מד אנרגיה Arduino - V2.0: 12 שלבים (עם תמונות)

2024 מְחַבֵּר: John Day | [email protected]. שונה לאחרונה: 2024-01-30 09:14

שלום חבר, ברוך שובך לאחר הפסקה ארוכה. מוקדם יותר פרסמתי מדריכים על מד אנרגיה Arduino שנועד בעיקר לפקח על הכוח מהפאנל הסולארי (DC Power) בכפר שלי. זה הפך פופולרי מאוד באינטרנט, הרבה אנשים בכל רחבי העולם בנו את עצמם. כל כך הרבה סטודנטים הצליחו להגיע לפרויקט המכללה שלהם על ידי נטילת עזרה ממני. ובכל זאת, עכשיו אני מקבל הודעות דוא ל והודעות מאנשים עם שאלות בנוגע לשינוי חומרה ותוכנה לצורך ניטור צריכת החשמל.

אז במדריך זה אני הולך להראות לך כיצד להכין מד אנרגיה AC AC פשוט באמצעות Wi -Fi באמצעות לוח Arduino/Wemos. באמצעות מד אנרגיה זה, אתה יכול למדוד את צריכת החשמל של כל מכשירי חשמל ביתיים. בסוף הפרויקט הכנתי מארז יפה להדפסת תלת מימד לפרויקט זה.

המטרה ליצור מודעות רבה יותר לצריכת האנרגיה תהיה אופטימיזציה וצמצום צריכת האנרגיה על ידי המשתמש. זה יקטין את עלויות האנרגיה שלהם, כמו גם יחסוך באנרגיה.

כמובן שיש כבר הרבה מכשירים מסחריים לניטור אנרגיה, אבל רציתי לבנות גרסה משלי שתהיה פשוטה ובעלות נמוכה.

אתה יכול למצוא את כל הפרויקטים שלי ב:

שלב 1: דרושים חלקים וכלים

רכיבים נדרשים:

1. Wemos D1 mini pro (אמזון / בנגגוד)

2. חיישן זרם -ACS712 (אמזון)

3. תצוגת OLED (אמזון / בנגגוד)

4. ספק כוח 5V (Aliexpress)

5. לוח אב טיפוס - 4 x 6 ס מ (אמזון / בנגגוד)

6. 24 AWG חוט (אמזון)

7. סיכות כותרת (אמזון / בנגגוד)

8. חוטי מגשר זכר-נקבה (אמזון)

9. מסוף בורג (אמזון)

10. עמידה (Banggood)

11. שקע חשמל

12. תקע AC

13. מחבר בעל קפיץ (Banggood)

14. מתג נדנדה (Banggood)

15. נימה PLA-כסף (GearBest)

16. נימה PLA-אדום (GearBest)

כלים נדרשים:

1. מלחם (אמזון)

2. אקדח דבק (אמזון)

3. חוט חוט/חשפן (אמזון)

מדפסת 4.3D (Creality CR10S)

שלב 2: איך זה עובד?

תרשים הבלוקים של הפרויקט כולו מוצג למעלה.

החשמל מרשת החשמל נמשך ומועבר דרך נתיך למניעת כל נזק ללוח המעגל במהלך הקצר.

ואז מתח החשמל מתחלק לשני חלקים:

1. לעומס דרך החיישן הנוכחי (ACS712)

2. 230V AC/5V DC מודול אספקת חשמל

מודול אספקת החשמל 5V מספק כוח למיקרו -בקר (Arduino/Wemos), לחיישן הזרם (ACS712) ולתצוגת OLED.

זרם ה- AC העובר בעומס מורגש על ידי מודול החיישן הנוכחי (ACS712) ומוזין לפין האנלוגי (A0) של לוח ה- Arduino/Wemos. ברגע שניתן הקלט האנלוגי ל- Arduino, מדידת הכוח/האנרגיה נעשית על ידי סקיצה של Arduino.

הכוח והאנרגיה המחושבים של Arduino/Wemos מוצגים במודול תצוגה מסוג OLED בגודל 0.96 אינץ '.

שבב ה- WiFi המובנה של ה- Wemos מחובר לנתב הביתי ומקושר לאפליקציית Blynk. כך שתוכל לעקוב אחר הפרמטרים וכן לכייל ולשנות הגדרות שונות מהסמארטפון שלך באמצעות OTA.

שלב 3: הבנת יסודות AC

בניתוח מעגלי AC, המתח והזרם משתנים באופן סינוסי עם הזמן.

כוח אמיתי (P):

זהו הכוח המשמש את המכשיר לייצור עבודה שימושית. הוא מתבטא ב- kW.

הספק אמיתי = מתח (V) x זרם (I) x cosΦ

כוח תגובתי (ש):

זה נקרא לעתים קרובות כוח דמיוני שהוא מדד של כוח מתנדנד בין מקור לעומס, שאינו עושה עבודה שימושית. הוא מתבטא ב- kVAr

כוח תגובתי = מתח (V) x זרם (I) x sinΦ

כוח לכאורה (S):

הוא מוגדר כתוצר של מתח השורש-ממוצע-ריבוע (RMS) וזרם ה- RMS. ניתן להגדיר זאת גם כתוצאה של כוח אמיתי ותגובתי. זה מתבטא ב- kVA

הספק לכאורה = מתח (V) x זרם (I)

הקשר בין כוח אמיתי, תגובתי לכאורה:

כוח אמיתי = כוח לכאורה x cosΦ

כוח ריאקטיבי = כוח לכאורה x sinΦ

(kVA) ² = (kW) ² + (kVAr) ²

גורם כוח (pf):

היחס בין הכוח האמיתי לכוח הנראה במעגל נקרא גורם ההספק.

פקטור כוח = כוח אמיתי/כוח לכאורה

מהאמור לעיל ברור כי אנו יכולים למדוד את כל צורות ההספק כמו גם את גורם ההספק על ידי מדידת המתח והזרם.

אשראי תמונה: openenergymonitor.org

שלב 4: חיישן זרם

זרם ה- AC נמדד באופן קונבנציונאלי באמצעות שנאי זרם, אך עבור פרויקט זה, ACS712 נבחר כחיישן הנוכחי בגלל עלותו הנמוכה וגודלו הקטן יותר. חיישן הזרם ACS712 הוא חיישן זרם אפקט הול אשר מודד במדויק את הזרם כאשר הוא נגרם. השדה המגנטי סביב חוט ה- AC מזוהה שנותן את מתח המוצא האנלוגי המקביל. פלט המתח האנלוגי מעובד אז על ידי המיקרו -בקר כדי למדוד את זרימת הזרם דרך העומס.

למידע נוסף על חיישן ACS712, אתה יכול לבקר באתר זה. להסבר טוב יותר על העבודה של חיישן אפקט האולם, השתמשתי בתמונה למעלה מ- Embedded-lab.

שלב 5: מדידה נוכחית על ידי ACS712

הפלט מחיישן הזרם ACS712 הוא גל מתח AC. עלינו לחשב את זרם ה- rms, ניתן לעשות זאת בדרך הבאה

1. מדידת מתח השיא לשיא (Vpp)

2. חלק את מתח השיא לשיא (Vpp) בשניים כדי לקבל מתח שיא (Vp)

3. הכפל אותו ב- 0.707 כדי לקבל את מתח ה- RMS (Vrms)

לאחר מכן הכפל את הרגישות של חיישן הזרם (ACS712) כדי לקבל את זרם ה- RMS.

Vp = Vpp/2

Vrms = Vp x 0.707

Irms = Vrms x רגישות

הרגישות למודול ACS712 5A היא 185mV/A, מודול 20A הוא 100mV/A ומודול 30A הוא 66mV/A.

החיבור לחיישן הנוכחי הוא כמו להלן

ACS712 Arduino/Wemos

VCC ------ 5V

החוצה ----- A0

GND ----- GND

שלב 6: חישוב כוח ואנרגיה

מוקדם יותר תיארתי את היסודות של הצורה השונה של חשמל. בהיותנו משתמש ביתי, ההספק האמיתי (קילוואט) הוא הדאגה העיקרית שלנו. כדי לחשב את ההספק האמיתי עלינו למדוד את מתח rms, זרם rms וגורם הספק (pF).

בדרך כלל, מתח החשמל במיקום שלי (230V) הוא כמעט קבוע (התנודות זניחות). אז אני עוזב חיישן אחד למדידת המתח. אין ספק אם תחבר חיישן מתח, דיוק המדידה טוב יותר במקרה שלי. בכל אופן, שיטה זו היא דרך זולה ופשוטה להשלים את הפרויקט ולהגשים את המטרה.

סיבה נוספת לאי שימוש בחיישן המתח נובעת מהמגבלה של סיכה אנלוגית של Wemos (רק אחת). למרות שניתן לחבר חיישן נוסף באמצעות ADC כמו ADS1115, בינתיים אני עוזב אותו. בעתיד, אם אקבל זמן בהחלט אוסיף אותו.

ניתן לשנות את גורם ההספק של העומס במהלך התכנות או מאפליקציית הסמארטפון.

כוח אמיתי (W) = Vrms x Irms x Pf

Vrms = 230V (ידוע)

Pf = 0.85 (ידוע)

Irms = קריאה מהחיישן הנוכחי (לא ידוע)

קרדיט תמונה: imgoat

שלב 7: ממשק עם אפליקציית Blynk

מכיוון שללוח Wemos יש שבב WiFi מובנה, חשבתי לחבר אותו לנתב שלי ולפקח על האנרגיה של המכשיר הביתי מהסמארטפון שלי. היתרונות בשימוש בלוח ה- Wemos במקום בארדואינו הם: כיול החיישן ושינוי ערך הפרמטר מהסמארטפון באמצעות OTA מבלי לתכנת פיזית את המיקרו -בקר שוב ושוב.

חיפשתי את האפשרות הפשוטה כך שכל מי שיש לו מעט ניסיון יוכל להצליח. האפשרות הטובה ביותר שמצאתי היא באמצעות אפליקציית Blynk. Blynk היא אפליקציה המאפשרת שליטה מלאה על Arduino, ESP8266, Rasberry, Intel Edison ועוד הרבה חומרה. הוא תואם גם לאנדרואיד וגם לאייפון. בבלינק הכל פועל על ⚡️אנרגיה. כאשר אתה יוצר חשבון חדש, אתה מקבל ⚡️2, 000 להתחיל להתנסות; כל יישומון צריך קצת אנרגיה כדי לפעול. לפרויקט זה, אתה צריך 2400 ⚡, אז אתה צריך לרכוש אנרגיה נוספת ️⚡️400 (העלות היא פחות מ 1 $)

אני. מד - 2 x ⚡️200 = ⚡️400

ii. תצוגת ערך מסומן - 2 x ⚡️400 = ⚡️800

iii. מחוונים - 4 x ⚡️200 = ⚡️800

iv. תפריט - 1x ⚡️400 = ⚡️400

סך האנרגיה הנדרשת לפרויקט זה = 400+800+800+400 = 24️2400

בצע את השלבים הבאים:

שלב 1: הורד את אפליקציית Blynk

1. לאנדרואיד

2. לאייפון

שלב 2: קבל את אסימון האימות

כדי לחבר את אפליקציית Blynk ואת החומרה שלך, אתה צריך אסימון אימות. צור חשבון חדש באפליקציית Blynk.

2. לחץ על סמל ה- QR בשורת התפריטים העליונה. צור שיבוט של פרויקט זה על ידי סריקת קוד ה- QR המוצג למעלה. לאחר שזוהה בהצלחה, כל הפרויקט יופיע בטלפון שלך באופן מיידי.

3. לאחר יצירת הפרויקט, נשלח לך אסימון אימות בדוא ל.

4. בדוק את תיבת הדואר הנכנס שלך ומצא את אסימון האימות.

שלב 3: הכנת IDE של Arduino ללוח Wemos

כדי להעלות את קוד הארדואינו ללוח Wemos, עליך לעקוב אחר הוראות שימוש אלה

שלב 4: התקן את הספריות

לאחר מכן עליך לייבא את הספרייה ל- IDE Arduino שלך

הורד את ספריית בלינק

הורד את הספריות לתצוגת OLED: i. Adafruit_SSD1306 ii. Adafruit-GFX-Library

שלב 5: סקיצה של ארדואינו

לאחר התקנת הספריות הנ ל, הדבק את קוד הארדואינו המופיע להלן.

הזן את קוד האימות משלב 1, ssid והסיסמה של הנתב שלך.

לאחר מכן תעלה את הקוד.

שלב 8: הכינו את לוח המעגלים

כדי להפוך את המעגל למסודר ונקי, הכנתי לוח מעגלים בעזרת לוח אב טיפוס בגודל 4x6 ס מ. תחילה הלחמתי את סיכת הכותרות הזכריות ללוח Wemos. אחר כך הלחמתי את הכותרות הנשיות בלוח האב טיפוס כדי להרכיב את הלוחות השונים:

1. לוח Wemos (כותרת נקבה 2 x 8 סיכות)

2. לוח אספקת חשמל 5V DC (2 סיכות +3 סיכות כותרת נקבה)

3. מודול חיישן נוכחי (3 סיכות כותרת נקבה)

4. תצוגת OLED (כותרת נקבה 4 סיכות)

לבסוף הלחמתי מסוף בורג בעל 2 פינים לאספקת כניסת AC ליחידת אספקת החשמל.

לאחר הלחמת כל סיכת הכותרות, בצע את החיבור כפי שמוצג למעלה. השתמשתי בחוט הלחמה 24 AWG לכל החיבור.

החיבור הוא כדלקמן

1. ACS712:

ACS712 Wemos

Vcc- 5V

Gnd - GND

Vout-A0

2. תצוגת OLED:

OLED Wemos

Vcc- 5V

Gnd- GND

SCL-- D1

SDA-D2

3. מודול אספקת חשמל:

סיכת כניסת AC (2 פינים) של מודול אספקת החשמל המחובר למסוף הבורג.

פלט V1pin מחובר ל- Wemos 5V וסיכת GND מחוברת לסיכת GNEM של Wemos.

שלב 9: מארז מודפס בתלת מימד

כדי לתת מראה מוצר מסחרי נחמד, עיצבתי מארז לפרויקט זה. השתמשתי ב- Autodesk Fusion 360 לעיצוב המארז. למארז שני חלקים: מכסה תחתון ועליון. ניתן להוריד את קבצי. STL מ- Thingiverse.

החלק התחתון נועד בעצם להתאים את הלוח הראשי (4 x6 ס מ), חיישן זרם ומחזיק נתיכים. המכסה העליון הוא להרכיב את שקע ה- AC ואת תצוגת OLED.

השתמשתי במדפסת התלת ממד שלי של Creality CR-10S ובחומר PLA כסוף 1.75 מ מ ונימה PLA אדומה להדפסת החלקים. לקח לי בערך 5 שעות להדפיס את החלק המרכזי וכ -3 שעות להדפיס את המכסה העליון.

ההגדרות שלי הן:

מהירות הדפסה: 60 מ מ/שניות

גובה השכבה: 0.3

צפיפות מילוי: 100%

טמפרטורת מכבש: 205 מעלות צלזיוס

טמפ 'מיטה: 65 מעלות צלזיוס

שלב 10: תרשים חיווט AC

לכבל החשמל יש 3 חוטים: קו (אדום), נייטרלי (שחור) וקרקע (ירוק).

החוט האדום מכבל החשמל מחובר למסוף אחד של הנתיך. המסוף השני של הנתיך מחובר לשני מחברי מסוף עם קפיץ. החוט השחור מחובר ישירות למחבר הקפיץ.

כעת ההספק הנדרש ללוח המעגלים (Wemos, OLED ו- ACS712) מוקלט לאחר המחבר הטעון באביב. כדי לבודד את המעגל הראשי, מתג נדנדה מחובר בסדרה. עיין בתרשים המעגלים לעיל.

לאחר מכן החוט האדום (קו) מחובר למסוף שקע AC "L" וחוט ירוק (קרקע) מחובר למסוף המרכזי (מסומן כ- G).

הטרמינל הניטרלי מחובר למסוף אחד של חיישן הזרם ACS712. הטרמינל השני של ה- ACS712 מחובר בחזרה למחבר בעל קפיץ.

כאשר כל החיבורים החיצוניים הסתיימו בצעו בדיקה קפדנית מאוד של הלוח ונקו אותו להסרת שאריות שטף הלחמה.

הערה: אל תיגע באף חלק מהמעגל כשהוא תחת כוח. כל מגע מקרי עלול להוביל לפציעה קטלנית או למוות. היו בטוחים במהלך העבודה, לא אהיה אחראי לכל אובדן.

שלב 11: התקן את כל הרכיבים

הכנס את הרכיבים (שקע AC, מתג נדנדה ותצוגת OLED) בחריצי המכסה העליונים כפי שמוצג בתמונה. לאחר מכן אבטח את הברגים. החלק התחתון כולל 4 סטנדים להרכבת לוח ה- PCB הראשי. ראשית, הכנס את הבלם הפליז לתוך החור כפי שמוצג למעלה. לאחר מכן אבטח את בורג 2M בארבע הפינות.

הנח את מחזיק הנתיכים וחיישן הזרם על החריץ המסופק במארז התחתון. השתמשתי בריבועי הרכבה של 3M כדי להדביק אותם על הבסיס. ואז לנתב את כל החוטים כראוי.

לבסוף, הנח את המכסה העליון והדק את 4 האומים (3M x16) בפינות.

שלב 12: בדיקה אחרונה

חבר את כבל החשמל של מד האנרגיה לשקע החשמל.

שנה את הפרמטרים הבאים מאפליקציית Blynk

1. החלק את המחוון CALIBRATE כדי לקבל את האפס הנוכחי כאשר אין חיבור עומס.

2. מדוד את מתח אספקת החשמל הביתי באמצעות מולטימטר והגדר אותו על ידי הזזה של המחוון מתח אספקה.

3. הגדר את גורם הכוח

4. הזן את תעריף האנרגיה במיקום שלך.

לאחר מכן חבר את המכשיר שאת עוצמתו יש למדוד לשקע במד האנרגיה. עכשיו אתה מוכן למדוד את האנרגיה הנצרכת על ידי זה.

מקווה שנהנתם לקרוא על הפרויקט שלי כפי שנהניתי במהלך בנייתו.

אם יש לך הצעות לשיפור, אנא הערה להלן. תודה!

מקום שני בתחרות מיקרו -בקר