Merač energie Arduino - V2.0: 12 krokov (s obrázkami)

2024 Autor: John Day | [email protected]. Naposledy zmenené: 2024-01-30 11:58

Ahoj priateľ, vitaj späť po dlhšej prestávke. Predtým som zverejnil inštrukcie na energetickom merači Arduino, ktoré boli navrhnuté hlavne na monitorovanie energie zo solárneho panelu (DC Power) v mojej dedine. Stala sa veľmi populárnou na internete, veľa ľudí na celom svete si vybudovalo vlastnú. Toľko študentov zvládlo svoj vysokoškolský projekt tým, že si vyžiadalo moju pomoc. Napriek tomu teraz dostávam e -maily a správy od ľudí s otázkami týkajúcimi sa úpravy hardvéru a softvéru na monitorovanie spotreby striedavého prúdu.

V tomto návode vám teda ukážem, ako vytvoriť jednoduchý merač energie AC s podporou Wi -Fi pomocou dosky Arduino/Wemos. Pomocou tohto merača energie môžete merať spotrebu energie akýchkoľvek domácich spotrebičov. Na konci projektu som urobil peknú 3D tlačenú prílohu pre tento projekt.

Cieľom vytvorenia väčšieho povedomia o spotrebe energie by bola optimalizácia a zníženie spotreby energie používateľom. To by znížilo ich náklady na energiu a tiež šetrilo energiou.

Na monitorovanie energie už samozrejme existuje veľa komerčných zariadení, ale chcel som vytvoriť vlastnú verziu, ktorá bude jednoduchá a lacná.

Všetky moje projekty nájdete na:

Krok 1: Potrebné súčiastky a nástroje

Požadované súčasti:

1. Wemos D1 mini pro (Amazon / Banggood)

2. Aktuálny snímač -ACS712 (Amazon)

3. OLED displej (Amazon / Banggood)

4. 5V napájací zdroj (Aliexpress)

5. Prototypová doska - 4 x 6 cm (Amazon / Banggood)

6. 24 AWG Wire (Amazon)

7. Kolíky záhlavia (Amazon / Banggood)

8. Mužsko-ženské prepojovacie vodiče (Amazon)

9. Skrutkovací terminál (Amazon)

10. Standoff (Banggood)

11. Zásuvka striedavého prúdu

12. Sieťová zástrčka

13. Pružinový konektor (Banggood)

14. Kolískový spínač (Banggood)

15. PLA Filament-Silver (GearBest)

16. PLA Filament-Red (GearBest)

Potrebné nástroje:

1. Spájkovačka (Amazon)

2. Lepiaca pištoľ (Amazon)

3. Orezávač drôtu/odizolovač (Amazon)

Tlačiareň 4.3D (Creality CR10S)

Krok 2: Ako to funguje?

Blokový diagram celého projektu je zobrazený vyššie.

Napájanie zo siete striedavého prúdu je odoberané a vedené poistkou, aby sa zabránilo náhodnému skratu dosky plošných spojov.

Potom je striedavé napätie rozdelené na dve časti:

1. Na záťaž prúdovým snímačom (ACS712)

2. Modul napájania 230 V AC/5 V DC

5V napájací modul napája mikrokontrolér (Arduino/Wemos), snímač prúdu (ACS712) a OLED displej.

Striedavý prúd prechádzajúci záťažou je snímaný modulom snímača prúdu (ACS712) a privádzaný na analógový kolík (A0) dosky Arduino/Wemos. Hneď ako je Arduinu priradený analógový vstup, meranie výkonu/energie sa vykoná pomocou náčrtu Arduino.

Vypočítaný výkon a energia Arduino/Wemos sa zobrazuje na 0,96 OLED zobrazovacom module.

Vstavaný WiFi čip Wemos je pripojený k domácemu routeru a prepojený s aplikáciou Blynk. Vďaka OTA teda môžete sledovať parametre, ako aj kalibrovať a upravovať rôzne nastavenia zo svojho smartfónu.

Krok 3: Pochopenie základov striedavého prúdu

Pri analýze striedavých obvodov sa napätie aj prúd časom sínusovo líšia.

Skutočná sila (P):

Toto je výkon, ktorý zariadenie používa na výrobu užitočnej práce. Vyjadruje sa v kW.

Skutočný výkon = napätie (V) x prúd (I) x cosΦ

Reaktívny výkon (Q):

Toto sa často nazýva imaginárna sila, ktorá je mierou výkonu, ktorý kolíše medzi zdrojom a záťažou, čo neprináša užitočnú prácu. Vyjadruje sa v kVAr

Reaktívny výkon = napätie (V) x prúd (I) x sinΦ

Zdanlivý výkon (S):

Je definovaný ako súčin napätia s koreňovým priemerom (RMS) a prúdu RMS. Toto môže byť tiež definované ako výslednica skutočného a jalového výkonu. Vyjadruje sa v kVA

Zdanlivý výkon = napätie (V) x prúd (I)

Vzťah medzi skutočnou, reaktívnou a zdanlivou silou:

Skutočná sila = zdanlivá sila x cosΦ

Reaktívny výkon = zdanlivý výkon x sinΦ

(kVA) ² = (kW) ² + (kVAr) ²

Účinník (pf):

Pomer skutočného výkonu k zdanlivému výkonu v obvode sa nazýva účinník.

Účinník = skutočná sila/zdanlivá sila

Z vyššie uvedeného je zrejmé, že meraním napätia a prúdu môžeme merať všetky formy výkonu a účinníka.

Obrazový kredit: openenergymonitor.org

Krok 4: Senzor prúdu

Striedavý prúd sa bežne meria pomocou prúdového transformátora, ale pre tento projekt bol ako prúdový snímač zvolený ACS712 kvôli jeho nízkym nákladom a menšej veľkosti. Senzor prúdu ACS712 je prúdový snímač s Hallovým efektom, ktorý presne meria prúd, keď je indukovaný. Zistí sa magnetické pole okolo striedavého vodiča, ktoré poskytne ekvivalentné analógové výstupné napätie. Analógový výstup napätia potom spracuje mikrokontrolér na meranie toku prúdu záťažou.

Ak chcete vedieť viac o senzore ACS712, môžete navštíviť túto stránku. Na lepšie vysvetlenie fungovania senzora s Hallovým efektom som použil vyššie uvedený obrázok z Embedded-lab.

Krok 5: Meranie prúdu pomocou ACS712

Výstup zo snímača prúdu ACS712 je vlna striedavého napätia. Musíme vypočítať efektívny prúd, čo sa dá urobiť nasledujúcim spôsobom

1. Meranie špičkového napätia (Vpp)

2. Rozdelením špičkového napätia na špičku (Vpp) dvoma získate špičkové napätie (Vp)

3. Vynásobením 0,707 získate efektívne napätie (Vrms).

Potom vynásobte citlivosť aktuálneho snímača (ACS712), aby ste získali efektívny prúd.

Vp = Vpp/2

Vrms = Vp x 0,707

Irms = Vrms x citlivosť

Citlivosť pre modul ACS712 5A je 185mV/A, 20A modul je 100mV/A a 30A modul je 66mV/A.

Pripojenie pre aktuálny snímač je ako na obrázku nižšie

ACS712 Arduino/Wemos

VCC ------ 5V

OUT ----- A0

GND ----- GND

Krok 6: Výpočet výkonu a energie

Predtým som popísal základy rôznych foriem striedavého prúdu. Keďže sme používateľom domácnosti, skutočným výkonom (kW) je naša hlavná starosť. Na výpočet skutočného výkonu potrebujeme zmerať efektivní napätie, efektívny prúd a účinník (pF).

Sieťové napätie v mojej lokalite (230 V) je zvyčajne takmer konštantné (kolísanie je zanedbateľné). Nechávam teda jeden snímač na meranie napätia. Niet pochýb o tom, že keď pripojíte snímač napätia, presnosť merania je lepšia ako v mojom prípade. V každom prípade je táto metóda lacným a jednoduchým spôsobom, ako dokončiť projekt a splniť cieľ.

Ďalším dôvodom nepoužívania snímača napätia je obmedzenie analógového kolíka Wemos (iba jeden). Aj keď je možné pripojiť ďalší snímač pomocou ADC ako ADS1115, zatiaľ ho nechávam. V budúcnosti, ak budem mať čas, určite ho pridám.

Účinník záťaže je možné zmeniť počas programovania alebo z aplikácie pre smartfóny.

Skutočný výkon (W) = Vrms x Irms x Pf

Vrms = 230 V (známy)

Pf = 0,85 (známe)

Irms = čítanie z aktuálneho snímača (neznáme)

Obrazový kredit: imgoat

Krok 7: Rozhranie s aplikáciou Blynk

Keďže doska Wemos má vstavaný WiFi čip, napadlo ma pripojiť ho k môjmu routeru a monitorovať energiu domáceho spotrebiča zo svojho smartfónu. Výhody použitia dosky Wemos namiesto Arduina sú: kalibrácia senzora a zmena hodnoty parametra zo smartfónu prostredníctvom OTA bez fyzického opakovaného programovania mikrokontroléra.

Hľadal som jednoduchú možnosť, aby to zvládol každý, kto má málo skúseností. Najlepšia možnosť, ktorú som našiel, je použiť aplikáciu Blynk. Blynk je aplikácia, ktorá umožňuje plnú kontrolu nad hardvérom Arduino, ESP8266, Rasberry, Intel Edison a oveľa viac. Je kompatibilný s Androidom aj s iPhone. V Blynku všetko beží na ⚡️Energiu. Keď si vytvoríte nový účet, získate 2 000 000 to️, aby ste mohli začať experimentovať; Každý widget potrebuje na svoju činnosť určitú energiu. Na tento projekt potrebujete ⚡️ 2400, takže si musíte kúpiť dodatočnú energiu ️⚡️400 (náklady sú nižšie ako 1 dolár)

i. Rozchod - 2 x ⚡️200 = ⚡️400

ii. Zobrazenie označenej hodnoty - 2 x ⚡️400 = ⚡️800

iii. Posuvníky - 4 x ⚡️200 = ⚡️800

iv. Menu - 1x ⚡️400 = ⚡️400

Celková energia potrebná na tento projekt = 400+800+800+400 = ⚡️2400

Postupujte podľa nasledujúcich krokov:

Krok 1: Stiahnite si aplikáciu Blynk

1. Pre Android

2. Pre iPhone

Krok 2: Získajte overovací token

Na prepojenie aplikácie Blynk s hardvérom potrebujete autentifikačný token. Vytvorte si nový účet v aplikácii Blynk.

2. Stlačte ikonu QR na hornom paneli s ponukami. Vytvorte klon tohto projektu naskenovaním vyššie uvedeného kódu QR. Akonáhle sa úspešne zistí, celý projekt bude okamžite vo vašom telefóne.

3. Po vytvorení projektu vám zašleme autentifikačný token e -mailom.

4. Skontrolujte svoju doručenú poštu a nájdite overovací token.

Krok 3: Príprava IDE Arduino na dosku Wemos

Ak chcete nahrať kód Arduino na dosku Wemos, musíte postupovať podľa týchto pokynov

Krok 4: Nainštalujte knižnice

Potom musíte importovať knižnicu do svojho Arduino IDE

Stiahnite si Blynkovu knižnicu

Stiahnite si knižnice pre OLED Display: i. Adafruit_SSD1306 ii. Knižnica Adafruit-GFX

Krok 5: Skica Arduino

Po inštalácii vyššie uvedených knižníc prilepte nižšie uvedený kód Arduino.

Zadajte autorizačný kód z kroku-1, ssid a heslo smerovača.

Potom nahrajte kód.

Krok 8: Pripravte si obvodovú dosku

Aby bol obvod úhľadný a čistý, vyrobil som dosku s obvodmi pomocou prototypu dosky 4x6 cm. Najprv som spájkoval kolíkový konektor záhlavia s páskou Wemos. Potom som spájkoval ženské záhlavia na prototypovej doske, aby som namontoval rôzne dosky:

1. Doska Wemos (hlavička 2 x 8 pinov)

2. Doska napájacieho zdroja 5 V DC (2 piny +3 piny zásuvka)

3. Modul snímača prúdu (zásuvka s 3 kolíkmi)

4. OLED displej (hlavička so 4 kolíkmi)

Nakoniec som k napájaciemu zdroju spájkoval 2 -kolíkový skrutkový terminál pre vstup striedavého prúdu.

Po spájkovaní všetkých kolíkov záhlavia vytvorte spojenie podľa vyššie uvedeného obrázku. Na všetky spojenia som použil spájkovací drôt 24 AWG.

Pripojenie je nasledovné

1. ACS712:

ACS712 Wemos

Vcc- 5V

GND - GND

Vout-A0

2. OLED displej:

OLED Wemos

Vcc- 5V

GND- GND

SCL-- D1

SDA-D2

3. Modul napájania:

Vstupný kolík striedavého prúdu (2 kolíky) modulu napájania pripojeného k skrutkovacej svorke.

Výstup V1pin je pripojený k Wemos 5V a pin GND je pripojený k kolíku Wemos GND.

Krok 9: 3D tlačená príloha

Aby mal pekný vzhľad komerčného produktu, navrhol som pre tento projekt kryt. Na návrh krytu som použil Autodesk Fusion 360. Kryt má dve časti: dolné a horné veko. Súbory. STL si môžete stiahnuť z webu Thingiverse.

Spodná časť je v zásade navrhnutá tak, aby sa zmestila na hlavnú dosku plošných spojov (4 x 6 cm), prúdový snímač a držiak poistky. Na horné veko je namontovaná sieťová zásuvka a OLED displej.

Na tlač dielov som použil svoju 3D tlačiareň Creality CR-10S a 1,75 mm strieborný PLA a červený PLA filament. Vytlačenie hlavného tela mi trvalo asi 5 hodín a približne 3 hodiny aj vytlačenie horného viečka.

Moje nastavenia sú:

Rýchlosť tlače: 60 mm/s

Výška vrstvy: 0,3

Hustota výplne: 100%

Teplota extrudéra: 205 ° C

Teplota postele: 65 ° C

Krok 10: Schéma zapojenia striedavého prúdu

Sieťový napájací kábel má 3 vodiče: Line (červený), Neutrálny (čierny) a Uzemňovací (zelený).

Červený vodič z napájacieho kábla je pripojený k jednému konektoru poistky. Druhá svorka poistky je spojená s pružinovými dvoma koncovými konektormi. Čierny vodič je priamo spojený s pružinovým konektorom.

Teraz je za pružinovým konektorom odpojený výkon potrebný pre dosku plošných spojov (Wemos, OLED a ACS712). Na izoláciu hlavnej dosky plošných spojov je sériovo zapojený kolískový spínač. Pozrite si vyššie uvedenú schému zapojenia.

Potom je červený vodič (vedenie) zapojený do svorky „L“AC zásuvky a zelený vodič (uzemnenie) je zapojený do stredového terminálu (označeného ako G).

Nulová svorka je pripojená k jednej svorke prúdového snímača ACS712. Druhý terminál ACS712 je zapojený späť do pružinového konektora.

Keď sú všetky vonkajšie spojenia dokončené, vykonajte veľmi starostlivú kontrolu dosky a vyčistite ju, aby ste odstránili zvyšky spájkovacieho taviva.

Poznámka: Nedotýkajte sa žiadnej časti obvodu, pokiaľ je pod napätím. Akýkoľvek náhodný dotyk môže viesť k smrteľnému zraneniu alebo smrti. Pri práci buďte v bezpečí, nezodpovedám za žiadne straty.

Krok 11: Nainštalujte všetky súčasti

Vložte komponenty (AC zásuvka, kolískový spínač a OLED displej) do otvorov horného krytu, ako je znázornené na obrázku. Potom zaistite skrutky. Spodná časť má 4 podpery na upevnenie hlavnej dosky plošných spojov. Najprv vložte mosadzný stojan do otvoru, ako je to znázornené vyššie. Potom zaistite 2M skrutku v štyroch rohoch.

Umiestnite držiak poistky a prúdový senzor do otvoru v spodnom kryte. Na pripevnenie na základňu som použil montážne štvorce 3M. Potom správne preveďte všetky vodiče.

Nakoniec umiestnite horné veko a zaistite 4 matice (3 x 16) v rohoch.

Krok 12: Záverečné testovanie

Zapojte napájací kábel merača energie do elektrickej zásuvky.

V aplikácii Blynk zmeňte nasledujúce parametre

1. Posuňte posúvač CALIBRATE, aby ste získali aktuálnu nulu, keď nie je pripojené žiadne zaťaženie.

2. Zmerajte domáce striedavé napätie pomocou multimetra a nastavte ho posúvaním posúvača NAPÁJACIE NAPÄTIE.

3. Nastavte účinník

4. Zadajte energetickú tarifu na svojom mieste.

Potom zapojte zariadenie, ktorého výkon sa má merať, do zásuvky na merači energie. Teraz ste pripravení zmerať energiu, ktorú spotrebuje.

Dúfam, že ste si užili čítanie o mojom projekte rovnako ako ja pri jeho stavbe.

Ak máte nejaké návrhy na vylepšenia, napíšte ich nižšie. Ďakujem!

Druhé miesto v súťaži o mikrokontrolér