Link Search Menu Expand Document

Hardware

Inleiding

In deze sectie bespreken we de hardware-implementatie van de elektronische schakeling ter ondersteuning van de software die het gedrag van de vuilbak implementeert. Het doel van deze schakeling is om enkele randapparaten te kunnen aansturen/uitlezen. Deze randapparaten zijn:

  • 3 RFID-modules
  • 1 LCD-scherm
  • 3 gewichtssensoren
  • 1 toetsenbord
  • 1 luidspreker
  • 3 knoppen

Deze randapparaten willen we aansturen aan de hand van een ESP32-WROOM-32E microcontroller. Deze zal werken op een voedingsspanning van 3.3V geleverd door een powerbank via een micro-usb op 5V. Om deze 5V om te zetten naar 3.3V gebruiken we een LDO samen met 2 ontkoppelcondensatoren van 10uF. Daarnaast hebben we om de ESP32 te laten booten drukknoppen, debounce condensatoren en weerstanden nodig die zijn aangesloten volgens de kicad schema’s. Ook hebben we pinheaders nodig om GPIO’s naar buiten te kunnen brengen. Om de randapparatuur te kunnen aansturen zullen er verder ook nog een I2C - multiplexer en twee level-shifters aanwezig moeten zijn op de PCB. De level-shifters moeten aanwezig zijn om 3.3 V I2C signalen om te zetten naar 5 V signalen. De multiplexer is nodig omdat de 3 gebruikte RFID-scanners hetzelfde fixed I2C adres hebben. In de volgende secties vindt u de KiCad-schema’s en andere bijkomende informatie voor het vervaardigen van de PCB. Alsook vindt u hier de gebruikte randapperatuur voor het opstellen van de schema’s.

Randapparaten

Hier vindt u een gedetailleerde bestellijst (BOM) met daarin de componenten die in overweging genomen werden voor het ontwerpen van de PCB. Daarnaast is ook in het bestand te vinden hoeveel van elke component gebruikt werd, en waar deze componenten te vinden zijn.

Weerstanden en condensatoren werden niet opgenomen in de bill of materials.

Breadboardimplementatie

PCB

KiCad-schema’s

Power circuit

ESP32-WROOM-32E

Multiplexer

Randapparatuur

Level shifters

Volledig schema

Hier vindt u het volledige schema terug in pdf-vorm.

Verbeteringen

Na het daadwerkelijk vervaadigen van dit schema bleek dat hieraan nog heel wat verbeteringen nodig waren. Zo zou het beter zijn geweest om enkele GPIO’s een ander doel te geven dan deze waarvoor we ze aanvankelijk voorzien hadden. Zo zal het booten failen wanneer GPIO 12 hoog getrokken wordt, wat het geval is wanneer deze de gewichtsensor aanstuurt. We hebben deze dan gewisseld met GPIO23 die werd gebruikt voor de speaker. Ook konden we achteraf gezien GPIO’s besparen door alle gewichtssensoren op dezelfde klok te hangen.

Randapperatuur

ESP32-WROOM-32E

PCB

Front

Back

Opmerkingen

  • Wij zien zelf in dat deze uitvoering van de PCB heel wat kleiner zou kunnen.
  • Deze uivoering van de PCB is zonder de hierboven besproken verbeteringen.

RFID

Scanner

De gebruikte RFID-module is de PN532 - NFC/RFID - Module. De datasheet van deze component is hier te vinden

Radio-Frequency identification oftewel RFID is een technologie die in staat is om op afstand data uit zogenaamde tags te lezen. De scanner zal radiogolven uitzenden en wanneer een tag deze ontvangt zal deze zijn informatie via radiogolven terug sturen. De tag zelf bevat geen batterij maar wordt voorzien van energie door de radiogolven van de scanner.

Deze module’s werkt via I2C communicatie. Wanneer deze sensor wordt aangesproken zal hij beginnen zoeken naar een tag. In de code zal ervoor gezorgd worden dat hij maar maximum een halve seconde zoekt naar een tag. Wanneer deze dan niets heeft gevonden zal het programma weer terug naar de gewone puzzelstaat gaan.

Multiplexer

Het probleem bij het gebruiken van meerdere scanners op 1 I2C lijn is dat ze allemaal hetzelfde address hebben (0x48). Hierdoor hebben we een I2C-multiplexer nodig. Deze chip zal ervoor zorgen dat er slechts 1 module tegelijk wordt aangesproken. We gebruiken de TCA9548A op het ingestelde adres 0x70. Op kanaal 5, 6 en 7 sluiten we de scanners aan.

Samen met de VCC, ground en de I2C pinnen moeten ook normaal gezien de reset en IRQ pinnen aangesloten worden. Wij hebben besloten om alle IRQ pinnen op 1 pin aan te sluiten aangezien we maar 1 scanner tegelijk gebruiken. We hebben ondervonden dat de reset pin open mag blijven. Moesten we deze puzzel opnieuw ontwerpen waren we maar voor 1 scanner en scanplatform gegaan aangezien we er uiteindelijk voor hebben gekozen om niet automatisch te scannen maar knoppen te gebruiken. In dit geval zouden we de multiplexer ook niet nodig gehad hebben. De datasheet van de I2C-multiplexer is hier te vinden

Tags

Als tags hebben we stickers gebruikt. Het voordeel hierbij was dat ze op vrijwel alle voorwerpen kunnen geplakt worden zonder dat we op deze voorwerpen ruimte moeten voorzien. Helaas hebben we na enkele testen en opzoekwerk ondervonden dat deze stickers niet werden gescand op voorwerpen waar metaal in zat, waardoor enkele moeilijkere voorwerpen om te sorteren niet gebruikt konden worden (denk maar aan caprisun, vuil aluminiumfolie, …).

Toetsenbord

We gebruiken een 3x4 keypad met een output van 7 pinnen. De datasheet van deze component is hier te vinden

LCD

We gebruiken 20x4 LCD scherm via I2C. De datasheet van deze component is hier te vinden

Gewichtssensoren

Als gewichtssensor hebben wij gekozen voor een Load cell die een maximaal gewicht van 10kg aan kan.

Deze sensor werkt met zogenaamde strain gauges, dit zijn vervormbare weerstanden waarvan de weerstand veranderd naargelang hun vervorming. Hoe meer gewicht op de load cell komt, hoe meer de weerstanden zullen vervormen. Deze weerstanden worden dan in een wheatstonebridge configuratie gezet waardoor een verschil in weerstand aanleiding geeft tot een spanningsverschil.

Omdat het uitgangsignaal van deze sensor te klein is gebruiken we een versterker om hiervan bruikbare waarden voor de esp te maken. Meer precies de HX711 Load Cell versterker. De datasheet van deze component is hier te vinden.

De signaalversterker verwacht een voedingspanning tussen 2.7-en 5.5V. Wij hebben hier gekozen voor een voedingsspanning van 3.3V Aan de module worden enkele pinnen naar buiten gebracht. Deze pinnen hebben de volgende doeleinden:

  • GND : Deze pin dient verbonden te worden aan de GND van onze PCB
  • VCC: Hier moet een voedingsspanning van 2.7-5.5V aangeboden worden.
  • DT : Dit is de data-pin van de signaalversterker.
  • SCK: Dit is de pin waar een kloksignaal op aangeboden moet worden

De sensor is verbonden aan de amplifier op deze manier:

  • Rood -> E+
  • Zwart -> E-
  • Wit -> A-
  • Groen -> A+

Audio-versterker

We wouden dat onze puzzel gebruiksvriendelijk was en deze genoeg indicatoren had om te weten of de gebruiker iets goed of slecht deed. Al snel was er het idee om een speaker te gebruiken die deze indicaties kon geven. We merkten dat wanneer we deze speaker rechtstreeks op een gpio aansloten we een zwak en minder helder geluid kregen. Ook vonden we het handig om de mogelijkheid te hebben om het volume van het geluid aan te passen. Daarom hebben we gekozen voor een audioversterker (PAM8403) met regelbaar volume. De datasheet van deze chip is hier te vinden.

Omdat wij niet goed wisten hoe groot de versterking moest zijn hebben we dit niet rechtstreeks op onze pcb geplaatst. Wanneer de nodige versterking geweten is zou deze versterker rechtstreeks op de PCB geïmplementeerd kunnen worden.