Trong phần này, chúng ta sẽ tạo một Đèn khẩn cấp 9WATT bằng Raspberry Pi và Python. Đèn này sẽ tự động phát hiện bóng tối và không có nguồn điện AC, và sáng khi mất điện và không có ánh sáng thích hợp.
Mặc dù có nhiều loại đèn khẩn cấp khác nhau nhưng chúng hoàn toàn dành riêng để phục vụ một mục đích duy nhất, giống như một Mạch đèn khẩn cấp đơn giản mà chúng tôi đã tạo trước đây, chỉ kích hoạt khi mất điện. Với Raspberry Pi, chúng tôi có thể thêm nhiều chức năng khác vào nó, như ở đây chúng tôi đã thêm LDR để phát hiện Bóng tối ở các cấp độ khác nhau. Ở đây chúng tôi đã thêm hai mức độ, khi hoàn toàn tối, đèn sẽ phát sáng với cường độ tối đa và khi có nửa tối, đèn sẽ phát sáng ở mức 30% công suất. Vì vậy, ở đây chúng tôi sẽ thiết kế đèn này được BẬT khi nguồn điện AC TẮT và khi cường độ ánh sáng trong phòng xuống rất thấp.
Các thành phần bắt buộc:
Ở đây chúng tôi đang sử dụng Raspberry Pi 2 Model B với Hệ điều hành Raspbian Jessie. Tất cả các yêu cầu cơ bản về Phần cứng và Phần mềm đã được thảo luận trước đây, bạn có thể tra cứu nó trong phần Giới thiệu Raspberry Pi và Nhấp nháy đèn LED Raspberry PI để bắt đầu, ngoài những điều chúng tôi cần:
- Tụ điện 1000µF
- 1WATT LED (9 miếng)
- + Pin ACID LEAD kín 12V
- Ngân hàng điện 6000-10000mAH
- Bộ đổi nguồn + 5V DC
- Chip OP-AMP Lm324
- 4N25 Optocoupler
- IRFZ44N MOSFET
- LDR (Điện trở phụ thuộc vào ánh sáng)
- LED (1 mảnh)
- Điện trở: 1KΩ (3 miếng), 2,2KΩ, 4,7KΩ, 100Ω (2 miếng), 10Ω (9 miếng), 10KΩ, 100KΩ
- Nồi 10KΩ (3 cái) (tất cả điện trở là 0,25 watt)
Sự miêu tả:
Trước khi đi vào Kết nối mạch và hoạt động của nó, chúng ta sẽ tìm hiểu về các thành phần và mục đích của chúng trong mạch:
Đèn LED 9 Watt:
Các ĐÈN được tạo thành trong chín đèn LED 1WATT. Có nhiều loại đèn LED khác nhau trên thị trường nhưng LED 1WATT dễ dàng có sẵn ở khắp mọi nơi. Các đèn LED này hoạt động ở 3,6V, vì vậy chúng tôi sẽ kết nối ba trong số chúng theo chuỗi cùng với các điốt bảo vệ để hoạt động ở + 12V. Chúng tôi sẽ kết nối ba trong số các dải này tạo thành một đèn LED 9WATT. Chúng tôi sẽ vận hành đèn này với Raspberry Pi tương ứng.
LDR (Điện trở phụ thuộc vào ánh sáng) để phát hiện Bóng tối:
Chúng tôi sẽ sử dụng LDR (Điện trở phụ thuộc vào ánh sáng) để phát hiện cường độ ánh sáng trong phòng. LDR thay đổi điện trở của nó một cách tuyến tính theo cường độ ánh sáng. LDR này sẽ được kết nối với bộ chia điện áp. Với điều đó chúng ta sẽ có hiệu điện thế thay đổi để biểu thị cường độ ánh sáng thay đổi. Nếu cường độ ánh sáng THẤP, đầu ra điện áp sẽ CAO và nếu cường độ ánh sáng nếu cao điện áp đầu ra sẽ THẤP.
IC Op-amp LM324 để kiểm tra đầu ra LDR:
Raspberry Pi không có cơ chế ADC (Analog to Digital Converter) bên trong. Vì vậy, thiết lập này không thể kết nối trực tiếp với Raspberry Pi. Chúng tôi sẽ sử dụng bộ so sánh dựa trên OP-AMP để kiểm tra đầu ra điện áp từ LDR.
Ở đây chúng tôi đã sử dụng op-amp LM324 có bốn bộ khuếch đại hoạt động bên trong nó và chúng tôi đã sử dụng hai op-amp trong số bốn bộ khuếch đại đó. Vì vậy PI của chúng tôi sẽ có thể phát hiện cường độ ánh sáng ở hai mức. Tùy theo các mức này mà chúng ta sẽ điều chỉnh độ sáng của đèn LED. Khi có bóng tối hoàn toàn, đèn sẽ phát sáng với cường độ tối đa và khi có một nửa bóng tối, đèn sẽ phát sáng với 30% công suất. Kiểm tra mã và video Python ở cuối để hiểu đúng cách. Ở đây chúng tôi đã sử dụng khái niệm PWM trong Raspberry Pi để kiểm soát cường độ của đèn LED.
Raspberry Pi có 26GPIO, trong đó một số được sử dụng cho các chức năng đặc biệt. Với GPIO đặc biệt được đặt sang một bên, chúng tôi có 17 GPIO. Mỗi chân trong số 17 chân GPIO không được nhận điện áp cao hơn + 3,3V, vì vậy đầu ra Op-amp không được cao hơn 3,3V. Do đó, chúng tôi đã chọn op-amp LM324, vì chip này có thể hoạt động ở + 3,3V cung cấp đầu ra logic không quá + 3,3V. Tìm hiểu thêm về các Ghim GPIO của Raspberry Pi tại đây. Ngoài ra, hãy xem Series Hướng dẫn Raspberry Pi của chúng tôi cùng với một số Dự án IoT tốt.
Bộ chuyển đổi AC sang DC để kiểm tra Dòng AC:
Chúng tôi sẽ sử dụng logic điện áp đầu ra của bộ chuyển đổi AC sang DC để phát hiện trạng thái dòng AC. Mặc dù có nhiều cách khác nhau để phát hiện trạng thái đường dây AC nhưng đây là cách an toàn và dễ thực hiện nhất. Chúng tôi sẽ lấy logic + 5V từ bộ điều hợp và cung cấp cho Raspberry Pi thông qua một mạch phân áp để ẩn mức logic cao + 5V thành logic CAO + 3.3v. Xem sơ đồ mạch để hiểu rõ hơn.
Ngân hàng điện và Pin axit chì 12v để cung cấp điện:
Hãy nhớ rằng Raspberry Pi phải hoạt động trong điều kiện không có điện, vì vậy chúng tôi sẽ điều khiển PI sử dụng Power Bank (Bộ pin 10000mAH) và đèn LED 9WATT sẽ được cấp nguồn bằng pin LEAD ACID kín + 12V, 7AH. Đèn LED không thể được cấp nguồn bằng pin dự phòng vì chúng tiêu thụ quá nhiều điện năng, vì vậy chúng phải được cấp nguồn từ nguồn điện riêng.
Bạn có thể cấp nguồn cho Raspberry Pi bằng pin + 12V nếu bạn có bộ chuyển đổi + 12V sang + 5v hiệu quả. Bằng bộ chuyển đổi đó, bạn có thể loại bỏ ngân hàng điện và cấp nguồn cho toàn bộ mạch bằng một nguồn pin duy nhất.
Giải thích mạch:
Sơ đồ mạch của đèn khẩn cấp Raspberry Pi được đưa ra dưới đây:
Ở đây chúng tôi đã sử dụng ba trong số bốn bộ so sánh bên trong IC LM324. Hai trong số chúng sẽ được sử dụng để phát hiện mức cường độ ánh sáng và cái thứ ba sẽ được sử dụng để phát hiện mức điện áp thấp của pin + 12V.
1. OP-AMP1 hoặc U1A: Đầu cực âm của bộ so sánh này được cung cấp 1,2V (điều chỉnh RV2 để lấy điện áp) và Đầu cực dương được kết nối với mạng phân áp LDR. Khi bóng râm đổ xuống LDR, sức đề kháng bên trong của nó tăng lên. Với sự gia tăng điện trở trong của LDR, điện áp giảm ở cực dương của OP-AMP1 sẽ tăng lên. Khi điện áp này cao hơn 1,2V, OP-AMP1 cung cấp đầu ra + 3,3V. Đầu ra logic CAO này của OP-AMP sẽ được phát hiện bởi Raspberry Pi.
2. OP-AMP2 hoặc U1B: Đầu cực âm của bộ so sánh này được cung cấp 2,2V (điều chỉnh RV3 để lấy điện áp) và Đầu cực dương được kết nối với mạng phân áp LDR. Khi bóng râm giảm xuống trên hệ số LDR càng tăng, thì sức đề kháng bên trong của nó thậm chí còn cao hơn. Khi điện trở nội của LDR tăng hơn nữa, điện áp giảm ở cực dương của OP-AMP2 sẽ tăng lên. Khi điện áp này cao hơn 2,2V, OP-AMP2 cung cấp đầu ra + 3,3V. Đầu ra logic CAO này của OP-AMP sẽ được phát hiện bởi Raspberry Pi.
3. OP-AMP3 hoặc U1C: OP-AMP này sẽ được sử dụng để phát hiện mức điện áp thấp của bộ pin + 12v. Đầu cực âm của bộ so sánh này được cung cấp 2,1V (điều chỉnh RV1 để lấy điện áp) và đầu cực dương được kết nối với mạch phân áp. Bộ chia này chia điện áp pin 1 / 5,7 lần, do đó đối với điện áp pin 12,5V chúng ta sẽ có 2,19V tại cực dương của OP-AMP3. Khi điện áp của pin xuống dưới 12.0V, điện áp ở cực dương sẽ <2.1V. Vì vậy, với 2.1v ở đầu cuối âm, đầu ra OP-AMP sẽ thấp. Vì vậy, khi điện áp pin giảm xuống dưới 12V (có nghĩa là dưới 2.1v ở cực dương), OP-AMP sẽ kéo đầu ra xuống, logic này sẽ được phát hiện bởi Raspberry Pi.
Giải thích làm việc:
Toàn bộ chức năng của Đèn khẩn cấp Raspberry Pi này có thể được xác định là:
Raspberry Pi đầu tiên phát hiện xem có nguồn AC hay không bằng cách cảm nhận logic tại GPIO23, nơi lấy + 3.3V từ bộ chuyển đổi AC. Khi nguồn điện bị TẮT, + 5V từ bộ điều hợp sẽ TẮT và Raspberry Pi chỉ chuyển sang bước tiếp theo nếu logic THẤP này được phát hiện, nếu không PI sẽ không chuyển sang bước tiếp theo. Logic THẤP này chỉ xảy ra khi nguồn AC TẮT.
PI tiếp theo kiểm tra xem mức pin LEAD ACID có THẤP hay không. Logic này được cung cấp bởi OP-AMP3 tại GPIO16. Nếu logic là THẤP, thì PI không chuyển sang bước tiếp theo. Với điện áp pin cao hơn + 12V, PI chuyển sang bước tiếp theo.
Tiếp theo Raspberry Pi kiểm tra xem bóng tối trong phòng có CAO hay không, logic này được cung cấp bởi OP-AMP2 tại GPIO20. Nếu có, PI cung cấp đầu ra PWM (Điều chế độ rộng xung) với chu kỳ nhiệm vụ là 99%. Tín hiệu PWM này điều khiển bộ ghép quang dẫn động MOSFET. MOSFET cấp nguồn cho thiết lập LED 9WATT như trong hình. Nếu không có bóng tối hoàn toàn thì PI chuyển sang bước tiếp theo. Tìm hiểu thêm về PWM trong Raspberry Pi tại đây.
Sau đó Raspberry Pi kiểm tra xem bóng tối trong phòng có THẤP hay không, logic này được cung cấp bởi OP-AMP1 tại GPIO21. Nếu có, PI cung cấp đầu ra PWM (Điều chế độ rộng xung) với chu kỳ nhiệm vụ là 30%. Tín hiệu PWM này điều khiển bộ ghép quang dẫn động MOSFET. MOSFET cấp nguồn cho thiết lập LED 9WATT như trong hình. Nếu có ánh sáng thích hợp trong phòng, thì Raspberry Pi không cung cấp đầu ra PWM nên ĐÈN sẽ TẮT hoàn toàn.
Vì vậy, để bật Đèn khẩn cấp này, cả hai điều kiện phải là True, nghĩa là phải tắt dòng AC và phải có bóng tối trong phòng. Bạn có thể hiểu rõ ràng bằng cách kiểm tra Mã Python và Video hoàn chỉnh bên dưới.
Bạn có thể thêm nhiều chức năng thú vị và mức độ bóng tối cho đèn Khẩn cấp này. Cũng kiểm tra thêm các mạch Điện tử Công suất của chúng tôi:
- Nguồn điện biến đổi 0-24v 3A sử dụng LM338
- Mạch sạc pin 12v sử dụng LM317
- Mạch biến tần 12v DC đến 220v AC
- Mạch sạc điện thoại di động