Voice Home Control V1.0: 12 steg

2024 Författare: John Day | [email protected]. Senast ändrad: 2024-01-30 12:39

För några månader sedan skaffade jag mig en personlig assistent, närmare bestämt en Echo Dot utrustad med Alexa. Jag valde det för att jag upptäckte att på ett enkelt sätt kan jag lägga till plugins för att styra och släcka enheten som lampor, fläktar etc. I nätbutiker såg jag ett stort antal enheter som uppfyller denna funktion, och det var då jag tänkte …. varför inte göra din egen?

Med denna tanke i åtanke började jag designa ett kort med Wi-Fi-anslutning och 4 utgångsreläer. Nedan kommer jag att beskriva designen steg för steg från det schematiska diagrammet, PCB -design, programmering och testning som kulminerar i framgångsrik drift.

FUNKTIONER

1. Wifi -nätverksanslutning
2. 100 / 240VAC ingångsspänning
3. 4 utgångsreläer (max 10A)
4. Strömindikator LED
5. 4 LED: s strömindikator för reläet
6. Programmeringsrubrik
7. Återställningsknapp

Steg 1: Komponenter och verktyg

Komponenter

1. 3 motstånd 0805 på 1k ohm
2. 5 motstånd 0805 på 220 ohm
3. 2 motstånd 0805 på 10k ohm
4. 1 motstånd 0805 på 4,7 k ohm
5. 2 kondensatorer 0805 av 0.1uf
6. 2 kondensatorer 0805 av 10uf
7. 4 dioder ES1B eller liknande av 100v 1A SMA -paket
8. 1 Spänningsregulator AMS1117-3.3
9. 4 gröna lysdioder 0805
10. 1 Röd LED 0805
11. 4 Transistorer NPN MMBT2222A eller liknande SOT23 -paket
12. 1 ESP 12-E Wi-Fi-modul
13. 1 Strömförsörjning HLK-PM01
14. 1 Växla taktil SMD
15. 1 Pin -header med 6 positioner
16. 5 Kopplingsblock med 2 positioner 5,08 mm delning
17. 4 reläer på 5VDC

Verktyg

1. Lödstation eller cautin på 25-30 Watt
2. Blylödning
3. Flöde
4. Pincett
5. Avlödande veke

Steg 2: Strömförsörjning och spänningsregulator

För drift av kretsen krävs 2 spänningar, en på 3,3 VDC för styrsektionen och en annan på 5 VDC för kraftdelen, eftersom tanken är att kortet har allt som behövs för drift, använd En omkopplad källa som direkt levererar 5v och drivs av nätspänning är viktigt, detta sparar oss från att behöva en extern nätadapter och vi behöver bara lägga till en 3.3v linjär regulator (LDO).

Med ovanstående i åtanke valde jag som källa Hi-Link HLK-PM01 som har en ingångsspänning på 100-240VAC vid 0,1A och utgång på 5VDC vid 0,6A, följt av detta, placerade jag den allmänt använda AMS1117-3.3 regulator som redan är mycket vanlig och därför lättillgänglig.

I databladet för AMS1117 hittar du värdena för ingångs- och utgångskondensatorerna, dessa är 0,1uf och 10uf för ingången och en annan lika sektion för utgången. Slutligen placerade jag en effektindikator -LED med dess respektive begränsningsmotstånd, som enkelt kan beräknas med hjälp av ohmens lag:

R = 5V-Vled / Iled

R = 5 - 2 / 0,015 = 200

Strömmen på 15mA i lysdioden är så att den inte lyser så starkt och förlänger livslängden.

Steg 3: Kontrollera Seccion

För detta avsnitt valde jag en ESP-12-E Wi-Fi-modul eftersom den är liten, billig och mycket enkel att använda med Arduino IDE. Eftersom modulen har allt som är nödvändigt för dess drift är den externa hårdvaran som är nödvändig för att ESP ska fungera minimal.

Något att tänka på är att vissa GPIO i modulen inte rekommenderas att använda och andra har specifika funktioner. Därefter visar jag en tabell om stiften och vilka funktioner de uppfyller:

GPIO --------- Ingång ---------------- Utgång ---------------------- --- Anteckningar

GPIO16 ------ inget avbrott ------ inget PWM- eller I2C-stöd --- Hög vid start används för att vakna från djup sömn

GPIO5 ------- OK ------------------- OK --------------- används ofta som SCL (I2C)

GPIO4 ------- OK ------------------- OK --------------- används ofta som SDA (I2C)

GPIO0 ------- drog upp ---------- OK --------------- Lågt till FLASH-läge, uppstart misslyckas om den dras Låg

GPIO2 ------- drog upp ---------- OK --------------- start misslyckas om den dras låg

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

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

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

GPIO15 ----- drog till GND ---- OK --------------- SPI (CS) Start misslyckas om den dras hög

GPIO3 ------- OK ------------------- RX-stift ---------- Hög vid start

GPIO1 ------- TX-stift -------------- OK --------------- Hög vid start, stöveln misslyckas om den dras lågt

ADC0 -------- Analog ingång ----- X

Ovanstående information hittades på följande länk:

Baserat på ovanstående data valde jag stiften 5, 4, 12 och 14 som de digitala utgångarna som aktiverar var och en av reläerna, dessa är de mest stabila och säkra för aktivering.

Slutligen lade jag till det som är nödvändigt för programmering, en återställningsknapp på den stiftet, ett motstånd anslutet till strömmen på aktiveringsstiftet, ett motstånd mot jord på GPIO15, en rubrik som används för att ansluta en FTDI till TX, RX -stiften och jorda GPIO0 för att sätta modulen i Flash -läge.

Steg 4: Power Seccion

Det här avsnittet tar hand om att använda 3.3VDC -utgångarna på GPIO -portarna för att aktivera ett relä. Reläerna behöver mer effekt än den som tillhandahålls av en ESP -stift, så en transistor krävs för att aktivera den, i det här fallet använder vi MMBT2222A.

Vi måste ta hänsyn till strömmen som kommer att passera genom kollektorn (Ic), med dessa data kan vi beräkna motståndet som kommer att placeras vid basen av transistorn. I detta fall kommer Ic att vara summan av strömmen som passerar genom reläspolen och strömmen till lysdioden som indikerar tändningen:

Ic = Irelay + Iled

Ic = 75mA + 15mA = 90mA

Eftersom vi har ström Ic kan vi beräkna basmotståndet för transistorn (Rb) men vi behöver ett extra datapar, transistorns förstärkning (hFE), som i fallet med MMBT2222A har ett värde på 40 (förstärkningen är dimensionslös, därför har den inte måttenheter) och barriärpotentialen (VL) som i kiseltransistorer har ett värde på 0,7v. Med ovanstående kan vi fortsätta beräkna Rb med följande formel:

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

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

Baserat på beräkningen ovan valde jag ett motstånd på 1kohm.

Slutligen placerades en diod parallellt med reläspolen med katoden vänd mot Vcc. ES1B -dioden förhindrar omvänd FEM (FEM eller Reverse Electromotive Force är spänningen som uppstår när strömmen genom en spole varierar)

Steg 5: PCB -design: Schematisk och komponentorganisation

För utarbetandet av schemat och kortet använde jag Eagle -programvaran.

Det börjar med att göra schemat över kretskortet, det måste fånga varje tidigare förklarad del av kretsen, det börjar med att placera symbolen för varje komponent som integrerar den, sedan görs anslutningarna mellan varje komponent, var försiktig så att inte ansluta felaktigt kommer detta fel att återspeglas i kretsdesignen som orsakar ett fel. Slutligen kommer värdena för varje komponent att anges enligt vad som beräknades i föregående steg.

Nu kan vi fortsätta med designen av kortet, det första vi måste göra är att organisera komponenterna så att de upptar minsta möjliga plats, detta kommer att minska tillverkningskostnaden. Personligen gillar jag att organisera komponenterna på ett sådant sätt att en symmetrisk design uppskattas, denna praxis hjälper mig vid routning, gör det enklare och snyggare.

Det är viktigt att följa ett rutnät när komponenterna och rutten ryms, i mitt fall använde jag ett 25mil -nät, enligt IPC -regeln måste komponenterna ha en separation mellan dem, vanligtvis är denna separation också 25mil.

Steg 6: PCB -design: Kanter och monteringshål

När vi har alla komponenter på plats kan vi avgränsa kretskortet med hjälp av lagret "20 dimension", kortets omkrets ritas och säkerställa att alla komponenter är inuti den.

Som speciella överväganden är det värt att nämna att Wi-Fi-modulen har en antenn integrerad i kretskortet.

Å andra sidan ska vi arbeta med växelström, detta har en frekvens på 50 till 60Hz beroende på i vilket land du befinner dig, denna frekvens kan generera brus i digitala signaler, så det är bra att isolera sektionerna som hanterar växelström från den digitala delen, görs detta genom att göra nedskärningar i kortet nära de områden genom vilka växelströmmen kommer att cirkulera. Ovanstående hjälper också till att undvika kortslutning på kretskortet.

Slutligen placeras monteringshål i de fyra hörnen på kretskortet så att placeringen är enkel och snabb om du vill placera den i ett skåp.

Steg 7: PCB Design: Top Routing

Vi börjar den roliga delen, routing, är att göra anslutningarna mellan komponenter efter vissa överväganden som spårvidd och vridvinklar. Generellt gör jag först de anslutningar som inte är ström och jord, eftersom det senare jag gör med planer.

Parallella mark- och kraftplan är extremt användbara för att dämpa buller vid strömkällan på grund av dess kapacitiva impedans och bör spridas över det största möjliga området på kortet. De hjälper oss också att minska elektromagnetisk strålning (EMI).

För spåren måste vi vara försiktiga så att vi inte genererar svängar med 90 ° -vinklar, varken för breda eller för tunna. Online kan du hitta verktyg som hjälper oss att beräkna bredden på spåren med hänsyn till temperaturen, strömmen som kommer att cirkulera och koppartätheten på kretskortet: https://www.4pcb.com/trace-width-calculator. html

Steg 8: PCB Design: Bottom Routing

På bottenytan gör vi de saknade anslutningarna och i överskott av utrymme sätter vi mark- och kraftplan, vi kan märka att flera vias placerades som förbinder markplanen på båda ansikten, denna praxis är att undvika marköglor.

Jordslingor är två punkter som teoretiskt sett måste ha samma potential men de är verkligen inte på grund av det ledande materialets motstånd.

Spåren från reläkontakterna till terminalerna avslöjades också för att förstärkas med lödning och motstå en högre strömbelastning utan överhettning och bränning.

Steg 9: Gerber -filer och beställning av kretskort

Gerber -filer används av kretskortsindustrin för att tillverka kretskort, de innehåller all information som behövs för deras tillverkning, såsom kopparlager, lödmask, silkscreen, etc.

Att exportera Gerber -filer från Eagle är mycket enkelt med alternativet "Generera CAM -data", CAM -processorn genererar en.zip -fil som innehåller 10 filer som motsvarar följande PCB -lager:

1. Botten koppar
2. Nedre silkscreen
3. Bottenlödpasta
4. Bottenlödmask
5. Kvarnlager
6. Topp koppar
7. Översta silkscreen
8. Topplödpasta
9. Topplödmask
10. Drill File

Nu är det dags att göra våra Gerber -filer till ett riktigt kretskort. Ladda upp mina Gerber -filer i JLCPCB för att tillverka mitt PCB. Deras service är ganska snabb. Jag fick mitt PCB i Mexiko på 10 dagar.

Steg 10: Montering av kretskortet

Nu när vi har kretskorten är vi redo för montering av brädet, för detta behöver vi lödstationen, lödet, flusset, pincetten och nätet för att avlödas.

Vi börjar med att lödda alla motstånd på sina respektive platser, vi lägger en liten mängd löd på en av de två plattorna, vi lödar motståndets terminal och vi fortsätter att löda den återstående terminalen, vi kommer att upprepa detta i var och en av motstånden.

På samma sätt kommer vi att fortsätta med kondensatorerna och lysdioderna, vi måste vara försiktiga med de senare eftersom de har ett litet grönt märke som anger katoden.

Vi fortsätter att löda dioder, transistorer, spänningsregulator och tryckknapp. Det respekterar polaritetsmärkena på dioderna att det visar silkscreen, var också försiktig vid lödning av transistorerna, uppvärmning av dem för mycket kan skada dem.

Nu kommer vi att placera Wi-Fi-modulen, först ska vi löda en stift och se till att den är helt i linje, för att uppnå detta kommer vi att löda alla återstående stift.

Det återstår bara att svetsa alla genomgående hålskomponenter, de är de enklaste för att vara av större storlek, se bara till att göra en ren svets som har ett glänsande utseende.

Som ett ytterligare steg kommer vi att stärka reläernas exponerade spår med tenn, som jag nämnde tidigare, detta kommer att hjälpa banan att motstå mer ström utan att brinna.

Steg 11: Programvara

För programmering installerade jag Arduino fauxmoesp -biblioteket, med det här biblioteket kan du emulera Phillips Hue -lampor, även om du också kan styra ljusstyrkan, fungerar detta kort bara som en på / av -omkopplare.

Jag lämnar dig länken så att du kan ladda ner och installera biblioteket:

Använd en exempelkod från det här biblioteket och gör nödvändiga ändringar för att använda enheten, jag lämnar Arduino -koden för dig att ladda ner och testa.

Steg 12: Slutsats

När enheten är monterad och programmerad fortsätter vi med att testa dess funktionalitet, vi behöver bara placera en strömkabel i det övre anslutningskortet och ansluta den till ett uttag som ger 100-240VAC, den röda lysdioden (ON) tänds, kommer att leta efter nätverket av internet och kommer att ansluta.

vi går in i vår Alexa -applikation och ber dig att söka efter nya enheter, den här processen tar cirka 45 sekunder. Om allt är korrekt bör du se 4 nya enheter, en för varje relä på kortet.

Nu återstår bara att berätta för Alexa att slå på och stänga av enheterna, detta test visas i videon.

Redo!!! Nu kan du slå på och av med din personliga assistent den enhet du vill ha.