Illuminazione automatica dell'ingresso: 10 passaggi

2024 Autore: John Day | [email protected]. Ultima modifica: 2024-01-30 10:00

Voglio installare l'illuminazione automatica nell'ingresso all'interno della casa. Nella maggior parte dei casi, un interruttore di rilevamento del movimento PIR (Passive Infrared Sensor) e una lampada funzioneranno, ma lascio perdere questa idea, poiché un sensore collegato all'esterno sembra goffo.

Il mio obiettivo in questo progetto:

1. La prospettiva dell'illuminazione dovrebbe apparire semplice e di basso profilo.
2. È anche mio interesse provare nuove cose e verificare nuove idee nel progetto:

• Usa la stampa 3D per geometrie complesse.
• Progettazione di circuiti, layout di PCB (circuiti stampati) e prototipazione per l'elettronica.
• Ho usato il WiFi-MCU (microcontrollore) ESP32 prima. Dal momento che possiamo interagire con l'MCU tramite il server http, non è conveniente avere un'interfaccia web-based per leggere il segnale dei sensori e impostare i parametri di illuminazione?

Sulla base di queste idee ho realizzato un Mockup e ho verificato che funzioni; Progetto e realizzo l'impianto luci.

Nota:

• Le dimensioni fisiche dichiarate in questo progetto sono per illuminare un'area di 1 m x 1,5 m. Puoi usarlo come riferimento per ridimensionare il tuo design.
• Alcuni lavori in questo progetto possono essere pericolosi, prendere le precauzioni necessarie prima del test e dell'installazione.
• Non ho tutte le attrezzature e gli strumenti per realizzare componenti. Di conseguenza, esternalizzo i lavori di stampa 3D e produzione di PCB a studi professionali. CAD come Fusion 360 ed EAGLE aiuta molto in questo scenario. Parlerò di più nelle sezioni successive.

Passaggio 1: panoramica del design, layout e modello

La mia idea è quella di realizzare un sistema di illuminazione “nascosto” all'interno del vano in legno, ma che permetta l'illuminazione tramite un'apertura.

Uso Fusion360 per modellare prima l'intera scena. Puoi visitare il Tutorial su come usarlo. Il CAD aiuta molto per una migliore visualizzazione in fase di progettazione.

Ad esempio, utilizziamo sensori a infrarossi per tracciare le persone che si avvicinano e accendere la luce. Pertanto, i sensori devono posizionarsi con precisione. Possiamo semplicemente disegnare il percorso dei raggi infrarossi nel modello. Ruota e sposta i sensori in qualsiasi modo desideriamo senza complicati calcoli in anticipo.

Alla fine l'ho fatto in questo modo:

• Crea un'apertura e installa un gruppo LED sopra di essa.
• Una fotoresistenza per verificare se la stanza è abbastanza buia da illuminarsi.
• Utilizzo 2 sensori infrarossi a lungo raggio per rilevare se qualcuno si avvicina all'ingresso, accendendo la luce se è abbastanza vicino.
• Un altro sensore a infrarossi a corto raggio per verificare se la porta si apre.
• L'apertura è stretta e quindi dobbiamo mettere i sensori in posizioni precise. Abbiamo anche bisogno di un riflettore per dirigere la luce LED attraverso l'apertura. Possiamo stampare in 3D una singola parte (The Sensors Holder) per soddisfare questi 2 scopi.
• Monitoraggio del sistema e regolazione dei parametri tramite WiFi: quali sono le letture del sensore ora? Quanto manca all'accensione della luce? Quanto buio dovrebbe accendersi la luce? Quanto tempo deve rimanere accesa la lampada? Possiamo controllare l'illuminazione tramite un browser Web utilizzando un MCU WiFi come ESP32.

Passaggio 2: fare l'apertura

Utensili:

• Righello quadrato
• Sega a mano o elettrica.
• Trapano - trapano a mano o qualsiasi cacciavite elettrico in grado di forare legno e plastica.
• File
• Cazzuola, carta vetrata e pennello - per riportare la superficie allo stato e al colore originali.

Materiali:

• Strisce acriliche - Il materiale raschiato va bene purché sia sufficientemente spesso (~5 mm)
• Malta
• Pittura per interni

Procedure:

1. Crea una sagoma in acrilico per definire la dimensione dell'apertura. Impilo 4 strisce di acrilico e le incollo insieme. Usa un righello quadrato per assicurarti che siano a 90 gradi l'uno dall'altro. La dimensione dell'apertura è 365 mm x 42 mm.
2. Realizzare 4 fori di fissaggio sulla dima, quindi fissarla al vano tramite viti.
3. Praticare dei fori lungo i bordi e segare l'area indesiderata.
4. Usa una lima per rimuovere il materiale in eccesso e raddrizza i bordi lungo il modello.
5. Rimuovi il modello. Applicare intonaco sui fori di montaggio e sulla superficie in legno.
6. Carteggiare la superficie e applicare l'intonaco. Ripetere questi passaggi fino a quando la superficie non è liscia.
7. Dipingi la superficie.

Passaggio 3: realizzazione del gruppo LED

Utensili:

• Sega - sega a mano o elettrica.
• Trapano - trapano a mano o qualsiasi driver elettrico in grado di forare legno e plastica.
• Spelafili
• Saldatore

Materiali:

• Tubi e supporti in PVC Ø20mm.
• Lampadina LED 5W G4 e attacco x5
• Cavi elettrici
• Filo di saldatura
• Ascolta il tubo di restringimento

Procedure:

1. Tagliare un tubo in PVC lungo 355 mm come il corpo della lampada.
2. Installare due supporti per tubi su entrambe le estremità come supporti.
3. Praticare cinque fori Ø17mm sul tubo in PVC per le prese LED.
4. Inserire le prese LED e assicurarsi che i cavi siano sufficientemente lunghi per uscire dal tubo, allungare il cavo nel caso siano troppo corti. Poiché utilizzeremo lampade LED G4 da 5 W come sorgenti luminose, la corrente sarà ~ 23 mA per una sorgente da 220 V CA. Uso fili a nastro AWG#24 per saldare il cavo originale. Utilizzare un tubo termoretraibile per proteggere l'area articolata.
5. Installa le lampadine LED nelle prese LED.
6. Collegare le lampade a LED in parallelo.

Passaggio 4: realizzazione del supporto del sensore

Uso Fusion360 per modellare prima il supporto del sensore. Per semplificare l'installazione e la produzione, il supporto del sensore funge anche da riflettore di luce e sono un pezzo unico. Il supporto del sensore dovrebbe avere cavità di montaggio che corrispondano alla forma dei sensori della gamma IR. Questo può essere fatto facilmente quando si utilizza Fusion360:

1. Importa e posiziona i sensori e il supporto del sensore nelle posizioni desiderate [come mostrato nel passaggio2]
2. Utilizzare il comando di interferenza per verificare il volume sovrapposto tra il supporto e i sensori.
3. Conservare i sensori e rimuovere il volume sovrapposto nel supporto.
4. Salva il modello come nuova parte. Le cavità di montaggio ora hanno la forma dei sensori!
5. Dovremmo anche tenere conto della tolleranza di produzione: la tolleranza della dimensione del sensore è ± 0,3 mm e la tolleranza di produzione della stampa 3D è ± 0,1 mm. Ho realizzato un offset esterno di 0,2 mm su tutte le superfici di contatto delle cavità per garantire un adattamento del gioco.

Il modello viene inviato a uno studio per la stampa 3D. Per ridurre i costi di produzione, utilizzo uno spessore ridotto di 2 mm e creo modelli vuoti per risparmiare materiale.

Il tempo di consegna della stampa 3D è di circa 48 ore e costa ~ US $ 32. La parte finita era già levigata quando ricevo, ma è troppo ruvida. Pertanto rifinisco le superfici con carta vetrata bagnata grana 400, seguita da spruzzare l'interno con vernice bianca.

Passaggio 5: progettazione del circuito

Obiettivi e considerazioni

• Non ho un forno di rifusione della saldatura, quindi vengono considerate solo le parti nel pacchetto DIP.
• Design a scheda singola: il PCB conteneva tutti i componenti, inclusa l'unità di alimentazione AC-DC.
• Risparmio energetico: Accendi i sensori e la lampada LED solo quando l'ingresso è abbastanza buio.
• Configurazione remota: impostare i parametri MCU tramite WiFi.

Come funziona il circuito

• Ingresso alimentazione CA attraverso la morsettiera (TB1), con protezione fusibile (XF1).
• Un alimentatore AC-DC in miniatura (PS1) viene utilizzato per fornire alimentazione a 5VDC alla scheda ESP32 MCU (JP1&2) e ai sensori.
• L'MCU WiFi ESP32 (NodeMCU-32S) legge il segnale di tensione dal fotoresistenza (PR) utilizzando un canale ADC (ADC1_CHANNEL_7). Accendere MOSFET (Q1) tramite il pin22 GPIO per accendere tutti e 3 i sensori a infrarossi se il segnale è inferiore alla soglia.
• Altri 3 canali ADC (ADC1_CHANNEL_0, ADC1_CHANNEL_3, ADC1_CHANNEL_6) per l'uscita del segnale dei 3 sensori infrarossi (IR_Long_1, IR_Long_2, IR_Short). Se il segnale è superiore alla soglia, accendere il MOSFET (Q2) tramite il pin 21 GPIO, che accende l'SSR (K1) e accende le lampade LED collegate a TB1.
• L'MCU controlla se WiFi Toggle (S1) è attivato tramite (ADC1_CHANNEL_4), eseguendo l'attività WiFi per consentire l'impostazione dei parametri nell'MCU.

Elenco delle parti

1. NodoMCU-32S x1
2. Mean Well IRM-10-5 Alimentatore x1
3. Relè a stato solido Omron G3MC-202P-DC5 x1
4. STP16NF06L MOSFET a canale N x2
5. Sensore di misurazione della distanza Sharp GP2Y0A710K0F x2
6. Sensore di misurazione della distanza Sharp GP2Y0A02YK0F x1
7. Intestazione femmina 2,54 mm -19 pin x2 (o qualsiasi combinazione di intestazioni per renderla a 19 pin)
8. HB-9500 spaziatura di 9 mm Morsettiera 4-pin2 (HP-4P) x1
9. KF301, spaziatura di 5,08 mm, connettore per morsettiera a 2 pin x1
10. KF301, spaziatura di 5,08 mm, connettore per morsettiera a 3 pin x3
11. SS-12D00 1P2T Interruttore a levetta x1
12. BLX-A Portafusibile x1
13. Fusibile da 500 mA
14. Fotoresistenza x1
15. Resistori da 1k Ohm x3
16. Condensatori 0.1uF x3
17. Condensatore 10uF x1
18. Viti in nylon M3X6mm x6
19. Viti a testa svasata in nylon M3X6mm x4
20. M3X8mm Distanziale in nylon x4
21. Dadi in nylon M3 x2
22. Custodia in plastica (dimensioni maggiori di 86 mm x 84 mm)
23. Resistenza 2W 33k Ohm x1 (opzionale)

Si noti che il LED a bassa potenza può ancora accendersi anche se il relè a stato solido è spento, ciò è dovuto allo snubber all'interno del relè a stato solido. Potrebbe essere necessario collegare un resistore e un condensatore in parallelo con la lampada a LED per risolvere questo problema.

Passaggio 6: layout e assemblaggio PCB

Possiamo utilizzare un prototipo di PCB universale per realizzare il circuito. Ma cerco di usare EAGLE CAD per progettare lo schema e il layout. Le immagini della scheda (file Gerber) vengono inviate a PCB Prototyping Studio per la fabbricazione.

Viene utilizzata una scheda FR4 a 2 strati con rame da 1 oz. Sono incluse funzioni come fori di montaggio, fori passanti placcati, livellamento per saldatura ad aria calda, strato maschera di saldatura, testo serigrafato (beh… ora usano la stampa a getto d'inchiostro). Il costo per la realizzazione di PCB da 10 pezzi (MOQ) è di ~ US $ 4,2 - un prezzo ragionevole per una tale qualità del lavoro.

Ci sono buoni tutorial sull'uso di EAGLE per la progettazione di PCB.

Da Sparkfun:

• Utilizzo di EAGLE: Schematico
• Utilizzo di EAGLE: layout del tabellone

Un buon tutorial su Youtube di Ilya Mikhelson:

• Tutorial PCB Eagle: Schema
• Tutorial PCB Eagle: layout
• Tutorial Eagle PCB: finalizzazione della progettazione
• Tutorial Eagle PCB: libreria personalizzata

Inserire i componenti sul PCB e saldare sul retro. Rinforzare il relè a stato solido, la scatola dei fusibili e i condensatori con la colla a caldo. Praticare dei fori nella parte inferiore dell'involucro di plastica e installare i distanziatori in nylon. Praticare delle aperture sulle pareti laterali per consentire i collegamenti dei cavi. Montare il PCB Assembly sopra i distanziatori.

Passaggio 7: estendere i cavi del sensore

I cavi del sensore originali sono troppo corti e necessitano di prolunga. Uso un cavo di segnale 22AWG schermato per ridurre il rumore che interferisce con la tensione del segnale. Collegata la schermatura al sensore Ground, mentre Vcc e Vo ad altri fili. Proteggere il giunto con tubo termoretraibile.

Estendere la fotoresistenza allo stesso modo.

Passaggio 8: assemblaggio

1. Installare il gruppo LED, applicare silicone o colla a caldo al supporto e fissarlo sul vano.
2. Installare il supporto del sensore per coprire il gruppo LED. Montare i 3 sensori a infrarossi sui supporti dei sensori.
3. Praticare un foro da Ø6,5 mm nel vano vicino all'angolo. Inserire la fotoresistenza, fissarla e il cavo utilizzando della colla a caldo.
4. Montare l'involucro contenente il circuito di controllo alla parete.
5. Effettuare i seguenti collegamenti dei cavi:

• Alimentazione CA su "AC IN" del circuito.
• La lampada a LED alimenta "AC OUT" del circuito.
• Sensori infrarossi: Vcc a "5V", GND a "GND", Vo a "Vout" nel circuito
• Fotoresistenza a "PR" nel circuito.

Passaggio 9: il firmware e la configurazione

Il codice sorgente del firmware può essere scaricato in questo collegamento GitHub.

Accendi il pulsante Wi-Fi Toggle e accendi il dispositivo. L'MCU entrerà in modalità SoftAP per impostazione predefinita ed è possibile connettersi all'Access Point "ESP32_Entrance_Lighting" tramite WiFi.

Vai a 192.168.10.1 nel browser e accedi alle seguenti funzioni:

1. Aggiornamento del firmware OTA tramite caricamento del browser.
2. Impostazione dei parametri:

• Fotoresistenza - Livello di attivazione della fotoresistenza al di sotto del quale i sensori si accendono (intervallo ADC a 12 bit 0-4095)
• IR_Long1 - Distanza al di sotto della quale il sensore a infrarossi a lungo raggio 1 accenderà la lampada (intervallo ADC a 12 bit 0-4095)
• IR_Long2 - Distanza al di sotto della quale il sensore a infrarossi a lungo raggio 2 accenderà la lampada (intervallo ADC a 12 bit 0-4095)
• IR_Short - Distanza al di sotto della quale il sensore a infrarossi a corto raggio accenderà la lampada (intervallo ADC a 12 bit 0-4095)
• Light On Time - La durata della permanenza della lampada (millisecondi)

Fare clic su "Aggiorna" per impostare i livelli di attivazione sui valori nelle caselle di testo.

Fare clic su "Polling sensore" le letture del sensore attuali verranno aggiornate ogni secondo, a condizione che il livello di luce sia inferiore al livello di attivazione della fotoresistenza.

Passaggio 10: Finisci

Alcune considerazioni su ulteriori miglioramenti:

• Modalità di sospensione profonda MCU/coprocessore Ultra Low Power per ridurre il consumo di energia.
• Utilizzo di websocket/secure websocket invece del tradizionale messaggio HTTP per una risposta più rapida.
• Utilizzo di componenti a basso costo come i sensori di portata laser.

Il costo del materiale per questo progetto è di circa US $ 91 - un po' caro, ma penso che valga la pena provare nuove cose ed esplorare la tecnologia.

Progetto completato e funziona. Spero che ti piaccia questo Instructable.