Arduino Energy Meter - V2.0: 12 Langkah (dengan Gambar)

2024 Pengarang: John Day | [email protected]. Diubah suai terakhir: 2024-01-30 11:09

Halo kawan, selamat datang kembali setelah berehat panjang. Sebelumnya saya telah menghantar Instructables pada Arduino Energy Meter yang kebanyakannya dirancang untuk memantau daya dari panel solar (DC Power) di kampung saya. Ia menjadi sangat popular di internet, banyak orang di seluruh dunia telah membina mereka sendiri. Begitu banyak pelajar berjaya untuk projek kuliah mereka dengan meminta bantuan daripada saya. Namun, sekarang saya menerima e-mel dan mesej daripada orang yang mempunyai pertanyaan mengenai pengubahsuaian perkakasan dan perisian untuk memantau penggunaan Daya AC.

Oleh itu, dalam Instructables ini, saya akan menunjukkan kepada anda cara membuat AC Energy Meter yang dilengkapi wifi sederhana dengan menggunakan papan Arduino / Wemos. Dengan menggunakan Energy Meter ini, anda dapat mengukur penggunaan kuasa setiap peralatan rumah. Pada akhir projek, saya membuat kandang bercetak 3D yang bagus untuk projek ini.

Tujuan untuk mewujudkan lebih banyak kesedaran mengenai penggunaan tenaga adalah pengoptimuman dan pengurangan penggunaan tenaga oleh pengguna. Ini akan mengurangkan kos tenaga mereka, dan juga menjimatkan tenaga.

Sudah tentu, banyak alat komersial sudah ada untuk pemantauan tenaga, tetapi saya ingin membina versi saya sendiri yang harganya sederhana dan rendah.

Anda boleh mendapatkan semua projek saya di:

Langkah 1: Bahagian dan Alat Diperlukan

Komponen yang Diperlukan:

1. Wemos D1 mini pro (Amazon / Banggood)

2. Sensor Semasa -ACS712 (Amazon)

3. Paparan OLED (Amazon / Banggood)

4. Bekalan Kuasa 5V (Aliexpress)

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

6. 24 Kawat AWG (Amazon)

7. Pin Header (Amazon / Banggood)

8. Kabel Pelompat Lelaki-Wanita (Amazon)

9. Terminal Skru (Amazon)

10. Kebuntuan (Banggood)

11. Soket AC

12. Palam AC

13. Penyambung dengan pegas (Banggood)

14. Rocker Switch (Banggood)

15. Filamen PLA-Perak (GearBest)

16. Filamen PLA-Merah (GearBest)

Alat yang diperlukan:

1. Besi Pematerian (Amazon)

2. Gue Gun (Amazon)

3. Pemotong Kawat / Stripper (Amazon)

Pencetak 4.3D (Creality CR10S)

Langkah 2: Bagaimana Ia Berfungsi?

Gambarajah blok keseluruhan projek ditunjukkan di atas.

Kuasa dari rangkaian AC ditarik dan disalurkan melalui sekering untuk mengelakkan kerosakan pada papan litar semasa litar pintas tidak sengaja.

Kemudian saluran kuasa AC diedarkan dalam dua bahagian:

1. Ke beban melalui sensor semasa (ACS712)

2. Modul Bekalan Kuasa 230V AC / 5V DC

Modul bekalan kuasa 5V memberikan kuasa kepada mikrokontroler (Arduino / Wemos), sensor Semasa (ACS712) dan paparan OLED.

Arus AC yang melewati beban dirasakan oleh modul sensor arus (ACS712) dan dimasukkan ke pin analog (A0) papan Arduino / Wemos. Setelah input analog diberikan kepada Arduino, pengukuran daya / tenaga dilakukan dengan lakaran Arduino.

Kuasa dan tenaga yang dikira oleh Arduino / Wemos dipaparkan pada modul paparan OLED 0.96.

Cip WiFi terbina dalam Wemos disambungkan ke Penghala Rumah dan dihubungkan ke Aplikasi Blynk. Oleh itu, anda boleh memantau parameter serta menentukur dan mengubah tetapan yang berbeza dari Telefon Pintar anda melalui OTA.

Langkah 3: Memahami Asas AC

Dalam analisis litar AC, voltan dan arus berbeza mengikut sinusoidal mengikut masa.

Kuasa Sebenar (P):

Ini adalah kekuatan yang digunakan oleh peranti untuk menghasilkan karya yang berguna. Ia dinyatakan dalam kW.

Kuasa Sebenar = Voltan (V) x Arus (I) x cosΦ

Kuasa Reaktif (Q):

Ini sering disebut daya khayalan yang merupakan ukuran daya berayun antara sumber dan beban, yang tidak berfungsi dengan baik. Ia dinyatakan dalam kVAr

Daya Reaktif = Voltan (V) x Arus (I) x sinΦ

Kuasa Rupa (S):

Ia ditakrifkan sebagai produk Voltan Root-Mean-Square (RMS) dan Arus RMS. Ini juga boleh ditakrifkan sebagai hasil dari daya nyata dan reaktif. Ia dinyatakan dalam kVA

Kuasa Rupa = Voltan (V) x Arus (I)

Hubungan antara kekuatan Nyata, Reaktif dan Rupa:

Kuasa Sebenar = Kuasa Rupa x kosΦ

Kuasa Reaktif = Kuasa Rupanya x sinΦ

(kVA) ² = (kW) ² + (kVAr) ²

Faktor Kuasa (pf):

Nisbah daya nyata dengan daya nyata dalam litar disebut faktor kuasa.

Faktor Kuasa = Kuasa Sebenar / Kuasa Rupanya

Dari perkara di atas jelas bahawa, kita dapat mengukur semua bentuk daya serta faktor daya dengan mengukur voltan dan arus.

Kredit gambar: openenergymonitor.org

Langkah 4: Sensor Currrent

Arus AC diukur secara konvensional dengan menggunakan transformer Arus tetapi untuk projek ini, ACS712 dipilih sebagai sensor arus kerana kosnya yang rendah dan ukurannya lebih kecil. Sensor Arus ACS712 adalah sensor arus Hall Effect yang mengukur arus dengan tepat semasa diinduksi. Medan magnet di sekitar wayar AC dikesan yang memberikan voltan output analog yang setara. Output voltan analog kemudian diproses oleh mikrokontroler untuk mengukur aliran arus melalui beban.

Untuk mengetahui lebih lanjut mengenai sensor ACS712, anda boleh melayari laman web ini. Untuk penjelasan yang lebih baik mengenai kerja sensor kesan dewan, saya telah menggunakan gambar di atas dari Embedded-lab.

Langkah 5: Pengukuran Semasa oleh ACS712

Keluaran dari Sensor Arus ACS712 adalah gelombang voltan AC. Kita harus mengira arus rms, ini dapat dilakukan dengan cara berikut

1. Mengukur voltan puncak ke puncak (Vpp)

2. Bahagikan voltan puncak ke puncak (Vpp) dengan dua untuk mendapatkan voltan puncak (Vp)

3. Gandakan dengan 0.707 untuk mendapatkan voltan rms (Vrms)

Kemudian kalikan Sensitiviti sensor semasa (ACS712) untuk mendapatkan arus rms.

Vp = Vpp / 2

Vrms = Vp x 0.707

Irms = Vrms x Sensitiviti

Sensitiviti untuk modul ACS712 5A ialah 185mV / A, modul 20A adalah 100mV / A dan modul 30A adalah 66mV / A.

Sambungan untuk sensor semasa adalah seperti di bawah

ACS712 Arduino / Wemos

VCC ------ 5V

KELUAR ----- A0

GND ----- GND

Langkah 6: Pengiraan Kuasa dan Tenaga

Sebelumnya saya telah menerangkan asas-asas pelbagai bentuk AC Power. Sebagai pengguna isi rumah, kuasa sebenar (kW) menjadi perhatian utama kami. Untuk mengira daya sebenar kita perlu mengukur voltan rms, arus rms dan faktor kuasa (pF).

Biasanya, voltan utama di lokasi saya (230V) hampir berterusan (turun naik boleh diabaikan). Oleh itu, saya meninggalkan satu sensor untuk mengukur voltan. Tidak syak lagi jika anda memasang sensor voltan, ketepatan pengukuran lebih baik daripada kes saya. Bagaimanapun, kaedah ini adalah kaedah yang murah dan sederhana untuk menyelesaikan projek dan memenuhi objektif.

Sebab lain untuk tidak menggunakan sensor voltan adalah kerana keterbatasan pin analog Wemos (hanya satu). Walaupun sensor tambahan dapat dihubungkan dengan menggunakan ADC seperti ADS1115, buat masa ini, saya meninggalkannya. Pada masa akan datang, jika saya mendapat masa saya pasti akan menambahkannya.

Faktor daya beban dapat diubah semasa pengaturcaraan atau dari aplikasi Telefon Pintar.

Kuasa Sebenar (W) = Vrms x Irms x Pf

Vrms = 230V (diketahui)

Pf = 0.85 (diketahui)

Irms = membaca dari sensor semasa (tidak diketahui)

Kredit gambar: imgoat

Langkah 7: Berinteraksi Dengan Aplikasi Blynk

Oleh kerana papan Wemos mempunyai cip WiFi terbina dalam, saya berfikir untuk menyambungkannya ke penghala saya dan memantau Tenaga perkakas rumah dari Telefon Pintar saya. Kelebihan menggunakan papan Wemos dan bukannya Arduino adalah: penentukuran sensor dan mengubah nilai parameter dari telefon pintar melalui OTA tanpa secara fizikal memprogram mikrokontroler berulang kali.

Saya mencari pilihan mudah supaya sesiapa sahaja yang mempunyai sedikit pengalaman dapat membuatnya. Pilihan terbaik yang saya dapati adalah menggunakan Aplikasi Blynk. Blynk adalah aplikasi yang membolehkan kawalan penuh ke atas Arduino, ESP8266, Rasberry, Intel Edison dan banyak lagi perkakasan. Ia serasi dengan Android dan iPhone. Di Blynk semuanya berjalan dengan lancar ⚡️Energy. Apabila anda membuat akaun baru, anda mendapat ⚡️2,000 untuk mula bereksperimen; Setiap Widget memerlukan sedikit Tenaga untuk beroperasi. Untuk projek ini, anda memerlukan ⚡️2400, jadi anda perlu membeli tenaga tambahan ️⚡️400 (kosnya kurang dari $ 1)

i. Tolok - 2 x ⚡️200 = ⚡️400

ii. Paparan Nilai Berlabel - 2 x ⚡️400 = ⚡️800

iii. Slider - 4 x ⚡️200 = ⚡️800

iv. Menu - 1x ⚡️400 = ⚡️400

Jumlah Tenaga yang diperlukan untuk projek ini = 400 + 800 + 800 + 400 = ⚡️2400

Ikuti langkah berikut:

Langkah-1: Muat turun aplikasi Blynk

1. Untuk Android

2. Untuk iPhone

Langkah-2: Dapatkan Token Auth

Untuk menyambungkan Aplikasi Blynk dan perkakasan anda, anda memerlukan Auth Token.1. Buat akaun baru di Blynk App.

2. Tekan ikon QR pada bar menu atas. Buat klon Projek ini dengan mengimbas kod QR yang ditunjukkan di atas. Setelah berjaya dikesan, keseluruhan projek akan berada di telefon anda dengan segera.

3. Selepas projek dibuat, kami akan menghantar Euth Token melalui e-mel kepada anda.

4. Periksa peti masuk e-mel anda dan cari Token Auth.

Langkah-3: Menyiapkan Arduino IDE untuk Wemos Board

Untuk memuat naik kod Arduino ke papan Wemos, anda harus mengikuti Instructables ini

Langkah-4: Pasang Perpustakaan

Kemudian anda perlu mengimport perpustakaan ke Arduino IDE anda

Muat turun Perpustakaan Blynk

Muat turun perpustakaan untuk Paparan OLED: i. Adafruit_SSD1306 ii. Adafruit-GFX-Perpustakaan

Langkah-5: Lakaran Arduino

Setelah memasang perpustakaan di atas, tampal kod Arduino yang diberikan di bawah.

Masukkan kod autentikasi dari langkah-1, ssid dan kata laluan penghala anda.

Kemudian muat naik kod.

Langkah 8: Sediakan Papan Litar

Untuk menjadikan litar lebih kemas dan bersih, saya membuat papan litar dengan menggunakan papan prototaip 4x6 cm. Mula-mula saya memasangkan Pin Header Lelaki ke Papan Wemos. Kemudian saya memasangkan kepala wanita di papan prototaip untuk memasang papan yang berbeza:

1. Papan Wemos (Header Wanita 2 x 8 Pin)

2. Papan Bekalan Kuasa DC 5V (Header Wanita 2 pin + 3 pin)

3. Modul Sensor Semasa (Header Wanita 3 Pin)

4. Paparan OLED (Header Wanita 4 pin)

Akhirnya, saya menyolder terminal skru 2 pin untuk memasukkan bekalan AC ke unit bekalan kuasa.

Setelah menyolder semua pin header, buat sambungan seperti gambar di atas. Saya menggunakan wayar pematerian 24 AWG untuk semua sambungan.

Sambungannya adalah seperti berikut

1. ACS712:

ACS712 Wemos

Vcc-- 5V

Gnd - GND

Vout - A0

2. Paparan OLED:

Wemos OLED

Vcc-- 5V

Gnd-- GND

SCL-- D1

SDA - D2

3. Modul bekalan kuasa:

Pin input AC (2 pin) modul bekalan kuasa disambungkan ke terminal skru.

Output V1pin disambungkan ke Wemos 5V dan pin GND disambungkan ke pin Wemos GND.

Langkah 9: Lekapan Bercetak 3D

Untuk memberikan penampilan produk komersial yang bagus, saya merancang sebuah kandang untuk projek ini. Saya menggunakan Autodesk Fusion 360 untuk mereka bentuk kandang. Kandang mempunyai dua bahagian: Bahagian bawah dan penutup atas. Anda boleh memuat turun fail. STL dari Thingiverse.

Bahagian Bawah pada dasarnya dirancang untuk memuat PCB utama (4 x6 cm), Sensor Semasa dan Pemegang Fius. Tudung atasnya adalah memasang soket AC dan Paparan OLED.

Saya menggunakan pencetak 3D Creality CR-10S saya dan PLA perak 1.75 mm dan filamen PLA merah untuk mencetak bahagiannya. Saya mengambil masa sekitar 5 jam untuk mencetak badan utama dan sekitar 3 jam untuk mencetak penutup atas.

Tetapan saya adalah:

Kelajuan Cetakan: 60 mm / s

Ketinggian Lapisan: 0.3

Isi Ketumpatan: 100%

Suhu Extruder: 205 degC

Temp Tidur: 65 darjahC

Langkah 10: Diagram Pendawaian AC

Kabel kuasa AC mempunyai 3 wayar: Garis (merah), Neutral (hitam) dan Tanah (hijau).

Kawat merah dari kabel kuasa disambungkan ke satu terminal fius. Terminal fius yang lain disambungkan ke dua penyambung terminal yang dimuatkan pegas. Kawat hitam disambungkan terus ke penyambung yang dimuatkan spring.

Sekarang kuasa yang diperlukan untuk papan litar (Wemos, OLED, dan ACS712) dikeluarkan setelah penyambung yang dimuatkan pada musim bunga. Untuk mengasingkan papan litar utama, suis rocker disambungkan secara bersiri. Lihat gambarajah litar di atas.

Kemudian wayar merah (garisan) disambungkan ke terminal "L" soket AC dan wayar hijau (tanah) disambungkan ke terminal tengah (ditandakan sebagai G).

Terminal neutral disambungkan ke satu terminal sensor arus ACS712. Terminal ACS712 yang lain disambungkan kembali ke penyambung pegas pegas.

Apabila semua sambungan luaran selesai, periksa papan yang sangat berhati-hati dan bersihkannya untuk mengeluarkan sisa fluks pematerian.

Catatan: Jangan sentuh mana-mana bahagian litar semasa berada dalam keadaan lemah. Sebarang sentuhan yang tidak disengajakan boleh menyebabkan kecederaan atau kematian yang membawa maut. Selamat semasa bekerja, saya tidak akan bertanggungjawab atas kerugian.

Langkah 11: Pasang Semua Komponen

Masukkan komponen (Soket AC, Suis Rocker, dan Paparan OLED) pada slot penutup atas seperti yang ditunjukkan dalam gambar. Kemudian pasangkan skru. Bahagian bawah mempunyai 4 kebuntuan untuk memasang papan PCB utama. Pertama, masukkan penutup loyang ke dalam lubang seperti gambar di atas. Kemudian pasangkan skru 2M di empat penjuru.

Letakkan Fuse Holder dan Current sensor pada slot yang disediakan di penutup bawah. Saya menggunakan kotak pemasangan 3M untuk melekatkannya di pangkalan. Kemudian laluan semua wayar dengan betul.

Akhirnya, letakkan penutup atas dan pasangkan 4 kacang (3M x16) di sudut.

Langkah 12: Ujian Akhir

Pasangkan kabel kuasa Meteran Tenaga ke soket utama.

Tukar parameter berikut dari aplikasi Blynk

1. Geser slaid CALIBRATE untuk mendapatkan sifar semasa apabila tiada beban disambungkan.

2. Ukur voltan bekalan AC rumah dengan menggunakan multimeter dan tetapkan dengan menggeser slaid SUPPLY VOLTAGE.

3. Tetapkan Faktor Kuasa

4. Masukkan tarif tenaga di lokasi anda.

Kemudian pasangkan alat yang kekuatannya diukur ke soket pada meter Tenaga. Sekarang anda sudah bersedia untuk mengukur tenaga yang digunakan olehnya.

Semoga anda menikmati membaca projek saya seperti yang saya nikmati semasa membinanya.

Sekiranya anda mempunyai cadangan untuk penambahbaikan, sila komen di bawah. Terima kasih!

Naib Johan dalam Peraduan Mikrokontroler