Arduino merilnik energije - V2.0: 12 korakov (s slikami)

2024 Avtor: John Day | [email protected]. Nazadnje spremenjeno: 2024-01-30 12:04

Pozdravljeni, dobrodošel nazaj po dolgem premoru. Prej sem objavil navodila za uporabo na merilniku energije Arduino, ki je bil namenjen predvsem spremljanju energije iz sončne celice (DC Power) v moji vasi. Postal je zelo priljubljen na internetu, veliko ljudi po vsem svetu ga je zgradilo. Toliko študentov je uspelo pri njihovem univerzitetnem projektu tako, da so mi pomagali. Še vedno pa prejemam e -poštna sporočila in sporočila ljudi z vprašanji glede sprememb strojne in programske opreme za spremljanje porabe električne energije.

Torej, v tem navodilu vam bom pokazal, kako z uporabo plošče Arduino/Wemos narediti preprost merilnik energije za izmenični tok z omogočenim WiFi. Z uporabo tega merilnika energije lahko izmerite porabo energije vseh gospodinjskih aparatov. Na koncu projekta sem za ta projekt izdelal lepo 3D tiskano ohišje.

Cilj ozaveščanja o porabi energije bi bil optimizacija in zmanjšanje porabe energije s strani uporabnika. To bi zmanjšalo njihove stroške energije in tudi prihranilo energijo.

Seveda obstaja veliko komercialnih naprav za nadzor energije, vendar sem želel zgraditi svojo različico, ki bo preprosta in poceni.

Vse moje projekte najdete na:

Korak: Potrebni deli in orodja

Potrebne komponente:

1. Wemos D1 mini pro (Amazon / Banggood)

2. Senzor toka -ACS712 (Amazon)

3. Zaslon OLED (Amazon / Banggood)

4. 5V napajalnik (Aliexpress)

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

6. 24 AWG Wire (Amazon)

7. Zatiči glave (Amazon / Banggood)

8. Moško-ženske skakalne žice (Amazon)

9. Vijačni terminal (Amazon)

10. Standoff (Banggood)

11. Vtičnica AC

12. AC vtič

13. Vzmetni priključek (Banggood)

14. Preklopno stikalo (Banggood)

15. PLA nitka-srebro (GearBest)

16. PLA nitka-rdeča (GearBest)

Potrebna orodja:

1. Spajkalnik (Amazon)

2. Lepilna pištola (Amazon)

3. Rezalnik/odstranjevalec žice (Amazon)

4.3D tiskalnik (Creality CR10S)

2. korak: Kako deluje?

Blok diagram celotnega projekta je prikazan zgoraj.

Napajanje iz električnega omrežja se črpa in prehaja skozi varovalko, da se prepreči poškodba vezja med nenamernim kratkim stikom.

Nato se napajalni vod razdeli na dva dela:

1. Na obremenitev skozi senzor toka (ACS712)

2. 230V AC/5V DC napajalni modul

Napajalni modul 5V napaja mikrokrmilnik (Arduino/Wemos), senzor toka (ACS712) in zaslon OLED.

AC tok, ki teče skozi obremenitev, zazna senzorski modul toka (ACS712) in se napaja na analogni pin (A0) plošče Arduino/Wemos. Ko je analogni vhod dan Arduinu, se merjenje moči/energije izvede s skico Arduino.

Izračunana moč in energija Arduina/Wemosa je prikazana na 0,96 -palčnem zaslonskem modulu OLED.

Vgrajen WiFi čip Wemosa je povezan z domačim usmerjevalnikom in povezan z aplikacijo Blynk. Tako lahko spremljate parametre ter kalibrirate in spreminjate različne nastavitve iz pametnega telefona prek OTA.

3. korak: Razumevanje osnov AC

Pri analizi izmeničnega tokokroga se napetost in tok s časom spreminjata sinusno.

Realna moč (P):

To je moč, ki jo naprava uporablja za koristno delo, izražena v kW.

Realna moč = napetost (V) x tok (I) x cosΦ

Reaktivna moč (Q):

To pogosto imenujemo namišljena moč, ki je mera moči, ki niha med virom in obremenitvijo, kar ne opravlja nobenega koristnega dela. Izraženo je v kVAr

Reaktivna moč = napetost (V) x tok (I) x sinΦ

Navidezna moč (S):

Opredeljen je kot produkt napetosti korenskega povprečja (RMS) in RMS toka. To lahko opredelimo tudi kot rezultat dejanske in reaktivne moči. Izraženo je v kVA

Navidezna moč = napetost (V) x tok (I)

Razmerje med resnično, reaktivno in navidezno močjo:

Realna moč = Navidezna moč x cosΦ

Reaktivna moč = Navidezna moč x sinΦ

(kVA) ² = (kW) ² + (kVAr) ²

Faktor moči (pf):

Razmerje dejanske moči in navidezne moči v vezju se imenuje faktor moči.

Faktor moči = dejanska moč/navidezna moč

Iz zgoraj navedenega je jasno, da lahko z merjenjem napetosti in toka izmerimo vse oblike moči in faktor moči.

Zasluga za sliko: openenergymonitor.org

4. korak: Senzor toka

Napajalni tok se običajno meri z uporabo tokovnega transformatorja, vendar je bil za ta projekt ACS712 izbran kot senzor toka zaradi nizkih stroškov in manjše velikosti. Senzor toka ACS712 je senzor toka Hall -ovega učinka, ki natančno meri tok, ko je induciran. Zazna se magnetno polje okoli izmenične žice, ki daje enakovredno analogno izhodno napetost. Izhod analogne napetosti nato obdela mikrokontroler za merjenje toka skozi obremenitev.

Če želite izvedeti več o senzorju ACS712, obiščite to spletno mesto. Za boljšo razlago delovanja senzorja Hall efekta sem uporabil zgornjo sliko iz Embedded-laba.

5. korak: Merjenje toka z ACS712

Izhod tokovnega senzorja ACS712 je val napetosti izmenične napetosti. Izračunati moramo efektivni tok, to lahko naredimo na naslednji način

1. Merjenje vršne do največje napetosti (Vpp)

2. Največjo napetost (Vpp) delite z dvema, da dobite najvišjo napetost (Vp)

3. Pomnožite z 0,707, da dobite efektivno napetost (Vrms)

Nato pomnožite občutljivost trenutnega senzorja (ACS712), da dobite efektivni tok.

Vp = Vpp/2

Vrms = Vp x 0,707

Irms = Vrms x Občutljivost

Občutljivost modula ACS712 5A je 185 mV/A, modul 20A je 100 mV/A in modul 30A je 66 mV/A.

Povezava trenutnega senzorja je prikazana spodaj

ACS712 Arduino/Wemos

VCC ------ 5V

IZHOD ----- A0

GND ----- GND

6. korak: Izračun moči in energije

Prej sem opisal osnove različnih oblik napajanja. Kot gospodinjski uporabnik je naša glavna skrb dejanska moč (kW). Za izračun dejanske moči moramo izmeriti efektivno napetost, efektivni tok in faktor moči (pF).

Običajno je omrežna napetost na moji lokaciji (230 V) skoraj konstantna (nihanje je zanemarljivo). Zato puščam en senzor za merjenje napetosti. Ni dvoma, če priključite senzor napetosti, je natančnost merjenja boljša kot v mojem primeru. Kakorkoli že, ta metoda je poceni in preprost način za dokončanje projekta in izpolnitev cilja.

Drugi razlog za neuporabo senzorja napetosti je omejitev Wemosovega analognega zatiča (samo enega). Čeprav je mogoče dodatni senzor priključiti z ADC, kot je ADS1115, ga zaenkrat zapuščam. V prihodnje ga bom dodal, če bom imel čas.

Faktor moči obremenitve lahko spremenite med programiranjem ali iz aplikacije za pametni telefon.

Realna moč (W) = Vrms x Irms x Pf

Vrms = 230V (znano)

Pf = 0,85 (znano)

Irms = odčitavanje s trenutnega senzorja (neznano)

Zasluga za sliko: imgoat

7. korak: Povezovanje z aplikacijo Blynk

Ker ima plošča Wemos vgrajen čip WiFi, sem mislil, da ga povežem z usmerjevalnikom in iz pametnega telefona spremljam energijo gospodinjskih aparatov. Prednosti uporabe plošče Wemos namesto Arduina so: kalibracija senzorja in spreminjanje vrednosti parametrov s pametnega telefona prek OTA brez večkratnega fizičnega programiranja mikrokrmilnika.

Iskal sem preprosto možnost, tako da jo lahko izvede vsak z malo izkušnjami. Najboljša možnost, ki sem jo našel, je uporaba aplikacije Blynk. Blynk je aplikacija, ki omogoča popoln nadzor nad Arduino, ESP8266, Rasberry, Intel Edison in še veliko več strojne opreme. Združljiv je tako z Androidom kot iPhoneom. V Blynku vse deluje na ⚡️Energy. Ko ustvarite nov račun, imate 2 000 ⚡️ za začetek eksperimentiranja; Vsak pripomoček za delovanje potrebuje nekaj energije. Za ta projekt potrebujete 24️2400, zato morate kupiti dodatno energijo ️⚡️400 (stroški so manjši od 1 USD)

jaz. Merilnik - 2 x ⚡️200 = ⚡️400

ii. Prikaz vrednosti z oznako - 2 x ⚡️400 = ⚡️800

iii. Drsniki - 4 x ⚡️200 = ⚡️800

iv. Meni - 1x ⚡️400 = ⚡️400

Skupna potrebna energija za ta projekt = 400+800+800+400 = ⚡️2400

Sledite spodnjim korakom:

1. korak: Prenesite aplikacijo Blynk

1. Za Android

2. Za iPhone

2. korak: Pridobite žeton za preverjanje pristnosti

Za povezavo aplikacije Blynk in strojne opreme potrebujete žeton za preverjanje pristnosti. Ustvarite nov račun v aplikaciji Blynk.

2. Pritisnite ikono QR v zgornji menijski vrstici. Ustvarite klon tega projekta s skeniranjem zgornje kode QR. Ko bo uspešno odkrit, bo celoten projekt takoj na vašem telefonu.

3. Ko je projekt ustvarjen, vam bomo po elektronski pošti poslali žeton za preverjanje pristnosti.

4. Preverite e -poštni predal in poiščite žeton za preverjanje pristnosti.

3. korak: Priprava Arduino IDE za Wemos Board

Če želite kodo Arduino naložiti na ploščo Wemos, morate slediti tem navodilom

4. korak: Namestite knjižnice

Nato morate knjižnico uvoziti v svoj Arduino IDE

Prenesite knjižnico Blynk

Prenesite knjižnice za zaslon OLED: i. Adafruit_SSD1306 ii. Knjižnica Adafruit-GFX

5. korak: Arduino skica

Po namestitvi zgornjih knjižnic prilepite spodnjo kodo Arduino.

Vnesite kodo za avtentikacijo iz 1. koraka, ssid in geslo usmerjevalnika.

Nato naložite kodo.

8. korak: Pripravite vezje

Da bi bilo vezje urejeno in čisto, sem izdelal vezje s prototipno ploščo 4x6 cm. Najprej sem spajkal moški zatič glave na desko Wemos. Nato sem spajal ženske glave na prototipno ploščo za namestitev različnih plošč:

1. Wemos deska (2 x 8 zatičev, ženska glava)

2. 5V DC napajalna plošča (2 zatiča +3 zatiči ženski priključek)

3. Modul trenutnega senzorja (3 zatiči, ženska glava)

4. Zaslon OLED (ženska glava s 4 zatiči)

Nazadnje sem na napajalno enoto spajkal 2 -polni vijačni priključek za vhod AC.

Ko spajkate vse zatiče glav, povežite, kot je prikazano zgoraj. Za vse povezave sem uporabil spajkalno žico 24 AWG.

Povezava je naslednja

1. ACS712:

ACS712 Wemos

Vcc- 5V

Gnd - GND

Vout-A0

2. OLED zaslon:

OLED Wemos

Vcc- 5V

Gnd-- GND

SCL- D1

SDA-D2

3. Napajalni modul:

Vhod AC (2 pina) napajalnega modula, priključen na vijačni priključek.

Izhod V1pin je priključen na Wemos 5V, pin GND pa na priključek Wemos GND.

9. korak: 3D -tiskana ohišja

Za lep videz komercialnega izdelka sem za ta projekt oblikoval ohišje, pri oblikovanju ohišja pa sem uporabil Autodesk Fusion 360. Ohišje ima dva dela: spodnji in zgornji pokrov. Datoteke. STL lahko prenesete iz Thingiverse.

Spodnji del je v osnovi zasnovan tako, da se prilega glavnemu tiskanemu vezju (4 x 6 cm), senzorju toka in nosilcu varovalk, zgornji pokrov pa za namestitev vtičnice za izmenični tok in zaslona OLED.

Za tiskanje delov sem uporabil svoj 3D tiskalnik Creality CR-10S ter 1,75 mm srebrno PLA in rdečo PLA nitko. Za tiskanje glavnega dela sem porabil približno 5 ur, za zgornji pokrov pa približno 3 ure.

Moje nastavitve so:

Hitrost tiskanja: 60 mm/s

Višina sloja: 0,3

Gostota polnjenja: 100%

Temperatura ekstruderja: 205 degC

Temperatura postelje: 65 degC

10. korak: Shema ožičenja AC

Napajalni kabel ima tri žice: linijsko (rdeča), nevtralno (črna) in ozemljitveno (zelena).

Rdeča žica iz napajalnega kabla je priključena na en priključek varovalke. Drugi priključek varovalke je priključen na vzmetna dva priključka. Črna žica je neposredno povezana z vzmetnim priključkom.

Zdaj je moč, potrebna za vezje (Wemos, OLED in ACS712), posneta po vzmetnem priključku. Za izolacijo glavnega vezja je nihalno stikalo priključeno zaporedno. Oglejte si zgornji diagram vezja.

Nato je rdeča žica (linija) priključena na priključek AC "L", zelena žica (ozemljitev) pa na sredinski priključek (označen kot G).

Nevtralni priključek je priključen na en priključek tokovnega senzorja ACS712. Drugi priključek ACS712 je priključen nazaj na vzmetni priključek.

Ko so vse zunanje povezave končane, natančno preglejte ploščo in jo očistite, da odstranite ostanke spajkanja.

Opomba: Ne dotikajte se nobenega dela vezja, ko je pod napetostjo. Vsak nenamerni dotik lahko povzroči smrtne poškodbe ali smrt. Med delom bodite varni, za izgubo ne odgovarjam.

11. korak: Namestite vse komponente

Vstavite komponente (vtičnica za AC, stikalo za premikanje in zaslon OLED) v reže na zgornjem pokrovu, kot je prikazano na sliki. Nato pritrdite vijake. Spodnji del ima 4 nastavke za namestitev glavne tiskane plošče. Najprej vstavite medeninasti nosilec v luknjo, kot je prikazano zgoraj. Nato pritrdite 2M vijak na štiri vogale.

Nosilec varovalk in senzor toka namestite na predvideno režo na spodnjem ohišju. Za pritrditev na podlago sem uporabil 3M pritrdilne kvadratke. Nato pravilno napeljite vse žice.

Na koncu namestite zgornji pokrov in pritrdite 4 matice (3M x16) na vogalih.

12. korak: Končno testiranje

Priključite napajalni kabel merilnika energije v električno vtičnico.

V aplikaciji Blynk spremenite naslednje parametre

1. Povlecite drsnik CALIBRATE, da dobite trenutno nič, ko ni priključena obremenitev.

2. Z multimetrom izmerite domačo napajalno napetost in jo nastavite z drsnikom SUPPLY VOLTAGE.

3. Nastavite faktor moči

4. Vnesite tarifo za energijo na svoji lokaciji.

Nato priključite aparat, katerega moč morate izmeriti, v vtičnico na merilniku energije. Zdaj ste pripravljeni izmeriti porabljeno energijo.

Upam, da ste uživali v branju mojega projekta, tako kot sem jaz užival med gradnjo.

Če imate predloge za izboljšave, jih komentirajte spodaj. Hvala!

Drugouvrščeni na natečaju za mikrokrmilnik