Iluminación de entrada automática: 10 pasos

2024 Autor: John Day | [email protected]. Última modificación: 2024-01-30 08:40

Quiero instalar iluminación automática en la entrada del interior de la casa. En la mayoría de los casos, un interruptor de detección de movimiento PIR (sensor infrarrojo pasivo) y una lámpara servirán, pero descarto esta idea, ya que un sensor conectado afuera parece torpe.

Mi objetivo en este proyecto:

1. La perspectiva de la iluminación debe verse simple y de bajo perfil.
2. También me interesa probar cosas nuevas y verificar nuevas ideas en el proyecto:

• Utilice la impresión 3D para geometrías complejas.
• Diseño de circuitos, diseño de PCB (placa de circuito impreso) y creación de prototipos para la electrónica.
• He usado el WiFi-MCU (Microcontrolador) ESP32 antes. Dado que podemos interactuar con la MCU a través del servidor http, ¿no es conveniente si tenemos una interfaz basada en web para leer la señal de los sensores y configurar los parámetros de iluminación?

Basándome en estas ideas hice un Mockup y verifiqué que funciona; Diseño y hago el sistema de iluminación.

Nota:

• Las dimensiones físicas indicadas en este proyecto son para iluminar un área de 1 mx 1,5 m. Puede usarlo como referencia para escalar su diseño.
• Algunos trabajos en este proyecto pueden ser peligrosos, tome las precauciones necesarias antes de probar e instalar.
• No tengo todo el equipo y las herramientas para fabricar componentes. Como resultado, subcontrato trabajos de impresión 3D y fabricación de PCB a estudios profesionales. CAD como Fusion 360 y EAGLE ayudan mucho en este escenario. Hablaré más en las secciones posteriores.

Paso 1: descripción general del diseño, diseño y modelo

Mi idea es hacer que un sistema de iluminación se "oculte" dentro del compartimento de madera, pero que permita la iluminación a través de una abertura.

Primero uso Fusion360 para modelar toda la escena. Puede visitar el Tutorial sobre cómo usarlo. CAD ayuda mucho para una mejor visualización en la fase de diseño.

Por ejemplo, utilizamos sensores infrarrojos para rastrear a las personas que se acercan y encender la luz. Por lo tanto, los sensores deben posicionarse con precisión. Podemos simplemente dibujar la ruta de los rayos infrarrojos en el modelo. Gire y mueva los sensores de la forma que queramos sin cálculos complicados de antemano.

Finalmente, lo hice de esta manera:

• Cree una abertura e instale un conjunto de LED encima de ella.
• Un fotorresistor para comprobar si la habitación está lo suficientemente oscura como para iluminarse.
• Utilizo 2 sensores infrarrojos de largo alcance para detectar si alguna persona se acerca a la entrada, encendiendo la luz si está lo suficientemente cerca.
• Otro sensor de infrarrojos de corto alcance para comprobar si la puerta se abre.
• La abertura es estrecha y, por lo tanto, debemos colocar los sensores en posiciones precisas. También necesitamos un reflector para dirigir la luz LED a través de la abertura. Podemos imprimir en 3D una sola pieza (el soporte de los sensores) para cumplir con estos 2 propósitos.
• Monitorización del sistema y ajuste de parámetros a través de WiFi: ¿Cuáles son las lecturas del sensor ahora? ¿Qué tan cerca de encender la luz? ¿Qué tan oscura debe encenderse la luz? ¿Cuánto tiempo debe permanecer encendida la lámpara? Podemos controlar la iluminación a través de un navegador web usando un MCU WiFi como ESP32.

Paso 2: Hacer la apertura

Instrumentos:

• Regla cuadrada
• Sierra de mano o eléctrica.
• Taladro: taladro manual o cualquier destornillador eléctrico capaz de perforar madera y plástico.
• Expediente
• Paleta, papel de lija y pincel: para restaurar la superficie a su estado y color originales.

Materiales:

• Tiras acrílicas: el material raspado está bien siempre que sea lo suficientemente grueso (~ 5 mm)
• Yeso
• Pintura Interior

Procedimientos:

1. Haz una plantilla acrílica para definir la dimensión de la abertura. Apilo 4 tiras acrílicas y las pego. Use una regla cuadrada para asegurarse de que estén a 90 grados entre sí. El tamaño de la abertura es de 365 mm x 42 mm.
2. Haga 4 orificios de montaje en la plantilla, luego fíjela al compartimiento con tornillos.
3. Taladre agujeros a lo largo de los bordes y corte el área no deseada.
4. Utilice una lima para eliminar el exceso de material y enderezar los bordes a lo largo de la plantilla.
5. Retire la plantilla. Aplique yeso en los orificios de montaje y la superficie de madera.
6. Lijar la superficie y aplicar yeso. Repita estos pasos hasta que la superficie esté lisa.
7. Pinta la superficie.

Paso 3: Hacer el ensamblaje del LED

Instrumentos:

• Sierra - serrucho o eléctrico.
• Taladro: taladro manual o cualquier destornillador eléctrico capaz de perforar madera y plástico.
• Pelacables
• Soldador

Materiales:

• Tubos y soportes de PVC de Ø20mm.
• Bombilla LED 5W G4 y casquillo x5
• Cables eléctricos
• Alambre de soldar
• Escuche el tubo de contracción

Procedimientos:

1. Corte un tubo de PVC de 355 mm de longitud como cuerpo de la lámpara.
2. Instale dos soportes de tubo en ambos extremos como soportes.
3. Taladre cinco orificios de Ø17 mm en el tubo de PVC para los enchufes LED.
4. Inserte los enchufes LED y asegúrese de que los cables sean lo suficientemente largos para salir del tubo, extienda el cable en caso de que sean demasiado cortos. Como usaremos lámparas LED G4 de 5W como fuentes de luz, la corriente será de ~ 23mA para una fuente de 220VAC. Utilizo cables planos AWG # 24 para soldar el cable original. Utilice un tubo de contracción para proteger el área articulada.
5. Instale las bombillas LED en los enchufes LED.
6. Conecte las lámparas LED en paralelo.

Paso 4: Fabricación del soporte del sensor

Primero uso Fusion360 para modelar el soporte del sensor. Para simplificar la instalación y la fabricación, el soporte del sensor también sirve como reflector de luz y son una sola pieza. El soporte del sensor debe tener cavidades de montaje que coincidan con las formas de los sensores de rango IR. Esto se puede hacer fácilmente cuando se usa Fusion360:

1. Importe y coloque los sensores y el soporte del sensor en sus posiciones deseadas [como se muestra en el paso 2]
2. Utilice el comando de interferencia para verificar el volumen superpuesto entre el soporte y los sensores.
3. Conserve los sensores y retire el volumen superpuesto en el soporte.
4. Guarde el modelo como una pieza nueva. ¡Las cavidades de montaje ahora tienen la forma de los sensores!
5. También debemos tener en cuenta la tolerancia de fabricación: la tolerancia de la dimensión del sensor es de ± 0,3 mm y la tolerancia de fabricación de la impresión 3D es de ± 0,1 mm. Hice un desplazamiento hacia afuera de 0,2 mm en todas las superficies de contacto de las cavidades para asegurar un ajuste con holgura.

El modelo se envía a un estudio para su impresión 3D. Para reducir el costo de fabricación, utilizo un pequeño grosor de 2 mm y creo patrones vacíos para ahorrar material.

El tiempo de respuesta de la impresión 3D es de aproximadamente 48 horas y cuesta ~ 32 dólares estadounidenses. La parte terminada ya se había lijado cuando la recibí, pero es demasiado áspera. Por lo tanto, refino las superficies con papel de lija húmedo de grano 400 y luego rocío el interior con pintura blanca.

Paso 5: Diseño de circuito

Objetivos y consideraciones

• No tengo un horno de reflujo de soldadura, por lo que solo se consideran las partes del paquete DIP.
• Diseño de placa única: la PCB contenía todos los componentes, incluida la unidad de fuente de alimentación AC-DC.
• Ahorro de energía: encienda los sensores y la lámpara LED solo cuando la entrada esté lo suficientemente oscura.
• Configuración remota: establezca los parámetros de la MCU a través de WiFi.

Como funciona el circuito

• Entrada de energía CA a través de la Caja de Terminales (TB1), con protección Fusible (XF1).
• Se utiliza una fuente de alimentación CA-CC en miniatura (PS1) para suministrar alimentación de 5 V CC a la placa ESP32 MCU (JP1 y 2) y los sensores.
• El WiFi MCU ESP32 (NodeMCU-32S) lee la señal de voltaje del Fotorresistor (PR) usando un canal ADC (ADC1_CHANNEL_7). Encienda MOSFET (Q1) a través del pin 22 de GPIO para encender los 3 sensores infrarrojos si la señal es más baja que el umbral.
• Otros 3 canales ADC (ADC1_CHANNEL_0, ADC1_CHANNEL_3, ADC1_CHANNEL_6) para la salida de señal de los 3 sensores infrarrojos (IR_Long_1, IR_Long_2, IR_Short). Si la señal es más alta que el umbral, encienda el MOSFET (Q2) a través del pin 21 de GPIO, que enciende el SSR (K1) y enciende las lámparas LED conectadas en TB1.
• La MCU verifica si la palanca de WiFi (S1) está encendida a través de (ADC1_CHANNEL_4), ejecutando la tarea de WiFi para permitir que los parámetros se establezcan en la MCU.

Lista de

1. Nodo MCU-32S x1
2. Fuente de alimentación Mean Well IRM-10-5 x1
3. Relé de estado sólido Omron G3MC-202P-DC5 x1
4. STP16NF06L MOSFET de canal N x2
5. Sharp GP2Y0A710K0F Sensor de medición de distancia x2
6. Sharp GP2Y0A02YK0F Sensor de medición de distancia x1
7. Encabezado hembra 2.54 mm -19 pines x2 (o cualquier combinación de encabezados para que sea de 19 pines)
8. HB-9500 Bloque de terminales con espaciado de 9. mm 4 pines2 (HP-4P) x1
9. KF301 Conector de bloque de terminales con espaciado de 5,08 mm 2 pines x1
10. KF301 Conector de bloque de terminales con espaciado de 5,08 mm 3 pines x3
11. Interruptor de palanca SS-12D00 1P2T x1
12. Portafusibles BLX-A x1
13. Fusible de 500mA
14. FotoResistor x1
15. Resistencias de 1k Ohm x3
16. Condensadores 0.1uF x3
17. Condensador 10uF x1
18. Tornillos de nailon M3X6mm x6
19. Tornillos avellanados de nailon M3X6mm x4
20. Espaciador de nailon M3X8mm x4
21. Tuercas de nailon M3 x2
22. Caja de plástico (tamaño superior a 86 mm x 84 mm)
23. Resistencia de 2W 33k Ohm x1 (Opcional)

Tenga en cuenta que el LED de baja potencia aún puede brillar incluso si el relé de estado sólido está APAGADO, esto se debe al amortiguador dentro del relé de estado sólido. Es posible que necesite una resistencia y un condensador conectados en paralelo con la lámpara LED para resolver este problema.

Paso 6: Diseño y ensamblaje de PCB

Podemos usar un prototipo de PCB universal para hacer el circuito. Pero trato de usar EAGLE CAD para diseñar el esquema y el diseño. Las imágenes de la placa (archivo Gerber) se envían a PCB Prototyping Studio para su fabricación.

Se utiliza una placa FR4 de 2 capas con cobre de 1 oz. Se incluyen características como orificios de montaje, orificios pasantes enchapados, nivelación de soldadura de aire caliente, capa de máscara de soldadura, texto en serigrafía (bueno … ahora usan impresión por chorro de tinta). El costo de fabricación de PCB de 10 piezas (MOQ) es de ~ US $ 4.2, un precio razonable con tal calidad de trabajo.

Hay buenos tutoriales sobre el uso de EAGLE para el diseño de PCB.

Desde Sparkfun:

• Usando EAGLE: Esquemático
• Usando EAGLE: Diseño de tablero

Un buen tutorial de Youtube de Ilya Mikhelson:

• Tutorial de Eagle PCB: Esquema
• Tutorial de Eagle PCB: diseño
• Tutorial de Eagle PCB: Finalización del diseño
• Tutorial de Eagle PCB: biblioteca personalizada

Inserte los componentes a la PCB y suelde en la parte posterior. Refuerce el relé de estado sólido, la caja de fusibles y los condensadores con pegamento caliente. Perfore orificios en la parte inferior de la carcasa de plástico e instale los espaciadores de nailon. Haga aberturas en las paredes laterales para permitir las conexiones de cables. Monte el conjunto de PCB en la parte superior de los espaciadores.

Paso 7: extienda los cables del sensor

Los cables del sensor originales son demasiado cortos y necesitan extensión. Utilizo un cable de señal blindado 22AWG para reducir el ruido que interfiere con el voltaje de la señal. Conectó el blindaje a la tierra del sensor, mientras que Vcc y Vo a otros cables. Proteja la junta con tubo de contracción.

Extienda la fotorresistencia de la misma manera.

Paso 8: Montaje

1. Instale el conjunto de LED, aplique silicona o pegamento caliente al soporte y fíjelo en el compartimento.
2. Instale el soporte del sensor para cubrir el conjunto de LED. Monte los 3 sensores de infrarrojos en los soportes de los sensores.
3. Taladre un orificio de Ø6,5 mm en el compartimento cerca de la esquina. Inserte el fotorresistor, fíjelo y el cable usando pegamento caliente.
4. Monte la caja que contiene el circuito de control en la pared.
5. Realice las siguientes conexiones de cables:

• Fuente de alimentación de CA a "AC IN" del circuito.
• La lámpara LED se enciende en "AC OUT" del circuito.
• Sensores infrarrojos: Vcc a "5V", GND a "GND", Vo a "Vout" en el circuito
• Fotorresistor a "PR" en el circuito.

Paso 9: el firmware y la configuración

El código fuente del firmware se puede descargar en este enlace de GitHub.

Encienda el botón WiFi Toggle y encienda el dispositivo. La MCU ingresará al modo SoftAP de forma predeterminada y puede conectarse al punto de acceso "ESP32_Entrance_Lighting" a través de WiFi.

Vaya a 192.168.10.1 en el navegador y acceda a las siguientes funciones:

1. Actualización de firmware OTA mediante la carga del navegador.
2. Configuración de parámetros:

• PhotoResistor: nivel de activación del fotorresistor por debajo del cual los sensores se encenderán (rango de ADC de 12 bits 0-4095)
• IR_Long1: distancia por debajo de la cual el sensor de infrarrojos de largo alcance 1 encenderá la lámpara (rango ADC de 12 bits 0-4095)
• IR_Long2: distancia por debajo de la cual el sensor infrarrojo de largo alcance 2 encenderá la lámpara (rango ADC de 12 bits 0-4095)
• IR_Short: distancia por debajo de la cual el sensor infrarrojo de corto alcance encenderá la lámpara (rango ADC de 12 bits 0-4095)
• Light On Time: el tiempo que la lámpara permanece encendida (milisegundos)

Haga clic en "Actualizar" establecerá los niveles de activación a los valores en los cuadros de texto.

Haga clic en "Sondeo del sensor". Las lecturas del sensor actual se actualizarán cada segundo, siempre que el nivel de luz sea más bajo que el nivel de activación del fotorresistor.

Paso 10: ¡Termina

Algunas reflexiones sobre una mejora adicional:

• Modo de suspensión profunda MCU / coprocesador de potencia ultra baja para reducir el consumo de energía.
• Uso de websocket / secure websocket en lugar del mensaje HTTP tradicional para una respuesta más rápida.
• Uso de componentes de menor costo como sensores de alcance láser.

El costo del material para este proyecto es de alrededor de US $ 91, un poco caro, pero creo que vale la pena probar cosas nuevas y explorar la tecnología.

Proyecto terminado y funciona. Espero que disfrutes de este Instructable.