Iluminação de entrada automática: 10 etapas

2024 Autor: John Day | [email protected]. Última modificação: 2024-01-30 11:35

Pretendo instalar iluminação automática na entrada de dentro de casa. Na maioria dos casos, um interruptor sensor de movimento PIR (Passive Infrared Sensor) e uma lâmpada servirão, mas desisto dessa ideia, pois um sensor conectado do lado de fora parece desajeitado.

Meu objetivo neste projeto:

1. A perspectiva da iluminação deve ser simples e discreta.
2. Também é meu interesse experimentar coisas novas e verificar novas ideias no projeto:

• Use a impressão 3D para geometria complexa.
• Projeto de Circuito, Layout de PCB (Placa de Circuito Impresso) e Prototipagem para a eletrônica.
• Eu usei o WiFi-MCU (Microcontrolador) ESP32 antes. Uma vez que podemos interagir com o MCU através do servidor http, não é conveniente se tivermos uma interface baseada na web para ler o sinal dos sensores e definir os parâmetros de iluminação?

Com base nessas ideias, fiz um Mockup e verifiquei se funciona; Eu desenho e faço o sistema de iluminação.

Observação:

• As dimensões físicas indicadas neste projeto são para iluminar uma área de 1m x 1,5m. Você pode usá-lo como uma referência para dimensionar seu projeto.
• Algumas obras neste projeto podem ser perigosas, tome as precauções necessárias antes de testar e instalar.
• Não tenho todos os equipamentos e ferramentas para fazer componentes. Como resultado, eu terceirizo trabalhos de impressão 3D e fabricação de PCB para estúdios profissionais. CAD como Fusion 360 e EAGLE ajudam muito nesse cenário. Falarei mais nas seções posteriores.

Etapa 1: Visão geral do projeto, layout e modelo

Minha ideia é fazer um sistema de iluminação “esconder” dentro do compartimento de madeira, mas permitir a iluminação por uma abertura.

Eu uso Fusion360 para modelar toda a cena primeiro. Você pode visitar o Tutorial sobre como usá-lo. O CAD ajuda muito para uma melhor visualização na fase de projeto.

Por exemplo, usamos sensores infravermelhos para rastrear qualquer pessoa que se aproxima e acender a luz. Portanto, os sensores devem ser posicionados com precisão. Podemos simplesmente desenhar o caminho do raio infravermelho no modelo. Gire e mova os sensores da maneira que quisermos, sem cálculos complicados de antemão.

Finalmente, fiz desta forma:

• Crie uma abertura e instale um conjunto de LED acima dela.
• Um fotorresistor para verificar se a sala está escura o suficiente para iluminar.
• Eu uso 2 sensores infravermelhos de longo alcance para detectar se alguma pessoa se aproxima da entrada, acendendo a luz se ela estiver perto o suficiente.
• Outro sensor infravermelho de curto alcance para verificar se a porta abre.
• A abertura é estreita e, portanto, precisamos colocar os sensores em posições precisas. Também precisamos de um refletor para direcionar a luz LED através da abertura. Podemos imprimir em 3D uma única peça (o suporte dos sensores) para cumprir esses 2 propósitos.
• Monitoramento do sistema e ajuste de parâmetros via WiFi: Quais são as leituras do sensor agora? Quão perto de acender a luz? Quão escuro deve a luz acender? Por quanto tempo a lâmpada deve permanecer acesa? Podemos controlar a iluminação por meio de um navegador da web usando um MCU WiFi como o ESP32.

Etapa 2: fazendo a abertura

Ferramentas:

• Régua quadrada
• Serra manual ou elétrico.
• Furadeira - furadeira manual ou qualquer acionador elétrico capaz de furar madeira e plástico.
• Arquivo
• Espátula, Lixa e Pincel - para devolver a superfície ao seu estado e cor originais.

Materiais:

• Tiras de acrílico - o material raspado é fino, desde que seja espesso o suficiente (~ 5 mm)
• Gesso
• Pintura Interior

Procedimentos:

1. Faça um molde de acrílico para definir a dimensão da abertura. Empilho 4 tiras de acrílico e colo-as. Use uma régua quadrada para certificar-se de que eles estão a 90 graus um do outro. O tamanho da abertura é 365 mm X 42 mm.
2. Faça 4 orifícios de montagem no modelo e fixe-o no compartimento usando parafusos.
3. Faça furos ao longo das bordas e serrar a área indesejada.
4. Use uma lima para remover o excesso de material e deixar as bordas retas ao longo do modelo.
5. Remova o modelo. Aplique gesso nos orifícios de montagem e na superfície de madeira.
6. Lixe a superfície e aplique o gesso. Repita essas etapas até que a superfície esteja lisa.
7. Pinte a superfície.

Etapa 3: Fazendo o conjunto de LED

Ferramentas:

• Serra - serra manual ou elétrica.
• Furadeira - furadeira manual ou qualquer acionador elétrico capaz de furar madeira e plástico.
• Decapador de Arame
• Ferro de solda

Materiais:

• Tubo e suportes em PVC de Ø20mm.
• 5W G4 lâmpada LED e soquete x5
• Cabos elétricos
• Fio de solda
• Tubo de encolhimento auditivo

Procedimentos:

1. Corte um tubo de PVC de 355 mm como corpo da lâmpada.
2. Instale dois suportes de tubo em ambas as extremidades como suportes.
3. Faça cinco furos de Ø17mm no tubo de PVC para as tomadas de LED.
4. Insira os soquetes de LED e certifique-se de que os cabos sejam longos o suficiente para sair do tubo, estenda o cabo caso sejam muito curtos. Como usaremos lâmpadas LED G4 de 5W como fontes de luz, a corrente será de ~ 23mA para uma fonte de 220VAC. Eu uso fios de fita AWG # 24 para soldar o cabo original. Use tubo de contração para proteger a área articulada.
5. Instale as lâmpadas LED nas tomadas de LED.
6. Conecte as lâmpadas LED em paralelo.

Etapa 4: Fazendo o suporte do sensor

Eu uso Fusion360 para modelar o suporte do sensor primeiro. Para simplificar a instalação e a fabricação, o suporte do sensor também serve como refletor de luz e são uma peça única. O suporte do sensor deve ter cavidades de montagem que correspondam aos formatos dos sensores de alcance infravermelho. Isso pode ser feito facilmente ao usar Fusion360:

1. Importe e posicione os sensores e o suporte do sensor em suas posições desejadas [conforme mostrado na etapa 2]
2. Use o comando de interferência para verificar o volume sobreposto entre o suporte e os sensores.
3. Guarde os sensores e retire o volume sobreposto do suporte.
4. Salve o modelo como uma nova peça. As cavidades de montagem agora têm o formato dos sensores!
5. Devemos também levar em consideração a tolerância de fabricação: A tolerância da dimensão do sensor é de ± 0,3 mm e a tolerância de fabricação da impressão 3D é de ± 0,1 mm. Fiz um deslocamento externo de 0,2 mm em todas as superfícies de contato das cavidades para garantir um ajuste de folga.

O modelo é enviado para um estúdio para impressão 3D. Para reduzir o custo de fabricação, uso uma espessura pequena de 2 mm e crio padrões vazios para economizar material.

O tempo de resposta da impressão 3D é de cerca de 48 horas e custa cerca de US $ 32. A parte finalizada já havia sido lixada quando recebo, mas é muito grosseira. Portanto, refino as superfícies com uma lixa úmida de grão 400, seguido de spray no interior com tinta branca.

Etapa 5: Projeto do circuito

Metas e considerações

• Eu não tenho um forno de refluxo de solda, então apenas as peças do pacote DIP são consideradas.
• Projeto de placa única: O PCB continha todos os componentes, incluindo a unidade de fonte de alimentação AC-DC.
• Economia de energia: Ligue os sensores e a lâmpada LED somente quando a entrada estiver escura o suficiente.
• Configuração remota: defina os parâmetros MCU via WiFi.

Como funciona o circuito

• Entrada de alimentação CA através da caixa de terminais (TB1), com proteção por fusível (XF1).
• Uma fonte de alimentação CA-CC em miniatura (PS1) é usada para fornecer energia 5 VCC para a placa ESP32 MCU (JP1 e 2) e os sensores.
• O WiFi MCU ESP32 (NodeMCU-32S) lê o sinal de tensão do fotorresistor (PR) usando um canal ADC (ADC1_CHANNEL_7). Ligue o MOSFET (Q1) via GPIO pin22 para ligar todos os 3 sensores infravermelhos se o sinal for inferior ao limite.
• Outros 3 canais ADC (ADC1_CHANNEL_0, ADC1_CHANNEL_3, ADC1_CHANNEL_6) para a saída de sinal de 3 sensores infravermelhos (IR_Long_1, IR_Long_2, IR_Short). Se o sinal for superior ao limite, ligue o MOSFET (Q2) via GPIO pino 21, que liga o SSR (K1) e acende as lâmpadas LED conectadas em TB1.
• O MCU verifica se o WiFi Toggle (S1) está LIGADO via (ADC1_CHANNEL_4), executando o WiFi Task para permitir a configuração de parâmetros no MCU.

Lista de Peças

1. NodeMCU-32S x1
2. Fonte de alimentação IRM-10-5 do poço médio x1
3. Relé de estado sólido Omron G3MC-202P-DC5 x1
4. STP16NF06L MOSFET de canal N x2
5. Sensor de medição de distância x2 Sharp GP2Y0A710K0F
6. Sensor de medição de distância x1 Sharp GP2Y0A02YK0F
7. Cabeçalho fêmea 2,54 mm -19 pinos x2 (ou qualquer combinação de cabeçalhos para torná-lo 19 pinos)
8. HB-9500 Bloco de terminais com espaçamento de 9 mm 4 pinos 2 (HP-4P) x1
9. KF301 com espaçamento de 5,08 mm Conector do bloco de terminais 2 pinos x1
10. KF301 com espaçamento de 5,08 mm Conector do bloco de terminais 3 pinos x3
11. SS-12D00 1P2T Chave seletora x1
12. Porta-fusíveis BLX-A x1
13. Fusível 500mA
14. PhotoResistor x1
15. Resistores 1k Ohm x3
16. Capacitores 0,1uF x3
17. Capacitor 10uF x1
18. Parafusos de nylon M3X6mm x6
19. Parafusos escareados de nylon M3X6mm x4
20. Espaçador de nylon M3X8mm x4
21. Porcas de nylon M3 x2
22. Caixa de plástico (tamanho maior que 86 mm x 84 mm)
23. 2W 33k Ohm Resistor x1 (opcional)

Observe que o LED de baixa potência ainda pode acender mesmo que o relé de estado sólido esteja DESLIGADO, isso é devido ao amortecedor dentro do relé de estado sólido. Você pode precisar de um resistor e um capacitor conectados em paralelo com a lâmpada LED para resolver este problema.

Etapa 6: Layout e montagem de PCB

Podemos usar um protótipo de PCB universal para fazer o circuito. Mas tento usar o EAGLE CAD para projetar o esquema e o layout. As imagens da placa (arquivo Gerber) são enviadas ao PCB Prototyping Studio para fabricação.

É usada uma placa FR4 de 2 camadas com 1 onça de cobre. Recursos como orifícios de montagem, furos passantes revestidos, nivelamento de solda de ar quente, camada de máscara de solda, texto serigrafado (bem … agora eles usam impressão a jato de tinta) estão incluídos. O custo para fazer 10pcs (MOQ) PCB é ~ US $ 4,2 - um preço razoável com essa qualidade de trabalho.

Existem bons tutoriais sobre o uso de EAGLE para design de PCB.

Da Sparkfun:

• Usando EAGLE: Esquemático
• Usando EAGLE: Layout da Placa

Um bom tutorial do Youtube por Ilya Mikhelson:

• Eagle PCB Tutorial: Schematic
• Eagle PCB Tutorial: Layout
• Tutorial do Eagle PCB: Finalizando o Design
• Eagle PCB Tutorial: Biblioteca Personalizada

Insira os componentes no PCB e soldando na parte traseira. Reforce o relé de estado sólido, a caixa de fusíveis e os capacitores com cola quente. Faça orifícios na parte inferior do invólucro de plástico e instale os espaçadores de náilon. Faça aberturas nas paredes laterais para permitir as conexões dos cabos. Monte o conjunto de PCB na parte superior dos espaçadores.

Etapa 7: Estenda os cabos do sensor

Os cabos do sensor originais são muito curtos e precisam de extensão. Eu uso um cabo de sinal blindado 22AWG para reduzir o ruído de interferir na tensão do sinal. Conectado a blindagem ao aterramento do sensor, enquanto Vcc e Vo aos demais fios. Proteja a junta com tubo de contração.

Estenda o fotorresistor da mesma maneira.

Etapa 8: Montagem

1. Instale o conjunto do LED, aplique silicone ou cola quente no suporte e fixe-o no compartimento.
2. Instale o suporte do sensor para cobrir o conjunto do LED. Monte os 3 sensores infravermelhos nos suportes do sensor.
3. Faça um orifício de Ø6,5 mm no compartimento próximo ao canto. Insira o fotorresistor, fixe-o e o cabo usando cola quente.
4. Monte o invólucro que contém o circuito de controle na parede.
5. Faça as seguintes conexões de fios:

• Fonte de alimentação CA para "AC IN" do circuito.
• A alimentação da lâmpada LED para "AC OUT" do circuito.
• Sensores infravermelhos: Vcc para "5V", GND para "GND", Vo para "Vout" no circuito
• Fotorresistor para "PR" no circuito.

Etapa 9: o firmware e a configuração

O código-fonte do firmware pode ser baixado neste link do GitHub.

Ligue o botão WiFi Toggle e ligue o dispositivo. O MCU entrará no modo SoftAP por padrão e você pode se conectar ao Ponto de Acesso "ESP32_Entrance_Lighting" via WiFi.

Vá para 192.168.10.1 no navegador e acesse as seguintes funções:

1. Atualização de firmware OTA via upload do navegador.
2. Configuração de parâmetros:

• PhotoResistor - Nível de disparo do fotoresistor abaixo do qual os sensores serão energizados (ADC de 12 bits na faixa 0-4095)
• IR_Long1 - Distância abaixo da qual o sensor infravermelho de longo alcance 1 ligará a lâmpada (12 bits ADC faixa 0-4095)
• IR_Long2 - Distância abaixo da qual o sensor infravermelho de longo alcance 2 ligará a lâmpada (ADC de 12 bits, faixa 0-4095)
• IR_Short - Distância abaixo da qual o sensor infravermelho de curto alcance ligará a lâmpada (12 bits ADC faixa 0-4095)
• Light On Time - A duração em que a lâmpada permanece acesa (milissegundos)

Clique em "Atualizar" para definir os níveis de disparo para os valores nas caixas de texto.

Clique em "Sondagem do sensor" para que as leituras do sensor atuais sejam atualizadas a cada segundo, desde que o nível de luz seja inferior ao nível de disparo do fotorresistor.

Etapa 10: Concluir

Algumas idéias sobre melhorias futuras:

• Modo de suspensão profunda MCU / coprocessador Ultra Low Power para reduzir o consumo de energia.
• Usando websocket / secure websocket em vez da mensagem HTTP tradicional para uma resposta mais rápida.
• Uso de componentes de baixo custo, como sensores de alcance a laser.

O custo do material para este projeto é de cerca de US $ 91 - um pouco caro, mas acho que vale a pena experimentar coisas novas e explorar tecnologias.

Projeto concluído e funciona. Espero que você goste deste Instructable.