Arduino -energiamittari - V2.0: 12 vaihetta (kuvilla)

2025 Kirjoittaja: John Day | [email protected]. Viimeksi muokattu: 2025-01-23 14:42

Hei ystävä, tervetuloa takaisin pitkän tauon jälkeen. Aikaisemmin olen julkaissut Instructables on Arduino -energiamittarin, joka on suunniteltu pääasiassa seuraamaan aurinkopaneelin (DC Power) tehoa kylässä. Siitä tuli erittäin suosittu Internetissä, monet ihmiset ympäri maailmaa ovat rakentaneet oman. Niin monet opiskelijat ovat päässeet yliopistoprojektiinsa ottamalla minulta apua. Silti saan nyt sähköposteja ja viestejä ihmisiltä, joilla on kysymyksiä laitteiston ja ohjelmiston muutoksista verkkovirran kulutuksen seurantaa varten.

Joten tässä ohjeessa näytän sinulle, miten voit tehdä yksinkertaisen wifi -yhteensopivan AC -energiamittarin käyttämällä Arduino/Wemos -levyä. Tämän energiamittarin avulla voit mitata minkä tahansa kodinkoneen virrankulutuksen. Projektin lopussa tein hienon 3D -tulostetun kotelon tälle projektille.

Tavoitteena lisätä tietoisuutta energiankulutuksesta olisi optimoida ja vähentää käyttäjän energiankulutusta. Tämä alentaisi heidän energiakustannuksiaan ja säästäisi energiaa.

Tietenkin paljon kaupallisia laitteita on jo olemassa energian seurantaan, mutta halusin rakentaa oman version, joka on yksinkertainen ja edullinen.

Löydät kaikki projektini osoitteesta:

Vaihe 1: Tarvittavat osat ja työkalut

Tarvittavat komponentit:

1. Wemos D1 mini pro (Amazon / Banggood)

2. Virta -anturi -ACS712 (Amazon)

3. OLED -näyttö (Amazon / Banggood)

4. 5V virtalähde (Aliexpress)

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

6. 24 AWG -lanka (Amazon)

7. Otsikon nastat (Amazon / Banggood)

8. uros-naarasliitinjohdot (Amazon)

9. Ruuviliitin (Amazon)

10. Standoff (Banggood)

11. Pistorasia

12. Pistoke

13. Jousikuormitteinen liitin (Banggood)

14. Keinukytkin (Banggood)

15. PLA-filamentti-hopea (GearBest)

16. PLA-filamentti-punainen (GearBest)

Tarvittavat työkalut:

1. juotosrauta (Amazon)

2. liimapistooli (Amazon)

3. Wire Cutter/Stripper (Amazon)

4.3D -tulostin (Creality CR10S)

Vaihe 2: Kuinka se toimii?

Koko projektin lohkokaavio on esitetty yllä.

Virta verkkovirrasta otetaan ja johdetaan sulakkeen läpi, jotta vältetään piirilevyn vaurioituminen tahattoman oikosulun aikana.

Sitten verkkovirtajohto on jaettu kahteen osaan:

1. Kuormalle virta -anturin (ACS712) kautta

2. 230V AC/5V DC -virtalähdemoduuli

5 V: n virtalähdemoduuli syöttää virtaa mikro -ohjaimelle (Arduino/Wemos), virta -anturille (ACS712) ja OLED -näytölle.

Kuorman läpi kulkeva vaihtovirta tunnistetaan virta -anturimoduulilla (ACS712) ja syötetään Arduino/Wemos -kortin analogiseen nastaan (A0). Kun analogiatulo on annettu Arduinolle, tehon/energian mittaus suoritetaan Arduinon luonnoksella.

Arduino/Wemosin laskema teho ja energia näytetään 0,96 OLED -näyttömoduulissa.

Wemosin sisäänrakennettu WiFi -siru on yhdistetty kotireitittimeen ja linkitetty Blynk -sovellukseen. Voit siis seurata parametreja sekä kalibroida ja muuttaa älypuhelimesi eri asetuksia OTA: n kautta.

Vaihe 3: AC -perusteiden ymmärtäminen

AC -piirianalyysissä sekä jännite että virta vaihtelevat sinimuotoisesti ajan myötä.

Todellinen teho (P):

Tämä on teho, jota laite käyttää hyödyllisen työn tuottamiseen. Se ilmaistaan kilowatteina.

Todellinen teho = jännite (V) x virta (I) x cosΦ

Loisteho (Q):

Tätä kutsutaan usein kuvitteelliseksi voimaksi, joka on tehon mittari, joka värähtelee lähteen ja kuorman välillä, mikä ei tee hyödyllistä työtä.

Loisteho = Jännite (V) x Virta (I) x sinΦ

Näennäinen teho (S):

Se määritellään keskimääräisen neliöjännitteen (RMS) ja RMS-virran tulona. Tämä voidaan määritellä myös todellisen ja loistehon tuloksena. Se ilmaistaan kVA: na

Näennäinen teho = jännite (V) x virta (I)

Todellisen, reaktiivisen ja näennäisen voiman suhde:

Todellinen teho = näennäinen teho x cosΦ

Loisteho = näennäinen teho x sinΦ

(kVA) ² = (kW) ² + (kVAr) ²

Tehokerroin (pf):

Todellisen tehon suhdetta piirin näennäistehoon kutsutaan tehokerroimeksi.

Tehokerroin = todellinen teho/näennäinen teho

Edellä esitetystä on selvää, että voimme mitata kaikenlaisen tehon sekä tehokertoimen mittaamalla jännitteen ja virran.

Kuva: openenergymonitor.org

Vaihe 4: Virta -anturi

Vaihtovirta mitataan perinteisesti käyttämällä virtamuuntajaa, mutta tässä projektissa ACS712 valittiin virta -anturiksi sen alhaisen hinnan ja pienemmän koon vuoksi. ACS712 -virta -anturi on Hall -efektivirta -anturi, joka mittaa tarkasti virran indusoituna. AC -johdon ympärillä oleva magneettikenttä havaitaan, mikä antaa vastaavan analogisen lähtöjännitteen. Mikro -ohjain käsittelee sitten analogisen jännitteen lähdön kuorman läpi kulkevan virran mittaamiseksi.

Saat lisätietoja ACS712 -anturista käymällä tällä sivustolla. Saadaksesi paremman selityksen hallitehosteanturin toiminnasta olen käyttänyt yllä olevaa kuvaa Embedded-labista.

Vaihe 5: ACS712: n virranmittaus

ACS712 -virta -anturin lähtö on AC -jänniteaalto, joka meidän on laskettava tehollisvirta, tämä voidaan tehdä seuraavalla tavalla

1. Huippujännitteen (Vpp) mittaaminen

2. Jaa huippujännite (Vpp) kahdella saadaksesi huippujännitteen (Vp)

3. Kerro se 0,707: llä saadaksesi tehollisjännitteen (Vrms)

Kerro sitten virta -anturin (ACS712) herkkyys saadaksesi rms -virran.

Vp = Vpp/2

Vrms = Vp x 0,707

Irms = Vrms x Herkkyys

ACS712 5A -moduulin herkkyys on 185 mV/A, 20 A -moduuli on 100 mV/A ja 30 A -moduuli on 66 mV/A.

Nykyisen anturin liitäntä on kuten alla

ACS712 Arduino/Wemos

VCC ------ 5V

ULOS ----- A0

GND ----- GND

Vaihe 6: Tehon ja energian laskeminen

Aiemmin olen kuvannut verkkovirran eri muotojen perusteet. Kotitalouskäyttäjänä todellinen teho (kW) on tärkein huolenaiheemme. Todellisen tehon laskemiseksi meidän on mitattava tehollisjännite, tehollisvirta ja tehokerroin (pF).

Yleensä verkkojännite sijainnissani (230 V) on lähes vakio (vaihtelu on vähäinen). Joten jätän yhden anturin mittaamaan jännitettä. Epäilemättä, jos kytket jänniteanturin, mittaustarkkuus on parempi kuin minun tapauksessani. Joka tapauksessa tämä menetelmä on halpa ja yksinkertainen tapa saattaa projekti loppuun ja saavuttaa tavoite.

Toinen syy siihen, miksi jänniteanturia ei käytetä, johtuu analogisen Wemos -nastan (vain yksi) rajoituksista. Vaikka ylimääräinen anturi voidaan kytkeä käyttämällä ADC: tä, kuten ADS1115, jätän sen toistaiseksi pois. Jatkossa, jos saan aikaa, lisään sen ehdottomasti.

Kuorman tehokerrointa voidaan muuttaa ohjelmoinnin aikana tai älypuhelinsovelluksesta.

Todellinen teho (W) = Vrms x Irms x Pf

Vrms = 230 V (tunnettu)

Pf = 0,85 (tunnettu)

Irms = lukema nykyisestä anturista (tuntematon)

Kuvaluotto: imgoat

Vaihe 7: Liitäntä Blynk -sovellukseen

Koska Wemos -kortissa on sisäänrakennettu WiFi -siru, ajattelin liittää sen reitittimeen ja seurata kodinkoneen energiaa älypuhelimestani. Wemos -kortin käytön edut Arduinon sijaan ovat: anturin kalibrointi ja parametrin arvon muuttaminen älypuhelimesta OTA: n kautta ilman, että mikrokontrolleria ohjelmoidaan toistuvasti.

Etsin yksinkertaista vaihtoehtoa, jotta kuka tahansa, jolla on vähän kokemusta, voi tehdä sen. Paras vaihtoehto, jonka löysin, on Blynk -sovelluksen käyttö. Blynk on sovellus, joka mahdollistaa täyden hallinnan Arduinolle, ESP8266: lle, Rasberrylle, Intel Edisonille ja monille muille laitteille. Se on yhteensopiva sekä Androidin että iPhonen kanssa. Blynkissä kaikki toimii ⚡️Energia. Kun luot uuden tilin, saat ⚡️2 000 aloittaaksesi kokeilun; Jokainen widget tarvitsee jonkin verran energiaa toimiakseen. Tätä projektia varten tarvitset 24️2400, joten sinun on ostettava lisäenergiaa ⚡️400 (hinta on alle $ 1)

i. Mittari - 2 x 200️200 = ⚡️400

ii. Merkitty arvonäyttö - 2 x 4️400 = ⚡️800

iii. Liukusäätimet - 4 x ⚡️200 = ⚡️800

iv. Valikko - 1x 4️400 = ⚡️400

Tähän projektiin tarvittava kokonaisenergia = 400+800+800+400 = 24️2400

Noudata seuraavia ohjeita:

Vaihe 1: Lataa Blynk-sovellus

1. Androidille

2. iPhonelle

Vaihe 2: Hanki todennustunnus

Blynk -sovelluksen ja laitteiston yhdistämiseksi tarvitset todennustunnuksen.1. Luo uusi tili Blynk -sovelluksessa.

2. Paina QR -kuvaketta ylävalikkorivillä. Luo tämän projektin klooni skannaamalla yllä näkyvä QR -koodi. Kun se on havaittu onnistuneesti, koko projekti on heti puhelimellasi.

3. Kun projekti on luotu, lähetämme sinulle todennustunnuksen sähköpostitse.

4. Tarkista sähköpostisi postilaatikko ja etsi todennustunnus.

Vaihe 3: Arduino IDE: n valmistelu Wemos Boardia varten

Jos haluat ladata Arduino -koodin Wemos -taululle, sinun on noudatettava näitä ohjeita

Vaihe 4: Asenna kirjastot

Sitten sinun on tuotava kirjasto Arduino IDE -laitteeseen

Lataa Blynk -kirjasto

Lataa OLED -näytön kirjastot: i. Adafruit_SSD1306 ii. Adafruit-GFX-kirjasto

Vaihe 5: Arduino-luonnos

Kun olet asentanut yllä olevat kirjastot, liitä alla oleva Arduino -koodi.

Anna auth-koodi vaiheesta 1, ssid ja reitittimen salasana.

Lataa sitten koodi.

Vaihe 8: Valmistele piirilevy

Jotta piiri olisi siisti ja puhdas, tein piirilevyn käyttämällä 4x6 cm: n prototyyppikorttia. Ensin juotin miespuolisten otsikoiden nastan Wemos -lautaan. Sitten juotin naarasotsikot prototyyppikortille eri levyjen asentamiseksi:

1. Wemos Board (2 x 8 nastaa, naarasotsikko)

2. 5 V DC -virtalähdekortti (2 nastaa +3 nastaa, naarasliitin)

3. Virta -anturimoduuli (3 -nastainen naarasliitin)

4. OLED -näyttö (4 -nastainen naarasotsikko)

Lopuksi juotin 2 -nastaisen ruuviliittimen verkkovirran syöttöä varten virtalähteeseen.

Kun olet juottanut kaikki otsikkotapit, liitä yllä kuvatulla tavalla. Käytin 24 AWG -juotosjohtoa kaikkiin liitäntöihin.

Yhteys on seuraava

1. ACS712:

ACS712 Wemos

Vcc-- 5V

Gnd - GND

Vout-A0

2. OLED -näyttö:

OLED Wemos

Vcc-- 5V

Gnd-- GND

SCL- D1

SDA-D2

3. virtalähde moduuli:

Virtalähdemoduulin AC -tulotappi (2 -nastainen) liitetty ruuviliittimeen.

Lähtö V1pin on kytketty Wemos 5V: een ja GND -nasta on liitetty Wemos GND -tapaan.

Vaihe 9: 3D -painettu kotelo

Antaakseni kaupalliselle tuotteelle hyvän ulkonäön, suunnittelin tähän projektiin kotelon, jonka suunnittelussa käytin Autodesk Fusion 360 -koteloa. Kotelossa on kaksi osaa: ala- ja yläkansi, voit ladata. STL -tiedostot Thingiversestä.

Alaosa on suunniteltu sopimaan pääpiirilevyyn (4 x 6 cm), virta -anturiin ja sulakkeen pidikkeeseen.

Osien tulostamiseen käytin Creality CR-10S 3D-tulostinta ja 1,75 mm: n hopeaa PLA: ta ja punaista PLA-filamenttia. Kesti noin 5 tuntia päärungon tulostamiseen ja noin 3 tuntia yläkannen tulostamiseen.

Asetukseni ovat:

Tulostusnopeus: 60 mm/s

Kerroksen korkeus: 0,3

Täyttötiheys: 100%

Puristimen lämpötila: 205 astetta

Sängyn lämpötila: 65 astetta

Vaihe 10: AC -kytkentäkaavio

Verkkojohdossa on 3 johtoa: linja (punainen), neutraali (musta) ja maadoitus (vihreä).

Virtajohdon punainen johto on kytketty sulakkeen yhteen liittimeen. Sulakkeen toinen liitin on kytketty jousikuormitteisiin kahteen liittimeen. Musta johto on kytketty suoraan jousikuormitteiseen liittimeen.

Nyt piirilevylle (Wemos, OLED ja ACS712) tarvittava virta on teipattu pois jousikuormitteisen liittimen jälkeen. Pääpiirilevyn eristämiseksi keinukytkin on kytketty sarjaan. Katso yllä oleva piirikaavio.

Sitten punainen johto (linja) kytketään pistorasiaan "L" ja vihreä johto (maa) keskiliittimeen (merkitty G: llä).

Nollaliitin on kytketty ACS712 -virta -anturin yhteen liittimeen. ACS712: n toinen liitin on kytketty takaisin jousikuormitteiseen liittimeen.

Kun kaikki ulkoiset liitännät on tehty, tarkista levy huolellisesti ja puhdista se juotosvirran jäämien poistamiseksi.

Huomautus: Älä koske mihinkään piirin osaan, kun se on jännitteettömänä. Tahaton kosketus voi johtaa kuolemaan tai kuolemaan. Ole turvassa töiden aikana, en ole vastuussa menetyksistä.

Vaihe 11: Asenna kaikki komponentit

Aseta osat (pistorasia, keinukytkin ja OLED -näyttö) yläkannen aukkoihin kuvan osoittamalla tavalla. Kiinnitä sitten ruuvit. Alaosassa on 4 erillistä päälevyä PCB -levyn asentamista varten. Työnnä ensin messinkikappale reikään yllä olevan kuvan mukaisesti. Kiinnitä sitten 2M ruuvi neljään kulmaan.

Aseta sulakepidike ja virta -anturi kotelon alapuolella olevaan aukkoon. Käytin 3M asennusruutuja kiinnittääkseni ne pohjaan. Reititä sitten kaikki johdot oikein.

Aseta lopuksi yläkansi ja kiinnitä 4 mutteria (3M x16) kulmiin.

Vaihe 12: Lopullinen testaus

Kytke energiamittarin virtajohto pistorasiaan.

Muuta seuraavat parametrit Blynk -sovelluksesta

1. Liu'uta KALIBROI liukusäädintä saadaksesi nykyinen nolla, kun kuormaa ei ole kytketty.

2. Mittaa kotivirran syöttöjännite yleismittarilla ja aseta se liu'uttamalla SUPPLY JOLTAGE -liukusäädintä.

3. Aseta tehokerroin

4. Anna energiatariffisi sijainnissasi.

Kytke sitten mitattava laite pistorasiaan energiamittarin pistorasiaan. Nyt olet valmis mittaamaan sen kuluttaman energian.

Toivottavasti pidit projektistani yhtä paljon kuin minä olen rakentamisen aikana.

Jos sinulla on parannusehdotuksia, kommentoi sitä alla. Kiitos!

Mikroohjauskilpailun toinen sija