У цій сесії ми збираємося зробити аварійну лампу потужністю 9 Вт з використанням Raspberry Pi та Python. Ця лампа автоматично виявляє темряву та відсутність джерела живлення змінного струму, а також загоряється при відключенні електроенергії та відсутності належного світла.
Хоча існують різні аварійні лампи, але вони суто призначені для єдиного призначення, як одна проста схема аварійного освітлення, яку ми створили раніше, спрацьовує лише при відключенні електроживлення. За допомогою Raspberry Pi ми можемо додати до нього різні інші функції, як тут ми додали LDR для виявлення Темряви на різних рівнях. Тут ми додали два рівні: коли повністю темно, лампа буде світитися з повною інтенсивністю, а коли буде напівтемрява, вона буде світитися на 30% потужності. Отже, ми збираємося розробити цю лампу, щоб її вмикали, коли лінія змінного струму ВИМКНЕНА і коли інтенсивність світла в кімнаті дуже низька.
Необхідні компоненти:
Тут ми використовуємо Raspberry Pi 2 Model B з ОС Raspbian Jessie. Усі основні вимоги до обладнання та програмного забезпечення обговорювались раніше, ви можете переглянути їх у Вступі про Raspberry Pi та Світлодіодний індикатор Raspberry PI для початку, крім того, що нам потрібно:
- Конденсатор 1000 мкФ
- 1WATT LED (9 штук)
- + 12В герметична свинцева батарея
- Банк живлення 6000-10000mAH
- + 5 В адаптер постійного струму
- Lm324 OP-AMP чіп
- Оптрон 4N25
- МОП-транзистор IRFZ44N
- LDR (світлозалежний резистор)
- Світлодіод (1 шт.)
- Резистори: 1KΩ (3 шт.), 2.2KΩ, 4.7KΩ, 100Ω (2 шт.), 10Ω (9 шт.), 10KΩ, 100KΩ
- 10 кОм (3 штуки) (усі резистори мають 0,25 Вт)
Опис:
Перш ніж переходити до схеми підключень та її роботи, ми дізнаємося про компоненти та їх призначення в схемі:
9 Вт світлодіодна лампа:
ЛАМПА складається з дев'яти світлодіодів 1Вт. На ринку представлені різні види світлодіодів, але світлодіоди 1 Вт легко доступні скрізь. Ці світлодіоди працюють при напрузі 3,6 В, тому ми підключимо три з них послідовно разом із захисними діодами для роботи при + 12 В. Ми з’єднаємо три з цих смужок, утворюючи світлодіодну лампу потужністю 9 Вт. Ми будемо експлуатувати цю лампу з Raspberry Pi відповідно.
LDR (світлозалежний резистор) для виявлення темряви:
Ми збираємось використовувати LDR (світлозалежний резистор) для виявлення інтенсивності світла в кімнаті. LDR змінює свій опір лінійно з інтенсивністю світла. Цей LDR буде підключений до дільника напруги. При цьому ми матимемо змінну напругу, яка представлятиме змінну інтенсивність світла. Якщо інтенсивність світла НИЗЬКА, вихідна напруга буде ВИСОКОЮ, а якщо інтенсивність світла, якщо ВИСОКА вихідна напруга буде НИЗКОЮ.
Операційний підсилювач LM324 IC для перевірки вихідного сигналу LDR:
Raspberry Pi не має внутрішнього механізму АЦП (аналого-цифрового перетворювача). Тому цю установку неможливо підключити безпосередньо до Raspberry Pi. Ми будемо використовувати компаратори на основі OP-AMP для перевірки вихідних напруг від LDR.
Тут ми використали операційний підсилювач LM324, який має чотири операційні підсилювачі всередині, і ми використали два операційні підсилювачі з цих чотирьох. Тож наш PI зможе виявляти інтенсивність світла на двох рівнях. Залежно від цих рівнів ми будемо регулювати яскравість світлодіодної лампи. Коли настане повна темрява, лампа буде світитися з повною інтенсивністю, а коли буде напівтемрява, вона буде світитися з потужністю 30%. В кінці перевірте код та відео Python, щоб зрозуміти це правильно. Тут ми використовували концепцію ШІМ в Raspberry Pi для управління інтенсивністю світлодіодів.
Raspberry Pi має 26GPIO, з яких деякі використовуються для спеціальних функцій. Якщо відкласти спеціальний GPIO, ми маємо 17 GPIO. Кожен з 17 контактів GPIO не може приймати напругу вище + 3,3 В, тому виходи Op-підсилювача не можуть бути вище 3,3 В. Тому ми вибрали операційний підсилювач LM324, оскільки цей чіп може працювати при + 3,3 В, забезпечуючи логічні виходи не більше + 3,3 В. Дізнайтеся більше про GPIO-шпильки Raspberry Pi тут. Також перегляньте наші навчальні серії Raspberry Pi разом із декількома хорошими проектами IoT.
Адаптер змінного та постійного струму для перевірки лінії змінного струму:
Ми будемо використовувати логіку вихідної напруги адаптера змінного та постійного струму для виявлення стану мережі змінного струму. Хоча існують різні способи виявлення стану лінії змінного струму, це найбезпечніший і найпростіший спосіб. Ми візьмемо логіку + 5 В з адаптера і передамо її Raspberry Pi через схему дільника напруги, щоб приховати + 5 В високої логіки до + 3,3 В HIGH логіку. Див. Принципову схему для кращого розуміння.
Банк живлення та свинцево-кислотна батарея 12 В для живлення:
Майте на увазі, що Raspberry Pi повинен працювати при відсутності живлення, тому ми будемо керувати PI за допомогою Power Bank (акумуляторний блок 10000 мАг), а світлодіодна лампа 9WATT буде живитись від +12 В, 7AH герметичної свинцевої кислоти. Світлодіодну лампу не можна живити від акумуляторної батареї, оскільки вона забирає занадто багато енергії, тому їх потрібно живити від окремого джерела живлення.
Ви можете живити Raspberry Pi від батареї + 12 В, якщо у вас ефективний перетворювач від + 12 до + 5 В. За допомогою цього перетворювача ви можете вимкнути банк живлення та живити всю схему за допомогою одного джерела батареї.
Пояснення схеми:
Принципова схема аварійного світла Raspberry Pi наведена нижче:
Тут ми використали три з чотирьох компараторів всередині LM324 IC. Два з них будуть використані для виявлення рівнів інтенсивності світла, а третій - для виявлення рівня низької напруги батареї + 12 В.
1. OP-AMP1 або U1A: негативний термінал цього компаратора забезпечений 1,2 В (відрегулюйте RV2, щоб отримати напругу), а позитивний термінал підключений до мережі дільника напруги LDR. Коли тінь падає на LDR, його внутрішній опір зростає. Зі збільшенням внутрішнього опору LDR падіння напруги на позитивній клемі OP-AMP1 зростає. Як тільки ця напруга перевищує 1,2 В, OP-AMP1 забезпечує вихід + 3,3 В. Цей ВИСОКИЙ логічний вихід OP-AMP буде виявлений Raspberry Pi.
2. OP-AMP2 або U1B: негативний термінал цього компаратора забезпечений 2,2 В (відрегулюйте RV3, щоб отримати напругу), а позитивний термінал підключений до мережі дільника напруги LDR. У міру збільшення відтінку, що падає на LDR, його внутрішній опір стає ще вищим. З подальшим підвищенням внутрішнього опору LDR падіння напруги на позитивній клемі OP-AMP2 зростає. Як тільки ця напруга перевищує 2,2 В, OP-AMP2 забезпечує вихід + 3,3 В. Цей ВИСОКИЙ логічний вихід OP-AMP буде виявлений Raspberry Pi.
3. OP-AMP3 або U1C: Цей OP-AMP буде використовуватися для виявлення низького рівня напруги акумуляторної батареї + 12 В. Негативна клема цього компаратора забезпечена 2,1 В (відрегулюйте RV1, щоб отримати напругу), а позитивна клема підключена до схеми дільника напруги. Цей дільник ділить напругу акумулятора в 1/5,7 рази, отже, для напруги батареї 12,5 В ми матимемо 2,19 В на позитивній клеммі OP-AMP3. Коли напруга акумулятора опуститься нижче 12,0 В, напруга на позитивній клемі буде <2,1 В Отже, з напругою 2,1 в на негативному терміналі вихід OP-AMP знижується. Отже, коли напруга акумулятора падає нижче 12 В (означає нижче 2,1 в на позитивному терміналі), OP-AMP відключає вихід, ця логіка буде виявлена Raspberry Pi.
Робоче пояснення:
Вся функція цієї аварійної лампи Raspberry Pi може бути визначена як:
Перший Raspberry Pi визначає, чи є джерело змінного струму чи ні, за допомогою зондування логіки на GPIO23, де береться 3,3 В від адаптера змінного струму. Як тільки живлення вимкнеться, + 5 В від адаптера вимкнеться, і Raspberry Pi перейде до наступного кроку, лише якщо виявлено цю НИЗЬКУ логіку, якщо не PI не перейде до наступного кроку. Ця НИЗЬКА логіка відбувається лише тоді, коли живлення змінного струму вимикається.
Далі PI перевіряє, чи низький рівень заряду акумулятора LEAD ACID. Цю логіку забезпечує OP-AMP3 на GPIO16. Якщо логіка НИЗЬКА, то PI не переходить до наступного кроку. При напрузі акумулятора вище + 12 В, PI переходить до наступного кроку.
Далі Raspberry Pi перевіряє, чи темрява в кімнаті ВИСОКА, цю логіку забезпечує OP-AMP2 на GPIO20. Якщо так, PI забезпечує вихід ШІМ (модуляція ширини імпульсу) із робочим циклом 99%. Цей ШІМ-сигнал керує оптроном, який керує МОП-транзистором. МОП-транзистор забезпечує потужність налаштування світлодіода 9 Вт, як показано на малюнку. Якщо темнота не повністю, тоді PI переходить до наступного кроку. Дізнайтеся більше про ШІМ у Raspberry Pi тут.
Потім Raspberry Pi перевіряє, чи темрява в кімнаті НІЗКА, цю логіку забезпечує OP-AMP1 на GPIO21. Якщо так, PI забезпечує вихід ШІМ (модуляція ширини імпульсу) із робочим циклом 30%. Цей ШІМ-сигнал керує оптроном, який керує МОП-транзистором. МОП-транзистор забезпечує потужність налаштування світлодіода 9 Вт, як показано на малюнку. Якщо в приміщенні є належне світло, то Raspberry Pi не забезпечує вихід ШІМ, тому ЛАМПУ буде повністю ВИМКНЕНО.
Отже, щоб увімкнути цю аварійну лампу, обома умовами має бути True, це означає, що лінія змінного струму повинна бути вимкнена, а в кімнаті повинна бути темрява. Ви можете чітко зрозуміти це, перевіривши повний код Python та відео нижче.
Ви можете додатково додати більше цікавих функціональних можливостей та рівні темряви до цієї аварійної лампи. Також перевірте наші інші схеми силової електроніки:
- 0-24v 3A Змінний блок живлення за допомогою LM338
- Схема зарядного пристрою на 12 В за допомогою LM317
- Схема інвертора змінного струму від 12 В до 220 В
- Схема зарядного пристрою стільникового телефону