Điều khiển nhà bằng giọng nói V1.0: 12 bước

2024 Tác giả: John Day | [email protected]. Sửa đổi lần cuối: 2024-01-30 13:31

Một vài tháng trước, tôi đã mua một trợ lý cá nhân, cụ thể là Echo Dot được trang bị Alexa. Tôi chọn nó vì tôi phát hiện ra rằng một cách đơn giản có thể thêm các plugin để điều khiển tắt và mở thiết bị như đèn, quạt, v.v. Trong các cửa hàng trực tuyến, tôi thấy một số lượng lớn các thiết bị đáp ứng chức năng này và đó là lúc tôi nghĩ…. tại sao không làm của riêng bạn?

Với ý tưởng này, tôi bắt đầu thiết kế một bo mạch có kết nối Wi-Fi và 4 rơ le đầu ra. Dưới đây tôi sẽ mô tả từng bước thiết kế từ sơ đồ, thiết kế PCB, lập trình và thử nghiệm đạt đến đỉnh cao để vận hành thành công.

TÍNH NĂNG, ĐẶC ĐIỂM

1. Kết nối mạng wifi
2. Điện áp đầu vào 100 / 240VAC
3. 4 Rơle đầu ra (Tối đa 10A)
4. Đèn LED báo nguồn
5. 4 đèn LED báo nguồn của rơ le
6. Tiêu đề lập trình
7. Nút reset

Bước 1: Các thành phần và công cụ

Các thành phần

1. 3 điện trở 0805 của 1k ohm
2. 5 Điện trở 0805 của 220 ohms
3. 2 điện trở 0805 của 10k ohms
4. 1 Điện trở 0805 của 4,7k ohms
5. 2 tụ điện 0805 của 0,1uf
6. 2 tụ điện 0805 của 10uf
7. 4 Điốt ES1B hoặc tương tự của gói 100v 1A SMA
8. 1 Bộ điều chỉnh điện áp AMS1117-3.3
9. 4 đèn LED xanh lục 0805
10. 1 LED đỏ 0805
11. 4 bóng bán dẫn NPN MMBT2222A hoặc gói SOT23 tương tự
12. 1 mô-đun Wi-Fi ESP 12-E
13. 1 Bộ nguồn HLK-PM01
14. 1 Chuyển đổi SMD xúc giác
15. 1 đầu ghim của 6 vị trí
16. 5 Khối đầu cuối của 2 vị trí Sân 5,08mm
17. 4 Rơle 5VDC

Công cụ

1. Trạm hàn hoặc cautin 25-30 Watts
2. Hàn chì
3. Tuôn ra
4. Cái nhíp
5. Bấc tàn

Bước 2: Cấp nguồn và điều chỉnh điện áp

Để hoạt động của mạch, yêu cầu 2 điện áp, một trong 3,3 VDC cho phần điều khiển và một điện áp khác là 5 VDC cho phần nguồn, vì ý tưởng là bảng có mọi thứ cần thiết để hoạt động, hãy sử dụng một nguồn chuyển mạch cung cấp trực tiếp 5v và được cấp nguồn bằng điện áp đường dây là điều cần thiết, điều này giúp chúng ta không cần bộ chuyển đổi điện bên ngoài và chúng ta chỉ cần thêm bộ điều chỉnh tuyến tính (LDO) 3.3v.

Với suy nghĩ ở trên, làm nguồn, tôi đã chọn Hi-Link HLK-PM01 có điện áp đầu vào là 100-240VAC ở 0,1A và đầu ra là 5VDC ở 0,6A, tiếp theo, tôi đặt AMS1117-3.3 được sử dụng rộng rãi. bộ điều chỉnh vốn đã rất phổ biến và do đó dễ dàng có sẵn.

Tham khảo bảng dữ liệu của AMS1117, bạn sẽ tìm thấy các giá trị cho các tụ điện đầu vào và đầu ra, đây là 0,1uf và 10uf cho đầu vào và một phần bằng nhau khác cho đầu ra. Cuối cùng, tôi đã đặt một đèn LED báo nguồn với điện trở giới hạn tương ứng của nó, có thể dễ dàng tính toán bằng cách áp dụng định luật ohm:

R = 5V-Vled / Iled

R = 5 - 2 / 0,015 = 200

Dòng điện 15mA trong led để nó không bị chói sáng và kéo dài thời gian sử dụng.

Bước 3: Kiểm soát Seccion

Đối với phần này, tôi đã chọn mô-đun Wi-Fi ESP-12-E vì nó nhỏ, rẻ và rất đơn giản để sử dụng với Arduino IDE. Vì mô-đun có mọi thứ cần thiết cho hoạt động của nó, phần cứng bên ngoài cần thiết để ESP hoạt động là tối thiểu.

Một điều cần lưu ý là một số GPIO của mô-đun không được khuyến khích sử dụng và những GPIO khác có các chức năng cụ thể, tiếp theo tôi sẽ hiển thị một bảng về các chân và chức năng mà chúng đáp ứng:

GPIO --------- Đầu vào ---------------- Đầu ra ---------------------- --- Ghi chú

GPIO16 ------ không ngắt ------ không hỗ trợ PWM hoặc I2C --- Cao khi khởi động được sử dụng để thức dậy sau giấc ngủ sâu

GPIO5 ------- OK ------------------- OK --------------- thường được sử dụng làm SCL (I2C)

GPIO4 ------- OK ------------------- OK --------------- thường được sử dụng làm SDA (I2C)

GPIO0 ------- kéo lên ---------- OK --------------- Thấp đến chế độ FLASH, khởi động không thành công nếu kéo xuống Thấp

GPIO2 ------- kéo lên ---------- OK --------------- khởi động không thành công nếu kéo xuống thấp

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

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

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

GPIO15 ----- được kéo đến GND ---- OK --------------- Khởi động SPI (CS) không thành công nếu kéo Cao

GPIO3 ------- OK ------------------- Chân RX ---------- Cao khi khởi động

GPIO1 ------- Chân TX -------------- OK --------------- Cao khi khởi động, khởi động không thành công nếu kéo xuống thấp

ADC0 -------- Ngõ vào Analog ----- X

Thông tin trên được tìm thấy tại liên kết sau:

Dựa trên dữ liệu trên, tôi đã chọn các chân 5, 4, 12 và 14 làm đầu ra kỹ thuật số sẽ kích hoạt mỗi rơ le, đây là những chân ổn định và an toàn nhất để kích hoạt.

Cuối cùng, tôi đã thêm những gì cần thiết cho lập trình, một nút đặt lại trên chân đó, một điện trở được kết nối với nguồn trên chân bật, điện trở nối đất trên GPIO15, một tiêu đề được sử dụng để kết nối FTDI với các chân TX, RX và nối đất GPIO0 để đặt mô-đun ở chế độ Flash.

Bước 4: Power Seccion

Phần này sẽ quan tâm đến việc sử dụng đầu ra 3.3VDC trên các cổng GPIO để kích hoạt rơle. Các rơ le cần nhiều năng lượng hơn mức được cung cấp bởi chân ESP, vì vậy cần phải có bóng bán dẫn để kích hoạt nó, trong trường hợp này chúng tôi sử dụng MMBT2222A.

Chúng ta phải tính đến dòng điện sẽ đi qua bộ thu (Ic), với dữ liệu này chúng ta có thể tính toán điện trở sẽ được đặt ở chân của bóng bán dẫn. Trong trường hợp này, Ic sẽ là tổng của dòng điện đi qua cuộn dây rơ le và dòng điện của đèn LED cho biết sự đánh lửa:

Ic = Irelay + Iled

Ic = 75mA + 15mA = 90mA

Vì chúng ta có Ic hiện tại, chúng ta có thể tính toán điện trở cơ bản của bóng bán dẫn (Rb) nhưng chúng ta cần một cặp dữ liệu bổ sung, độ lợi của bóng bán dẫn (hFE), trong trường hợp của MMBT2222A có giá trị là 40 (độ lợi là không thứ nguyên, do đó nó không có đơn vị đo lường) và điện thế rào cản (VL) trong bóng bán dẫn silicon có giá trị là 0,7v. Với những điều trên, chúng ta có thể tiến hành tính Rb theo công thức sau:

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

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

Dựa trên tính toán ở trên, tôi đã chọn mức kháng cự là 1kohm.

Cuối cùng, một diode được đặt song song với cuộn dây rơ le với cực âm đối mặt với Vcc. Diode ES1B ngăn chặn FEM ngược (FEM, hoặc Lực điện động ngược là điện áp xảy ra khi dòng điện qua cuộn dây thay đổi)

Bước 5: Thiết kế PCB: Tổ chức sơ đồ và thành phần

Để xây dựng sơ đồ và thẻ, tôi đã sử dụng phần mềm Eagle.

Nó bắt đầu bằng cách tạo sơ đồ của PCB, nó phải nắm bắt từng phần được giải thích trước đó của mạch, nó bắt đầu bằng cách đặt biểu tượng của từng thành phần tích hợp nó, sau đó các kết nối giữa mỗi thành phần được thực hiện, phải cẩn thận để không kết nối một cách sai lầm, lỗi này sẽ được phản ánh trong thiết kế mạch gây ra sự cố. Cuối cùng, các giá trị của mỗi thành phần sẽ được chỉ ra theo những gì đã được tính toán trong các bước trước đó.

Bây giờ chúng ta có thể tiếp tục thiết kế thẻ, điều đầu tiên chúng ta phải làm là sắp xếp các thành phần sao cho chúng chiếm ít không gian nhất có thể, điều này sẽ làm giảm chi phí sản xuất. Cá nhân tôi thích tổ chức các thành phần theo cách mà một thiết kế đối xứng được đánh giá cao, thực hành này giúp tôi khi định tuyến, làm cho nó dễ dàng hơn và phong cách hơn.

Điều quan trọng là phải tuân theo lưới khi bố trí các thành phần và tuyến đường, trong trường hợp của tôi, tôi đã sử dụng lưới 25 triệu, theo quy tắc IPC, các thành phần phải có khoảng cách giữa chúng, nói chung khoảng cách này cũng là 25 triệu.

Bước 6: Thiết kế PCB: Các cạnh và lỗ lắp

Có tất cả các thành phần tại chỗ, chúng tôi có thể phân định PCB bằng cách sử dụng lớp "20 Dimension", chu vi của bo mạch được vẽ, đảm bảo rằng tất cả các thành phần nằm bên trong nó.

Như những xem xét đặc biệt, điều đáng nói là mô-đun Wi-Fi có ăng-ten tích hợp trong PCB, để tránh làm suy giảm tín hiệu thu, tôi đã cắt ngay bên dưới khu vực đặt ăng-ten.

Mặt khác, chúng ta sẽ làm việc với dòng điện xoay chiều, tần số này có tần số từ 50 đến 60Hz tùy thuộc vào quốc gia mà bạn đang ở, tần số này có thể tạo ra nhiễu trong tín hiệu kỹ thuật số, vì vậy tốt nhất là cách ly các phần xử lý. dòng điện xoay chiều từ phần kỹ thuật số, điều này được thực hiện bằng cách thực hiện các vết cắt trong thẻ gần các khu vực mà dòng điện xoay chiều sẽ lưu thông qua đó. Điều trên cũng giúp tránh bất kỳ hiện tượng đoản mạch nào trên PCB.

Cuối cùng, các lỗ lắp được đặt ở 4 góc của PCB để nếu bạn muốn đặt nó vào tủ thì việc đặt nó rất dễ dàng và nhanh chóng.

Bước 7: Thiết kế PCB: Định tuyến hàng đầu

Chúng ta bắt đầu phần thú vị, định tuyến, là tạo kết nối giữa các thành phần theo những cân nhắc nhất định như chiều rộng đường ray và góc quay. Nói chung, trước tiên tôi thực hiện các kết nối không phải là nguồn điện và mặt đất, vì phần sau tôi thực hiện với các kế hoạch.

Mặt đất và mặt phẳng nguồn song song cực kỳ hữu ích trong việc làm giảm tiếng ồn tại nguồn điện do trở kháng điện dung của nó và nên được trải rộng trên khu vực rộng nhất có thể của bảng. Chúng cũng giúp chúng ta giảm bức xạ điện từ (EMI).

Đối với các đường đua, chúng ta phải cẩn thận để không tạo ra các khúc quanh với góc 90 °, không quá rộng cũng không quá mỏng. Trực tuyến, bạn có thể tìm thấy các công cụ giúp chúng tôi tính toán độ rộng của các rãnh có tính đến nhiệt độ, dòng điện sẽ lưu thông và mật độ đồng trên PCB: https://www.4pcb.com/trace-width-calculator. html

Bước 8: Thiết kế PCB: Định tuyến dưới cùng

Ở mặt Bottom, chúng tôi thực hiện các kết nối bị thiếu và trong không gian thừa, chúng tôi đặt các mặt phẳng tiếp đất và nguồn, chúng ta có thể nhận thấy rằng một số vias đã được đặt để kết nối các mặt phẳng mặt đất của cả hai mặt, thực hành này là để tránh các vòng lặp trên mặt đất.

Các vòng nối đất là 2 điểm về mặt lý thuyết sẽ phải có cùng điện thế nhưng chúng thực sự không phải do điện trở của vật liệu dẫn điện.

Các đường ray từ tiếp điểm rơle đến các đầu cuối cũng được để lộ ra ngoài, để được gia cố bằng chất hàn và chịu được tải hiện tại cao hơn mà không bị quá nóng và cháy.

Bước 9: Tập tin Gerber và đặt hàng PCB

Các tệp Gerber được ngành công nghiệp bảng mạch in sử dụng để sản xuất PCB, chúng chứa tất cả các thông tin cần thiết để sản xuất chúng, chẳng hạn như lớp đồng, mặt nạ hàn, màn lụa, v.v.

Xuất tệp Gerber từ Eagle rất đơn giản bằng cách sử dụng tùy chọn "Tạo dữ liệu CAM", bộ xử lý CAM tạo tệp.zip chứa 10 tệp tương ứng với các lớp PCB sau:

1. Đồng đáy
2. Màn hình lụa phía dưới
3. Dán đáy hàn
4. Mặt nạ hàn dưới cùng
5. Lớp Mill
6. Đồng hàng đầu
7. Màn hình lụa hàng đầu
8. Dán hàn trên cùng
9. Mặt nạ hàn hàng đầu
10. Tệp khoan

Bây giờ là lúc để biến các tệp Gerber của chúng ta thành một PCB thực sự. Tải lên các tệp Gerber của tôi trong JLCPCB để sản xuất PCB của tôi. Dịch vụ của họ là khá nhanh chóng. Tôi đã nhận được PCB của mình ở Mexico sau 10 ngày.

Bước 10: Lắp ráp PCB

Bây giờ chúng ta đã có PCB, chúng ta đã sẵn sàng cho việc lắp ráp bo mạch, đối với điều này, chúng ta sẽ cần trạm hàn, thuốc hàn, chất trợ dung, nhíp và lưới để khử màu.

Chúng tôi sẽ bắt đầu bằng cách hàn tất cả các điện trở vào vị trí tương ứng của chúng, chúng tôi đặt một lượng nhỏ chất hàn vào một trong hai miếng đệm, chúng tôi hàn đầu cuối của điện trở và chúng tôi tiến hành hàn đầu cuối còn lại, chúng tôi sẽ lặp lại điều này trong từng miếng của các điện trở.

Theo cách tương tự, chúng ta sẽ tiếp tục với các tụ điện và đèn LED, chúng ta phải cẩn thận với cái sau vì chúng có một dấu nhỏ màu xanh lục cho biết cực âm.

Chúng ta sẽ tiến hành hàn các điốt, bóng bán dẫn, bộ điều chỉnh điện áp và nút nhấn. Nó tôn trọng các dấu cực của các điốt mà nó hiển thị trên màn hình lụa, cũng hãy cẩn thận khi hàn các bóng bán dẫn, nếu làm nóng chúng quá nhiều có thể làm hỏng chúng.

Bây giờ chúng ta sẽ đặt mô-đun Wi-Fi, trước tiên chúng ta sẽ hàn một chân cắm cẩn thận để nó được căn chỉnh hoàn hảo, đạt được điều này, chúng ta sẽ hàn tất cả các chân còn lại.

Nó vẫn chỉ để hàn tất cả các thành phần Xuyên lỗ, chúng là đơn giản nhất vì có kích thước lớn hơn, chỉ cần đảm bảo tạo ra một mối hàn sạch sẽ có vẻ ngoài sáng bóng.

Như một bước bổ sung, chúng tôi sẽ tăng cường các rãnh tiếp xúc của rơ le bằng thiếc, như tôi đã đề cập trước đây, điều này sẽ giúp rãnh chịu được nhiều dòng điện hơn mà không bị cháy.

Bước 11: Phần mềm

Để lập trình, tôi đã cài đặt thư viện giả mạo Arduino, với thư viện này, bạn có thể mô phỏng đèn Phillips Hue, mặc dù bạn cũng có thể kiểm soát mức độ sáng, bảng này sẽ chỉ hoạt động như một công tắc bật / tắt.

Mình để lại cho bạn link để bạn tải và cài đặt thư viện:

Sử dụng một mã ví dụ từ thư viện này và thực hiện các sửa đổi cần thiết cho hoạt động của thiết bị, tôi để lại mã Arduino để bạn tải về và kiểm tra.

Bước 12: Kết luận

Sau khi thiết bị được lắp ráp và lập trình, chúng tôi sẽ tiến hành kiểm tra chức năng của thiết bị, chúng tôi chỉ cần đặt cáp nguồn vào bảng đầu cuối phía trên và kết nối nó với ổ cắm cung cấp 100-240VAC, đèn LED màu đỏ (ON) sáng lên, sẽ tìm kiếm mạng internet và sẽ kết nối.

chúng tôi nhập ứng dụng Alexa của mình và yêu cầu bạn tìm kiếm thiết bị mới, quá trình này sẽ mất khoảng 45 giây. Nếu mọi thứ đều chính xác, bạn sẽ thấy 4 thiết bị mới, một thiết bị cho mỗi rơle trên bảng.

Bây giờ nó chỉ còn lại để yêu cầu Alexa bật và tắt thiết bị, thử nghiệm này được hiển thị trong video.

Sẵn sàng!!! Giờ đây, bạn có thể bật và tắt thiết bị bạn muốn với trợ lý cá nhân của mình.