In dieser Sitzung werden wir eine 9WATT-Notlampe mit Raspberry Pi und Python herstellen. Diese Lampe erkennt automatisch die Dunkelheit und das Fehlen einer Wechselstromversorgung und leuchtet auf, wenn ein Stromausfall vorliegt und kein geeignetes Licht vorhanden ist.
Es sind zwar verschiedene Notleuchten verfügbar, diese dienen jedoch ausschließlich einem einzigen Zweck, wie beispielsweise ein zuvor erstellter einfacher Notlichtkreis, der nur bei Stromausfall ausgelöst wird. Mit Raspberry Pi können wir verschiedene andere Funktionen hinzufügen, wie hier haben wir LDR hinzugefügt, um Dunkelheit auf verschiedenen Ebenen zu erkennen. Hier haben wir zwei Stufen hinzugefügt: Wenn es vollständig dunkel ist, leuchtet die Lampe mit voller Intensität und wenn es halb dunkel ist, leuchtet sie mit einer Kapazität von 30%. Hier werden wir diese Lampe so gestalten, dass sie eingeschaltet wird, wenn die Netzstromversorgung ausgeschaltet ist und die Lichtintensität im Raum sehr niedrig ist.
Erforderliche Komponenten:
Hier verwenden wir Raspberry Pi 2 Model B mit Raspbian Jessie OS. Alle grundlegenden Hardware- und Softwareanforderungen wurden bereits erläutert. Sie können sie in der Einführung zu Raspberry Pi und zum Blinken der Raspberry PI-LED nachschlagen, um loszulegen.
- 1000µF Kondensator
- 1WATT LED (9 Stück)
- + 12V versiegelte Blei-Säure-Batterie
- 6000-10000mAH Power Bank
- + 5V DC Adapter
- Lm324 OP-AMP-Chip
- 4N25 Optokoppler
- IRFZ44N MOSFET
- LDR (Light Dependent Resistor)
- LED (1 Stück)
- Widerstände: 1 kΩ (3 Stück), 2,2 kΩ, 4,7 kΩ, 100 Ω (2 Stück), 10 Ω (9 Stück), 10 kΩ, 100 kΩ
- 10KΩ Topf (3 Stück) (alle Widerstände sind 0,25 Watt)
Beschreibung:
Bevor wir uns mit Circuit Connections und seiner Funktionsweise befassen, lernen wir die Komponenten und ihren Zweck in der Schaltung kennen:
9 Watt LED Lampe:
Die LAMPE besteht aus neun 1WATT-LEDs. Es gibt verschiedene Arten von LEDs auf dem Markt, aber 1WATT LED sind überall leicht erhältlich. Diese LED arbeiten mit 3,6 V, daher werden drei davon zusammen mit Schutzdioden in Reihe geschaltet, um mit +12 V zu arbeiten. Wir werden drei dieser Streifen zu einer 9WATT LED-Lampe verbinden. Wir werden diese Lampe mit Raspberry Pi entsprechend betreiben.
LDR (Light Dependent Resistor) zur Erkennung von Dunkelheit:
Wir werden LDR (Light Dependent Resistor) verwenden, um die Lichtintensität im Raum zu erfassen. Der LDR ändert seinen Widerstand linear mit der Lichtintensität. Dieser LDR wird an den Spannungsteiler angeschlossen. Damit haben wir eine variable Spannung, um eine variable Lichtintensität darzustellen. Wenn die Lichtintensität NIEDRIG ist, ist der Spannungsausgang HOCH und wenn die Lichtintensität niedrig ist, ist der Spannungsausgang NIEDRIG.
Operationsverstärker LM324 IC zur Überprüfung des LDR-Ausgangs:
Raspberry Pi verfügt nicht über einen internen ADC-Mechanismus (Analog to Digital Converter). Daher kann dieses Setup nicht direkt mit Raspberry Pi verbunden werden. Wir werden OP-AMP-basierte Komparatoren verwenden, um die Spannungsausgänge von LDR zu überprüfen.
Hier haben wir den Operationsverstärker LM324 verwendet, der vier Operationsverstärker enthält, und wir haben zwei von diesen vier Operationsverstärkern verwendet. So kann unser PI die Lichtintensität auf zwei Ebenen erfassen. Abhängig von diesen Stufen passen wir die Helligkeit der LED-Lampe an. Wenn es vollständig dunkel ist, leuchtet die Lampe mit voller Intensität und wenn es halb dunkel ist, leuchtet sie mit einer Kapazität von 30%. Überprüfen Sie am Ende den Python-Code und das Video, um es richtig zu verstehen. Hier haben wir das PWM-Konzept in Raspberry Pi verwendet, um die Intensität von LEDs zu steuern.
Raspberry Pi hat 26GPIO, von denen einige für spezielle Funktionen verwendet werden. Mit speziellem GPIO haben wir 17 GPIO. Jeder der 17 GPIO-Pins kann keine höhere Spannung als +3,3 V aufnehmen, sodass die Operationsverstärkerausgänge nicht höher als 3,3 V sein dürfen. Daher haben wir uns für den Operationsverstärker LM324 entschieden, da dieser Chip mit +3,3 V betrieben werden kann und Logikausgänge von nicht mehr als +3,3 V liefert. Erfahren Sie hier mehr über GPIO Pins von Raspberry Pi. Schauen Sie sich auch unsere Raspberry Pi Tutorial-Reihe zusammen mit einigen guten IoT-Projekten an.
AC / DC-Adapter zur Überprüfung der AC-Leitung:
Wir werden die Ausgangsspannungslogik des AC / DC-Adapters verwenden, um den Status der AC-Leitung zu ermitteln. Obwohl es verschiedene Möglichkeiten gibt, den Status der Wechselstromleitung zu ermitteln, ist dies der sicherste und einfachste Weg. Wir werden + 5V Logik vom Adapter nehmen und sie Raspberry Pi über eine Spannungsteilerschaltung geben, um + 5V High Logic auf + 3.3V HIGH Logik umzuwandeln. Zum besseren Verständnis siehe Schaltplan.
Power Bank und 12V Blei-Säure-Batterie für die Stromversorgung:
Denken Sie daran, dass der Raspberry Pi ohne Strom betrieben werden muss. Daher fahren wir den PI mit einer Power Bank (ein Akkupack mit 10000 mAh) und die 9WATT-LED-Lampe wird mit einer + 12V, 7AH versiegelten LEAD ACID-Batterie betrieben. Die LED-Lampe kann nicht über eine Power Bank mit Strom versorgt werden, da sie zu viel Strom verbraucht. Daher muss sie über eine separate Stromquelle mit Strom versorgt werden.
Sie können den Raspberry Pi mit einer + 12V-Batterie versorgen, wenn Sie über einen effizienten + 12V / + 5V-Konverter verfügen. Mit diesem Konverter können Sie die Power Bank loswerden und den gesamten Stromkreis mit einer einzigen Batteriequelle versorgen.
Schaltungserklärung:
Das Schaltbild der Raspberry Pi-Notleuchte ist unten angegeben:
Hier haben wir drei von vier Komparatoren im LM324 IC verwendet. Zwei davon werden zur Erfassung der Lichtintensität und die dritte zur Erfassung des Niederspannungspegels einer + 12-V-Batterie verwendet.
1. OP-AMP1 oder U1A: Der Minuspol dieses Komparators ist mit 1,2 V versehen (RV2 einstellen, um die Spannung zu erhalten), und der Pluspol ist mit dem LDR-Spannungsteilernetzwerk verbunden. Wenn der Schatten auf den LDR fällt, steigt sein Innenwiderstand. Mit dem Anstieg des Innenwiderstands von LDR steigt der Spannungsabfall am positiven Anschluss von OP-AMP1 an. Sobald diese Spannung höher als 1,2 V ist, liefert der OP-AMP1 einen Ausgang von + 3,3 V. Dieser HIGH-Logikausgang von OP-AMP wird von Raspberry Pi erkannt.
2. OP-AMP2 oder U1B: Der Minuspol dieses Komparators ist mit 2,2 V versehen (RV3 einstellen, um die Spannung zu erhalten), und der Pluspol ist mit dem LDR-Spannungsteilernetzwerk verbunden. Wenn der Schatten, der auf den LDR fällt, weiter zunimmt, steigt sein Innenwiderstand noch weiter an. Mit weiterem Anstieg des Innenwiderstands von LDR steigt der Spannungsabfall am positiven Anschluss von OP-AMP2 an. Sobald diese Spannung höher als 2,2 V ist, liefert der OP-AMP2 einen Ausgang von + 3,3 V. Dieser HIGH-Logikausgang von OP-AMP wird von Raspberry Pi erkannt.
3. OP-AMP3 oder U1C: Mit diesem OP-AMP wird der Niederspannungspegel des + 12-V-Akkus erkannt. Der Minuspol dieses Komparators ist mit 2,1 V versehen (RV1 einstellen, um die Spannung zu erhalten), und der Pluspol ist mit einer Spannungsteilerschaltung verbunden. Dieser Teiler teilt die Batteriespannung durch das 1 / 5,7-fache. Für eine Batteriespannung von 12,5 V haben wir also 2,19 V am positiven Anschluss von OP-AMP3. Wenn die Batteriespannung unter 12,0 V fällt, beträgt die Spannung am Pluspol <2,1 V. Wenn also 2,1 V am negativen Anschluss sind, wird der OP-AMP-Ausgang niedrig. Wenn also die Batteriespannung unter 12 V fällt (dh unter 2,1 V am Pluspol), zieht der OP-AMP den Ausgang herunter, diese Logik wird von Raspberry Pi erkannt.
Arbeitserklärung:
Die gesamte Funktion dieser Raspberry Pi-Notleuchte kann wie folgt angegeben werden:
Der erste Raspberry Pi erkennt, ob Wechselstrom vorhanden ist oder nicht, indem er die Logik am GPIO23 erkennt, wo +3,3 V vom Netzteil entnommen werden. Sobald die Stromversorgung ausgeschaltet ist, werden +5 V vom Adapter ausgeschaltet und Raspberry Pi geht nur dann zum nächsten Schritt über, wenn diese LOW-Logik erkannt wird. Andernfalls wechselt PI nicht zum nächsten Schritt. Diese LOW-Logik tritt nur auf, wenn die Wechselstromversorgung ausgeschaltet wird.
Der nächste PI prüft, ob der Batteriestand der LEAD ACID niedrig ist. Diese Logik wird von OP-AMP3 bei GPIO16 bereitgestellt. Wenn die Logik LOW ist, fährt PI nicht mit dem nächsten Schritt fort. Bei einer Batteriespannung von mehr als +12 V geht PI zum nächsten Schritt über.
Als nächstes prüft Raspberry Pi, ob die Dunkelheit im Raum HOCH ist. Diese Logik wird von OP-AMP2 bei GPIO20 bereitgestellt. Wenn ja, liefert PI einen PWM-Ausgang (Pulse Width Modulation) mit einem Tastverhältnis von 99%. Dieses PWM-Signal steuert den Optokoppler an, der den MOSFET ansteuert. Der MOSFET versorgt das 9WATT-LED-Setup wie in der Abbildung gezeigt. Wenn es nicht vollständig dunkel ist, fährt PI mit dem nächsten Schritt fort. Erfahren Sie hier mehr über PWM in Raspberry Pi.
Dann prüft Raspberry Pi, ob die Dunkelheit im Raum NIEDRIG ist. Diese Logik wird von OP-AMP1 bei GPIO21 bereitgestellt. Wenn ja, liefert PI einen PWM-Ausgang (Pulse Width Modulation) mit einem Tastverhältnis von 30%. Dieses PWM-Signal steuert den Optokoppler an, der den MOSFET ansteuert. Der MOSFET versorgt das 9WATT-LED-Setup wie in der Abbildung gezeigt. Wenn im Raum ausreichend Licht vorhanden ist, bietet Raspberry Pi keinen PWM-Ausgang, sodass die LAMPE vollständig ausgeschaltet ist.
Um diese Notlampe einzuschalten, müssen beide Bedingungen erfüllt sein, dh die Wechselstromleitung muss ausgeschaltet sein und es muss Dunkelheit im Raum geben. Sie können das klare Verständnis erlangen, indem Sie den vollständigen Python-Code und das Video unten überprüfen.
Sie können dieser Notleuchte weitere interessante Funktionen und Dunkelheitsstufen hinzufügen. Überprüfen Sie auch unsere mehr Leistungselektronik-Schaltungen:
- 0-24 V 3A Variable Stromversorgung mit LM338
- 12-V-Batterieladekreis mit LM317
- Wechselrichterschaltung 12 V DC bis 220 V AC
- Handy-Ladekreis