Modulo di alimentazione IoT: aggiunta di una funzione di misurazione dell'energia IoT al mio controller di carica solare: 19 passaggi (con immagini)

2024 Autore: John Day | [email protected]. Ultima modifica: 2024-01-30 10:01

Ciao a tutti, spero che stiate tutti bene! In questo tutorial ti mostrerò come ho realizzato un modulo IoT Power Measurement che calcola la quantità di energia generata dai miei pannelli solari, che viene utilizzata dal mio controller di carica solare per caricare la mia batteria al piombo. Questo modulo si inserisce tra i pannelli solari e il regolatore di carica e fornisce tutti i dettagli dei parametri necessari sul telefono tramite Internet. Per la piattaforma IoT ho utilizzato Blynk, che è molto facile da usare e può essere facilmente personalizzato secondo il tuo progetto. Il limite del controller di carica esistente era che mi dava solo la tensione di carica e quindi non era possibile determinare la quantità di energia. In questo progetto ho aggiunto al modulo di potenza le funzioni di misurazione della tensione e della corrente che possono essere utilizzate per calcolare la potenza (in watt) e quindi l'energia totale raccolta. Si può facilmente utilizzare questo modulo di alimentazione in altre applicazioni di misurazione della potenza CC. Questo sarà un tutorial abbastanza lungo, quindi iniziamo!

Forniture

1. Arduino Pro Mini/Nano o equivalente
2. Modulo convertitore buck LM2596
3. 7805 regolatore di tensione
4. Regolatore AMS1117 3.3V
5. Modulo WiFi ESP8266-01
6. Display OLED
7. LM358 doppio amplificatore operazionale
8. Resistori da 100K, 10K, 2.2k e 1K (1/4 watt)
9. Condensatori a dischi ceramici da 0.1uF
10. Condensatore elettrolitico da 22uF
11. Terminali a vite
12. berg strip maschio e femmina
13. Interruttore ON-OFF
14. Perf board o veroboard
15. Attrezzature per saldatura

Passaggio 1: raccogliere tutte le parti e finalizzare il layout

Una volta raccolti tutti i componenti necessari, è importante decidere con attenzione il layout della nostra scheda e il posizionamento dei diversi componenti in modo che il cablaggio diventi semplice e tutti i componenti siano posizionati uno vicino all'altro. Per il collegamento di Arduino, convertitore buck, modulo WiFi e display Oled utilizzerò intestazioni femminili invece di saldare direttamente i moduli, in questo modo posso usare i componenti per forse qualche altro progetto, ma puoi saldare direttamente i moduli se pianifichi per renderlo permanente.

Passaggio 2: aggiunta dei terminali a vite

Prima di tutto saldiamo i terminali a vite che serviranno per collegare i pannelli solari in ingresso e il regolatore di carica in uscita al modulo di potenza. I terminali a vite forniscono un modo semplice per collegare o rimuovere i dispositivi quando necessario.

Passaggio 3: aggiunta della rete del divisore di tensione del resistore

Per rilevare la tensione di ingresso, viene utilizzata una rete divisore di tensione. Per la mia applicazione, ho creato una rete di resistori utilizzando resistori da 10K e 1K e sto misurando la caduta di tensione attraverso il resistore da 1K che verrà fornito come input al microcontrollore Arduino. Inoltre ho aggiunto un condensatore da 0.1uF attraverso il resistore da 1K per appianare eventuali fluttuazioni di tensione improvvise.

Passaggio 4: aggiunta della resistenza di shunt per il rilevamento della corrente

Il resistore di shunt è un resistore di valore molto piccolo (tipicamente nell'ordine dei milliOhm) in serie con il carico che crea una caduta di tensione molto piccola che può essere amplificata utilizzando un amplificatore operazionale e l'uscita può quindi essere data ad arduino per la misurazione. Per misurare la corrente, sto usando il resistore shunt (che ha un valore di circa 10 milliohm. L'ho realizzato usando un filo di acciaio e piegandolo per creare una sorta di schema a bobina) nella parte bassa del circuito, cioè, tra il carico e il suolo. In questo modo la piccola caduta di tensione può essere misurata direttamente rispetto a terra.

Passaggio 5: aggiunta del circuito dell'amplificatore operazionale

L'amplificatore operazionale utilizzato qui è LM358 che è un doppio chip Op-Amp. Useremo solo un amplificatore operazionale come amplificatore non invertente. Il guadagno dell'amplificatore non invertente può essere impostato utilizzando le reti di resistori R1 e R2 come mostrato nell'immagine. Per la mia applicazione ho scelto R1 come 100K e R2 come 2.2K che mi dà un guadagno approssimativo di 46. Il resistore e l'OpAmp non sono perfetti quindi è necessario apportare alcune modifiche nel programma arduino per ottenere buone letture (discuteremo che nei passaggi successivi).

Ho anche realizzato un progetto su come realizzare un wattmetro per arduino qui ho discusso più concetti in dettaglio. Puoi controllare il progetto qui:

Passaggio 6: l'alimentatore

Per alimentare il modulo Arduino, OpAmp, OLED e WiFi, sto utilizzando un modulo convertitore buck LM2596 per ridurre la tensione di ingresso a circa 7 volt. Quindi utilizzando un regolatore di tensione 7805 sto convertendo i 7 volt a 5 volt per l'Arduino e l'OLED e utilizzando un regolatore AMS1117, generando i 3,3 V necessari per il modulo WiFi. Perché così tanto per l'alimentatore che chiedi? Il motivo è che non puoi collegare direttamente il pannello solare a un regolatore da 5 volt e aspettarti di funzionare in modo efficiente (in quanto è un regolatore lineare). Anche la tensione nominale di un pannello solare è di circa 18-20 volt, che può essere troppo alta per il regolatore lineare e può friggere la tua elettronica in un batter d'occhio! Quindi è meglio avere un convertitore buck efficiente in atto

Passaggio 7: riparazione del convertitore buck e del regolatore

Per prima cosa, ho contrassegnato le posizioni in cui si sarebbero adattati i pin del convertitore buck. Quindi ho saldato le intestazioni femmina a quei punti e le intestazioni maschio al convertitore buck (in modo da poter rimuovere facilmente il modulo, se necessario). il regolatore 5V va appena sotto il modulo convertitore buck ed è collegato all'uscita del convertitore per fornire un 5V regolare per la scheda di controllo.

Passaggio 8: aggiunta di un interruttore

Ho aggiunto un interruttore tra il convertitore buck e gli ingressi del pannello solare, nel caso in cui volessi attivare o disattivare il modulo di alimentazione. Se spento, la potenza verrà comunque erogata al carico (regolatore di carica nel mio caso), solo le funzioni di misura e IoT non funzioneranno. L'immagine sopra mostra anche il processo di saldatura finora.

Passaggio 9: aggiunta delle intestazioni per Arduino e correzione del regolatore 3.3v

Ora ho tagliato le intestazioni femminili in base alle dimensioni di Arduino pro mini e l'ho saldato. Ho saldato il regolatore AMS1117 direttamente tra Vcc e Gnd dell'alimentatore Arduino (Arduino prende 5V dal regolatore 7805 che a sua volta fornisce l'AMS1117 per i 3.3v necessari al modulo WiFi). Ho posizionato strategicamente i componenti in modo tale da dover utilizzare cavi minimi e le parti possono essere collegate tramite tracce di saldatura.

Passaggio 10: aggiunta delle intestazioni per il modulo WiFi

Ho saldato le intestazioni femminili per il modulo WiFi proprio accanto a dove si adatterebbe l'Arduino pro mini.

Passaggio 11: aggiunta dei componenti per il modulo WiFi

Il modulo ESP8266 funziona a 3,3 volt e non a 5 volt (applicando 5 volt ho osservato che il modulo diventa molto, molto caldo e molto probabilmente si danneggia se usato troppo a lungo). Arduino e il modulo WiFi comunicano tramite comunicazione seriale che utilizza i pin Tx e Rx del modulo. Possiamo configurare qualsiasi 2 pin digitali di arduino per agire come pin seriali utilizzando la libreria seriale del software dell'IDE di arduino. Il pin Rx del modulo va al Tx di Arduino e viceversa. Il pin Rx di ESP funziona con una logica a 3,3 V, quindi utilizziamo una rete di divisori di tensione di 2,2 K e 1 K per ridurre il livello logico di 5 V di Arduino a circa 3,6 V (che è ancora accettabile). Possiamo collegare direttamente il Tx di ESP a Rx di arduino poiché arduino è compatibile con 3.3v.

Passaggio 12: aggiunta del display OLED

Per collegare il display OLED abbiamo bisogno di 4 connessioni, due per l'alimentazione e 2 per il protocollo di comunicazione I2C con l'Arduino che sono i pin A4 e A5 dell'Arduino. Userò un piccolo ponticello insieme a un'intestazione maschio per collegare i pin I2C e saldare direttamente le connessioni di alimentazione

Passaggio 13: sguardo finale alla scheda modulare

Dopo aver finalmente completato tutto il processo di saldatura, ecco come appare la scheda! Sì, alla fine ho dovuto usare alcuni fili, ma sono rimasto abbastanza soddisfatto del risultato. La parte interessante è che la scheda è completamente modulare e tutti i componenti principali possono essere facilmente rimossi o sostituiti se necessario.

Passaggio 14: mettere tutto insieme

Ecco come appare il modulo completo quando tutto è a posto!

Passiamo ora alla parte software…

Passaggio 15: Programmazione utilizzando la scheda FTDI

Per programmare questo modulo utilizzerò la breakout board FTDI che è l'ideale per programmare Arduino Pro Mini. La sua mappatura dei pin è allineata perfettamente in modo da non dover usare e ponticelli o giù di lì.

Passaggio 16: diagramma schematico

Questo è lo schema elettrico completo del modulo misuratore di potenza IoT. Ho progettato questo schema in Eagle CAD. Sentiti libero di scaricare e modificare i file schematici secondo le tue idee:)

Passaggio 17: risultati

Ho completato la configurazione collegando il modulo di alimentazione tra il pannello solare e il regolatore di carica e non appena lo accendiamo si connette al mio router WiFi e i dati vengono costantemente pubblicati sull'app Blynk sul mio smartphone. Questo fornisce i dati in tempo reale dei parametri di ricarica, non importa dove mi trovi, per quanto ho connettività Internet! È bello vedere che il progetto funziona bene:)

A scopo sperimentale, ho testato la configurazione utilizzando il mio pannello solare da 50 Watt e una batteria al piombo acido da 12V 18AH.

Passaggio 18: il codice Arduino

Ecco il codice Arduino completo che ho usato per il mio progetto.

Ci sono alcune librerie di cui avrai bisogno affinché questo progetto funzioni correttamente, queste sono:

La biblioteca principale di Blynk

Libreria Adafruit_GFX

Libreria Adafruit_SSD1306

Spero che questo progetto sia stato utile. Considera di supportare i miei progetti condividendoli con la tua community:)

Sentiti libero di commentare qualsiasi feedback o domanda che hai riguardo a questo progetto. Vi auguro una buona giornata !

Questo progetto mi aiuta a monitorare la quantità di energia che raccolgo dai miei pannelli. Facciamo un passo avanti per rivolgerci maggiormente alle fonti di energia rinnovabili per ridurre l'impronta di carbonio e creare un ambiente sostenibile:)