DIY IoT-Geräte mit LED-Strings - Gunook

2024 Autor: John Day | [email protected]. Zuletzt bearbeitet: 2024-01-30 07:20

(Haftungsausschluss: Ich bin kein englischer Muttersprachler.)

Vor einiger Zeit kaufte meine Frau einige LED-Lichterketten, um den Garten nachts zu beleuchten. Sie haben eine sehr schöne Atmosphäre geschaffen. Sie wurden um die Bäume gelegt, aber raten Sie mal, was passieren sollte, wir haben die Fäden durchtrennt, während wir die Bäume fällen…

Was ich Ihnen heute zeigen möchte, ist, wie Sie kaputte Dinge wie diese LED-Strings retten und interessante vernetzte Geräte erstellen, die Sie mit Ihrem Smartphone steuern können.

Sie lernen, wie Sie mit einem Mikrocontroller und einem Transistor LEDs ansteuern, Ihr Gerät mit dem Internet verbinden und das Gerät von Ihrem Smartphone aus steuern. Ich gehe nur davon aus, dass Sie über grundlegende Kenntnisse in der Elektronik verfügen, z. B. wie man das Ohmsche Gesetz anwendet. Wenn Sie jemals einen Arduino programmiert haben, ist es noch besser.

Beginnen wir mit den Geräten, die ich bauen möchte. Das Gute an geschnittenen Saiten ist, dass es mindestens zwei Teile gibt. Damit kann ich mindestens zwei Geräte bauen. Ich beginne mit einer angeschlossenen Lampe, die ich auf einen Tisch stelle und dann mit einer angeschlossenen LED-Kette, mit der ich mein neues Schlafzimmer beleuchten werde. Alles, was ich möchte, ist eine Möglichkeit, das Licht mit meinem Smartphone ein- und auszuschalten.

Aber das Wichtigste zuerst, wir müssen sehen, wie die Dinge funktioniert haben, um die Lichter wiederzuverwenden.

Schritt 1: Reverse Engineering

Wir haben zwei LED-Strings, aber wir kennen den Spannungsabfall an den String-Pins und den Strom, den sie benötigen, nicht. Leider habe ich kein Datenblatt, um diese Werte zu erhalten.

In diesen Fällen müssen wir alles selbst herausfinden. Nehmen wir das Gehäuse auseinander.

Nachdem wir einige Schrauben mit einem Schraubendreher entfernt haben, sehen wir eine sehr einfache Schaltung. Der interessante Teil ist um die LED-String-Pins herum, wir sehen einen Spannungsregler (3-Pin-Komponente), einen Widerstand (die Blackbox mit 100 darauf) und die LED-String-Pins. Bei näherer Betrachtung (Schaltungsdesign) sehen wir, dass der Reglerausgang mit der LED-Kette verbunden ist, die wiederum über einen 10-Ohm-Widerstand mit Masse verbunden ist (100 bedeutet 10x10e0). Legen wir einige Batterien ein und messen den Spannungsabfall über den String-Pins und zwischen dem Reglerausgang und der Masse.

Mit einem Multimeter können wir einen Spannungsabfall von etwa 3 V an den String-Pins messen (wie in den Bildern gezeigt). Wir messen auch 4,5 V zwischen dem Reglerausgang und Masse. Daraus folgern wir, dass am 10-Ohm-Widerstand ein Spannungsabfall von 1,5 V auftritt; Wir können es tatsächlich auch messen. Mit dem Ohmschen Gesetz (U = RI) wissen wir, dass der Strom durch den Zweig 1,5 V / 10 Ohm = 0,150 A oder 150 mA beträgt. Auch hier können wir den Strom messen, aber wir müssten das Multimeter in Reihe mit der Schnur schalten, was nicht einfach ist.

Wir wissen jetzt, wie man die LED-Strings antreibt. Lassen Sie uns unser Gerät bauen.

Schritt 2: Materialien & Werkzeuge

Hier ist, was Sie brauchen, um die Geräte zu bauen:

- ein paar Schraubendreher zum Abreißen von Sachen, ich mag so einen Bausatz

- einige LED-Lichterketten, wenn Sie die Geräte reproduzieren möchten

- ein ESP8266, es wird das Gehirn unseres Geräts sein

- ein Steckbrett und einige Drähte, wir werden sie verwenden, um den Prototyp zu bauen

- ein Widerstands-Sortiment-Kit und ein Transistor-Sortiment-Kit, Sie können auch ein größeres Kit mit vielen nützlichen Komponenten kaufen, es ist auch möglich, nur die benötigten Komponenten zu kaufen

Wenn Sie eine permanente Schaltung erstellen möchten, benötigen Sie einige Werkzeuge und einige Protoboards:

- Sie können ein Lötkit für den Anfang recht günstig kaufen. Sie finden ein Multimeter, mit dem Sie Ihre eigenen Sachen zurückentwickeln können

- ein Cutter ist sehr nützlich zum Schneiden von Drähten und Komponentenkabeln

- einige Prototypen

- etwas massiver Draht

Es mag viel erscheinen, um anzufangen, aber Sie werden einige Lagerbestände für jedes andere Projekt aufbauen, das Sie möglicherweise haben. Wenn es Ihnen nichts ausmacht zu warten, können Sie bei Aliexpress alles zu einem viel niedrigeren Preis bestellen. Wenn Sie diese Tools nicht kaufen möchten, können Sie alternativ auch zum nächstgelegenen Hackerspace gehen.

Schließlich benötigen Sie ein paar Stunden, um alles zu bauen (weniger, wenn Sie nur diesem Tutorial folgen).

Schritt 3: Wie man einen Transistor verwendet

Wir wissen, dass der LED-String 150 mA benötigt, aber es ist viel mehr als das, was der ESP8266 sicher an seinen Ausgangspins liefern kann. Sie möchten nicht mehr als 12 mA pro GPIO-Pins auf dem Mikrocontroller treiben. Um diese Einschränkung zu umgehen, wird eine Art Schalter benötigt, der vom Mikrocontroller gesteuert werden kann. Die gebräuchlichsten Schalter sind das Relais und der Transistor. Ein Relais wird sicherlich funktionieren, ist aber sperriger und teurer, und die meiste Zeit möchten Sie einen Transistor verwenden, um ein Relais anzusteuern.

Wir werden Transistoren für beide Geräte verwenden. Um einen Transistor wie einen Schalter zu verwenden, müssen wir Strom durch seine Basis treiben. Der Strom, der durch die LED-Reihe fließt, ist proportional zum Strom, der durch die Basis fließt.

Sie können mit einem Arduino und einem Transistor auf Tinkercad spielen, um ein Gefühl dafür zu bekommen, wie die Dinge funktionieren. Ich habe eine grundlegende Simulation erstellt, die Sie optimieren können. Wenn Sie mehr über Tinkercad erfahren möchten, können Sie diesem erstaunlichen Tutorial folgen: So verwenden Sie Tinkercad zum Testen und Implementieren Ihrer Hardware.

Sie können sehen, dass der Transistor wie ein geschlossener Schalter funktioniert, wenn der GPIO-Ausgang hoch ist, und wie ein offener Schalter, wenn der GPIO-Ausgang niedrig ist. Sie können auch mit den Widerstandswerten spielen. Der mit der LED in Reihe geschaltete Widerstand begrenzt den Stromfluss durch die LED und der mit der Basis des Transistors verbundene Widerstand steuert den maximalen Strom, der durch die LED fließt. Wenn Sie den Basiswiderstand erhöhen, treiben Sie nicht genug Strom für die LED und das Licht wird dunkler.

Sie können sich meine Notizen ansehen, um zu sehen, welche Widerstandswerte ich für die Geräte wähle. Ich hätte den 3,3-V-Ausgang anstelle des 5-V-Ausgangs verwenden können, aber dann hätte ich nicht die entsprechenden Widerstände, um die Schaltung aufzubauen. Zögern Sie nicht, das Transistordatenblatt zu lesen, um nach der Transistorverstärkung zu suchen.

Lassen Sie uns nun einen Prototyp bauen.

Schritt 4: Bauen Sie einen Prototyp der Schaltung

Wir müssen den LED-String-Draht vorbereiten. Schneiden wir zuerst die erste Hälfte ab, um den Batteriehalter zu trennen. Dann den Draht abisolieren, ich habe einen Klemmenblock verwendet, um die LED-Kette mit dem Steckbrett zu verbinden. Wir werden auch den ESP8266 brauchen, ich habe einen D1-Mini-Klon, zwei Widerstände und einen Transistor verwendet.

Ich wähle einen p2222a für den Transistor, aber Sie können jeden NPN-Transistor wählen. Sie müssen nur die Widerstandswerte entsprechend der Transistorverstärkung überprüfen, die Sie auf dem Transistordatenblatt finden. Ich wähle einen Basiswiderstand von 1k Ohm und einen LED-Widerstand von 15 Ohm. Die Basis wird vom GPIO5 oder D1 angesteuert.

Bewahren Sie den Batteriehalter auf, da er für ein anderes Projekt nützlich sein kann oder sogar Ihre neu erstellten Geräte mit Strom versorgt.

Folgen Sie einem Tutorial zum Hochladen eines Programms auf den ESP8266 mit der Arduino IDE, laden Sie das Blinkprogramm hoch, das die LED_BUILTIN durch D1 ersetzt, und Sie können jetzt eine blinkende LED-Zeichenfolge genießen.

Wenn die Schaltung für Sie nicht funktioniert, versuchen Sie, die LED-Drähte zu tauschen, da Sie die Anode mit dem LED-Widerstand verbinden müssen. Ich vertausche immer die Drähte…

Verwenden Sie Ihr Multimeter, um die Verbindung und den Spannungsabfall zu überprüfen. Sie sollten 3,3 V zwischen D1 und Masse sehen, wenn der Ausgang hoch ist. Sie sollten auch eine Spannung von 3 V zwischen den LED-Stringdrähten sehen.

Eine blinkende LED-Kette zu haben ist gut, aber wie können wir die LED-Kette mit unserem Smartphone steuern?

Schritt 5: Verwenden Ihres Smartphones zum Antreiben der LED-Lichterketten - Teil I

Sie müssen die Blynk-App auf Ihrem Smartphone installieren.

Sobald die App installiert ist, erstellen Sie ein neues Projekt. Blynk sendet Ihnen eine E-Mail mit einem Token (Reihe von Hex-Zeichen), das Sie für Ihr ESP8266-Programm benötigen. Erstellen Sie eine Schaltfläche, die als Schalter fungiert. Die Taste sollte den GPIO5- oder D1-Pin des ESP8266 ansteuern. Sie können Ihr Projekt jetzt abspielen. Beachten Sie, dass die App Ihnen mitteilt, dass das Gerät offline ist.

Sie können das Projekt später bearbeiten, um Timer hinzuzufügen, die die Lichter steuern.

Schritt 6: Verwenden Ihres Smartphones zum Antreiben der LED-Lichterketten - Teil II

Öffnen Sie Ihre Arduino-IDE. Sie müssen die Blynk-Bibliothek installieren; Folgen Sie dazu einfach den Screenshots, die ich gemacht habe. Gehen Sie zum Menü "Extras", klicken Sie auf "Bibliotheken verwalten", suchen Sie nach "Blynk" und installieren Sie die neueste Version.

Sie können jetzt ein Beispiel öffnen, das Blynk auf dem ESP8266 für Sie einrichtet. Das Beispiel ist auf den Screenshots dargestellt.

Stellen Sie sicher, dass Sie das richtige Board ausgewählt haben, in meinem Fall "D1 mini" und den richtigen Port.

Aktualisieren Sie den Code mit Ihrer WLAN-SSID und Ihrem Passwort (normalerweise der WPA- oder WEP-Schlüssel auf der Internetbox). Sie müssen auch den Token ausfüllen, den Sie per E-Mail erhalten haben.

Sie können den Code nun auf den ESP8266 hochladen. Warten Sie nach dem Hochladen des Codes einige Sekunden, um sicherzustellen, dass Ihr Gerät über WLAN mit Ihrem Internetrouter verbunden ist und Sie die Lichter mit der von Ihnen erstellten Blynk-Taste steuern können.

Sie haben jetzt ein IoT-Gerät! Sie können dort aufhören, wenn Sie möchten, aber vergessen Sie nicht, den Abschnitt "Ressourcen" zu lesen. Wenn Sie mehr Spaß haben und eine permanente Schaltung und ein Gehäuse bauen möchten, lesen Sie weiter.

Schritt 7: Erstellen Sie eine permanente Schaltung (Bonus)

Es ist an der Zeit, einen dauerhaften Kreislauf zu schaffen. Sie können dieses und dieses Video ansehen, um mehr über das Löten zu erfahren. Ich habe ein Standard-Proto-Board mit einigen Headern für den ESP8266 verwendet. Auf diese Weise kann ich den Mikrocontroller für ein anderes Projekt wiederverwenden. Sie können den Mikrocontroller direkt an Ihr Proto-Board löten. Wenn Sie sich nicht sicher sind, wählen Sie ein Proto-Board, das wie ein Steckbrett aussieht. Sie können Ihre Steckbrettverbindungen wiederverwenden.

Ich habe bei meinem ersten Gerät zwei Fehler gemacht. Ich habe den Klemmenblock nicht für die LED-Kette verwendet … und ich habe die Drähte invertiert. Sie können den negativen oder positiven Draht markieren, es wird jedoch empfohlen, einen Klemmenblock zu verwenden. Der zweite Fehler ist, dass ich die 3,3 V verwendet habe, um die LED-Kette zu betreiben, was zu einem dunkleren Licht führt. Wenn Sie wie ich Fehler machen, machen Sie sich keine Sorgen, es ist einfach, Lötmittel zu entfernen und die Widerstandswerte zu ändern oder die Verbindungen zu aktualisieren. Sie können später sogar weitere Komponenten hinzufügen!

Jetzt, da Sie Ihre permanente Schaltung haben, ist es an der Zeit, das Gehäuse zu bauen.

Schritt 8: Bauen Sie ein Gehäuse (Bonus)

Ich habe ein Sparkfun-Tutorial auf Tinkercad befolgt, um ein Gehäuse für meine Geräte zu bauen. Ich habe das Gehäuse mit meinem neu erworbenen Prusa i3 MK3 mit etwas PLA-Filament (20% Infill und 0,2 mm) gedruckt. Es ist eigentlich eine Premiere für mich und ich habe schon zwei Fehler gemacht, die ihr auf den Bildern sehen könnt. Mein erstes Gehäuse hatte nicht den erforderlichen Platz für den USB-Stecker und die Löcher waren nicht ausgerichtet. Ich habe dann eine neue Version mit besserer Passform entworfen, die auch einen Deckel tragen kann. Sie können etwas Zeit und Geld sparen, indem Sie nur den erforderlichen Teil des Gehäuses drucken, um die Passform mit der Schaltung zu testen.

Sie haben jetzt zwei IoT-Geräte, die Sie mit Blynk steuern können. Der Himmel ist das Limit. Sie können das Projekt komplett erweitern mit einem Präsenzmelder, der das Licht steuert, mit einem Timer, der das Licht nach einer bestimmten Zeit ausschaltet, oder sogar mit der LED-Lichterkette als Benachrichtigungssystem; Sie könnten beispielsweise blinken, wenn Sie eine E-Mail erhalten.

Viel Spaß beim Hacken!

Schritt 9: Ressourcen

Ich kann dieses Buch nicht genug empfehlen: Make: Electronics: Learning Through Discovery. Sie können etwas über Transistoren, Kondensatoren und viele andere interessante Dinge über Elektronik lernen. Es verfügt über das erforderliche Wissen, um mit elektronischen Komponenten zu basteln. Gepaart mit Ihrem gerade erworbenen Wissen über ESP8266, Blynk und Tinkerpad werden Sie in der Lage sein, sehr interessante Dinge zu bauen.

Sie können viel lernen, wenn Sie Youtube-Videos ansehen. Ich empfehle folgende Kanäle:

- EEVblog

- Großartiger Scott!

- Khan Akademie

Wenn Sie mutig genug sind, können Sie sich in edx- oder Coursera-Kursen zu IoT oder Elektronik mehr Wissen aneignen.