Arduino enerģijas mērītājs - V2.0: 12 soļi (ar attēliem)

2024 Autors: John Day | [email protected]. Pēdējoreiz modificēts: 2024-01-30 10:54

Labdien, draugs, laipni lūdzam atpakaļ pēc ilga pārtraukuma. Iepriekš Arduino enerģijas skaitītājā esmu ievietojis pamācību, kas galvenokārt bija paredzēta, lai uzraudzītu saules paneļa (DC Power) jaudu manā ciematā. Tas kļuva ļoti populārs internetā, daudzi cilvēki visā pasaulē ir izveidojuši savu. Tik daudzi studenti ir veikuši savu koledžas projektu, izmantojot palīdzību no manis. Tomēr tagad es saņemu e -pastus un ziņojumus no cilvēkiem ar jautājumiem par aparatūras un programmatūras modifikāciju, lai uzraudzītu maiņstrāvas patēriņu.

Tātad šajā instrukcijā es jums parādīšu, kā izveidot vienkāršu maiņstrāvas enerģijas mērītāju, kas iespējots ar WiFi, izmantojot Arduino/Wemos plati. Izmantojot šo enerģijas mērītāju, varat izmērīt jebkuras sadzīves tehnikas enerģijas patēriņu. Projekta beigās es šim projektam izveidoju jauku 3D drukātu korpusu.

Mērķis palielināt izpratni par enerģijas patēriņu būtu optimizēt un samazināt lietotāja enerģijas patēriņu. Tas samazinātu viņu enerģijas izmaksas, kā arī ietaupītu enerģiju.

Protams, enerģijas tirdzniecībai jau ir daudz komerciālu ierīču, taču es gribēju izveidot savu versiju, kas būtu vienkārša un lēta.

Visus manus projektus varat atrast:

1. darbība. Nepieciešamās detaļas un rīki

Nepieciešamās sastāvdaļas:

1. Wemos D1 mini pro (Amazon / Banggood)

2. Pašreizējais sensors -ACS712 (Amazon)

3. OLED displejs (Amazon / Banggood)

4. 5 V barošanas avots (Aliexpress)

5. Prototipa dēlis - 4 x 6 cm (Amazon / Banggood)

6. 24 AWG stieple (Amazon)

7. Galvenes tapas (Amazon / Banggood)

8. Vīriešu un sieviešu džemperu vadi (Amazon)

9. Skrūvju terminālis (Amazon)

10. Stāvoklis (Banggood)

11. Maiņstrāvas kontaktligzda

12. Maiņstrāvas kontaktdakša

13. Atsperu savienotājs (Banggood)

14. Šūpoles slēdzis (Banggood)

15. PLA kvēldiegs-sudrabs (GearBest)

16. PLA kvēldiegs-sarkans (GearBest)

Nepieciešamie rīki:

1. Lodāmurs (Amazon)

2. Līmes pistole (Amazon)

3. Stiepļu griezējs/noņēmējs (Amazon)

4.3D printeris (Creality CR10S)

2. darbība. Kā tas darbojas?

Visa projekta blokshēma ir parādīta iepriekš.

Strāva no maiņstrāvas tīkla tiek ņemta un izvadīta caur drošinātāju, lai izvairītos no shēmas plates bojājumiem nejauša īssavienojuma laikā.

Tad maiņstrāvas vads tiek sadalīts divās daļās:

1. Uz slodzi caur strāvas sensoru (ACS712)

2. 230V maiņstrāvas/5V līdzstrāvas barošanas modulis

5V barošanas modulis nodrošina strāvu mikrokontrolleram (Arduino/Wemos), strāvas sensoram (ACS712) un OLED displejam.

Maiņstrāvas strāvu, kas iet caur slodzi, nosaka strāvas sensora modulis (ACS712) un padod uz Arduino/Wemos plates analogo tapu (A0). Kad Arduino ir ievadīta analogā ieeja, jaudas/enerģijas mērīšana tiek veikta ar Arduino skici.

Arduino/Wemos aprēķinātā jauda un enerģija tiek parādīta 0,96 collu OLED displeja modulī.

Wemos iebūvētā WiFi mikroshēma ir savienota ar mājas maršrutētāju un ir saistīta ar lietotni Blynk. Tātad jūs varat pārraudzīt parametrus, kā arī kalibrēt un modificēt dažādus viedtālruņa iestatījumus, izmantojot OTA.

3. darbība. Izpratne par maiņstrāvas pamatiem

Maiņstrāvas ķēdes analīzē gan spriegums, gan strāva laika gaitā mainās sinusoidāli.

Reālā jauda (P):

Šī ir jauda, ko ierīce izmanto noderīga darba veikšanai. To izsaka kW.

Reālā jauda = spriegums (V) x strāva (I) x cosΦ

Reaktīvā jauda (Q):

To bieži sauc par iedomātu jaudu, kas ir jaudas mērs starp avotu un slodzi, kas nedara noderīgu darbu. Tas ir izteikts kVAr

Reaktīvā jauda = spriegums (V) x strāva (I) x sinΦ

Šķietamā jauda (S):

To definē kā vidējā kvadrāta (RMS) sprieguma un RMS strāvas reizinājumu. To var definēt arī kā reālās un reaktīvās jaudas rezultātu. To izsaka kVA

Šķietamā jauda = spriegums (V) x strāva (I)

Attiecības starp reālo, reaktīvo un šķietamo spēku:

Reālā jauda = šķietamā jauda x cosΦ

Reaktīvā jauda = šķietamā jauda x sinΦ

(kVA) ² = (kW) ² + (kVAr) ²

Jaudas koeficients (pf):

Reālās jaudas un šķietamās jaudas attiecību ķēdē sauc par jaudas koeficientu.

Jaudas koeficients = reālā jauda/šķietamā jauda

No iepriekš minētā ir skaidrs, ka, mērot spriegumu un strāvu, mēs varam izmērīt visu veidu jaudu, kā arī jaudas koeficientu.

Attēlu kredīts: openenergymonitor.org

4. solis: strāvas sensors

Maiņstrāvas strāvu parasti mēra, izmantojot strāvas transformatoru, bet šim projektam ACS712 tika izvēlēts kā strāvas sensors, jo tas ir lēts un mazāks. ACS712 strāvas sensors ir Halles efekta strāvas sensors, kas precīzi mēra strāvu, kad tas tiek ierosināts. Tiek konstatēts magnētiskais lauks ap maiņstrāvas vadu, kas nodrošina ekvivalentu analogo izejas spriegumu. Pēc tam mikrokontrolleris apstrādā analogā sprieguma izeju, lai izmērītu strāvas plūsmu caur slodzi.

Lai uzzinātu vairāk par sensoru ACS712, varat apmeklēt šo vietni. Lai labāk izskaidrotu zāles efekta sensora darbību, esmu izmantojis iepriekš redzamo attēlu no Embedded-lab.

5. darbība: strāvas mērīšana, izmantojot ACS712

ACS712 strāvas sensora izeja ir maiņstrāvas sprieguma vilnis. Mums ir jāaprēķina vidējā strāva, to var izdarīt šādi

1. Maksimālā sprieguma (Vpp) mērīšana

2. Sadaliet maksimumu līdz maksimālajam spriegumam (Vpp) ar diviem, lai iegūtu maksimālo spriegumu (Vp)

3. Reiziniet to ar 0,707, lai iegūtu vidējo spriegumu (Vrms)

Pēc tam reiziniet strāvas sensora jutību (ACS712), lai iegūtu vidējo vērtību.

Vp = Vpp/2

Vrms = Vp x 0,707

Irms = Vrms x jutība

ACS712 5A moduļa jutība ir 185mV/A, 20A modulis ir 100mV/A un 30A modulis ir 66mV/A.

Pašreizējā sensora savienojums ir šāds

ACS712 Arduino/Wemos

VCC ------ 5V

ĀRĀ ----- A0

GND ----- GND

6. darbība. Jaudas un enerģijas aprēķins

Iepriekš esmu aprakstījis dažādu maiņstrāvas veidu pamatus. Būdams mājsaimniecības lietotājs, mūsu galvenā problēma ir reālā jauda (kW). Lai aprēķinātu reālo jaudu, mums jāmēra vidējais spriegums, vidējā strāva un jaudas koeficients (pF).

Parasti tīkla spriegums manā vietā (230V) ir gandrīz nemainīgs (svārstības ir niecīgas). Tāpēc es atstāju vienu sensoru sprieguma mērīšanai. Nav šaubu, ja pievienojat sprieguma sensoru, mērījumu precizitāte ir labāka nekā manā gadījumā. Jebkurā gadījumā šī metode ir lēts un vienkāršs veids, kā pabeigt projektu un sasniegt mērķi.

Vēl viens sprieguma sensora neizmantošanas iemesls ir Wemos analogās tapas ierobežojums (tikai viens). Lai gan papildu sensoru var pieslēgt, izmantojot ADC, piemēram, ADS1115, pagaidām es to atstāju. Nākotnē, ja man būs laiks, es noteikti to pievienošu.

Slodzes jaudas koeficientu var mainīt programmēšanas laikā vai no viedtālruņa lietotnes.

Reālā jauda (W) = Vrms x Irms x Pf

Vrms = 230V (zināms)

Pf = 0,85 (zināms)

Irms = nolasīšana no pašreizējā sensora (nezināms)

Attēla kredīts: imgoat

7. darbība: saskarne ar lietotni Blynk

Tā kā Wemos panelī ir iebūvēta WiFi mikroshēma, es domāju to savienot ar savu maršrutētāju un pārraudzīt sadzīves tehnikas enerģiju no sava viedtālruņa. Priekšrocības Wemos plates izmantošanai Arduino vietā ir šādas: sensora kalibrēšana un parametra vērtības maiņa no viedtālruņa, izmantojot OTA, atkārtoti fiziski neieprogrammējot mikrokontrolleri.

Es meklēju vienkāršo iespēju, lai ikviens, kam ir maza pieredze, varētu to izdarīt. Labākais risinājums, ko atradu, ir lietotnes Blynk izmantošana. Blynk ir lietotne, kas ļauj pilnībā kontrolēt Arduino, ESP8266, Rasberry, Intel Edison un daudz ko citu aparatūru. Tas ir saderīgs gan ar Android, gan iPhone. Blynkā viss darbojas ⚡️Enerģija. Izveidojot jaunu kontu, jūs saņemat 2️2 000, lai sāktu eksperimentēt; Katra logrīka darbībai nepieciešama enerģija. Šim projektam jums ir nepieciešami 2400,, tāpēc jums ir jāiegādājas papildu enerģija ⚡️400 (izmaksas ir mazākas par 1 USD)

i. Mērinstruments - 2 x 200️200 = ⚡️400

ii. Norādīto vērtību displejs - 2 x 4️400 = ⚡️800

iii. Slīdņi - 4 x 200️200 = ⚡️800

iv. Izvēlne - 1x ⚡️400 = ⚡️400

Šim projektam nepieciešamā kopējā enerģija = 400+800+800+400 = ⚡️2400

Izpildiet tālāk norādītās darbības.

1. darbība: lejupielādējiet lietotni Blynk

1. Android ierīcēm

2. iPhone

2. darbība. Iegūstiet autentifikācijas marķieri

Lai savienotu lietotni Blynk un jūsu aparatūru, jums ir nepieciešams autentifikācijas marķieris. Izveidojiet jaunu kontu lietotnē Blynk.

2. Augšējā izvēlnes joslā nospiediet QR ikonu. Izveidojiet šī projekta klonu, skenējot iepriekš parādīto QR kodu. Kad tas būs veiksmīgi atklāts, viss projekts nekavējoties būs jūsu tālrunī.

3. Pēc projekta izveidošanas mēs pa e -pastu nosūtīsim jums autentifikācijas marķieri.

4. Pārbaudiet savu e -pasta iesūtni un atrodiet autentifikācijas marķieri.

3. darbība: Arduino IDE sagatavošana Wemos Board

Lai augšupielādētu Arduino kodu Wemos dēļā, jums jāievēro šīs instrukcijas

4. darbība: instalējiet bibliotēkas

Tad jums ir jāimportē bibliotēka savā Arduino IDE

Lejupielādējiet Blynk bibliotēku

Lejupielādējiet bibliotēkas OLED displejam: i. Adafruit_SSD1306 ii. Adafruit-GFX bibliotēka

5. darbība: Arduino skice

Pēc iepriekš minēto bibliotēku instalēšanas ielīmējiet tālāk norādīto Arduino kodu.

Ievadiet 1. darbības autentifikācijas kodu, ssid un maršrutētāja paroli.

Pēc tam augšupielādējiet kodu.

8. solis: sagatavojiet shēmas plati

Lai ķēde būtu kārtīga un tīra, es izveidoju shēmas plati, izmantojot 4x6 cm izmēra plates prototipu. Vispirms es lodēju tēviņu galviņu tapu pie Wemos dēļa. Tad es lodēju sieviešu galvenes uz prototipa dēļa, lai uzstādītu dažādus dēļus:

1. Wemos dēlis (2 x 8 tapas sieviešu galvene)

2. 5 V līdzstrāvas barošanas bloks (2 tapas +3 tapas sieviešu galvene)

3. Pašreizējā sensora modulis (3 kontaktu sieviešu galvene)

4. OLED displejs (4pins Female Header)

Beidzot es pielodēju barošanas blokam 2 kontaktu skrūves spaili ieejas maiņstrāvas padevei.

Pēc visu galvenes tapas lodēšanas izveidojiet savienojumu, kā parādīts iepriekš. Visam savienojumam es izmantoju 24 AWG lodēšanas vadu.

Savienojums ir šāds

1. ACS712:

ACS712 Wemos

Vcc- 5V

Gnd - GND

Vout-A0

2. OLED displejs:

OLED Wemos

Vcc- 5V

Gnd-- GND

SCL- D1

SDA-D2

3. Barošanas modulis:

Barošanas moduļa maiņstrāvas ievades tapa (2 tapas) ir pievienota skrūves spailim.

Izejas V1pin ir savienots ar Wemos 5V, un GND tapa ir pievienota Wemos GND tapai.

9. solis: 3D drukāts korpuss

Lai iegūtu jauku komerciāla produkta izskatu, es šim projektam izveidoju korpusu. Korpusa projektēšanai izmantoju Autodesk Fusion 360. Korpusam ir divas daļas: apakšējais un augšējais vāks. Jūs varat lejupielādēt. STL failus no Thingiverse.

Apakšējā daļa ir veidota tā, lai ietilptu galvenajā PCB (4 x 6 cm), strāvas sensoram un drošinātāju turētājam. Augšējais vāks ir paredzēts maiņstrāvas kontaktligzdas un OLED displeja uzstādīšanai.

Detaļu drukāšanai es izmantoju savu 3D printeri Creality CR-10S un 1,75 mm sudraba PLA un sarkano PLA kvēldiegu. Man vajadzēja apmēram 5 stundas, lai izdrukātu galveno korpusu, un apmēram 3 stundas, lai izdrukātu augšējo vāku.

Mani iestatījumi ir šādi:

Drukas ātrums: 60 mm/s

Slāņa augstums: 0,3

Aizpildīšanas blīvums: 100%

Ekstrūdera temperatūra: 205 grādi

Gultas temperatūra: 65 grādi

10. solis: maiņstrāvas elektroinstalācijas shēma

Maiņstrāvas vadam ir 3 vadi: līnija (sarkana), neitrāla (melna) un zemēta (zaļa).

Sarkanais vads no strāvas vada ir savienots ar vienu drošinātāja spaili. Otrs drošinātāja terminālis ir savienots ar diviem spaiļu savienotājiem ar atsperi. Melnais vads ir tieši pievienots savienotājam ar atsperi.

Tagad pēc atsperveida savienotāja tiek noņemta strāvas padeve, kas nepieciešama shēmas plates (Wemos, OLED un ACS712). Lai izolētu galveno shēmas plati, sviras slēdzis ir savienots virknē. Skatiet iepriekš minēto shēmu.

Tad sarkanais vads (līnija) tiek pievienots maiņstrāvas kontaktligzdas "L" spailei, bet zaļais vads (zemējums) - centrālajam spailim (atzīmēts kā G).

Neitrālais terminālis ir savienots ar vienu ACS712 strāvas sensora spaili. Otrs ACS712 terminālis ir pievienots atpakaļ ar atsperu savienotāju.

Kad visi ārējie savienojumi ir pabeigti, ļoti rūpīgi pārbaudiet plāksni un notīriet to, lai noņemtu lodēšanas plūsmas atlikumus.

Piezīme: nepieskarieties nevienai ķēdes daļai, kamēr tā ir strāvas padeves stāvoklī. Jebkurš nejaušs pieskāriens var izraisīt nāvējošus ievainojumus vai nāvi. Esiet drošs darba laikā, es neatbildu par zaudējumiem.

11. darbība: instalējiet visus komponentus

Ievietojiet komponentus (maiņstrāvas kontaktligzdu, svirslēdzi un OLED displeju) augšējā vāka slotos, kā parādīts attēlā. Pēc tam nostipriniet skrūves. Apakšējā daļā ir 4 statīvi galvenās PCB plates uzstādīšanai. Vispirms ievietojiet misiņa atdalītāju caurumā, kā parādīts iepriekš. Pēc tam nostipriniet 2M skrūvi četros stūros.

Novietojiet drošinātāju turētāju un strāvas sensoru uz apakšā esošā slota. Es izmantoju 3M stiprinājuma kvadrātus, lai tos pielīmētu pie pamatnes. Pēc tam novietojiet visus vadus pareizi.

Visbeidzot, novietojiet augšējo vāku un nostipriniet 4 uzgriežņus (3M x16) pie stūriem.

12. solis: galīgā pārbaude

Pievienojiet enerģijas mērītāja strāvas vadu kontaktligzdai.

Mainiet šādus parametrus no lietotnes Blynk

1. Bīdiet CALIBRATE slīdni, lai iegūtu pašreizējo nulli, ja nav pievienota slodze.

2. Izmēriet mājas maiņstrāvas barošanas spriegumu, izmantojot multimetru, un iestatiet to, bīdot SUPPLY VOLTAGE slīdni.

3. Iestatiet jaudas koeficientu

4. Ievadiet enerģijas tarifu savā atrašanās vietā.

Pēc tam pievienojiet mērāmo ierīci elektrības skaitītāja kontaktligzdai. Tagad jūs esat gatavs izmērīt tā patērēto enerģiju.

Ceru, ka jums patika lasīt par manu projektu tikpat daudz, cik man patika tā veidošanas laikā.

Ja jums ir kādi uzlabojumu ieteikumi, lūdzu, komentējiet to tālāk. Paldies!

Otrā vieta mikrokontrolleru konkursā