Dispositivos de IoT de bricolaje que utilizan cadenas de LED: 9 pasos (con imágenes)

2024 Autor: John Day | [email protected]. Última modificación: 2024-01-30 08:43

(Descargo de responsabilidad: no soy un hablante nativo de inglés).

Hace un tiempo, mi esposa compró algunas luces LED de cadena para iluminar el jardín por la noche. Crearon un ambiente muy agradable. Los pusieron alrededor de los árboles, pero adivinen qué, pasó lo que debería pasar, cortamos los hilos mientras cortamos los árboles …

Lo que quiero mostrarte hoy es cómo salvar cosas rotas como esas cadenas de LED y crear dispositivos conectados interesantes que puedes controlar con tu teléfono inteligente.

Aprenderá a usar un microcontrolador y un transistor para controlar los LED, cómo conectar su dispositivo a Internet y cómo controlar el dispositivo desde su teléfono inteligente. Solo asumo que tienes algunos conocimientos básicos de electrónica, como cómo aplicar la Ley de Ohm. Si alguna vez programó un Arduino antes, es aún mejor.

Comencemos con los dispositivos que quiero construir. Lo bueno de las cuerdas cortadas es que hay al menos dos piezas. Así puedo construir al menos dos dispositivos. Comenzaré con una lámpara conectada que pondré sobre una mesa y luego una cadena de LED conectada que usaré para iluminar mi nuevo dormitorio. Todo lo que quiero es una forma de encender y apagar las luces con mi teléfono inteligente.

Pero lo primero es lo primero, necesitamos ver cómo funcionan las cosas para reutilizar las luces.

Paso 1: Ingeniería inversa

Tenemos dos cadenas de LED, pero no sabemos la caída de voltaje en los pines de las cadenas y la corriente que requieren. Lamentablemente, no tengo una hoja de datos para obtener esos valores.

En esos casos, tendremos que averiguar todo por nosotros mismos. Desarmemos el recinto.

Después de quitar unos tornillos con un destornillador, podemos ver un circuito muy sencillo. La parte interesante es alrededor de los pines de la cadena de LED, vemos un regulador de voltaje (componente de 3 pines), una resistencia (la caja negra con 100 en ella) y los pines de la cadena de LED. Mirando un poco más de cerca (diseño del circuito), vemos que la salida del regulador está conectada a la cadena de LED que a su vez está conectada a tierra a través de una resistencia de 10 ohmios (100 significa 10x10e0). Pongamos algunas baterías y midamos la caída de voltaje a través de los pines de la cuerda y entre la salida del regulador y la tierra.

Usando un multímetro, podemos medir una caída de voltaje de alrededor de 3V a través de los pines de la cuerda (como se muestra en las imágenes). También medimos 4.5V entre la salida del regulador y el suelo. Por tanto, deducimos que hay una caída de voltaje de 1,5 V a través de la resistencia de 10 ohmios; de hecho, también podemos medirlo. Usando la ley de Ohm (U = RI), sabemos que la corriente a través de la rama es 1.5V / 10 ohm = 0.150A o 150mA. Nuevamente podemos medir la corriente, pero tendríamos que poner el multímetro en serie con la cuerda, lo cual no es fácil de hacer.

Ahora sabemos cómo manejar las cadenas de LED. Construyamos nuestro dispositivo.

Paso 2: Materiales y herramientas

Esto es lo que necesitará para construir los dispositivos:

- algunos destornilladores para desmontar cosas, me gusta ese tipo de kit

- algunas luces LED de cadena, si desea reproducir los dispositivos

- un ESP8266, será el cerebro de nuestro dispositivo

- una placa de pruebas y algunos cables, los usaremos para construir el prototipo

- un kit surtido de resistencias y un kit surtido de transistores, también puede comprar un kit más grande que contenga muchos componentes útiles, comprar solo los componentes requeridos también es una opción

Si desea crear un circuito permanente, necesitará algunas herramientas y algunos protoboards:

- Puede comprar un kit de soldadura a un precio bastante económico para comenzar, encontrará un multímetro que se puede usar para realizar ingeniería inversa en sus propias cosas, solo tenga cuidado de no manipular dispositivos conectados a la red principal o incluso dispositivos que usan más de 30 V CC

- un cortador es muy útil para cortar cables y conductores de componentes

- algunos protoboards

- algo de alambre macizo

Puede parecer mucho comenzar, pero acumulará existencias para cualquier otro proyecto que pueda tener. Si no le importa esperar, puede pedir todo en Aliexpress a un costo mucho menor. Como alternativa, si no desea comprar esas herramientas, también puede ir al hackerspace más cercano.

Finalmente, necesitará unas horas para construir todo (menos si solo sigue este tutorial).

Paso 3: Cómo usar un transistor

Sabemos que la cadena de LED requiere 150 mA, pero es mucho más de lo que el ESP8266 puede entregar de forma segura en sus pines de salida. No desea conducir más de 12 mA por pines GPIO en el microcontrolador. Para sortear esta limitación, necesitará algún tipo de interruptor que pueda ser controlado por el microcontrolador. Los interruptores más comunes son el relé y el transistor. Un relé ciertamente funcionará, pero será más voluminoso, más caro y, la mayoría de las veces, querrá usar un transistor para impulsar un relé.

Usaremos transistores para ambos dispositivos. Para usar un transistor como un interruptor, debemos conducir corriente a través de su base. La corriente que fluye a través de la cadena de LED será proporcional a la corriente que fluye a través de la base.

Puedes jugar con un Arduino y un transistor en Tinkercad para tener una idea de cómo funcionan las cosas. Creé una simulación básica que puedes modificar. Si desea obtener más información sobre Tinkercad, puede seguir este increíble tutorial: Cómo usar Tinkercad para probar e implementar su hardware.

Puede ver que el transistor funciona como un interruptor cerrado cuando la salida GPIO es alta y como un interruptor abierto cuando la salida GPIO es baja. También puedes jugar con los valores de las resistencias. La resistencia en serie con el LED limitará el flujo de corriente a través del LED y la resistencia conectada a la base del transistor controlará la corriente máxima que fluye a través del LED. Si aumenta la resistencia base, no conducirá suficiente corriente para el LED y la luz será más tenue.

Puede echar un vistazo a mis notas para ver qué valores de resistencia elijo para los dispositivos. Podría haber usado la salida de 3.3V en lugar de la salida de 5V, pero entonces no tendría las resistencias correspondientes para construir el circuito. No dude en leer la hoja de datos del transistor para buscar la ganancia del transistor.

Construyamos ahora un prototipo.

Paso 4: construya un prototipo del circuito

Necesitaremos preparar el cable de cadena de LED. Primero cortemos la primera mitad para separar el portapilas. Luego, pele el cable, utilicé un bloque de terminales para conectar la cadena de LED a la placa de pruebas. También necesitaremos el ESP8266, usé un mini clon D1, dos resistencias y un transistor.

Elijo un p2222a para el transistor, pero puedes elegir cualquier transistor NPN. Solo necesitará revisar los valores de las resistencias de acuerdo con la ganancia del transistor que puede encontrar en la hoja de datos del transistor. Elijo una resistencia base de 1k ohmios y una resistencia LED de 15 ohmios. La base es impulsada por GPIO5 o D1.

Conserve el portapilas, ya que puede ser útil para otro proyecto o incluso para alimentar sus dispositivos recién creados.

Siga un tutorial sobre cómo cargar un programa en el ESP8266 con el IDE de Arduino, cargue el programa intermitente reemplazando el LED_BUILTIN por D1, y ahora puede disfrutar de una cadena de LED parpadeante.

Si el circuito no funciona para usted, intente intercambiar los cables del LED ya que necesita conectar el ánodo a la resistencia del LED. Siempre invierto los cables …

Use su multímetro para verificar la conexión y la caída de voltaje. Debería ver 3.3V entre D1 y el suelo cuando la salida es alta. También debería ver un voltaje de 3 V entre los cables de la cadena de LED.

Tener una cadena de LED parpadeando es bueno, pero ¿cómo podemos controlar la cadena de LED con nuestro teléfono inteligente?

Paso 5: Uso de su teléfono inteligente para impulsar las luces LED de cadena - Parte I

Deberá instalar la aplicación Blynk en su teléfono inteligente.

Una vez instalada la aplicación, cree un nuevo proyecto. Blynk le enviará un correo electrónico con un token (serie de caracteres hexadecimales) que necesitará para su programa ESP8266. Crea un botón que actuará como interruptor. El botón debe conducir el pin GPIO5 o D1 del ESP8266. Ahora puede reproducir su proyecto. Tenga en cuenta que la aplicación le dirá que el dispositivo está desconectado.

Puede editar el proyecto más tarde para agregar temporizadores que controlarán las luces.

Paso 6: Uso de su teléfono inteligente para impulsar las luces LED de cadena - Parte II

Abra su IDE de Arduino. Deberá instalar la biblioteca Blynk; para eso, solo sigue las capturas de pantalla que hice. Vaya al menú "Herramientas", haga clic en "Administrar bibliotecas", busque "Blynk" e instale la última versión.

Ahora puede abrir un ejemplo que configurará Blynk en el ESP8266 por usted. El ejemplo se muestra en las capturas de pantalla.

Asegúrese de haber seleccionado la placa correcta, "D1 mini" en mi caso, y el puerto correcto.

Actualice el código con su SSID wifi y contraseña (generalmente la clave WPA o WEP en el cuadro de Internet), también deberá completar el token que recibió por correo electrónico.

Ahora puede cargar el código en el ESP8266. Una vez que se cargue el código, espere unos segundos para asegurarse de que su dispositivo esté conectado en WiFi a su enrutador de Internet y podrá controlar las luces con el botón Blynk que creó.

¡Ahora tiene un dispositivo IoT! Puede detenerse allí si lo desea, pero no olvide leer la sección "Recursos". Si quieres divertirte más y construir un circuito permanente y un recinto, continúa leyendo.

Paso 7: crea un circuito permanente (bonificación)

Es hora de crear un circuito permanente. Puede ver este y este video para aprender a soldar. Usé una placa proto estándar con algún encabezado para el ESP8266. De esa forma, si quiero reutilizar el microcontrolador para otro proyecto, puedo hacerlo. Puede optar por soldar el microcontrolador directamente a su placa proto. Si no está seguro, elija un protoboard que se parezca a un protoboard; podrá reutilizar las conexiones de su placa de pruebas.

Cometí dos errores con mi primer dispositivo. No usé el bloque de terminales para la cadena de LED … e invertí los cables. Puede marcar el cable negativo o positivo, pero se recomienda utilizar un bloque de terminales. El segundo error es que usé 3.3V para conducir la cadena de LED, lo que resultó en una luz más tenue. Si, como yo, comete errores, no se preocupe, es fácil quitar la soldadura y cambiar los valores de las resistencias o actualizar las conexiones. ¡Incluso puede agregar más componentes más tarde!

Ahora que tienes tu circuito permanente, es hora de construir su recinto.

Paso 8: Construya un recinto (bonificación)

Seguí un tutorial de Sparkfun en Tinkercad para construir un gabinete para mis dispositivos. Imprimí la carcasa usando mi Prusa i3 MK3 recién adquirida con algo de filamento PLA (20% de relleno y 0,2 mm). En realidad, es la primera vez para mí y ya cometí dos errores que se pueden ver en las imágenes. Mi primer gabinete no tenía el espacio requerido para el enchufe USB y los orificios no estaban alineados. Luego diseñé una nueva versión con un mejor ajuste que también puede soportar una tapa. Puede ahorrar algo de tiempo y dinero imprimiendo solo la parte requerida del gabinete para probar el ajuste con el circuito.

Ahora tiene dos dispositivos de IoT que puede controlar con Blynk. El cielo es el límite. Se puede ampliar totalmente el proyecto con un detector de presencia que controle las luces, con un temporizador que apague las luces al cabo de un tiempo determinado, o incluso utilizando el string de luces LED como sistema de notificación; podrían parpadear cuando reciba un correo electrónico, por ejemplo.

¡Feliz piratería!

Paso 9: Recursos

No puedo recomendar lo suficiente este libro: Make: Electronics: Learning Through Discovery. Puede aprender sobre transistores, condensadores y muchas otras cosas interesantes sobre electrónica. Tiene los conocimientos necesarios para empezar a manipular componentes electrónicos. Junto con su conocimiento recién adquirido sobre ESP8266, Blynk y Tinkerpad, podrá construir cosas muy interesantes.

Puedes aprender mucho viendo videos de Youtube. Recomiendo los siguientes canales:

- EEVblog

- ¡Gran Scott!

- Academia Khan

Si eres lo suficientemente valiente, puedes adquirir más conocimientos siguiendo los cursos edx o coursera sobre IoT o electrónica.