Měřič energie Arduino - V2.0: 12 kroků (s obrázky)

2024 Autor: John Day | [email protected]. Naposledy změněno: 2024-01-30 08:21

Ahoj příteli, vítej zpět po dlouhé pauze. Dříve jsem zaslal Instructables na Arduino Energy Meter, který byl navržen hlavně pro monitorování energie ze solárního panelu (DC Power) v mé vesnici. Stala se velmi populární na internetu, spousta lidí po celém světě si postavila vlastní. Tolik studentů zvládlo svůj vysokoškolský projekt tím, že mi pomohlo. Přesto nyní dostávám e -maily a zprávy od lidí s dotazy ohledně úpravy hardwaru a softwaru pro sledování spotřeby střídavého proudu.

V tomto návodu vám tedy ukážu, jak pomocí desky Arduino/Wemos vytvořit jednoduchý měřič energie AC s podporou Wi -Fi. Pomocí tohoto měřiče energie můžete měřit spotřebu energie jakýchkoli domácích spotřebičů. Na konci projektu jsem pro tento projekt vytvořil pěknou 3D tištěnou přílohu.

Cílem vytvoření většího povědomí o spotřebě energie by byla optimalizace a snížení spotřeby energie uživatelem. To by snížilo jejich náklady na energii a také šetřilo energii.

Samozřejmě existuje mnoho komerčních zařízení pro monitorování energie, ale chtěl jsem vytvořit vlastní verzi, která bude jednoduchá a levná.

Všechny mé projekty najdete na:

Krok 1: Potřebné součásti a nástroje

Požadované součásti:

1. Wemos D1 mini pro (Amazon / Banggood)

2. Senzor proudu -ACS712 (Amazon)

3. OLED displej (Amazon / Banggood)

4. 5V napájecí zdroj (Aliexpress)

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

6. 24 AWG Wire (Amazon)

7. Piny záhlaví (Amazon / Banggood)

8. Propojovací vodiče pro muže a ženy (Amazon)

9. Šroubovací terminál (Amazon)

10. Standoff (Banggood)

11. Zásuvka střídavého proudu

12. AC zástrčka

13. Pružinový konektor (Banggood)

14. Kolébkový spínač (Banggood)

15. PLA Filament-Silver (GearBest)

16. PLA Filament-Red (GearBest)

Požadované nástroje:

1. Páječka (Amazon)

2. Lepicí pistole (Amazon)

3. Řezačka/odizolovač drátu (Amazon)

Tiskárna 4.3D (Creality CR10S)

Krok 2: Jak to funguje?

Blokové schéma celého projektu je uvedeno výše.

Napájení ze sítě střídavého proudu je odebíráno a vedeno pojistkou, aby se zabránilo náhodnému zkratu desky plošných spojů.

Potom je střídavé elektrické vedení rozděleno na dvě části:

1. K zátěži proudovým čidlem (ACS712)

2. Modul napájecího zdroje 230 V AC/5 V DC

Napájecí modul 5 V poskytuje napájení mikrokontroléru (Arduino/Wemos), proudovému senzoru (ACS712) a OLED displeji.

Střídavý proud procházející zátěží je snímán modulem proudového senzoru (ACS712) a přiváděn na analogový pin (A0) desky Arduino/Wemos. Jakmile je analogový vstup přiřazen Arduinu, měření výkonu/energie se provádí pomocí skici Arduino.

Vypočítaný výkon a energie Arduino/Wemos se zobrazuje na 0,96 OLED zobrazovacím modulu.

Vestavěný WiFi čip Wemos je připojen k domácímu routeru a propojen s aplikací Blynk. Můžete tedy sledovat parametry a také kalibrovat a upravovat různá nastavení ze svého smartphonu prostřednictvím OTA.

Krok 3: Pochopení základů AC

Při analýze střídavých obvodů se napětí i proud mění sinusově v čase.

Skutečný výkon (P):

Toto je výkon, který zařízení používá k výrobě užitečné práce, je vyjádřeno v kW.

Skutečný výkon = napětí (V) x proud (I) x cosΦ

Reaktivní výkon (Q):

Tomu se často říká imaginární výkon, což je míra výkonu, který kolísá mezi zdrojem a zátěží, což nepůsobí žádnou užitečnou práci. Je vyjádřeno v kVAr

Jalový výkon = napětí (V) x proud (I) x sinΦ

Zdánlivý výkon (S):

Je definován jako součin napětí Root-Mean-Square (RMS) a proudu RMS. To lze také definovat jako výslednici skutečného a jalového výkonu. Vyjadřuje se v kVA

Zdánlivý výkon = napětí (V) x proud (I)

Vztah mezi skutečnou, reaktivní a zdánlivou silou:

Skutečná síla = zdánlivá síla x cosΦ

Reaktivní výkon = zdánlivý výkon x sinΦ

(kVA) ² = (kW) ² + (kVAr) ²

Účiník (pf):

Poměr skutečného výkonu ke zdánlivému výkonu v obvodu se nazývá účiník.

Účiník = skutečný výkon/zdánlivý výkon

Z výše uvedeného je zřejmé, že můžeme měřit všechny formy výkonu i účiníku měřením napětí a proudu.

Obrazový kredit: openenergymonitor.org

Krok 4: Proudový senzor

Střídavý proud se běžně měří pomocí proudového transformátoru, ale pro tento projekt byl jako proudový snímač vybrán ACS712 kvůli jeho nízké ceně a menší velikosti. Proudový senzor ACS712 je proudový snímač s Hallovým efektem, který přesně měří proud, když je indukován. Je detekováno magnetické pole kolem střídavého vodiče, které dává ekvivalentní analogové výstupní napětí. Analogový napěťový výstup je pak zpracován mikrokontrolérem k měření průtoku proudu zátěží.

Chcete -li vědět více o senzoru ACS712, můžete navštívit tento web. Pro lepší vysvětlení fungování senzoru s Hallovým efektem jsem použil výše uvedený obrázek z Embedded-lab.

Krok 5: Měření proudu ACS712

Výstup ze snímače proudu ACS712 je vlna střídavého napětí. Musíme vypočítat efektivní hodnotu proudu, to lze provést následujícím způsobem

1. Měření špičkového až špičkového napětí (Vpp)

2. Vydělte špičkové a špičkové napětí (Vpp) dvěma, abyste získali špičkové napětí (Vp)

3. Vynásobením 0,707 získáte efektivní hodnotu napětí (Vrms)

Poté vynásobte citlivost snímače proudu (ACS712), abyste získali efektivní hodnotu.

Vp = Vpp/2

Vrms = Vp x 0,707

Irms = Vrms x Citlivost

Citlivost pro modul ACS712 5A je 185mV/A, 20A modul je 100mV/A a 30A modul je 66mV/A.

Připojení pro aktuální snímač je jako níže

ACS712 Arduino/Wemos

VCC ------ 5V

OUT ----- A0

GND ----- GND

Krok 6: Výkon a výpočet energie

Dříve jsem popsal základy různých forem střídavého napájení. Být uživatelem domácnosti, skutečný výkon (kW) je naším hlavním zájmem. Pro výpočet skutečného výkonu potřebujeme změřit efektivní napětí, efektivní proud a účiník (pF).

Síťové napětí v mé lokalitě (230 V) je obvykle téměř konstantní (kolísání je zanedbatelné). Nechávám tedy jeden senzor pro měření napětí. Není pochyb o tom, že když připojíte napěťový senzor, přesnost měření je lepší než v mém případě. Každopádně je tato metoda levným a jednoduchým způsobem, jak dokončit projekt a splnit cíl.

Dalším důvodem nepoužívání snímače napětí je omezení analogového pinu Wemos (pouze jeden). Ačkoli je možné připojit další senzor pomocí ADC, jako je ADS1115, prozatím jej opouštím. V budoucnu, pokud budu mít čas, určitě přidám.

Účiník zátěže lze změnit během programování nebo z aplikace pro chytré telefony.

Skutečný výkon (W) = Vrms x Irms x Pf

Vrms = 230 V (známé)

Pf = 0,85 (známé)

Irms = čtení z aktuálního snímače (neznámé)

Obrazový kredit: imgoat

Krok 7: Propojení s aplikací Blynk

Vzhledem k tomu, že deska Wemos má vestavěný čip WiFi, napadlo mě připojit ho k routeru a sledovat energii domácího spotřebiče ze svého smartphonu. Výhody použití desky Wemos místo Arduina jsou: kalibrace senzoru a změna hodnoty parametru ze smartphonu prostřednictvím OTA bez fyzického opakovaného programování mikrokontroléru.

Hledal jsem jednoduchou možnost, aby ji zvládl každý, kdo má málo zkušeností. Nejlepší možností, kterou jsem našel, je použití aplikace Blynk. Blynk je aplikace, která umožňuje plnou kontrolu nad hardwarem Arduino, ESP8266, Rasberry, Intel Edison a mnoha dalšími. Je kompatibilní s Androidem i iPhone. V Blynku vše běží na ⚡️Energii. Když vytvoříte nový účet, získáte ⚡️2 000, abyste mohli začít experimentovat; Každý widget potřebuje ke svému provozu nějakou energii. Pro tento projekt potřebujete ⚡️ 2400, takže musíte koupit další energii ️⚡️400 (náklady jsou nižší než 1 $)

já. Rozchod - 2 x 200️200 = ⚡️400

ii. Zobrazení označené hodnoty - 2 x ⚡️400 = ⚡️800

iii. Posuvníky - 4 x 200️200 = ⚡️800

iv. Menu - 1x ⚡️400 = ⚡️400

Celková energie potřebná pro tento projekt = 400+800+800+400 = ⚡️2400

Postupujte podle následujících kroků:

Krok 1: Stáhněte si aplikaci Blynk

1. Pro Android

2. Pro iPhone

Krok 2: Získejte ověřovací token

K propojení aplikace Blynk a vašeho hardwaru potřebujete autentizační token. Vytvořte si nový účet v aplikaci Blynk.

2. Stiskněte ikonu QR na horním panelu nabídek. Vytvořte klon tohoto projektu naskenováním výše uvedeného kódu QR. Jakmile bude úspěšně detekován, bude celý projekt okamžitě na vašem telefonu.

3. Po vytvoření projektu vám zašleme ověřovací token e -mailem.

4. Zkontrolujte svou e -mailovou schránku a najděte ověřovací token.

Krok-3: Příprava Arduino IDE pro Wemos Board

Chcete -li nahrát kód Arduino na desku Wemos, musíte postupovat podle těchto pokynů

Krok 4: Nainstalujte si knihovny

Poté musíte importovat knihovnu do vašeho Arduino IDE

Stáhněte si knihovnu Blynk

Stáhněte si knihovny pro OLED Display: i. Adafruit_SSD1306 ii. Knihovna Adafruit-GFX

Krok 5: Skica Arduino

Po instalaci výše uvedených knihoven vložte níže uvedený kód Arduino.

Zadejte ověřovací kód z kroku-1, ssid a heslo routeru.

Poté nahrajte kód.

Krok 8: Připravte obvodovou desku

Aby byl obvod čistý a čistý, vyrobil jsem obvodovou desku pomocí prototypu desky 4x6 cm. Nejprve jsem připájel kolík Male Headers k desce Wemos. Poté jsem připájel samičí záhlaví na prototypovou desku, abych namontoval různé desky:

1. Wemos Board (2 x 8 pinů hlavička)

2. Deska napájecího zdroje 5 V DC (2 piny +3 piny Zásuvka)

3. Modul snímače proudu (zásuvka se 3 piny)

4. OLED displej (4pinová zásuvka)

Nakonec jsem připájel 2kolíkový šroubový terminál pro vstupní střídavé napájení k napájecí jednotce.

Po pájení všech kolíků záhlaví proveďte připojení podle výše uvedeného obrázku. Pro veškeré připojení jsem použil pájecí vodič 24 AWG.

Připojení je následující

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 napájecího zdroje:

Vstupní kolík AC (2 piny) napájecího modulu připojeného k šroubové svorce.

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

Krok 9: 3D tištěná skříň

Aby byl vzhled komerčního produktu pěkný, navrhl jsem pro tento projekt kryt. K návrhu krytu jsem použil Autodesk Fusion 360. Skříň má dvě části: spodní a horní víko. Soubory. STL si můžete stáhnout z Thingiverse.

Spodní část je v podstatě navržena tak, aby se vešla na hlavní desku plošných spojů (4 x 6 cm), proudový senzor a držák pojistek. Horní víko slouží k montáži zásuvky AC a OLED displeje.

K tisku dílů jsem použil svoji 3D tiskárnu Creality CR-10S a 1,75 mm stříbrný PLA a červený PLA filament. Vytištění hlavního těla mi trvalo asi 5 hodin a vytištění horního víka asi 3 hodiny.

Moje nastavení jsou:

Rychlost tisku: 60 mm/s

Výška vrstvy: 0,3

Hustota výplně: 100%

Teplota extruderu: 205 ° C

Teplota postele: 65 ° C

Krok 10: Schéma zapojení střídavého proudu

Napájecí kabel má 3 vodiče: linkový (červený), neutrální (černý) a uzemňovací (zelený).

Červený vodič od napájecího kabelu je připojen k jedné svorce pojistky. Druhá svorka pojistky je připojena ke dvěma pružinovým konektorům. Černý vodič připojený přímo k pružinovému konektoru.

Nyní je za pružinovým konektorem odpojen výkon potřebný pro obvodovou desku (Wemos, OLED a ACS712). K oddělení hlavní desky plošných spojů je sériově zapojen kolébkový spínač. Viz výše uvedené schéma zapojení.

Poté je červený vodič (vedení) připojen ke svorce „L“AC zásuvky a zelený vodič (uzemnění) je připojen ke středové svorce (označeno jako G).

Nulová svorka je připojena k jedné svorce proudového senzoru ACS712. Druhý terminál ACS712 je připojen zpět k pružinovému konektoru.

Když jsou všechna vnější připojení hotová, proveďte velmi pečlivou kontrolu desky a vyčistěte ji, abyste odstranili zbytky pájecího tavidla.

Poznámka: Nedotýkejte se žádné části obvodu, pokud je pod napětím. Jakýkoli náhodný dotek může vést k smrtelnému zranění nebo smrti. Při práci buďte v bezpečí, za případné ztráty nenesu odpovědnost.

Krok 11: Nainstalujte všechny součásti

Vložte součásti (AC zásuvka, kolébkový přepínač a OLED displej) do otvorů horního víka, jak je znázorněno na obrázku. Poté zajistěte šrouby. Spodní část má 4 podpěry pro montáž hlavní desky plošných spojů. Nejprve vložte mosaznou podpěru do otvoru, jak je znázorněno výše. Poté zajistěte 2M šroub ve čtyřech rozích.

Umístěte držák pojistky a proudový senzor do slotu na spodním krytu. Použil jsem 3M montážní čtverce, abych je nalepil na základnu. Poté řádně protáhněte všechny vodiče.

Nakonec umístěte horní víko a zajistěte 4 matice (3M x16) v rozích.

Krok 12: Závěrečné testování

Zapojte napájecí kabel měřiče energie do elektrické zásuvky.

V aplikaci Blynk změňte následující parametry

1. Posuňte posuvník CALIBRATE, abyste získali aktuální nulu, když není připojeno žádné zatížení.

2. Změřte domácí střídavé napájecí napětí pomocí multimetru a nastavte jej posunutím posuvníku NAPÁJECÍ NAPĚTÍ.

3. Nastavte účiník

4. Zadejte energetický tarif ve vašem místě.

Poté zapojte spotřebič, jehož výkon se má měřit, do zásuvky na měřiči energie. Nyní jste připraveni změřit energii, kterou spotřebuje.

Doufám, že jste si přečetli o mém projektu stejně jako já při jeho stavbě.

Pokud máte nějaké návrhy na vylepšení, napište je níže. Děkujeme!

Runner Up in the Microcontroller Contest