Arduino mjerač energije - V2.0: 12 koraka (sa slikama)

2024 Autor: John Day | [email protected]. Zadnja izmjena: 2024-01-30 08:06

Zdravo prijatelju, dobrodošao nazad nakon duge pauze. Ranije sam postavio Instructables na Arduino mjeraču energije koji je uglavnom dizajniran za nadgledanje energije iz solarnih panela (DC Power) u mom selu. Postao je vrlo popularan na internetu, mnogi ljudi diljem svijeta su ga izradili. Toliko je studenata uspjelo na njihovom fakultetskom projektu tako što su mi pomogli. Ipak, sada primam e -poštu i poruke od ljudi sa pitanjima u vezi sa hardverskim i softverskim izmjenama za praćenje potrošnje izmjenične struje.

Dakle, u ovom Instructables -u ću vam pokazati kako napraviti jednostavan mjerač energije naizmjenične struje s omogućenom WiFi mrežom pomoću Arduino/Wemos ploče. Pomoću ovog mjerača energije možete mjeriti potrošnju energije bilo kojeg kućnog aparata. Na kraju projekta, napravio sam lijepo 3D štampano kućište za ovaj projekt.

Cilj stvaranja veće svijesti o potrošnji energije bio bi optimizacija i smanjenje potrošnje energije od strane korisnika. To bi smanjilo njihove troškove energije, kao i uštedu energije.

Naravno, već postoji mnogo komercijalnih uređaja za nadzor energije, ali htio sam izgraditi svoju vlastitu verziju koja će biti jednostavna i jeftina.

Sve moje projekte možete pronaći na:

Korak 1: Potrebni dijelovi i alati

Potrebne komponente:

1. Wemos D1 mini pro (Amazon / Banggood)

2. Senzor struje -ACS712 (Amazon)

3. OLED ekran (Amazon / Banggood)

4. Napajanje od 5V (Aliexpress)

5. Prototipna ploča - 4 x 6 cm (Amazon / Banggood)

6. 24 AWG Wire (Amazon)

7. Igle zaglavlja (Amazon / Banggood)

8. Muško-ženske kratkospojne žice (Amazon)

9. Vijčani terminal (Amazon)

10. Standoff (Banggood)

11. Utičnica naizmjenične struje

12. AC utikač

13. Konektor sa oprugom (Banggood)

14. Prekidač za klackalicu (Banggood)

15. PLA vlakna-srebrna (GearBest)

16. PLA Filament-Red (GearBest)

Potrebni alati:

1. Lemilica (Amazon)

2. Pištolj za ljepilo (Amazon)

3. Rezač/skidač žice (Amazon)

4.3D štampač (Creality CR10S)

Korak 2: Kako to funkcionira?

Blok dijagram cijelog projekta prikazan je gore.

Napajanje iz mreže naizmjenične struje se crpi i propušta kroz osigurač kako bi se izbjeglo oštećenje ploče za vrijeme slučajnog kratkog spoja.

Zatim se AC naponski vod distribuira u dva dijela:

1. Na opterećenje kroz senzor struje (ACS712)

2. 230V AC/5V DC napajanje

Modul napajanja od 5 V napaja mikrokontroler (Arduino/Wemos), senzor struje (ACS712) i OLED ekran.

Naizmjenična struja koja prolazi kroz opterećenje detektira modul senzora struje (ACS712) i dovodi do analognog pina (A0) Arduino/Wemos ploče. Nakon što se analogni ulaz da Arduinu, mjerenje snage/energije vrši se pomoću Arduino skice.

Izračunata snaga i energija Arduina/Wemosa prikazana je na 0,96 OLED modulu ekrana.

Ugrađeni WiFi čip Wemosa povezan je s kućnim usmjerivačem i povezan s aplikacijom Blynk. Tako možete pratiti parametre, kao i kalibrirati i mijenjati različite postavke sa svog pametnog telefona putem OTA.

Korak 3: Razumijevanje osnova AC -a

U analizi kruga naizmjenične struje i napon i struja variraju sinusoidno s vremenom.

Realna snaga (P):

Ovo je snaga koju uređaj koristi za koristan rad. Izražava se u kW.

Realna snaga = Napon (V) x Struja (I) x cosΦ

Reaktivna snaga (Q):

Ovo se često naziva zamišljena snaga koja je mjera snage koja oscilira između izvora i opterećenja, koja ne obavlja nikakav koristan rad. Izražava se u kVAr

Reaktivna snaga = Napon (V) x Struja (I) x sinΦ

Prividna snaga (S):

Definira se kao proizvod napona korijena srednje vrijednosti (RMS) i RMS struje. Ovo se također može definirati kao rezultat stvarne i reaktivne snage. Izražava se u kVA

Prividna snaga = Napon (V) x Struja (I)

Odnos između stvarne, reaktivne i prividne snage:

Realna snaga = Prividna snaga x cosΦ

Reaktivna snaga = Prividna snaga x sinΦ

(kVA) ² = (kW) ² + (kVAr) ²

Faktor snage (pf):

Odnos stvarne snage prema prividnoj snazi u kolu naziva se faktor snage.

Faktor snage = Realna snaga/Prividna snaga

Iz navedenog je jasno da možemo mjeriti sve oblike snage kao i faktor snage mjerenjem napona i struje.

Kredit za sliku: openenergymonitor.org

Korak 4: Senzor struje

Naizmjenična struja se konvencionalno mjeri pomoću strujnog transformatora, ali za ovaj projekt ACS712 je izabran kao trenutni senzor zbog niske cijene i manje veličine. Senzor struje ACS712 je Hall -ov senzor struje koji precizno mjeri struju kada se inducira. Otkriveno je magnetsko polje oko izmjenične žice koje daje ekvivalentni analogni izlazni napon. Izlaz analognog napona zatim obrađuje mikrokontroler za mjerenje protoka struje kroz opterećenje.

Da biste saznali više o ACS712 senzoru, posjetite ovu web lokaciju. Za bolje objašnjenje rada senzora Hall efekta upotrijebio sam gornju sliku iz Embedded-lab-a.

Korak 5: Mjerenje struje pomoću ACS712

Izlaz ACS712 strujnog senzora je val izmjeničnog napona. Moramo izračunati efektivnu struju, to se može učiniti na sljedeći način

1. Mjerenje vršnog do vršnog napona (Vpp)

2. Podijelite vršni do vršni napon (Vpp) sa dva da biste dobili vršni napon (Vp)

3. Pomnožite ga s 0,707 da biste dobili efektivni napon (Vrms)

Zatim pomnožite osjetljivost trenutnog senzora (ACS712) da biste dobili efektivnu struju.

Vp = Vpp/2

Vrms = Vp x 0,707

Irms = Vrms x Osetljivost

Osjetljivost za ACS712 5A modul je 185mV/A, 20A modul je 100mV/A, a 30A modul je 66mV/A.

Veza za trenutni senzor je kao ispod

ACS712 Arduino/Wemos

VCC ------ 5V

IZLAZ ----- A0

GND ----- GND

Korak 6: Proračun snage i energije

Ranije sam opisao osnove različitih oblika izmjenične struje. Budući da smo korisnik u domaćinstvu, stvarna snaga (kW) je naša glavna briga. Za izračunavanje stvarne snage potrebno je izmjeriti efektivni napon, efektivnu struju i faktor snage (pF).

Obično je mrežni napon na mojoj lokaciji (230V) gotovo konstantan (fluktuacije su zanemarive). Zato ostavljam jedan senzor za mjerenje napona. Nema sumnje ako priključite senzor napona, točnost mjerenja je bolja nego u mom slučaju. U svakom slučaju, ova metoda je jeftin i jednostavan način za dovršetak projekta i ispunjenje cilja.

Drugi razlog za neupotrebu senzora napona je ograničenje Wemos analognog pina (samo jedan). Iako se dodatni senzor može spojiti pomoću ADC -a poput ADS1115, zasad ga napuštam. Ubuduće ću ga dodati ako budem imao vremena.

Faktor snage opterećenja može se promijeniti tokom programiranja ili iz aplikacije Smartphone.

Realna snaga (W) = Vrms x Irms x Pf

Vrms = 230V (poznato)

Pf = 0,85 (poznato)

Irms = očitavanje sa trenutnog senzora (nepoznato)

Kredit za sliku: imgoat

Korak 7: Povezivanje s aplikacijom Blynk

Budući da Wemosova ploča ima ugrađen WiFi čip, mislio sam ga spojiti na svoj usmjerivač i nadzirati energiju kućnog aparata sa svog pametnog telefona. Prednosti korištenja Wemos ploče umjesto Arduina su: kalibracija senzora i promjena vrijednosti parametra sa pametnog telefona putem OTA bez fizičkog programiranja mikrokontrolera.

Tražio sam jednostavnu opciju tako da to može učiniti svako s malo iskustva. Najbolja opcija koju sam pronašao je korištenje aplikacije Blynk. Blynk je aplikacija koja omogućuje potpunu kontrolu nad Arduinom, ESP8266, Rasberryjem, Intel Edisonom i još mnogo više hardvera. Kompatibilan je sa Androidom i iPhoneom. U Blynku sve radi na ⚡️Energiji. Kada kreirate novi račun, dobit ćete 2 000 ⚡️ za početak eksperimentiranja; Za rad svakog widgeta potrebno je malo energije. Za ovaj projekt potrebno vam je ⚡️2400, pa morate kupiti dodatnu energiju ️⚡️400 (cijena je manja od 1 USD)

i. Mjerač - 2 x ⚡️200 = ⚡️400

ii. Označeni prikaz vrijednosti - 2 x ⚡️400 = ⚡️800

iii. Klizači - 4 x ⚡️200 = ⚡️800

iv. Meni - 1x ⚡️400 = ⚡️400

Ukupna potrebna energija za ovaj projekt = 400+800+800+400 = ⚡️2400

Slijedite korake u nastavku:

Korak 1: Preuzmite aplikaciju Blynk

1. Za Android

2. Za iPhone

Korak 2: Nabavite token autorizacije

Da biste povezali aplikaciju Blynk i svoj hardver, potreban vam je Auth Token.1. Otvorite novi račun u aplikaciji Blynk.

2. Pritisnite ikonu QR na gornjoj traci menija. Napravite klon ovog projekta skeniranjem gore prikazanog QR koda. Nakon što ga uspješno otkrije, cijeli će projekt odmah biti na vašem telefonu.

3. Nakon što je projekt kreiran, poslat ćemo vam Auth Token putem e -pošte.

4. Provjerite prijemno sanduče e -pošte i pronađite token autorizacije.

Korak 3: Priprema Arduino IDE-a za Wemos ploču

Da biste učitali Arduino kod na Wemos ploču, morate slijediti ove upute

Korak 4: Instalirajte biblioteke

Zatim morate uvesti biblioteku u svoj Arduino IDE

Preuzmite Blynk biblioteku

Preuzmite biblioteke za OLED ekran: i. Adafruit_SSD1306 ii. Adafruit-GFX-biblioteka

Korak 5: Arduino skica

Nakon instaliranja gornjih biblioteka, zalijepite Arduino kôd koji je dolje naveden.

Unesite kod za autorizaciju iz koraka 1, ssid i lozinku vašeg usmjerivača.

Zatim učitajte kôd.

Korak 8: Pripremite pločicu

Da bih sklop učinio urednim i čistim, napravio sam ploču koristeći prototipnu ploču 4x6 cm. Prvo sam zalemio pin muških zaglavlja na ploču Wemos. Zatim sam zalemio ženska zaglavlja na prototipnu ploču za postavljanje različitih ploča:

1. Wemos ploča (2 x 8 pinova, žensko zaglavlje)

2. 5V DC napajanje ploča (2 pina +3 pina ženski zaglavlje)

3. Modul senzora struje (žensko zaglavlje sa 3 pina)

4. OLED ekran (žensko zaglavlje sa 4 igle)

Konačno sam lemio 2 -polni vijčani terminal za ulazni izmjenični napon u jedinicu za napajanje.

Nakon lemljenja svih iglica zaglavlja, povežite ih kao što je prikazano gore. Za sve veze koristio sam žicu za lemljenje 24 AWG.

Veza je sljedeća

1. ACS712:

ACS712 Wemos

Vcc-- 5V

Gnd - GND

Vout-A0

2. OLED ekran:

OLED Wemos

Vcc-- 5V

Gnd-- GND

SCL-- D1

SDA-D2

3. Modul napajanja:

Ulazni pin naizmjenične struje (2 pina) modula napajanja spojen na vijčani terminal.

Izlaz V1pin je spojen na Wemos 5V, a GND pin je spojen na Wemos GND pin.

Korak 9: 3D štampano kućište

Da bih dao lijep izgled komercijalnom proizvodu, dizajnirao sam kućište za ovaj projekt. Koristio sam Autodesk Fusion 360 za dizajn kućišta. Kućište ima dva dijela: donji i gornji poklopac.. STL datoteke možete preuzeti sa Thingiverse -a.

Donji dio je u osnovi dizajniran za postavljanje na glavnu PCB (4 x6 cm), trenutni senzor i držač osigurača. Gornji poklopac je za postavljanje utičnice za izmjeničnu struju i OLED ekrana.

Koristio sam svoj Creality CR-10S 3D štampač i 1,75 mm srebrnu PLA i crvenu PLA nit za štampanje dijelova. Trebalo mi je oko 5 sati za ispis glavnog tijela i oko 3 sata za ispis gornjeg poklopca.

Moje postavke su:

Brzina štampe: 60 mm/s

Visina sloja: 0,3

Gustoća punjenja: 100%

Temperatura ekstrudera: 205 degC

Temperatura kreveta: 65 degC

Korak 10: Dijagram ožičenja izmjenične struje

Kabel za napajanje naizmjeničnom strujom ima 3 žice: linijsku (crvenu), neutralnu (crnu) i uzemljenu (zelenu).

Crvena žica iz kabela za napajanje spojena je na jedan terminal osigurača. Drugi priključak osigurača spojen je na dva terminala sa oprugom. Crna žica izravno spojena na konektor sa oprugom.

Sada se potrebna snaga za ploču (Wemos, OLED i ACS712) isključuje nakon konektora s oprugom. Za izolaciju glavne ploče, prekidač je spojen serijski. Pogledajte gornji dijagram kola.

Zatim je crvena žica (vod) spojena na utičnicu "L" utičnice naizmjenične struje, a zelena žica (uzemljenje) spojena je na središnji priključak (označen kao G).

Neutralni priključak spojen je na jedan terminal osjetnika struje ACS712. Drugi terminal ACS712 spojen je nazad na konektor sa oprugom.

Kad su svi vanjski priključci završeni, pažljivo pregledajte ploču i očistite je kako biste uklonili ostatke lemljenja.

Napomena: Ne dodirujte nijedan dio kola dok je pod naponom. Svaki slučajni dodir može dovesti do smrtonosnih ozljeda ili smrti. Budite sigurni tokom rada, ne snosim odgovornost za bilo kakav gubitak.

Korak 11: Instalirajte sve komponente

Umetnite komponente (utičnica za izmjeničnu struju, prekidač za prekidače i OLED ekran) u otvore na gornjem poklopcu kao što je prikazano na slici. Zatim pričvrstite vijke. Donji dio ima 4 nosača za postavljanje glavne PCB ploče. Prvo umetnite mesingani držač u rupu kao što je prikazano gore. Zatim pričvrstite 2M vijak na četiri ugla.

Stavite držač osigurača i osjetnik struje na predviđeni utor na donjem dijelu kućišta. Koristio sam 3M montažne kvadrate da ih zalijepim na podlogu. Zatim pravilno provucite sve žice.

Na kraju, postavite gornji poklopac i pričvrstite 4 matice (3M x16) na uglovima.

Korak 12: Završno testiranje

Uključite kabel napajanja mjerača energije u utičnicu za struju.

Promijenite sljedeće parametre iz aplikacije Blynk

1. Gurnite klizač CALIBRATE da biste dobili nulu struje kada nije priključeno opterećenje.

2. Izmjerite kućni izmjenični napon pomoću multimetra i postavite ga klizanjem klizača SAPPLY VOLTAGE.

3. Podesite faktor snage

4. Unesite tarifu za energiju na svojoj lokaciji.

Zatim priključite uređaj čiju snagu treba izmjeriti u utičnicu na mjeraču energije. Sada ste spremni za mjerenje energije koju troši.

Nadam se da ste uživali čitajući o mom projektu kao i ja dok sam ga gradio.

Ako imate prijedloge za poboljšanja, komentirajte ih u nastavku. Hvala!

Drugoplasirani na takmičenju mikrokontroler