Arduino Energy Meter - V2.0: 12 passaggi (con immagini)

2024 Autore: John Day | [email protected]. Ultima modifica: 2024-01-30 10:02

Ciao amico, bentornato dopo una lunga pausa. In precedenza ho pubblicato un Instructables su Arduino Energy Meter che è stato progettato principalmente per monitorare la potenza del pannello solare (DC Power) nel mio villaggio. È diventato molto popolare su Internet, molte persone in tutto il mondo hanno costruito il proprio. Così tanti studenti ce l'hanno fatta per il loro progetto universitario prendendo aiuto da me. Tuttavia, ora ricevo e-mail e messaggi da persone con domande relative alla modifica hardware e software per il monitoraggio del consumo di corrente alternata.

Quindi, in questo Instructables, ti mostrerò come creare un semplice contatore di energia AC abilitato per il wifi utilizzando la scheda Arduino/Wemos. Usando questo Energy Meter, puoi misurare il consumo di energia di qualsiasi elettrodomestico. Alla fine del progetto, ho realizzato una bella custodia stampata in 3D per questo progetto.

L'obiettivo di creare una maggiore consapevolezza sul consumo di energia sarebbe l'ottimizzazione e la riduzione del consumo di energia da parte dell'utente. Ciò ridurrebbe i loro costi energetici, oltre a risparmiare energia.

Naturalmente esistono già molti dispositivi commerciali per il monitoraggio energetico, ma volevo costruire una mia versione che fosse semplice ea basso costo.

Puoi trovare tutti i miei progetti su:

Passaggio 1: parti e strumenti necessari

Componenti richiesti:

1. Wemos D1 mini pro (Amazon/Banggood)

2. Sensore di corrente -ACS712 (Amazon)

3. Display OLED (Amazon/Banggood)

4. Alimentazione 5V (Aliexpress)

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

6. Cavo 24 AWG (Amazon)

7. Pin di intestazione (Amazon / Banggood)

8. Cavi jumper maschio-femmina (Amazon)

9. Terminale a vite (Amazon)

10. Standoff (Banggood)

11. Presa di corrente CA

12. Spina CA

13. Connettore a molla (Banggood)

14. Interruttore a bilanciere (Banggood)

15. Filamento PLA-Argento (GearBest)

16. Filamento PLA rosso (GearBest)

Strumenti richiesti:

1. Saldatore (Amazon)

2. Pistola per colla (Amazon)

3. Tagliafili/spelafili (Amazon)

Stampante 4.3D (Creality CR10S)

Passaggio 2: come funziona?

Lo schema a blocchi dell'intero progetto è mostrato sopra.

L'alimentazione dalla rete CA viene prelevata e fatta passare attraverso un fusibile per evitare danni alla scheda durante il cortocircuito accidentale.

Quindi la linea di alimentazione CA è distribuita in due parti:

1. Al carico attraverso il sensore di corrente (ACS712)

2. Modulo di alimentazione 230 V CA/5 V CC

Il modulo di alimentazione 5V fornisce alimentazione al microcontrollore (Arduino/Wemos), al sensore di corrente (ACS712) e al display OLED.

La corrente alternata che passa attraverso il carico viene rilevata dal modulo sensore di corrente (ACS712) e alimentata al pin analogico (A0) della scheda Arduino/Wemos. Una volta fornito l'ingresso analogico ad Arduino, la misurazione della potenza/energia viene eseguita dallo sketch Arduino.

La potenza e l'energia calcolate da Arduino/Wemos vengono visualizzate su un modulo display OLED da 0,96.

Il chip WiFi integrato del Wemos è connesso al router di casa e collegato all'app Blynk. Così puoi monitorare i parametri così come calibrare e modificare diverse impostazioni dal tuo Smartphone tramite OTA.

Passaggio 3: Comprensione delle nozioni di base sull'AC

Nell'analisi del circuito CA, sia la tensione che la corrente variano in modo sinusoidale nel tempo.

Potere reale (P):

È la potenza utilizzata dal dispositivo per produrre lavoro utile. È espressa in kW.

Potenza reale = Tensione (V) x Corrente (I) x cosΦ

Potenza reattiva (Q):

Questa è spesso chiamata potenza immaginaria che è una misura della potenza oscillante tra sorgente e carico, che non fa alcun lavoro utile. È espressa in kVAr

Potenza reattiva = Tensione (V) x Corrente (I) x sinΦ

Potenza apparente (S):

È definito come il prodotto della tensione quadratica media (RMS) e della corrente efficace. Questa può essere definita anche come la risultante della potenza reale e reattiva. È espresso in kVA

Potenza apparente = Tensione (V) x Corrente (I)

Relazione tra potenza reale, reattiva e apparente:

Potenza reale = Potenza apparente x cosΦ

Potenza reattiva = Potenza apparente x sinΦ

(kVA)² = (kW)² + (kVAr)²

Fattore di potenza (pf):

Il rapporto tra la potenza reale e la potenza apparente in un circuito è chiamato fattore di potenza.

Fattore di potenza = Potenza reale/Potenza apparente

Da quanto sopra è chiaro che possiamo misurare tutte le forme di potenza e il fattore di potenza misurando la tensione e la corrente.

Credito immagine: openenergymonitor.org

Passaggio 4: sensore di corrente

La corrente alternata viene misurata convenzionalmente utilizzando un trasformatore di corrente, ma per questo progetto è stato scelto l'ACS712 come sensore di corrente a causa del suo basso costo e delle dimensioni ridotte. Il sensore di corrente ACS712 è un sensore di corrente ad effetto Hall che misura accuratamente la corrente quando indotta. Viene rilevato il campo magnetico attorno al filo CA che fornisce la tensione di uscita analogica equivalente. L'uscita di tensione analogica viene quindi elaborata dal microcontrollore per misurare il flusso di corrente attraverso il carico.

Per saperne di più sul sensore ACS712, puoi visitare questo sito. Per una migliore spiegazione sul funzionamento del sensore ad effetto hall, ho usato l'immagine sopra da Embedded-lab.

Passaggio 5: misurazione della corrente tramite ACS712

L'uscita dal sensore di corrente ACS712 è un'onda di tensione CA. Dobbiamo calcolare la corrente efficace, questo può essere fatto nel modo seguente

1. Misurazione della tensione picco-picco (Vpp)

2. Dividere la tensione da picco a picco (Vpp) per due per ottenere la tensione di picco (Vp)

3. Moltiplicalo per 0,707 per ottenere la tensione efficace (Vrms)

Quindi moltiplicare la Sensibilità del sensore di corrente (ACS712) per ottenere la corrente efficace.

Vp = Vpp/2

Vrms = Vp x 0,707

Irms = Vrms x Sensibilità

La sensibilità per il modulo ACS712 5A è 185mV/A, il modulo 20A è 100mV/A e il modulo 30A è 66mV/A.

La connessione per il sensore di corrente è come sotto

ACS712 Arduino/Wemos

VCC ------ 5V

FUORI ----- A0

GND ----- GND

Passaggio 6: calcolo della potenza e dell'energia

In precedenza ho descritto le basi delle varie forme di alimentazione CA. Essendo un utente domestico, la potenza reale (kW) è la nostra principale preoccupazione. Per calcolare la potenza reale dobbiamo misurare la tensione efficace, la corrente efficace e il fattore di potenza (pF).

Di solito, la tensione di rete nella mia posizione (230V) è quasi costante (la fluttuazione è trascurabile). Quindi lascio un sensore per misurare la tensione. Non c'è dubbio che se colleghi un sensore di tensione, la precisione della misurazione è migliore di quella nel mio caso. Ad ogni modo, questo metodo è un modo economico e semplice per completare il progetto e raggiungere l'obiettivo.

Un altro motivo per non utilizzare il sensore di tensione è dovuto alla limitazione del pin analogico Wemos (solo uno). Sebbene sia possibile collegare un sensore aggiuntivo utilizzando un ADC come ADS1115, per il momento lo lascio. In futuro, se avrò tempo, lo aggiungerò sicuramente.

Il fattore di potenza del carico può essere modificato durante la programmazione o dall'app per Smartphone.

Potenza reale (W) = Vrms x Irms x Pf

Vrms = 230V (noto)

Pf = 0,85 (noto)

Irms = lettura dal sensore di corrente (sconosciuto)

Credito immagine: imgoat

Passaggio 7: interfaccia con l'app Blynk

Poiché la scheda Wemos ha un chip WiFi integrato, ho pensato di collegarla al mio router e monitorare l'energia dell'elettrodomestico dal mio smartphone. I vantaggi dell'utilizzo della scheda Wemos al posto di Arduino sono: calibrazione del sensore e modifica del valore del parametro dallo smartphone tramite OTA senza programmare fisicamente il microcontrollore ripetutamente.

Ho cercato l'opzione semplice in modo che chiunque con poca esperienza possa farcela. L'opzione migliore che ho trovato è usare l'app Blynk. Blynk è un'app che consente il pieno controllo su Arduino, ESP8266, Rasberry, Intel Edison e molto altro hardware. È compatibile sia con Android che con iPhone. In Blynk tutto funziona con ⚡️Energia. Quando crei un nuovo account, ricevi ⚡️2.000 per iniziare a sperimentare; Ogni widget ha bisogno di energia per funzionare. Per questo progetto, hai bisogno di ⚡️2400, quindi devi acquistare energia aggiuntiva ️⚡️400 (il costo è inferiore a $ 1)

io. Indicatore - 2 x ⚡️200 = ⚡️400

ii. Display valore etichettato - 2 x ⚡️400 = ⚡️800

ii. Cursori - 4 x ⚡️200 = ⚡️800

IV. Menù - 1x ⚡️400 = ⚡️400

Energia totale richiesta per questo progetto = 400+800+800+400 = ⚡️2400

Segui i passaggi seguenti:

Passaggio 1: scarica l'app Blynk

1. Per Android

2. Per iPhone

Passaggio 2: ottenere il token di autenticazione

Per connettere Blynk App e il tuo hardware, hai bisogno di un Auth Token.1. Crea un nuovo account nell'app Blynk.

2. Premere l'icona QR nella barra dei menu in alto. Crea un clone di questo progetto scansionando il codice QR mostrato sopra. Una volta rilevato con successo, l'intero progetto sarà immediatamente sul tuo telefono.

3. Dopo che il progetto è stato creato, ti invieremo un token di autenticazione tramite e-mail.

4. Controlla la tua casella di posta elettronica e trova il token di autenticazione.

Passaggio 3: preparazione dell'IDE Arduino per la scheda Wemos

Per caricare il codice Arduino sulla scheda Wemos, devi seguire questo Instructables

Passaggio 4: installare le librerie

Quindi devi importare la libreria sul tuo IDE Arduino

Scarica la libreria Blynk

Scarica le librerie per Display OLED: i. Adafruit_SSD1306 ii. Adafruit-GFX-Libreria

Passaggio 5: schizzo Arduino

Dopo aver installato le librerie di cui sopra, incolla il codice Arduino indicato di seguito.

Inserisci il codice di autorizzazione dal passaggio 1, ssid e password del tuo router.

Quindi carica il codice.

Passaggio 8: preparare il circuito stampato

Per rendere il circuito ordinato e pulito, ho realizzato un circuito utilizzando una scheda prototipo di 4x6 cm. Per prima cosa ho saldato il Pin Headers maschio alla Wemos Board. Quindi ho saldato i connettori femmina sulla scheda prototipo per montare le diverse schede:

1. Wemos Board (2 x 8 pin femmina Header)

2. Scheda di alimentazione CC 5V (2 pin + 3 pin femmina Header)

3. Modulo sensore di corrente (intestazione femmina a 3 pin)

4. Display OLED (intestazione femmina a 4 pin)

Alla fine, ho saldato un terminale a vite a 2 pin per l'alimentazione CA in ingresso all'alimentatore.

Dopo aver saldato tutti i pin delle intestazioni, effettuare il collegamento come mostrato sopra. Ho usato un filo di saldatura da 24 AWG per tutta la connessione.

Il collegamento è il seguente

1. ACS712:

ACS712 Wemos

Vcc-- 5V

Gnd -- GND

Vout--A0

2. Display OLED:

OLED Wemos

Vcc-- 5V

Gnd-- GND

SCL-- D1

SDA--D2

3. Modulo di alimentazione:

Il pin di ingresso CA (2 pin) del modulo di alimentazione collegato al terminale a vite.

L'uscita V1pin è collegata a Wemos 5V e il pin GND è collegato al pin Wemos GND.

Passaggio 9: custodia stampata in 3D

Per dare un aspetto gradevole al prodotto commerciale, ho progettato un involucro per questo progetto. Ho usato Autodesk Fusion 360 per progettare l'involucro. La custodia ha due parti: coperchio inferiore e superiore. È possibile scaricare i file. STL da Thingiverse.

La parte inferiore è fondamentalmente progettata per adattarsi al PCB principale (4 x6 cm), al sensore di corrente e al portafusibili. Il coperchio superiore serve per montare la presa CA e il display OLED.

Ho usato la mia stampante 3D Creality CR-10S e PLA argento da 1,75 mm e filamento PLA rosso per stampare le parti. Mi ci sono volute circa 5 ore per stampare il corpo principale e circa 3 ore per stampare il coperchio superiore.

Le mie impostazioni sono:

Velocità di stampa: 60 mm/s

Altezza strato: 0,3

Densità di riempimento: 100%

Temperatura dell'estrusore: 205 gradi C

Temperatura del letto: 65 gradi C

Passaggio 10: schema elettrico CA

Il cavo di alimentazione CA ha 3 fili: Linea (rosso), Neutro (nero) e Terra (verde).

Il filo rosso del cavo di alimentazione è collegato a un terminale del fusibile. L'altro terminale del fusibile è collegato a due connettori terminali caricati a molla. Il filo nero collegato direttamente al connettore a molla.

Ora l'alimentazione richiesta per il circuito (Wemos, OLED e ACS712) viene rimossa dopo il connettore a molla. Per isolare la scheda principale, è collegato in serie un interruttore a bilanciere. Vedere lo schema del circuito sopra.

Quindi il filo rosso (linea) è collegato al terminale "L" della presa CA e il filo verde (terra) è collegato al terminale centrale (contrassegnato come G).

Il terminale neutro è collegato a un terminale del sensore di corrente ACS712. L'altro terminale dell'ACS712 è ricollegato al connettore a molla.

Quando tutte le connessioni esterne sono state completate, eseguire un'ispezione molto accurata della scheda e pulirla per rimuovere i residui del flusso di saldatura.

Nota: non toccare nessuna parte del circuito mentre è sotto tensione. Qualsiasi tocco accidentale può provocare lesioni mortali o morte. Sii sicuro durante il lavoro, non sarò responsabile per eventuali perdite.

Passaggio 11: installare tutti i componenti

Inserisci i componenti (presa CA, interruttore a bilanciere e display OLED) negli slot del coperchio superiore come mostrato nell'immagine. Quindi fissare le viti. La parte inferiore ha 4 distanziatori per il montaggio della scheda PCB principale. Per prima cosa, inserisci il supporto in ottone nel foro come mostrato sopra. Quindi fissare la vite 2M ai quattro angoli.

Posizionare il portafusibili e il sensore di corrente nell'alloggiamento previsto nella parte inferiore dell'involucro. Ho usato i quadrati di montaggio 3M per attaccarli alla base. Quindi instradare tutti i fili correttamente.

Infine, posiziona il coperchio superiore e fissa i 4 dadi (3M x16) agli angoli.

Passaggio 12: test finale

Collegare il cavo di alimentazione dell'Energy Meter alla presa di corrente.

Modifica i seguenti parametri dall'app Blynk

1. Far scorrere il cursore CALIBRATE per ottenere lo zero corrente quando non è collegato alcun carico.

2. Misurare la tensione di alimentazione CA domestica utilizzando un multimetro e impostarla facendo scorrere il cursore SUPPLY VOLTAGE.

3. Imposta il fattore di potenza

4. Inserisci la tariffa energetica della tua località.

Quindi collegare l'apparecchio di cui misurare la potenza alla presa del contatore di energia. Ora sei pronto per misurare l'energia consumata da esso.

Spero che ti sia piaciuto leggere del mio progetto tanto quanto io mi sono divertito durante la sua costruzione.

Se hai suggerimenti per miglioramenti, ti preghiamo di commentarli qui sotto. Grazie!

Secondo classificato al concorso per microcontrollori