Arduino измервател на енергия - V2.0: 12 стъпки (със снимки)

2024 Автор: John Day | [email protected]. Последно модифициран: 2024-01-30 07:51

Здравей приятелю, добре дошъл отново след дълга почивка. По -рано бях публикувал инструкции за измерване на енергия на Arduino, които бяха предназначени главно за наблюдение на захранването от слънчевия панел (DC Power) в моето село. Той стана много популярен в интернет, много хора по целия свят са създали свои собствени. Толкова много студенти успяха да направят своя колежански проект, като взеха помощ от мен. И все пак сега получавам имейли и съобщения от хора с въпроси относно модификации на хардуера и софтуера за наблюдение на консумацията на променливотокова енергия.

Така че в този Instructables ще ви покажа как да направите прост AC Energy Meter с активиран wifi, като използвате дъската Arduino/Wemos. С помощта на този електромер можете да измервате консумацията на енергия на всички домакински уреди. В края на проекта направих хубав 3D принтиран корпус за този проект.

Целта за създаване на по -голяма осведоменост относно консумацията на енергия би била оптимизация и намаляване на потреблението на енергия от потребителя. Това ще намали разходите им за енергия, както и ще спести енергия.

Разбира се, вече съществуват много търговски устройства за енергиен мониторинг, но аз исках да създам своя собствена версия, която ще бъде проста и с ниска цена.

Можете да намерите всички мои проекти на:

Стъпка 1: Необходими са части и инструменти

Необходими компоненти:

1. Wemos D1 mini pro (Amazon / Banggood)

2. Токов сензор -ACS712 (Amazon)

3. OLED дисплей (Amazon / Banggood)

4. 5V захранване (Aliexpress)

5. Прототипна дъска - 4 x 6 см (Amazon / Banggood)

6. 24 AWG Wire (Amazon)

7. Заглавни щифтове (Amazon / Banggood)

8. Мъжко-женски джъмперни проводници (Amazon)

9. Винтов терминал (Amazon)

10. Standoff (Banggood)

11. Гнездо за променлив ток

12. AC щепсел

13. Пружинен конектор (Banggood)

14. Клавиш за превключване (Banggood)

15. PLA нишка-сребро (GearBest)

16. PLA нишка-червено (GearBest)

Необходими инструменти:

1. Поялник (Amazon)

2. Лепило (Amazon)

3. Тел за рязане/стриптизер (Amazon)

4.3D принтер (Creality CR10S)

Стъпка 2: Как работи?

Блок -схемата на целия проект е показана по -горе.

Захранването от променливотоковата мрежа се изтегля и преминава през предпазител, за да се избегнат повреди по платката по време на случайно късо съединение.

След това променливотоковият електропровод се разпределя на две части:

1. Към товара през токовия сензор (ACS712)

2. 230V AC/5V DC захранващ модул

Захранващият модул 5V осигурява захранване на микроконтролера (Arduino/Wemos), сензора за ток (ACS712) и OLED дисплея.

Променливият ток, преминаващ през товара, се засича от модула на сензора за ток (ACS712) и се подава към аналоговия щифт (A0) на платката Arduino/Wemos. След като аналоговият вход бъде даден на Arduino, измерването на мощност/енергия се извършва чрез скица на Arduino.

Изчислената мощност и енергия от Arduino/Wemos се показва на 0.96 OLED дисплей модул.

Вграденият WiFi чип на Wemos е свързан към домашния рутер и свързан с приложението Blynk. Така че можете да наблюдавате параметрите, както и да калибрирате и променяте различни настройки от вашия смартфон чрез OTA.

Стъпка 3: Разбиране на основите на AC

При анализа на веригата за променлив ток както напрежението, така и токът варират синусоидално с времето.

Реална мощност (P):

Това е мощността, използвана от устройството за извършване на полезна работа. Тя се изразява в kW.

Реална мощност = Напрежение (V) x Ток (I) x cosΦ

Реактивна мощност (Q):

Това често се нарича въображаема мощност, която е мярка за мощност, която се колебае между източника и натоварването, което не прави полезна работа. Тя се изразява в kVAr

Реактивна мощност = Напрежение (V) x Ток (I) x sinΦ

Очевидна мощност (S):

Определя се като произведение на средноквадратичното (RMS) напрежение и RMS тока. Това може да се определи и като резултат от реалната и реактивната мощност. Изразява се в kVA

Явна мощност = напрежение (V) x ток (I)

Връзка между реална, реактивна и видима мощност:

Реална мощност = видима мощност x cosΦ

Реактивна мощност = видима мощност x sinΦ

(kVA) ² = (kW) ² + (kVAr) ²

Коефициент на мощност (pf):

Съотношението на реалната мощност към видимата мощност във веригата се нарича фактор на мощността.

Коефициент на мощност = реална мощност/видима мощност

От горното става ясно, че можем да измерим всяка форма на мощност, както и коефициент на мощност чрез измерване на напрежението и тока.

Кредит на изображението: openenergymonitor.org

Стъпка 4: Сензор за ток

Променливотоковият ток обикновено се измерва с помощта на токов трансформатор, но за този проект ACS712 е избран за токов сензор поради ниската си цена и по -малкия размер. Токовият сензор ACS712 е сензор за ток с ефект на Хол, който прецизно измерва тока, когато е индуциран. Магнитното поле около променливотоковия проводник се открива, което дава еквивалентното аналогово изходно напрежение. След това изходът на аналоговото напрежение се обработва от микроконтролера за измерване на текущия поток през товара.

За да научите повече за сензора ACS712, можете да посетите този сайт. За по-добро обяснение на работата на сензора за холов ефект използвах горната снимка от Embedded-lab.

Стъпка 5: Измерване на тока чрез ACS712

Изходът от токовия сензор ACS712 е вълна от променливо напрежение. Трябва да изчислим средносрочния ток, това може да стане по следния начин

1. Измерване на пиковото до пиково напрежение (Vpp)

2. Разделете пиковото на пиковото напрежение (Vpp) на две, за да получите пиковото напрежение (Vp)

3. Умножете го по 0,707, за да получите средноквадратичното напрежение (Vrms)

След това умножете чувствителността на токовия сензор (ACS712), за да получите средносрочен ток.

Vp = Vpp/2

Vrms = Vp x 0,707

Irms = Vrms x Чувствителност

Чувствителността за ACS712 5A модул е 185mV/A, 20A модулът е 100mV/A и 30A модулът е 66mV/A.

Връзката за текущия сензор е както по -долу

ACS712 Arduino/Wemos

VCC ------ 5V

OUT ----- A0

GND ----- GND

Стъпка 6: Изчисляване на мощността и енергията

По -рано описах основите на различните форми на AC захранване. Като домакин, реалната мощност (kW) е нашата основна грижа. За да изчислим реалната мощност, трябва да измерим средновековното напрежение, среднеквадратичния ток и коефициента на мощност (pF).

Обикновено мрежовото напрежение в моето местоположение (230V) е почти постоянно (колебанията са незначителни). Така че оставям един сензор за измерване на напрежението. Няма съмнение, ако свържете сензор за напрежение, точността на измерване е по -добра от тази в моя случай. Както и да е, този метод е евтин и прост начин за завършване на проекта и изпълнение на целта.

Друга причина да не използвате датчика за напрежение се дължи на ограничението на аналоговия щифт на Wemos (само един). Въпреки че допълнителен сензор може да бъде свързан с помощта на ADC като ADS1115, засега го напускам. В бъдеще, ако имам време, определено ще го добавя.

Коефициентът на мощност на натоварването може да се променя по време на програмирането или от приложението за смартфон.

Реална мощност (W) = Vrms x Irms x Pf

Vrms = 230V (известен)

Pf = 0,85 (известен)

Irms = отчитане от текущия сензор (неизвестно)

Кредит на изображението: imgoat

Стъпка 7: Взаимодействие с приложението Blynk

Тъй като дъската на Wemos има вграден WiFi чип, реших да го свържа с моя рутер и да наблюдавам енергията на домашния уред от моя смартфон. Предимствата на използването на платката Wemos вместо Arduino са: калибриране на сензора и промяна на стойността на параметъра от смартфона чрез OTA без физическо програмиране на микроконтролера многократно.

Потърсих простата опция, така че всеки с малко опит да успее. Най -добрият вариант, който открих, е използването на приложението Blynk. Blynk е приложение, което позволява пълен контрол над Arduino, ESP8266, Rasberry, Intel Edison и много повече хардуер. Той е съвместим както с Android, така и с iPhone. В Blynk всичко работи на ⚡️Energy. Когато създавате нов акаунт, получавате 2 000 ⚡️, за да започнете да експериментирате; Всеки Widget се нуждае от малко енергия, за да работи. За този проект имате нужда от ⚡️2400, така че трябва да закупите допълнителна енергия ️⚡️400 (цената е по -малка от 1 $)

i. Габарит - 2 x ⚡️200 = ⚡️400

ii. Показване на стойност на дисплея - 2 x ⚡️400 = ⚡️800

iii. Плъзгачи - 4 x ⚡️200 = ⚡️800

iv. Меню - 1x ⚡️400 = ⚡️400

Обща енергия, необходима за този проект = 400+800+800+400 = ⚡️2400

Следвайте стъпките по -долу:

Стъпка 1: Изтеглете приложението Blynk

1. За Android

2. За iPhone

Стъпка 2: Вземете токен за удостоверяване

За да свържете приложението Blynk и вашия хардуер, ви е необходим маркер за удостоверяване. Създайте нов акаунт в приложението Blynk.

2. Натиснете иконата QR в горната лента на менюто. Създайте клонинг на този проект, като сканирате QR кода, показан по -горе. След като бъде открит успешно, целият проект веднага ще бъде на вашия телефон.

3. След като проектът бъде създаден, ние ще ви изпратим токен за удостоверяване по имейл.

4. Проверете входящата си поща и намерете токена за удостоверяване.

Стъпка 3: Подготовка на Arduino IDE за борда на Wemos

За да качите кода на Arduino на дъската на Wemos, трябва да следвате тези инструкции

Стъпка 4: Инсталирайте библиотеките

След това трябва да импортирате библиотеката във вашата Arduino IDE

Изтеглете библиотеката Blynk

Изтеглете библиотеките за OLED дисплей: i. Adafruit_SSD1306 ii. Adafruit-GFX-библиотека

Стъпка 5: Скица на Arduino

След като инсталирате горните библиотеки, поставете кода Arduino, даден по -долу.

Въведете кода за удостоверяване от стъпка 1, ssid и паролата на вашия рутер.

След това качете кода.

Стъпка 8: Подгответе платката

За да направя схемата чиста и чиста, направих платка, като използвах прототипна платка с размери 4x6 cm. Първо запоих щифта за мъжки заглавки към дъската на Wemos. След това запоявах женските заглавки на прототипната платка, за да монтирам различните дъски:

1. Wemos Board (2 x 8 пина женска глава)

2. 5V DC захранваща платка (2 пина +3 пина женска глава)

3. Модул на сензора за ток (3 щифта, женска глава)

4. OLED дисплей (4pins женска глава)

Най -накрая запоех 2 пинов винтов извод за захранване с променлив ток към захранващия блок.

След запояване на всички щифтове на заглавките, направете връзката, както е показано по -горе. Използвах 24 AWG запояващ проводник за цялата връзка.

Връзката е следната

1. ACS712:

ACS712 Wemos

Vcc- 5V

Gnd - GND

Vout-A0

2. OLED дисплей:

OLED Wemos

Vcc- 5V

Gnd- GND

SCL- D1

SDA-D2

3. Модул за захранване:

AC входният щифт (2 пина) на захранващия модул, свързан към винтовата клема.

Изходът V1pin е свързан към Wemos 5V, а GND щифтът е свързан към извода Wemos GND.

Стъпка 9: 3D принтиран корпус

За да придадем хубав търговски вид на продукта, проектирах корпус за този проект. Използвах Autodesk Fusion 360 за проектиране на корпуса. Корпусът има две части: Долен и Горен капак. Можете да изтеглите. STL файловете от Thingiverse.

Долната част е основно проектирана да побере основната платка (4 x6 см), сензора за ток и държача на предпазителя. Горният капак е за монтиране на контакта за променлив ток и OLED дисплея.

Използвах моя принтер Creality CR-10S 3D и 1,75 мм сребърна PLA и червена нишка PLA за отпечатване на частите. Отпечатването на основното тяло ми отне около 5 часа и около 3 часа за отпечатването на горния капак.

Моите настройки са:

Скорост на печат: 60 mm/s

Височина на слоя: 0,3

Плътност на пълнене: 100%

Температура на екструдера: 205 degC

Температура на леглото: 65 degC

Стъпка 10: Схема на свързване на променлив ток

Захранващият кабел за променлив ток има 3 проводника: линеен (червен), неутрален (черен) и заземен (зелен).

Червеният проводник от захранващия кабел е свързан към един извод на предпазителя. Другият извод на предпазителя е свързан с два пружинни конектора. Черният проводник, директно свързан към пружинен конектор.

Сега захранването, необходимо за печатната платка (Wemos, OLED и ACS712), се отделя след пружинния конектор. За да се изолира основната платка, се включва последователно клатушкащ превключвател. Вижте горната електрическа схема.

След това червеният проводник (линия) е свързан към клемата на контакта за променлив ток "L", а зеленият проводник (земята) е свързан към централния терминал (маркиран като G).

Нулевият извод е свързан към един извод на сензора за ток ACS712. Другият извод на ACS712 е свързан обратно към пружинен конектор.

Когато всички външни връзки са завършени, направете много внимателна проверка на платката и я почистете, за да отстраните остатъците от запояващия поток.

Забележка: Не докосвайте нито една част от веригата, докато тя е на захранване. Всяко случайно докосване може да доведе до фатални наранявания или смърт. Бъдете в безопасност по време на работа, няма да нося отговорност за загуба.

Стъпка 11: Инсталирайте всички компоненти

Поставете компонентите (контакта за променлив ток, превключвателя и OLED дисплея) в слотовете на горния капак, както е показано на снимката. След това закрепете винтовете. Долната част има 4 стойки за монтаж на основната платка. Първо поставете месинговата стойка в отвора, както е показано по -горе. След това фиксирайте 2M винта в четирите ъгъла.

Поставете държача на предпазителя и сензора за ток на предвидения отвор на долния корпус. Използвах 3M монтажни квадратчета, за да ги залепя върху основата. След това направете всички проводници правилно.

Накрая поставете горния капак и закрепете 4 -те гайки (3M x16) в ъглите.

Стъпка 12: Окончателно тестване

Включете захранващия кабел на електромера в електрическия контакт.

Променете следните параметри от приложението Blynk

1. Плъзнете плъзгача CALIBRATE, за да получите нула на тока, когато няма свързан товар.

2. Измерете домашното променливо захранващо напрежение с помощта на мултицет и го настройте, като плъзнете плъзгача SUPPLY VOLTAGE.

3. Задайте коефициента на мощност

4. Въведете енергийната тарифа на вашето място.

След това включете уреда, чиято мощност да бъде измерена към контакта на електромера. Сега сте готови да измерите консумираната от него енергия.

Надявам се, че сте харесали да четете за моя проект, както и аз, докато го изграждах.

Ако имате предложения за подобрения, моля, коментирайте ги по -долу. Благодаря!

Вицешампион в конкурса за микроконтролер