Arduino energiamérő - V2.0: 12 lépés (képekkel)

2024 Szerző: John Day | [email protected]. Utoljára módosítva: 2024-01-30 09:41

Helló barátom, üdvözöllek újra egy hosszú szünet után. Korábban közzétettem egy Instructables -t az Arduino Energy Meter -en, amelyet elsősorban a falumban található napelemek (DC Power) teljesítményének ellenőrzésére terveztek. Nagyon népszerű lett az interneten, a világon rengeteg ember épített sajátot. Annyi diák tette fel egyetemi projektjét, hogy segítséget vett tőlem. Ennek ellenére most e -maileket és üzeneteket kapok olyan emberektől, akiknek kérdései vannak a hardver- és szoftvermódosítással kapcsolatban az AC áramfogyasztás felügyeletéhez.

Tehát ebben az utasításban megmutatom, hogyan lehet egy egyszerű wifi -kompatibilis AC energiamérőt készíteni az Arduino/Wemos tábla használatával. Ezzel az energiamérővel mérheti bármely háztartási készülék energiafogyasztását. A projekt végén elkészítettem egy szép 3D nyomtatott burkolatot ehhez a projekthez.

Az energiafogyasztással kapcsolatos tudatosítás célja az lenne, hogy optimalizálják és csökkentsék a felhasználó energiafelhasználását. Ez csökkenti az energiaköltségeiket, és energiát is megtakarít.

Természetesen sok kereskedelmi eszköz már létezik az energiafelügyelethez, de szerettem volna elkészíteni a saját verziómat, amely egyszerű és olcsó.

Az összes projektemet itt találod:

1. lépés: Szükséges alkatrészek és eszközök

Szükséges összetevők:

1. Wemos D1 mini pro (Amazon / Banggood)

2. Áramérzékelő -ACS712 (Amazon)

3. OLED kijelző (Amazon / Banggood)

4. 5 V -os tápegység (Aliexpress)

5. Prototípus tábla - 4 x 6 cm (Amazon / Banggood)

6. 24 AWG vezeték (Amazon)

7. Fejlécek (Amazon / Banggood)

8. Férfi-női jumper vezetékek (Amazon)

9. Csavaros terminál (Amazon)

10. Standoff (Banggood)

11. Hálózati aljzat

12. Hálózati csatlakozó

13. Rugós csatlakozó (Banggood)

14. Billenőkapcsoló (Banggood)

15. PLA szál-ezüst (GearBest)

16. PLA Filament-Red (GearBest)

Szükséges eszközök:

1. Forrasztópáka (Amazon)

2. Ragasztópisztoly (Amazon)

3. Drótvágó/sztripper (Amazon)

4.3D nyomtató (Creality CR10S)

2. lépés: Hogyan működik?

A teljes projekt tömbvázlata fent látható.

A váltakozó áramú hálózatból származó áramot a biztosítékon keresztül húzzák és vezetik át annak érdekében, hogy elkerüljék az áramköri lap károsodását a véletlen rövidzárlat során.

Ezután a váltakozó áramú vezeték két részre oszlik:

1. A terheléshez az áramérzékelőn keresztül (ACS712)

2. 230V AC/5V DC tápegység modul

Az 5 V -os tápegység áramellátást biztosít a mikrokontrollernek (Arduino/Wemos), az áramérzékelőnek (ACS712) és az OLED kijelzőnek.

A terhelésen áthaladó váltakozó áramot az áramérzékelő modul (ACS712) érzékeli, és az Arduino/Wemos kártya analóg csapjába (A0) táplálja. Miután az analóg bemenetet az Arduino kapta, a teljesítmény/energia mérése Arduino vázlat segítségével történik.

Az Arduino/Wemos számított teljesítménye és energiája egy 0,96 -os OLED kijelzőmodulon jelenik meg.

A Wemos beépített WiFi chipje csatlakozik a Home Routerhez, és össze van kapcsolva a Blynk alkalmazással. Így figyelemmel kísérheti a paramétereket, valamint kalibrálhatja és módosíthatja az okostelefon különböző beállításait az OTA -n keresztül.

3. lépés: Az AC alapok megértése

A váltakozó áramkör elemzésében mind a feszültség, mind az áram szinuszosan változik az idő múlásával.

Valódi teljesítmény (P):

Ez az a teljesítmény, amelyet a készülék hasznos munkához használ. Ezt kW -ban fejezik ki.

Valódi teljesítmény = feszültség (V) x áram (I) x cosΦ

Reaktív teljesítmény (Q):

Ezt gyakran képzeletbeli teljesítménynek nevezik, amely a teljesítmény mértéke a forrás és a terhelés között ingadozik, és nem végez hasznos munkát. Ezt kVAr -ban fejezik ki

Reaktív teljesítmény = feszültség (V) x áram (I) x sinΦ

Látható teljesítmény (S):

Ez a gyök-közép-négyzet (RMS) feszültség és az RMS áram szorzata. Ezt úgy is meg lehet határozni, mint a valós és a meddő teljesítmény eredményét. Ezt kVA -ban fejezik ki

Látszólagos teljesítmény = feszültség (V) x áram (I)

Valós, reaktív és látszólagos erő kapcsolata:

Valódi teljesítmény = látszólagos teljesítmény x cosΦ

Reaktív teljesítmény = látszólagos teljesítmény x sinΦ

(kVA) ² = (kW) ² + (kVAr) ²

Teljesítménytényező (pf):

Az áramkörben a valós teljesítmény és a látszólagos teljesítmény arányát teljesítménytényezőnek nevezzük.

Teljesítménytényező = Valódi teljesítmény/látszólagos teljesítmény

A fentiekből kitűnik, hogy a feszültség és az áram mérésével mindenféle teljesítményt és teljesítménytényezőt mérhetünk.

Kép hitel: openenergymonitor.org

4. lépés: Áramérzékelő

A váltakozó áramot hagyományosan áramátalakítóval mérik, de ehhez a projekthez az ACS712 -et választották áramérzékelőnek alacsony költsége és kisebb mérete miatt. Az ACS712 áramérzékelő egy Hall Effect áramérzékelő, amely pontosan méri az áramot indukáláskor. A rendszer érzékeli a váltakozó áramú vezeték körüli mágneses mezőt, amely egyenértékű analóg kimeneti feszültséget ad. Ezt követően a mikrokontroller feldolgozza az analóg feszültségkimenetet a terhelésen átfolyó áram mérésére.

Ha többet szeretne megtudni az ACS712 érzékelőről, keresse fel ezt a webhelyet. A csarnokhatás-érzékelő működésének jobb magyarázatához a fenti Embedded-lab képét használtam.

5. lépés: Árammérés ACS712 segítségével

Az ACS712 áramérzékelő kimenete váltóáramú feszültséghullám. Ki kell számítani az effektív áramot, ezt a következő módon lehet megtenni

1. A csúcs -csúcs feszültség (Vpp) mérése

2. Ossza el a csúcs -csúcs feszültséget (Vpp) kettővel, hogy megkapja a csúcsfeszültséget (Vp)

3. Szorozza meg 0,707 -gyel, hogy megkapja az effektív feszültséget (Vrms)

Ezután szorozza meg az áramérzékelő (ACS712) érzékenységét, hogy megkapja az effektív áramot.

Vp = Vpp/2

Vrms = Vp x 0,707

Irms = Vrms x érzékenység

Az ACS712 5A modul érzékenysége 185 mV/A, a 20A modul 100 mV/A és a 30A modul 66 mV/A.

Az áramérzékelő csatlakoztatása az alábbiak szerint történik

ACS712 Arduino/Wemos

VCC ------ 5V

KI ----- A0

GND ----- GND

6. lépés: Teljesítmény és energiaszámítás

Korábban már leírtam az AC tápellátás különböző formáinak alapjait. Háztartási felhasználóként a valódi teljesítmény (kW) a legfőbb gondunk. A valós teljesítmény kiszámításához meg kell mérnünk az effektív feszültséget, effektív áramot és teljesítménytényezőt (pF).

Általában a helyem hálózati feszültsége (230V) szinte állandó (az ingadozás elhanyagolható). Tehát egy érzékelőt hagyok a feszültség mérésére. Kétségtelen, ha csatlakoztat egy feszültségérzékelőt, a mérési pontosság jobb, mint az én esetemben. Egyébként ez a módszer olcsó és egyszerű módja a projekt befejezésének és a célkitűzés teljesítésének.

A feszültségérzékelő használatának másik oka a Wemos analóg tű korlátozása (csak egy). Bár az ADS1115 -hez hasonló ADC használatával további érzékelő csatlakoztatható, egyelőre elhagyom. A jövőben, ha lesz időm, feltétlenül hozzáadom.

A terhelés teljesítménytényezője programozás közben vagy az okostelefon alkalmazásból módosítható.

Valódi teljesítmény (W) = Vrms x Irms x Pf

Vrms = 230V (ismert)

Pf = 0,85 (ismert)

Irms = leolvasás az aktuális érzékelőből (ismeretlen)

Képhitel: imgoat

7. lépés: Interfész a Blynk alkalmazással

Mivel a Wemos táblában beépített WiFi chip van, gondoltam csatlakoztatom az útválasztómhoz, és okostelefonomról figyelemmel kísérem a háztartási készülékek energiáját. A Wemos kártya Arduino helyett történő használatának előnyei a következők: az érzékelő kalibrálása és a paraméter értékének megváltoztatása az okostelefonról OTA -n keresztül anélkül, hogy ismételten programozni kellene a mikrokontrollert.

Kerestem az egyszerű lehetőséget, hogy bárki, akinek kevés tapasztalata van, megtehesse. A legjobb megoldás, amit találtam, a Blynk alkalmazás használata. A Blynk egy olyan alkalmazás, amely teljes irányítást tesz lehetővé az Arduino, az ESP8266, a Rasberry, az Intel Edison és még sok más hardver felett. Kompatibilis az Android és az iPhone készülékekkel is. Blynkben minden az ⚡️Energy -en fut. Amikor új fiókot hoz létre, ⚡️2 000 jut a kísérletezés megkezdéséhez; Minden widgetnek szüksége van némi energiára a működéséhez. Ehhez a projekthez 24️2400 szükséges, tehát további energiát kell vásárolnia ️⚡️400 (a költség kevesebb, mint 1 USD)

én. Mérőóra - 2 x 200️200 = ⚡️400

ii. Címkézett érték kijelző - 2 x 4️400 = ⚡️800

iii. Csúszkák - 4 x 200️200 = ⚡️800

iv. Menü - 1x 4️400 = ⚡️400

A projekthez szükséges teljes energia = 400+800+800+400 = ⚡️2400

Kövesse az alábbi lépéseket:

Lépés: Töltse le a Blynk alkalmazást

1. Androidra

2. iPhone esetén

2. lépés: Szerezze be a hitelesítési tokent

A Blynk App és a hardver összekapcsolásához szüksége van egy Auth Tokenre. Hozzon létre egy új fiókot a Blynk App alkalmazásban.

2. Nyomja meg a QR ikont a felső menüsorban. Hozzon létre egy klónt ebből a projektből a fenti QR -kód beolvasásával. Miután sikeresen észlelte, az egész projekt azonnal megjelenik a telefonján.

3. A projekt létrehozása után e -mailben elküldjük Önnek a hitelesítési tokent.

4. Ellenőrizze az e -mail postaládáját, és keresse meg a hitelesítési tokent.

3. lépés: Az Arduino IDE előkészítése a Wemos Board számára

Az Arduino kód Wemos táblára való feltöltéséhez kövesse ezt az utasításokat

4. lépés: Telepítse a könyvtárakat

Ezután importálnia kell a könyvtárat az Arduino IDE -be

Töltse le a Blynk könyvtárat

Töltse le az OLED Display könyvtárait: i. Adafruit_SSD1306 ii. Adafruit-GFX-könyvtár

5. lépés: Arduino vázlat

A fenti könyvtárak telepítése után illessze be az alább megadott Arduino kódot.

Írja be az 1. lépésből származó hitelesítési kódot, az ssid-t és az útválasztó jelszavát.

Ezután töltse fel a kódot.

8. lépés: Készítse elő az áramköri lapot

Annak érdekében, hogy az áramkör tiszta és tiszta legyen, egy áramköri lapot készítettem egy 4x6 cm -es prototípus segítségével. Először forrasztottam a férfi fejléc csapját a Wemos táblához. Ezután forrasztottam a női fejléceket a prototípus táblán, hogy rögzítsem a különböző táblákat:

1. Wemos tábla (2 x 8 tűs női fejléc)

2. 5V egyenáramú tápegység kártya (2 érintkező +3 érintkezős női fejléc)

3. Áramérzékelő modul (3 tűs női fejléc)

4. OLED kijelző (4 tűs női fejléc)

Végül forrasztottam egy 2 tűs csavaros csatlakozót a tápegység bemeneti váltakozó áramához.

Az összes csatlakozócsap forrasztása után csatlakoztassa a fenti módon. Az összes csatlakozáshoz 24 AWG forrasztóvezetéket használtam.

A kapcsolat a következő

1. ACS712:

ACS712 Wemos

Vcc- 5V

Gnd - GND

Vout-A0

2. OLED kijelző:

OLED Wemos

Vcc- 5V

Gnd-- GND

SCL- D1

SDA-D2

3. Tápegység modul:

A tápegység váltakozó áramú bemeneti csapja (2 tű) a csavaros csatlakozóhoz csatlakoztatva.

A kimeneti V1pin csatlakozik a Wemos 5V -hoz, a GND csap pedig a Wemos GND csaphoz.

9. lépés: 3D nyomtatott ház

A szép kereskedelmi termék megjelenése érdekében egy házat terveztem ehhez a projekthez. Az Autodesk Fusion 360 -at használtam a ház tervezéséhez. A ház két részből áll: alsó és felső fedél. A. STL fájlokat a Thingiverse webhelyről töltheti le.

Az alsó részt alapvetően úgy tervezték, hogy illeszkedjen a fő NYÁK -hoz (4 x 6 cm), az áramérzékelőhöz és a biztosítéktartóhoz. A felső fedél az AC aljzat és az OLED kijelző felszerelése.

Az alkatrészek nyomtatásához Creality CR-10S 3D nyomtatómat és 1,75 mm-es ezüst PLA-t és piros PLA-szálat használtam. Körülbelül 5 órámba telt, amíg kinyomtattam a fő testet, és körülbelül 3 órába telt a felső fedél kinyomtatása.

A beállításaim a következők:

Nyomtatási sebesség: 60 mm/s

Rétegmagasság: 0,3

Kitöltési sűrűség: 100%

Az extruder hőmérséklete: 205 ° C

Az ágy hőmérséklete: 65 fok

10. lépés: AC kapcsolási rajz

A hálózati tápkábel 3 vezetékkel rendelkezik: vonal (piros), semleges (fekete) és földelt (zöld).

A tápkábel piros vezetéke a biztosíték egyik csatlakozójához van csatlakoztatva. A biztosíték másik kapcsa két rugós csatlakozóhoz van csatlakoztatva. A fekete vezeték közvetlenül a rugós csatlakozóhoz van csatlakoztatva.

Most az áramköri laphoz (Wemos, OLED és ACS712) szükséges áramellátás a rugós csatlakozó után megszűnik. A fő áramkör leválasztásához a billenőkapcsolót sorba kell kötni. Lásd a fenti kapcsolási rajzot.

Ezután a piros vezetéket (vonal) az AC aljzat "L" csatlakozójához, a zöld vezetéket (földelés) pedig a középső (G jelöléssel jelölt) csatlakozóhoz kell csatlakoztatni.

A semleges csatlakozó az ACS712 áramérzékelő egyik csatlakozójához van csatlakoztatva. Az ACS712 másik terminálja vissza van kötve a rugós csatlakozóhoz.

Ha minden külső csatlakozás elkészült, alaposan ellenőrizze a táblát, és tisztítsa meg, hogy eltávolítsa a forrasztási fluxus maradványait.

Megjegyzés: Ne érintse meg az áramkör bármely részét áram alatt. Bármilyen véletlen érintés halálos sérüléshez vagy halálhoz vezethet. Legyen biztonságban munka közben, nem vállalok felelősséget az esetleges veszteségekért.

11. lépés: Telepítse az összes összetevőt

Helyezze be az alkatrészeket (váltóáramú aljzat, billenőkapcsoló és OLED kijelző) a fedél felső nyílásaiba, amint az a képen látható. Ezután rögzítse a csavarokat. Az alsó rész 4 rögzítőelemmel rendelkezik a fő NYÁK -lemez rögzítéséhez. Először helyezze be a sárgaréz állványt a lyukba a fent látható módon. Ezután rögzítse a 2M csavart a négy sarokban.

Helyezze a biztosítéktartót és az áramérzékelőt az alsó házon található nyílásba. 3M rögzítő négyzeteket használtam az alapra ragasztáshoz. Ezután vezesse el megfelelően az összes vezetéket.

Végül tegye fel a felső fedelet, és rögzítse a 4 anyát (3M x16) a sarkokhoz.

12. lépés: Végső tesztelés

Csatlakoztassa az energiamérő tápkábelét a hálózati aljzathoz.

Módosítsa a következő paramétereket a Blynk alkalmazásból

1. Csúsztassa a KALIBRÁLÁS csúszkát az aktuális nulla eléréséhez, ha nincs terhelés csatlakoztatva.

2. Mérje meg az otthoni hálózati tápfeszültséget multiméterrel, és állítsa be a TÁPFESZÜLTSÉG csúszka csúsztatásával.

3. Állítsa be a teljesítménytényezőt

4. Írja be a tartózkodási helyén érvényes energia tarifát.

Ezután csatlakoztassa a mérni kívánt készüléket az energiamérő aljzatába. Most már készen áll az általa fogyasztott energia mérésére.

Remélem, olyan élvezettel olvasta a projektemet, mint én az építkezés során.

Ha bármilyen javaslata van a fejlesztésekre, kérjük, tegye meg megjegyzéseit az alábbiakban. Köszönjük!

Második hely a mikrokontroller versenyen