このセッションでは、RaspberryPiとPythonを使用して9WATT非常灯を作成します。このランプは、AC電源の暗さや不在を自動的に検出し、停電が発生して適切な光がない場合に点灯します。
さまざまな非常灯が利用可能ですが、それらは、以前に作成した1つの単純な非常灯回路のように、停電時にのみトリガーされる単一の目的にのみ使用されます。Raspberry Piを使用すると、他のさまざまな機能を追加できます。たとえば、ここでは、さまざまなレベルで闇を検出するためのLDRを追加しました。ここでは、2つのレベルを追加しました。完全に暗くなると、ランプは完全な強度で点灯し、半暗くなると、30％の容量で点灯します。そこで、ここでは、ACラインの電源がオフのとき、および部屋の光の強度が非常に低くなったときにオンになるようにこのランプを設計します。
必要なコンポーネント：
ここでは 、Raspbian JessieOSでRaspberryPi2モデルBを使用しています。すべての基本的なハードウェアとソフトウェアの要件については前に説明しましたが、必要なものを除いて、RaspberryPiの概要とRaspberryPIのLEDの点滅で調べることができます。
- 1000µFコンデンサ
- 1ワットLED（9個）
- + 12V密閉型鉛蓄電池
- 6000-10000mAHパワーバンク
- + 5VDCアダプター
- Lm324OP-AMPチップ
- 4N25オプトカプラー
- IRFZ44N MOSFET
- LDR（光依存型レジスター）
- LED（1個）
- 抵抗器：1KΩ（3個）、2.2KΩ、4.7KΩ、100Ω（2個）、10Ω（9個）、10KΩ、100KΩ
- 10KΩポット（3個）（すべての抵抗器は0.25ワットです）
説明：
回路接続とその動作に入る前に、回路内のコンポーネントとその目的について学習します。
9ワットLEDランプ：
LAMPは9個の1WATTのLEDで構成されています。市場にはさまざまな種類のLEDがありますが、1WATTLEDはどこでも簡単に入手できます。これらのLEDは3.6Vで動作するため、3つを保護ダイオードと直列に接続して+ 12Vで動作させます。これらのストリップのうち3つを接続して、9WATTLEDランプを形成します。それに応じて、このランプをRaspberryPiで操作します。
暗闇を検出するためのLDR（光依存抵抗器）：
LDR（光依存抵抗器）を使用して、室内の光の強度を検出します。LDRは、光の強度に比例して抵抗を変化させます。このLDRは分圧器に接続されます。これにより、可変光強度を表す可変電圧が得られます。光強度がLOWの場合、電圧出力はHIGHになり、HIGH電圧出力の場合、光強度はLOWになります。
LDR出力をチェックするためのオペアンプLM324IC：
Raspberry Piには、内部ADC（アナログ-デジタルコンバーター）メカニズムがありません。したがって、このセットアップをRaspberryPiに直接接続することはできません。OP-AMPベースのコンパレータを使用して、LDRからの電圧出力をチェックします。
ここでは、 内部に4つのオペアンプを備えたオペアンプLM324を使用し、そのうち2つのオペアンプを使用しました。したがって、PIは2つのレベルで光強度を検出できるようになります。これらのレベルに応じて、LEDランプの明るさを調整します。完全に暗くなると、ランプは完全な強度で点灯し、半分暗くなると、30％の容量で点灯します。最後に、Pythonのコードとビデオをチェックして、正しく理解してください。ここでは、Raspberry PiのPWMコンセプトを使用して、LEDの強度を制御しました。
Raspberry Piには26GPIOがあり、そのうちのいくつかは特別な機能に使用されます。特別なGPIOを別にすれば、17のGPIOがあります。17個のGPIOピンのそれぞれは+ 3.3Vを超える電圧を取ることができないため、オペアンプの出力は3.3Vを超えることはできません。したがって、このチップは+ 3.3Vで動作し、+ 3.3V以下のロジック出力を提供するため、オペアンプLM324を選択しました 。Raspberry PiのGPIOピンについて詳しくは、こちらをご覧ください。また、RaspberryPiチュートリアルシリーズといくつかの優れたIoTプロジェクトも確認してください。
ACラインをチェックするためのAC-DCアダプター：
AC-DCアダプターのコンセント電圧ロジックを使用して、ACラインのステータスを検出します。ACラインの状態を検出する方法はいくつかありますが、これが最も安全で簡単な方法です。アダプターから+ 5Vロジックを取得し、分圧回路を介してRaspberry Piに渡して、+ 5Vハイロジックを+ 3.3vハイロジックに変換します。理解を深めるには、回路図を参照してください。
電源用のパワーバンクと12v鉛蓄電池：
Raspberry Piは電力が供給されていない状態で動作している必要があるため、パワーバンク（バッテリーパック10000mAH）を使用してPIを駆動し、9WATTLEDランプは+ 12V、7AH密閉型鉛蓄電池で駆動することに注意してください。LEDランプは、消費電力が多すぎるため、パワーバンクから電力を供給できないため、別の電源から電力を供給する必要があります。
効率的な+ 12Vから+ 5vへのコンバーターがあれば、+ 12VバッテリーでRaspberryPiに電力を供給できます。そのコンバーターによって、あなたはパワーバンクを捨てて、単一のバッテリーソースで回路全体に電力を供給することができます。
回路の説明：
RaspberryPi非常灯の回路図を以下に示します。
ここでは、LM324IC内の4つのコンパレータのうち3つを使用しました。それらのうちの2つは光強度レベルを検出するために使用され、3つ目は+ 12Vバッテリーの低電圧レベルを検出するために使用されます。
1. OP-AMP1またはU1A：このコンパレータのマイナス端子には1.2Vが供給され（電圧を取得するためにRV2を調整）、プラス端子はLDR分圧器ネットワークに接続されます。日陰がLDRに当たると、内部抵抗が上昇します。LDRの内部抵抗の上昇に伴い、OP-AMP1の正端子での電圧降下が上昇します。この電圧が1.2Vを超えると、OP-AMP1は+ 3.3V出力を提供します。OP-AMPのこのHIGHロジック出力は、RaspberryPiによって検出されます。
2. OP-AMP2またはU1B：このコンパレータのマイナス端子には2.2Vが供給され（RV3を調整して電圧を取得）、プラス端子はLDR分圧器ネットワークに接続されます。 LDRに当たる日陰がさらに増えると、その内部抵抗はさらに高くなります。 LDRの内部抵抗がさらに上昇すると、OP-AMP2の正端子での電圧降下が上昇します。この電圧が2.2Vを超えると、OP-AMP2は+ 3.3V出力を提供します。 OP-AMPのこのHIGHロジック出力は、RaspberryPiによって検出されます。
3. OP-AMP3またはU1C： このOP-AMPは、+ 12vバッテリーパックの低電圧レベルを検出するために使用されます。このコンパレータのマイナス端子には2.1Vが供給され（RV1を調整して電圧を取得）、プラス端子は分圧回路に接続されています。この分周器はバッテリー電圧を1 / 5.7倍に分割するため、12.5Vのバッテリー電圧の場合、OP-AMP3の正端子に2.19Vがあります。バッテリー電圧が12.0Vを下回ると、プラス端子の電圧は2.1V未満になります。したがって、負端子が2.1vの場合、OP-AMP出力はローになります。したがって、バッテリ電圧が12Vを下回ると（正端子で2.1Vを下回ることを意味します）、OP-AMPが出力をプルダウンすると、このロジックはRaspberryPiによって検出されます。
作業説明：
このラズベリーパイ非常灯の全機能は次のように述べることができます：
最初のRaspberryPiは、ACアダプターから+ 3.3Vが取得されるGPIO23のロジックを検出することにより、AC電源が存在するかどうかを検出します。電源がオフになると、アダプターからの+ 5Vがオフになり、このLOWロジックが検出された場合にのみ、Raspberry Piは次のステップに進みます。検出されない場合、PIは次のステップに移動しません。このLOWロジックは、AC電源がオフになったときにのみ発生します。
次のPIは、鉛蓄電池のレベルが低いかどうかを確認します。このロジックは、GPIO16のOP-AMP3によって提供されます。ロジックがLOWの場合、PIは次のステップに移動しません。バッテリー電圧が+ 12Vを超えると、PIは次のステップに進みます。
次に、Raspberry Piは、部屋の暗さが高いかどうかをチェックします。このロジックは、GPIO20のOP-AMP2によって提供されます。はいの場合、PIは99％のデューティサイクルでPWM（パルス幅変調）出力を提供します。このPWM信号は、MOSFETを駆動するオプトカプラーを駆動します。図に示すように、MOSFETは9WATTLEDセットアップに電力を供給します。完全に暗くなっていない場合、PIは次のステップに進みます。 Raspberry PiのPWMについて詳しくは、こちらをご覧ください。
次に、Raspberry Piは、部屋の暗さが低いかどうかをチェックします。このロジックは、GPIO21のOP-AMP1によって提供されます。はいの場合、PIは30％のデューティサイクルでPWM（パルス幅変調）出力を提供します。このPWM信号は、MOSFETを駆動するオプトカプラーを駆動します。図に示すように、MOSFETは9WATTLEDセットアップに電力を供給します。部屋に適切な光がある場合、Raspberry PiはPWM出力を提供しないため、LAMPは完全にオフになります。
したがって、この非常灯をオンにするには、両方の条件がTrueである必要があります。つまり、ACラインがオフであり、部屋が暗くなっている必要があります。以下の完全なPythonコードとビデオを確認することで、明確な理解を得ることができます。
この非常灯にさらに興味深い機能と暗さレベルを追加することができます。また、パワーエレクトロニクス回路もチェックしてください。
- LM338を使用した0-24v3A可変電源
- LM317を使用した12vバッテリー充電回路
- 12v DC〜220vACインバータ回路
- 携帯電話の充電回路