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居家帮手—自动太阳能驱动智能水平百叶窗

发布时间:2022-11-07
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居家帮手—自动太阳能驱动智能水平百叶窗

发布时间:2022-11-07
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智能百叶窗会根据周围的光线水平自动打开和关闭,也会对热量作出反应。

背景

这个项目算是改进之后我的第二个项目,自动太阳能驱动水平百叶窗。前一版发布的原始设计虽然符合当时的要求,但在正常运行了近4个月后,一些设计缺陷就显得突兀了。

综上所述,百叶窗的目的是根据光线水平打开和关闭,要么让光线进来,要么关闭以保护隐私。此外,当天气变得“太热”时,百叶窗应该关闭,这是一个比较随意的称呼。

新设计做到了以下几点:

  • 早上打开(旋转到85度)让光线进来
  • 晚上关闭(旋转到0度-百叶窗向下),以提供隐私
  • 如果温度超过30摄氏度(约86华氏度),关闭(旋转到165度,百叶窗朝上,背对着太阳)——这个温度是任意的,你的舒适程度可能会变化。
  • 在没有外部线路、盒子、设备·等的情况下执行所有这些活动。
  • 足够可持续,这样我就不会因为更换电池太频繁而放弃这个项目。
  • 成本不会太高。我认为最终的结果是,百叶窗可以用大约50美元制造出来。投资在新工具上的钱,以及花在编程、测试、焊接和修补上的时间,当然不算数。

出于这些设计要求的原因是,要实用的窗户是房子前门上方的二楼窗户。这扇窗户朝南,意味着在打开百叶窗的冬天有很多阳光,但在夏天可能会比较热。

如前所述,第一版百叶窗工作了大约4个月。发现的缺陷有:

  • 房子不面向正南。因此,在冬天,太阳大部分时间都照在窗户上,只有下午晚些时候才离开窗户。这在冬季提供了大量的太阳能充电。然而,在夏天,太阳在中午的时候就会照到房子上面,这意味着没有足够的阳光来为白天的大部分时间充电。此外,太阳能电池板原本放在窗户上的位置在一天的最初几个小时内会得到遮蔽。解决方案:更好的太阳能电池板位置。
  • 用于控制百叶窗的伺服电机连续输出13毫安。这让我很震惊。在我的第一次尝试,我没有测量电流与伺服在适当的地方,因为我的万用表不能支持伺服的大绘图,并提供在“睡眠”时看到的准确性。解决方案:高侧开关使用PNP晶体管。
  • 我最初设计的6V太阳能电池板实际上与LiPo充电模块。充电模块额定输入4.5V ~ 5.5V。当面板收到充足的阳光并产生6V或以上的电流时,充电模块关闭。直到百叶窗安装好后我才发现这一点。解决方法:面板尺寸正确。
  • 没有日志/遥测集合。这使得当百叶窗开始出现故障时很难诊断。解决方案:EEPROM日志功能。
  • 没有办法连接/断开来诊断/修复。这适用于太阳能电池板和电池。解决方案:JST连接器之间的电池和电路,太阳能电池板和电路。
  • 测量(温度和光)需要针对一个坚实的5V参考电压(在Arduino上的VCC输出),而不是直流-直流升压器的5V输出。电压会有一点变化,这会影响模数转换的测量。在我的第一个设计中,我使用的“5V”线实际上是来自DC-DC增压器的无规线。解决方法:看起来很明显,不是吗?使用Arduino Pro Mini的*调节* 5V输出。

让我们开始!

第一步:零件清单

我选择在这个项目中使用Arduino,不过你也可以试着使用其他微控制器,所需部件:

  • Arduino Pro Mini 
  • Arduino Uno,用于编程Mini
  • LM35DZ温度传感器
  • PN2907A PNP晶体管
  • 光依赖电阻(LDR)
  • (1)10k -欧姆电阻
  • (1) 1k -欧姆电阻
  • 5V 1.5W太阳能电池板
  • 5V DC-DC增压器
  • 锂电池充电模块
  • JST连接器
  • 可充电3.6V锂电池
  • 18650电池座
  • 伺服电机
  • 伺服电机耦合。因为我用的是Hitec伺服,所以我需要这个
  • 100 uF电容
  • 各种各样的连接线
  • PCB

第二步:工具

其他需要的物品:

  • 烙铁
  • SolderWire
  • 断线钳
  • 剥线器
  • 万用表
  • 德美尔或类似的小刀具
  • 电路板/焊接试验板
  • 塑胶包装

第三步:创建项目原型

好的。现在您已经有了所有的组件和工作区域,是时候将它们组合在一起,看看会发生什么。

在最初的项目中,我做的第一件事是连接两个AA电池到5V DC-DC助推器,并验证我得到了5V的输出。这一次,我做了同样的事情,只是用了真正的电池,锂可充电3.6V电池。充满电后,它的电压为4.1-4.2V。根据我的万用表,助推器的电压是5.04V。不够好。

下一步我要做的是将所有的组件布置在一个无焊料的面包板上,以便编写代码来控制它,并进行电流和电压测量。

  • 将锂充电模块的相应连接器连接到电池和太阳能电池板(正对正,负对负)
  • 从面板正极连接一根电线到模拟A0 -这提供了记录面板电压。
  • 电池也连接到5V DC-DC助力器。
  • 从电池正极连接一根电线到模拟A1 -这为记录提供电池电压。
  • 升压器的5V输出到Arduino上的RAW输入。
  • 地面从5V助推器一直使用。
  • 连接Arduino VCC引脚到任何需要调节5V的东西。
  • 伺服器可以连接到DC-DC助力器的5V输出,但它将先通过PNP晶体管。
  • 从LDR连接10k -欧姆电阻到地。在LDR和电阻之间连接一根线到模拟A3 -这是你的光探测。
  • 将5V连接到LM35DZ(或温度传感器)的5V侧
  • LM35DZ的接地连接。
  • 从LM35DZ的中间(或输出)引脚连接到A2 -这是你的温度传感。
  • 将DC-DC助力器的5V输出连接到PN2907A的E(发射极)引脚上。
  • 在晶体管的B(基)引脚到引脚11之间连接一个1k -欧姆电阻-这是允许电流流向伺服电机的控制。
  • 将晶体管的C(集电极)引脚连接到伺服电机的电源引脚。
  • 将伺服电机的接地脚连接到接地。
  • 连接伺服的信号引脚到引脚10 -这是你用来控制伺服的PWM引脚。

在制作原型时,你不需要连接太阳能电池板和锂充电模块。这是整个集会的使用说明。从这一点开始,除了充电模块之外的所有组件都已到位,可以进行所有的测量。让我们尝试在高侧开关配置的PNP晶体管。

成功之后,当伺服不移动,它看起来像没有伺服附加。

第四步:编程

在你布置好它之后,你还得给Pro Mini编程,以便对它进行测试。

从Uno上取下IC(记下缺口面向的方向,这样你就可以把它放回去)。我使用的是塑料刀类设备,就像你可能用来打开iPhone的那种。我开始轻轻地撬IC的下面,从两边交替,以避免弯曲引脚。

  • 连接Uno 5V引脚到Pro Mini VCC引脚。
  • 连接Uno GND引脚到Pro Mini GND引脚。
  • 连接Uno TX引脚到Pro Mini TX0引脚。
  • 连接Uno RX引脚到Pro Mini RXI引脚
  • 连接Uno RESET引脚到Pro Mini RST引脚。

我给自己做了两组电线,把它们连接到面包板上。我把跳线的两端粘在一起,这样我就不必单独连接插脚。

现在当你进入Arduino IDE,选择“Arduino Pro或Pro Mini”,你可以直接对电路板编程。

第五步:开始组装

现在我们已经获得了关于系统的一些数据,让我们开始组装它。

这次我增加的是使用JST连接器,并将实心线焊接到连接器上,以增加一点额外的范围。默认情况下,它们非常短。使用连接器还有一个额外的好处,那就是在电池和电路的其余部分之间提供一个容易的断点。

我在JST连接器上增加了大约2英尺的电线,以便将太阳能电池板放置在窗口的适当位置,以最大限度地增加全年的阳光覆盖率,同时最小化视觉冲击。保持短(er)连接器焊接到PCB。这使进入盲顶导轨的部分的尺寸最小化。此外,使用实心线将其焊接到PCB似乎(对我来说)比将编织线焊接到孔中更好。

剪下PCB的大小,你需要为你的百叶窗衡量一下。我买的木板太大了,大约有3排孔,所以我把它剪了这么多。我尽量把电路布置得越小越好,越简洁越好。先把电线剪成你需要的大小,然后在电线上做一个小弯,以便穿过拐角等等。然后向下(或向上)进入PCB孔。记住伺服连接器引脚的高度,并确保连接器不会干扰百叶窗内的伺服操作。

我还刮掉了DC-DC升压器上通向LED指示灯的蚀刻线。它可以一直节省大约1ma的时间。理想情况下,温度传感器应该自己关闭,以减少来自伺服或其他组件的任何潜在影响。我没能做到,它就在晶体管旁边。

第六步:完成组装,最后一次重编程

在完成程序集之后,我要做的最后一件事是恢复EEPROM日志类。我不想在创建原型和尝试不同的东西时写EEPROM,所以我把代码注释掉了。

Pro Mini具有1024Kb的EEPROM。基于每个条目22字节的大小,加上2字节的“同步模式”,我应该能够在EEPROM包装之前获得42个条目。这是不到一个月的数据,每天2个活动。我想要更多,但那需要SD卡或更大的EEPROM。也许是下一个牧师。

我还会做最后一次电流测量,以确保没有什么地方短路。我测到的电流大约是1.5 mA。使用900毫安时的电池,可以在不充电的情况下运行约600小时。当然,如果你需要在任何时候使它移动,那么你消耗电池也会更快。使用rocketlabs的LowPower库,它在1.5 mA时休眠。在执行过程中,它大约是25毫安,当移动百叶窗时,它在200毫安到500毫安之间,或更多。我想让电池续航时间更长,但我也喜欢在它运行时让led灯亮起来,这样我就知道它在工作,所以这是我可以接受的折衷方案。

第七步:安装

好了,现在装上百叶窗。

  • 首先,取下拉绳的螺旋驱动器。
  • 钻一个小孔,以便LDR从戳出来
  • 现在使用Dremel或其他切割工具切割一个正方形的大小为您的伺服电机。
  • 用胶带盖住粗糙的边缘,或者用某种方法把它弄平。
  • 插入PCB到百叶窗,并确保光传感器是伸出的孔,你在步骤2钻。
  • 现在把伺服电机安装到轴上,拧紧固定螺丝。此时,操作开始时90度10秒等待的原因应该很清楚了。我启动程序,允许伺服移动到90度,然后关闭电池。然后我用这个位置把它连接到百叶窗上,我手动移动到90度来匹配。
  • 现在爬上梯子,装上百叶窗。
  • 我把太阳能电池板安装在大约中间的玻璃上,在窗户的上三分之一处。我运行的电线沿窗格隔板和胶带面板和电线在适当的地方,以减少能见度。
  • 现在把太阳能电池板连接到电路上。
  • 接上电池,迅速将百叶窗拉到位。他们应该移动到中心,然后在10秒的延迟后,移动到适当的位置。在连接之前,我把电池座放在盲轨内。
  • 重新安装装饰。

第八步:享受你的成果

享受百叶窗的平稳操作,因为它们会自动打开和关闭。

如果你参考了我的设计做出了一个百叶窗,请和我分享!我很想听听你的意见,以及你是否做出了改变或改进。如果您对此项目有任何想法、意见或问题,请在下方留言。

本文中所用到的一些代码

以上内容翻译自网络,原作者:Froz3nArcher,如涉及侵权,可联系删除。

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