Mòdul de potència IoT: afegir una funció de mesura de potència IoT al meu controlador de càrrega solar: 19 passos (amb imatges)

2024 Autora: John Day | [email protected]. Última modificació: 2024-01-30 08:12

Hola a tothom, espero que tots sigueu genials! En aquest instructiu us mostraré com he fet un mòdul de mesurament d’energia IoT que calcula la quantitat d’energia generada pels meus panells solars, que el controlador de càrrega solar utilitza per carregar la bateria de plom àcid. Aquest mòdul entra entre els panells solars i el controlador de càrrega i us proporciona tots els detalls necessaris del paràmetre al vostre telèfon a través d'Internet. Per a la plataforma IoT he utilitzat Blynk, que és molt fàcil d’utilitzar i es pot personalitzar fàcilment segons el vostre projecte. La limitació del controlador de càrrega existent era que només em donava la tensió de càrrega i, per tant, no es podia determinar la quantitat de potència. En aquest projecte he afegit les funcions de mesura de tensió i corrent al mòdul de potència que es pot utilitzar per calcular la potència (en watts) i, per tant, l'energia total recollida. Es pot utilitzar fàcilment aquest mòdul de potència en altres aplicacions de mesurament de corrent continu. Serà una instrucció bastant llarga, així que comencem!

Subministraments

1. Arduino Pro Mini / Nano o equivalent
2. Mòdul convertidor de dòlars LM2596
3. Regulador de tensió 7805
4. Regulador AMS1117 3,3V
5. Mòdul WiFi ESP8266-01
6. Pantalla OLED
7. LM358 doble OP-Amp
8. Resistències 100K, 10K, 2,2k i 1K (1/4 watt)
9. Condensadors de disc ceràmics de 0,1 uF
10. Condensador electrolític de 22uF
11. Terminals de cargol
12. Franja de berg mascle i femella
13. Interruptor ON-OFF
14. Perf board o veroboard
15. Equips de soldadura

Pas 1: Recopilació de totes les parts i finalització del disseny

Un cop hem reunit tots els components necessaris, és important que decidim acuradament la disposició de la nostra placa i la col·locació de diferents components de manera que el cablejat esdevingui senzill i que tots els components estiguin a prop l'un de l'altre. Per a la connexió de l’Arduino, el convertidor Buck, el mòdul WiFi i la pantalla Oled utilitzaré capçaleres femenines en lloc de soldar directament els mòduls, d’aquesta manera puc utilitzar els components per a algun altre projecte, però podeu soldar directament els mòduls si teniu previst perquè sigui permanent.

Pas 2: Afegir els terminals de cargol

Primer de tot, soldem els terminals de cargol que s’utilitzaran per connectar els panells solars com a entrada i el controlador de càrrega com a sortida al mòdul de potència. Els terminals de cargol proporcionen una manera senzilla d’endollar o treure dispositius quan sigui necessari.

Pas 3: Afegir la xarxa de divisors de tensió de resistència

Per detectar la tensió d'entrada, s'utilitza una xarxa divisora de tensió. Per a la meva aplicació, he creat una xarxa de resistències amb resistències de 10K i 1K i estic mesurant la caiguda de tensió de la resistència de 1K que es donarà com a entrada al microcontrolador Arduino. A més, he afegit un condensador de 0,1 uF a la resistència de 1 K per suavitzar les fluctuacions brusques de tensió.

Pas 4: Afegir la resistència de derivació per a la detecció de corrent

La resistència de derivació és una resistència de valor molt petit (normalment de l’ordre de milliOhms) en sèrie amb la càrrega que crea una caiguda de voltatge molt petita que es pot amplificar mitjançant un amplificador operacional i la sortida es pot donar a arduino per a la seva mesura. Per mesurar el corrent, estic fent servir la resistència de derivació (que té un valor aproximat de 10 miliohms. Ho he fet mitjançant un fil d’acer i el vaig doblegar per fer una mena de patró de bobina) al costat baix del circuit, és a dir,, entre la càrrega i el terra. D'aquesta manera, la petita caiguda de tensió es pot mesurar directament respecte a terra.

Pas 5: afegir el circuit amplificador OpAmp

L'amplificador operacional que s'utilitza aquí és LM358, que és un xip Op-Amp dual. Utilitzarem només un Op-Amp com a amplificador sense inversió. El guany de l'amplificador sense inversió es pot establir utilitzant les xarxes de resistències R1 i R2 tal com es mostra a la imatge. Per a la meva aplicació he escollit R1 com a 100K i R2 com a 2.2K, cosa que em proporciona un guany aproximat de 46. La resistència i l'OmpAmp no són perfectes, de manera que cal fer alguns ajustos al programa arduino per obtenir bones lectures (en parlarem que en passos posteriors).

També he fet un projecte sobre com fer un wattímetre per a arduino aquí he comentat més conceptes en detall. Podeu consultar el projecte aquí:

Pas 6: la font d'alimentació

Per subministrar energia al mòdul Arduino, OpAmp, OLED i WiFi, estic fent servir un mòdul convertidor de buck LM2596 per reduir la tensió d’entrada fins a uns 7 volts. Després, mitjançant un regulador de voltatge 7805, estic convertint els 7 volts a 5 volts per a l’Arduino i l’OLED i utilitzar un regulador AMS1117, generant els 3,3 V necessaris per al mòdul WiFi. Per què tant per a la font d'alimentació que demaneu? La raó és que no podeu connectar directament el panell solar a un regulador de 5 volts i esperar que funcioni de manera eficient (ja que és un regulador lineal). També el voltatge nominal d'un panell solar és d'aproximadament 18-20 volts, que pot ser massa alt per al regulador lineal i pot fregir l'electrònica en un tres i no res. Per tant, és millor tenir un convertidor de dòlars eficient al seu lloc

Pas 7: solucionar el convertidor i el regulador Buck

En primer lloc, vaig marcar les posicions on hi cabrien els pins del convertidor de dòlars. Després vaig soldar capçaleres femenines a aquests punts i les capçaleres masculines al convertidor de dòlars (de manera que pugui treure fàcilment el mòdul, si cal). el regulador de 5V es troba just a sota del mòdul convertidor i es connecta a la sortida del convertidor per donar un 5V suau a la placa de control.

Pas 8: afegir un commutador

He afegit un commutador entre el convertidor Buck i les entrades del panell solar, per si voleu activar o desactivar el mòdul d'alimentació. Si està apagat, l’energia encara es lliurarà a la càrrega (controlador de càrrega en el meu cas), només les funcions de mesura i IoT no funcionaran. La imatge superior també mostra el procés de soldadura fins ara.

Pas 9: afegir les capçaleres d'Arduino i solucionar el regulador de 3.3v

Ara he tallat les capçaleres femenines d'acord amb la mida d'Arduino pro mini i les heu soldat. He soldat el regulador AMS1117 directament entre el Vcc i el Gnd de la font d’alimentació Arduino (Arduino obté 5V del regulador 7805 que al seu torn subministra l’AMS1117 per als 3,3v que necessita el mòdul WiFi). He col·locat estratègicament els components de tal manera que he hagut d’utilitzar cables mínims i les peces es poden connectar mitjançant traces de soldadura.

Pas 10: Afegir les capçaleres del mòdul WiFi

He soldat les capçaleres femenines del mòdul WiFi just al costat del lloc on cabria l’Arduino pro mini.

Pas 11: Afegir els components del mòdul WiFi

El mòdul ESP8266 funciona a 3,3 volts i no a 5 volts (aplicant 5 volts, he observat que el mòdul s’escalfa molt i molt probablement si es fa malbé si s’utilitza massa temps). L'Arduino i el mòdul WiFi es comuniquen mitjançant una comunicació serial que utilitza els pins Tx i Rx del mòdul. Podem configurar 2 pins digitals d’arduino perquè actuïn com a pins de sèrie mitjançant la biblioteca de programari de l’IDE arduino. El pin Rx del mòdul va a la Tx d'Arduino i viceversa. El pin Rx de l'ESP funciona amb una lògica de 3,3 V, de manera que utilitzem una xarxa divisòria de voltatge de 2,2 K i 1 K per reduir el nivell lògic de 5 V d'Arduino a aproximadament 3,6 V (cosa que encara és acceptable). Podem connectar directament el Tx d’ESP a Rx d’arduino ja que arduino és compatible amb 3.3v.

Pas 12: Afegir la pantalla OLED

Per connectar la pantalla OLED necessitem 4 connexions, dues per a la font d'alimentació i 2 per al protocol de comunicació I2C amb l'Arduino, que són els pins A4 i A5 de l'Arduino. Utilitzaré un petit cable de pont juntament amb el capçal masculí per connectar els pins I2C i soldar directament les connexions d’alimentació

Pas 13: revisió final del tauler modular

Després de completar finalment tot el procés de soldadura, així és com es veu el tauler. Sí, al final vaig haver d’utilitzar alguns cables, però em va quedar força satisfet amb el resultat. L’interessant és que el tauler és completament modular i tots els components principals es poden eliminar o substituir fàcilment si cal.

Pas 14: ajuntar-ho tot

Així és com es veu el mòdul complet quan tot està al seu lloc.

Arribem a la part del programari ara …

Pas 15: Programació mitjançant la placa FTDI

Per programar aquest mòdul faré servir la placa FTDI, ideal per programar Arduino Pro Mini. La seva assignació de pins està alineada perfectament, de manera que no haureu d’utilitzar ni jumpers ni més ni menys.

Pas 16: Diagrama esquemàtic

Aquest és el diagrama complet del circuit del mòdul de mesurador de potència IoT. He dissenyat aquest esquema a Eagle CAD. No dubteu a descarregar i modificar els fitxers esquemàtics segons les vostres idees:)

Pas 17: resultats

He completat la configuració connectant el mòdul d’alimentació entre el panell solar i el controlador de càrrega i, tan bon punt l’encenem, es connecta al meu encaminador WiFi i les dades es publiquen constantment a l’aplicació Blynk del meu telèfon intel·ligent. Això proporciona les dades en temps real dels paràmetres de càrrega, independentment d’on estigui, sempre que tinguin connectivitat a Internet. Se sent molt bé veure que el projecte funciona bé:)

Amb finalitats experimentals, he provat la configuració amb el meu panell solar de 50 watts i una bateria de plom àcid de 12V 18AH.

Pas 18: el codi Arduino

Aquí teniu el codi Arduino complet que he utilitzat per al meu projecte.

Hi ha algunes biblioteques que necessitareu perquè aquest projecte funcioni correctament:

La biblioteca mestra de Blynk

Biblioteca Adafruit_GFX

Biblioteca Adafruit_SSD1306

Espero que aquest projecte sigui útil. Penseu en donar suport als meus projectes compartint-lo amb la vostra comunitat:)

No dubteu a comentar qualsevol comentari o consulta que tingueu sobre aquest projecte. Que tinguis un bon dia !

Aquest projecte m’ajuda a controlar la quantitat d’energia que obtinc dels meus panells. Fem un pas endavant per anar més cap a les fonts d'energia renovables per reduir les petjades de carboni i crear un entorn sostenible:)