Licznik energii Arduino - V2.0: 12 kroków (ze zdjęciami)

2024 Autor: John Day | [email protected]. Ostatnio zmodyfikowany: 2024-01-30 11:29

Witaj przyjacielu, witaj ponownie po długiej przerwie. Wcześniej opublikowałem instrukcje dotyczące licznika energii Arduino, który został zaprojektowany głównie do monitorowania mocy z panelu słonecznego (zasilania prądu stałego) w mojej wiosce. Stało się bardzo popularne w Internecie, wiele osób na całym świecie zbudowało własne. Tak wielu studentów dostało się do swojego projektu w college'u, korzystając z mojej pomocy. Mimo to otrzymuję teraz e-maile i wiadomości od osób z pytaniami dotyczącymi modyfikacji sprzętu i oprogramowania w celu monitorowania zużycia prądu AC.

W tej instrukcji pokażę, jak zrobić prosty licznik energii AC z obsługą Wi-Fi za pomocą płyty Arduino / Wemos. Korzystając z tego licznika energii, możesz zmierzyć zużycie energii dowolnego sprzętu gospodarstwa domowego. Na koniec projektu wykonałem ładną obudowę wydrukowaną w 3D dla tego projektu.

Celem budowania większej świadomości na temat zużycia energii byłaby optymalizacja i zmniejszenie zużycia energii przez użytkownika. Zmniejszyłoby to ich koszty energii, a także oszczędzało energię.

Oczywiście istnieje już wiele komercyjnych urządzeń do monitorowania energii, ale chciałem zbudować własną wersję, która będzie prosta i tania.

Wszystkie moje projekty można znaleźć na:

Krok 1: Wymagane części i narzędzia

Wymagane komponenty:

1. Wemos D1 mini pro (Amazonka / Banggood)

2. Czujnik prądu - ACS712 (Amazon)

3. Wyświetlacz OLED (Amazon / Banggood)

4. Zasilanie 5 V (Aliexpress)

5. Tablica prototypowa - 4 x 6cm (Amazon / Banggood)

6. Przewód 24 AWG (Amazonka)

7. Kołki nagłówka (Amazon / Banggood)

8. Męsko-żeńskie przewody połączeniowe (Amazon)

9. Zacisk śrubowy (Amazonka)

10. Patrzeć (Banggood)

11. Gniazdko AC

12. Wtyczka AC

13. Złącze sprężynowe (Banggood)

14. Przełącznik kołyskowy (Banggood)

15. PLA Filament-Srebrny (GearBest)

16. PLA Filament-Czerwony (GearBest)

Wymagane narzędzia:

1. Lutownica (Amazonka)

2. Pistolet do klejenia (Amazonka)

3. Przecinak do drutu / ściągacz izolacji (Amazon)

Drukarka 4.3D (Creality CR10S)

Krok 2: Jak to działa?

Schemat blokowy całego projektu pokazano powyżej.

Zasilanie z sieci prądu przemiennego jest pobierane i przepuszczane przez bezpiecznik, aby uniknąć uszkodzenia płytki drukowanej podczas przypadkowego zwarcia.

Następnie linia zasilania AC jest podzielona na dwie części:

1. Do obciążenia przez czujnik prądu (ACS712)

2. Moduł zasilania 230 V AC/5 V DC

Moduł zasilacza 5V dostarcza zasilanie do mikrokontrolera (Arduino/Wemos), czujnika prądu (ACS712) oraz wyświetlacza OLED.

Prąd przemienny przechodzący przez obciążenie jest wykrywany przez moduł czujnika prądu (ACS712) i podawany do styku analogowego (A0) płyty Arduino/Wemos. Po przekazaniu wejścia analogowego do Arduino, pomiar mocy/energii jest wykonywany przez szkic Arduino.

Obliczona moc i energia przez Arduino/Wemos jest wyświetlana na 0.96 module wyświetlacza OLED.

Wbudowany układ Wi-Fi Wemos jest podłączony do routera domowego i połączony z aplikacją Blynk. Możesz więc monitorować parametry, a także kalibrować i modyfikować różne ustawienia ze swojego smartfona za pośrednictwem OTA.

Krok 3: Zrozumienie podstaw AC

W analizie obwodów prądu przemiennego zarówno napięcie, jak i prąd zmieniają się sinusoidalnie w czasie.

Moc rzeczywista (P):

Jest to moc wykorzystywana przez urządzenie do wykonania użytecznej pracy. Wyrażona jest w kW.

Moc rzeczywista = napięcie (V) x prąd (I) x cosΦ

Moc bierna (Q):

Jest to często nazywane mocą urojoną, która jest miarą mocy oscylującej między źródłem a obciążeniem, która nie wykonuje użytecznej pracy. Jest wyrażona w kVAr

Moc bierna = napięcie (V) x prąd (I) x sinΦ

Moc pozorna (S):

Jest on definiowany jako iloczyn średniej kwadratowej napięcia (RMS) i prądu RMS. Można to również określić jako wypadkową mocy czynnej i biernej. Jest wyrażony w kVA

Moc pozorna = napięcie (V) x prąd (I)

Związek między mocą rzeczywistą, bierną i pozorną:

Moc rzeczywista = moc pozorna x cosΦ

Moc bierna = moc pozorna x sinΦ

(kVA)² = (kW)² + (kVAr)²

Współczynnik mocy (pf):

Stosunek mocy rzeczywistej do mocy pozornej w obwodzie nazywany jest współczynnikiem mocy.

Współczynnik mocy = moc rzeczywista/moc pozorna

Z powyższego jasno wynika, że możemy zmierzyć wszystkie formy mocy, a także współczynnik mocy, mierząc napięcie i prąd.

Źródło obrazu: openenergymonitor.org

Krok 4: Aktualny czujnik

Prąd AC jest konwencjonalnie mierzony za pomocą przekładnika prądowego, ale w tym projekcie ACS712 został wybrany jako czujnik prądu ze względu na jego niski koszt i mniejszy rozmiar. Czujnik prądu ACS712 to czujnik prądu z efektem Halla, który dokładnie mierzy prąd po indukcji. Wykrywane jest pole magnetyczne wokół przewodu AC, które daje równoważne analogowe napięcie wyjściowe. Analogowe wyjście napięciowe jest następnie przetwarzane przez mikrokontroler w celu pomiaru przepływu prądu przez obciążenie.

Aby dowiedzieć się więcej o czujniku ACS712, odwiedź tę stronę. Dla lepszego wyjaśnienia działania czujnika Halla wykorzystałem powyższy obrazek z Embedded-lab.

Krok 5: Pomiar prądu przez ACS712

Wyjściem z czujnika prądu ACS712 jest fala napięcia przemiennego. Musimy obliczyć prąd skuteczny, można to zrobić w następujący sposób

1. Pomiar napięcia międzyszczytowego (Vpp)

2. Podziel napięcie międzyszczytowe (Vpp) przez dwa, aby uzyskać napięcie szczytowe (Vp)

3. Pomnóż to przez 0,707, aby uzyskać napięcie skuteczne (Vrms)

Następnie pomnóż czułość czujnika prądu (ACS712), aby uzyskać prąd skuteczny.

Vp = Vpp/2

Vrms = Vp x 0,707

Irms = Vrms x Czułość

Czułość modułu ACS712 5A wynosi 185mV/A, modułu 20A to 100mV/A a modułu 30A to 66mV/A.

Połączenie dla czujnika prądu jest jak poniżej

ACS712 Arduino/Wemos

VCC ------ 5 V

WYJAZD ----- A0

GND ----- GND

Krok 6: Obliczanie mocy i energii

Wcześniej opisałem podstawy różnych form zasilania prądem przemiennym. Jako użytkownik w gospodarstwie domowym najważniejsza jest dla nas moc rzeczywista (kW). Aby obliczyć moc rzeczywistą, musimy zmierzyć napięcie skuteczne, prąd skuteczny i współczynnik mocy (pF).

Zwykle napięcie sieciowe w mojej lokalizacji (230V) jest prawie stałe (wahania są znikome). Więc zostawiam jeden czujnik do pomiaru napięcia. Bez wątpienia jak podłączysz czujnik napięcia to dokładność pomiaru jest lepsza niż w moim przypadku. Zresztą ta metoda jest tanim i prostym sposobem na zrealizowanie projektu i osiągnięcie celu.

Innym powodem niekorzystania z czujnika napięcia jest ograniczenie pinu analogowego Wemos (tylko jeden). Chociaż dodatkowy czujnik można podłączyć za pomocą przetwornika ADC, takiego jak ADS1115, na razie go zostawiam. W przyszłości, jeśli będę miał czas, na pewno to dodam.

Współczynnik mocy obciążenia można zmienić podczas programowania lub z aplikacji na smartfona.

Moc rzeczywista (W) = Vrms x Irms x Pf

Vrms = 230V (znane)

Pf = 0,85 (znane)

Irms = odczyt z czujnika prądu (nieznany)

Źródło obrazu: imgoat

Krok 7: Połączenie z aplikacją Blynk

Ponieważ płyta Wemos ma wbudowany układ Wi-Fi, pomyślałem, aby podłączyć ją do routera i monitorować energię urządzenia domowego ze smartfona. Zaletami zastosowania płytki Wemos zamiast Arduino są: kalibracja czujnika i zmiana wartości parametru ze smartfona poprzez OTA bez fizycznego programowania mikrokontrolera wielokrotnie.

Szukałem prostej opcji, aby każdy z małym doświadczeniem mógł to zrobić. Najlepszą opcją, jaką znalazłem, jest użycie aplikacji Blynk. Blynk to aplikacja, która umożliwia pełną kontrolę nad Arduino, ESP8266, Rasberry, Intel Edison i wieloma innymi urządzeniami. Jest kompatybilny zarówno z Androidem, jak i iPhonem. W Blynk wszystko działa na Energy. Kiedy tworzysz nowe konto, dostajesz 2 000 JPY na rozpoczęcie eksperymentów; Każdy Widget potrzebuje trochę Energii do działania. Do tego projektu potrzebujesz 2400 ⚡️, więc musisz dokupić energię 400 ️⚡️ (koszt to mniej niż 1 USD)

i. Wskaźnik - 2 x ⚡️200 = ⚡️400

ii. Wyświetlanie wartości oznaczonych - 2 x ⚡️400 =⚡️800

iii. Suwaki - 4 x ⚡️200 = ⚡️800

iv. Menu - 1x ⚡️400 = ⚡️400

Całkowita energia wymagana dla tego projektu = 400+800+800+400 = ⚡️2400

Wykonaj poniższe kroki:

Krok 1: Pobierz aplikację Blynk

1. Dla Androida

2. Dla iPhone'a

Krok 2: Zdobądź token uwierzytelniania

Aby połączyć aplikację Blynk ze sprzętem, potrzebujesz tokena uwierzytelniania.1. Utwórz nowe konto w aplikacji Blynk.

2. Naciśnij ikonę QR na górnym pasku menu. Utwórz klon tego projektu, skanując pokazany powyżej kod QR. Po pomyślnym wykryciu cały projekt będzie natychmiast dostępny na Twoim telefonie.

3. Po utworzeniu projektu wyślemy Ci Token Auth pocztą elektroniczną.

4. Sprawdź swoją skrzynkę e-mail i znajdź token uwierzytelniania.

Krok 3: Przygotowanie Arduino IDE dla płyty Wemos

Aby przesłać kod Arduino na płytę Wemos, musisz postępować zgodnie z tymi instrukcjami

Krok 4: Zainstaluj biblioteki

Następnie musisz zaimportować bibliotekę do swojego Arduino IDE

Pobierz bibliotekę Blynk

Pobierz biblioteki dla Wyświetlacza OLED: ja. Adafruit_SSD1306 ii. Adafruit-GFX-Biblioteka

Krok-5: Szkic Arduino

Po zainstalowaniu powyższych bibliotek wklej podany poniżej kod Arduino.

Wprowadź kod uwierzytelniania z kroku 1, ssid i hasło routera.

Następnie prześlij kod.

Krok 8: Przygotuj płytkę drukowaną

Aby obwód był schludny i czysty, wykonałem płytkę drukowaną przy użyciu płytki prototypowej o wymiarach 4x6 cm. Najpierw przylutowałem męski pin nagłówka do płytki Wemos. Następnie przylutowałem żeńskie nagłówki na płytce prototypowej, aby zamontować różne płytki:

1. Płyta Wemos (2x8 pinów żeński nagłówek)

2. Płytka zasilająca 5 V DC (2 piny + 3 piny żeńskie złącze)

3. Moduł czujnika prądu (3-stykowe złącze żeńskie)

4. Wyświetlacz OLED (4-pinowy żeński nagłówek)

W końcu przylutowałem 2-pinowy zacisk śrubowy do wejścia zasilania AC do zasilacza.

Po przylutowaniu wszystkich pinów nagłówków wykonaj połączenie jak pokazano powyżej. Do wszystkich połączeń użyłem drutu lutowniczego 24 AWG.

Połączenie jest następujące

1. ACS712:

ACS712 Wemos

Vcc -- 5 V

Gnd -- GND

Vout--A0

2. Wyświetlacz OLED:

OLED Wemos

Vcc -- 5 V

Gnd-- GND

SCL-- D1

SDA--D2

3. Moduł zasilania:

Pin wejściowy AC (2 pin) modułu zasilacza podłączony do zacisku śrubowego.

Wyjście V1pin jest połączone z Wemos 5V, a pin GND jest podłączony do pinu Wemos GND.

Krok 9: Obudowa drukowana w 3D

Aby nadać produktowi ładny wygląd komercyjny, zaprojektowałem obudowę do tego projektu. Do zaprojektowania obudowy użyłem Autodesk Fusion 360. Obudowa składa się z dwóch części: dolnej i górnej pokrywy. Pliki. STL można pobrać z Thingiverse.

Dolna część jest zasadniczo zaprojektowana tak, aby pasowała do głównej płytki drukowanej (4 x 6 cm), czujnika prądu i uchwytu bezpiecznika. Górna pokrywa służy do zamontowania gniazda AC i wyświetlacza OLED.

Do wydrukowania części użyłem mojej drukarki Creality CR-10S 3D i 1,75 mm srebrnego PLA i czerwonego filamentu PLA. Wydrukowanie korpusu zajęło mi około 5 godzin, a górnej pokrywy około 3 godziny.

Moje ustawienia to:

Szybkość drukowania: 60 mm/s

Wysokość warstwy: 0,3

Gęstość wypełnienia: 100%

Temperatura wytłaczarki: 205 stopni C

Temperatura łóżka: 65 stopni C

Krok 10: Schemat okablowania AC

Przewód zasilający AC ma 3 przewody: Line (czerwony), neutralny (czarny) i uziemiający (zielony).

Czerwony przewód z przewodu zasilającego jest podłączony do jednego zacisku bezpiecznika. Drugi zacisk bezpiecznika jest podłączony do sprężynowych złączy zaciskowych. Czarny przewód bezpośrednio podłączony do złącza sprężynowego.

Teraz moc wymagana dla płytki drukowanej (Wemos, OLED i ACS712) jest odcinana za złączem sprężynowym. Aby odizolować główną płytkę drukowaną, przełącznik kołyskowy jest połączony szeregowo. Zobacz powyższy schemat obwodu.

Następnie przewód czerwony (linia) podłącza się do zacisku „L” gniazda AC, a przewód zielony (masa) do zacisku środkowego (oznaczonego jako G).

Zacisk neutralny jest podłączony do jednego zacisku czujnika prądowego ACS712. Drugi zacisk ACS712 jest podłączony z powrotem do złącza sprężynowego.

Po wykonaniu wszystkich połączeń zewnętrznych dokonaj bardzo dokładnej kontroli płytki i wyczyść ją, aby usunąć pozostałości topnika lutowniczego.

Uwaga: Nie dotykaj żadnej części obwodu, gdy jest pod napięciem. Każde przypadkowe dotknięcie może prowadzić do śmiertelnych obrażeń lub śmierci. Bądź bezpieczny podczas pracy, nie ponoszę odpowiedzialności za jakiekolwiek straty.

Krok 11: Zainstaluj wszystkie komponenty

Włóż komponenty (gniazdo prądu przemiennego, przełącznik kołyskowy i wyświetlacz OLED) do otworów w górnej pokrywie, jak pokazano na rysunku. Następnie dokręć śruby. W dolnej części znajdują się 4 wsporniki do montażu płyty głównej PCB. Najpierw włóż mosiężną podpórkę do otworu, jak pokazano powyżej. Następnie przykręć śrubę 2M w czterech rogach.

Umieść uchwyt bezpiecznika i czujnik prądu w gnieździe w dolnej obudowie. Do przyklejenia ich do podstawy użyłem kwadratów montażowych 3M. Następnie odpowiednio poprowadź wszystkie przewody.

Na koniec załóż górną pokrywę i zabezpiecz 4 nakrętki (3M x16) w rogach.

Krok 12: Testy końcowe

Podłącz przewód zasilający licznika energii do gniazdka sieciowego.

Zmień następujące parametry w aplikacji Blynk

1. Przesuń suwak CALIBRATE, aby uzyskać aktualne zero, gdy nie jest podłączone żadne obciążenie.

2. Zmierz domowe napięcie AC za pomocą multimetru i ustaw je, przesuwając suwak SUPPLY VOLTAGE.

3. Ustaw współczynnik mocy

4. Wprowadź taryfę energetyczną w swojej lokalizacji.

Następnie podłącz urządzenie, którego moc ma być mierzona, do gniazdka licznika energii. Teraz jesteś gotowy, aby zmierzyć zużywaną przez niego energię.

Mam nadzieję, że czytanie o moim projekcie sprawiło Ci taką samą przyjemność, jak ja podczas jego budowy.

Jeśli masz jakieś sugestie dotyczące ulepszeń, skomentuj je poniżej. Dzięki!

Drugie miejsce w konkursie mikrokontrolerów