Contor de energie Arduino - V2.0: 12 pași (cu imagini)

2024 Autor: John Day | [email protected]. Modificat ultima dată: 2024-01-30 11:43

Bună ziua prietene, bine ai venit după o lungă pauză. Anterior am postat un Instructables pe Arduino Energy Meter care a fost conceput în principal pentru a monitoriza puterea de la panoul solar (DC Power) din satul meu. A devenit foarte popular pe internet, o mulțime de oameni din întreaga lume și-au construit propriile lor. Atât de mulți studenți au reușit pentru proiectul lor de facultate luând ajutor de la mine. Totuși, acum primesc e-mailuri și mesaje de la persoane cu întrebări legate de modificarea hardware-ului și software-ului pentru monitorizarea consumului de curent alternativ.

Deci, în acest Instructables, vă voi arăta cum să faceți un contor de energie AC activat prin Wi-Fi simplu folosind placa Arduino / Wemos. Utilizând acest contor de energie, puteți măsura consumul de energie al oricărui aparat de uz casnic. La finalul proiectului, am realizat o incintă tipărită 3D pentru acest proiect.

Obiectivul creării unei conștientizări mai mari cu privire la consumul de energie ar fi optimizarea și reducerea consumului de energie de către utilizator. Acest lucru le-ar reduce costurile cu energia, precum și ar economisi energie.

Desigur, există deja o mulțime de dispozitive comerciale pentru monitorizarea energiei, dar am vrut să-mi construiesc propria versiune care să fie simplă și cu costuri reduse.

Puteți găsi toate proiectele mele pe:

Pasul 1: Piese și instrumente necesare

Componente necesare:

1. Wemos D1 mini pro (Amazon / Banggood)

2. Senzor de curent -ACS712 (Amazon)

3. Afișaj OLED (Amazon / Banggood)

4. Alimentare 5V (Aliexpress)

5. Placă prototip - 4 x 6cm (Amazon / Banggood)

6. 24 AWG Wire (Amazon)

7. Pinii antetului (Amazon / Banggood)

8. Sârmă jumper-masculin (Amazon)

9. Terminal cu șurub (Amazon)

10. Standoff (Banggood)

11. Priză AC

12. Fișă de curent alternativ

13. Conector cu arc (Banggood)

14. Comutator basculant (Banggood)

15. PLA Filament-Silver (GearBest)

16. PLA Filament-Red (GearBest)

Instrumente necesare:

1. Fier de lipit (Amazon)

2. Glue Gun (Amazon)

3. Cutter / Stripper (Amazon)

Imprimantă 4.3D (Creality CR10S)

Pasul 2: Cum funcționează?

Schema bloc a întregului proiect este prezentată mai sus.

Alimentarea de la rețeaua de curent alternativ este preluată și trecută printr-o siguranță pentru a evita orice deteriorare a plăcii de circuit în timpul scurtcircuitului accidental.

Apoi, linia de curent alternativ este distribuită în două părți:

1. La încărcarea prin senzorul de curent (ACS712)

2. Modul de alimentare 230V AC / 5V DC

Modulul de alimentare de 5V furnizează energie microcontrolerului (Arduino / Wemos), senzorului de curent (ACS712) și afișajului OLED.

Curentul de curent alternativ care trece prin sarcină este detectat de modulul senzorului de curent (ACS712) și alimentat la pinul analogic (A0) al plăcii Arduino / Wemos. Odată ce intrarea analogică este dată Arduino, măsurarea puterii / energiei se face prin schița Arduino.

Puterea și energia calculate de către Arduino / Wemos sunt afișate pe un modul de afișaj OLED de 0,96.

Cipul WiFi încorporat al Wemos este conectat la Home Router și conectat la aplicația Blynk. Deci, puteți monitoriza parametrii, precum și calibra și modifica diferite setări de pe smartphone-ul dvs. prin OTA.

Pasul 3: Înțelegerea elementelor de bază ale AC

În analiza circuitului de curent alternativ, atât tensiunea cât și curentul variază sinusoidal în timp.

Puterea reală (P):

Aceasta este puterea utilizată de dispozitiv pentru a produce lucrări utile, exprimată în kW.

Puterea reală = Tensiunea (V) x Curentul (I) x cosΦ

Puterea reactivă (Q):

Aceasta este adesea numită putere imaginară, care este o măsură a puterii oscilează între sursă și sarcină, care nu face nici o muncă utilă. Este exprimată în kVAr

Puterea reactivă = Tensiunea (V) x Curentul (I) x sinΦ

Puterea aparentă (S):

Este definit ca produsul tensiunii Root-Mean-Square (RMS) și a curentului RMS. Acest lucru poate fi definit și ca rezultat al puterii reale și reactive. Se exprimă în kVA

Putere aparentă = tensiune (V) x curent (I)

Relația dintre puterea reală, reactivă și cea aparentă:

Puterea reală = Puterea aparentă x cosΦ

Puterea reactivă = Puterea aparentă x sinΦ

(kVA) ² = (kW) ² + (kVAr) ²

Factor de putere (pf):

Raportul dintre puterea reală și puterea aparentă într-un circuit se numește factorul de putere.

Factor de putere = Putere reală / Putere aparentă

Din cele de mai sus este clar că, putem măsura toate formele de putere, precum și factorul de putere, măsurând tensiunea și curentul.

Credit de imagine: openenergymonitor.org

Pasul 4: senzor de curent

Curentul de curent alternativ este măsurat în mod convențional utilizând un transformator de curent, dar pentru acest proiect, ACS712 a fost ales ca senzor de curent datorită costului redus și a dimensiunilor mai mici. Senzorul de curent ACS712 este un senzor de curent cu efect Hall care măsoară cu precizie curentul atunci când este indus. Se detectează câmpul magnetic din jurul firului de curent alternativ, care dă tensiunea analogică de ieșire echivalentă. Ieșirea analogică de tensiune este apoi procesată de microcontroler pentru a măsura debitul de curent prin sarcină.

Pentru a afla mai multe despre senzorul ACS712, puteți vizita acest site. Pentru o explicație mai bună despre funcționarea senzorului de efect hall, am folosit imaginea de mai sus de la Embedded-lab.

Pasul 5: Măsurarea curentului de către ACS712

Ieșirea de la senzorul de curent ACS712 este o undă de tensiune alternativă. Trebuie să calculăm curentul efectiv, acest lucru se poate face după cum urmează

1. Măsurarea tensiunii de vârf la vârf (Vpp)

2. Împărțiți vârful la tensiunea de vârf (Vpp) la două pentru a obține tensiunea de vârf (Vp)

3. Înmulțiți-l cu 0,707 pentru a obține tensiunea RMS (Vrms)

Apoi multiplicați sensibilitatea senzorului de curent (ACS712) pentru a obține curentul efectiv.

Vp = Vpp / 2

Vrms = Vp x 0,707

Irms = Vrms x Sensibilitate

Sensibilitatea pentru modulul ACS712 5A este 185mV / A, modulul 20A este 100mV / A și modulul 30A este 66mV / A.

Conexiunea pentru senzorul de curent este ca mai jos

ACS712 Arduino / Wemos

VCC ------ 5V

OUT ----- A0

GND ----- GND

Pasul 6: Calculul energiei și puterii

Anterior am descris elementele de bază ale diferitelor forme de alimentare de curent alternativ. Fiind un utilizator casnic, puterea reală (kW) este principala noastră preocupare. Pentru a calcula puterea reală trebuie să măsurăm tensiunea RMS, curentul RMS și factorul de putere (pF).

De obicei, tensiunea de rețea din locația mea (230V) este aproape constantă (fluctuația este neglijabilă). Așa că las un senzor pentru a măsura tensiunea. Fără îndoială, dacă conectați un senzor de tensiune, precizia măsurării este mai bună decât în cazul meu. Oricum, această metodă este o modalitate ieftină și simplă de a finaliza proiectul și de a îndeplini obiectivul.

Un alt motiv pentru care nu se utilizează senzorul de tensiune se datorează limitării pinului analogic Wemos (doar unul). Deși senzorul suplimentar poate fi conectat utilizând un ADC precum ADS1115, deocamdată îl părăsesc. În viitor, dacă voi primi timp, îl voi adăuga cu siguranță.

Factorul de putere al sarcinii poate fi modificat în timpul programării sau din aplicația Smartphone.

Puterea reală (W) = Vrms x Irms x Pf

Vrms = 230V (cunoscut)

Pf = 0,85 (cunoscut)

Irms = citire din senzorul curent (necunoscut)

Credit de imagine: imgoat

Pasul 7: interfațarea cu aplicația Blynk

Deoarece placa Wemos are cip WiFi încorporat, m-am gândit să-l conectez la routerul meu și să monitorizez energia aparatului de la smartphone-ul meu. Avantajele utilizării plăcii Wemos în locul Arduino sunt: calibrarea senzorului și schimbarea valorii parametrilor de pe smartphone prin OTA fără a programa fizic microcontrolerul în mod repetat.

Am căutat opțiunea simplă, astfel încât oricine cu puțină experiență să o poată realiza. Cea mai bună opțiune pe care am găsit-o este utilizarea aplicației Blynk. Blynk este o aplicație care permite controlul complet asupra Arduino, ESP8266, Rasberry, Intel Edison și mult mai mult hardware. Este compatibil atât cu Android cât și cu iPhone. În Blynk totul funcționează pe ⚡️Energie. Când creați un cont nou, primiți ⚡️2, 000 pentru a începe experimentarea; Fiecare widget are nevoie de energie pentru a funcționa. Pentru acest proiect, aveți nevoie de ⚡️2400, deci trebuie să achiziționați energie suplimentară ️⚡️400 (costul este mai mic de 1 $)

eu. Ecartament - 2 x ⚡️200 = ⚡️400

ii. Afișare valoare etichetată - 2 x ⚡️400 = ⚡️800

iii. Glisoare - 4 x ⚡️200 = ⚡️800

iv. Meniu - 1x ⚡️400 = ⚡️400

Energia totală necesară pentru acest proiect = 400 + 800 + 800 + 400 = 24️2400

Urmați pașii de mai jos:

Pasul 1: Descărcați aplicația Blynk

1. Pentru Android

2. Pentru iPhone

Pasul 2: obțineți jetonul de autentificare

Pentru a conecta aplicația Blynk și hardware-ul dvs., aveți nevoie de un token de autentificare. Creați un cont nou în aplicația Blynk.

2. Apăsați pictograma QR din bara de meniu de sus. Creați o clonă a acestui proiect scanând codul QR prezentat mai sus. Odată ce a fost detectat cu succes, întregul proiect va fi pe telefonul dvs. imediat.

3. După ce proiectul a fost creat, vă vom trimite Auth Token prin e-mail.

4. Verificați căsuța de e-mail și găsiți jetonul de autentificare.

Pasul 3: Pregătirea Arduino IDE pentru Wemos Board

Pentru a încărca codul Arduino pe placa Wemos, trebuie să urmați aceste Instrucțiuni

Pasul 4: Instalați bibliotecile

Apoi, trebuie să importați biblioteca pe ID-ul dvs. Arduino

Descărcați Biblioteca Blynk

Descărcați bibliotecile pentru afișajul OLED: i. Adafruit_SSD1306 ii. Biblioteca Adafruit-GFX

Pasul 5: Arduino Sketch

După instalarea bibliotecilor de mai sus, lipiți codul Arduino dat mai jos.

Introduceți codul de autentificare de la pasul 1, SSID și parola routerului.

Apoi încărcați codul.

Pasul 8: Pregătiți placa de circuit

Pentru a face circuitul curat și curat, am realizat o placă cu circuite folosind o placă prototip de 4x6 cm. Mai întâi am lipit Pinul pentru antet masculin către consiliul Wemos. Apoi am lipit capetele de sex feminin de pe placa prototip pentru a monta diferite plăci:

1. Placă Wemos (antet feminin 2 x 8 pini)

2. Placă de alimentare 5V DC (2 pini + 3 pini antet feminin)

3. Modulul senzorului de curent (antet feminin cu 3 pini)

4. Afișaj OLED (antet feminin cu 4 pini)

În cele din urmă, am lipit un terminal cu șurub cu 2 pini pentru alimentarea cu curent alternativ la unitatea de alimentare.

După lipirea tuturor pinilor anteturilor, faceți conexiunea așa cum se arată mai sus. Am folosit sârmă de lipit 24 AWG pentru toată conexiunea.

Conexiunea este după cum urmează

1. ACS712:

ACS712 Wemos

Vcc-- 5V

Gnd - GND

Vout - A0

2. Afișaj OLED:

OLED Wemos

Vcc-- 5V

Gnd-- GND

SCL-- D1

SDA - D2

3. Modulul de alimentare:

Pinul de intrare AC (2 pini) al modulului de alimentare este conectat la borna cu șurub.

Ieșirea V1pin este conectată la Wemos 5V, iar pinul GND este conectat la pinul Wemos GND.

Pasul 9: Carcasă imprimată 3D

Pentru a da un aspect frumos produsului comercial, am proiectat o carcasă pentru acest proiect. Am folosit Autodesk Fusion 360 pentru a proiecta carcasa. Carcasa are două părți: capacul inferior și capacul superior. Puteți descărca fișierele. STL de la Thingiverse.

Partea inferioară este concepută practic pentru a se potrivi PCB-ului principal (4 x 6 cm), senzorului de curent și suportului pentru siguranțe. Capacul superior este pentru a monta mufa CA și afișajul OLED.

Am folosit imprimanta 3D Creality CR-10S și PLA argintiu de 1,75 mm și filament PLA roșu pentru a imprima piesele. Mi-a luat aproximativ 5 ore să imprim corpul principal și aproximativ 3 ore să imprim imprimarea capacului superior.

Setările mele sunt:

Viteza de imprimare: 60 mm / s

Înălțimea stratului: 0,3

Densitate umplere: 100%

Temperatura extruderului: 205 ° C

Temperatura patului: 65 ° C

Pasul 10: Schema de cablare AC

Cablul de alimentare CA are 3 fire: Linie (roșu), Neutru (negru) și Masă (verde).

Firul roșu de la cablul de alimentare este conectat la un terminal al siguranței. Celălalt terminal al siguranței este conectat la doi conectori de borne cu arc. Firul negru conectat direct la conectorul cu arc.

Acum, puterea necesară pentru placa de circuit (Wemos, OLED și ACS712) este deconectată după conectorul cu arc. Pentru a izola placa de circuit principal, un comutator basculant este conectat în serie. Vezi schema de circuite de mai sus.

Apoi firul roșu (linia) este conectat la mufa de curent alternativ „L”, iar firul verde (împământare) este conectat la terminalul central (marcat ca G).

Terminalul neutru este conectat la un terminal al senzorului de curent ACS712. Celălalt terminal al ACS712 este conectat înapoi la conectorul cu arc.

După terminarea tuturor conexiunilor externe, efectuați o inspecție foarte atentă a plăcii și curățați-o pentru a îndepărta reziduurile de flux de lipire.

Notă: Nu atingeți nicio parte a circuitului în timp ce acesta este alimentat. Orice atingere accidentală poate duce la răniri mortale sau la moarte. Fiți în siguranță în timpul lucrului, nu voi fi responsabil pentru nicio pierdere.

Pasul 11: Instalați toate componentele

Introduceți componentele (soclu AC, comutator basculant și afișaj OLED) pe sloturile superioare ale capacului, așa cum se arată în imagine. Apoi fixați șuruburile. Partea inferioară are 4 separatoare pentru montarea plăcii PCB principale. Mai întâi, introduceți suportul de alamă în gaură așa cum se arată mai sus. Apoi fixați șurubul 2M la cele patru colțuri.

Așezați Suportul de siguranțe și senzorul de curent pe fanta prevăzută pe carcasa inferioară. Am folosit 3M pătrate de montaj pentru a le lipi pe bază. Apoi direcționați corect toate firele.

În cele din urmă, așezați capacul superior și fixați cele 4 piulițe (3M x16) la colțuri.

Pasul 12: Testarea finală

Conectați cablul de alimentare al contorului de energie la priza de rețea.

Modificați următorii parametri din aplicația Blynk

1. Glisați glisorul CALIBRATE pentru a obține zero curent atunci când nu este conectată nicio sarcină.

2. Măsurați tensiunea de alimentare AC de la domiciliu utilizând un multimetru și setați-o glisând glisorul SUPLIMENT TENSIUNE.

3. Setați factorul de putere

4. Introduceți tariful pentru energie la locația dvs.

Apoi conectați aparatul a cărui putere să fie măsurată la priza de pe contorul de energie. Acum sunteți gata să măsurați energia consumată de aceasta.

Sper că ți-a plăcut să citești despre proiectul meu la fel de mult ca și mie în timpul construirii acestuia.

Dacă aveți sugestii de îmbunătățiri, vă rugăm să le comentați mai jos. Mulțumesc!

Locul doi în concursul de microcontroler