i videoen.

Parat!!! Nu kan du tænde og slukke med din personlige assistent den enhed, du ønsker.