Arduino Energy Meter - V2.0: 12 Hakbang (na may Mga Larawan)

2024 May -akda: John Day | [email protected]. Huling binago: 2024-01-30 13:12

Kumusta kaibigan, maligayang pagdating pabalik pagkatapos ng mahabang pahinga. Mas maaga akong nai-post ang isang Mga Tagubilin sa Arduino Energy Meter na pangunahing dinisenyo upang subaybayan ang lakas mula sa solar panel (DC Power) sa aking nayon. Naging tanyag ito sa internet, maraming tao sa buong mundo ang nagtayo ng kanilang sarili. Napakaraming mag-aaral ang nakagawa para sa kanilang proyekto sa kolehiyo sa pamamagitan ng pagkuha ng tulong sa akin. Gayunpaman, tumatanggap ako ng mga email at mensahe mula sa mga taong may mga katanungan tungkol sa pagbabago ng hardware at software para sa pagsubaybay sa pagkonsumo ng AC Power.

Kaya Sa Mga Instructable na ito, ipapakita ko sa iyo kung paano gumawa ng isang simpleng wifi na pinagana ang AC Energy Meter sa pamamagitan ng paggamit ng Arduino / Wemos board. Sa pamamagitan ng paggamit ng Energy Meter na ito, masusukat mo ang pagkonsumo ng kuryente ng anumang mga gamit sa bahay. Sa pagtatapos ng proyekto, gumawa ako ng isang magandang 3D naka-print na enclosure para sa proyektong ito.

Ang layunin ng paglikha ng higit na kamalayan tungkol sa pagkonsumo ng enerhiya ay ang pag-optimize at pagbawas sa paggamit ng enerhiya ng gumagamit. Bawasan nito ang kanilang mga gastos sa enerhiya, pati na rin makatipid ng enerhiya.

Siyempre, maraming mga komersyal na aparato ang mayroon na para sa pagsubaybay ng enerhiya, ngunit nais kong bumuo ng aking sariling bersyon na magiging simple at mababang gastos.

Mahahanap mo ang lahat ng aking mga proyekto sa:

Hakbang 1: Kinakailangan ang Mga Bahagi at Mga Tool

Kinakailangan ang Mga Bahagi:

1. Wemos D1 mini pro (Amazon / Banggood)

2. Kasalukuyang Sensor -ACS712 (Amazon)

3. OLED Display (Amazon / Banggood)

4. 5V Power Supply (Aliexpress)

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

6. 24 AWG Wire (Amazon)

7. Mga Header Pins (Amazon / Banggood)

8. Mga Wire ng Jumper ng Lalaki-Babae (Amazon)

9. Screw Terminal (Amazon)

10. Standoff (Banggood)

11. AC Socket Outlet

12. AC Plug

13. Konektor na puno ng spring (Banggood)

14. Rocker Switch (Banggood)

15. PLA Filament-Silver (GearBest)

16. PLA Filament-Red (GearBest)

Kinakailangan ang mga tool:

1. Soldering Iron (Amazon)

2. Glue Gun (Amazon)

3. Wire Cutter / Stripper (Amazon)

4.3D Printer (Creality CR10S)

Hakbang 2: Paano Ito Gumagana?

Ang diagram ng block ng buong proyekto ay ipinapakita sa itaas.

Ang lakas mula sa mains AC ay iginuhit at dumaan sa isang piyus para sa pag-iwas sa anumang pinsala sa circuit board habang hindi sinasadyang maikling circuit.

Pagkatapos ang linya ng kuryente ng AC ay ipinamamahagi sa dalawang bahagi:

1. Sa pag-load sa pamamagitan ng kasalukuyang sensor (ACS712)

2. module ng 230V AC / 5V DC Power Supply

Ang module ng 5V power supply ay nagbibigay ng lakas sa microcontroller (Arduino / Wemos), ang kasalukuyang sensor (ACS712) at OLED display.

Ang kasalukuyang AC na dumadaan sa pagkarga ay nadarama ng kasalukuyang module ng sensor (ACS712) at pinakain sa analog pin (A0) ng Arduino / Wemos board. Kapag naibigay ang analog input sa Arduino, ang pagsukat ng lakas / enerhiya ay ginagawa ng Arduino sketch.

Ang kinakalkula na lakas at lakas ng Arduino / Wemos ay ipinapakita sa isang 0.96 OLED display module.

Ang inbuilt WiFi chip ng Wemos ay konektado sa Home Router at naka-link sa Blynk App. Kaya maaari mong subaybayan ang mga parameter pati na rin i-calibrate at baguhin ang iba't ibang mga setting mula sa iyong Smartphone sa pamamagitan ng OTA.

Hakbang 3: Pag-unawa sa Mga Pangunahing Kaalaman sa AC

Sa AC circuit analysis, ang parehong boltahe at kasalukuyang nag-iiba-iba ng sinusoidally sa oras.

Tunay na Lakas (P):

Ito ang kapangyarihan na ginagamit ng aparato upang makabuo ng kapaki-pakinabang na gawain. Ito ay ipinahiwatig sa kW.

Tunay na Lakas = Boltahe (V) x Kasalukuyang (I) x cosΦ

Reaktibong Lakas (Q):

Ito ay madalas na tinatawag na haka-haka na kapangyarihan na kung saan ay isang sukat ng kapangyarihan oscillates sa pagitan ng mapagkukunan at pagkarga, na walang kapaki-pakinabang na gawain. Ito ay ipinahayag sa kVAr

Reactive Power = Boltahe (V) x Kasalukuyang (I) x sinΦ

Maliwanag na Lakas (S):

Ito ay tinukoy bilang produkto ng Root-Mean-Square (RMS) Boltahe at ang Kasalukuyang RMS. Maaari rin itong tukuyin bilang resulta ng tunay at reaktibong lakas. Ito ay ipinahayag sa kVA

Maliwanag na Lakas = Boltahe (V) x Kasalukuyang (I)

Relasyon sa pagitan ng Tunay, Reaktibo at Maliwanag na kapangyarihan:

Tunay na Lakas = Maliit na Lakas x cosΦ

Reaktibong Kapangyarihan = Maliwanag na Kapangyarihan x sinΦ

(kVA) ² = (kW) ² + (kVAr) ²

Power Factor (pf):

Ang ratio ng totoong lakas sa maliwanag na kapangyarihan sa isang circuit ay tinatawag na power factor.

Power Factor = Tunay na Lakas / Maliit na Lakas

Mula sa itaas malinaw na, masusukat natin ang lahat ng anyo ng lakas pati na rin ang kadahilanan ng kuryente sa pamamagitan ng pagsukat ng boltahe at kasalukuyang.

Kredito sa imahe: openenergymonitor.org

Hakbang 4: Currrent Sensor

Ang kasalukuyang AC ay regular na sinusukat sa pamamagitan ng paggamit ng isang kasalukuyang transpormer ngunit para sa proyektong ito, ang ACS712 ay napili bilang kasalukuyang sensor dahil sa mababang gastos at mas maliit na laki nito. Ang ACS712 Kasalukuyang Sensor ay isang kasalukuyang sensor ng Hall Effect na tumpak na sumusukat sa kasalukuyang kapag sapilitan. Ang magnetic field sa paligid ng AC wire ay napansin na nagbibigay ng katumbas na boltahe ng output ng analog. Ang output ng analog voltage ay pagkatapos ay naproseso ng microcontroller upang masukat ang kasalukuyang daloy sa pamamagitan ng pagkarga.

Upang malaman ang higit pa tungkol sa sensor ng ACS712, maaari mong bisitahin ang site na ito. Para sa isang mas mahusay na paliwanag sa pagtatrabaho ng sensor ng hall effect, ginamit ko ang larawan sa itaas mula sa Embedded-lab.

Hakbang 5: Kasalukuyang Pagsukat ng ACS712

Ang output mula sa ACS712 Kasalukuyang Sensor ay isang AC boltahe alon. Kailangan nating kalkulahin ang kasalukuyang rms, magagawa ito sa pamamagitan ng sumusunod na paraan

1. Pagsukat sa rurok hanggang sa rurok na boltahe (Vpp)

2. Hatiin ang rurok sa rurok na boltahe (Vpp) ng dalawa upang makakuha ng boltahe ng rurok (Vp)

3. I-multiply ito ng 0.707 upang makuha ang boltahe ng rms (Vrms)

Pagkatapos ay i-multiply ang Sensitivity ng kasalukuyang sensor (ACS712) upang makuha ang kasalukuyang rms.

Vp = Vpp / 2

Vrms = Vp x 0.707

Irms = Vrms x Sensitivity

Ang pagiging sensitibo para sa ACS712 5A module ay 185mV / A, 20A module ay 100mV / A at 30A module ay 66mV / A.

Ang Koneksyon para sa kasalukuyang sensor ay tulad sa ibaba

ACS712 Arduino / Wemos

VCC ------ 5V

OUT ----- A0

GND ----- GND

Hakbang 6: Pagkalkula ng Lakas at Enerhiya

Nauna kong inilarawan ang mga pangunahing kaalaman sa iba't ibang anyo ng AC Power. Ang pagiging isang gumagamit ng sambahayan, ang tunay na kapangyarihan (kW) ang aming pangunahing pag-aalala. Upang makalkula ang totoong lakas na kailangan namin upang masukat ang boltahe ng rms, kasalukuyang rms at power factor (pF).

Karaniwan, ang boltahe ng mains sa aking lokasyon (230V) ay halos pare-pareho (ang pabagu-bago ay bale-wala). Kaya't iniiwan ko ang isang sensor upang masukat ang boltahe. Walang alinlangan kung mag-hook up ka ng isang sensor ng boltahe, ang kawastuhan ng pagsukat ay mas mahusay sa aking kaso. Gayunpaman, ang pamamaraang ito ay isang mura at simpleng paraan upang makumpleto ang proyekto at matupad ang layunin.

Ang isa pang kadahilanan para sa hindi paggamit ng boltahe sensor ay dahil sa ang limitasyon ng Wemos analog pin (isa lamang). Kahit na ang sobrang sensor ay maaaring mai-hook up sa pamamagitan ng paggamit ng isang ADC tulad ng ADS1115, sa ngayon, iniiwan ko ito. Sa hinaharap, kung kumuha ako ng oras tiyak na idaragdag ko ito.

Ang factor ng kuryente ng pagkarga ay maaaring mabago sa panahon ng programa o mula sa Smartphone app.

Tunay na Lakas (W) = Vrms x Irms x Pf

Vrms = 230V (kilala)

Pf = 0.85 (kilala)

Irms = pagbabasa mula sa kasalukuyang sensor (hindi alam)

Kredito sa imahe: imgoat

Hakbang 7: Pag-interfacing Sa Blynk App

Tulad ng board ng Wemos na nakabuo ng WiFi chip, naisip kong ikonekta ito sa aking router at subaybayan ang Enerhiya ng appliance sa bahay mula sa aking Smartphone. Ang mga pakinabang ng paggamit ng board ng Wemos sa halip na Arduino ay: pagkakalibrate ng sensor at pagbabago ng halaga ng parameter mula sa smartphone sa pamamagitan ng OTA nang hindi pisikal na pinaprograpiya ang microcontroller nang paulit-ulit.

Hinanap ko ang simpleng pagpipilian upang ang sinuman na may maliit na karanasan ay makakagawa nito. Ang pinakamahusay na pagpipilian na nakita ko ay ang paggamit ng Blynk App. Ang Blynk ay isang app na nagbibigay-daan sa buong kontrol sa Arduino, ESP8266, Rasberry, Intel Edison at marami pang hardware. Ito ay katugma sa parehong Android at iPhone. Sa Blynk tumatakbo ang lahat ⚡️Energy. Kapag lumikha ka ng isang bagong account, makakakuha ka ng ⚡️2, 000 upang simulang mag-eksperimento; Ang bawat Widget ay nangangailangan ng ilang Enerhiya upang gumana. Para sa proyektong ito, kailangan mo ng ⚡️2400, kaya kailangan mong bumili ng karagdagang enerhiya ️⚡️400 (ang gastos ay mas mababa sa $ 1)

ako Pagsukat - 2 x ⚡️200 = ⚡️400

ii. Labeled Display Display - 2 x ⚡️400 = ⚡️800

iii. Mga Slider - 4 x ⚡️200 = ⚡️800

iv. Menu - 1x ⚡️400 = ⚡️400

Kinakailangan ang Kabuuang Enerhiya para sa proyektong ito = 400 + 800 + 800 + 400 = ⚡️2400

Sundin ang mga hakbang sa ibaba:

Hakbang-1: I-download ang Blynk app

1. Para sa Android

2. Para sa iPhone

Hakbang-2: Kunin ang Auth Token

Upang maiugnay ang Blynk App at ang iyong hardware, kailangan mo ng Auth Token.1. Lumikha ng isang bagong account sa Blynk App.

2. Pindutin ang QR icon sa tuktok na menu bar. Lumikha ng isang clone ng Project na ito sa pamamagitan ng pag-scan ng QR code na ipinakita sa itaas. Sa sandaling matagumpay itong napansin, ang buong proyekto ay agad na makakasama sa iyong telepono.

3. Matapos malikha ang proyekto, padadalhan ka namin ng Auth Token sa pamamagitan ng email.

4. Suriin ang iyong email inbox at hanapin ang Auth Token.

Hakbang-3: Paghahanda ng Arduino IDE para sa Wemos Board

Upang mai-upload ang Arduino code sa board ng Wemos, kailangan mong sundin ang Mga Instructionable na ito

Hakbang-4: I-install ang Mga Aklatan

Pagkatapos ay kailangan mong i-import ang library sa iyong Arduino IDE

I-download ang Blynk Library

I-download ang mga aklatan para sa OLED Display: i. Adafruit_SSD1306 ii. Adafruit-GFX-Library

Hakbang-5: Arduino Sketch

Matapos mai-install ang mga aklatan sa itaas, i-paste ang Arduino code na ibinigay sa ibaba.

Ipasok ang auth code mula sa step-1, ssid at password ng iyong router.

Pagkatapos i-upload ang code.

Hakbang 8: Ihanda ang Circuit Board

Upang gawing maayos at malinis ang circuit, gumawa ako ng circuit board sa pamamagitan ng paggamit ng isang prototype board na 4x6 cm. Una kong pinaghinang ang Mga Pinamagatang Header Pin sa Wemos Board. Pagkatapos ay hinihinang ko ang mga babaeng header sa prototype board upang mai-mount ang iba't ibang mga board:

1. Wemos Board (2 x 8 Pins Babae Header)

2. 5V DC Power Supply board (2 mga pin +3 na pin na Babae Header)

3. Kasalukuyang Sensor Module (3 Pins Babae Header)

4. OLED Display (4pins Babae Header)

Sa wakas, naghinang ako ng isang 2 pin na terminal ng tornilyo para sa pag-input ng suplay ng AC sa yunit ng suplay ng kuryente.

Matapos ang paghihinang ng lahat ng mga pin ng header, gawin ang koneksyon tulad ng ipinakita sa itaas. Gumamit ako ng 24 AWG soldering wire para sa lahat ng koneksyon.

Ang koneksyon ay ang mga sumusunod

1. ACS712:

ACS712 Wemos

Vcc-- 5V

Gnd - GND

Vout - A0

2. OLED Display:

OLED Wemos

Vcc-- 5V

Gnd-- GND

SCL-- D1

SDA - D2

3. module ng Supply ng Kuryente:

Ang AC input pin (2 pin) ng module ng power supply na konektado sa screw terminal.

Ang output V1pin ay konektado sa Wemos 5V at ang GND pin ay konektado sa Wemos GND pin.

Hakbang 9: 3D Naka-print na Enclosure

Upang mabigyan ng magandang hitsura ang produktong komersyal, nagdisenyo ako ng isang enclosure para sa proyektong ito. Gumamit ako ng Autodesk Fusion 360 upang idisenyo ang enclosure. Ang enclosure ay may dalawang bahagi: Ibaba at Tuktok na talukap ng mata. Maaari mong i-download ang. STL na mga file mula sa Thingiverse.

Ang Ibabang bahagi ay karaniwang dinisenyo upang magkasya sa pangunahing PCB (4 x6 cm), Kasalukuyang Sensor at Fuse Holder. Ang tuktok na takip ay upang mai-mount ang AC socket at OLED Display.

Ginamit ko ang aking printer ng Creality CR-10S 3D at 1.75 mm pilak na PLA at pulang filament ng PLA upang mai-print ang mga bahagi. Inabot ako ng halos 5 oras upang mai-print ang pangunahing katawan at mga 3 oras upang mai-print ang pang-itaas na talukap ng mata.

Ang aking mga setting ay:

Bilis ng pag-print: 60 mm / s

Taas ng Layer: 0.3

Punan ang Density: 100%

Temperatura ng Extruder: 205 degC

Bed Temp: 65 degC

Hakbang 10: Diagram ng Mga Kable ng AC

Ang kurdon ng kuryente ng AC ay mayroong 3 mga wire: Line (red), Neutral (black) at Ground (green).

Ang pulang kawad mula sa kurdon ng kuryente ay konektado sa isang terminal ng piyus. Ang iba pang mga terminal ng piyus ay konektado sa spring na-load ng dalawang mga konektor sa terminal. Ang itim na kawad na direktang konektado sa konektor na puno ng spring.

Ngayon ang lakas na kinakailangan para sa circuit board (Wemos, OLED, at ACS712) ay na-tape pagkatapos ng konektor na puno ng spring. Upang ihiwalay ang pangunahing circuit board, ang isang rocker switch ay konektado sa serye. Tingnan ang diagram ng circuit sa itaas.

Pagkatapos ang pulang kawad (linya) ay konektado sa AC socket na "L" terminal at ang berdeng wire (ground) ay konektado sa gitnang terminal (minarkahan bilang G).

Ang neutral terminal ay konektado sa isang terminal ng kasalukuyang sensor ng ACS712. Ang iba pang mga terminal ng ACS712 ay konektado pabalik sa konektor ng spring-load.

Kapag natapos ang lahat ng mga panlabas na koneksyon gumawa ng isang maingat na inspeksyon ng board at linisin ito upang alisin ang mga soldering residu ng pagkilos ng bagay.

Tandaan: Huwag hawakan ang anumang bahagi ng circuit habang ito ay nasa ilalim ng lakas. Ang anumang hindi sinasadyang ugnayan ay maaaring humantong sa nakamamatay na pinsala o pagkamatay. Maging ligtas habang nagtatrabaho, hindi ako mananagot para sa anumang pagkawala.

Hakbang 11: I-install ang Lahat ng Mga Bahagi

Ipasok ang mga sangkap (AC Socket, Rocker Switch, at OLED Display) sa itaas na mga puwang ng takip tulad ng ipinakita sa larawan. Pagkatapos ay i-secure ang mga tornilyo. Ang ilalim na bahagi ay may 4 na standoffs para sa pag-mount ang pangunahing board ng PCB. Una, ipasok ang standoff ng tanso sa butas tulad ng ipinakita sa itaas. Pagkatapos ay i-secure ang 2M na tornilyo sa apat na sulok.

Ilagay ang Fuse Holder at Kasalukuyang sensor sa puwang na ibinigay sa ilalim ng enclosure. Gumamit ako ng 3M mounting squares upang idikit ang mga ito sa base. Pagkatapos ay i-ruta nang maayos ang lahat ng mga wire.

Panghuli, ilagay ang tuktok na takip at i-secure ang 4 na mga mani (3M x16) sa mga sulok.

Hakbang 12: Pangwakas na Pagsubok

I-plug ang kurdon ng kuryente ng Energy Meter sa mains outlet.

Baguhin ang mga sumusunod na parameter mula sa Blynk app

1. I-slide ang CALIBRATE slider upang makuha ang kasalukuyang zero kapag walang pagkarga na nakakonekta.

2. Sukatin ang boltahe ng suplay ng AC sa bahay sa pamamagitan ng paggamit ng isang multimeter at itakda ito sa pamamagitan ng pag-slide ng slider ng SUPPLY VOLTAGE.

3. Itakda ang Power Factor

4. Ipasok ang taripa ng enerhiya sa iyong lokasyon.

Pagkatapos plug sa appliance na ang lakas na sinusukat sa socket sa metro ng Enerhiya. Ngayon handa ka na upang sukatin ang enerhiya na natupok nito.

Inaasahan kong nasiyahan ka sa pagbabasa tungkol sa aking proyekto tulad ng nasisiyahan ako sa pagbuo nito.

Kung mayroon kang anumang mga mungkahi para sa mga pagpapabuti, mangyaring puna ito sa ibaba. Salamat!

Runner Up sa Microcontroller Contest