Arduino Energy Meter - V2.0: 12 trin (med billeder)

2024 Forfatter: John Day | [email protected]. Sidst ændret: 2024-01-30 08:27

Hej ven, velkommen tilbage efter en lang pause. Tidligere har jeg lagt en Instructables på Arduino Energy Meter, som hovedsageligt var designet til at overvåge strømmen fra solpanelet (DC Power) i min landsby. Det blev meget populært på internettet, masser af mennesker over hele verden har bygget deres egne. Så mange studerende har gjort det til deres college -projekt ved at tage hjælp fra mig. Alligevel modtager jeg nu e -mails og beskeder fra folk med spørgsmål vedrørende hardware- og softwareændring til overvågning af AC -strømforbrug.

Så i denne instruktion vil jeg vise dig, hvordan du laver en simpel wifi -aktiveret vekselstrømsmåler ved hjælp af Arduino/Wemos -kort. Ved at bruge denne energimåler kan du måle strømforbruget for alle husholdningsapparater. I slutningen af projektet lavede jeg et flot 3D -trykt kabinet til dette projekt.

Målet med at skabe mere bevidsthed om energiforbrug ville være optimering og reducering af brugerens energiforbrug. Dette ville reducere deres energiomkostninger samt spare energi.

Selvfølgelig findes der allerede mange kommercielle enheder til energiovervågning, men jeg ville bygge min egen version, som skal være enkel og billig.

Du kan finde alle mine projekter på:

Trin 1: Påkrævede dele og værktøjer

Nødvendige komponenter:

1. Wemos D1 mini pro (Amazon / Banggood)

2. Nuværende sensor -ACS712 (Amazon)

3. OLED -skærm (Amazon / Banggood)

4. 5V strømforsyning (Aliexpress)

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

6. 24 AWG Wire (Amazon)

7. Header Pins (Amazon / Banggood)

8. Jomfru-tråde til hun-hun (Amazon)

9. Skrueterminal (Amazon)

10. Standoff (Banggood)

11. AC -stikkontakt

12. AC -stik

13. Fjederbelastet stik (Banggood)

14. vippekontakt (Banggood)

15. PLA Filament-Silver (GearBest)

16. PLA-filament-rød (GearBest)

Nødvendige værktøjer:

1. Loddejern (Amazon)

2. Limpistol (Amazon)

3. Wire Cutter/Stripper (Amazon)

4.3D printer (Creality CR10S)

Trin 2: Hvordan fungerer det?

Blokdiagrammet for hele projektet er vist ovenfor.

Strømmen fra vekselstrømforsyningen trækkes og ledes gennem en sikring for at undgå skader på printkortet under utilsigtet kortslutning.

Derefter fordeles vekselstrømledningen i to dele:

1. Til belastningen gennem den aktuelle sensor (ACS712)

2. 230V AC/5V DC strømforsyningsmodul

5V strømforsyningsmodulet leverer strøm til mikrokontrolleren (Arduino/Wemos), strømføleren (ACS712) og OLED -displayet.

AC -strømmen, der passerer gennem belastningen, registreres af det aktuelle sensormodul (ACS712) og føres til den analoge pin (A0) på Arduino/Wemos -kortet. Når den analoge indgang er givet til Arduino, udføres måling af effekt/energi ved hjælp af Arduino -skitse.

Den beregnede effekt og energi fra Arduino/Wemos vises på et 0,96 OLED -displaymodul.

Wemos 'indbyggede WiFi -chip er forbundet til hjemmrouteren og knyttet til Blynk -appen. Så du kan overvåge parametrene samt kalibrere og ændre forskellige indstillinger fra din smartphone via OTA.

Trin 3: Forståelse af AC Basics

I vekselstrømsanalyse varierer både spænding og strøm sinusformet med tiden.

Virkelig kraft (P):

Dette er den effekt, enheden bruger til at producere nyttigt arbejde. Det udtrykkes i kW.

Reel effekt = Spænding (V) x Strøm (I) x cosΦ

Reaktiv effekt (Q):

Dette kaldes ofte imaginær kraft, som er et mål for magt, der svinger mellem kilde og belastning, der ikke gør noget nyttigt. Det udtrykkes i kVAr

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

Tilsyneladende effekt (S):

Det er defineret som produktet af Root-Mean-Square (RMS) spændingen og RMS-strømmen. Dette kan også defineres som resultatet af reel og reaktiv effekt. Det udtrykkes i kVA

Tilsyneladende effekt = spænding (V) x strøm (I)

Forholdet mellem reel, reaktiv og tilsyneladende magt:

Real Power = Tilsyneladende Power x cosΦ

Reaktiv kraft = tilsyneladende effekt x sinΦ

(kVA) ² = (kW) ² + (kVAr) ²

Power Factor (pf):

Forholdet mellem den reelle effekt og den tilsyneladende effekt i et kredsløb kaldes effektfaktoren.

Power Factor = Real Power/Apparent Power

Af ovenstående er det klart, at vi kan måle alle former for effekt såvel som effektfaktor ved at måle spændingen og strømmen.

Billedkredit: openenergymonitor.org

Trin 4: Aktuel sensor

Vekselstrømmen måles konventionelt ved hjælp af en strømtransformator, men til dette projekt blev ACS712 valgt som den aktuelle sensor på grund af dens lave omkostninger og mindre størrelse. ACS712 Current Sensor er en Hall Effect nuværende sensor, der nøjagtigt måler strøm, når den induceres. Magnetfeltet omkring AC -ledningen detekteres, hvilket giver den tilsvarende analoge udgangsspænding. Den analoge spændingsudgang behandles derefter af mikrokontrolleren for at måle strømmen gennem belastningen.

Hvis du vil vide mere om ACS712 -sensoren, kan du besøge dette websted. For en bedre forklaring på funktionen af hall-effektsensoren har jeg brugt ovenstående billede fra Embedded-lab.

Trin 5: Nuværende måling ved ACS712

Outputtet fra ACS712 Current Sensor er en AC -spændingsbølge. Vi skal beregne rms -strømmen, dette kan gøres på følgende måde

1. Måling af spids til spids (Vpp)

2. Opdel spids til spids spænding (Vpp) med to for at få spids spænding (Vp)

3. Gang det med 0,707 for at få rms -spændingen (Vrms)

Multiplicer derefter følsomheden for den aktuelle sensor (ACS712) for at få rms -strømmen.

Vp = Vpp/2

Vrms = Vp x 0,707

Irms = Vrms x Følsomhed

Følsomheden for ACS712 5A modul er 185mV/A, 20A modul er 100mV/A og 30A modul er 66mV/A.

Forbindelsen til den aktuelle sensor er som nedenfor

ACS712 Arduino/Wemos

VCC ------ 5V

UD ----- A0

GND ----- GND

Trin 6: Beregning af effekt og energi

Tidligere har jeg beskrevet det grundlæggende i de forskellige former for vekselstrøm. Som en husstandsbruger er den reelle effekt (kW) vores største bekymring. For at beregne den reelle effekt skal vi måle rms -spændingen, rms -strømmen og effektfaktoren (pF).

Normalt er netspændingen på min placering (230V) næsten konstant (udsving er ubetydelig). Så jeg forlader en sensor for at måle spændingen. Ingen tvivl om, at hvis du tilslutter en spændingssensor, er målenøjagtigheden bedre end i mit tilfælde. Anyway, denne metode er en billig og enkel måde at gennemføre projektet på og opfylde målet.

En anden grund til ikke at bruge spændingsføleren skyldes begrænsningen af Wemos analoge pin (kun en). Selvom ekstra sensor kan tilsluttes ved hjælp af en ADC som ADS1115, forlader jeg den foreløbig. I fremtiden, hvis jeg får tid, vil jeg helt sikkert tilføje det.

Belastningens effektfaktor kan ændres under programmeringen eller fra Smartphone -appen.

Virkelig effekt (W) = Vrms x Irms x Pf

Vrms = 230V (kendt)

Pf = 0,85 (kendt)

Irms = læsning fra den aktuelle sensor (ukendt)

Billedkredit: imgoat

Trin 7: Grænseflade med Blynk App

Da Wemos -kortet har en indbygget WiFi -chip, tænkte jeg at slutte den til min router og overvåge energien i hjemmet fra min smartphone. Fordelene ved at bruge Wemos -kortet i stedet for Arduino er: kalibrering af sensoren og ændring af parameterværdien fra smartphonen via OTA uden fysisk programmering af mikrokontrolleren gentagne gange.

Jeg søgte efter den enkle mulighed, så alle med lidt erfaring kan klare det. Den bedste løsning, jeg fandt, er at bruge Blynk -appen. Blynk er en app, der giver fuld kontrol over Arduino, ESP8266, Rasberry, Intel Edison og meget mere hardware. Det er kompatibelt med både Android og iPhone. I Blynk kører alt på ⚡️Energi. Når du opretter en ny konto, får du 2️2.000 til at begynde at eksperimentere; Hver widget har brug for noget energi for at fungere. Til dette projekt har du brug for ⚡️2400, så du skal købe ekstra energi ️⚡️400 (prisen er mindre end $ 1)

jeg. Måler - 2 x ⚡️200 = ⚡️400

ii. Mærket værdi Display - 2 x ⚡️400 = ⚡️800

iii. Skydere - 4 x ⚡️200 = ⚡️800

iv. Menu - 1x ⚡️400 = ⚡️400

Total energi krævet til dette projekt = 400+800+800+400 = ⚡️2400

Følg nedenstående trin:

Trin 1: Download Blynk-appen

1. Til Android

2. Til iPhone

Trin 2: Få Auth Token

For at forbinde Blynk App og din hardware skal du bruge et Auth Token.1. Opret en ny konto i Blynk App.

2. Tryk på QR -ikonet på den øverste menulinje. Opret en klon af dette projekt ved at scanne QR -koden vist ovenfor. Når det er registreret med succes, vil hele projektet ligge på din telefon med det samme.

3. Efter at projektet blev oprettet, sender vi dig Auth Token via e -mail.

4. Tjek din e -mail -indbakke, og find Auth Token.

Trin 3: Forberedelse af Arduino IDE til Wemos Board

For at uploade Arduino -koden til Wemos -kortet skal du følge denne instruktion

Trin 4: Installer bibliotekerne

Derefter skal du importere biblioteket videre til din Arduino IDE

Download Blynk -biblioteket

Download bibliotekerne til OLED Display: i. Adafruit_SSD1306 ii. Adafruit-GFX-bibliotek

Trin 5: Arduino Sketch

Efter installation af ovenstående biblioteker skal du indsætte Arduino -koden nedenfor.

Indtast godkendelseskoden fra trin-1, ssid og adgangskode til din router.

Upload derefter koden.

Trin 8: Forbered printkortet

For at gøre kredsløbet pænt og rent, lavede jeg et printkort ved hjælp af et prototypekort på 4x6 cm. Først lod jeg Male Headers Pin til Wemos Board. Derefter lodde jeg de kvindelige overskrifter på prototypebrættet for at montere de forskellige brædder:

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

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

3. Nuværende sensormodul (3 pins pins kvindelig overskrift)

4. OLED -skærm (4pins kvindelig overskrift)

Til sidst lod jeg en 2 -polet skrueterminal til input AC -forsyning til strømforsyningsenheden.

Efter lodning af alle headers pin, foretages forbindelsen som vist ovenfor. Jeg brugte 24 AWG loddetråd til hele forbindelsen.

Forbindelsen er som følger

1. ACS712:

ACS712 Wemos

Vcc- 5V

Gnd - GND

Vout-A0

2. OLED -skærm:

OLED Wemos

Vcc- 5V

Gnd- GND

SCL-- D1

SDA-D2

3. strømforsyning modul:

AC -indgangsstiften (2 ben) på strømforsyningsmodulet forbundet til skrueterminalen.

Output V1pin er forbundet til Wemos 5V og GND pin er forbundet til Wemos GND pin.

Trin 9: 3D -trykt kabinet

For at give et flot kommercielt produktlook designede jeg et kabinet til dette projekt. Jeg brugte Autodesk Fusion 360 til at designe kabinettet. Kabinettet har to dele: Bund og top låg. Du kan downloade. STL -filer fra Thingiverse.

Den nederste del er dybest set designet til at passe til hovedprintet (4 x6 cm), nuværende sensor og sikringsholder. Det øverste låg er til at montere AC -stikket og OLED -skærmen.

Jeg brugte min Creality CR-10S 3D printer og 1,75 mm sølv PLA og rød PLA filament til at udskrive delene. Det tog mig cirka 5 timer at udskrive hoveddelen og omkring 3 timer at udskrive det øverste låg.

Mine indstillinger er:

Udskrivningshastighed: 60 mm/s

Laghøjde: 0,3

Fyldtæthed: 100%

Ekstruder temperatur: 205 grader

Sengetemperatur: 65 grader

Trin 10: AC -tilslutningsdiagram

Netledningen har 3 ledninger: Line (rød), Neutral (sort) og Ground (grøn).

Den røde ledning fra netledningen er forbundet til en terminal på sikringen. Den anden terminal på sikringen er forbundet til fjederbelastede to terminalstik. Den sorte ledning er direkte forbundet til det fjederbelastede stik.

Nu er den nødvendige strøm til printkortet (Wemos, OLED og ACS712) tapet af efter det fjederbelastede stik. For at isolere hovedkortet er en vippekontakt forbundet i serie. Se ovenstående kredsløbsdiagram.

Derefter tilsluttes den røde ledning (linje) til AC -stikket "L", og den grønne ledning (jord) forbindes med midterterminalen (markeret som G).

Den neutrale terminal er forbundet til en terminal på ACS712 -strømføleren. Den anden terminal på ACS712 er tilsluttet tilbage til det fjederbelastede stik.

Når alle de eksterne tilslutninger er færdige, foretages en meget omhyggelig inspektion af brættet og rengøres for at fjerne loddemiddelrester.

Bemærk: Rør ikke ved nogen del af kredsløbet, mens det er under strøm. Enhver utilsigtet berøring kan føre til dødelig skade eller død. Vær sikker under arbejdet, jeg er ikke ansvarlig for tab.

Trin 11: Installer alle komponenter

Sæt komponenterne (vekselstrømsstik, vippekontakt og OLED -display) på de øverste lågåbninger som vist på billedet. Fastgør derefter skruerne. Den nederste del har 4 standoffs til montering af hovedkortet. Først skal du indsætte messingstanden i hullet som vist ovenfor. Fastgør derefter 2M skruen i de fire hjørner.

Placer sikringsholderen og strømføleren på den åbning, der findes på bundkabinettet. Jeg brugte 3M monterings firkanter til at sætte dem på bunden. Før derefter alle ledninger korrekt.

Til sidst placeres det øverste låg og fastgør de 4 møtrikker (3M x16) i hjørnerne.

Trin 12: Afsluttende test

Sæt netledningen på energimåleren i stikkontakten.

Skift følgende parametre fra Blynk -appen

1. Skub CALIBRATE -skyderen for at få det aktuelle nul, når der ikke er tilsluttet nogen belastning.

2. Mål AC -forsyningsspændingen i hjemmet ved hjælp af et multimeter, og indstil den ved at skubbe skyderen FORSYNINGSSPÆNDING.

3. Indstil effektfaktoren

4. Indtast energitariffen på dit sted.

Tilslut derefter apparatet, hvis strøm skal måles til stikkontakten på energimåleren. Nu er du klar til at måle energiforbruget ved det.

Håber du nød at læse om mit projekt lige så meget som jeg har nydt under opbygningen af det.

Hvis du har forslag til forbedringer, bedes du kommentere det herunder. Tak!

Nummer to i Microcontroller -konkurrencen