En aquesta sessió farem una làmpada d'emergència 9WATT amb Raspberry Pi i Python. Aquesta làmpada detectarà automàticament la foscor i l’absència de subministrament d’alimentació de CA i s’encendrà quan hi hagi una fallada d’alimentació i no hi hagi una llum adequada.
Tot i que hi ha diverses làmpades d’emergència disponibles, però que es dediquen exclusivament a un propòsit únic, com un circuit de llum d’emergència simple que hem creat anteriorment, només s’activa en cas de fallada d’alimentació. Amb Raspberry Pi hi podem afegir diverses altres funcionalitats, com aquí hem afegit LDR per detectar la foscor a diversos nivells. Aquí hi hem afegit dos nivells, quan hi ha foscor total, la llum brillarà amb intensitat màxima i, quan hi hagi semi fosc, brillarà amb un 30% de capacitat. Per tant, aquí dissenyarem aquesta làmpada perquè s’encengui quan l’alimentació de la línia de CA estigui apagada i quan la intensitat de la llum a l’habitació sigui molt baixa.
Components necessaris:
Aquí fem servir Raspberry Pi 2 Model B amb Raspbian Jessie OS. Tots els requisits bàsics de maquinari i programari s’han comentat prèviament. Podeu consultar-los a la Introducció de Raspberry Pi i al LED Raspberry PI Parpellejant per començar, a part del que necessitem:
- Condensador de 1000µF
- 1WATT LED (9 peces)
- + Bateria de plom àcid segellada de 12V
- Banc de potència de 6000-10000mAH
- + Adaptador de 5V CC
- Xip Lm324 OP-AMP
- Optoacoblador 4N25
- MOSFET IRFZ44N
- LDR (resistència dependent de la llum)
- LED (1 peça)
- Resistències: 1 KΩ (3 peces), 2,2 KΩ, 4,7 KΩ, 100Ω (2 peces), 10Ω (9 peces), 10KΩ, 100KΩ
- Pot de 10KΩ (3 peces) (totes les resistències són de 0,25 watt)
Descripció:
Abans d’entrar en Circuit Connections i el seu funcionament, coneixerem els components i el seu propòsit al circuit:
Llum LED de 9 watts:
El LAMP està format per nou LEDs 1WATT. Hi ha diferents tipus de LEDs presents al mercat, però el LED 1WATT està fàcilment disponible a tot arreu. Aquests LED funcionen a 3,6 V, de manera que en connectarem tres en sèrie juntament amb díodes de protecció per funcionar a + 12 V. Connectarem tres d’aquestes tires formant una làmpada LED de 9WATT. Farem funcionar aquest llum amb Raspberry Pi en conseqüència.
LDR (Light Dependent Resistor) per detectar la foscor:
Utilitzarem LDR (Light Dependent Resistor) per detectar la intensitat de llum a l’habitació. El LDR canvia la seva resistència linealment amb la intensitat de la llum. Aquest LDR es connectarà al divisor de tensió. Amb això tindrem una tensió variable per representar una intensitat de llum variable. Si la intensitat de la llum és BAIXA, la sortida de tensió serà ALTA i si la intensitat de llum si la sortida de voltatge ALTA serà BAIXA.
Op-amp LM324 IC per comprovar la sortida LDR:
Raspberry Pi no té un mecanisme ADC intern (convertidor analògic a digital). Per tant, aquesta configuració no es pot connectar directament a Raspberry Pi. Utilitzarem comparadors basats en OP-AMP per comprovar les sortides de tensió de LDR.
Aquí hem utilitzat amplificador operatiu LM324 que té quatre amplificadors operatius al seu interior i hem utilitzat dos amplificadors operatius d’aquests quatre. Per tant, el nostre PI serà capaç de detectar la intensitat de la llum a dos nivells. Depenent d’aquests nivells ajustarem la brillantor de la làmpada LED. Quan hi ha foscor total, la llum brillarà amb intensitat màxima i, quan hi hagi mitja foscor, brillarà a un 30% de capacitat. Comproveu el codi i el vídeo de Python al final per entendre-ho correctament. Aquí hem utilitzat el concepte PWM a Raspberry Pi per controlar la intensitat dels LED.
Raspberry Pi té 26GPIO, dels quals alguns s’utilitzen per a funcions especials. Amb GPIO especial deixat de banda, tenim 17 GPIO. Cadascun dels 17 pins GPIO no pot tenir una tensió superior a + 3,3 V, de manera que les sortides d'amplificador operatiu no poden ser superiors a 3,3 V. Per tant, hem triat amplificador operatiu LM324, ja que aquest xip pot funcionar a + 3,3 V proporcionant sortides lògiques no superiors a + 3,3 V. Obteniu més informació sobre els pins GPIO de Raspberry Pi aquí. Consulteu també la nostra sèrie de tutorials Raspberry Pi juntament amb alguns bons projectes IoT.
Adaptador de CA a CC per comprovar la línia de CA:
Utilitzarem la lògica de tensió de sortida de l’ adaptador de CA a CC per detectar l’estat de la línia de CA. Tot i que hi ha diverses maneres de detectar l’estat de la línia de corrent altern, aquest és el camí més fàcil i segur. Agafarem la lògica de + 5V de l’adaptador i la donarem a Raspberry Pi mitjançant un circuit divisor de voltatge cap a una lògica encoberta de + 5V a una lògica de + 3.3v ALTA. Vegeu l’esquema del circuit per a una millor comprensió.
Power Bank i bateria de plom àcid de 12v per a la font d'alimentació:
Tingueu en compte que Raspberry Pi ha de funcionar en absència d’alimentació, de manera que conduirem el PI mitjançant un Power Bank (un paquet de bateries de 10000 mAH) i que el llum LED 9WATT s’alimentarà amb una bateria de plom àcid segellada de + 12V, 7AH. La làmpada LED no es pot alimentar amb un banc d’alimentació, ja que consumeix massa energia, de manera que s’ha d’alimentar des d’una font d’energia independent.
Podeu alimentar el Raspberry Pi amb una bateria de + 12V si teniu un convertidor eficient de + 12V a + 5v. Mitjançant aquest convertidor podeu abandonar el banc d’alimentació i alimentar tot el circuit amb una única font de bateria.
Explicació del circuit:
A continuació es mostra el diagrama de circuits de la llum d’emergència Raspberry Pi:
Aquí hem utilitzat tres de cada quatre comparadors dins de l'IC LM324. Dos d'ells s'utilitzaran per detectar nivells d'intensitat de llum i el tercer s'utilitzarà per detectar el nivell de baixa tensió de la bateria de + 12V.
1. OP-AMP1 o U1A: el terminal negatiu d’aquest comparador es proporciona amb 1,2 V (ajusteu RV2 per obtenir la tensió) i el terminal positiu està connectat a la xarxa divisora de tensió LDR. A mesura que l’ombra cau sobre el LDR, la seva resistència interna augmenta. Amb l’augment de la resistència interna de LDR, augmenta la caiguda de tensió al terminal positiu de l’OP-AMP1. Un cop aquest voltatge supera els 1,2 V, l’OP-AMP1 proporciona una sortida de + 3,3 V. Aquesta sortida lògica HIGH d’OP-AMP serà detectada per Raspberry Pi.
2. OP-AMP2 o U1B: el terminal negatiu d'aquest comparador es proporciona amb 2.2V (ajusteu RV3 per obtenir la tensió) i el terminal positiu està connectat a la xarxa divisora de tensió LDR. A mesura que l’ombra que cau sobre el LDR augmenta encara més, la seva resistència interna augmenta encara més. Amb una nova pujada de la resistència interna de LDR, augmenta la caiguda de tensió al terminal positiu de l’OP-AMP2. Un cop aquest voltatge supera els 2,2 V, l’OP-AMP2 proporciona una sortida de + 3,3 V. Aquesta sortida lògica HIGH d’OP-AMP serà detectada per Raspberry Pi.
3. OP-AMP3 o U1C: aquest OP-AMP s'utilitzarà per detectar el nivell de baixa tensió de la bateria de + 12v. El terminal negatiu d’aquest comparador es proporciona amb 2,1 V (ajusteu RV1 per obtenir la tensió) i el terminal positiu està connectat a un circuit divisor de tensió. Aquest divisor divideix la tensió de la bateria per 1 / 5,7 vegades, per tant, per a la tensió de la bateria de 12,5 V tindrem 2,19 V al terminal positiu de l’OP-AMP3. Quan la tensió de la bateria baixa de 12,0 V, la tensió en el terminal positiu serà <2,1 V. Així, doncs, amb el terminal negatiu de 2.1v, la sortida OP-AMP baixa. Per tant, quan el voltatge de la bateria cau per sota de 12V (significa per sota de 2,1v en el terminal positiu), l’OP-AMP fa baixar la sortida, aquesta lògica serà detectada per Raspberry Pi.
Explicació de treball:
Tota la funció d’aquest llum d’emergència Raspberry Pi es pot afirmar com:
El primer Raspberry Pi detecta si hi ha alimentació de CA present o no mitjançant la detecció de la lògica a GPIO23, on es pren + 3,3 V de l'adaptador de CA Un cop s’apaga l’alimentació, s’apaga + 5 V de l’adaptador i Raspberry Pi passa al pas següent només si es detecta aquesta lògica BAIX, si no, PI no passarà al següent pas. Aquesta lògica BAIXA només passa quan l'alimentació de CA s'apaga.
El següent PI comprova si el nivell de la bateria LEAD ACID és BAIX. Aquesta lògica la proporciona OP-AMP3 a GPIO16. Si la lògica és BAIXA, llavors PI no passa al següent pas. Amb un voltatge de la bateria superior a + 12V, PI passa al següent pas.
El següent Raspberry Pi comprova si la foscor de l'habitació és ALTA, aquesta lògica la proporciona OP-AMP2 a GPIO20. Si és així, PI proporciona una sortida PWM (Pulse Width Modulation) amb un cicle de treball del 99%. Aquest senyal PWM acciona l’optoacoblador que acciona el MOSFET. MOSFET alimenta la configuració del LED 9WATT tal com es mostra a la figura. Si no hi ha foscor completa, PI passa al següent pas. Obteniu més informació sobre PWM a Raspberry Pi aquí.
A continuació, Raspberry Pi comprova si la foscor de l’habitació és BAIXA, aquesta lògica la proporciona OP-AMP1 a GPIO21. Si és així, PI proporciona una sortida PWM (Pulse Width Modulation) amb un cicle de treball del 30%. Aquest senyal PWM acciona l’optoacoblador que acciona el MOSFET. MOSFET alimenta la configuració del LED 9WATT tal com es mostra a la figura. Si hi ha llum adequada a l'habitació, aleshores Raspberry Pi no proporciona sortida PWM, de manera que el LAMP estarà completament APAGAT.
Per tant, per encendre aquesta làmpada d’emergència, la condició ha de ser vertadera, significa que la línia de corrent altern ha d’estar apagada i que hi ha hagut foscor a l’habitació. Per obtenir una comprensió clara, consulteu el codi i el vídeo complet de Python a continuació.
Podeu afegir funcions i nivells de foscor més interessants a aquest llum d’emergència. Consulteu també els nostres circuits més electrònics de potència:
- 0-24v 3A Font d'alimentació variable mitjançant LM338
- Circuit de carregador de bateria de 12v mitjançant LM317
- Circuit d’inversors de 12 V CC a 220 V CA.
- Circuit de carregador de mòbil