Устройства DIY IoT с использованием светодиодных гирлянд: 9 шагов (с изображениями)

2024 Автор: John Day | [email protected]. Последнее изменение: 2024-01-30 11:52

(Отказ от ответственности: я не являюсь носителем английского языка.)

Некоторое время назад моя жена купила светодиодные гирлянды, чтобы освещать сад ночью. Они создали очень приятную атмосферу. Их поставили вокруг деревьев, но угадайте, что, что должно было случиться, мы перерезали веревки, пока спилили деревья …

Сегодня я хочу показать вам, как восстанавливать сломанные вещи, такие как светодиодные гирлянды, и создавать интересные подключенные устройства, которыми вы можете управлять со своего смартфона.

Вы узнаете, как использовать микроконтроллер и транзистор для управления светодиодами, как подключить устройство к Интернету и как управлять устройством со смартфона. Я просто предполагаю, что у вас есть базовые знания в области электроники, например, как применять закон Ома. Еще лучше, если вы когда-либо программировали Arduino.

Начнем с устройств, которые я хочу построить. В разрезанных струнах хорошо то, что их по крайней мере две штуки. Таким образом, я могу собрать как минимум два устройства. Я начну с подключенной лампы, которую я поставлю на стол, а затем с подключенной светодиодной цепочки, которую я буду использовать для освещения моей новой спальни. Все, что мне нужно, это способ включать и выключать свет с помощью смартфона.

Но обо всем по порядку, нам нужно посмотреть, как все работало для повторного использования света.

Шаг 1. Обратный инжиниринг

У нас есть две светодиодные цепочки, но мы не знаем падения напряжения на выводах цепочек и требуемого тока. К сожалению, у меня нет таблицы, чтобы получить эти значения.

В таких случаях нам нужно будет во всем разобраться самостоятельно. Разберём корпус.

Открутив несколько винтов отверткой, мы можем увидеть очень простую схему. Интересная часть находится вокруг выводов светодиодной цепочки, мы видим регулятор напряжения (компонент с 3 контактами), резистор (черный ящик со 100 на нем) и контакты светодиодной цепочки. Присмотревшись немного ближе (схемотехника), мы видим, что выход регулятора подключен к цепочке светодиодов, которая, в свою очередь, подключена к земле через резистор 10 Ом (100 означает 10x10e0). Давайте вставим батарейки и измерим падение напряжения на выводах струны и между выходом регулятора и землей.

Используя мультиметр, мы можем измерить падение напряжения около 3 В на выводах струны (как показано на рисунках). Мы также измеряем 4,5 В между выходом регулятора и землей. Таким образом, мы делаем вывод, что на резисторе 10 Ом наблюдается падение напряжения 1,5 В; мы тоже можем это измерить. Используя закон Ома (U = RI), мы знаем, что ток через ответвление составляет 1,5 В / 10 Ом = 0,150 А или 150 мА. Мы снова можем измерить ток, но нам нужно будет подключить мультиметр последовательно со шнуром, что не так просто.

Теперь мы знаем, как управлять светодиодными гирляндами. Соберем наше устройство.

Шаг 2: материалы и инструменты

Вот что вам понадобится для сборки устройств:

- какие-то отвертки для разборки, мне нравится такой набор

- несколько светодиодных гирлянд, если вы хотите воспроизвести устройства

- ESP8266, это будет мозг нашего устройства

- макет и несколько проводов, мы будем использовать их для создания прототипа

- ассортиментный набор резисторов и ассортиментный набор транзисторов, вы также можете купить более крупный набор, содержащий множество полезных компонентов, покупка только необходимых компонентов также является опцией

Если вы хотите создать постоянную схему, вам понадобятся некоторые инструменты и несколько прототипов:

- вы можете купить комплект для пайки довольно дешево, чтобы начать работу, вы найдете мультиметр, который можно использовать для обратного проектирования ваших собственных вещей, только будьте осторожны, чтобы не манипулировать устройствами, подключенными к основному источнику, или даже устройствами, использующими более 30 В постоянного тока

- резак очень полезен для резки проводов и выводов компонентов

- некоторые прототипы

- какой-то сплошной провод

Может показаться, что это много для начала, но вы создадите запас для любого другого проекта, который у вас может быть. Если вы не против подождать, вы можете заказать все на Алиэкспресс по гораздо более низкой цене. В качестве альтернативы, если вы не хотите покупать эти инструменты, вы также можете пойти в ближайшее хакерское пространство.

Наконец, вам понадобится несколько часов, чтобы собрать все (меньше, если вы просто будете следовать этому руководству).

Шаг 3: Как использовать транзистор

Мы знаем, что для светодиодной цепочки требуется 150 мА, но это намного больше, чем то, что ESP8266 может безопасно передать на свои выходные контакты. Вы не хотите, чтобы на каждый вывод GPIO на микроконтроллере приходилось более 12 мА. Чтобы обойти это ограничение, понадобится какой-то переключатель, которым можно будет управлять с помощью микроконтроллера. Наиболее распространенные переключатели - это реле и транзистор. Реле, безусловно, будет работать, но оно будет более громоздким, более дорогим, и в большинстве случаев вы захотите использовать транзистор для управления реле.

Мы будем использовать транзисторы для обоих устройств. Чтобы использовать транзистор в качестве переключателя, мы должны пропускать ток через его базу. Ток, протекающий через светодиодную цепочку, будет пропорционален току, протекающему через базу.

Вы можете поиграть с Arduino и транзистором на Tinkercad, чтобы понять, как все работает. Я создал базовую симуляцию, которую вы можете настроить. Если вы хотите узнать больше о Tinkercad, вы можете следовать этому замечательному руководству: Как использовать Tinkercad для тестирования и внедрения вашего оборудования.

Вы можете видеть, что транзистор работает как закрытый переключатель, когда выход GPIO высокий, и как открытый переключатель, когда выход GPIO низкий. Вы также можете поиграть со значениями резисторов. Резистор, включенный последовательно со светодиодом, будет ограничивать ток, протекающий через светодиод, а резистор, подключенный к базе транзистора, будет управлять максимальным током, протекающим через светодиод. Если вы увеличите базовый резистор, вы не получите достаточного тока для светодиода, и свет будет тусклее.

Вы можете взглянуть на мои заметки, чтобы узнать, какие номиналы резисторов я выбираю для устройств. Я мог бы использовать выход 3,3 В вместо выхода 5 В, но тогда у меня не было бы соответствующих резисторов для построения схемы. Не стесняйтесь читать техническое описание транзистора, чтобы узнать коэффициент усиления транзистора.

Теперь создадим прототип.

Шаг 4: Создайте прототип схемы

Нам нужно будет подготовить проволоку для светодиодной гирлянды. Сначала разрежем первую половину, чтобы отделить держатель батарей. Затем зачистите провод, я использовал клеммную колодку для подключения светодиодной цепочки к макетной плате. Нам также понадобится ESP8266, я использовал мини-клон D1, два резистора и транзистор.

Я выбрал транзистор p2222a, но вы можете выбрать любой транзистор NPN. Вам просто нужно будет просмотреть значения резисторов в соответствии с коэффициентом усиления транзистора, который вы можете найти в таблице данных транзистора. Я выбираю базовый резистор на 1 кОм и светодиодный резистор на 15 Ом. База управляется GPIO5 или D1.

Сохраните держатель батарей, так как он может быть полезен для другого проекта или даже для питания ваших вновь созданных устройств.

Следуйте инструкциям по загрузке программы на ESP8266 с помощью Arduino IDE, загрузите программу мигания, заменяя LED_BUILTIN на D1, и теперь вы можете наслаждаться мигающей светодиодной строкой.

Если схема не работает для вас, попробуйте поменять местами провода светодиода, так как вам нужно подключить анод к резистору светодиода. Я всегда переворачиваю провода …

Используйте мультиметр для проверки подключения и падения напряжения. Вы должны увидеть 3,3 В между D1 и землей, когда на выходе высокий уровень. Вы также должны увидеть напряжение 3 В между проводами светодиодной гирлянды.

Иметь мигающую светодиодную цепочку - это хорошо, но как мы можем управлять светодиодной цепочкой с помощью нашего смартфона?

Шаг 5. Использование смартфона для управления светодиодными гирляндами - Часть I

Вам нужно будет установить приложение Blynk на свой смартфон.

После установки приложения создайте новый проект. Blynk отправит вам электронное письмо с токеном (серией шестнадцатеричных символов), который вам понадобится для вашей программы ESP8266. Создайте кнопку, которая будет действовать как переключатель. Кнопка должна управлять выводом GPIO5 или D1 ESP8266. Теперь вы можете играть в свой проект. Обратите внимание, что приложение сообщит вам, что устройство не в сети.

Позже вы можете отредактировать проект, чтобы добавить таймеры, которые будут управлять освещением.

Шаг 6. Использование смартфона для управления светодиодными гирляндами - Часть II

Откройте вашу Arduino IDE. Вам нужно будет установить библиотеку Blynk; для этого просто следуйте скриншотам, которые я сделал. Перейдите в меню «Инструменты», нажмите «Управление библиотеками», найдите «Blynk» и установите последнюю версию.

Теперь вы можете открыть пример, который настроит Blynk на ESP8266 за вас. Пример показан на скриншотах.

Убедитесь, что вы выбрали правильную плату, в моем случае «D1 mini», и правильный порт.

Обновите код, указав свой SSID Wi-Fi и пароль (обычно это ключ WPA или WEP в окне Интернета), вам также необходимо будет заполнить токен, который вы получили по электронной почте.

Теперь вы можете загрузить код в ESP8266. После загрузки кода подождите несколько секунд, чтобы убедиться, что ваше устройство подключено по Wi-Fi к вашему интернет-маршрутизатору, и вы сможете управлять светом с помощью созданной вами кнопки Blynk.

Теперь у вас есть IoT-устройство! Вы можете остановиться на этом, если хотите, но не забудьте прочитать раздел «Ресурсы». Если вы хотите получить больше удовольствия и построить постоянную цепь и корпус, продолжайте читать.

Шаг 7: Создайте постоянный контур (бонус)

Пора создать постоянный контур. Вы можете посмотреть это и это видео, чтобы узнать о пайке. Я использовал стандартную прототипную плату с некоторым заголовком для ESP8266. Таким образом, если я захочу повторно использовать микроконтроллер для другого проекта, я смогу. Вы можете припаять микроконтроллер прямо к своей макетной плате. Если вы не уверены, выберите макетную плату; вы сможете повторно использовать свои макетные соединения.

Я сделал две ошибки со своим первым устройством. Я не использовал клеммную колодку для светодиодной цепочки… и я перевернул провода. Вы можете пометить отрицательный или положительный провод, но рекомендуется использовать клеммную колодку. Вторая ошибка заключается в том, что я использовал 3,3 В для управления светодиодной цепочкой, что привело к более тусклому свету. Если вы, как и я, ошибетесь, не волнуйтесь, легко удалить припой и изменить номиналы резисторов или обновить соединения. Вы даже можете добавить дополнительные компоненты позже!

Теперь, когда у вас есть постоянная схема, пора построить ее корпус.

Шаг 8: Постройте корпус (бонус)

Я следил за учебником по Sparkfun на Tinkercad, чтобы построить корпус для своих устройств. Я напечатал корпус, используя недавно приобретенный Prusa i3 MK3 с небольшим количеством нити PLA (заполнение 20% и 0,2 мм). На самом деле это первая для меня, и я уже сделал две ошибки, которые вы видите на фотографиях. В моем первом корпусе не было необходимого места для USB-штекера, и отверстия не были совмещены. Затем я разработал новую версию с лучшей посадкой, которая также может поддерживать крышку. Вы можете сэкономить время и деньги, распечатав только необходимую часть корпуса, чтобы проверить совместимость со схемой.

Теперь у вас есть два устройства IoT, которыми вы можете управлять с помощью Blynk. Небо это предел. Вы можете полностью расширить проект с помощью датчика присутствия, который управляет освещением, с помощью таймера, который выключает свет через определенное время, или даже используя светодиодные гирлянды в качестве системы уведомлений; они могут мигать, например, при получении электронного письма.

Удачного взлома!

Шаг 9: Ресурсы

Я не могу порекомендовать эту книгу: Марка: Электроника: Обучение через открытия. Вы можете узнать о транзисторах, конденсаторах и многом другом интересном об электронике. У него есть необходимые знания, чтобы начать возиться с электронными компонентами. В сочетании с вашими только что приобретенными знаниями о ESP8266, Blynk и Tinkerpad вы сможете создавать очень интересные вещи.

Вы можете многому научиться, просматривая видео на Youtube. Я рекомендую следующие каналы:

- EEVblog

- Отлично, Скотт!

- Ханская академия

Если вы достаточно смелы, вы сможете получить больше знаний, пройдя курсы edx или coursera по IoT или электронике.