Mesurador d'energia Arduino - V2.0: 12 passos (amb imatges)

2024 Autora: John Day | [email protected]. Última modificació: 2024-01-30 08:13

Hola amic, benvingut després d'un llarg descans. Anteriorment he publicat un Instructables sobre Arduino Energy Meter, que es va dissenyar principalment per controlar la potència del panell solar (corrent continu) del meu poble. Es va fer molt popular a Internet, molta gent de tot el món n’ha creat les seves. Molts estudiants han aconseguit el seu projecte universitari agafant-me ajuda. Tot i això, ara rebo correus electrònics i missatges de persones amb preguntes sobre modificacions de maquinari i programari per controlar el consum d'energia de CA.

Així, doncs, en aquest manual d’instruccions, us mostraré com fer un simple mesurador d’energia CA activat per wifi mitjançant la placa Arduino / Wemos. En utilitzar aquest mesurador d’energia, podeu mesurar el consum d’energia de qualsevol electrodomèstic. Al final del projecte, vaig fer un bonic recinte imprès en 3D per a aquest projecte.

L’objectiu de crear més consciència sobre el consum d’energia seria l’optimització i la reducció del consum d’energia per part de l’usuari. D’aquesta manera es reduirien els costos energètics i es conservaria l’energia.

Per descomptat, ja existeixen molts dispositius comercials per al control de l’energia, però volia construir la meva pròpia versió que sigui senzilla i de baix cost.

Podeu trobar tots els meus projectes a:

Pas 1: es requereixen peces i eines

Components necessaris:

1. Wemos D1 mini pro (Amazon / Banggood)

2. Sensor de corrent -ACS712 (Amazon)

3. Pantalla OLED (Amazon / Banggood)

4. Font d'alimentació de 5V (Aliexpress)

5. Tauler prototip - 4 x 6 cm (Amazon / Banggood)

6. 24 AWG Wire (Amazon)

7. Pins de capçalera (Amazon / Banggood)

8. Filferros de pont masculí-femení (Amazon)

9. Terminal de cargol (Amazon)

10. Distanci (Banggood)

11. Presa de corrent altern

12. Endoll de CA.

13. Connector de molla (Banggood)

14. Interruptor basculant (Banggood)

15. PLA Filament-Silver (GearBest)

16. PLA Filament-Red (GearBest)

Eines necessàries:

1. Soldador (Amazon)

2. Pistola de cola (Amazon)

3. Cortador de filferro / Stripper (Amazon)

Impressora 4.3D (Creality CR10S)

Pas 2: Com funciona?

El diagrama de blocs de tot el projecte es mostra a la part superior.

L’alimentació de la xarxa de corrent altern es fa i passa a través d’un fusible per evitar qualsevol dany a la placa de circuit durant el curtcircuit accidental.

A continuació, la línia d’alimentació de CA es distribueix en dues parts:

1. A la càrrega a través del sensor de corrent (ACS712)

2. Mòdul d'alimentació de 230V CA / 5V CC

El mòdul d’alimentació de 5 V proporciona energia al microcontrolador (Arduino / Wemos), al sensor de corrent (ACS712) i a la pantalla OLED.

El corrent de CA que travessa la càrrega és detectat pel mòdul del sensor de corrent (ACS712) i alimentat al pin analògic (A0) de la placa Arduino / Wemos. Un cop es dóna l'entrada analògica a Arduino, la mesura de potència / energia es realitza mitjançant Arduino sketch.

La potència i l'energia calculades per Arduino / Wemos es mostren en un mòdul de pantalla OLED de 0,96.

El xip WiFi integrat del Wemos està connectat al Home Router i enllaçat a l’aplicació Blynk. Per tant, podeu controlar els paràmetres, així com calibrar i modificar diferents paràmetres del vostre telèfon intel·ligent mitjançant OTA.

Pas 3: entendre els conceptes bàsics de AC

En l'anàlisi de circuits de corrent altern, tant el voltatge com el corrent varien sinusoïdalment amb el temps.

Potència real (P):

Aquesta és la potència que fa servir el dispositiu per produir un treball útil i s’expressa en kW.

Potència real = Voltatge (V) x Corrent (I) x cosΦ

Potència reactiva (Q):

Sovint s’anomena potència imaginària, que és una mesura de la potència que oscil·la entre la font i la càrrega, que no fa cap treball útil. S’expressa en kVAr

Potència reactiva = Voltatge (V) x Corrent (I) x sinΦ

Potència aparent (S):

Es defineix com el producte de la tensió mitjana-arrel (RMS) i del corrent RMS. Això també es pot definir com el resultat de la potència real i reactiva. S'expressa en kVA

Potència aparent = Voltatge (V) x Corrent (I)

Relació entre poder real, reactiu i aparent:

Potència real = Potència aparent x cosΦ

Potència reactiva = Potència aparent x sinΦ

(kVA) ² = (kW) ² + (kVAr) ²

Factor de potència (pf):

La proporció de la potència real amb la potència aparent en un circuit s’anomena factor de potència.

Factor de potència = Potència real / Potència aparent

De l'anterior, queda clar que, podem mesurar totes les formes de potència i factor de potència mesurant la tensió i el corrent.

Crèdit de la imatge: openenergymonitor.org

Pas 4: sensor de corrent

El corrent altern es mesura convencionalment mitjançant l’ús d’un transformador de corrent, però per a aquest projecte es va escollir ACS712 com a sensor de corrent a causa del seu baix cost i la seva mida més petita. El sensor de corrent ACS712 és un sensor de corrent d'efecte Hall que mesura amb precisió el corrent quan és induït. Es detecta el camp magnètic al voltant del cable de corrent altern que dóna la tensió de sortida analògica equivalent. El microcontrolador processa la sortida de tensió analògica per mesurar el flux de corrent a través de la càrrega.

Per obtenir més informació sobre el sensor ACS712, podeu visitar aquest lloc. Per obtenir una millor explicació sobre el funcionament del sensor d'efecte hall, he utilitzat la imatge anterior d'Embedded-lab.

Pas 5: mesura actual per ACS712

La sortida del sensor de corrent ACS712 és una ona de tensió de CA. Hem de calcular el corrent eficaç, això es pot fer de la següent manera

1. Mesura del voltatge de pic a pic (Vpp)

2. Divideix el voltatge de pic a pic (Vpp) per dos per obtenir la tensió de pic (Vp)

3. Multipliqueu-lo per 0,707 per obtenir la tensió RMS (Vrms)

A continuació, multipliqueu la sensibilitat del sensor de corrent (ACS712) per obtenir el corrent RMS.

Vp = Vpp / 2

Vrms = Vp x 0,707

Irms = Vrms x Sensibilitat

La sensibilitat del mòdul ACS712 5A és de 185mV / A, el mòdul de 20A és de 100mV / A i el mòdul de 30A és de 66mV / A.

La connexió del sensor actual és la següent

ACS712 Arduino / Wemos

VCC ------ 5V

OUT ----- A0

GND ----- GND

Pas 6: càlcul de potència i energia

Anteriorment he descrit els conceptes bàsics de les diverses formes d'energia de corrent altern. En ser un usuari domèstic, la potència real (kW) és la nostra principal preocupació. Per calcular la potència real hem de mesurar la tensió RMS, el corrent RMS i el factor de potència (pF).

Normalment, la tensió de xarxa a la meva ubicació (230V) és gairebé constant (la fluctuació és insignificant). Així que deixo un sensor per mesurar el voltatge. Sens dubte, si connecteu un sensor de tensió, la precisió de la mesura és millor que en el meu cas. De totes maneres, aquest mètode és una manera senzilla i econòmica de completar el projecte i complir l'objectiu.

Una altra raó per la qual no s’utilitza el sensor de tensió es deu a la limitació del pin analògic Wemos (només un). Tot i que es pot connectar un sensor addicional mitjançant un ADC com l’ADS1115, de moment ho deixo. En el futur, si tinc temps, segur que l’afegiré.

El factor de potència de la càrrega es pot canviar durant la programació o des de l'aplicació Smartphone.

Potència real (W) = Vrms x Irms x Pf

Vrms = 230V (conegut)

Pf = 0,85 (conegut)

Irms = lectura del sensor actual (desconegut)

Crèdit de la imatge: imgoat

Pas 7: Interfície amb l'aplicació Blynk

Com que la placa Wemos té un xip WiFi integrat, vaig pensar a connectar-lo al router i controlar l'energia dels electrodomèstics des del meu telèfon intel·ligent. Els avantatges d’utilitzar la placa Wemos en lloc d’Arduino són: calibrar el sensor i canviar el valor del paràmetre des del telèfon intel·ligent mitjançant OTA sense programar físicament el microcontrolador repetidament.

He buscat l'opció senzilla perquè qualsevol persona amb poca experiència pugui fer-la. La millor opció que he trobat és utilitzar l’aplicació Blynk. Blynk és una aplicació que permet un control complet sobre Arduino, ESP8266, Rasberry, Intel Edison i molt més maquinari. És compatible amb Android i iPhone. A Blynk tot funciona amb ⚡️Energy. Quan creeu un compte nou, obteniu ⚡️2.000 per començar a experimentar; Tots els ginys necessiten una mica d’energia per funcionar. Per a aquest projecte, necessiteu ⚡️2400, de manera que heu de comprar energia addicional ️⚡️400 (el cost és inferior a 1 $)

jo. Indicador: 2 x ⚡️200 = ⚡️400

ii. Visualització de valor etiquetat: 2 x ⚡️400 = ⚡️800

iii. Control lliscant: 4 x ⚡️200 = ⚡️800

iv. Menú: 1x ⚡️400 = ⚡️400

Energia total necessària per a aquest projecte = 400 + 800 + 800 + 400 = ⚡️2400

Seguiu els passos següents:

Pas 1: baixeu l'aplicació Blynk

1. Per a Android

2. Per a iPhone

Pas 2: obteniu el testimoni d'autenticació

Per connectar l’aplicació Blynk i el vostre maquinari, necessiteu un testimoni d’autenticació. Creeu un compte nou a l'aplicació Blynk.

2. Premeu la icona QR a la barra de menú superior. Creeu un clon d’aquest projecte escanejant el codi QR que es mostra més amunt. Un cop detectat amb èxit, tot el projecte estarà al vostre telèfon immediatament.

3. Un cop creat el projecte, us enviarem un testimoni d'autenticació per correu electrònic.

4. Comproveu la safata d'entrada del correu electrònic i cerqueu el testimoni d'autenticació.

Pas 3: Preparació de l'IDE Arduino per a la junta de Wemos

Per carregar el codi Arduino al tauler de Wemos, heu de seguir aquestes instruccions

Pas 4: instal·leu les biblioteques

Després, heu d’importar la biblioteca al vostre IDE Arduino

Descarregueu la biblioteca de Blynk

Descarregueu les biblioteques per a la pantalla OLED: i. Adafruit_SSD1306 ii. Biblioteca Adafruit-GFX

Pas 5: Arduino Sketch

Després d’instal·lar les biblioteques anteriors, enganxeu el codi Arduino que es mostra a continuació.

Introduïu el codi d'autenticació del pas 1, ssid i contrasenya del vostre encaminador.

A continuació, pengeu el codi.

Pas 8: prepareu la placa de circuit

Per fer el circuit net i net, vaig fer una placa de circuits mitjançant un prototip de placa de 4x6 cm. Primer vaig soldar el Pin masculí de capçaleres al consell de Wemos. Després vaig soldar les capçaleres femenines del tauler prototip per muntar les diferents taules:

1. Tauler Wemos (capçalera femella de 2 x 8 pins)

2. Tauler d'alimentació de 5V CC (capçalera femella de 2 pins +3 pins)

3. Mòdul del sensor de corrent (capçal femení de 3 pins)

4. Pantalla OLED (capçalera femenina de 4 pines)

Per fi, he soldat un terminal de cargol de 2 pins per a l’entrada d’alimentació de CA a la font d’alimentació.

Després de soldar tots els passadors de capçalera, feu la connexió tal com es mostra a la part anterior. Vaig utilitzar 24 fils de soldadura AWG per a tota la connexió.

La connexió és la següent

1. ACS712:

ACS712 Wemos

Vcc-- 5V

Gnd - GND

Vout - A0

2. Pantalla OLED:

WLED OLED

Vcc-- 5V

Gnd-- GND

SCL-- D1

SDA - D2

3. Mòdul d'alimentació:

El pin d'entrada de CA (2 pins) del mòdul d'alimentació connectat al terminal de cargol.

La sortida V1pin està connectada a Wemos 5V i el pin GND està connectat al pin Wemos GND.

Pas 9: recinte imprès en 3D

Per donar un bon aspecte de producte comercial, vaig dissenyar un recinte per a aquest projecte. Vaig utilitzar Autodesk Fusion 360 per dissenyar el recinte. El recinte té dues parts: tapa inferior i tapa superior. Podeu descarregar els fitxers. STL de Thingiverse.

La part inferior està dissenyada bàsicament per adaptar-se al PCB principal (4 x 6 cm), al sensor de corrent i al portafusibles. La tapa superior és per muntar el sòcol de CA i la pantalla OLED.

Vaig utilitzar la meva impressora 3D Creality CR-10S i un filament PLA platejat de color vermell i 1,75 mm PLA per imprimir les peces. Vaig trigar unes 5 hores a imprimir el cos principal i unes 3 hores a imprimir la tapa superior.

La meva configuració és:

Velocitat d’impressió: 60 mm / s

Alçada de la capa: 0,3

Densitat d'ompliment: 100%

Temperatura de l'extrusora: 205 ° C

Temperatura del llit: 65 ° C

Pas 10: Esquema de cablejat de CA

El cable d'alimentació de CA té 3 cables: Línia (vermell), Neutre (negre) i Terra (verd).

El cable vermell del cable d'alimentació està connectat a un terminal del fusible. L'altre terminal del fusible està connectat a dos connectors de terminal carregats amb molla. El fil negre connectat directament al connector de molla.

Ara, l’alimentació necessària per a la placa de circuit (Wemos, OLED i ACS712) es tanca després del connector de molla. Per aïllar la placa de circuit principal, es connecta un interruptor basculant en sèrie. Vegeu l’esquema de circuits anterior.

A continuació, el cable vermell (línia) es connecta al terminal "L" de la presa de corrent altern i el cable verd (terra) es connecta al terminal central (marcat com a G).

El terminal neutre està connectat a un terminal del sensor de corrent ACS712. L’altre terminal de l’ACS712 es torna a connectar al connector de molla.

Quan hagueu acabat totes les connexions externes, feu una inspecció molt acurada de la placa i netegeu-la per eliminar els residus de flux de soldadura.

Nota: No toqueu cap part del circuit mentre estigui subalimentada. Qualsevol toc accidental pot provocar lesions mortals o la mort. Estigueu segur durant el treball, no seré responsable de cap pèrdua.

Pas 11: Instal·leu tots els components

Introduïu els components (endoll de corrent altern, interruptor basculant i pantalla OLED) a les ranures de la tapa superior, tal com es mostra a la imatge. A continuació, fixeu els cargols. La part inferior té 4 separadors per muntar la placa principal de PCB. Primer, introduïu el separador de llautó al forat tal com es mostra a la part superior. A continuació, fixeu el cargol 2M a les quatre cantonades.

Col·loqueu el portafusibles i el sensor de corrent a la ranura que es proporciona al recinte inferior. He utilitzat quadres de muntatge 3M per enganxar-los a la base. A continuació, enruteu tots els cables correctament.

Finalment, col·loqueu la tapa superior i fixeu les 4 femelles (3M x16) a les cantonades.

Pas 12: proves finals

Connecteu el cable d'alimentació del mesurador d'energia a la presa de corrent.

Canvieu els paràmetres següents des de l'aplicació Blynk

1. Feu lliscar el control lliscant CALIBRAR per obtenir el zero actual quan no hi ha cap càrrega connectada.

2. Mesureu la tensió de subministrament de CA de casa mitjançant un multímetre i configureu-la fent lliscar el control lliscant SUPPLY VOLTAGE.

3. Definiu el factor de potència

4. Introduïu la tarifa energètica a la vostra ubicació.

A continuació, endolleu l’aparell la potència del qual es mesuri a la presa del comptador d’energia. Ara ja esteu a punt per mesurar l’energia que consumeix.

Espero que us hagi agradat llegir sobre el meu projecte tant com he gaudit durant la seva construcció.

Si teniu algun suggeriment de millora, comenteu-lo a continuació. Gràcies!

Accèssit al concurs de microcontroladors