大泡泡的 DIY 篇四:从原理图到PCB,教你设计一款迷你WiFi远程控制物联网开关

2020-11-21 17:48:41 119点赞 788收藏 53评论

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如何联网智能控制一台传统家电?

最常见的解决方法是 WiFi 智能插座,只需要将传统家电的插头插在智能插座上,就能远程联网控制家电的开关了,但是智能插座只能控制那些通电就工作的电器,比如说饮水机、煮蛋器、电视等等。

从原理图到PCB,教你设计一款迷你WiFi远程控制物联网开关

对于那些通电后还需要手动按键开机的设备,比如说需要手动开机的台式机电脑,需要长按开机和功能切换的加湿器、洗衣机等等,智能插座就无能为力了。这时候需要的不是控制 220V 通断的智能插座,而是只要一个可以联网控制打开/关闭状态的开关。

市面上已经有了这类产品——WiFi 远程控制开关,基于易微联的芯片和 App,控制继电器吸合实现「开关」。

从原理图到PCB,教你设计一款迷你WiFi远程控制物联网开关

这个产品功能上已经能满足我的要求了,我之前分享的 远程控制电脑开机方法 里面使用的就是这个模块。机箱背后的 USB 口 5V 供电,将模块上继电器的 COM(公共端)和 NO(常开)引脚并联到开机按键的两端,就能够实现远程开机了。

从原理图到PCB,教你设计一款迷你WiFi远程控制物联网开关

我有一台 MUJI 的香薰机,机身有两枚按键,插上电源后需要长按右边的 MIST 键开关机,左边的 Light 键则是调整灯光亮度。这个香薰机平时放在高高的书架上,操作不便。

我希望把这台香薰机改成联网控制联动米家的温湿度传感器,上面提到的 WiFi 开关就不够用了,一是体积太大,二是只有单通道无法分别控制两个按键。

从原理图到PCB,教你设计一款迷你WiFi远程控制物联网开关

所以我打算自己做一个市面上最小的 WiFi 远程控制物联网开关——HKey,从器件选型、原理图绘制到 PCB 打样、贴片焊接,本文带你看看一块电路板是如何设计并制造出来的。

一、易微联 PSF-B0X 模块

在之前的文章「第三方米家 MESH 通断器/WiFi 开关使用方法与智能家居改造」里面说过,智能家居万物基于 ESP8266,这次选用的易微联 PSF-B0X 系列模块就是基于 ESP8285 开发的超低功耗的 WiFi 多通道开关模块。

从原理图到PCB,教你设计一款迷你WiFi远程控制物联网开关

易微联智能家居开关插座专用 WiFi 模块芯片 PSF-B0X 系列是一款高集成度的通用智能开关模块,可以用于快速开发 WiFi 插座和 WiFi 开关。只需要外接电源,继电器、按键等简单外围功能电路,就可以无需编程完成一款智能插座/开关的设计开发。PSF 系列模块能实现 WiFi 的搜索连接,网络服务器的通讯,手机 APP 的控制等基本功能。

从原理图到PCB,教你设计一款迷你WiFi远程控制物联网开关

PSF-B0X 系列有 B01~B04 四款,分别是单通道~四通道,单个价格都在 15 元左右。下图是数据手册中官方提供的 PSF-B0X 最小系统原理图,只需要少数几个电阻电容就能运行起来。

从原理图到PCB,教你设计一款迷你WiFi远程控制物联网开关

在 Datasheet 中还可以看到详细的管脚定义,如果是单通道工作的话,就只需要用到第 6 引脚(输出)和第 10 引脚(配置)。

从原理图到PCB,教你设计一款迷你WiFi远程控制物联网开关

二、原理图与 PCB 绘制

选定了芯片,接下来就是添加外围电路实现所需功能了。为了让成品极度小型化以方便塞入各类小家电,我设计的 PCB 为双面板,全部采用贴片元器件,传统大块头继电器也换成了欧姆龙的贴片迷你继电器。

我用的 EDA 软件是国产的立创 EDA,因为之前有 AltiumDesigner 的底子,立创 EDA 立马就能上手。如果你是零基础小白的话,官网有视频教程,保证你半小时入门,两小时精通。

WiFi 开关设计为使用 USB 5V 供电,而 PSF 模块工作电压是 3.3V,所以需要用 ASM1117 电压转换一下。以单通道为例,添加一路按键,一路继电器控制,为了方便使用,再加一个 WiFi 状态指示和通道一的工作状态指示。整体的电路设计工作就完成了。

从原理图到PCB,教你设计一款迷你WiFi远程控制物联网开关

对于像我这样的爱好者来说,立创 EDA 比 AltiumDesigner 有非常多的优势:

  • 中文环境非常友好,功能简单,上手即用,不像 AD 那样隔段时间不用后会忘了如何操作。

  • 整合了立创商城的元器件目录,所有要用到的元器件不光有电路符号,还能看到实物图、价格和封装。像 PSF-B04 这么奇怪的封装直接能搜索使用,在 AD 里面就耗费几个小时自己画,还不一定能用。

  • 广场里面有数十万开源工程,很多项目 copy 一份,简单修改后就能直接去加工了。我设计的这款 HKey 开源广场里面就有很多类似的项目。

原理图绘制完成后就可以生成 PCB 了,基本步骤如下:摆放零件—布线—设置泪滴—敷铜—添加 LOGO,最后运行下 DRC 检查。PCB 布局非常紧凑,以至于连元件的丝印都放不下了。

从原理图到PCB,教你设计一款迷你WiFi远程控制物联网开关

立创 EDA 还有一个非常实用的功能——3D 预览,直接就能看到你的 PCB 将来生产出来是什么样子。

从原理图到PCB,教你设计一款迷你WiFi远程控制物联网开关

三、生产

电路设计的立创 EDA 和 PCB 打样的嘉立创是同一家公司,所以画完图后去生产非常的方便,只需要点击制造—生产 PCB 制板文件即可,还能导出物料清单 BOM 表,甚至去立创商城一键下单。

从原理图到PCB,教你设计一款迷你WiFi远程控制物联网开关

打开嘉立创下单助手,导入 Gerber 制板文件,会自动读取 PCB 尺寸,选择数量和阻焊颜色就可以下单了。30 个以下是样板订单,超过 30 个就是小批量订单,需要收取工程费了。以上面这个 18mm*34mm 的 PCB 为例,30 个价格 28.27,加上 10 块钱运费,单块板子只要一块多钱。

从原理图到PCB,教你设计一款迷你WiFi远程控制物联网开关

默认是绿色的 PCB 板子,发货最快。其他颜色免费,不过生产得 3 天左右,我选择的是看上去高端的黑色板子。在订单列表里面可以看到详细的生产进度。

从原理图到PCB,教你设计一款迷你WiFi远程控制物联网开关

大概 5 天左右就能收到快递了。我做了两款物联网 WiFi 开关,双通道的 H-Key 和单通道的 H-Key mini。

从原理图到PCB,教你设计一款迷你WiFi远程控制物联网开关

四、焊接

贴片元件焊接需要用到热风枪,具体所需工具及贴片焊接技巧我单独写一篇分享下。

从原理图到PCB,教你设计一款迷你WiFi远程控制物联网开关

焊接完成后成品 HKey mini 大小为 34*18mm,跟市面上的易微联 WiFi 开关相比要小得多。

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最后套上透明热缩管防止短路。

从原理图到PCB,教你设计一款迷你WiFi远程控制物联网开关

五、应用

电脑自动开机

电脑自动开机的方案我之前写过很多了,HKey 没啥特别的,感觉比之前淘宝买的那些信号稳定,配置也快。

从原理图到PCB,教你设计一款迷你WiFi远程控制物联网开关

自动浇花

HKey 可以串联在电路中控制水泵通断,APP 上设置好定时,从而实现每天自动浇花。

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香薰机与加湿器

香薰机是 24V 直流供电,电路中没找到 5V 输出,使用 DC-DC 降压模块降压到 5V 给 HKey 供电。双通道 HKey 分别并联到香薰机的开机键和灯光键两端。

从原理图到PCB,教你设计一款迷你WiFi远程控制物联网开关

HKey 的体积非常小,轻松放进香薰机内。香薰机两个按键就都可以分别远程控制了,还能联动米家温湿度传感器自动工作。

从原理图到PCB,教你设计一款迷你WiFi远程控制物联网开关

以上就是一块电路板 选型-设计-生产-应用 的全过程了。

下一篇分享下贴片元件焊接常用工具及技巧,欢迎关注~

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