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

2024 Autor: John Day | [email protected]. Zadnja promjena: 2024-01-30 09:35

Pozdrav prijatelju, dobrodošao nazad nakon duge pauze. Ranije sam postavio Instructables na Arduino mjeraču energije koji je uglavnom dizajniran za nadzor napajanja iz solarne ploče (DC Power) u mom selu. Postao je vrlo popularan na internetu, mnogi su ljudi u cijelom svijetu izgradili svoje. Toliko je studenata uspjelo na njihovom fakultetskom projektu uzimajući pomoć od mene. Ipak, sada primam e -poštu i poruke od ljudi s pitanjima u vezi s izmjenama hardvera i softvera za praćenje potrošnje izmjenične struje.

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

Cilj stvaranja veće svijesti o potrošnji energije bio bi optimizacija i smanjenje potrošnje energije od strane korisnika. Time bi se smanjili njihovi troškovi energije, ali i uštedjela energija.

Naravno, već postoji mnogo komercijalnih uređaja za nadzor energije, ali htio sam izgraditi 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 zaslon (Amazon / Banggood)

4. Napajanje od 5V (Aliexpress)

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

6. Žica 24 AWG (Amazon)

7. Igle zaglavlja (Amazon / Banggood)

8. Muško-ženske kratkospojne žice (Amazon)

9. Vijčani terminal (Amazon)

10. Standoff (Banggood)

11. Utičnica za izmjeničnu struju

12. AC utikač

13. Priključak s oprugom (Banggood)

14. Prekidač za klackalicu (Banggood)

15. PLA filament-srebro (GearBest)

16. PLA filament-crvena (GearBest)

Potrebni alati:

1. Lemilica (Amazon)

2. Pištolj za ljepilo (Amazon)

3. Rezač/skidač žice (Amazon)

4.3D pisač (Creality CR10S)

Korak 2: Kako to funkcionira?

Blok dijagram cijelog projekta prikazan je gore.

Napajanje iz mreže izmjeničnog napona crpi se i prolazi 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 osjetnik struje (ACS712)

2. 230V AC/5V DC modul za napajanje

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

Naizmjeničnu struju koja prolazi kroz opterećenje detektira modul osjetnika struje (ACS712) i dovodi do analognog pina (A0) Arduino/Wemos ploče. Nakon što analogni ulaz dobije Arduino, mjerenje snage/energije vrši se pomoću Arduino skice.

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

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 izmjenične struje

U analizi izmjeničnog kruga i napon i struja s vremenom se mijenjaju sinusno.

Realna snaga (P):

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

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

Reaktivna snaga (Q):

To se često naziva zamišljena snaga koja je mjera snage koja oscilira između izvora i opterećenja, što ne čini nikakav koristan posao. Izražava se u kVAr

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

Prividna snaga (S):

Definira se kao umnožak RMS napona i RMS struje. To se također može definirati kao rezultanta 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):

Omjer stvarne snage i prividne snage u krugu 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 je za ovaj projekt ACS712 odabran kao osjetnik struje zbog niske cijene i manje veličine. Senzor struje ACS712 je Hall Effect osjetnik struje koji točno mjeri struju kada se inducira. Otkriveno je magnetsko polje oko izmjenične žice koje daje ekvivalentni analogni izlazni napon. Mikrokontroler zatim obrađuje analogni naponski izlaz za mjerenje protoka struje kroz opterećenje.

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

Korak 5: Mjerenje struje pomoću ACS712

Izlaz osjetnika struje ACS712 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) s dva da biste dobili vršni napon (Vp)

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

Zatim pomnožite osjetljivost osjetnika struje (ACS712) kako biste dobili efektivnu struju.

Vp = Vpp/2

Vrms = Vp x 0,707

Irms = Vrms x Osjetljivost

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

Priključak za trenutni senzor je kao dolje

ACS712 Arduino/Wemos

VCC ------ 5V

IZLAZ ----- A0

GND ----- GND

Korak 6: Izračun snage i energije

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

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

Drugi razlog za neupotrebu osjetnika napona je ograničenje Wemosovog 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 tijekom programiranja ili iz aplikacije Smartphone.

Realna snaga (W) = Vrms x Irms x Pf

Vrms = 230V (poznato)

Pf = 0,85 (poznato)

Irms = očitanje s trenutnog senzora (nepoznato)

Zasluga za sliku: imgoat

Korak 7: Povezivanje s aplikacijom Blynk

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

Tražio sam jednostavnu opciju tako da to može učiniti svatko 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 mnogo više hardvera. Kompatibilan je s Androidom i iPhoneom. U Blynku sve radi na ⚡️Energiji. Kad stvorite novi račun, dobit ćete 2 000 ⚡️ za početak eksperimentiranja; Za rad svakog widgeta potrebna je određena energija. Za ovaj projekt trebate ⚡️2400, pa morate kupiti dodatnu energiju ️⚡️400 (cijena je manja od 1 USD)

i. Mjerač - 2 x ⚡️200 = ⚡️400

ii. Prikaz vrijednosti s oznakom - 2 x ⚡️400 = ⚡️800

iii. Klizači - 4 x ⚡️200 = ⚡️800

iv. Jelovnik - 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 token za autorizaciju.1. Izradite novi račun u aplikaciji Blynk.

2. Pritisnite ikonu QR na gornjoj traci izbornika. Izradite 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 pristiglu poštu 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 knjižnice

Zatim morate uvesti knjižnicu u svoj Arduino IDE

Preuzmite biblioteku Blynk

Preuzmite knjižnice za OLED zaslon: i. Adafruit_SSD1306 ii. Adafruit-GFX-knjižnica

Korak 5: Arduino skica

Nakon instaliranja gore navedenih knjižnica, zalijepite Arduino kôd koji je dolje naveden.

Unesite autorizacijski kod iz koraka 1, ssid i lozinku usmjerivača.

Zatim učitajte kôd.

Korak 8: Pripremite pločicu

Kako bih sklop učinio urednim i čistim, izradio sam ploču pomoću prototipne ploče dimenzija 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 (žensko zaglavlje 2 x 8 pinova)

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

3. Modul osjetnika struje (ženski zaglavlje s 3 pina)

4. OLED zaslon (žensko zaglavlje sa 4 igle)

Konačno sam lemio 2 -polni vijčani terminal za ulazni izmjenični napon na jedinici napajanja.

Nakon lemljenja svih iglica zaglavlja, spojite kako 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 zaslon:

OLED Wemos

Vcc- 5V

Gnd-- GND

SCL-- D1

SDA-D2

3. Modul napajanja:

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

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

Korak 9: 3D tiskano kućište

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

Donji dio je u osnovi dizajniran za postavljanje na glavnu PCB (4 x6 cm), osjetnik struje i držač osigurača. Gornji poklopac služi za postavljanje utičnice za izmjeničnu struju i OLED zaslona.

Za ispis dijelova koristio sam svoj 3D pisač Creality CR-10S i srebrnu PLA nit i crvenu PLA nit. Trebalo mi je oko 5 sati za ispis glavnog tijela i oko 3 sata za ispis gornjeg poklopca.

Moje postavke su:

Brzina ispisa: 60 mm/s

Visina sloja: 0,3

Gustoća punjenja: 100%

Temperatura ekstrudera: 205 ° C

Temperatura kreveta: 65 ° C

Korak 10: Shema ožičenja izmjenične struje

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

Crvena žica iz kabela za napajanje spojena je na jedan priključak osigurača. Drugi priključak osigurača spojen je na dva priključna priključka s oprugom. Crna žica izravno spojena na konektor s oprugom.

Sada se potrebna snaga za tiskanu ploču (Wemos, OLED i ACS712) isključuje nakon konektora s oprugom. Kako bi se izolirala glavna ploča, prekidač je njihano spojen. Pogledajte gornji dijagram kruga.

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

Neutralni terminal spojen je na jedan terminal osjetnika struje ACS712. Drugi priključak ACS712 spojen je natrag na konektor s oprugom.

Kad su svi vanjski spojevi gotovi, pažljivo pregledajte ploču i očistite je kako biste uklonili ostatke toka lemljenja.

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

Korak 11: Instalirajte sve komponente

Umetnite komponente (utičnica za izmjeničnu struju, prekidač za prekidače i OLED zaslon) u otvore na gornjem poklopcu kao što je prikazano na slici. Zatim pričvrstite vijke. Donji dio ima 4 stupa za montažu glavne ploče. Najprije 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 ispravno 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.

Promijenite sljedeće parametre iz aplikacije Blynk

1. Pomaknite klizač CALIBRATE da biste dobili nulu struje kada nema priključenog opterećenja.

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

3. Postavite faktor snage

4. Unesite tarifu energije na svojoj lokaciji.

Zatim priključite uređaj čija se snaga mjeri u utičnicu na mjeraču energije. Sada ste spremni mjeriti energiju 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 natjecanju za mikrokontroler