Kontrol Rumah Suara V1.0: 12 Langkah

2024 Pengarang: John Day | [email protected]. Terakhir diubah: 2024-01-30 09:54

Beberapa bulan yang lalu saya memperoleh asisten pribadi, khususnya Echo Dot yang dilengkapi dengan Alexa. Saya memilihnya karena saya menemukan bahwa dengan cara yang sederhana dapat menambahkan plugin untuk mengontrol perangkat mati dan hidup seperti lampu, kipas angin, dll Di toko online saya melihat sejumlah besar perangkat yang memenuhi fungsi ini, dan saat itulah saya berpikir…. kenapa gak bikin sendiri?

Dengan pemikiran ini, saya mulai merancang papan dengan koneksi Wi-Fi dan 4 relai keluaran. Di bawah ini saya akan menjelaskan desain langkah demi langkah dari diagram skematik, desain PCB, pemrograman dan pengujian yang berpuncak pada operasi yang sukses.

FITUR

1. Koneksi jaringan wifi
2. Tegangan masukan 100 / 240VAC
3. 4 Relai keluaran (Maksimum 10A)
4. LED indikator daya
5. 4 indikator daya LED dari relai
6. Judul pemrograman
7. Tombol Atur ulang

Langkah 1: Komponen dan Alat

Komponen

1. 3 Resistor 0805 dari 1k ohm
2. 5 Resistor 0805 dari 220 ohm
3. 2 Resistor 0805 dari 10k ohm
4. 1 Resistor 0805 dari 4,7k ohm
5. 2 Kapasitor 0805 dari 0.1uf
6. 2 Kapasitor 0805 dari 10uf
7. 4 Dioda ES1B atau serupa dari paket SMA 100v 1A
8. 1 Pengatur tegangan AMS1117-3.3
9. 4 LED Hijau 0805
10. 1 LED Merah 0805
11. 4 Transistor NPN MMBT2222A atau paket SOT23 serupa
12. 1 modul Wi-Fi ESP 12-E
13. 1 Catu Daya HLK-PM01
14. 1 Beralih SMD taktil
15. 1 Pin header dari 6 posisi
16. 5 Terminal Blok dari 2 posisi 5,08mm pitch
17. 4 Relai 5VDC

Peralatan

1. Stasiun solder atau cautin 25-30 Watt
2. Solder timah
3. Aliran
4. Pinset
5. Sumbu pematrian

Langkah 2: Catu Daya dan Regulator Tegangan

Untuk pengoperasian rangkaian 2 tegangan diperlukan, salah satu dari 3,3 VDC untuk bagian kontrol, dan yang lain 5 VDC untuk bagian daya, karena idenya adalah bahwa papan memiliki semua yang diperlukan untuk operasi, gunakan sumber sakelar yang langsung memasok 5v dan ditenagai oleh tegangan saluran sangat penting, ini menyelamatkan kita dari kebutuhan adaptor daya eksternal dan kita hanya perlu menambahkan regulator linier 3.3v (LDO).

Dengan mengingat hal di atas, sebagai sumber saya memilih Hi-Link HLK-PM01 yang memiliki tegangan input 100-240VAC pada 0,1A dan output 5VDC pada 0,6A, diikuti oleh ini, saya menempatkan AMS1117-3.3 yang banyak digunakan regulator yang sudah sangat umum dan karena itu mudah didapat.

Dengan berkonsultasi pada lembar data AMS1117, Anda akan menemukan nilai untuk kapasitor input dan output, ini adalah 0.1uf dan 10uf untuk input dan bagian lain yang sama untuk output. Terakhir, saya menempatkan LED indikator daya dengan resistansi pembatasnya masing-masing, yang mudah dihitung dengan menerapkan hukum ohm:

R = 5V-Vled / Iled

R = 5 - 2 / 0,015 = 200

Arus 15mA di led adalah agar tidak bersinar begitu terang dan memperpanjang masa pakainya.

Langkah 3: Bagian Kontrol

Untuk bagian ini saya memilih modul Wi-Fi ESP-12-E karena kecil, murah dan sangat mudah digunakan dengan Arduino IDE. Karena modul memiliki semua yang diperlukan untuk pengoperasiannya, perangkat keras eksternal yang diperlukan agar ESP dapat berfungsi minimal.

Yang perlu diingat adalah bahwa beberapa GPIO dari modul tidak disarankan untuk digunakan dan yang lain memiliki fungsi tertentu, selanjutnya saya akan menunjukkan tabel tentang pin dan fungsi apa yang mereka penuhi:

GPIO---------Masukan----------------Keluaran--------------------------------- --- Catatan

GPIO16 ------ tidak ada interupsi ------ tidak ada dukungan PWM atau I2C --- Tinggi saat boot digunakan untuk bangun dari tidur nyenyak

GPIO5-------OK-------------------OK---------------sering digunakan sebagai SCL (I2C)

GPIO4-------OK-------------------OK---------------sering digunakan sebagai SDA (I2C)

GPIO0-------ditarik ke atas----------OK---------------Low to FLASH mode, boot gagal jika ditarik Low

GPIO2-------ditarik ke atas----------OK---------------boot gagal jika ditarik Rendah

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

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

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

GPIO15-----ditarik ke GND----OK---------------SPI (CS) Boot gagal jika ditarik Tinggi

GPIO3-------OK--------RX pin----------Tinggi saat boot

GPIO1-------TX pin--------------OK---------------Tinggi saat boot, boot gagal jika ditarik rendah

ADC0--------Masukan Analog-----X

Informasi di atas ditemukan di tautan berikut:

Berdasarkan data di atas, saya memilih pin 5, 4, 12 dan 14 sebagai output digital yang akan mengaktifkan masing-masing relay, ini adalah yang paling stabil dan aman untuk aktivasi.

Akhirnya saya menambahkan apa yang diperlukan untuk pemrograman, tombol reset pada pin itu, resistor yang terhubung ke power pada pin enable, resistensi ke ground pada GPIO15, header yang digunakan untuk menghubungkan FTDI ke pin TX, RX dan ground GPIO0 untuk menempatkan modul dalam mode Flash.

Langkah 4: Bagian Daya

Bagian ini akan menangani penggunaan output 3.3VDC pada port GPIO untuk mengaktifkan relai. Relay membutuhkan daya lebih dari yang disediakan oleh pin ESP, sehingga diperlukan transistor untuk mengaktifkannya, dalam hal ini kami menggunakan MMBT2222A.

Kita harus memperhitungkan arus yang akan melewati kolektor (Ic), dengan data ini kita dapat menghitung hambatan yang akan ditempatkan pada basis transistor. Dalam hal ini, Ic akan menjadi jumlah arus yang melewati koil relai dan arus LED yang menunjukkan pengapian:

Ic = Irelay + Iled

IC = 75mA + 15mA = 90mA

Karena kita memiliki Ic arus, kita dapat menghitung resistansi basis transistor (Rb) tetapi kita membutuhkan pasangan data tambahan, penguatan transistor (hFE), yang dalam kasus MMBT2222A memiliki nilai 40 (penguatan tidak berdimensi, oleh karena itu tidak memiliki satuan pengukuran) dan potensial penghalang (VL) yang pada transistor silikon memiliki nilai 0,7v. Dengan di atas kita dapat melanjutkan untuk menghitung Rb dengan rumus sebagai berikut:

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

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

Berdasarkan perhitungan di atas, saya memilih resistansi 1kohm.

Akhirnya, dioda ditempatkan sejajar dengan kumparan relai dengan katoda menghadap Vcc. Dioda ES1B mencegah FEM terbalik (FEM, atau Reverse Electromotive Force adalah tegangan yang terjadi ketika arus melalui kumparan bervariasi)

Langkah 5: Desain PCB: Organisasi Skema dan Komponen

Untuk penjabaran skema dan kartunya saya menggunakan software Eagle.

Dimulai dengan membuat skema PCB, harus menangkap setiap bagian rangkaian yang telah dijelaskan sebelumnya, dimulai dengan menempatkan simbol setiap komponen yang mengintegrasikannya, kemudian membuat koneksi antara setiap komponen, berhati-hati untuk tidak menghubungkan keliru, kesalahan ini akan tercermin dalam desain sirkuit yang menyebabkan kegagalan fungsi. Akhirnya, nilai setiap komponen akan ditunjukkan sesuai dengan apa yang dihitung pada langkah sebelumnya.

Sekarang kita dapat melanjutkan dengan desain kartu, hal pertama yang harus kita lakukan adalah mengatur komponen sehingga menempati ruang seminimal mungkin, ini akan mengurangi biaya produksi. Secara pribadi, saya suka mengatur komponen sedemikian rupa sehingga desain simetris dihargai, praktik ini membantu saya saat merutekan, membuatnya lebih mudah dan lebih bergaya.

Penting untuk mengikuti grid saat mengakomodasi komponen dan rute, dalam kasus saya, saya menggunakan grid 25mil, menurut aturan IPC, komponen harus memiliki pemisahan di antara mereka, umumnya pemisahan ini juga 25mil.

Langkah 6: Desain PCB: Tepi dan Lubang Pemasangan

Setelah semua komponen terpasang, kita dapat membatasi PCB, menggunakan lapisan "20 Dimensi", perimeter papan digambar, memastikan bahwa semua komponen ada di dalamnya.

Sebagai pertimbangan khusus, perlu disebutkan bahwa modul Wi-Fi memiliki antena yang terintegrasi di PCB, untuk menghindari melemahkan penerimaan sinyal, saya membuat potongan tepat di bawah area di mana antena berada.

Di sisi lain, kita akan bekerja dengan arus bolak-balik, ini memiliki frekuensi 50 hingga 60Hz tergantung pada negara di mana Anda berada, frekuensi ini dapat menghasilkan kebisingan dalam sinyal digital, jadi ada baiknya untuk mengisolasi bagian yang menangani arus bolak-balik dari bagian digital, hal ini dilakukan dengan membuat pemotongan pada kartu di dekat area yang akan dilalui arus bolak-balik. Hal di atas juga membantu menghindari korsleting pada PCB.

Terakhir, lubang pemasangan ditempatkan di 4 sudut PCB agar jika Anda ingin meletakkannya di kabinet, penempatannya mudah dan cepat.

Langkah 7: Desain PCB: Perutean Teratas

Kami memulai bagian yang menyenangkan, perutean, adalah membuat koneksi antar komponen mengikuti pertimbangan tertentu seperti lebar lintasan dan sudut belok. Umumnya, saya pertama kali membuat koneksi yang bukan daya dan ground, karena yang terakhir saya buat dengan rencana.

Tanah paralel dan bidang daya sangat berguna dalam meredam kebisingan pada sumber daya karena impedansi kapasitifnya dan harus tersebar di area seluas mungkin dari papan. Mereka juga membantu kita mengurangi radiasi elektromagnetik (EMI).

Untuk trek kita harus berhati-hati agar tidak menghasilkan tikungan dengan sudut 90 °, tidak terlalu lebar atau terlalu tipis. Online Anda dapat menemukan alat yang membantu kami menghitung lebar trek dengan mempertimbangkan suhu, arus yang akan bersirkulasi, dan kepadatan tembaga pada PCB: https://www.4pcb.com/trace-width-calculator. html

Langkah 8: Desain PCB: Perutean Bawah

Di permukaan bawah kita membuat sambungan yang hilang dan di ruang berlebih kita menempatkan ground dan power plane, kita dapat melihat bahwa beberapa vias ditempatkan yang menghubungkan ground plane dari kedua face, praktik ini untuk menghindari ground loop.

Loop tanah adalah 2 titik yang secara teoritis harus memiliki potensi yang sama tetapi sebenarnya bukan karena hambatan bahan konduktif.

Trek dari kontak relai ke terminal juga diekspos, untuk diperkuat dengan solder dan menahan beban arus yang lebih tinggi tanpa terlalu panas dan terbakar.

Langkah 9: File Gerber dan Memesan PCB

File Gerber digunakan oleh industri papan sirkuit cetak untuk memproduksi PCB, file tersebut berisi semua informasi yang diperlukan untuk pembuatannya, seperti lapisan tembaga, topeng solder, layar sutra, dll.

Mengekspor file Gerber dari Eagle sangat sederhana menggunakan opsi "Hasilkan Data CAM", prosesor CAM menghasilkan file.zip yang berisi 10 file yang sesuai dengan lapisan PCB berikut:

1. Tembaga Bawah
2. Layar Sutra Bawah
3. Pasta Solder Bawah
4. Topeng Solder Bawah
5. Lapisan Pabrik
6. Tembaga Atas
7. Layar Sutra Atas
8. Pasta Solder Atas
9. Topeng Solder Atas
10. File Bor

Sekarang saatnya untuk mengubah file Gerber kami menjadi PCB nyata. Unggah file Gerber saya di JLCPCB untuk membuat PCB saya. Layanan mereka cukup cepat. Saya menerima PCB saya di Meksiko dalam 10 hari.

Langkah 10: Merakit PCB

Sekarang kita memiliki PCB, kita siap untuk perakitan papan, untuk ini kita akan membutuhkan stasiun solder, solder, fluks, pinset dan mesh untuk disolder.

Kami akan mulai dengan menyolder semua resistor di tempat masing-masing, kami menempatkan sedikit solder pada salah satu dari dua bantalan, kami menyolder terminal resistansi dan kami melanjutkan untuk menyolder terminal yang tersisa, kami akan mengulangi ini di masing-masing dari resistor.

Dengan cara yang sama, kita akan melanjutkan dengan kapasitor dan LED, kita harus berhati-hati dengan yang terakhir karena mereka memiliki tanda hijau kecil yang menunjukkan katoda.

Kami akan melanjutkan untuk menyolder dioda, transistor, pengatur tegangan dan tombol tekan. Ini menghormati tanda polaritas dioda yang ditunjukkan pada layar sutra, juga berhati-hati saat menyolder transistor, memanaskannya terlalu banyak dapat merusaknya.

Sekarang kita akan menempatkan modul Wi-Fi, pertama kita akan menyolder pin dengan hati-hati agar sejajar dengan sempurna, mencapai ini, kita akan menyolder semua pin yang tersisa.

Tetap hanya untuk mengelas semua komponen Through-Hole, mereka adalah yang paling sederhana karena ukurannya lebih besar, pastikan untuk membuat lasan bersih yang memiliki penampilan mengkilap.

Sebagai langkah tambahan, kami akan memperkuat trek relai yang terbuka dengan timah, seperti yang saya sebutkan sebelumnya, ini akan membantu trek menahan lebih banyak arus tanpa terbakar.

Langkah 11: Perangkat Lunak

Untuk pemrograman saya memasang library fauxmoesp Arduino, dengan library ini Anda dapat meniru lampu Phillips Hue, meskipun Anda juga dapat mengontrol tingkat kecerahan, board ini hanya akan berfungsi sebagai sakelar hidup / mati.

Saya meninggalkan Anda tautannya sehingga Anda dapat mengunduh dan menginstal perpustakaan:

Gunakan kode contoh dari perpustakaan ini dan buat modifikasi yang diperlukan untuk pengoperasian perangkat, saya meninggalkan kode Arduino untuk Anda unduh dan uji.

Langkah 12: Kesimpulan

Setelah perangkat dirakit dan diprogram, kami akan melanjutkan untuk menguji fungsionalitasnya, kami hanya perlu menempatkan kabel daya di papan terminal atas dan menghubungkannya ke soket yang menyediakan 100-240VAC, LED merah (ON) menyala, akan mencari jaringan internet dan akan terhubung.

kami memasuki aplikasi Alexa kami dan meminta Anda untuk mencari perangkat baru, proses ini akan memakan waktu sekitar 45 detik. Jika semuanya benar, Anda akan melihat 4 perangkat baru, satu untuk setiap relai di papan.

Sekarang tinggal memberi tahu Alexa untuk menghidupkan dan mematikan perangkat, tes ini ditunjukkan dalam video.

Siap!!! Sekarang Anda dapat menghidupkan dan mematikan dengan asisten pribadi Anda perangkat yang Anda inginkan.