На этом занятии мы собираемся создать аварийную лампу мощностью 9 Вт, используя Raspberry Pi и Python. Эта лампа автоматически определяет темноту и отсутствие источника питания переменного тока и загорается при сбое питания и отсутствии надлежащего света.
Хотя доступны различные аварийные лампы, но они предназначены исключительно для одной цели, например, одна простая схема аварийного освещения, которую мы создали ранее, срабатывает только при сбое питания. С Raspberry Pi мы можем добавить к нему различные другие функции, например, здесь мы добавили LDR для обнаружения темноты на разных уровнях. Здесь мы добавили два уровня: при полной темноте лампа будет светиться с полной интенсивностью, а при полутемноте - на 30% мощности. Итак, мы собираемся сконструировать эту лампу так, чтобы она включалась, когда сеть переменного тока выключена, и когда интенсивность света в комнате становится очень низкой.
Необходимые компоненты:
Здесь мы используем Raspberry Pi 2 Model B с Raspbian Jessie OS. Все основные требования к оборудованию и программному обеспечению обсуждаются ранее, вы можете найти их во введении Raspberry Pi и мигании светодиода Raspberry PI, чтобы начать работу, кроме того, что нам нужно:
- Конденсатор 1000 мкФ
- 1Вт светодиод (9 шт.)
- Герметичный свинцово-кислотный аккумулятор +12 В
- 6000-10000 мАч внешний аккумулятор
- Адаптер + 5В постоянного тока
- Lm324 микросхема OP-AMP
- 4N25 Оптопара
- IRFZ44N МОП-транзистор
- LDR (светозависимый резистор)
- LED (1 шт.)
- Резисторы: 1 кОм (3 шт.), 2,2 кОм, 4,7 кОм, 100 Ом (2 шт.), 10 Ом (9 шт.), 10 кОм, 100 кОм
- Потолок 10кОм (3 шт.) (Все резисторы по 0,25 Вт)
Описание:
Прежде чем перейти к подключению схемы и ее работе, мы узнаем о компонентах и их назначении в схеме:
Светодиодная лампа мощностью 9 Вт:
ЛАМПА состоит из девяти светодиодов 1Вт. На рынке представлены различные типы светодиодов, но светодиоды мощностью 1 Вт легко доступны повсюду. Эти светодиоды работают при 3,6 В, поэтому мы подключим три из них последовательно вместе с защитными диодами для работы при +12 В. Мы соединим три из этих полос, образуя светодиодную лампу мощностью 9 Вт. Соответственно, мы будем использовать эту лампу с Raspberry Pi.
LDR (светозависимый резистор) для обнаружения темноты:
Мы собираемся использовать LDR (светозависимый резистор) для определения интенсивности света в комнате. LDR изменяет свое сопротивление линейно с интенсивностью света. Этот LDR будет подключен к делителю напряжения. При этом у нас будет переменное напряжение, чтобы представить переменную интенсивность света. Если интенсивность света НИЗКАЯ, выходное напряжение будет ВЫСОКИМ, а если интенсивность света ВЫСОКАЯ, выходное напряжение будет НИЗКИМ.
Микросхема операционного усилителя LM324 для проверки выхода LDR:
Raspberry Pi не имеет внутреннего механизма АЦП (аналого-цифрового преобразователя). Таким образом, эту настройку нельзя напрямую подключить к Raspberry Pi. Мы будем использовать компараторы на основе OP-AMP для проверки выходных напряжений от LDR.
Здесь мы использовали операционный усилитель LM324 с четырьмя операционными усилителями внутри, и мы использовали два операционных усилителя из этих четырех. Таким образом, наш ИП сможет определять интенсивность света на двух уровнях. В зависимости от этих уровней мы будем регулировать яркость светодиодной лампы. Когда наступает полная темнота, лампа будет светиться с полной интенсивностью, а когда наступит полумрак, она будет светиться с мощностью 30%. Проверьте код Python и видео в конце, чтобы понять его правильно. Здесь мы использовали концепцию PWM в Raspberry Pi для управления яркостью светодиодов.
Raspberry Pi имеет 26GPIO, некоторые из которых используются для специальных функций. Не считая специального GPIO, у нас есть 17 GPIO. Каждый из 17 контактов GPIO не может принимать напряжение выше +3,3 В, поэтому выходы операционного усилителя не могут быть выше 3,3 В. Поэтому мы выбрали операционный усилитель LM324, так как этот чип может работать при напряжении + 3,3 В, обеспечивая логические выходы не более + 3,3 В. Узнайте больше о выводах GPIO Raspberry Pi здесь. Также ознакомьтесь с нашей серией руководств по Raspberry Pi вместе с некоторыми хорошими проектами IoT.
Адаптер переменного тока в постоянный для проверки линии переменного тока:
Мы будем использовать логику напряжения розетки адаптера переменного тока в постоянный для определения состояния линии переменного тока. Несмотря на то, что существуют различные способы определения состояния линии переменного тока, это самый безопасный и простой способ. Мы возьмем логику + 5 В от адаптера и передадим ее Raspberry Pi через схему делителя напряжения, чтобы скрыть логику + 5 В с логикой + 3,3 В. См. Принципиальную схему для лучшего понимания.
Внешний аккумулятор и свинцово-кислотная батарея 12 В для источника питания:
Имейте в виду, что Raspberry Pi должен работать при отсутствии питания, поэтому мы будем управлять PI с помощью Power Bank (аккумулятор 10000 мАч), а светодиодная лампа 9 Вт будет питаться от герметичной свинцово-кислотной батареи +12 В, 7 А · ч. Светодиодную лампу нельзя запитать от блока питания, поскольку они потребляют слишком много энергии, поэтому их необходимо запитать от отдельного источника питания.
Вы можете питать Raspberry Pi от батареи +12 В, если у вас есть эффективный преобразователь +12 В в + 5 В. С помощью этого преобразователя вы можете отказаться от блока питания и запитать всю схему от одного источника батареи.
Описание схемы:
Принципиальная схема аварийного освещения Raspberry Pi приведена ниже:
Здесь мы использовали три из четырех компараторов внутри LM324 IC. Два из них будут использоваться для определения уровней интенсивности света, а третий - для определения низкого уровня напряжения батареи +12 В.
1. OP-AMP1 или U1A: на отрицательную клемму этого компаратора подается напряжение 1,2 В (отрегулируйте RV2, чтобы получить напряжение), а положительная клемма подключена к сети делителя напряжения LDR. По мере того, как тень падает на LDR, его внутреннее сопротивление возрастает. С увеличением внутреннего сопротивления LDR падение напряжения на положительном выводе OP-AMP1 возрастает. Как только это напряжение становится выше 1,2 В, OP-AMP1 обеспечивает выход +3,3 В. Этот ВЫСОКИЙ логический выход OP-AMP будет обнаружен Raspberry Pi.
2. OP-AMP2 или U1B: отрицательная клемма этого компаратора имеет 2,2 В (отрегулируйте RV3, чтобы получить напряжение), а положительная клемма подключена к сети делителя напряжения LDR. По мере того, как тень, падающая на LDR, увеличивается, его внутреннее сопротивление становится еще выше. При дальнейшем повышении внутреннего сопротивления LDR падение напряжения на положительном выводе OP-AMP2 возрастает. Как только это напряжение поднимается выше 2,2 В, OP-AMP2 обеспечивает выход +3,3 В. Этот ВЫСОКИЙ логический выход OP-AMP будет обнаружен Raspberry Pi.
3. OP-AMP3 или U1C: этот OP-AMP будет использоваться для обнаружения низкого уровня напряжения аккумуляторной батареи +12 В. На отрицательную клемму этого компаратора подается напряжение 2,1 В (отрегулируйте RV1 для получения напряжения), а положительная клемма подключена к цепи делителя напряжения. Этот делитель делит напряжение батареи в 1 / 5,7 раза, поэтому при напряжении батареи 12,5 В у нас будет 2,19 В на положительном выводе OP-AMP3. Когда напряжение батареи опускается ниже 12,0 В, напряжение на положительной клемме будет <2,1 В. Таким образом, при 2,1 В на отрицательной клемме выход OP-AMP становится низким. Поэтому, когда напряжение батареи падает ниже 12 В (то есть ниже 2,1 В на положительном выводе), OP-AMP понижает выход, эта логика будет обнаружена Raspberry Pi.
Рабочее объяснение:
Вся функция этой аварийной лампы Raspberry Pi может быть описана как:
Сначала Raspberry Pi определяет, присутствует ли питание переменного тока, путем определения логики на GPIO23, откуда берется + 3,3 В от адаптера переменного тока. Как только питание отключается, + 5V от адаптера отключается, и Raspberry Pi переходит к следующему шагу, только если обнаружена эта логика LOW, если нет, PI не перейдет к следующему шагу. Эта логика LOW возникает только при отключении питания переменного тока.
Затем PI проверяет, НИЗКИЙ ли уровень заряда батареи СВИНЦОВОЙ КИСЛОТЫ. Эта логика обеспечивается OP-AMP3 на GPIO16. Если логика LOW, то PI не переходит к следующему шагу. Если напряжение батареи выше +12 В, PI переходит к следующему шагу.
Затем Raspberry Pi проверяет, является ли темнота в комнате ВЫСОКОЙ, эту логику обеспечивает OP-AMP2 на GPIO20. Если да, PI обеспечивает вывод ШИМ (широтно-импульсной модуляции) с рабочим циклом 99%. Этот сигнал ШИМ управляет оптопарой, которая управляет полевым МОП-транзистором. MOSFET питает светодиодную установку мощностью 9 Вт, как показано на рисунке. Если нет полной темноты, PI переходит к следующему шагу. Узнайте больше о ШИМ в Raspberry Pi здесь.
Затем Raspberry Pi проверяет, является ли темнота в комнате НИЗКОЙ, эту логику обеспечивает OP-AMP1 на GPIO21. Если да, PI обеспечивает вывод ШИМ (широтно-импульсной модуляции) с рабочим циклом 30%. Этот сигнал ШИМ управляет оптопарой, которая управляет полевым МОП-транзистором. MOSFET питает светодиодную установку мощностью 9 Вт, как показано на рисунке. Если в комнате есть надлежащее освещение, Raspberry Pi не обеспечивает выход ШИМ, поэтому ЛАМПА будет полностью выключена.
Таким образом, чтобы включить эту аварийную лампу, оба условия должны быть истинными, это означает, что линия переменного тока должна быть отключена и в комнате должна быть темнота. Вы можете получить четкое представление, просмотрев полный код Python и видео ниже.
Вы также можете добавить больше интересных функций и уровней темноты к этой аварийной лампе. Также проверьте наши другие схемы силовой электроники:
- Источник переменного тока 0-24 В, 3 А с использованием LM338
- Схема зарядного устройства 12 В с использованием LM317
- Цепь инвертора от 12 В до 220 В переменного тока
- Схема зарядного устройства сотового телефона