Arduino Energy Meter - V2.0: 12 βήματα (με εικόνες)

2024 Συγγραφέας: John Day | [email protected]. Τελευταία τροποποίηση: 2024-01-30 08:34

Γεια σου φίλε, καλώς ήρθες μετά από ένα μεγάλο διάλειμμα. Νωρίτερα είχα δημοσιεύσει ένα Instructables στο Arduino Energy Meter, το οποίο σχεδιάστηκε κυρίως για να παρακολουθεί την ισχύ από τον ηλιακό πίνακα (DC Power) στο χωριό μου. Έγινε πολύ δημοφιλές στο διαδίκτυο, πολλοί άνθρωποι σε όλο τον κόσμο έχουν φτιάξει το δικό τους. Τόσοι πολλοί φοιτητές τα κατάφεραν για το έργο του κολλεγίου παίρνοντας βοήθεια από μένα. Ακόμα, τώρα λαμβάνω μηνύματα ηλεκτρονικού ταχυδρομείου και μηνύματα από άτομα με ερωτήσεις σχετικά με την τροποποίηση υλικού και λογισμικού για την παρακολούθηση της κατανάλωσης AC.

Έτσι, σε αυτό το Instructables, θα σας δείξω πώς να φτιάξετε έναν απλό μετρητή εναλλασσόμενου ρεύματος ενεργοποιημένου wifi χρησιμοποιώντας τον πίνακα Arduino/Wemos. Χρησιμοποιώντας αυτόν τον μετρητή ενέργειας, μπορείτε να μετρήσετε την κατανάλωση ενέργειας κάθε οικιακής συσκευής. Στο τέλος του έργου, έφτιαξα ένα ωραίο τρισδιάστατο περίβλημα για αυτό το έργο.

Ο στόχος της δημιουργίας περισσότερης ευαισθητοποίησης σχετικά με την κατανάλωση ενέργειας θα ήταν η βελτιστοποίηση και η μείωση της χρήσης ενέργειας από τον χρήστη. Αυτό θα μειώσει το ενεργειακό τους κόστος, καθώς και θα εξοικονομήσει ενέργεια.

Φυσικά, υπάρχουν ήδη πολλές εμπορικές συσκευές για την παρακολούθηση της ενέργειας, αλλά ήθελα να φτιάξω τη δική μου έκδοση που θα είναι απλή και χαμηλού κόστους.

Μπορείτε να βρείτε όλα τα έργα μου στη διεύθυνση:

Βήμα 1: Απαιτούνται εξαρτήματα και εργαλεία

Απαιτούμενα εξαρτήματα:

1. Wemos D1 mini pro (Amazon / Banggood)

2. Αισθητήρας ρεύματος -ACS712 (Amazon)

3. Οθόνη OLED (Amazon / Banggood)

4. Τροφοδοτικό 5V (Aliexpress)

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

6. 24 AWG Wire (Amazon)

7. Καρφίτσες κεφαλίδας (Amazon / Banggood)

8. Male-Female Jumper Wires (Amazon)

9. Screw Terminal (Amazon)

10. Standoff (Banggood)

11. Πρίζα AC Socket

12. AC Plug

13. Σύνδεσμος με ελατήριο (Banggood)

14. Rocker Switch (Banggood)

15. PLA Filament-Silver (GearBest)

16. PLA Filament-Red (GearBest)

Απαιτούμενα εργαλεία:

1. Συγκολλητικό σίδερο (Amazon)

2. Κόλλα Gun (Amazon)

3. Wire Cutter/Stripper (Amazon)

4.3D εκτυπωτής (Creality CR10S)

Βήμα 2: Πώς λειτουργεί;

Το μπλοκ διάγραμμα όλου του έργου φαίνεται παραπάνω.

Η τροφοδοσία ρεύματος από το δίκτυο εναλλασσόμενου ρεύματος αντλείται και περνά μέσω μιας ασφάλειας για την αποφυγή τυχόν ζημιάς στην πλακέτα κυκλώματος κατά τη διάρκεια του τυχαίου βραχυκυκλώματος.

Στη συνέχεια, η γραμμή τροφοδοσίας AC κατανέμεται σε δύο μέρη:

1. Στο φορτίο μέσω του τρέχοντος αισθητήρα (ACS712)

2. Μονάδα τροφοδοσίας 230V AC/5V DC

Η μονάδα τροφοδοσίας 5V παρέχει ισχύ στον μικροελεγκτή (Arduino/Wemos), στον αισθητήρα ρεύματος (ACS712) και στην οθόνη OLED.

Το ρεύμα εναλλασσόμενου ρεύματος που διέρχεται από το φορτίο ανιχνεύεται από τη μονάδα αισθητήρα ρεύματος (ACS712) και τροφοδοτείται στον αναλογικό πείρο (A0) της πλακέτας Arduino/Wemos. Μόλις δοθεί η αναλογική είσοδος στο Arduino, η μέτρηση ισχύος/ενέργειας γίνεται με σκίτσο Arduino.

Η υπολογιζόμενη ισχύς και ενέργεια από το Arduino/Wemos εμφανίζεται σε μονάδα οθόνης OLED 0,96.

Το ενσωματωμένο τσιπ WiFi του Wemos συνδέεται με το Home Router και συνδέεται με την εφαρμογή Blynk. Έτσι, μπορείτε να παρακολουθείτε τις παραμέτρους καθώς και να βαθμονομείτε και να τροποποιείτε διαφορετικές ρυθμίσεις από το Smartphone σας μέσω OTA.

Βήμα 3: Κατανόηση των βασικών AC

Στην ανάλυση κυκλώματος AC, τόσο η τάση όσο και το ρεύμα ποικίλλουν ημιτονοειδώς με το χρόνο.

Πραγματική ισχύς (P):

Αυτή είναι η ισχύς που χρησιμοποιεί η συσκευή για την παραγωγή χρήσιμων εργασιών. Εκφράζεται σε kW.

Πραγματική ισχύς = Τάση (V) x Ρεύμα (I) x cosΦ

Αντιδραστική ισχύς (Q):

Αυτό συχνά ονομάζεται φανταστική ισχύς που είναι ένα μέτρο ισχύος ταλαντεύεται μεταξύ πηγής και φορτίου, που δεν κάνει χρήσιμη εργασία. Εκφράζεται σε kVAr

Αντιδραστική ισχύς = Τάση (V) x Ρεύμα (I) x sinΦ

Φαινομενική ισχύς (ες):

Ορίζεται ως το προϊόν της τάσης Root-Mean-Square (RMS) και του ρεύματος RMS. Αυτό μπορεί επίσης να οριστεί ως το αποτέλεσμα πραγματικής και αντιδραστικής ισχύος. Εκφράζεται σε kVA

Φαινομενική ισχύς = Τάση (V) x Ρεύμα (I)

Σχέση μεταξύ πραγματικής, αντιδραστικής και φαινομενικής δύναμης:

Πραγματική Ισχύς = Φαινομενική Ισχύς x cosΦ

Αντιδραστική ισχύς = Φαινομενική ισχύς x sinΦ

(kVA) ² = (kW) + (kVAr)

Συντελεστής ισχύος (pf):

Ο λόγος της πραγματικής ισχύος προς τη φαινομενική ισχύ σε ένα κύκλωμα ονομάζεται συντελεστής ισχύος.

Συντελεστής ισχύος = πραγματική ισχύς/φαινομενική ισχύς

Από τα παραπάνω είναι σαφές ότι, μπορούμε να μετρήσουμε κάθε μορφή ισχύος καθώς και συντελεστή ισχύος μετρώντας την τάση και το ρεύμα.

Πιστωτική εικόνα: openenergymonitor.org

Βήμα 4: Αισθητήρας Currrent

Το ρεύμα εναλλασσόμενου ρεύματος μετριέται συμβατικά με τη χρήση μετασχηματιστή ρεύματος, αλλά για αυτό το έργο, το ACS712 επιλέχθηκε ως αισθητήρας ρεύματος λόγω του χαμηλού κόστους και του μικρότερου μεγέθους του. Ο αισθητήρας ρεύματος ACS712 είναι ένας αισθητήρας ρεύματος Hall Effect που μετρά με ακρίβεια το ρεύμα όταν προκαλείται. Ανιχνεύεται το μαγνητικό πεδίο γύρω από το καλώδιο AC το οποίο δίνει την αντίστοιχη αναλογική τάση εξόδου. Στη συνέχεια, η έξοδος αναλογικής τάσης υποβάλλεται σε επεξεργασία από τον μικροελεγκτή για τη μέτρηση της ροής ρεύματος μέσω του φορτίου.

Για να μάθετε περισσότερα σχετικά με τον αισθητήρα ACS712, μπορείτε να επισκεφθείτε αυτόν τον ιστότοπο. Για καλύτερη εξήγηση σχετικά με τη λειτουργία του αισθητήρα εφέ αίθουσας, χρησιμοποίησα την παραπάνω εικόνα από το Embedded-lab.

Βήμα 5: Τρέχουσα μέτρηση από ACS712

Η έξοδος από τον αισθητήρα ρεύματος ACS712 είναι ένα κύμα τάσης AC. Πρέπει να υπολογίσουμε το ρεύμα rms, αυτό μπορεί να γίνει με τον ακόλουθο τρόπο

1. Μέτρηση της τάσης κορυφής σε αιχμή (Vpp)

2. Διαιρέστε την τάση αιχμής σε κορυφή (Vpp) με δύο για να λάβετε τάση αιχμής (Vp)

3. Πολλαπλασιάστε το με 0,707 για να λάβετε την τάση rms (Vrms)

Στη συνέχεια, πολλαπλασιάστε την ευαισθησία του τρέχοντος αισθητήρα (ACS712) για να λάβετε το ρεύμα rms.

Vp = Vpp/2

Vrms = Vp x 0,707

Irms = Vrms x Ευαισθησία

Η ευαισθησία για τη μονάδα ACS712 5A είναι 185mV/A, η μονάδα 20A είναι 100mV/A και η μονάδα 30A είναι 66mV/A.

Η σύνδεση για τον τρέχοντα αισθητήρα είναι όπως παρακάτω

ACS712 Arduino/Wemos

VCC ------ 5V

ΕΞΩ ----- A0

GND ----- GND

Βήμα 6: Υπολογισμός ισχύος και ενέργειας

Νωρίτερα έχω περιγράψει τα βασικά της ποικίλης μορφής AC Power. Όντας οικιακός χρήστης, η πραγματική ισχύς (kW) είναι το κύριο μέλημά μας. Για να υπολογίσουμε την πραγματική ισχύ πρέπει να μετρήσουμε την τάση rms, το ρεύμα rms και τον συντελεστή ισχύος (pF).

Συνήθως, η τάση δικτύου στην τοποθεσία μου (230V) είναι σχεδόν σταθερή (η διακύμανση είναι αμελητέα). Έτσι αφήνω έναν αισθητήρα για τη μέτρηση της τάσης. Αναμφίβολα αν συνδέσετε έναν αισθητήρα τάσης, η ακρίβεια μέτρησης είναι καλύτερη από ό, τι στην περίπτωσή μου. Τέλος πάντων, αυτή η μέθοδος είναι ένας φθηνός και απλός τρόπος για την ολοκλήρωση του έργου και την εκπλήρωση του στόχου.

Ένας άλλος λόγος για τη μη χρήση του αισθητήρα τάσης οφείλεται στον περιορισμό της αναλογικής ακίδας Wemos (μόνο μία). Αν και ο επιπλέον αισθητήρας μπορεί να συνδεθεί χρησιμοποιώντας ένα ADC όπως το ADS1115, προς το παρόν, τον αφήνω. Στο μέλλον, αν βρω χρόνο θα το προσθέσω σίγουρα.

Ο συντελεστής ισχύος του φορτίου μπορεί να αλλάξει κατά τον προγραμματισμό ή από την εφαρμογή Smartphone.

Πραγματική ισχύς (W) = Vrms x Irms x Pf

Vrms = 230V (γνωστό)

Pf = 0,85 (γνωστό)

Irms = ανάγνωση από τον τρέχοντα αισθητήρα (άγνωστο)

Πίστωση εικόνας: imgoat

Βήμα 7: Διασύνδεση με την εφαρμογή Blynk

Καθώς ο πίνακας Wemos έχει ενσωματωμένο τσιπ WiFi, σκέφτηκα να το συνδέσω στο δρομολογητή μου και να παρακολουθήσω την Ενέργεια της οικιακής συσκευής από το Smartphone μου. Τα πλεονεκτήματα της χρήσης της πλακέτας Wemos αντί του Arduino είναι: βαθμονόμηση του αισθητήρα και αλλαγή της τιμής παραμέτρου από το smartphone μέσω OTA χωρίς φυσικό προγραμματισμό του μικροελεγκτή επανειλημμένα.

Έψαξα για την απλή επιλογή, έτσι ώστε οποιοσδήποτε με μικρή εμπειρία να το κάνει. Η καλύτερη επιλογή που βρήκα είναι η χρήση της εφαρμογής Blynk. Το Blynk είναι μια εφαρμογή που επιτρέπει τον πλήρη έλεγχο του Arduino, ESP8266, Rasberry, Intel Edison και πολύ περισσότερου υλικού. Είναι συμβατό τόσο με Android όσο και με iPhone. Στο Μπλινκ όλα λειτουργούν ⚡️Ενεργειακά. Όταν δημιουργείτε έναν νέο λογαριασμό, παίρνετε,️2, 000 για να αρχίσετε να πειραματίζεστε. Κάθε Widget χρειάζεται λίγη ενέργεια για να λειτουργήσει. Για αυτό το έργο, χρειάζεστε ⚡️2400, οπότε πρέπει να αγοράσετε επιπλέον ενέργεια ️⚡️400 (το κόστος είναι μικρότερο από 1 $)

Εγώ. Μετρητής - 2 x ⚡️200 = ⚡️400

ii Εμφανιζόμενη ένδειξη τιμής - 2 x ⚡️400 = ⚡️800

iii Ρυθμιστικά - 4 x ⚡️200 = ⚡️800

iv Μενού - 1x ⚡️400 = ⚡️400

Συνολική ενέργεια που απαιτείται για αυτό το έργο = 400+800+800+400 = ⚡️2400

Ακολουθήστε τα παρακάτω βήματα:

Βήμα 1: Κατεβάστε την εφαρμογή Blynk

1. Για Android

2. Για iPhone

Βήμα 2: Αποκτήστε το διακριτικό ταυτότητας

Για να συνδέσετε την εφαρμογή Blynk και το υλικό σας, χρειάζεστε ένα Auth Token.1. Δημιουργήστε έναν νέο λογαριασμό στην εφαρμογή Blynk.

2. Πατήστε το εικονίδιο QR στην επάνω γραμμή μενού. Δημιουργήστε έναν κλώνο αυτού του Έργου σαρώνοντας τον παραπάνω κωδικό QR. Μόλις εντοπιστεί επιτυχώς, ολόκληρο το έργο θα είναι αμέσως στο τηλέφωνό σας.

3. Αφού δημιουργήθηκε το έργο, θα σας στείλουμε Auth Token μέσω email.

4. Ελέγξτε τα εισερχόμενα email σας και βρείτε το διακριτικό ταυτότητας.

Βήμα 3: Προετοιμασία του Arduino IDE για το Wemos Board

Για να ανεβάσετε τον κώδικα Arduino στον πίνακα Wemos, πρέπει να ακολουθήσετε αυτό το Instructables

Βήμα-4: Εγκαταστήστε τις Βιβλιοθήκες

Στη συνέχεια, πρέπει να εισαγάγετε τη βιβλιοθήκη στο Arduino IDE

Κατεβάστε τη Βιβλιοθήκη Blynk

Κατεβάστε τις βιβλιοθήκες για οθόνη OLED: i. Adafruit_SSD1306 ii. Adafruit-GFX-Library

Βήμα-5: Σκίτσο Arduino

Αφού εγκαταστήσετε τις παραπάνω βιβλιοθήκες, επικολλήστε τον κωδικό Arduino που δίνεται παρακάτω.

Εισαγάγετε τον κωδικό του άρθρου από το βήμα 1, το ssid και τον κωδικό πρόσβασης του δρομολογητή σας.

Στη συνέχεια, ανεβάστε τον κωδικό.

Βήμα 8: Προετοιμάστε την πλακέτα κυκλωμάτων

Για να κάνω το κύκλωμα καθαρό και καθαρό, έφτιαξα μια πλακέτα χρησιμοποιώντας ένα πρωτότυπο πίνακα 4x6 cm. Πρώτα κόλλησα το Male Headers Pin στο Wemos Board. Στη συνέχεια, κόλλησα τις γυναικείες κεφαλίδες στο πρωτότυπο του πίνακα για να τοποθετήσω τους διαφορετικούς πίνακες:

1. Πίνακας Wemos (2 x 8 Pins Γυναικεία κεφαλίδα)

2. Πίνακας τροφοδοσίας 5V DC (2 ακίδες +3 ακίδες Γυναικεία κεφαλίδα)

3. Τρέχουσα μονάδα αισθητήρα (3 καρφίτσες γυναικεία κεφαλίδα)

4. Οθόνη OLED (Γυναικεία κεφαλίδα 4 πείρων)

Τέλος, κόλλησα ένα βιδωτό ακροδέκτη 2 ακίδων για παροχή εναλλασσόμενου ρεύματος στη μονάδα τροφοδοσίας.

Αφού συγκολλήσετε όλους τους πείρους κεφαλίδων, πραγματοποιήστε τη σύνδεση όπως φαίνεται παραπάνω. Χρησιμοποίησα σύρμα συγκόλλησης 24 AWG για όλη τη σύνδεση.

Η σύνδεση έχει ως εξής

1. ACS712:

ACS712 Wemos

Vcc- 5V

Gnd - GND

Vout-Α0

2. Οθόνη OLED:

OLED Wemos

Vcc- 5V

Gnd-- GND

SCL-- D1

SDA-D2

3. Ενότητα τροφοδοσίας:

Ο πείρος εισόδου εναλλασσόμενου ρεύματος (2 ακίδες) της μονάδας τροφοδοσίας που είναι συνδεδεμένος στον ακροδέκτη βιδών.

Η έξοδος V1pin συνδέεται με το Wemos 5V και ο ακροδέκτης GND συνδέεται με τον ακροδέκτη WEMOS GND.

Βήμα 9: Περιεχόμενο με 3D εκτύπωση

Για να δώσω μια όμορφη εμπορική εμφάνιση προϊόντος, σχεδίασα ένα περίβλημα για αυτό το έργο. Χρησιμοποίησα το Autodesk Fusion 360 για να σχεδιάσω το περίβλημα. Το περίβλημα έχει δύο μέρη: Κάτω και επάνω καπάκι. Μπορείτε να κατεβάσετε τα αρχεία. STL από το Thingiverse.

Το κάτω μέρος έχει σχεδιαστεί βασικά για να ταιριάζει με τον κύριο PCB (4 x6 cm), τον αισθητήρα ρεύματος και τη θήκη ασφαλειών. Το επάνω καπάκι είναι για να τοποθετήσει την πρίζα AC και την οθόνη OLED.

Χρησιμοποίησα τον 3D εκτυπωτή Creality CR-10S και το ασημένιο νήμα PLA 1,75 mm και το κόκκινο νήμα PLA για την εκτύπωση των εξαρτημάτων. Μου πήρε περίπου 5 ώρες για να εκτυπώσω το κύριο σώμα και περίπου 3 ώρες για να εκτυπώσω το επάνω καπάκι.

Οι ρυθμίσεις μου είναι:

Ταχύτητα εκτύπωσης: 60 mm/s

Ightψος Στρώματος: 0,3

Πυκνότητα πλήρωσης: 100%

Θερμοκρασία εξωθητήρα: 205 βαθμοί Κελσίου

Θερμοκρασία κρεβατιού: 65 ° C

Βήμα 10: Διάγραμμα καλωδίωσης AC

Το καλώδιο τροφοδοσίας AC έχει 3 καλώδια: Γραμμή (κόκκινο), Ουδέτερο (μαύρο) και Γείωση (πράσινο).

Το κόκκινο καλώδιο από το καλώδιο τροφοδοσίας συνδέεται με έναν ακροδέκτη της ασφάλειας. Ο άλλος ακροδέκτης της ασφάλειας συνδέεται με δύο ακροδέκτες με ελατήριο. Το μαύρο καλώδιο συνδέεται απευθείας με το συνδετήρα με ελατήριο.

Τώρα η ισχύς που απαιτείται για την πλακέτα κυκλώματος (Wemos, OLED και ACS712) αποσυνδέεται μετά το βύσμα με ελατήριο. Για να απομονώσετε την κεντρική πλακέτα κυκλώματος, ένας διακόπτης είναι συνδεδεμένος σε σειρά. Δείτε το παραπάνω διάγραμμα κυκλώματος.

Στη συνέχεια, το κόκκινο καλώδιο (γραμμή) συνδέεται στον ακροδέκτη AC "L" και το πράσινο καλώδιο (γείωση) συνδέεται με τον κεντρικό ακροδέκτη (σημειώνεται ως G).

Ο ουδέτερος ακροδέκτης συνδέεται με έναν ακροδέκτη του αισθητήρα ρεύματος ACS712. Ο άλλος ακροδέκτης του ACS712 είναι συνδεδεμένος ξανά στον σύνδεσμο με ελατήριο.

Όταν ολοκληρωθούν όλες οι εξωτερικές συνδέσεις, κάντε μια πολύ προσεκτική επιθεώρηση της πλακέτας και καθαρίστε την για να αφαιρέσετε τα υπολείμματα ροής συγκόλλησης.

Σημείωση: Μην αγγίζετε κανένα μέρος του κυκλώματος ενώ είναι σε ισχύ. Κάθε τυχαίο άγγιγμα μπορεί να οδηγήσει σε θανατηφόρο τραυματισμό ή θάνατο. Να είστε ασφαλείς κατά τη διάρκεια της εργασίας, δεν θα είμαι υπεύθυνος για τυχόν απώλεια.

Βήμα 11: Εγκαταστήστε όλα τα στοιχεία

Τοποθετήστε τα εξαρτήματα (AC Socket, Rocker Switch και OLED Display) στις υποδοχές του επάνω καπακιού όπως φαίνεται στην εικόνα. Στη συνέχεια, ασφαλίστε τις βίδες. Το κάτω μέρος έχει 4 στάσεις για την τοποθέτηση της κύριας πλακέτας PCB. Αρχικά, εισάγετε την ορειχάλκινη προεξοχή στην τρύπα όπως φαίνεται παραπάνω. Στη συνέχεια, ασφαλίστε τη βίδα 2Μ στις τέσσερις γωνίες.

Τοποθετήστε τη θήκη ασφάλειας και τον αισθητήρα ρεύματος στην υποδοχή που παρέχεται στο κάτω περίβλημα. Χρησιμοποίησα τετράγωνα τοποθέτησης 3M για να τα κολλήσω στη βάση. Στη συνέχεια, δρομολογήστε σωστά όλα τα καλώδια.

Τέλος, τοποθετήστε το πάνω καπάκι και ασφαλίστε τα 4 παξιμάδια (3Μ x16) στις γωνίες.

Βήμα 12: Τελική δοκιμή

Συνδέστε το καλώδιο τροφοδοσίας του μετρητή ενέργειας στην πρίζα.

Αλλάξτε τις ακόλουθες παραμέτρους από την εφαρμογή Blynk

1. Σύρετε το ρυθμιστικό CALIBRATE για να λάβετε το τρέχον μηδέν όταν δεν είναι συνδεδεμένο φορτίο.

2. Μετρήστε την τάση τροφοδοσίας εναλλασσόμενου ρεύματος στο σπίτι χρησιμοποιώντας ένα πολύμετρο και ρυθμίστε την σύροντας το ρυθμιστικό SUPPLY VOLTAGE.

3. Ρυθμίστε το συντελεστή ισχύος

4. Εισαγάγετε το τιμολόγιο ενέργειας στη θέση σας.

Στη συνέχεια, συνδέστε τη συσκευή της οποίας η ισχύς πρέπει να μετρηθεί στην πρίζα του μετρητή ενέργειας. Τώρα είστε έτοιμοι να μετρήσετε την ενέργεια που καταναλώνεται από αυτό.

Ελπίζω να σας άρεσε να διαβάζετε για το έργο μου όσο μου άρεσε κατά τη διάρκεια της κατασκευής του.

Εάν έχετε οποιεσδήποτε προτάσεις για βελτιώσεις, σχολιάστε το παρακάτω. Ευχαριστώ!

Επόμενος στο Διαγωνισμό Μικροελεγκτών