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

2024 Författare: John Day | [email protected]. Senast ändrad: 2024-01-30 12:44

Hej vän, välkommen tillbaka efter en lång paus. Tidigare har jag lagt ut en instruktion på Arduino Energy Meter som huvudsakligen var utformad för att övervaka strömmen från solpanelen (DC Power) i min by. Det blev väldigt populärt på internet, massor av människor över hela världen har byggt sina egna. Så många studenter har gjort det för sitt högskoleprojekt genom att ta hjälp av mig. Ändå får jag nu e -postmeddelanden och meddelanden från personer med frågor angående modifiering av hårdvara och programvara för övervakning av strömförbrukning.

Så i denna instruktion kommer jag att visa dig hur du gör en enkel wifi -aktiverad AC -energimätare med Arduino/Wemos -kort. Genom att använda denna energimätare kan du mäta strömförbrukningen för alla hushållsapparater. I slutet av projektet gjorde jag en fin 3D -tryckt kapsling för detta projekt.

Målet att skapa mer medvetenhet om energiförbrukning skulle vara optimering och minskning av användarens energianvändning. Detta skulle minska deras energikostnader och spara energi.

Naturligtvis finns det redan många kommersiella enheter för energiovervakning, men jag ville bygga min egen version som ska vara enkel och billig.

Du hittar alla mina projekt på:

Steg 1: Delar och verktyg krävs

Komponenter som krävs:

1. Wemos D1 mini pro (Amazon / Banggood)

2. Strömgivare -ACS712 (Amazon)

3. OLED -skärm (Amazon / Banggood)

4. 5V strömförsörjning (Aliexpress)

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

6. 24 AWG -tråd (Amazon)

7. Header Pins (Amazon / Banggood)

8. Man-kvinnliga bygelkablar (Amazon)

9. Skruvterminal (Amazon)

10. Standoff (Banggood)

11. Nätuttag

12. AC -kontakt

13. Fjäderbelastad kontakt (Banggood)

14. Vippbrytare (Banggood)

15. PLA-filament-silver (GearBest)

16. PLA-filament-röd (GearBest)

Nödvändiga verktyg:

1. Lödkolv (Amazon)

2. Limpistol (Amazon)

3. Wire Cutter/Stripper (Amazon)

4.3D -skrivare (Creality CR10S)

Steg 2: Hur fungerar det?

Blockschemat för hela projektet visas ovan.

Ström från elnätet dras och passeras genom en säkring för att undvika skador på kretskortet under en oavsiktlig kortslutning.

Sedan fördelas växelströmsledningen i två delar:

1. Till lasten genom strömgivaren (ACS712)

2. 230V AC/5V DC nätaggregat

5V strömförsörjningsmodul ger ström till mikrokontrollern (Arduino/Wemos), strömgivaren (ACS712) och OLED -displayen.

Växelströmmen som passerar genom lasten avkänns av strömgivarmodulen (ACS712) och matas till den analoga stiftet (A0) på Arduino/Wemos -kortet. När den analoga ingången ges till Arduino görs mätningen av effekt/energi med Arduino -skiss.

Den beräknade effekten och energin från Arduino/Wemos visas på en 0,96 OLED -displaymodul.

Wemos inbyggda WiFi -chip är anslutet till hemroutern och länkad till Blynk -appen. Så du kan övervaka parametrarna samt kalibrera och ändra olika inställningar från din smartphone via OTA.

Steg 3: Förstå AC Basics

Vid AC -kretsanalys varierar både spänning och ström sinusformat med tiden.

Verklig effekt (P):

Detta är den effekt som enheten använder för att producera användbart arbete. Det uttrycks i kW.

Verklig effekt = Spänning (V) x Ström (I) x cosΦ

Reaktiv effekt (Q):

Detta kallas ofta föreställd kraft som är ett mått på makt oscillerar mellan källa och belastning, som inte gör något användbart arbete. Det uttrycks i kVAr

Reaktiv effekt = Spänning (V) x Ström (I) x sinΦ

Skenbar effekt (S):

Det definieras som produkten av Root-Mean-Square (RMS) spänningen och RMS-strömmen. Detta kan också definieras som resultatet av verklig och reaktiv effekt. Det uttrycks i kVA

Tydlig effekt = spänning (V) x ström (I)

Förhållandet mellan verklig, reaktiv och skenbar kraft:

Verklig effekt = skenbar effekt x cosΦ

Reaktiv effekt = skenbar effekt x sinΦ

(kVA) ² = (kW) ² + (kVAr) ²

Effektfaktor (pf):

Förhållandet mellan den verkliga effekten och den skenbara effekten i en krets kallas effektfaktorn.

Effektfaktor = Verklig effekt/skenbar effekt

Av ovanstående är det klart att vi kan mäta alla former av effekt såväl som effektfaktor genom att mäta spänning och ström.

Bildkredit: openenergymonitor.org

Steg 4: Aktuell sensor

Växelströmmen mäts konventionellt med hjälp av en strömtransformator men för detta projekt valdes ACS712 som strömgivare på grund av dess låga kostnad och mindre storlek. ACS712 strömgivare är en Hall Effect strömgivare som mäter strömmen exakt när den induceras. Magnetfältet runt AC -ledningen detekteras vilket ger motsvarande analog utspänning. Den analoga spänningsutgången bearbetas sedan av mikrokontrollern för att mäta strömflödet genom lasten.

Om du vill veta mer om ACS712 -sensorn kan du besöka den här webbplatsen. För en bättre förklaring om hur hall-effektsensorn fungerar, har jag använt bilden ovan från Embedded-lab.

Steg 5: Strömmätning av ACS712

Utsignalen från ACS712 -strömsensorn är en växelspänningsvåg. Vi måste beräkna rms -strömmen, detta kan göras på följande sätt

1. Mätning av topp till topp spänning (Vpp)

2. Dela topp till topp spänning (Vpp) med två för att få topp spänning (Vp)

3. Multiplicera den med 0,707 för att få rms -spänningen (Vrms)

Multiplicera sedan känsligheten för strömgivaren (ACS712) för att få rms -strömmen.

Vp = Vpp/2

Vrms = Vp x 0,707

Irms = Vrms x Känslighet

Känsligheten för ACS712 5A -modulen är 185mV/A, 20A -modulen är 100mV/A och 30A -modulen är 66mV/A.

Anslutningen för den aktuella sensorn är som nedan

ACS712 Arduino/Wemos

VCC ------ 5V

UT ----- A0

GND ----- GND

Steg 6: Kraft- och energiberäkning

Tidigare har jag beskrivit grunderna i de olika formerna av växelström. Som en hushållsanvändare är den verkliga effekten (kW) vår största angelägenhet. För att beräkna den verkliga effekten måste vi mäta rms -spänningen, rms -strömmen och effektfaktorn (pF).

Vanligtvis är nätspänningen på min plats (230V) nästan konstant (fluktuationen är försumbar). Så jag lämnar en sensor för att mäta spänningen. Ingen tvekan om du ansluter en spänningssensor, mätnoggrannheten är bättre än i mitt fall. Hur som helst är denna metod ett billigt och enkelt sätt att slutföra projektet och uppfylla målet.

En annan anledning till att inte använda spänningssensorn beror på begränsningen av Wemos analoga stift (endast en). Även om en extra sensor kan anslutas med en ADC som ADS1115, lämnar jag den för tillfället. I framtiden kommer jag definitivt att lägga till det om jag får tid.

Lastens effektfaktor kan ändras under programmeringen eller från Smartphone -appen.

Verklig effekt (W) = Vrms x Irms x Pf

Vrms = 230V (känd)

Pf = 0,85 (känd)

Irms = avläsning från den aktuella sensorn (okänd)

Bildkredit: imgoat

Steg 7: Gränssnitt med Blynk App

Eftersom Wemos -kortet har inbyggt WiFi -chip tänkte jag ansluta det till min router och övervaka energin i hushållsapparaten från min smartphone. Fördelarna med att använda Wemos -kortet istället för Arduino är: kalibrering av sensorn och ändring av parametervärdet från smarttelefonen via OTA utan att fysiskt programmera mikrokontrollen upprepade gånger.

Jag sökte efter det enkla alternativet så att alla med liten erfarenhet kan göra det. Det bästa alternativet jag hittade är att använda Blynk -appen. Blynk är en app som tillåter full kontroll över Arduino, ESP8266, Rasberry, Intel Edison och mycket mer hårdvara. Den är kompatibel med både Android och iPhone. I Blynk körs allt på ⚡️Energi. När du skapar ett nytt konto får du 2️2 000 för att börja experimentera; Varje widget behöver lite energi för att fungera. För detta projekt behöver du 24️ 2400, så du måste köpa ytterligare energi ️⚡️400 (kostnaden är mindre än $ 1)

i. Mätare - 2 x ⚡️200 = ⚡️400

ii. Märkt värdevisning - 2 x 400️400 = ⚡️800

iii. Reglage - 4 x ⚡️200 = ⚡️800

iv. Meny - 1x ⚡️400 = ⚡️400

Total energi som krävs för detta projekt = 400+800+800+400 = ⚡️2400

Följ stegen nedan:

Steg 1: Ladda ner Blynk-appen

1. För Android

2. För iPhone

Steg 2: Skaffa Auth Token

För att kunna ansluta Blynk App och din maskinvara behöver du en Auth Token.1. Skapa ett nytt konto i Blynk App.

2. Tryck på QR -ikonen i den övre menyraden. Skapa en klon av detta projekt genom att skanna QR -koden som visas ovan. När det väl upptäckts kommer hela projektet att finnas på din telefon omedelbart.

3. Efter att projektet skapats skickar vi dig Auth Token via e -post.

4. Kontrollera din e -postinkorg och hitta Auth Token.

Steg 3: Förbereda Arduino IDE för Wemos Board

För att ladda upp Arduino -koden till Wemos -kortet måste du följa denna instruktion

Steg 4: Installera biblioteken

Sedan måste du importera biblioteket till din Arduino IDE

Ladda ner Blynk -biblioteket

Ladda ner biblioteken för OLED Display: i. Adafruit_SSD1306 ii. Adafruit-GFX-bibliotek

Steg 5: Arduino Sketch

Efter att ha installerat ovanstående bibliotek klistrar du in Arduino -koden nedan.

Ange behörighetskoden från steg-1, ssid och lösenord för din router.

Ladda sedan upp koden.

Steg 8: Förbered kretskortet

För att göra kretsen snygg och ren gjorde jag ett kretskort med ett prototypkort på 4x6 cm. Först lödde jag Male Headers Pin till Wemos Board. Sedan lödde jag de kvinnliga rubrikerna på prototypkortet för att montera de olika brädorna:

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

2. 5V DC strömförsörjningskort (2 stift +3 stift hona)

3. Strömgivarmodul (3 Pins Female Header)

4. OLED -skärm (4pins kvinnlig rubrik)

Till sist lödde jag en 2 -stifts skruvterminal för ingång AC -matning till nätaggregatet.

Efter att du har lödt alla huvudstiften gör du anslutningen enligt ovan. Jag använde 24 AWG -lödtråd för all anslutning.

Anslutningen är följande

1. ACS712:

ACS712 Wemos

Vcc- 5V

Gnd - GND

Vout-A0

2. OLED -skärm:

OLED Wemos

Vcc- 5V

Gnd-- GND

SCL-- D1

SDA-D2

3. strömförsörjningsmodul:

AC -ingångsstiftet (2 -stift) på strömförsörjningsmodulen ansluten till skruvterminalen.

Utgången V1pin är ansluten till Wemos 5V och GND -stiftet är anslutet till Wemos GND -stift.

Steg 9: 3D -tryckt hölje

För att ge en snygg kommersiell produktutseende, designade jag ett hölje för detta projekt. Jag använde Autodesk Fusion 360 för att designa höljet. Höljet har två delar: nedre och övre lock. Du kan ladda ner. STL -filer från Thingiverse.

Den nedre delen är i princip utformad för att passa huvudkortet (4 x6 cm), strömgivare och säkringshållare. Det övre locket är för att montera nätuttaget och OLED -skärmen.

Jag använde min Creality CR-10S 3D-skrivare och 1,75 mm silver PLA och rött PLA-filament för att skriva ut delarna. Det tog mig cirka 5 timmar att skriva ut huvudenheten och cirka 3 timmar att skriva ut det övre locket.

Mina inställningar är:

Utskriftshastighet: 60 mm/s

Lagerhöjd: 0,3

Fylltäthet: 100%

Extruder temperatur: 205 degC

Sängtemperatur: 65 grader

Steg 10: AC -kopplingsschema

Nätkabeln har tre ledningar: Line (röd), neutral (svart) och Ground (grön).

Den röda ledningen från nätsladden är ansluten till ena änden av säkringen. Den andra terminalen på säkringen är ansluten till fjäderbelastade två plintkontakter. Den svarta ledningen är direkt ansluten till den fjäderbelastade kontakten.

Nu kopplas den ström som krävs för kretskortet (Wemos, OLED och ACS712) bort efter den fjäderbelastade kontakten. För att isolera kretskortet är en vippbrytare ansluten i serie. Se kretsschemat ovan.

Sedan är den röda ledningen (linje) ansluten till AC -uttaget "L" och grön kabel (jordad) är ansluten till mittterminalen (markerad som G).

Den neutrala terminalen är ansluten till en terminal på ACS712 strömgivaren. Den andra terminalen på ACS712 är ansluten tillbaka till den fjäderbelastade kontakten.

När alla externa anslutningar är klara gör du en mycket noggrann inspektion av brädan och rengör den för att avlägsna lödningsrester.

Obs: Rör inte vid någon del av kretsen medan den är strömförsörjd. Varje oavsiktlig beröring kan leda till dödlig skada eller dödsfall. Var säker under arbetet, jag ansvarar inte för förlust.

Steg 11: Installera alla komponenter

Sätt i komponenterna (AC -uttag, vippbrytare och OLED -skärm) på de övre lockfacken enligt bilden. Skruva sedan fast skruvarna. Den nedre delen har 4 distanser för montering av huvudkortet. För in först mässingsavståndet i hålet enligt ovan. Skruva sedan fast 2M -skruven i de fyra hörnen.

Placera säkringshållaren och strömgivaren på platsen på bottenhöljet. Jag använde 3M monteringsrutor för att fästa dem på basen. Dra sedan alla ledningar ordentligt.

Sätt slutligen det övre locket och fäst de 4 muttrarna (3M x16) i hörnen.

Steg 12: Slutprovning

Anslut nätsladden till energimätaren till eluttaget.

Ändra följande parametrar från Blynk -appen

1. Skjut reglaget CALIBRATE för att få aktuell noll när ingen belastning är ansluten.

2. Mät AC -matningsspänningen i hemmet med en multimeter och ställ in den genom att skjuta reglaget TILLFÖRSPÄNNING.

3. Ställ in effektfaktorn

4. Ange energitaxan på din plats.

Anslut sedan apparaten vars effekt ska mätas till uttaget på energimätaren. Nu är du redo att mäta energin som förbrukas av den.

Hoppas att du tyckte om att läsa om mitt projekt lika mycket som jag har haft under byggandet.

Om du har några förslag på förbättringar, kommentera det nedan. Tack!

Tvåa i Microcontroller -tävlingen