Voice Home Control V1.0: 12 etapas

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

Há alguns meses, adquiri um assistente pessoal, especificamente um Echo Dot equipado com Alexa. Eu escolhi porque descobri que de uma forma simples pode adicionar plugins para controlar o dispositivo ligado e desligado como luzes, ventiladores, etc. Nas lojas online eu vi um grande número de dispositivos que cumprem esta função, e foi aí que pensei…. por que não fazer o seu próprio?

Com essa ideia em mente, comecei a projetar uma placa com conexão wi-fi e 4 relés de saída. Abaixo, descreverei o projeto passo a passo a partir do diagrama esquemático, projeto de PCB, programação e teste, culminando em uma operação bem-sucedida.

RECURSOS

1. Conexão de rede Wifi
2. Tensão de entrada 100 / 240VAC
3. 4 relés de saída (máximo 10A)
4. LED indicador de energia
5. 4 LEDs indicadores de energia do relé
6. Cabeçalho de programação
7. Botão de reset

Etapa 1: Componentes e ferramentas

Componentes

1. 3 resistores 0805 de 1k ohm
2. 5 resistores 0805 de 220 ohms
3. 2 resistores 0805 de 10k ohms
4. 1 Resistor 0805 de 4,7k ohms
5. 2 capacitores 0805 de 0,1uf
6. 2 capacitores 0805 de 10uf
7. 4 diodos ES1B ou similar de pacote SMA 100v 1A
8. 1 Regulador de tensão AMS1117-3.3
9. 4 LEDs verdes 0805
10. 1 LED vermelho 0805
11. 4 transistores NPN MMBT2222A ou pacote SOT23 semelhante
12. 1 módulo ESP 12-E Wi-Fi
13. 1 fonte de alimentação HLK-PM01
14. 1 interruptor SMD tátil
15. Cabeçalho de 1 pino de 6 posições
16. 5 Bloco de terminais de 2 posições com passo de 5,08 mm
17. 4 relés de 5VDC

Ferramentas

1. Estação de solda ou cautin de 25-30 Watts
2. Solda de chumbo
3. Fluxo
4. Pinças
5. Desoldering pavio

Etapa 2: fonte de alimentação e regulador de tensão

Para o funcionamento do circuito são necessárias 2 tensões, uma de 3,3 VCC para o setor de controle e outra de 5 VCC para o setor de potência, pois a ideia é que a placa tenha tudo o que é necessário para o funcionamento, utilize uma fonte chaveada que alimenta diretamente 5v e é alimentado por tensão de linha é essencial, isso nos poupa da necessidade de um adaptador de alimentação externo e só precisamos adicionar um regulador linear de 3,3v (LDO).

Com o exposto acima em mente, como fonte selecionei o Hi-Link HLK-PM01 que tem uma tensão de entrada de 100-240 VCA a 0,1 A e saída de 5 VCC a 0,6 A, seguido por isso, coloquei o amplamente utilizado AMS1117-3.3 regulador que é muito comum e, portanto, facilmente disponível.

Consultando o datasheet do AMS1117 você encontrará os valores para os capacitores de entrada e saída, estes são 0.1uf e 10uf para a entrada e outra seção igual para a saída. Por último, coloquei um LED indicador de energia com sua respectiva resistência limite, que é facilmente calculada aplicando a lei do ohm:

R = 5V-Vled / Iled

R = 5 - 2 / 0,015 = 200

A corrente de 15mA no led é para que ele não brilhe tanto e prolongue sua vida útil.

Etapa 3: Seção de controle

Para esta seção, selecionei um módulo ESP-12-E Wi-Fi porque é pequeno, barato e muito simples de usar com o IDE do Arduino. Como o módulo possui todo o necessário para seu funcionamento, o hardware externo necessário para o funcionamento do ESP é mínimo.

Algo a ter em mente é que alguns GPIO do módulo não são recomendados para uso e outros possuem funções específicas, a seguir mostrarei uma tabela sobre os pinos e quais funções eles cumprem:

GPIO --------- Entrada ---------------- Saída ---------------------- ---Notas

GPIO16 ------ sem interrupção ------ sem suporte PWM ou I2C --- Alto na inicialização usado para acordar de um sono profundo

GPIO5 ------- OK ------------------- OK --------------- frequentemente usado como SCL (I2C)

GPIO4 ------- OK ------------------- OK --------------- frequentemente usado como SDA (I2C)

GPIO0 ------- puxado para cima ---------- OK --------------- Baixo para o modo FLASH, a inicialização falha se puxado para baixo

GPIO2 ------- puxado para cima ---------- OK --------------- a inicialização falha se puxado para baixo

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

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

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

GPIO15 ----- puxado para GND ---- OK --------------- A inicialização do SPI (CS) falha se puxado para alto

GPIO3 ------- OK ------------------- Pino RX ---------- Alto na inicialização

GPIO1 ------- TX pin -------------- OK --------------- Alto na inicialização, a inicialização falha se puxado para baixo

ADC0 -------- Entrada Analógica ----- X

As informações acima foram encontradas no seguinte link:

Com base nos dados acima, escolhi os pinos 5, 4, 12 e 14 como as saídas digitais que irão ativar cada um dos relés, estas são as mais estáveis e seguras para ativação.

Finalmente adicionei o que é necessário para a programação, um botão de reset naquele pino, um resistor conectado à alimentação no pino de habilitação, uma resistência de aterramento no GPIO15, um conector que é usado para conectar um FTDI aos pinos TX, RX e Aterre o GPIO0 para colocar o módulo no modo Flash.

Etapa 4: Seção de energia

Esta seção cuidará do uso de 3,3 VCCs de saída nas portas GPIO para ativar um relé. Os relés precisam de mais potência do que a fornecida por um pino ESP, então um transistor é necessário para ativá-lo, neste caso usamos o MMBT2222A.

Devemos levar em consideração a corrente que vai passar pelo coletor (Ic), com esses dados podemos calcular a resistência que será colocada na base do transistor. Nesse caso, o Ic vai ser a soma da corrente que passa pela bobina do relé e a corrente do LED que indica a ignição:

Ic = Irelay + Iled

Ic = 75mA + 15mA = 90mA

Como temos a corrente Ic podemos calcular a resistência de base do transistor (Rb), mas precisamos de um par de dados extra, o ganho do transistor (hFE), que no caso do MMBT2222A tem um valor de 40 (o ganho é adimensional, portanto não possui unidades de medida) e o potencial de barreira (VL) que nos transistores de silício tem um valor de 0,7v. Com o acima, podemos prosseguir para calcular Rb com a seguinte fórmula:

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

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

Com base no cálculo acima, escolhi uma resistência de 1kohm.

Finalmente, um diodo foi colocado paralelo à bobina do relé com o cátodo voltado para Vcc. O diodo ES1B impede o FEM reverso (FEM ou Força Eletromotriz Reversa é a tensão que ocorre quando a corrente através de uma bobina varia)

Etapa 5: Projeto de PCB: Organização esquemática e de componentes

Para a elaboração do esquema e do cartão utilizei o software Eagle.

Comece fazendo o esquemático do PCB, deve capturar cada parte do circuito explicada anteriormente, começa colocando o símbolo de cada componente que o integra, em seguida são feitas as conexões entre cada componente, deve-se ter cuidado para não conectar erroneamente, esse erro será refletido no projeto do circuito, causando um mau funcionamento. Por fim, os valores de cada componente serão indicados de acordo com o que foi calculado nas etapas anteriores.

Agora podemos continuar com o desenho do cartão, a primeira coisa que devemos fazer é organizar os componentes de forma que ocupem o mínimo de espaço possível, isso diminuirá o custo de fabricação. Pessoalmente gosto de organizar os componentes de forma que aprecie um design simétrico, esta prática ajuda-me no encaminhamento, torna-o mais fácil e estiloso.

É importante seguir uma grade na acomodação dos componentes e rota, no meu caso usei uma grade de 25mil, pela regra do IPC, os componentes devem ter uma separação entre eles, geralmente essa separação também é de 25mil.

Etapa 6: Projeto de PCB: Bordas e orifícios de montagem

Com todos os componentes no lugar, podemos delimitar o PCB, usando a camada "20 Dimensões", o perímetro da placa é desenhado, garantindo que todos os componentes fiquem dentro dela.

Como considerações especiais, vale ressaltar que o módulo Wi-Fi possui uma antena integrada no PCB, para evitar atenuar a recepção do sinal, fiz um corte logo abaixo da área em que a antena está localizada.

Por outro lado, vamos trabalhar com corrente alternada, esta tem uma frequência de 50 a 60Hz dependendo do país em que você se encontra, essa frequência pode gerar ruído em sinais digitais, por isso é bom isolar os trechos que manuseiam corrente alternada da parte digital, isso é feito por meio de cortes no cartão próximo às áreas por onde a corrente alternada vai circular. O acima também ajuda a evitar qualquer curto-circuito no PCB.

Finalmente, os orifícios de montagem são colocados nos 4 cantos do PCB para que, se você quiser colocá-lo em um gabinete, a colocação seja fácil e rápida.

Etapa 7: Projeto de PCB: Encaminhamento superior

Começamos a parte divertida, o roteamento, é fazer as conexões entre os componentes seguindo certas considerações, como largura da pista e ângulos de viragem. Geralmente, eu primeiro faço as conexões que não são de potência e aterramento, já que esta última faço com planos.

Os planos de aterramento e potência paralelos são extremamente úteis na atenuação de ruído na fonte de alimentação devido à sua impedância capacitiva e devem ser espalhados pela área mais ampla possível da placa. Eles também nos ajudam a reduzir a radiação eletromagnética (EMI).

Para as pistas devemos ter cuidado para não gerar curvas com ângulos de 90 °, nem muito largas nem muito finas. Online você encontra ferramentas que nos ajudam a calcular a largura das pistas levando em consideração a temperatura, a corrente que vai circular e a densidade do cobre na placa de circuito impresso: https://www.4pcb.com/trace-width-calculator. html

Etapa 8: Projeto de PCB: Roteamento inferior

Na face Inferior fazemos as conexões que faltam e no espaço excedente colocamos aterramento e planos de força, podemos notar que foram colocadas várias vias que conectam os planos de aterramento de ambas as faces, esta prática é para evitar loops de aterramento.

Loops de aterramento são 2 pontos que teoricamente deveriam ter o mesmo potencial, mas eles realmente não são por causa da resistência do material condutor.

Os trilhos dos contatos do relé aos terminais também foram expostos, a fim de serem reforçados com solda e suportar uma carga de corrente maior sem sobreaquecimento e queima.

Etapa 9: Arquivos Gerber e pedido de PCBs

Os arquivos Gerber são utilizados pela indústria de placas de circuito impresso para a fabricação de PCBs, pois contêm todas as informações necessárias à sua fabricação, como camadas de cobre, máscara de solda, serigrafia, etc.

Exportar arquivos Gerber do Eagle é muito simples usando a opção "Gerar dados CAM", o processador CAM gera um arquivo.zip que contém 10 arquivos correspondentes às seguintes camadas de PCB:

1. Cobre inferior
2. Silkscreen inferior
3. Pasta de solda inferior
4. Máscara de solda inferior
5. Camada de moinho
6. Top Copper
7. Top Silkscreen
8. Pasta de solda superior
9. Máscara de solda superior
10. Arquivo de treino

Agora é a hora de transformar nossos arquivos Gerber em um PCB real. Carregar meus arquivos Gerber em JLCPCB para fabricar meu PCB. Seu serviço é bastante rápido. Recebi meu PCB no México em 10 dias.

Etapa 10: Montagem do PCB

Agora que temos as PCBs, estamos prontos para a montagem da placa, para isso precisaremos da estação de solda, solda, fluxo, pinça e malha para dessoldar.

Começaremos soldando todos os resistores em seus respectivos lugares, colocamos uma pequena quantidade de solda em um dos dois pads, soldamos o terminal da resistência e procedemos soldando o terminal restante, repetiremos isso em cada um dos resistores.

Da mesma forma, continuaremos com os capacitores e LEDs, temos que ter cuidado com estes últimos, pois eles possuem uma pequena marca verde que indica o cátodo.

Prosseguiremos com a soldagem dos diodos, transistores, regulador de tensão e botão de pressão. Respeite as marcas de polaridade dos diodos que mostra na serigrafia, também tome cuidado ao soldar os transistores, aquecê-los muito pode danificá-los.

Agora vamos colocar o módulo Wi-Fi, primeiro vamos soldar um pino cuidando para que fique perfeitamente alinhado, conseguindo isso, vamos soldar todos os pinos restantes.

Resta apenas soldar todos os componentes do Through-Hole, eles são os mais simples por serem de tamanho maior, apenas certifique-se de fazer uma solda limpa e com um aspecto brilhante.

Como etapa adicional, fortaleceremos as pistas expostas dos relés com estanho, como mencionei antes, isso ajudará a pista a suportar mais corrente sem queimar.

Etapa 11: Software

Para a programação instalei a biblioteca fauxmoesp do Arduino, com esta biblioteca você pode emular as luzes Phillips Hue, embora você também possa controlar o nível de brilho, esta placa funcionará apenas como uma chave liga / desliga.

Deixo-vos o link para que você possa baixar e instalar a biblioteca:

Use um exemplo de código desta biblioteca e faça as modificações necessárias para o funcionamento do dispositivo, deixo o código do Arduino para você baixar e testar.

Etapa 12: Conclusão

Assim que o dispositivo estiver montado e programado, procederemos ao teste de sua funcionalidade, basta colocar um cabo de alimentação na placa terminal superior e conectá-lo a uma tomada que fornece 100-240VAC, o LED vermelho (ON) acende, procurará a rede de internet e se conectará.

entramos em nosso aplicativo Alexa e pedimos que você procure por novos dispositivos, esse processo levará cerca de 45 segundos. Se tudo estiver correto, você deverá ver 4 novos dispositivos, um para cada relé na placa.

Agora só falta dizer a Alexa para ligar e desligar os aparelhos, esse teste é mostrado no vídeo.

Preparar!!! Agora você pode ligar e desligar com seu assistente pessoal o dispositivo que desejar.