Arduino Energy Meter - V2.0: 12 trinn (med bilder)

2024 Forfatter: John Day | [email protected]. Sist endret: 2024-01-30 11:22

Hei venn, velkommen tilbake etter en lang pause. Tidligere har jeg lagt ut en instruks på Arduino Energy Meter som hovedsakelig var designet for å overvåke strømmen fra solcellepanelet (DC Power) i landsbyen min. Det ble veldig populært på internett, mange mennesker over hele verden har bygget sitt eget. Så mange studenter har gjort det til høyskoleprosjektet sitt ved å ta hjelp fra meg. Likevel, nå mottar jeg e -post og meldinger fra folk med spørsmål angående endring av maskinvare og programvare for å overvåke vekselstrømforbruket.

Så i denne instruksen skal jeg vise deg hvordan du lager en enkel wifi -aktivert AC -energimåler ved å bruke Arduino/Wemos -bord. Ved å bruke denne energimåleren kan du måle strømforbruket til husholdningsapparater. På slutten av prosjektet laget jeg et fint 3D -trykt kabinett for dette prosjektet.

Målet med å skape mer bevissthet om energiforbruk ville være optimalisering og reduksjon i energibruk av brukeren. Dette vil redusere energikostnadene, samt spare energi.

Selvfølgelig finnes det allerede mange kommersielle enheter for energiovervåkning, men jeg ønsket å bygge min egen versjon som skal være enkel og rimelig.

Du finner alle prosjektene mine på:

Trinn 1: Deler og verktøy påkrevd

Nødvendige komponenter:

1. Wemos D1 mini pro (Amazon / Banggood)

2. Gjeldende sensor -ACS712 (Amazon)

3. OLED -skjerm (Amazon / Banggood)

4. 5V strømforsyning (Aliexpress)

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

6. 24 AWG Wire (Amazon)

7. Header Pins (Amazon / Banggood)

8. Jumper-ledninger til menn og kvinner (Amazon)

9. Skrueterminal (Amazon)

10. Standoff (Banggood)

11. Stikkontakt for stikkontakt

12. Strømkontakt

13. Fjærbelastet kontakt (Banggood)

14. vippebryter (Banggood)

15. PLA-filament-sølv (GearBest)

16. PLA-filament-rød (GearBest)

Nødvendige verktøy:

1. Loddejern (Amazon)

2. limpistol (Amazon)

3. Wire Cutter/Stripper (Amazon)

4.3D -skriver (Creality CR10S)

Trinn 2: Hvordan fungerer det?

Blokkediagrammet for hele prosjektet er vist ovenfor.

Strømmen fra vekselstrømnettet trekkes og ledes gjennom en sikring for å unngå skade på kretskortet under en utilsiktet kortslutning.

Deretter fordeles vekselstrømledningen i to deler:

1. Til lasten gjennom gjeldende sensor (ACS712)

2. 230V AC/5V DC strømforsyningsmodul

5V strømforsyningsmodulen gir strøm til mikrokontrolleren (Arduino/Wemos), gjeldende sensor (ACS712) og OLED -skjerm.

Vekselstrømmen som passerer gjennom lasten registreres av den aktuelle sensormodulen (ACS712) og mates til den analoge pinnen (A0) på Arduino/Wemos -kortet. Når den analoge inngangen er gitt til Arduino, blir måling av kraft/energi utført av Arduino -skisse.

Den beregnede effekten og energien fra Arduino/Wemos vises på en 0,96 OLED -skjermmodul.

Den innebygde WiFi -brikken til Wemos er koblet til hjemmeruteren og koblet til Blynk -appen. Så du kan overvåke parametrene samt kalibrere og endre forskjellige innstillinger fra smarttelefonen din via OTA.

Trinn 3: Forstå AC Basics

I vekselstrømskretsanalyse varierer både spenning og strøm sinusformet med tiden.

Ekte kraft (P):

Dette er kraften som brukes av enheten til å produsere nyttig arbeid. Den er uttrykt i kW.

Real Power = Spenning (V) x Strøm (I) x cosΦ

Reaktiv kraft (Q):

Dette kalles ofte imaginær kraft som er et mål på kraft som svinger mellom kilde og belastning, som ikke gjør noe nyttig. Det uttrykkes i kVAr

Reaktiv effekt = Spenning (V) x Strøm (I) x sinΦ

Tilsynelatende kraft (S):

Det er definert som produktet av Root-Mean-Square (RMS) spenning og RMS-strøm. Dette kan også defineres som resultatet av reell og reaktiv effekt. Det uttrykkes i kVA

Tilsynelatende effekt = Spenning (V) x Strøm (I)

Forholdet mellom ekte, reaktiv og tilsynelatende makt:

Real Power = Tilsynelatende Power x cosΦ

Reaktiv kraft = Tilsynelatende kraft x sinΦ

(kVA) ² = (kW) ² + (kVAr) ²

Power Factor (pf):

Forholdet mellom den virkelige effekten og den tilsynelatende effekten i en krets kalles effektfaktoren.

Power Factor = Real Power/tilsynelatende kraft

Fra ovenstående er det klart at vi kan måle alle former for kraft så vel som effektfaktor ved å måle spenning og strøm.

Bildekreditt: openenergymonitor.org

Trinn 4: Aktuell sensor

Vekselstrømmen blir konvensjonelt målt ved bruk av en strømtransformator, men for dette prosjektet ble ACS712 valgt som nåværende sensor på grunn av den lave kostnaden og den mindre størrelsen. ACS712 nåværende sensor er en Hall Effect strøm sensor som nøyaktig måler strøm når den induseres. Magnetfeltet rundt vekselstrømledningen oppdages som gir den tilsvarende analoge utgangsspenningen. Den analoge spenningsutgangen blir deretter behandlet av mikrokontrolleren for å måle strømmen gjennom lasten.

Hvis du vil vite mer om ACS712 -sensoren, kan du besøke dette nettstedet. For en bedre forklaring på hvordan hall-effektsensoren fungerer, har jeg brukt bildet ovenfor fra Embedded-lab.

Trinn 5: Gjeldende måling av ACS712

Utgangen fra ACS712 Current Sensor er en AC -spenningsbølge. Vi må beregne rms -strømmen, dette kan gjøres på følgende måte

1. Måling av topp til topp spenning (Vpp)

2. Del topp til topp spenning (Vpp) med to for å få topp spenning (Vp)

3. Multipliser den med 0,707 for å få rms -spenningen (Vrms)

Multipliser deretter følsomheten til gjeldende sensor (ACS712) for å få rms -strømmen.

Vp = Vpp/2

Vrms = Vp x 0,707

Irms = Vrms x Følsomhet

Følsomheten for ACS712 5A -modulen er 185mV/A, 20A -modulen er 100mV/A og 30A -modulen er 66mV/A.

Tilkoblingen for den nåværende sensoren er som nedenfor

ACS712 Arduino/Wemos

VCC ------ 5V

UT ----- A0

GND ----- GND

Trinn 6: Beregning av kraft og energi

Tidligere har jeg beskrevet det grunnleggende om de forskjellige formene for vekselstrøm. Som en husholdningsbruker er den virkelige effekten (kW) vår største bekymring. For å beregne den virkelige effekten må vi måle rms -spenningen, rms -strømmen og effektfaktoren (pF).

Vanligvis er nettspenningen på min plassering (230V) nesten konstant (svingninger er ubetydelige). Så jeg forlater en sensor for å måle spenningen. Ingen tvil om du kobler til en spenningssensor, målenøyaktigheten er bedre enn i mitt tilfelle. Uansett, denne metoden er en billig og enkel måte å fullføre prosjektet og oppfylle målet.

En annen grunn til ikke å bruke spenningssensoren skyldes begrensningen av Wemos analoge pinne (bare en). Selv om ekstra sensor kan kobles til ved å bruke en ADC som ADS1115, forlater jeg den foreløpig. I fremtiden, hvis jeg får tid, vil jeg definitivt legge den til.

Lastens effektfaktor kan endres under programmeringen eller fra Smartphone -appen.

Real Power (W) = Vrms x Irms x Pf

Vrms = 230V (kjent)

Pf = 0,85 (kjent)

Irms = avlesning fra gjeldende sensor (ukjent)

Bildekreditt: imgoat

Trinn 7: Grensesnitt med Blynk App

Siden Wemos -kortet har innebygd WiFi -brikke, tenkte jeg å koble den til ruteren min og overvåke energien til hjemmeapparatet fra smarttelefonen min. Fordelene med å bruke Wemos -kortet i stedet for Arduino er: kalibrering av sensoren og endring av parameterverdien fra smarttelefonen via OTA uten å fysisk programmere mikrokontrolleren gjentatte ganger.

Jeg søkte etter det enkle alternativet slik at alle med liten erfaring kan klare det. Det beste alternativet jeg fant er å bruke Blynk -appen. Blynk er en app som gir full kontroll over Arduino, ESP8266, Rasberry, Intel Edison og mye mer maskinvare. Den er kompatibel med både Android og iPhone. I Blynk går alt på ⚡️Energi. Når du oppretter en ny konto, får du,️2 000 for å begynne å eksperimentere; Hver widget trenger litt energi for å fungere. For dette prosjektet trenger du 24️ 2400, så du må kjøpe ekstra energi ️⚡️400 (kostnaden er mindre enn $ 1)

Jeg. Måler - 2 x ⚡️200 = ⚡️400

ii. Merket verdiskjerm - 2 x 400️400 = ⚡️800

iii. Glidebrytere - 4 x 200️200 = ⚡️800

iv. Meny - 1x ⚡️400 = ⚡️400

Total energi som kreves for dette prosjektet = 400+800+800+400 = ⚡️2400

Følg trinnene nedenfor:

Trinn 1: Last ned Blynk-appen

1. For Android

2. For iPhone

Trinn 2: Få Auth Token

For å koble til Blynk App og maskinvaren din, trenger du et Auth Token.1. Opprett en ny konto i Blynk App.

2. Trykk på QR -ikonet på den øverste menylinjen. Lag en klon av dette prosjektet ved å skanne QR -koden vist ovenfor. Når det er oppdaget, vil hele prosjektet ligge på telefonen din umiddelbart.

3. Etter at prosjektet ble opprettet, sender vi deg Auth Token via e -post.

4. Sjekk innboksen din og finn Auth Token.

Trinn 3: Forbereder Arduino IDE for Wemos Board

For å laste opp Arduino -koden til Wemos -kortet, må du følge denne instruksen

Trinn 4: Installer bibliotekene

Deretter må du importere biblioteket til Arduino IDE

Last ned Blynk -biblioteket

Last ned bibliotekene for OLED Display: i. Adafruit_SSD1306 ii. Adafruit-GFX-bibliotek

Trinn 5: Arduino Sketch

Etter at du har installert bibliotekene ovenfor, limer du inn Arduino -koden som er gitt nedenfor.

Skriv inn autorisasjonskoden fra trinn 1, ssid og passord for ruteren.

Last deretter opp koden.

Trinn 8: Forbered kretskortet

For å gjøre kretsen pen og ren, laget jeg et kretskort ved å bruke et prototypekort på 4x6 cm. Først loddet jeg Male Headers Pin til Wemos Board. Deretter loddet jeg de kvinnelige hodene på prototypebrettet for å montere de forskjellige brettene:

1. Wemos Board (2 x 8 Pins Female Header)

2. 5V DC strømforsyningskort (2 pins +3 pins Female Header)

3. Gjeldende sensormodul (tre pins kvinnelig topptekst)

4. OLED -skjerm (4 -pins kvinnelig topptekst)

Til slutt loddet jeg en 2 -pinners skrueterminal for inngang AC -forsyning til strømforsyningsenheten.

Etter lodding av alle toppene, gjør du tilkoblingen som vist ovenfor. Jeg brukte 24 AWG loddetråd for all tilkobling.

Tilkoblingen er som følger

1. ACS712:

ACS712 Wemos

Vcc- 5V

Gnd - GND

Vout-A0

2. OLED -skjerm:

OLED Wemos

Vcc- 5V

Gnd-- GND

SCL-- D1

SDA-D2

3. strømforsyningsmodul:

AC -inngangspinnen (2 -pins) på strømforsyningsmodulen som er koblet til skrueterminalen.

Utgangen V1pin er koblet til Wemos 5V og GND -pinnen er koblet til Wemos GND -pinnen.

Trinn 9: 3D -trykt kabinett

For å gi et hyggelig kommersielt produktutseende, designet jeg et kabinett for dette prosjektet. Jeg brukte Autodesk Fusion 360 til å designe kabinettet. Kapslingen har to deler: Bunn og topplokk. Du kan laste ned. STL -filene fra Thingiverse.

Den nederste delen er i utgangspunktet designet for å passe til hovedkortet (4 x6 cm), gjeldende sensor og sikringsholder. Det øverste lokket er for å montere stikkontakten og OLED -skjermen.

Jeg brukte min Creality CR-10S 3D-skriver og 1,75 mm sølv PLA og rødt PLA-filament for å skrive ut delene. Det tok meg omtrent 5 timer å skrive ut hoveddelen og rundt 3 timer å skrive ut topplokket.

Mine innstillinger er:

Utskriftshastighet: 60 mm/s

Laghøyde: 0,3

Fylltetthet: 100%

Ekstruder temperatur: 205 grader

Sengetemperatur: 65 grader

Trinn 10: AC -koblingsskjema

Strømledningen har tre ledninger: Linje (rød), Nøytral (svart) og Jord (grønn).

Den røde ledningen fra strømledningen er koblet til en terminal på sikringen. Den andre terminalen på sikringen er koblet til fjærbelastede to terminalkontakter. Den svarte ledningen er direkte koblet til den fjærbelastede kontakten.

Nå er strømmen som kreves for kretskortet (Wemos, OLED og ACS712) tapet av etter den fjærbelastede kontakten. For å isolere hovedkortet er en vippebryter koblet i serie. Se kretsdiagrammet ovenfor.

Deretter kobles den røde ledningen (linjen) til AC -kontakten "L" -kontakten, og den grønne ledningen (jord) kobles til den midtre terminalen (merket som G).

Den nøytrale terminalen er koblet til en terminal på ACS712 strømføleren. Den andre terminalen på ACS712 er koblet tilbake til den fjærbelastede kontakten.

Når alle de eksterne tilkoblingene er fullført, må du undersøke platen grundig og rengjøre den for å fjerne loddefluksrester.

Merk: Ikke berør noen del av kretsen mens den er under strøm. Enhver utilsiktet berøring kan føre til dødelig skade eller død. Vær trygg under arbeidet, jeg er ikke ansvarlig for tap.

Trinn 11: Installer alle komponentene

Sett komponentene (vekselstrømkontakt, vippebryter og OLED -skjerm) på de øverste lokkene som vist på bildet. Fest deretter skruene. Den nederste delen har 4 standoffs for montering av hovedkortet. Først setter du messingavstanden inn i hullet som vist ovenfor. Fest deretter 2M -skruen i de fire hjørnene.

Plasser sikringsholderen og strømføleren på sporet på bunnen. Jeg brukte 3M monteringsruter for å feste dem på basen. Legg deretter alle ledningene riktig.

Legg til slutt topplokket og fest de 4 mutrene (3M x16) i hjørnene.

Trinn 12: Avsluttende testing

Koble strømledningen til energimåleren til stikkontakten.

Endre følgende parametere fra Blynk -appen

1. Skyv CALIBRATE -glidebryteren for å få gjeldende null når ingen belastning er tilkoblet.

2. Mål strømforsyningsspenningen i hjemmet ved å bruke et multimeter, og angi det ved å skyve glidebryteren for TILFØRSELSPENNING.

3. Still inn effektfaktoren

4. Skriv inn energitariffen der du bor.

Koble deretter til apparatet hvis strøm skal måles til kontakten på energimåleren. Nå er du klar til å måle energien som forbrukes av den.

Håper du likte å lese om prosjektet mitt like mye som jeg har hatt under byggingen.

Hvis du har forslag til forbedringer, vennligst kommenter det nedenfor. Takk!

Andreplass i mikrokontrollerkonkurransen