Измеритель энергии Arduino - V2.0: 12 шагов (с изображениями)

2024 Автор: John Day | [email protected]. Последнее изменение: 2024-01-30 11:51

Привет, друг, с возвращением после долгого перерыва. Ранее я опубликовал инструкции по измерителю энергии Arduino, которые в основном были разработаны для мониторинга мощности от солнечной панели (питания постоянного тока) в моей деревне. Он стал очень популярным в Интернете, многие люди во всем мире построили свои собственные. Так много студентов сделали это для своего проекта в колледже, воспользовавшись моей помощью. Тем не менее, теперь я получаю электронные письма и сообщения от людей с вопросами относительно модификации оборудования и программного обеспечения для мониторинга потребления энергии переменного тока.

Итак, в этой инструкции я покажу вам, как сделать простой измеритель энергии переменного тока с поддержкой Wi-Fi с помощью платы Arduino / Wemos. С помощью этого измерителя энергии вы можете измерить энергопотребление любой бытовой техники. В конце проекта я сделал красивый корпус, напечатанный на 3D-принтере.

Целью повышения осведомленности о потреблении энергии будет оптимизация и сокращение потребления энергии пользователем. Это снизит их затраты на электроэнергию, а также сэкономит энергию.

Конечно, уже существует множество коммерческих устройств для мониторинга энергии, но я хотел создать свою собственную версию, которая должна быть простой и недорогой.

Вы можете найти все мои проекты на:

Шаг 1. Необходимые детали и инструменты

Необходимые компоненты:

1. Wemos D1 mini pro (Amazon / Banggood)

2. Датчик тока -ACS712 (Amazon)

3. OLED-дисплей (Amazon / Banggood)

4. Блок питания 5 В (Aliexpress)

5. Прототип платы - 4 x 6 см (Amazon / Banggood)

6. Провод 24 AWG (Amazon)

7. Пины заголовков (Amazon / Banggood)

8. Перемычки между мужчинами и женщинами (Amazon)

9. Винтовой зажим (Amazon)

10. Противостояние (Banggood)

11. Розетка переменного тока.

12. Вилка переменного тока

13. Подпружиненный разъем (Banggood)

14. Кулисный переключатель (Banggood)

15. Нить PLA-серебро (GearBest)

16. Красная нить PLA (GearBest)

Необходимые инструменты:

1. Паяльник (Amazon)

2. клеевой пистолет (Amazon)

3. Кусачки / зачистки (Amazon)

4. 3D-принтер (Creality CR10S)

Шаг 2: Как это работает?

Блок-схема всего проекта показана выше.

Питание от сети переменного тока проходит через предохранитель, чтобы избежать повреждения печатной платы во время случайного короткого замыкания.

Тогда линия питания переменного тока распределяется на две части:

1. К нагрузке через датчик тока (ACS712)

2. Модуль источника питания 230 В перем. Тока / 5 В пост. Тока.

Модуль питания 5 В обеспечивает питание микроконтроллера (Arduino / Wemos), датчика тока (ACS712) и OLED-дисплея.

Переменный ток, проходящий через нагрузку, воспринимается модулем датчика тока (ACS712) и подается на аналоговый вывод (A0) платы Arduino / Wemos. Как только аналоговый вход поступает на Arduino, измерение мощности / энергии выполняется с помощью скетча Arduino.

Расчетная мощность и энергия Arduino / Wemos отображаются на 0,96-дюймовом OLED-дисплее.

Встроенный чип Wi-Fi Wemos подключен к домашнему маршрутизатору и связан с приложением Blynk. Таким образом, вы можете контролировать параметры, а также калибровать и изменять различные настройки со своего смартфона через OTA.

Шаг 3. Понимание основ работы с переменным током

При анализе цепей переменного тока и напряжение, и ток изменяются синусоидально со временем.

Реальная мощность (P):

Это мощность, используемая устройством для выполнения полезной работы. Она выражается в кВт.

Активная мощность = напряжение (В) x ток (I) x cosΦ

Реактивная мощность (Q):

Это часто называют мнимой мощностью, которая является мерой мощности, колеблющейся между источником и нагрузкой, которая не выполняет никакой полезной работы. Она выражается в кВАр.

Реактивная мощность = напряжение (В) x ток (I) x sinΦ

Полная мощность (S):

Он определяется как произведение среднеквадратичного (RMS) напряжения и RMS-тока. Это также можно определить как равнодействующую активной и реактивной мощности. Выражается в кВА.

Полная мощность = напряжение (В) x ток (I)

Взаимосвязь между реальной, реактивной и полной мощностью:

Реальная мощность = Полная мощность x cosΦ

Реактивная мощность = Полная мощность x sinΦ

(кВА) ² = (кВт) ² + (кВАр) ²

Коэффициент мощности (pf):

Отношение реальной мощности к полной мощности в цепи называется коэффициентом мощности.

Коэффициент мощности = реальная мощность / полная мощность

Из вышесказанного ясно, что мы можем измерить любую мощность, а также коэффициент мощности, измеряя напряжение и ток.

Изображение предоставлено: openenergymonitor.org

Шаг 4: Датчик тока

Переменный ток обычно измеряется с помощью трансформатора тока, но для этого проекта в качестве датчика тока был выбран ACS712 из-за его низкой стоимости и меньшего размера. Датчик тока ACS712 - это датчик тока на эффекте Холла, который точно измеряет ток при наведении. Магнитное поле вокруг провода переменного тока обнаруживается, что дает эквивалентное аналоговое выходное напряжение. Затем аналоговое выходное напряжение обрабатывается микроконтроллером для измерения тока, протекающего через нагрузку.

Чтобы узнать больше о датчике ACS712, вы можете посетить этот сайт. Для лучшего объяснения работы датчика Холла я использовал изображение выше из Embedded-lab.

Шаг 5: Измерение тока с помощью ACS712

Выходной сигнал датчика тока ACS712 представляет собой волну переменного напряжения. Мы должны вычислить среднеквадратичное значение тока, это можно сделать следующим образом.

1. Измерение размаха напряжения (Vpp)

2. Разделите размах напряжения (Vpp) на два, чтобы получить пиковое напряжение (Vp).

3. Умножьте его на 0,707, чтобы получить среднеквадратичное значение напряжения (В среднеквадратичного значения).

Затем умножьте чувствительность датчика тока (ACS712), чтобы получить среднеквадратичное значение тока.

Vp = Vpp / 2

Vrms = Vp x 0,707

Irms = Vrms x Чувствительность

Чувствительность модуля ACS712 5A составляет 185 мВ / A, модуля 20A - 100 мВ / A и модуля 30A - 66 мВ / A.

Подключение для датчика тока показано ниже.

ACS712 Arduino / Wemos

VCC ------ 5 В

ВЫХ ----- A0

ЗЕМЛЯ ----- ЗЕМЛЯ

Шаг 6: Расчет мощности и энергии

Ранее я описал основы различных форм переменного тока. Поскольку мы являемся бытовым пользователем, нас больше всего беспокоит реальная мощность (кВт). Чтобы рассчитать реальную мощность, нам нужно измерить среднеквадратичное значение напряжения, среднеквадратичного значения тока и коэффициента мощности (пФ).

Обычно напряжение в сети в моем районе (230 В) почти постоянно (колебания незначительны). Поэтому я оставляю один датчик для измерения напряжения. Без сомнения, если вы подключите датчик напряжения, точность измерения будет лучше, чем в моем случае. В любом случае, этот метод - дешевый и простой способ завершить проект и достичь поставленной цели.

Еще одна причина отказа от использования датчика напряжения связана с ограничением аналогового вывода Wemos (только одного). Хотя дополнительный датчик можно подключить с помощью АЦП, такого как ADS1115, на данный момент я его оставляю. В будущем, если будет время, обязательно добавлю.

Коэффициент мощности нагрузки можно изменить во время программирования или из приложения для смартфона.

Активная мощность (Вт) = Vrms x Irms x Pf

Vrms = 230 В (известное)

Pf = 0,85 (известно)

Irms = показание текущего датчика (неизвестно)

Изображение предоставлено: imgoat

Шаг 7: взаимодействие с приложением Blynk

Поскольку в плату Wemos встроен чип Wi-Fi, я решил подключить его к моему маршрутизатору и контролировать энергию бытовой техники со своего смартфона. Преимущества использования платы Wemos вместо Arduino: калибровка датчика и изменение значения параметра со смартфона через OTA без повторного физического программирования микроконтроллера.

Я искал простой вариант, чтобы его мог сделать любой, у кого мало опыта. Лучший вариант, который я нашел, - это использовать приложение Blynk. Blynk - это приложение, которое позволяет полностью контролировать Arduino, ESP8266, Rasberry, Intel Edison и многое другое. Он совместим как с Android, так и с iPhone. В Blynk все работает на ⚡️Energy. Когда вы создаете новую учетную запись, вы получаете 2 000 лари, чтобы начать экспериментировать; Каждому виджету для работы требуется немного энергии. Для этого проекта вам потребуется 2400 лари, поэтому вам придется покупать дополнительную энергию 400 лари (стоимость менее 1 доллара США).

я. Калибр - 2 х ⚡️200 = ⚡️400

II. Отображение маркированного значения - 2 x 400 = ⚡️800

iii. Слайдеры - 4 х ⚡️200 = ⚡️800

iv. Меню - 1x ⚡️400 = ⚡️400

Общая энергия, необходимая для этого проекта = 400 + 800 + 800 + 400 = ⚡️2400

Выполните следующие шаги:

Шаг 1. Загрузите приложение Blynk

1. Для Android

2. Для iPhone

Шаг 2: получите токен аутентификации

Чтобы подключить приложение Blynk к вашему оборудованию, вам понадобится токен аутентификации. Создайте новую учетную запись в приложении Blynk.

2. Нажмите значок QR в верхней строке меню. Создайте копию этого проекта, отсканировав QR-код, показанный выше. После успешного обнаружения весь проект сразу же будет на вашем телефоне.

3. После создания проекта мы отправим вам токен аутентификации по электронной почте.

4. Проверьте свой почтовый ящик и найдите токен аутентификации.

Шаг 3: Подготовка IDE Arduino для платы Wemos

Чтобы загрузить код Arduino на плату Wemos, вы должны следовать этим инструкциям.

Шаг 4: Установите библиотеки

Затем вам нужно импортировать библиотеку в свою Arduino IDE.

Загрузите библиотеку Blynk

Загрузите библиотеки для OLED-дисплея: i. Adafruit_SSD1306 ii. Adafruit-GFX-Библиотека

Шаг 5: Эскиз Arduino

После установки вышеуказанных библиотек вставьте приведенный ниже код Arduino.

Введите код авторизации из шага 1, ssid и пароль вашего роутера.

Затем загрузите код.

Шаг 8: Подготовьте печатную плату

Чтобы схема была аккуратной и чистой, я сделал печатную плату из прототипа платы 4x6 см. Сначала я припаял штекерный разъем к плате Wemos. Затем я припаял женские разъемы к макетной плате, чтобы смонтировать разные платы:

1. Плата Wemos (гнездовой разъем 2 x 8 контактов)

2. Плата источника питания постоянного тока 5 В (2 контакта + 3 контакта, гнездовой разъем)

3. Модуль датчика тока (3-контактный гнездовой разъем)

4. OLED-дисплей (4-контактный женский заголовок)

Наконец, я припаял 2-х контактный винтовой зажим для подачи переменного тока на блок питания.

После пайки всех выводов разъемов выполните подключение, как показано выше. Я использовал паяльную проволоку 24 AWG для всех соединений.

Подключение выглядит следующим образом

1. ACS712:

ACS712 Wemos

Vcc - 5 В

GND - GND

Vout - A0

2. OLED-дисплей:

OLED Wemos

Vcc - 5 В

GND - GND

SCL - D1

ПДД - D2

3. модуль питания:

Входной штырь переменного тока (2 штыря) модуля питания подключен к винтовой клемме.

Выход V1pin подключен к Wemos 5V, а контакт GND подключен к контакту Wemos GND.

Шаг 9: корпус, напечатанный на 3D-принтере

Чтобы создать красивый коммерческий вид продукта, я разработал для этого проекта корпус, а для его разработки использовал Autodesk Fusion 360. Корпус состоит из двух частей: нижней и верхней крышки. Файлы. STL можно загрузить с Thingiverse.

Нижняя часть в основном предназначена для размещения основной платы (4 x 6 см), датчика тока и держателя предохранителя. Верхняя крышка предназначена для установки розетки переменного тока и OLED-дисплея.

Я использовал свой 3D-принтер Creality CR-10S и 1,75 мм серебряную нить PLA и красную нить PLA для печати деталей. На печать основного корпуса у меня ушло около 5 часов, а на печать верхней крышки - около 3 часов.

Мои настройки:

Скорость печати: 60 мм / с

Высота слоя: 0,3

Плотность заполнения: 100%

Температура экструдера: 205 ° C

Кровать Temp: 65 degC

Шаг 10: Схема подключения переменного тока

Шнур питания переменного тока имеет 3 провода: линейный (красный), нейтральный (черный) и заземляющий (зеленый).

Красный провод от шнура питания подключается к одной клемме предохранителя. Другая клемма предохранителя подключается к двум подпружиненным клеммным разъемам. Черный провод напрямую подключен к подпружиненному разъему.

Теперь питание, необходимое для печатной платы (Wemos, OLED и ACS712), отклеено от подпружиненного разъема. Чтобы изолировать главную плату, последовательно подключают кулисный переключатель. См. Приведенную выше принципиальную схему.

Затем красный провод (линия) подключается к клемме «L» розетки переменного тока, а зеленый провод (земля) подключается к центральной клемме (обозначенной как G).

Клемма нейтрали подключается к одной клемме датчика тока ACS712. Другой вывод ACS712 снова подсоединен к подпружиненному разъему.

Когда все внешние соединения выполнены, очень внимательно осмотрите плату и очистите ее от остатков паяльного флюса.

Примечание. Не прикасайтесь к какой-либо части цепи, когда она находится под напряжением. Любое случайное прикосновение может привести к смертельному исходу или смерти. Будьте осторожны во время работы, я не несу ответственности за любые потери.

Шаг 11: Установите все компоненты

Вставьте компоненты (розетка переменного тока, кулисный переключатель и OLED-дисплей) в прорези верхней крышки, как показано на рисунке. Затем затяните винты. В нижней части есть 4 стойки для крепления основной платы. Сначала вставьте латунную стойку в отверстие, как показано выше. Затем закрепите винт 2M в четырех углах.

Поместите патрон предохранителя и датчик тока в прорезь в нижней части корпуса. Я использовал монтажные угольники 3М, чтобы приклеить их к основанию. Затем правильно проложите все провода.

Наконец, установите верхнюю крышку и закрепите 4 гайки (3M x16) по углам.

Шаг 12: Заключительное тестирование

Вставьте шнур питания измерителя энергии в розетку.

Измените следующие параметры из приложения Blynk

1. Сдвиньте ползунок CALIBRATE, чтобы получить нулевой ток, когда нагрузка не подключена.

2. Измерьте напряжение домашней сети переменного тока с помощью мультиметра и установите его, сдвинув ползунок SUPPLY VOLTAGE.

3. Установите коэффициент мощности.

4. Введите тариф на электроэнергию в вашем регионе.

Затем подключите прибор, мощность которого необходимо измерить, к розетке на счетчике энергии. Теперь вы готовы измерить потребляемую им энергию.

Надеюсь, вам понравилось читать о моем проекте так же, как мне понравилось во время его создания.

Если у вас есть предложения по улучшению, прокомментируйте их ниже. Спасибо!

Финалист конкурса микроконтроллеров