Хардуер за отваряне на гаражни врати Raspberry Pi Zero: 10 стъпки

2024 Автор: John Day | [email protected]. Последно модифициран: 2024-01-30 07:51

Едно от вдъхновенията за този проект беше изисканата инструкция за отваряне на гаражни врати Raspberry Pi 3, заедно с няколко други, намерени в интернет. Тъй като не съм опитен електроник, направих много допълнителни проучвания за начините за взаимодействие с Raspberry Pi и научих много за значението на резисторите с LED крушки и с всички кабели GPIO. Научих също за предимствата на издърпващите и падащите хардуерни вериги спрямо вградената Pi функция.

Тъй като този проект за гаражни врати наистина е процес от много части, включващ Pi хардуер, софтуер и инсталация с вашите отварящи гаражни врати, реших първо да се съсредоточа върху Pi хардуера, тъй като той е необходим за всяка друга стъпка.

Моят подход е да бъда много елементарен, да действам като обобщение на обучението, което направих, за да мога да завърша хардуера. Ще започне с известна информация и след това ще изградим схеми на макет. Всяка стъпка ще усъвършенства нашия дизайн и знания, завършвайки с изграждането на постоянно хардуерно решение за свързване на Pi с релейни и тръстикови сензори.

Освен това, за разлика от някои други проекти, реших да използвам Raspberry Pi Zero W, който получих в продажба преди време, но все още седеше неизползван на бюрото си. Предимството е, че докато прототипирах, ако повредя някоя от схемите на GPIO, това беше евтино и лесно да се замени и запази прототипирането. Недостатъкът е, че той има само ARMv6 процесор, така че някои неща, като Java, няма да бъдат използваеми.

Другото, което реших да направя, беше да създам моя собствена допълнителна платка за електрическата верига, така че трябва ли да променя или подменя моя Pi, стига изводите да са същите, платката трябва лесно да се включи в новия Pi. Надяваме се, че това ще сведе до минимум гнездото на окабеляване на плъх.

Моите предположения са:

• Вие сте удобни за запояване
• Вече знаете как да използвате основните терминални команди на Raspberry Pi
• Използвате Raspbian Buster или по -нова версия.
• Имате някакъв интерфейс към командния ред на Pi; или със специален монитор, клавиатура и т.н. И/ИЛИ с помощта на SSH.
• Запознати сте с основната концепция за проектиране на електрически вериги; например знаете разликата между мощност и земя и разбирате концепцията за късо съединение. Ако можете да поставите нов контакт в дома си, трябва да можете да го следвате.

Консумативи

В зависимост от това колко сте отдадени на този проект, може да започнете само с нещата, необходими на всяка стъпка, и да продължите оттам. Много от тези части се предлагат в местния магазин за електроника или в DIY/Maker магазин, но аз включих Amazon връзки за подобряване на описанията.

• MakerSpot RPi Raspberry Pi Zero W Protoboard (за да се направи последната HAT за Pi)
• 2-канален DC 5V релеен модул (вземете 1-канален, ако имате една врата, 2 за 2 врати и т.н.)
• Превключвател за врата, нормално отворен (НЕ) (Ако по това време просто правите прототипи и искате да използвате евтини тръстикови превключватели, за да започнете, това е добре)
• Комплект от електронни комплекти за забавление (това съдържаше всички необходими ми резистори, плюс макет и захранващ блок за подпомагане на прототипа и тестване и учене, преди да направя постоянната платка). Ако вече имате всичко това, уверете се, че имате под ръка няколко резистора 10K, 1K и 330 ома.
• Кабелни джъмпери
• Поялник с малък връх
• Припой със стабилизирана сърцевина
• Почистващ препарат за поялник
• Резервно 9v захранване (за захранване на дъската)
• Евтини прототипни дъски за запояване (по избор)
• Функциониране на Raspberry Pi Zero или Pi по ваш избор
• Заглавни щифтове за Raspberry Pi (ако вашият вече няма заглавка върху него)
• Подреждане на заглавки за използване на HAB на протоборда.
• Малки клещи за нос с игла
• Комплект отвертка за бижутер
• Малки странични фрези (за рязане на тел след запояване)
• Пинсети
• Някакъв проводник с малък габарит (предпочитам твърдожилен) за използване на протоборда
• Малко силикон (ако решите да използвате 1,8 мм светодиоди за повърхностно монтиране вместо тези, предоставени в комплекта)
• Открих, че увеличаващата лампа е супер полезна, за да се види работата на малкото запояване

Стъпка 1: Въведение в Raspberry Pi GPIO

Основният интерфейс, който ще използваме с Raspberry Pi, е GPIO (General Purpose Input/Output).

Намерете правилната диаграма на щифта за вашия Pi тук. Тази инструкция ще се фокусира върху Pi Zero W v1.1.

Ще използваме само зелените GPIO щифтове, като избягваме щифтовете SDA, SCL, MOSI, MISO и т.н. (Открих, че някои GPIO пинове имат специални цели, едно от предимствата на прототипирането на макет, затова се придържах към GPIO щифтове 17 (пин #11), 27 (щифт #13) и 12 (#32) както бяха в добри позиции за моята дъска.

GPIO пиновете са проектирани да работят като цифрови (двоични) превключватели; съществуват логически като едно от двете състояния: 1 или нула. Тези състояния зависят от това дали щифтът захранва или получава напрежение над определен праг (1) или захранва или приема напрежение под определен праг. (Ще говорим за праговете по -късно.)

Важно е да се отбележи, че докато Raspberry Pi може да захранва както 5V, така и 3.3V (3V3), GPIO щифтовете работят с използване до 3.3V. Повече от това и ще повредите GPIO и вероятно целия контролер. (Ето защо ние създаваме прототип на макет и използваме възможно най -евтиния Pi!)

Състоянието на щифтовете може да бъде манипулирано или от софтуер (изход), или от други устройства, захранващи в състояние (вход).

Нека направим това, като използваме някои основни SYSFS команди. Не съм сигурен дали това изисква WiringPi, но ако срещнете проблеми, може да искате да го инсталирате, ако използвате минималното изображение на Raspbian.

Първо, нека си дадем достъп до GPIO 17:

sudo echo "17">/sys/class/gpio/export

Сега нека проверим стойността на GPIO:

sudo cat/sys/class/gpio/gpio17/стойност

Стойността трябва да е нула.

В този момент GPIO не знае дали е входен или изходен. Като такъв, ако се опитате да манипулирате стойността на GPIO, ще получите „грешка при запис: Операцията не е разрешена“. Така че нека просто кажем на щифта, че се извежда:

sudo echo "out">/sys/class/gpio/gpio17/direction

И сега задайте стойността на 1:

sudo echo "1">/sys/class/gpio/gpio17/стойност

Проверете отново стойността, за да видите … и стойността трябва да бъде 1.

Поздравления, току -що създадохте изходен GPIO и променихте състоянието!

Сега има още малко, но нека първо научим още няколко неща.

Стъпка 2: Разбиране на резисторите

Така че, можете да потърсите резистори в Уикипедия, но какво означават те за нас? На първо място те защитават нашите компоненти.

Помните ли, когато говорихме за GPIO, че те работят до 3.3V? Това означава, че ако дадете GPIO щифт повече от това, можете да го изпържите. Защо това е важно? Понякога има малки пренапрежения във всяка верига и ако максимумът е 3.3V, всяко малко хълцане може да причини проблеми. Работата при максимално напрежение е рисковано предложение.

Това важи особено за светодиодите. LED ще черпи колкото се може повече енергия. В крайна сметка светодиодът ще изгори, но значителното потребление на ток може да изразходва цялата налична мощност във верига, причинявайки неизправност.

Например: какво би станало, ако поставите вилица в двата зъба на електрически контакт? Съпротивлението е малко или няма и ще взривите прекъсвача. (И вероятно ще се нараните в процеса.) Защо тостерът не прави това? Тъй като неговите нагревателни елементи осигуряват съпротивление и като такива не теглят цялото натоварване на веригата.

И така, как да предотвратим това да се случи на светодиод? Чрез ограничаване на количеството ток, използван за задвижване на светодиода с помощта на резистор.

Но какъв размер резистор? Да, прочетох няколко уеб статии и накрая се спрях на резистор от 330Ω за 3.3V с LED. Можете да прочетете всичките им изчисления и да разберете сами, но аз тествах няколко на макет и 330 работиха отлично. Една справка, която проверих, беше във форумите на Raspberry Pi, но търсенето с Google ще открие много повече.

По същия начин, пиновете Pi GPIO се нуждаят от защита от пренапрежение. Помните ли как казах, че използват до 3.3V? Е, малко по -малко няма да навреди. Повечето проекти използват 1KΩ резистори и аз направих същото. Отново можете да изчислите това сами, но това е много популярен избор. Отново форумите на Raspberry Pi предоставят известна информация.

Ако не разбирате напълно това, прочетете още. Или просто следвайте инструкциите. Което работи за вас.

Много резистори са обозначени на опаковката, но след като ги премахнете, как можете да ги различите? Малките цветни ивици на резистора могат да ви кажат.

След това ще свържем обикновен светодиод на макет с мощност, за да започнем нещата.

Стъпка 3: Окабеляване на светодиод

Първата стъпка е да свържете светодиод на дъската. След като работим безопасно, ще го свържем с Raspberry Pi и ще го контролираме от пина GPIO.

Надяваме се, че вашата макет е снабден с източник на захранване за 3.3v. Ако не, можете да свържете всичко и да го свържете директно към Pi.

Намерете светодиод и го свържете към платката, както е показано, като използвате резистор от 330Ω. Колкото по -дълъг крак на светодиода е анодът, толкова по -къс крак е катодът. Анодът се свързва към 3.3V захранване, докато катодът се свързва обратно към земята. Резисторът може да бъде или преди светодиода; няма значение. Стандартните цветове на проводниците са:

• Червено = 5V
• Оранжево = 3.3V
• Черно = земята

След като свържете този макет и захранвате, светодиодът трябва да светне. Не продължавайте, освен ако не накарате това да работи.

Стъпка 4: Свързване на светодиода към GPIO

Така че сега имаме работещ светодиод с резистор. Сега е време да свържете този светодиод към Raspberry Pi. Нашата цел е да създадем изходен GPIO и да го свържем с LED, така че когато активираме GPIO, светодиодът ще светне. Обратно, когато деактивираме GPIO, светодиодът ще се изключи. (Това ще се използва по -късно като верига, която ще "натисне" бутона, за да отвори гаражната врата.)

Изключете захранването от макета и свържете Pi, както е показано. (Най -добре е да направите това, докато Pi също е изключен.) Свързахме захранването 3.3V от GPIO 17 и земята към един от заземяващите щифтове.

Сега стартирайте Pi и светодиодът трябва да е изключен. Изпълнете същите команди, които направихме преди, за да настроите GPIO пина и да изведете стойността:

sudo echo "17">/sys/class/gpio/export

sudo echo "out">/sys/class/gpio/gpio17/direction sudo cat/sys/class/gpio/gpio17/стойност

Стойността трябва да е нула.

Сега нека активираме GPIO:

sudo echo "1">/sys/class/gpio/gpio17/стойност

Това трябва да включи светодиода. За да изключите светодиода, просто деактивирайте GPIO, както следва:

sudo echo "0">/sys/class/gpio/gpio17/стойност

Едно от нещата, които МОЖЕ да се случи, е, че при достатъчно смущения или цикли на включване/изключване на светодиода, може да забележите, че светодиодът остава леко осветен. Има причина за това и ще говорим за това в бъдеща стъпка.

Стъпка 5: Използване на реле за задвижване на светодиода

Както е посочено в предишната стъпка, светодиодът е резервен за "бутона" на гаражната врата. Въпреки това, докато GPIO може да захранва нашия светодиод, той не може да "натисне" бутона на гаражната врата. Натискането на бутон по същество просто свързва двата терминала на бутона, като на практика извършва натискане на бутон. Това, от което се нуждаете, за да изпълните тази „преса“, е реле.

Релето не е нищо повече от превключвател, захранван от нещо. В този случай нашата Raspberry Pi може да каже на релето да "натисне" бутона на гаражната врата. За нашия прототип Raspberry Pi ще каже на релето да включи LED … само за да можем да тестваме нашата верига.

Какво трябва да знаем за нашето реле:

• Релето работи при 5V. Това е захранването само за задействане на релето и не се използва в никоя друга част на веригата.
• Искаме да свържем нашето реле като „нормално отворено“. Това означава, че релето остава отворено (не свързва двата проводника или „натискане на бутона“, докато не се активира.
• Това реле се активира, когато GPIO подава нулева мощност към 3.3V конектора на релето. Всъщност това изглежда назад. Когато се подава 3.3V, релето се освобождава. Останете с нас по този проект и ще видите как работи това.
• Двете релейни терминални връзки са напълно отделени от Raspberry Pi. Това означава, че можете да превключите проводник с всеки номинален ток, защото той получава тока си от друг източник на захранване. Простият малък Raspberry Pi с 3.3V и 5V наистина може да работи с реле, което контролира много по -голямо напрежение. Ето как малък бутон на таблото ви за управление може да управлява отопляемите седалки с голям ампераж.

Така че нека започнем.

Първо, свържете отново (но изключен) външния захранващ блок за вашата дъска. Тази мощност ще управлява LED веригата, докато Raspberry Pi контролира релето.

След това създайте прекъсване в линията 3.3V, захранваща светодиода. (С превключватели и релета винаги искаме да превключим „горещо“, а не земята.) Те са обозначени в оранжево и синьо на диаграмата.

Свържете Raspberry Pi, както е показано, с 5V захранване на релето, 3.3V, действащо като превключвател, и земята се връща към Raspberry Pi. В този пример съм свързал 3.3V към GPIO 17. Препоръчвам да свържете 1KΩ резистор към GPIO проводника, както е показано, за да защитите GPIO от проблеми. (Това беше споменато в стъпката на резисторите.)

Включете чертежа и сега включете вашия Pi. Светодиодът трябва да свети.

Сега изпълнете следните команди на Pi:

sudo echo "17">/sys/class/gpio/export

sudo echo "out">/sys/class/gpio/gpio17/direction sudo cat/sys/class/gpio/gpio17/стойност

Стойността трябва да е нула.

Сега нека активираме GPIO:

sudo echo "1">/sys/class/gpio/gpio17/стойност

Това трябва да изключи светодиода.

Стъпка 6: Добавяне на издърпващ се резистор

В този момент всичките ви неща трябва да работят. Но има едно нещо, което не сме обсъждали относно GPIO, а това е "плаващото" напрежение, което е възможно въз основа на прага, който споменахме по -рано.

Докато GPIO обикновено имат две логически състояния (1 и нула), той определя тези състояния въз основа на това дали има напрежение над или под прага на напрежението, както споменахме в раздела GPIO. Но проблемът в повечето GPIO е възможността за "плаващо" напрежение; в случая с Raspberry Pi, някъде между нула и 3.3V. Това може да възникне от смущения или от повишаване/спадане на напрежението във верига.

Не искаме ситуация, в която нашето реле на бутона на гаражната врата може просто да се активира от плаващо напрежение. Всъщност искаме тя да се активира само когато му кажем.

Ситуации като тази се решават с помощта на издърпващи и издърпващи се резистори за налагане на определено напрежение и избягване на плаващото напрежение. В нашия случай искаме да се уверим, че захранваме с напрежение, за да предотвратим активирането на релето. Така че имаме нужда от издърпващ резистор, за да повишим напрежението над прага. (Праговете са смешни неща … Опитах се да прочета за тях и да видя дали са добре дефинирани и имам ли много информация, която ми се въртеше над главата, а някои изглеждаха прекалено прости. Достатъчно е да кажа, че с мултицет видях това напрежението беше по -ниско от 3,3 V, но тъй като всичко работеше, докато го прототипирах, просто продължих. Пробегът ви може да варира и затова ние правим това, преди да запояваме крайния си продукт.)

Разбира се, Raspberry Pi има както вътрешни дърпащи, така и падащи резистори, които можете да зададете в код или при зареждане. Въпреки това, той е силно податлив на смущения. Въпреки че е възможно да се използват, тъй като вече работим с резистори във верига, може да си струва стабилността да се използва външното.

По-важното е, че това създава издърпване и добавя достатъчно напрежение, така че състоянието на пино на GPIO да е по подразбиране 1 преди инициализацията на Pi. Помните ли как нашето реле активира, светодиодът светна, когато за първи път инициализирахме Pi, докато го изключим? Използването на издърпване предотвратява активирането на релето при стартиране, защото входът на релето 3.3V получава напрежение едновременно с това входът на 5V получава напрежение. Можем да направим това и в конфигурацията на Pi, ако искаме, но отново, тъй като така или иначе свързваме резистори, изглежда по -малко уязвимо за актуализации и дистрибуции на операционната система.

Различните конфигурации може да се нуждаят от различни резистори, но 10kΩ резистор работи с релето, което имах. Светодиодът на моето реле беше много слаб при зареждане, но издърпването осигуряваше достатъчно напрежение, за да предотврати активирането на релето.

Нека добавим издърпващ резистор към нашата верига. В схемата на макета добавих 10kΩ резистор между 3.3V входа на релето и 3.3V източник.

Сега имаме схема, подходяща за "натискане" на бутона на гаражната врата; подмяната на светодиода и резистора 330Ω с действителните проводници на бутона трябва да бъде лесна.

Стъпка 7: Сензор за тръстови превключватели

Толкова страхотно, ние знаем как изглежда нашата верига, за да активираме отварянето на гаражните врати. Не би ли било хубаво обаче да се знае дали гаражната врата е затворена или е отворена? За да направите това, имате нужда от поне един тръстиков превключвател. Някои проекти препоръчват два, но и двата ще използват една и съща схема.

Използваме "нормално отворена" (NO) конфигурация на тръстиков превключвател. Това означава, че нашата верига е отворена, докато герконът не е в близост до магнита, което ще затвори веригата и ще позволи на електричеството да тече.

Основните разлики между настройката на сензора и настройката на релето са:

• GPIO, свързан към сензора, ще открие захранване, така че ще бъде вход GPIO (докато релето използва изходен GPIO, който подава напрежение)
• Тъй като състоянието по подразбиране съществува като нормално отворено, това означава, че нашата верига няма да бъде активна. Като такова, състоянието на GPIO трябва да бъде 0. Обратно на концепцията за издърпващия се резистор на релейната верига, ние ще искаме да се уверим, че нашето напрежение е под прага, когато веригата е отворена. Това ще изисква изтеглящ се резистор. Това по принцип е същото като издърпването, но е свързано към земята вместо към захранването.

Подобно на релейната верига, ние ще свържем нещата на макет, преди да ги свържем към Pi.

Нека използваме нашата захранвана платка и да свържем LED, 330Ω резистор и заземен проводник. След това свържете 3.3V към едната страна на тръстиковия превключвател и джъмпер от другата страна на тръстиковия превключвател към светодиода. (Ако имате тръстиков превключвател, който поддържа NO и NC, използвайте позицията NO.) Преместете магнита далеч от тръстиковия превключвател и включете захранването. Светодиодът трябва да остане изключен. Преместете магнита към тръстиковия превключвател и светодиодът трябва да свети. Ако прави обратното, имате го свързан към NC (нормално затворен)

Стъпка 8: Свързване на Reed Switch към Pi

Така че сега, когато веригата работи без Pi, можем да премахнем захранването от макета и ще свържем Pi.

Ще използваме отново GPIO17, защото вече знаем къде се намира.

Подобно на релейната верига, ние ще защитим GPIO щифта с 1KΩ резистор; ние обаче ще използваме 10kΩ резистор за заземяване, за да създадем падащо меню.

След като свържем всичко, нека преместим магнита далеч от тръстиковия превключвател, стартираме P, i и стигаме до командния ред и инициализираме GPIO, като отбелязваме, че този път създаваме входен GPIO:

sudo echo "17">/sys/class/gpio/export

sudo echo "in">/sys/class/gpio/gpio17/direction sudo cat/sys/class/gpio/gpio17/стойност

Стойността трябва да е нула. Преместете магнита към тръстиковия превключвател. LED светлината трябва да светне и стойността е 1.

Вола! Ние свързахме нашия тръстиков превключвател към Pi!

Стъпка 9: Осъществяване на постоянно решение на прототипиращ съвет

Сега, когато знаем как трябва да изглеждат нашите схеми, е време да запояваме постоянна версия на прототипна платка. Тъй като използвам Pi Zero W, получих малки прото платки.

Мислех, че би било добре да използвам нулевия формат и да мога да подреждам една или повече дъски, допълнителен модул, който Raspberry Pi нарича HAT (хардуер, прикрепен отгоре). Е, технически, тъй като няма никакъв тип EEPROM и не се регистрира, не е ШАПКА, но трябва да го нарека нещо. Но форматът се монтира добре и елиминира гнездото от кабели за плъхове, така че е хубаво.

Предизвикателството е, че прото платките са малко, така че не можете да поберете много върху тях. Също така, нито една от дупките не е свързана в редове като по -големите прото дъски. Въпреки че това може да изглежда неудобно, всъщност е спасител.

Мислех, че мога да създам ШАПКА за всяка гаражна врата, която искам да контролирам. По този начин можете да разширите този проект, за да отговаряте на вашите нужди.

На прото платката открих, че има достатъчно място за създаване на три схеми:

1. релейна верига
2. сензорна верига
3. втора верига на сензора

Това е доста добре за всеки проект за гаражни врати.

Това, което направих, беше да използвам GPIO17 и 27 за сензорите и GPIO12 за релето. Наистина хубавото на тази прото платка е, че можете да свържете към GPIO, без дори да докосвате заглавката. Но да, ще трябва да запоите заглавка за подреждане в допълнение към вашите резистори (и, по избор, светодиоди).

Почти пресъздадох схемите, които прототипирахме на дъската. Можете да кажете, че запояването ми не е перфектно, но все пак работи. (Следващите дъски ще бъдат по -добри, откакто имам практика.) Имам Aoyue 469 и само косъм над настройка 4 беше най -добрата температура въз основа на препоръките за запояване на GPIO заглавието.

Използвах външните свързани редове за земя и вътрешните за 3.3V. И използвах резисторния проводник, за да действам като мост, тъй като нямахме свързани редове. Останалите са диагонални и странични, защото това беше най -добрият начин, който намерих, за да ги поставя на дъската.

От L-R (гледайки отпред, от страна на резистора), изходните щифтове, които добавих, са за проводника GPIO проводник, втория проводник GPIO за сензора и релето GPIO проводник. Вместо да свързваме директно към GPIO, което бихме могли да направим от заглавката, тези щифтове се свързват с всички наши резистори и в случая със сензорите добавих в microLED. (Обърнете внимание как светодиодът е в напълно отделен контур, така че ако изгори, веригата все още работи.)

Прикачен файл е Fritzing, но тъй като Instructables има проблеми с качването на файлове, трябваше да му дам фалшиво разширение на "txt", за да го вградя.

Стъпка 10: Препратки

Проект за отваряне на гаражни врати Raspberry Pi (вдъхновението)

Ръководство на идиот за отваряне на гаражни врати Raspberry Pi

Отваряне на гаражни врати за iPhone или Android

Трябва ли да използвам резистор или не?

Използване на Pullup и Pulldown резистори на Raspberry Pi

Настройване на SSH

Raspberry Pi Pin Диаграми.

SYSFS команди

WiringPi

Резистори и светодиоди

Защитни (sic) GPIO щифтове

Калкулатор и диаграма на цветовия код на резистора

Издърпващи и издърпващи резистори

GPIO прагове на напрежение

Нива на входно напрежение на GPIO

Контрол на GPIO в config.txt

GPIO Pull Up Resisance (sic)

Защо имаме нужда от външни дърпащи резистори, когато микроконтролерите имат вътрешни дърпащи резистори?

Какво представлява Raspberry Pi HAT?

Как да запоявате Raspberry Pi Zero W GPIO конектора