Nesta sessão, vamos fazer uma lâmpada de emergência 9WATT usando Raspberry Pi e Python. Esta lâmpada detectará automaticamente a escuridão e a ausência de fonte de alimentação CA e acenderá quando houver falha de energia e a luz adequada não estiver presente.
Embora existam várias lâmpadas de emergência disponíveis, elas são puramente dedicadas a um único propósito, como um circuito simples de luz de emergência que criamos anteriormente, dispara apenas em caso de falha de energia. Com Raspberry Pi podemos adicionar várias outras funcionalidades a ele, como aqui adicionamos LDR para detectar escuridão em vários níveis. Aqui nós adicionamos dois níveis, quando estiver totalmente escuro, a lâmpada acenderá com intensidade total e quando estiver semi-escuro, ela brilhará com 30% da capacidade. Portanto, aqui vamos projetar esta lâmpada para LIGAR quando a energia da linha CA estiver DESLIGADA e quando a intensidade da luz na sala for muito baixa.
Componentes necessários:
Aqui, estamos usando o Raspberry Pi 2 Model B com o Raspbian Jessie OS. Todos os requisitos básicos de hardware e software foram discutidos anteriormente. Você pode consultá-los na introdução do Raspberry Pi e no LED Raspberry PI piscando para começar, exceto pelo que precisamos:
- Capacitor 1000µF
- 1 LED WATT (9 peças)
- Bateria selada de + 12V LEAD ACID
- Banco de potência 6000-10000mAH
- Adaptador + 5V DC
- Chip Lm324 OP-AMP
- 4N25 optoacoplador
- IRFZ44N MOSFET
- LDR (Resistor Dependente de Luz)
- LED (1 peça)
- Resistores: 1KΩ (3 peças), 2,2KΩ, 4,7KΩ, 100Ω (2 peças), 10Ω (9 peças), 10KΩ, 100KΩ
- Pote de 10KΩ (3 peças) (todos os resistores são 0,25 watt)
Descrição:
Antes de entrar em Conexões de Circuito e seu funcionamento, aprenderemos sobre os componentes e sua finalidade no circuito:
Lâmpada LED de 9 watts:
A LÂMPADA é composta por nove LEDs de 1WATT. Existem diferentes tipos de LEDs no mercado, mas os LEDs 1WATT estão facilmente disponíveis em todos os lugares. Esses LEDs operam a 3,6 V, portanto, conectaremos três deles em série junto com diodos de proteção para operar a + 12 V. Iremos conectar três dessas tiras formando uma lâmpada LED 9WATT. Vamos operar esta lâmpada com Raspberry Pi em conformidade.
LDR (Light Dependent Resistor) para detectar escuridão:
Vamos usar o LDR (Light Dependent Resistor) para detectar a intensidade da luz na sala. O LDR muda sua resistência linearmente com a intensidade da luz. Este LDR será conectado ao divisor de tensão. Com isso teremos voltagem variável para representar intensidade de luz variável. Se a intensidade da luz for BAIXA, a saída de tensão será ALTA e se a intensidade da luz for BAIXA a saída de tensão será BAIXA.
Op-amp LM324 IC para verificação de saída LDR:
O Raspberry Pi não possui um mecanismo ADC (Conversor Analógico para Digital) interno. Portanto, esta configuração não pode ser conectada diretamente ao Raspberry Pi. Usaremos comparadores baseados em OP-AMP para verificar as saídas de tensão do LDR.
Aqui, usamos o amplificador operacional LM324, que tem quatro amplificadores operacionais dentro dele, e dois amplificadores operacionais desses quatro. Portanto, nosso PI será capaz de detectar a intensidade da luz em dois níveis. Dependendo desses níveis, ajustaremos o brilho da lâmpada LED. Quando estiver totalmente escuro, a lâmpada acenderá com intensidade total e quando estiver meio escuro, ela brilhará com 30% da capacidade. Verifique o código Python e o vídeo, no final, para entendê-lo corretamente. Aqui, usamos o conceito PWM no Raspberry Pi para controlar a intensidade dos LEDs.
O Raspberry Pi tem 26GPIO, dos quais alguns são usados para funções especiais. Com GPIO especial colocado de lado, temos 17 GPIO. Cada um dos 17 pinos GPIO não pode ter voltagem superior a + 3,3 V, portanto, as saídas do Op-amp não podem ser superiores a 3,3 V. Por isso, escolhemos o amplificador operacional LM324, já que este chip pode operar a + 3,3 V, fornecendo saídas lógicas não superiores a + 3,3 V. Saiba mais sobre GPIO Pins of Raspberry Pi aqui. Verifique também nossa série de tutoriais do Raspberry Pi junto com alguns bons projetos de IoT.
Adaptador AC para DC para verificar a linha AC:
Usaremos a lógica de tensão de saída do adaptador CA para CC para detectar o status da linha CA. Embora existam várias maneiras de detectar o status da linha CA, essa é a maneira mais segura e fácil de fazer. Pegamos a lógica de + 5 V do adaptador e a enviamos para o Raspberry Pi por meio de um circuito divisor de tensão para converter a lógica de alta de + 5 V para a lógica de alta de +3,3 V. Veja o diagrama do circuito para melhor compreensão.
Banco de energia e bateria de chumbo-ácido 12v para fonte de alimentação:
Lembre-se de que o Raspberry Pi deve estar operando na ausência de energia, portanto, conduziremos o PI usando um banco de energia (uma bateria de 10000mAH) e a lâmpada LED de 9WATT será alimentada por bateria selada LEAD ACID de + 12V, 7AH. A lâmpada LED não pode ser alimentada por banco de energia, pois consome muita energia, portanto, deve ser alimentada por uma fonte de alimentação separada.
Você pode alimentar o Raspberry Pi com uma bateria de + 12V se tiver um conversor de + 12V para + 5v eficiente. Por meio desse conversor, você pode livrar-se do banco de energia e alimentar todo o circuito com uma única fonte de bateria.
Explicação do circuito:
O diagrama do circuito da luz de emergência Raspberry Pi é fornecido abaixo:
Aqui, usamos três de quatro comparadores dentro do LM324 IC. Dois deles serão usados para detectar os níveis de intensidade da luz e o terceiro será usado para detectar o nível de baixa tensão da bateria de + 12V.
1. OP-AMP1 ou U1A: O terminal negativo deste comparador é fornecido com 1,2 V (ajuste RV2 para obter a tensão) e o terminal positivo é conectado à rede divisora de tensão LDR. Conforme a sombra cai sobre o LDR, sua resistência interna aumenta. Com o aumento da resistência interna do LDR, a queda de tensão no terminal positivo do OP-AMP1 aumenta. Uma vez que esta tensão for superior a 1,2 V, o OP-AMP1 fornece saída de + 3,3 V. Esta saída lógica ALTA do OP-AMP será detectada pelo Raspberry Pi.
2. OP-AMP2 ou U1B: O terminal negativo deste comparador é fornecido com 2,2 V (ajuste RV3 para obter a tensão) e o terminal positivo é conectado à rede divisora de tensão LDR. Conforme a sombra caindo sobre o LDR aumenta ainda mais, sua resistência interna fica ainda mais alta. Com o aumento da resistência interna do LDR, a queda de tensão no terminal positivo do OP-AMP2 aumenta. Uma vez que esta tensão for superior a 2,2 V, o OP-AMP2 fornece saída de + 3,3 V. Esta saída lógica ALTA do OP-AMP será detectada pelo Raspberry Pi.
3. OP-AMP3 ou U1C: Este OP-AMP será usado para detectar o nível de baixa tensão da bateria de + 12v. O terminal negativo deste comparador é fornecido com 2,1 V (ajuste RV1 para obter a tensão) e o terminal positivo é conectado a um circuito divisor de tensão. Este divisor divide a tensão da bateria por 1 / 5,7 vezes, portanto, para a tensão da bateria de 12,5 V teremos 2,19 V no terminal positivo do OP-AMP3. Quando a tensão da bateria fica abaixo de 12,0 V, a tensão no terminal positivo será <2,1 V. Portanto, com 2.1v no terminal negativo, a saída OP-AMP fica baixa. Então, quando a tensão da bateria cai abaixo de 12 V (significa abaixo de 2,1 V no terminal positivo), o OP-AMP puxa para baixo a saída, esta lógica será detectada pelo Raspberry Pi.
Explicação de trabalho:
Toda a função desta Lâmpada de Emergência Raspberry Pi pode ser declarada como:
O primeiro Raspberry Pi detecta se há alimentação CA presente ou não detectando a lógica no GPIO23, onde + 3,3 V do adaptador CA é obtido. Uma vez que a energia é desligada, + 5 V do adaptador é desligado e o Raspberry Pi vai para a próxima etapa apenas se esta lógica BAIXA for detectada, se não, PI não irá para a próxima etapa. Essa lógica BAIXA acontece apenas quando a alimentação CA é desligada.
O próximo PI verifica se o nível da bateria do LEAD ACID está BAIXO. Essa lógica é fornecida pelo OP-AMP3 no GPIO16. Se a lógica for BAIXA, PI não avança para a próxima etapa. Com a tensão da bateria superior a + 12 V, PI avança para a próxima etapa.
Em seguida, Raspberry Pi verifica se a escuridão na sala está ALTA, essa lógica é fornecida pelo OP-AMP2 no GPIO20. Se sim, o PI fornece saída PWM (Modulação por largura de pulso) com um ciclo de trabalho de 99%. Este sinal PWM aciona o opto-acoplador que aciona o MOSFET. O MOSFET alimenta a configuração do LED 9WATT conforme mostrado na figura. Se não houver escuridão total, PI passa para a próxima etapa. Saiba mais sobre PWM em Raspberry Pi aqui.
Em seguida, Raspberry Pi verifica se a escuridão na sala está BAIXA, esta lógica é fornecida pelo OP-AMP1 no GPIO21. Em caso afirmativo, PI fornece saída PWM (Modulação por largura de pulso) com um ciclo de trabalho de 30%. Este sinal PWM aciona o opto-acoplador que aciona o MOSFET. O MOSFET alimenta a configuração do LED 9WATT conforme mostrado na figura. Se houver luz adequada na sala, o Raspberry Pi não fornecerá saída PWM, então a LÂMPADA ficará completamente desligada.
Portanto, para ligar esta lâmpada de emergência, ambas as condições devem ser True, significa que a linha CA deve estar desligada e deve haver escuridão na sala. Você pode obter um entendimento claro verificando o código Python completo e o vídeo abaixo.
Você pode adicionar funcionalidades mais interessantes e níveis de escuridão a esta lâmpada de emergência. Verifique também nossos mais circuitos de Eletrônica de Potência:
- Fonte de alimentação variável 0-24v 3A usando LM338
- Circuito carregador de bateria 12v usando LM317
- Circuito inversor 12v DC a 220v AC
- Circuito carregador de celular