Dispositivos DIY IoT usando cordas de LED: 9 etapas (com imagens)

2024 Autor: John Day | [email protected]. Última modificação: 2024-01-30 11:38

(Aviso de isenção de responsabilidade: não sou falante nativo de inglês.)

Há algum tempo, minha esposa comprou algumas lâmpadas LED para iluminar o jardim à noite. Eles criaram uma atmosfera muito agradável. Eles foram colocados em volta das árvores, mas adivinha, o que deveria acontecer aconteceu, nós cortamos os cordões enquanto cortamos as árvores …

O que eu quero mostrar a você hoje é como recuperar coisas quebradas como aquelas cordas de LED e criar dispositivos conectados interessantes que você pode controlar com seu smartphone.

Você aprenderá como usar um microcontrolador e um transistor para acionar LEDs, como conectar seu dispositivo à Internet e como controlar o dispositivo a partir de seu smartphone. Eu apenas suponho que você tenha algum conhecimento básico de eletrônica, como aplicar a Lei de Ohm. Se você já programou um Arduino antes, é ainda melhor.

Vamos começar com os dispositivos que desejo construir. A coisa boa sobre cordas cortadas é que existem pelo menos duas peças. Assim, posso construir pelo menos dois dispositivos. Vou começar com uma lâmpada conectada que colocarei em uma mesa e, em seguida, um fio de LED conectado que usarei para iluminar meu novo quarto. Tudo que eu quero é uma maneira de ligar e desligar as luzes usando meu smartphone.

Mas antes de mais nada, precisamos ver como as coisas funcionaram para reutilizar as luzes.

Etapa 1: Engenharia reversa

Temos duas cordas de LED, mas não sabemos a queda de tensão nos pinos das cordas e a corrente que eles requerem. Infelizmente, não tenho uma folha de dados para obter esses valores.

Nesses casos, precisaremos resolver tudo sozinhos. Vamos desmontar o gabinete.

Depois de remover alguns parafusos com uma chave de fenda, podemos ver um circuito muito simples. A parte interessante é em torno dos pinos do string de LED, vemos um regulador de tensão (componente de 3 pinos), um resistor (a caixa preta com 100) e os pinos do string de LED. Olhando um pouco mais de perto (projeto do circuito), vemos que a saída do regulador é conectada à string de LEDs que por sua vez é conectada ao terra por meio de um resistor de 10 ohms (100 significa 10x10e0). Vamos colocar algumas baterias e medir a queda de tensão nos pinos da corda e entre a saída do regulador e o aterramento.

Usando um multímetro, podemos medir uma queda de tensão de cerca de 3 V nos pinos da corda (como mostrado nas fotos). Também medimos 4,5 V entre a saída do regulador e o terra. Portanto, deduzimos que há uma queda de tensão de 1,5 V no resistor de 10 ohms; podemos medir isso também. Usando a Lei de Ohm (U = RI), sabemos que a corrente através do ramal é 1,5V / 10 ohm = 0,150A ou 150mA. Novamente podemos medir a corrente, mas precisaríamos colocar o multímetro em série com a corda, o que não é fácil de fazer.

Agora sabemos como conduzir as cadeias de LED. Vamos construir nosso dispositivo.

Etapa 2: Materiais e Ferramentas

Aqui está o que você precisa para construir os dispositivos:

- algumas chaves de fenda para desmontar coisas, gosto desse tipo de kit

- algumas luzes LED, se você quiser reproduzir os dispositivos

- um ESP8266, será o cérebro do nosso dispositivo

- uma placa de ensaio e alguns fios, vamos usá-los para construir o protótipo

- um kit de sortimento de resistores e um kit de sortimento de transistores, você também pode comprar um kit maior contendo muitos componentes úteis, comprar apenas os componentes necessários também é uma opção

Se você deseja criar um circuito permanente, precisará de algumas ferramentas e alguns protoboards:

- você pode comprar um kit de solda bem barato para começar, você encontrará um multímetro que pode ser usado para fazer engenharia reversa de suas próprias coisas, apenas tome cuidado para não manipular dispositivos conectados ao principal ou mesmo dispositivos que usam mais de 30 V DC

- um cortador é muito útil para cortar fios e condutores de componentes

- alguns protoboards

- algum fio sólido

Pode parecer muito para começar, mas você construirá algum estoque para qualquer outro projeto que possa ter. Se você não se importar em esperar, pode encomendar tudo no Aliexpress a um custo muito mais baixo. Como alternativa, se você não quiser comprar essas ferramentas, você também pode ir para o hackerspace mais próximo.

Finalmente, você precisará de algumas horas para construir tudo (menos se você apenas seguir este tutorial).

Etapa 3: como usar um transistor

Sabemos que a string LED requer 150mA, mas é muito mais do que o ESP8266 pode fornecer com segurança em seus pinos de saída. Você não deseja conduzir mais de 12 mA por pinos GPIO no microcontrolador. Para contornar essa limitação, será necessário algum tipo de interruptor que possa ser controlado pelo microcontrolador. As chaves mais comuns são o relé e o transistor. Um relé certamente funcionará, mas será mais volumoso, mais caro e, na maioria das vezes, você desejará usar um transistor para acionar um relé.

Usaremos transistores para ambos os dispositivos. Para usar um transistor como uma chave, devemos conduzir a corrente através de sua base. A corrente que flui pela string de LEDs será proporcional à corrente que flui pela base.

Você pode brincar com um Arduino e um transistor no Tinkercad para ter uma ideia de como as coisas funcionam. Eu criei uma simulação básica que você pode ajustar. Se você quiser aprender mais sobre o Tinkercad, siga este tutorial incrível: Como usar o Tinkercad para testar e implementar seu hardware.

Você pode ver que o transistor funciona como uma chave fechada quando a saída GPIO está alta e como uma chave aberta quando a saída GPIO está baixa. Você também pode brincar com os valores dos resistores. O resistor em série com o LED limitará o fluxo de corrente pelo LED e o resistor conectado à base do transistor controlará a corrente máxima que flui pelo LED. Se você aumentar o resistor de base, você não conduzirá corrente suficiente para o LED e a luz ficará mais fraca.

Você pode dar uma olhada em minhas notas para ver quais valores de resistor escolhi para os dispositivos. Eu poderia ter usado a saída de 3,3 V em vez da saída de 5 V, mas não teria os resistores correspondentes para construir o circuito. Não hesite em ler a ficha técnica do transistor para verificar o ganho do transistor.

Vamos agora construir um protótipo.

Etapa 4: construir um protótipo do circuito

Precisamos preparar o fio LED. Primeiro, vamos cortar a primeira metade para separar o porta-baterias. Em seguida, retire o fio e usei um bloco de terminais para conectar a string de LED à placa de ensaio. Também precisaremos do ESP8266, usei um mini clone D1, dois resistores e um transistor.

Eu escolhi um p2222a para o transistor, mas você pode escolher qualquer transistor NPN. Você só precisa revisar os valores dos resistores de acordo com o ganho do transistor que você pode encontrar na ficha técnica do transistor. Eu escolhi um resistor base de 1k ohm e um resistor LED de 15 ohm. A base é acionada pelo GPIO5 ou D1.

Guarde o porta-baterias, pois ele pode ser útil para outro projeto ou até mesmo para alimentar seus dispositivos recém-criados.

Siga um tutorial sobre como fazer o upload de um programa no ESP8266 com o Arduino IDE, faça o upload do programa blink substituindo o LED_BUILTIN por D1, e agora você pode desfrutar de uma string de LED piscando.

Se o circuito não estiver funcionando para você, tente trocar os fios do LED, pois você precisa conectar o ânodo ao resistor do LED. Eu sempre inverto os fios …

Use seu multímetro para verificar a conexão e a queda de tensão. Você deve ver 3,3 V entre D1 e o terra quando a saída for alta. Você também deve ver uma tensão de 3 V entre os fios da string de LED.

Ter uma string de LED piscando é bom, mas como podemos controlar a string de LED com nosso smartphone?

Etapa 5: Usando seu smartphone para acionar as luzes LED da corda - Parte I

Você precisará instalar o aplicativo Blynk em seu smartphone.

Depois de instalar o aplicativo, crie um novo projeto. Blynk enviará a você um e-mail com um token (série de caracteres hexadecimais) de que você precisará para o programa ESP8266. Crie um botão que funcionará como um interruptor. O botão deve conduzir o pino GPIO5 ou D1 do ESP8266. Agora você pode reproduzir seu projeto. Observe que o aplicativo irá informar que o dispositivo está offline.

Você pode editar o projeto mais tarde para adicionar temporizadores que controlarão as luzes.

Etapa 6: Usando seu smartphone para acionar as luzes LED da corda - Parte II

Abra seu IDE Arduino. Você precisará instalar a biblioteca Blynk; para isso, basta seguir as screenshots que fiz. Vá ao menu "Ferramentas", clique em "Gerenciar Bibliotecas", procure "Blynk" e instale a versão mais recente.

Agora você pode abrir um exemplo que irá configurar o Blynk no ESP8266 para você. O exemplo é mostrado nas imagens.

Certifique-se de ter selecionado a placa correta, "D1 mini" no meu caso, e a porta correta.

Atualize o código com seu SSID wi-fi e senha (geralmente a chave WPA ou WEP na caixa de Internet), você também precisará preencher o token que você recebeu por e-mail.

Agora você pode fazer upload do código para o ESP8266. Assim que o código for carregado, aguarde alguns segundos para garantir que seu dispositivo esteja conectado em WiFi ao seu roteador de Internet e você poderá controlar as luzes usando o botão Blynk que você criou.

Agora você tem um dispositivo IoT! Você pode parar por aí se quiser, mas não se esqueça de ler a seção "Recursos". Se você quiser se divertir mais e construir um circuito permanente e um cercado, continue lendo.

Etapa 7: Crie um circuito permanente (bônus)

É hora de criar um circuito permanente. Você pode assistir a este e a este vídeo para aprender sobre soldagem. Usei uma placa protótipo padrão com algum cabeçalho para o ESP8266. Assim, se quiser reutilizar o microcontrolador para outro projeto, posso. Você pode optar por soldar o microcontrolador diretamente na sua placa protetora. Se você não tiver certeza, escolha uma protoplaca que se pareça com uma breadboard; você poderá reutilizar suas conexões de breadboard.

Cometi dois erros com meu primeiro dispositivo. Não usei o bloco de terminais para a string de LED … e inverti os fios. Você pode marcar o fio negativo ou positivo, mas o uso de um bloco de terminais é recomendado. O segundo erro é que usei 3,3 V para acionar a cadeia de LEDs, resultando em uma luz mais fraca. Se, como eu, você cometer erros, não se preocupe, é fácil remover a solda e alterar os valores dos resistores ou atualizar as conexões. Você pode até adicionar mais componentes posteriormente!

Agora que você tem um circuito permanente, é hora de construir seu invólucro.

Etapa 8: construir um gabinete (bônus)

Segui um tutorial de sparkfun no Tinkercad para construir um gabinete para meus dispositivos. Imprimi o gabinete usando meu recém-adquirido Prusa i3 MK3 com algum filamento PLA (20% de preenchimento e 0,2 mm). Na verdade é uma novidade para mim e já cometi dois erros que vocês podem ver nas fotos. Meu primeiro gabinete não tinha o espaço necessário para o plugue USB e os orifícios não estavam alinhados. Em seguida, projetei uma nova versão com um encaixe melhor que também pode suportar uma tampa. Você pode economizar algum tempo e dinheiro imprimindo apenas a parte necessária do invólucro para testar o ajuste com o circuito.

Agora você tem dois dispositivos IoT que pode controlar usando o Blynk. O céu é o limite. Você pode estender totalmente o projeto com um detector de presença que controla as luzes, com um temporizador que apaga as luzes após um determinado período de tempo, ou ainda usando as luzes LED string como sistema de notificação; eles podem piscar quando você recebe um e-mail, por exemplo.

Feliz hackeamento!

Etapa 9: Recursos

Não posso recomendar o suficiente este livro: Make: Electronics: Learning Through Discovery. Você pode aprender sobre transistores, capacitores e muitas outras coisas interessantes sobre eletrônica. Possui o conhecimento necessário para começar a mexer em componentes eletrônicos. Juntamente com o seu conhecimento recém-adquirido sobre o ESP8266, Blynk e Tinkerpad, você será capaz de construir coisas muito interessantes.

Você pode aprender muito assistindo a vídeos do Youtube. Eu recomendo os seguintes canais:

- EEVblog

- GreatScott!

- Khan Academy

Se você for corajoso o suficiente, poderá adquirir mais conhecimento seguindo os cursos edx ou coursera sobre IoT ou eletrônica.