Σε αυτήν τη συνεδρία θα φτιάξουμε μια Λυχνία Έκτακτης Ανάγκης 9WATT χρησιμοποιώντας Raspberry Pi και Python. Αυτή η λυχνία θα ανιχνεύσει αυτόματα το σκοτάδι και την απουσία τροφοδοσίας AC και θα ανάψει όταν υπάρχει διακοπή ρεύματος και δεν υπάρχει κατάλληλο φως.
Παρόλο που υπάρχουν διάφοροι λαμπτήρες έκτακτης ανάγκης, αλλά είναι αποκλειστικά αφιερωμένοι στην εξυπηρέτηση ενός σκοπού, όπως ένα απλό κύκλωμα φωτός έκτακτης ανάγκης που έχουμε δημιουργήσει προηγουμένως, ενεργοποιεί μόνο την διακοπή ρεύματος. Με το Raspberry Pi μπορούμε να προσθέσουμε διάφορες άλλες λειτουργίες, όπως εδώ έχουμε προσθέσει LDR για να ανιχνεύσει το Darkness σε διάφορα επίπεδα. Εδώ έχουμε προσθέσει δύο επίπεδα, όταν υπάρχει πλήρες σκοτάδι, η λάμπα θα ανάψει με πλήρη ένταση και όταν υπάρχει ημι σκοτάδι, θα ανάψει με χωρητικότητα 30%. Εδώ λοιπόν πρόκειται να σχεδιάσουμε αυτήν τη λάμπα να ανάβει όταν η τροφοδοσία AC είναι σβηστή και όταν η ένταση του φωτός στο δωμάτιο πηγαίνει πολύ χαμηλή.
Απαιτούμενα στοιχεία:
Εδώ χρησιμοποιούμε το Raspberry Pi 2 Model B με το Raspbian Jessie OS. Όλες οι βασικές απαιτήσεις υλικού και λογισμικού συζητήθηκαν προηγουμένως, μπορείτε να το αναζητήσετε στο Raspberry Pi Εισαγωγή και στο Raspberry PI LED Blinking για να ξεκινήσετε, εκτός από αυτό που χρειαζόμαστε:
- Πυκνωτής 1000μF
- 1WATT LED (9 τεμάχια)
- + 12V σφραγισμένη μπαταρία LEAD ACID
- Τράπεζα ισχύος 6000-10000mAH
- + Προσαρμογέας DC 5V
- Τσιπ Lm324 OP-AMP
- Οπτικοζεύκτης 4N25
- IRFZ44N MOSFET
- LDR (Φωτιστική Αντίσταση)
- LED (1 τεμάχιο)
- Αντίσταση: 1KΩ (3 τεμάχια), 2.2KΩ, 4.7KΩ, 100Ω (2 τεμάχια), 10Ω (9 τεμάχια), 10KΩ, 100KΩ
- 10KΩ δοχείο (3 τεμάχια) (όλες οι αντιστάσεις είναι 0,25 watt)
Περιγραφή:
Πριν πάμε σε Circuit Connections και τη λειτουργία του, θα μάθουμε για τα εξαρτήματα και τον σκοπό τους στο κύκλωμα:
Λάμπα LED 9 Watt:
Το LAMP αποτελείται από εννέα LED 1WATT. Υπάρχουν διάφορα είδη LED στην αγορά, αλλά 1WATT LED είναι εύκολα διαθέσιμα παντού. Αυτά τα LED λειτουργούν στα 3.6V, οπότε θα συνδέσουμε τρία από αυτά σε σειρά μαζί με διόδους προστασίας για λειτουργία στα + 12V. Θα συνδέσουμε τρεις από αυτές τις ταινίες σχηματίζοντας μια λυχνία LED 9WATT. Θα λειτουργήσουμε ανάλογα τη λάμπα με το Raspberry Pi
LDR (Light Dependent Resistor) για την ανίχνευση Darkness:
Θα χρησιμοποιήσουμε το LDR (Light Dependent Resistor) για να ανιχνεύσουμε την ένταση του φωτός στο δωμάτιο. Το LDR αλλάζει την αντίστασή του γραμμικά με την ένταση του φωτός. Αυτό το LDR θα συνδεθεί με το διαχωριστικό τάσης. Με αυτό θα έχουμε μεταβλητή τάση που θα αντιπροσωπεύει μεταβλητή ένταση φωτός. Εάν η ένταση φωτός είναι χαμηλή, η έξοδος τάσης θα είναι ΥΨΗΛΗ και εάν η ένταση φωτός εάν η έξοδος τάσης ΥΨΗΛΗΣ θα είναι χαμηλή.
Op-amp LM324 IC για έλεγχο της εξόδου LDR:
Το Raspberry Pi δεν διαθέτει εσωτερικό μηχανισμό ADC (Analog to Digital Converter). Επομένως, αυτή η εγκατάσταση δεν μπορεί να συνδεθεί απευθείας στο Raspberry Pi. Θα χρησιμοποιήσουμε συγκριτές με βάση το OP-AMP για να ελέγξουμε τις εξόδους τάσης από το LDR.
Εδώ χρησιμοποιήσαμε το op-amp LM324 που έχει τέσσερις ενισχυτές λειτουργίας μέσα του και έχουμε χρησιμοποιήσει δύο op-amp από αυτούς τους τέσσερις. Έτσι, το PI μας θα μπορεί να ανιχνεύει ένταση φωτός σε δύο επίπεδα. Ανάλογα με αυτά τα επίπεδα θα προσαρμόσουμε τη φωτεινότητα της λυχνίας LED. Όταν υπάρχει πλήρες σκοτάδι, η λάμπα θα ανάψει με πλήρη ένταση και όταν υπάρχει μισό σκοτάδι, θα ανάψει με χωρητικότητα 30% Ελέγξτε τον κώδικα και το βίντεο Python, στο τέλος, για να το κατανοήσετε σωστά. Εδώ έχουμε χρησιμοποιήσει το PWM concept στο Raspberry Pi για να ελέγξουμε την ένταση των LED.
Το Raspberry Pi έχει 26GPIO, από τα οποία ορισμένα χρησιμοποιούνται για ειδικές λειτουργίες. Με το ειδικό GPIO που έχουμε στην άκρη, έχουμε 17 GPIO. Καθένας από τους 17 ακροδέκτες GPIO δεν μπορεί να λάβει τάση υψηλότερη από + 3.3V, οπότε οι έξοδοι Op-amp δεν μπορούν να είναι υψηλότερες από 3.3V. Ως εκ τούτου, επιλέξαμε το op-amp LM324, καθώς αυτό το τσιπ μπορεί να λειτουργήσει σε + 3.3V παρέχοντας λογικές εξόδους όχι περισσότερο από + 3.3V. Μάθετε περισσότερα για τις καρφίτσες GPIO του Raspberry Pi εδώ. Ελέγξτε επίσης τη σειρά εκμάθησης Raspberry Pi μαζί με μερικά καλά έργα IoT.
Προσαρμογέας AC σε DC για έλεγχο της γραμμής AC:
Θα χρησιμοποιήσουμε λογική τάσης εξόδου προσαρμογέα AC σε DC για να ανιχνεύσουμε την κατάσταση γραμμής AC. Αν και υπάρχουν διάφοροι τρόποι για την ανίχνευση της κατάστασης της γραμμής AC, αυτός είναι ο ασφαλέστερος και ευκολότερος τρόπος να πάτε. Θα πάρουμε λογική + 5V από τον προσαρμογέα και θα την δώσουμε στο Raspberry Pi μέσω ενός κυκλώματος διαχωριστή τάσης για να συγκαλυφθεί + 5V λογική υψηλής έως + 3.3v λογική ΥΨΗΛΗΣ. Δείτε το διάγραμμα κυκλώματος για καλύτερη κατανόηση.
Power Bank και μπαταρία μολύβδου οξέος 12v για τροφοδοτικό:
Λάβετε υπόψη ότι το Raspberry Pi πρέπει να λειτουργεί απουσία ρεύματος, επομένως θα οδηγήσουμε το PI χρησιμοποιώντας Power Bank (μπαταρία 10000mAH) και η λυχνία LED 9WATT θα τροφοδοτείται από + 12V, 7AH σφραγισμένη μπαταρία LEAD ACID. Η λυχνία LED δεν μπορεί να τροφοδοτηθεί από τράπεζα τροφοδοσίας καθώς αντλούν υπερβολική ισχύ, επομένως πρέπει να τροφοδοτούνται από ξεχωριστή πηγή τροφοδοσίας.
Μπορείτε να τροφοδοτήσετε το Raspberry Pi με + 12V μπαταρία εάν διαθέτετε αποδοτικό μετατροπέα + 12V έως + 5v. Με αυτόν τον μετατροπέα μπορείτε να αφαιρέσετε την τράπεζα τροφοδοσίας και να τροφοδοτήσετε ολόκληρο το κύκλωμα με μία μόνο πηγή μπαταρίας.
Επεξήγηση κυκλώματος:
Το διάγραμμα κυκλώματος του Raspberry Pi Emergency Light δίνεται παρακάτω:
Εδώ χρησιμοποιήσαμε τρεις στους τέσσερις συγκριτές μέσα στο LM324 IC. Δύο από αυτά θα χρησιμοποιηθούν για την ανίχνευση των επιπέδων έντασης φωτός και το τρίτο για την ανίχνευση της στάθμης χαμηλής τάσης μπαταρίας + 12V
1. OP-AMP1 ή U1A: Ο αρνητικός ακροδέκτης αυτού του συγκριτή διαθέτει 1.2V (ρυθμίστε το RV2 για να πάρει την τάση) και το θετικό τερματικό συνδέεται στο δίκτυο διαχωριστή τάσης LDR. Καθώς η σκιά πέφτει στο LDR, η εσωτερική του αντίσταση αυξάνεται. Με την αύξηση της εσωτερικής αντίστασης του LDR, η πτώση τάσης στο θετικό τερματικό του OP-AMP1 αυξάνεται. Μόλις αυτή η τάση υπερβεί τα 1,2V, το OP-AMP1 παρέχει έξοδο + 3.3V. Αυτή η ΥΨΗΛΗ λογική έξοδος του OP-AMP θα ανιχνευθεί από το Raspberry Pi.
2. OP-AMP2 ή U1B: Το αρνητικό τερματικό αυτού του συγκριτή διαθέτει 2.2V (ρυθμίστε το RV3 για να λάβετε την τάση) και το θετικό τερματικό συνδέεται στο δίκτυο διαχωριστή τάσης LDR. Καθώς η σκιά που πέφτει στο LDR αυξάνεται περαιτέρω, η εσωτερική του αντίσταση πηγαίνει ακόμη μεγαλύτερη. Με περαιτέρω αύξηση της εσωτερικής αντίστασης του LDR, η πτώση τάσης στο θετικό τερματικό του OP-AMP2 αυξάνεται. Μόλις αυτή η τάση υπερβεί τα 2.2V, το OP-AMP2 παρέχει έξοδο + 3.3V. Αυτή η ΥΨΗΛΗ λογική έξοδος του OP-AMP θα ανιχνευθεί από το Raspberry Pi.
3. OP-AMP3 ή U1C: Αυτό το OP-AMP θα χρησιμοποιηθεί για την ανίχνευση χαμηλής τάσης στάθμης μπαταρίας + 12v. Ο αρνητικός ακροδέκτης αυτού του συγκριτή διαθέτει 2.1V (ρυθμίστε το RV1 για να λάβετε την τάση) και ο θετικός ακροδέκτης συνδέεται σε ένα κύκλωμα διαχωριστή τάσης. Αυτός ο διαχωριστής διαιρεί την τάση της μπαταρίας κατά 1 / 5,7 φορές, επομένως για τάση μπαταρίας 12,5V θα έχουμε 2,19V στο θετικό τερματικό του OP-AMP3. Όταν η τάση της μπαταρίας πέσει κάτω από 12,0V, η τάση στο θετικό ακροδέκτη θα είναι <2.1V. Έτσι, με το 2.1v στο αρνητικό τερματικό, η έξοδος OP-AMP πηγαίνει χαμηλή. Έτσι, όταν η τάση της μπαταρίας πέσει κάτω από 12V (σημαίνει κάτω από 2,1v στο θετικό τερματικό), το OP-AMP μειώνει την έξοδο, αυτή η λογική θα ανιχνευθεί από το Raspberry Pi.
Επεξήγηση εργασίας:
Ολόκληρη η λειτουργία αυτής της Λάμπας έκτακτης ανάγκης Raspberry Pi μπορεί να δηλωθεί ως:
Το πρώτο Raspberry Pi ανιχνεύει εάν υπάρχει ισχύ εναλλασσόμενου ρεύματος ή όχι ανιχνεύοντας λογική στο GPIO23, όπου λαμβάνονται + 3.3V από τον προσαρμογέα AC Μόλις η τροφοδοσία απενεργοποιηθεί, το + 5V από τον προσαρμογέα σβήνει και το Raspberry Pi πηγαίνει στο επόμενο βήμα μόνο αν εντοπιστεί αυτή η λογική LOW, εάν όχι, το PI δεν θα μετακινηθεί στο επόμενο βήμα. Αυτή η λογική LOW συμβαίνει μόνο όταν απενεργοποιείται η τροφοδοσία AC.
Το επόμενο PI ελέγχει εάν το επίπεδο μπαταρίας LEAD ACID είναι χαμηλό. Αυτή η λογική παρέχεται από το OP-AMP3 στο GPIO16. Εάν η λογική είναι χαμηλή, τότε το PI δεν μεταβαίνει στο επόμενο βήμα. Με τάση μπαταρίας μεγαλύτερη από + 12V, το PI μεταβαίνει στο επόμενο βήμα.
Το επόμενο Raspberry Pi ελέγχει εάν το σκοτάδι στο δωμάτιο είναι ΥΨΗΛΟ, αυτή η λογική παρέχεται από το OP-AMP2 στο GPIO20. Εάν ναι, το PI παρέχει έξοδο PWM (Pulse Width Modulation) με κύκλο λειτουργίας 99%. Αυτό το σήμα PWM οδηγεί τον οπτο-ζεύκτη που οδηγεί το MOSFET. Το MOSFET ενεργοποιεί τη ρύθμιση LED 9WATT, όπως φαίνεται στην εικόνα. Εάν δεν υπάρχει πλήρες σκοτάδι τότε το PI μεταβαίνει στο επόμενο βήμα. Μάθετε περισσότερα για το PWM στο Raspberry Pi εδώ.
Στη συνέχεια, το Raspberry Pi ελέγχει εάν το σκοτάδι στο δωμάτιο είναι χαμηλό, αυτή η λογική παρέχεται από το OP-AMP1 στο GPIO21. Εάν ναι, το PI παρέχει έξοδο PWM (Pulse Width Modulation) με κύκλο λειτουργίας 30%. Αυτό το σήμα PWM οδηγεί τον οπτο-ζεύκτη που οδηγεί το MOSFET. Το MOSFET ενεργοποιεί τη ρύθμιση LED 9WATT, όπως φαίνεται στην εικόνα. Εάν υπάρχει κατάλληλο φως στο δωμάτιο, τότε το Raspberry Pi δεν παρέχει έξοδο PWM, οπότε το LAMP θα είναι εντελώς απενεργοποιημένο.
Επομένως, για να ανάψετε αυτήν τη λάμπα έκτακτης ανάγκης, και οι δύο συνθήκες πρέπει να είναι αληθινές, σημαίνει ότι η γραμμή AC πρέπει να είναι σβηστή και πρέπει να υπάρχει σκοτάδι στο δωμάτιο. Μπορείτε να αποκτήσετε τη σαφή κατανόηση ελέγχοντας τον πλήρη κώδικα Python και το βίντεο παρακάτω.
Μπορείτε να προσθέσετε περισσότερες ενδιαφέρουσες λειτουργίες και επίπεδα σκοταδιού σε αυτήν τη λάμπα έκτακτης ανάγκης Ελέγξτε επίσης τα περισσότερα κυκλώματα Power Electronics:
- 0-24v 3A Μεταβλητή Τροφοδοσία με χρήση LM338
- Κύκλωμα φορτιστή μπαταρίας 12v με χρήση LM317
- Κύκλωμα μετατροπέα 12v DC έως 220v AC
- Κύκλωμα φορτιστή κινητού τηλεφώνου