„Arduino“energijos matuoklis - V2.0: 12 žingsnių (su nuotraukomis)

2024 Autorius: John Day | [email protected]. Paskutinį kartą keistas: 2024-01-30 10:46

Labas draugas, sveiki sugrįžę po ilgos pertraukos. Anksčiau „Arduino“energijos matuoklyje paskelbiau „Instructables“, kuris daugiausia buvo skirtas saulės kolektoriaus (DC Power) galiai stebėti mano kaime. Jis tapo labai populiarus internete, daugybė žmonių visame pasaulyje sukūrė savo. Tiek daug studentų padarė savo kolegijos projektą, pasitelkę mano pagalbą. Vis dėlto dabar gaunu el. Laiškus ir žinutes iš žmonių, turinčių klausimų apie aparatinės ir programinės įrangos modifikavimą, skirtą kintamosios srovės energijos suvartojimui stebėti.

Taigi šioje instrukcijoje aš jums parodysiu, kaip naudojant „Arduino“/„Wemos“plokštę sukurti paprastą belaidį kintamosios srovės energijos matuoklį. Naudodami šį energijos matuoklį galite išmatuoti bet kokios buitinės technikos energijos suvartojimą. Pasibaigus projektui, aš padariau gražų 3D spausdintą korpusą šiam projektui.

Tikslas didinti informuotumą apie energijos vartojimą būtų optimizuoti ir sumažinti energijos vartojimą vartotojui. Tai sumažintų jų energijos sąnaudas ir taupytų energiją.

Žinoma, jau yra daug komercinių prietaisų energijos stebėjimui, tačiau norėjau sukurti savo versiją, kuri būtų paprasta ir nebrangi.

Visus mano projektus galite rasti:

1 veiksmas: reikalingos dalys ir įrankiai

Reikalingi komponentai:

1. „Wemos D1 mini pro“(„Amazon“/ „Banggood“)

2. Srovės jutiklis -ACS712 („Amazon“)

3. OLED ekranas („Amazon“/ „Banggood“)

4. 5 V maitinimo šaltinis („Aliexpress“)

5. Prototipo lenta - 4 x 6 cm („Amazon“/ „Banggood“)

6. 24 AWG viela („Amazon“)

7. Antraštės kaiščiai („Amazon“/ „Banggood“)

8. Vyrų ir moterų jungiamieji laidai („Amazon“)

9. Sraigtinis terminalas („Amazon“)

10. Atsistojimas („Banggood“)

11. Kintamosios srovės lizdo lizdas

12. Kintamosios srovės kištukas

13. Spyruoklinė jungtis („Banggood“)

14. Svirtinis jungiklis („Banggood“)

15. PLA siūlas-sidabras („GearBest“)

16. „PLA Filament-Red“(„GearBest“)

Reikalingi įrankiai:

1. Lituoklis („Amazon“)

2. Klijų pistoletas („Amazon“)

3. Vielos pjaustytuvas/nuėmiklis („Amazon“)

4.3D spausdintuvas („Creality CR10S“)

2 žingsnis: kaip tai veikia?

Viso projekto blokinė schema parodyta aukščiau.

Maitinimas iš kintamosios srovės tinklo paimamas ir perduodamas per saugiklį, kad atsitiktinio trumpojo jungimo metu būtų išvengta bet kokios plokštės pažeidimo.

Tada kintamosios srovės elektros linija yra padalinta į dvi dalis:

1. Į apkrovą per srovės jutiklį (ACS712)

2. 230V AC/5V DC maitinimo modulis

5 V maitinimo modulis maitina mikrovaldiklį („Arduino“/„Wemos“), srovės jutiklį (ACS712) ir OLED ekraną.

Krovimo srovė, einanti per apkrovą, matuojama srovės jutiklio moduliu (ACS712) ir tiekiama į analoginį „Arduino“/„Wemos“plokštės kaištį (A0). Kai „Arduino“bus įvestas analoginis įėjimas, galios/energijos matavimas atliekamas pagal „Arduino“eskizą.

„Arduino/Wemos“apskaičiuota galia ir energija rodoma 0,96 colio OLED ekrano modulyje.

„Wemos“įmontuotas „WiFi“lustas yra prijungtas prie namų maršrutizatoriaus ir susietas su „Blynk“programa. Taigi galite stebėti parametrus, taip pat kalibruoti ir keisti skirtingus išmaniojo telefono nustatymus per OTA.

3 žingsnis: supraskite AC pagrindus

Kintamosios srovės grandinės analizėje tiek įtampa, tiek srovė kinta sinusoidiškai laikui bėgant.

Tikroji galia (P):

Tai galia, kurią prietaisas naudoja naudingiems darbams atlikti. Ji išreiškiama kW.

Tikroji galia = įtampa (V) x srovė (I) x cosΦ

Reaktyvioji galia (Q):

Tai dažnai vadinama įsivaizduojama galia, kuri yra galios matas, svyruojantis tarp šaltinio ir apkrovos, o tai nedaro jokio naudingo darbo. Jis išreiškiamas kVAr

Reaktyvioji galia = įtampa (V) x srovė (I) x sinΦ

Matoma galia (S):

Jis apibrėžiamas kaip vidutinio kvadrato (RMS) įtampos ir RMS srovės sandauga. Tai taip pat galima apibrėžti kaip tikrosios ir reaktyviosios galios rezultatą. Jis išreiškiamas kVA

Matoma galia = įtampa (V) x srovė (I)

Tikrosios, reaktyviosios ir tariamosios galios santykis:

Tikroji galia = tariama galia x cosΦ

Reaktyvioji galia = tariama galia x sinΦ

(kVA) ² = (kW) ² + (kVAr) ²

Galios koeficientas (pf):

Tikrosios galios ir tariamos grandinės galios santykis vadinamas galios koeficientu.

Galios koeficientas = tikroji galia/tariama galia

Iš to, kas išdėstyta pirmiau, akivaizdu, kad matuojant įtampą ir srovę galime išmatuoti bet kokią galią ir galios koeficientą.

Vaizdo kreditas: openenergymonitor.org

4 žingsnis: srovės jutiklis

Kintamoji srovė paprastai matuojama naudojant srovės transformatorių, tačiau šiam projektui ACS712 buvo pasirinktas kaip srovės jutiklis dėl mažos kainos ir mažesnio dydžio. ACS712 srovės jutiklis yra „Hall Effect“srovės jutiklis, kuris tiksliai matuoja srovę indukcijos metu. Aptiktas magnetinis laukas aplink kintamosios srovės laidą, kuris suteikia lygiavertę analoginę išėjimo įtampą. Tuomet mikrovaldiklis apdoroja analoginę įtampos išvestį, kad išmatuotų srovės srautą per apkrovą.

Norėdami sužinoti daugiau apie jutiklį ACS712, galite apsilankyti šioje svetainėje. Norėdami geriau paaiškinti salės efekto jutiklio veikimą, naudoju aukščiau pateiktą paveikslėlį iš „Embedded-lab“.

5 veiksmas: srovės matavimas naudojant ACS712

ACS712 srovės jutiklio išėjimas yra kintamosios srovės įtampos banga. Turime apskaičiuoti vidutinę srovę, tai galima padaryti taip

1. Maksimalios įtampos (Vpp) matavimas

2. Padalinę didžiausią įtampą (Vpp) padalykite iš dviejų, kad gautumėte didžiausią įtampą (Vp)

3. Padauginkite jį iš 0,707, kad gautumėte efektyviąją įtampą (Vrms)

Tada padauginkite srovės jutiklio jautrumą (ACS712), kad gautumėte efektyviąją srovę.

Vp = Vpp/2

Vrms = Vp x 0,707

Irms = Vrms x jautrumas

ACS712 5A modulio jautrumas yra 185 mV/A, 20A modulis - 100 mV/A, o 30A modulis - 66 mV/A.

Srovės jutiklio jungtis yra tokia, kaip nurodyta žemiau

ACS712 Arduino/Wemos

VCC ------ 5V

AUTO ----- A0

GND ----- GND

6 žingsnis: galios ir energijos skaičiavimas

Anksčiau aprašiau įvairių kintamosios srovės formų pagrindus. Būdamas namų ūkio vartotojas, pagrindinis rūpestis yra tikroji galia (kW). Norėdami apskaičiuoti tikrąją galią, turime išmatuoti efektyviąją įtampą, vidutinę srovę ir galios koeficientą (pF).

Paprastai tinklo įtampa mano vietoje (230 V) yra beveik pastovi (svyravimai yra nereikšmingi). Taigi aš palieku vieną jutiklį įtampai matuoti. Neabejoju, jei prijungsite įtampos jutiklį, matavimo tikslumas yra geresnis nei mano atveju. Šiaip ar taip, šis metodas yra pigus ir paprastas būdas užbaigti projektą ir pasiekti tikslą.

Kita įtampos jutiklio nenaudojimo priežastis yra „Wemos“analoginio kaiščio apribojimas (tik vienas). Nors papildomą jutiklį galima prijungti naudojant ADC, pvz., ADS1115, kol kas jį palieku. Ateityje, jei turėsiu laiko, būtinai pridėsiu.

Apkrovos galios koeficientą galima pakeisti programavimo metu arba naudojant išmaniojo telefono programą.

Tikroji galia (W) = Vrms x Irms x Pf

Vrms = 230 V (žinoma)

Pf = 0,85 (žinomas)

Irms = dabartinio jutiklio rodmenys (nežinoma)

Vaizdo kreditas: imgoat

7 žingsnis: sąsaja su „Blynk“programa

Kadangi „Wemos“plokštėje yra įmontuotas „WiFi“lustas, sumaniau prijungti jį prie maršrutizatoriaus ir stebėti išmaniojo telefono buitinės technikos energiją. „Wemos“plokštės naudojimo vietoj „Arduino“pranašumai yra šie: jutiklio kalibravimas ir parametro vertės keitimas iš išmaniojo telefono per OTA, fiziškai neprogramuojant mikrovaldiklio.

Ieškojau paprasto varianto, kad kiekvienas, turintis mažai patirties, galėtų tai padaryti. Geriausias variantas, kurį radau, yra „Blynk“programos naudojimas. „Blynk“yra programa, leidžianti visiškai valdyti „Arduino“, ESP8266, „Rasberry“, „Intel Edison“ir daug daugiau aparatūros. Jis suderinamas tiek su „Android“, tiek su „iPhone“. Blynke viskas veikia ⚡️Energy. Kai sukuriate naują paskyrą, gausite ⚡️2 000, kad galėtumėte pradėti eksperimentuoti; Kiekvienam valdikliui veikti reikia tam tikros energijos. Šiam projektui jums reikia 2400 ⚡️, todėl turite įsigyti papildomos energijos ⚡️400 (kaina yra mažesnė nei 1 USD)

i. Matuoklis - 2 x 200️200 = ⚡️400

ii. Etiketės reikšmių ekranas - 2 x 4️400 = ⚡️800

iii. Slankikliai - 4 x 200️200 = ⚡️800

iv. Meniu - 1x 4️400 = ⚡️400

Bendra šiam projektui reikalinga energija = 400+800+800+400 = ⚡️2400

Atlikite toliau nurodytus veiksmus.

1 veiksmas: atsisiųskite „Blynk“programą

1. „Android“

2. „iPhone“

2 veiksmas: gaukite autentifikavimo raktą

Norėdami prijungti „Blynk App“ir jūsų aparatinę įrangą, jums reikia „Auth Token“. Sukurkite naują paskyrą „Blynk“programoje.

2. Paspauskite QR piktogramą viršutinėje meniu juostoje. Sukurkite šio projekto kloną nuskaitydami aukščiau pateiktą QR kodą. Kai jis bus sėkmingai aptiktas, visas projektas bus nedelsiant jūsų telefone.

3. Kai projektas bus sukurtas, el. Paštu atsiųsime jums „Auth Token“.

4. Patikrinkite el. Pašto dėžutę ir raskite autentifikavimo žetoną.

3 žingsnis: „Arduino IDE“paruošimas „Wemos Board“

Norėdami įkelti „Arduino“kodą į „Wemos“lentą, turite laikytis šios instrukcijos

4 veiksmas: įdiekite bibliotekas

Tada turite importuoti biblioteką į „Arduino IDE“

Atsisiųskite „Blynk“biblioteką

Atsisiųskite OLED ekrano bibliotekas: i. Adafruit_SSD1306 ii. „Adafruit-GFX“biblioteka

5 žingsnis: „Arduino“eskizas

Įdiegę aukščiau pateiktas bibliotekas, įklijuokite žemiau pateiktą „Arduino“kodą.

Įveskite 1 veiksmo autentifikavimo kodą, ssid ir maršrutizatoriaus slaptažodį.

Tada įkelkite kodą.

8 žingsnis: Paruoškite grandinės plokštę

Kad grandinė būtų tvarkinga ir švari, aš padariau plokštę, naudodamas 4x6 cm dydžio plokštės prototipą. Pirmiausia prie „Wemos“lentos lituodavau vyrių antgalių kaištį. Tada aš prilipdžiau antraštes ant prototipo plokštės, kad pritvirtinčiau skirtingas plokštes:

1. „Wemos“lenta (2 x 8 kaiščių moterų antraštė)

2. 5 V nuolatinės srovės maitinimo plokštė (2 kaiščiai +3 kaiščiai „Female Header“)

3. Srovės jutiklio modulis (3 kontaktų moteriška antraštė)

4. OLED ekranas (4 kontaktų moterų antraštė)

Galiausiai, aš prijungiau 2 kontaktų varžtą, skirtą įvesties kintamosios srovės tiekimui į maitinimo bloką.

Lituodami visus antraščių kaiščius, prijunkite, kaip parodyta aukščiau. Visam ryšiui naudojau 24 AWG litavimo laidą.

Ryšys yra toks

1. ACS712:

ACS712 Wemos

Vcc- 5V

Gnd - GND

Vout-A0

2. OLED ekranas:

„OLED Wemos“

Vcc- 5V

Gnd-- GND

SCL- D1

SDA-D2

3. Maitinimo modulis:

Maitinimo modulio kintamosios srovės įvesties kaištis (2 kontaktų), prijungtas prie varžto gnybto.

Išėjimas V1pin yra prijungtas prie „Wemos 5V“, o GND kaištis prijungtas prie „Wemos GND“kaiščio.

9 žingsnis: 3D spausdintas gaubtas

Norėdami suteikti gražią komercinę produkto išvaizdą, šiam projektui sukūriau gaubtą. Korpuso dizainui panaudojau „Autodesk Fusion 360“. Korpusą sudaro dvi dalys: apatinis ir viršutinis dangtelis.. STL failus galite atsisiųsti iš „Thingiverse“.

Apatinė dalis iš esmės suprojektuota taip, kad tilptų į pagrindinę PCB (4 x 6 cm), srovės jutiklį ir saugiklių laikiklį. Viršutinis dangtelis skirtas montuoti kintamosios srovės lizdą ir OLED ekraną.

Dalims spausdinti naudojau savo „Creality CR-10S“3D spausdintuvą ir 1,75 mm sidabrinį PLA ir raudoną PLA giją. Man prireikė maždaug 5 valandų pagrindinio korpuso spausdinimui, o viršutiniam dangteliui - maždaug 3 valandoms.

Mano nustatymai yra šie:

Spausdinimo greitis: 60 mm/s

Sluoksnio aukštis: 0,3

Užpildymo tankis: 100%

Ekstruderio temperatūra: 205 ° C

Lovos temperatūra: 65 laipsnių

10 žingsnis: kintamosios srovės laidų schema

Kintamosios srovės maitinimo laidą sudaro 3 laidai: linija (raudona), neutrali (juoda) ir įžeminta (žalia).

Maitinimo laido raudonas laidas prijungtas prie vieno saugiklio gnybto. Kitas saugiklio gnybtas yra prijungtas prie spyruoklinių dviejų gnybtų jungčių. Juoda viela, tiesiogiai prijungta prie spyruoklinės jungties.

Dabar po spyruoklinės jungties išjungta elektros grandinės plokštės („Wemos“, OLED ir ACS712) energija. Norėdami izoliuoti pagrindinę plokštę, jungiklis jungiamas nuosekliai. Žiūrėkite aukščiau pateiktą schemą.

Tada raudonas laidas (linija) prijungiamas prie kintamosios srovės lizdo „L“gnybto, o žalias laidas (įžeminimas) - prie centrinio gnybto (pažymėtas kaip G).

Neutralus gnybtas yra prijungtas prie vieno ACS712 srovės jutiklio gnybto. Kitas ACS712 gnybtas vėl prijungtas prie spyruoklinės jungties.

Baigę visas išorines jungtis, labai atidžiai patikrinkite plokštę ir išvalykite, kad pašalintumėte litavimo srauto likučius.

Pastaba: Nelieskite jokios grandinės dalies, kai ji yra įjungta. Bet koks atsitiktinis prisilietimas gali sukelti mirtiną sužalojimą ar mirtį. Būkite saugūs dirbdami, aš neatsakysiu už nuostolius.

11 veiksmas: įdiekite visus komponentus

Įdėkite komponentus (kintamosios srovės lizdą, svirtinį jungiklį ir OLED ekraną) į viršutinio dangčio angas, kaip parodyta paveikslėlyje. Tada pritvirtinkite varžtus. Apatinėje dalyje yra 4 atramos pagrindinei PCB plokštei pritvirtinti. Pirmiausia į skylę įstatykite žalvario atramą, kaip parodyta aukščiau. Tada pritvirtinkite 2M varžtą keturiuose kampuose.

Uždėkite saugiklių laikiklį ir srovės jutiklį ant lizdo, esančio apatiniame korpuse. Aš naudoju 3M tvirtinimo kvadratus, kad juos pritvirtinčiau prie pagrindo. Tada tinkamai nutieskite visus laidus.

Galiausiai uždėkite viršutinį dangtį ir pritvirtinkite 4 veržles (3M x16) prie kampų.

12 žingsnis: galutinis bandymas

Prijunkite energijos matuoklio maitinimo laidą prie elektros lizdo.

Pakeiskite šiuos parametrus iš „Blynk“programos

1. Stumkite CALIBRATE slankiklį, kad gautumėte nulinį srovę, kai nėra prijungta apkrova.

2. Naudodami multimetrą išmatuokite namų kintamosios srovės maitinimo įtampą ir nustatykite ją stumdami TIKSLO ĮTAMPOS slankiklį.

3. Nustatykite galios koeficientą

4. Įveskite energijos tarifą savo vietoje.

Tada prijunkite prietaisą, kurio galia matuojama, prie energijos skaitiklio lizdo. Dabar esate pasirengęs išmatuoti jo sunaudotą energiją.

Tikiuosi, kad jums patiko skaityti apie mano projektą taip pat, kaip man patiko jį kuriant.

Jei turite pasiūlymų dėl patobulinimų, pakomentuokite juos žemiau. Ačiū!

Antroji vieta mikrovaldiklių konkurse