Tự làm thiết bị IoT bằng dây LED: 9 bước (có hình ảnh)

2024 Tác giả: John Day | [email protected]. Sửa đổi lần cuối: 2024-01-30 13:34

(Tuyên bố từ chối trách nhiệm: Tôi không phải là người nói tiếng Anh bản ngữ.)

Cách đây ít lâu, vợ tôi có mua một số đèn LED dây để thắp sáng cho khu vườn vào ban đêm. Họ đã tạo ra một bầu không khí rất tốt đẹp. Chúng được đặt xung quanh những cái cây, nhưng hãy đoán xem, điều gì sẽ xảy ra, chúng tôi cắt dây trong khi chặt cây…

Những gì tôi muốn cho bạn thấy hôm nay là làm thế nào để cứu những thứ bị hỏng như những dây đèn LED đó và tạo ra các thiết bị kết nối thú vị mà bạn có thể điều khiển bằng điện thoại thông minh của mình.

Bạn sẽ học cách sử dụng bộ vi điều khiển và bóng bán dẫn để điều khiển đèn LED, cách kết nối thiết bị của bạn với Internet và cách điều khiển thiết bị từ điện thoại thông minh của bạn. Tôi chỉ giả sử rằng bạn có một số kiến thức điện tử cơ bản như cách áp dụng Định luật Ôm. Nếu bạn đã từng lập trình Arduino trước đó thì càng tốt.

Hãy bắt đầu với các thiết bị tôi muốn xây dựng. Điều tốt về cắt dây là có ít nhất hai mảnh. Vì vậy, tôi có thể xây dựng ít nhất hai thiết bị. Tôi sẽ bắt đầu với một chiếc đèn được kết nối mà tôi sẽ đặt trên bàn và sau đó là một chuỗi đèn LED được kết nối mà tôi sẽ sử dụng để thắp sáng phòng ngủ mới của mình. Tất cả những gì tôi muốn là cách BẬT và TẮT đèn bằng điện thoại thông minh của mình.

Nhưng điều đầu tiên, chúng ta cần xem mọi thứ hoạt động như thế nào để tái sử dụng đèn.

Bước 1: Kỹ thuật đảo ngược

Chúng tôi có hai chuỗi LED nhưng chúng tôi không biết điện áp rơi trên các chân của chuỗi và dòng điện mà chúng yêu cầu. Đáng buồn là tôi không có biểu dữ liệu để lấy các giá trị đó.

Trong những trường hợp đó, chúng ta sẽ cần phải tự mình tìm hiểu mọi thứ. Hãy tháo bao vây.

Sau khi tháo một số ốc vít bằng tuốc nơ vít, chúng ta có thể thấy một mạch rất đơn giản. Phần thú vị là xung quanh các chân của chuỗi LED, chúng ta thấy một bộ điều chỉnh điện áp (thành phần 3 chân), một điện trở (hộp đen có ghi 100 trên đó) và các chân của chuỗi LED. Nhìn kỹ hơn một chút (thiết kế mạch), chúng ta thấy rằng đầu ra của bộ điều chỉnh được kết nối với chuỗi LED lần lượt được nối với đất thông qua một điện trở 10 ohm (100 nghĩa là 10x10e0). Hãy đặt một số pin và đo điện áp rơi trên các chân của chuỗi và giữa đầu ra của bộ điều chỉnh và mặt đất.

Sử dụng đồng hồ vạn năng, chúng ta có thể đo điện áp rơi vào khoảng 3V qua các chân dây (như trong hình). Chúng tôi cũng đo 4,5V giữa đầu ra bộ điều chỉnh và mặt đất. Do đó, chúng tôi suy ra rằng có một sự sụt giảm điện áp 1,5V trên điện trở 10 ohm; chúng tôi thực sự cũng có thể đo lường nó. Sử dụng định luật Ohm (U = RI), chúng ta biết rằng dòng điện qua nhánh là 1,5V / 10 ohm = 0,150A hoặc 150mA. Một lần nữa chúng ta có thể đo dòng điện nhưng chúng ta sẽ cần đặt đồng hồ vạn năng nối tiếp với dây, điều này không dễ thực hiện.

Bây giờ chúng ta biết cách điều khiển các dây LED. Hãy xây dựng thiết bị của chúng tôi.

Bước 2: Vật liệu & Công cụ

Đây là những gì bạn sẽ cần để xây dựng các thiết bị:

- một số tua vít để xé đồ, tôi thích bộ dụng cụ đó

- một số đèn LED dây, nếu bạn muốn tái tạo các thiết bị

- một ESP8266, nó sẽ là bộ não của thiết bị của chúng tôi

- một breadboard và một số dây, chúng tôi sẽ sử dụng chúng để xây dựng nguyên mẫu

- một bộ phân loại điện trở và một bộ phân loại bóng bán dẫn, bạn cũng có thể mua một bộ lớn hơn chứa nhiều thành phần hữu ích, chỉ mua các thành phần được yêu cầu cũng là một lựa chọn

Nếu bạn muốn tạo một mạch cố định, bạn sẽ cần một số công cụ và một số bảng mạch:

- Bạn có thể mua một bộ dụng cụ hàn khá rẻ để bắt đầu, bạn sẽ tìm thấy một đồng hồ đo đa năng có thể được sử dụng để đảo ngược thiết bị của riêng bạn, chỉ cần lưu ý để không thao tác các thiết bị kết nối với chính hoặc thậm chí các thiết bị sử dụng hơn 30V DC

- một máy cắt rất hữu ích để cắt dây và dây dẫn linh kiện

- một số protoboards

- một số dây rắn

Có vẻ nhiều thứ để bắt đầu nhưng bạn sẽ xây dựng một số cổ phiếu cho bất kỳ dự án nào khác mà bạn có thể có. Nếu không ngại chờ đợi, bạn có thể đặt mua mọi thứ trên Aliexpress với chi phí thấp hơn nhiều. Thay vào đó, nếu bạn không muốn mua những công cụ đó, bạn cũng có thể truy cập không gian tin tặc gần nhất.

Cuối cùng, bạn sẽ cần vài giờ để xây dựng mọi thứ (ít hơn nếu bạn chỉ làm theo hướng dẫn này).

Bước 3: Cách sử dụng bóng bán dẫn

Chúng tôi biết rằng chuỗi LED yêu cầu 150mA nhưng nó còn nhiều hơn những gì mà ESP8266 có thể cung cấp một cách an toàn trên các chân đầu ra của nó. Bạn không muốn ổ đĩa nhiều hơn 12mA trên mỗi chân GPIO trên vi điều khiển. Để khắc phục hạn chế này, sẽ cần một số loại công tắc có thể được điều khiển bởi bộ vi điều khiển. Các công tắc phổ biến nhất là rơ le và bóng bán dẫn. Rơ le chắc chắn sẽ hoạt động nhưng sẽ cồng kềnh hơn, đắt hơn và hầu hết thời gian bạn sẽ muốn sử dụng bóng bán dẫn để điều khiển rơ le.

Chúng tôi sẽ sử dụng bóng bán dẫn cho cả hai thiết bị. Để sử dụng một bóng bán dẫn như một công tắc, chúng ta phải điều khiển dòng điện chạy qua đế của nó. Dòng điện chạy qua dây LED sẽ tỷ lệ với dòng điện chạy qua đế.

Bạn có thể chơi với Arduino và bóng bán dẫn trên Tinkercad để hiểu cách mọi thứ hoạt động. Tôi đã tạo một mô phỏng cơ bản mà bạn có thể chỉnh sửa. Nếu bạn muốn tìm hiểu thêm về Tinkercad, bạn có thể làm theo hướng dẫn tuyệt vời này: Cách sử dụng Tinkercad để kiểm tra & triển khai phần cứng của bạn.

Bạn có thể thấy rằng bóng bán dẫn hoạt động giống như một công tắc đóng khi đầu ra GPIO cao và giống như một công tắc mở khi đầu ra GPIO thấp. Bạn cũng có thể thử với các giá trị điện trở. Điện trở mắc nối tiếp với đèn LED sẽ hạn chế dòng điện chạy qua đèn LED và điện trở nối với đế của bóng bán dẫn sẽ điều khiển dòng điện tối đa chạy qua đèn LED. Nếu bạn tăng điện trở cơ bản, bạn sẽ không cung cấp đủ dòng điện cho đèn LED và ánh sáng sẽ mờ hơn.

Bạn có thể xem qua ghi chú của tôi để xem tôi chọn giá trị điện trở nào cho các thiết bị. Tôi có thể đã sử dụng đầu ra 3.3V thay vì đầu ra 5V nhưng sau đó tôi sẽ không có các điện trở tương ứng để xây dựng mạch. Đừng ngần ngại đọc bảng dữ liệu bóng bán dẫn để tìm kiếm độ lợi của bóng bán dẫn.

Bây giờ chúng ta hãy xây dựng một nguyên mẫu.

Bước 4: Xây dựng một nguyên mẫu của mạch

Chúng ta sẽ cần chuẩn bị dây LED dây. Đầu tiên chúng ta hãy cắt nửa đầu để tách ngăn chứa pin. Sau đó, dải dây, tôi sử dụng một khối thiết bị đầu cuối để kết nối chuỗi LED với bảng mạch. Chúng tôi cũng sẽ cần ESP8266, tôi đã sử dụng một bản sao nhỏ D1, hai điện trở và một bóng bán dẫn.

Tôi chọn p2222a cho bóng bán dẫn nhưng bạn có thể chọn bất kỳ bóng bán dẫn NPN nào. Bạn sẽ chỉ cần xem xét các giá trị điện trở theo độ lợi của bóng bán dẫn mà bạn có thể tìm thấy trên biểu dữ liệu bóng bán dẫn. Tôi chọn một điện trở cơ bản là 1k ohm và một điện trở LED là 15 ohm. Cơ sở được điều khiển bởi GPIO5 hoặc D1.

Giữ hộp đựng pin vì nó có thể hữu ích cho một dự án khác hoặc thậm chí để cung cấp năng lượng cho các thiết bị mới tạo của bạn.

Làm theo hướng dẫn về cách tải lên chương trình trên ESP8266 bằng Arduino IDE, tải lên chương trình nhấp nháy thay thế LED_BUILTIN bằng D1 và bây giờ bạn có thể thưởng thức chuỗi LED nhấp nháy.

Nếu mạch không hoạt động đối với bạn, hãy thử hoán đổi các dây LED vì bạn cần kết nối cực dương với điện trở LED. Tôi luôn đảo ngược các dây…

Sử dụng đồng hồ vạn năng để kiểm tra kết nối và sụt áp. Bạn sẽ thấy 3,3V giữa D1 và mặt đất khi đầu ra cao. Bạn cũng sẽ thấy hiệu điện thế 3V giữa các dây LED.

Có một chuỗi LED nhấp nháy là tốt nhưng làm thế nào chúng ta có thể điều khiển chuỗi LED bằng điện thoại thông minh của mình?

Bước 5: Sử dụng điện thoại thông minh của bạn để điều khiển đèn LED dây - Phần I

Bạn sẽ cần cài đặt ứng dụng Blynk trên điện thoại thông minh của mình.

Sau khi ứng dụng được cài đặt, hãy tạo một dự án mới. Blynk sẽ gửi cho bạn một email có mã thông báo (chuỗi ký tự hex) mà bạn sẽ cần cho chương trình ESP8266 của mình. Tạo một nút sẽ hoạt động như một công tắc. Nút sẽ điều khiển chân GPIO5 hoặc D1 của ESP8266. Bây giờ bạn có thể chơi dự án của mình. Lưu ý rằng ứng dụng sẽ cho bạn biết rằng thiết bị đang ngoại tuyến.

Bạn có thể chỉnh sửa dự án sau đó để thêm bộ hẹn giờ sẽ điều khiển đèn.

Bước 6: Sử dụng điện thoại thông minh của bạn để điều khiển đèn LED dây - Phần II

Mở IDE Arduino của bạn. Bạn sẽ cần cài đặt thư viện Blynk; đối với điều đó, chỉ cần làm theo ảnh chụp màn hình tôi đã thực hiện. Chuyển đến menu "Công cụ", nhấp vào "Quản lý thư viện", tìm kiếm "Blynk" và cài đặt phiên bản mới nhất.

Bây giờ bạn có thể mở một ví dụ sẽ thiết lập Blynk trên ESP8266 cho bạn. Ví dụ được hiển thị trên ảnh chụp màn hình.

Đảm bảo bạn đã chọn đúng bảng, "D1 mini" trong trường hợp của tôi và đúng cổng.

Cập nhật mã bằng SSID wifi và mật khẩu của bạn (thường là khóa WPA hoặc WEP trên hộp Internet), bạn cũng sẽ cần điền mã thông báo nhận được qua email.

Bây giờ bạn có thể tải mã lên ESP8266. Sau khi mã được tải lên, hãy đợi vài giây để đảm bảo thiết bị của bạn được kết nối WiFi với bộ định tuyến Internet và bạn sẽ có thể điều khiển đèn bằng nút Blynk mà bạn đã tạo.

Bây giờ bạn có một thiết bị IoT! Bạn có thể dừng lại ở đó nếu muốn nhưng đừng quên đọc phần "Tài nguyên". Nếu bạn muốn có nhiều niềm vui hơn và xây dựng một mạch lâu dài và một vỏ bọc, hãy tiếp tục đọc.

Bước 7: Tạo mạch vĩnh viễn (phần thưởng)

Đó là thời gian để tạo ra một mạch vĩnh viễn. Bạn có thể xem video này và video này để tìm hiểu về cách hàn. Tôi đã sử dụng một bảng proto tiêu chuẩn với một số tiêu đề cho ESP8266. Bằng cách đó, nếu tôi muốn sử dụng lại vi điều khiển cho một dự án khác, tôi có thể. Bạn có thể chọn hàn trực tiếp bộ vi điều khiển với bo mạch proto của mình. Nếu bạn không tự tin hãy chọn một bảng proto trông giống như một breadboard; bạn sẽ có thể sử dụng lại các kết nối breadboard của mình.

Tôi đã phạm hai lỗi với thiết bị đầu tiên của mình. Tôi đã không sử dụng khối đầu cuối cho chuỗi LED… và tôi đã đảo ngược các dây. Bạn có thể đánh dấu dây âm hoặc dây dương nhưng nên sử dụng khối đầu cuối. Sai lầm thứ hai là tôi đã sử dụng 3.3V để điều khiển chuỗi LED dẫn đến ánh sáng mờ hơn. Nếu, giống như tôi, bạn mắc lỗi, đừng lo lắng, rất dễ dàng để loại bỏ vật hàn và thay đổi các giá trị điện trở hoặc cập nhật các kết nối. Bạn thậm chí có thể thêm nhiều thành phần sau này!

Bây giờ bạn đã có mạch cố định, đã đến lúc xây dựng vỏ bọc của nó.

Bước 8: Xây dựng Bao vây (tiền thưởng)

Tôi đã làm theo hướng dẫn sparkfun trên Tinkercad để tạo vỏ bọc cho các thiết bị của mình. Tôi đã in vỏ bọc bằng cách sử dụng Prusa i3 MK3 mới mua của tôi với một số dây tóc PLA (20% chèn và 0,2 mm). Đây thực sự là lần đầu tiên đối với tôi và tôi đã mắc phải hai sai lầm mà bạn có thể thấy trên hình ảnh. Vỏ bọc đầu tiên của tôi không có không gian cần thiết cho phích cắm USB và các lỗ không được căn chỉnh. Sau đó, tôi đã thiết kế một phiên bản mới với sự phù hợp tốt hơn và cũng có thể hỗ trợ nắp. Bạn có thể tiết kiệm thời gian và tiền bạc khi chỉ in phần cần thiết của vỏ máy để kiểm tra sự phù hợp với mạch điện.

Bây giờ bạn có hai thiết bị IoT mà bạn có thể điều khiển bằng Blynk. Giới hạn của bầu trời. Bạn hoàn toàn có thể mở rộng dự án với thiết bị phát hiện hiện diện điều khiển đèn, hẹn giờ tắt đèn sau một khoảng thời gian nhất định, hoặc thậm chí sử dụng đèn LED dây làm hệ thống thông báo; chẳng hạn, chúng có thể nhấp nháy khi bạn nhận được email.

Chúc bạn hack vui vẻ!

Bước 9: Tài nguyên

Tôi không thể giới thiệu đủ cuốn sách này: Make: Electronics: Learning Through Discovery. Bạn có thể tìm hiểu về bóng bán dẫn, tụ điện và nhiều thứ thú vị khác về điện tử. Nó có kiến thức cần thiết để bắt đầu mày mò với các linh kiện điện tử. Cùng với kiến thức vừa thu được của bạn về ESP8266, Blynk và Tinkerpad, bạn sẽ có thể tạo ra những thứ rất thú vị.

Bạn có thể học được rất nhiều điều khi xem video trên Youtube. Tôi đề xuất các kênh sau:

- EEVblog

- Tuyệt vờiScott!

- Học viện Khan

Tôi, bạn đủ can đảm, bạn có thể thu thập thêm kiến thức sau các khóa học edx hoặc Coursera về IoT hoặc điện tử.