Arduino Energy Meter - V2.0: 12 ნაბიჯი (სურათებით)

2024 ავტორი: John Day | [email protected]. ბოლოს შეცვლილი: 2024-01-30 10:17

გამარჯობა მეგობარო, კეთილი იყოს თქვენი მობრძანება დიდი პაუზის შემდეგ. ადრე მე გამოვაქვეყნე ინსტრუქციები Arduino Energy Meter– ზე, რომელიც ძირითადად შექმნილი იყო ჩემს სოფელში მზის პანელის ენერგიის მონიტორინგისთვის. ის ძალიან პოპულარული გახდა ინტერნეტში, ბევრმა ადამიანმა მთელს მსოფლიოში შექმნა საკუთარი. ამდენმა სტუდენტმა გააკეთა თავისი კოლეჯის პროექტი ჩემგან დახმარების მიღებით. და მაინც, ახლა მე ვიღებ წერილებს და შეტყობინებებს იმ ადამიანებისგან, რომლებსაც აქვთ შეკითხვები ტექნიკისა და პროგრამული უზრუნველყოფის მოდიფიკაციის შესახებ AC ენერგიის მოხმარების მონიტორინგისთვის.

ამ ინსტრუქციებში, მე ვაპირებ გაჩვენოთ როგორ გააკეთოთ მარტივი wifi ჩართული AC ენერგიის მრიცხველი Arduino/Wemos დაფის გამოყენებით. ამ ენერგიის მრიცხველის გამოყენებით შეგიძლიათ გაზომოთ ნებისმიერი საყოფაცხოვრებო ტექნიკის ენერგიის მოხმარება. პროექტის დასასრულს, მე გავაკეთე ლამაზი 3D დაბეჭდილი დანართი ამ პროექტისთვის.

ენერგიის მოხმარების შესახებ მეტი ცნობიერების ამაღლების მიზანი იქნება მომხმარებლის მიერ ენერგიის მოხმარების ოპტიმიზაცია და შემცირება. ეს შეამცირებს მათ ენერგიის ხარჯებს, ასევე დაზოგავს ენერგიას.

რა თქმა უნდა, ბევრი კომერციული მოწყობილობა უკვე არსებობს ენერგიის მონიტორინგისთვის, მაგრამ მე მინდოდა შემექმნა საკუთარი ვერსია, რომელიც უნდა ყოფილიყო მარტივი და დაბალი ღირებულება.

თქვენ შეგიძლიათ ნახოთ ჩემი ყველა პროექტი:

ნაბიჯი 1: საჭირო ნაწილები და ინსტრუმენტები

საჭირო კომპონენტები:

1. Wemos D1 mini pro (Amazon / Banggood)

2. მიმდინარე სენსორი -ACS712 (ამაზონი)

3. OLED ეკრანი (Amazon / Banggood)

4. 5V კვების ბლოკი (Aliexpress)

5. პროტოტიპის დაფა - 4 x 6 სმ (Amazon / Banggood)

6. 24 AWG Wire (ამაზონი)

7. სათაურის ქინძისთავები (Amazon / Banggood)

8. მამაკაცი-ქალი მხტუნავები (ამაზონი)

9. ხრახნიანი ტერმინალი (ამაზონი)

10. ჩხუბი (Banggood)

11. AC Socket Outlet

12. AC დანამატი

13. გაზაფხულზე დატვირთული კონექტორი (Banggood)

14. Rocker Switch (Banggood)

15. PLA Filament-Silver (GearBest)

16. PLA Filament-Red (GearBest)

საჭირო ინსტრუმენტები:

1. შედუღების რკინა (ამაზონი)

2. წებოვანი იარაღი (ამაზონი)

3. მავთულის საჭრელი/სტრიპტიზი (ამაზონი)

4.3D პრინტერი (Creality CR10S)

ნაბიჯი 2: როგორ მუშაობს?

მთელი პროექტის ბლოკ -დიაგრამა ნაჩვენებია ზემოთ.

AC ქსელიდან ენერგია იჭრება და გადადის დაუკრავენ შემთხვევითი მოკლე ჩართვის დროს მიკროსქემის დაზიანების თავიდან აცილების მიზნით.

შემდეგ AC ელექტროგადამცემი ხაზი ნაწილდება ორ ნაწილად:

1. დატვირთვა მიმდინარე სენსორის საშუალებით (ACS712)

2. 230V AC/5V DC კვების ბლოკის მოდული

5V კვების ბლოკის მოდული უზრუნველყოფს მიკროკონტროლერს (Arduino/Wemos), მიმდინარე სენსორს (ACS712) და OLED ეკრანს.

დატვირთვის გავლით AC დენი იგრძნობა მიმდინარე სენსორის მოდულის (ACS712) საშუალებით და იკვებება Arduino/Wemos დაფის ანალოგიურ პინთან (A0). მას შემდეგ, რაც ანალოგური შეყვანა მიეცემა არდუინოს, ენერგიის/ენერგიის გაზომვა ხდება არდუინოს ესკიზის საშუალებით.

Arduino/Wemos– ის მიერ გამოთვლილი სიმძლავრე და ენერგია ნაჩვენებია 0.96 დიუმიანი OLED ჩვენების მოდულზე.

Wemos– ის ჩაშენებული WiFi ჩიპი უკავშირდება Home Router– ს და უკავშირდება Blynk აპლიკაციას. ასე რომ თქვენ შეგიძლიათ აკონტროლოთ პარამეტრები, ასევე დაკალიბრდეთ და შეცვალოთ თქვენი სმარტფონიდან განსხვავებული პარამეტრები OTA- ს საშუალებით.

ნაბიჯი 3: AC საფუძვლების გაგება

AC მიკროსქემის ანალიზისას ძაბვაც და დენიც სინუსოიურად იცვლება დროთა განმავლობაში.

რეალური ძალა (P):

ეს არის მოწყობილობის მიერ გამოყენებული ენერგია სასარგებლო სამუშაოს წარმოებისთვის. იგი გამოიხატება კვტ.

რეალური სიმძლავრე = ძაბვა (V) x დენი (I) x cosΦ

რეაქტიული სიმძლავრე (Q):

ამას ხშირად უწოდებენ წარმოსახვით ძალას, რომელიც არის სიმძლავრის რხევა წყაროსა და დატვირთვას შორის, რაც არ არის სასარგებლო სამუშაო. იგი გამოიხატება kVAr

რეაქტიული სიმძლავრე = ძაბვა (V) x დენი (I) x sinΦ

მოჩვენებითი ძალა (ები):

იგი განისაზღვრება, როგორც Root-Mean-Square (RMS) ძაბვის და RMS დენის პროდუქტი. ეს ასევე შეიძლება განისაზღვროს როგორც რეალური და რეაქტიული ძალის შედეგი. ის გამოხატულია kVA- ში

მოჩვენებითი სიმძლავრე = ძაბვა (V) x დენი (I)

რეალური, რეაქტიული და მოჩვენებითი ძალის ურთიერთობა:

რეალური ძალა = მოჩვენებითი სიმძლავრე x cosΦ

რეაქტიული სიმძლავრე = მოჩვენებითი სიმძლავრე x sinΦ

(kVA) ² = (kW) + (kVAr)

სიმძლავრის ფაქტორი (pf):

წრეში რეალური სიმძლავრის თანაფარდობა აშკარა სიმძლავრეს ეწოდება სიმძლავრის ფაქტორი.

სიმძლავრის ფაქტორი = რეალური სიმძლავრე/მოჩვენებითი ძალა

ზემოაღნიშნულიდან ნათელია, რომ ჩვენ შეგვიძლია გავზომოთ სიმძლავრის ყველა ფორმა, ისევე როგორც სიმძლავრის ფაქტორი ძაბვისა და დენის გაზომვით.

სურათის კრედიტი: openenergymonitor.org

ნაბიჯი 4: მიმდინარე სენსორი

AC დენი პირობითად იზომება დენის ტრანსფორმატორის გამოყენებით, მაგრამ ამ პროექტისათვის ACS712 არჩეულია როგორც მიმდინარე სენსორი მისი დაბალი ღირებულებისა და მცირე ზომის გამო. ACS712 მიმდინარე სენსორი არის Hall Effect დენის სენსორი, რომელიც ზუსტად ზომავს დენს, როდესაც გამოწვეულია. გამოვლენილია მაგნიტური ველი AC მავთულის ირგვლივ, რაც იძლევა ანალოგიურ ანალოგიურ გამომავალ ძაბვას. ანალოგური ძაბვის გამომუშავება შემდგომ დამუშავებულია მიკროკონტროლის მიერ დატვირთვის მიმდინარე დინების გასაზომად.

ACS712 სენსორის შესახებ მეტი რომ იცოდეთ, შეგიძლიათ ეწვიოთ ამ საიტს. დარბაზის ეფექტის სენსორის მუშაობის უკეთ ახსნის მიზნით, მე გამოვიყენე ზემოთ მოყვანილი სურათი ჩაშენებული ლაბორატორიიდან.

ნაბიჯი 5: მიმდინარე გაზომვა ACS712– ის მიერ

ACS712 მიმდინარე სენსორიდან არის AC ძაბვის ტალღა. ჩვენ უნდა გამოვთვალოთ rms დენი, ეს შეიძლება გაკეთდეს შემდეგი გზით

1. პიკიდან პიკამდე ძაბვის გაზომვა (Vpp)

2. გაყავით პიკი პიკურ ძაბვაზე (Vpp) ორზე, რომ მიიღოთ პიკი ძაბვა (Vp)

3. გაამრავლეთ 0.707 -ით, რომ მიიღოთ rms ძაბვა (Vrms)

შემდეგ გაამრავლეთ მიმდინარე სენსორის მგრძნობელობა (ACS712), რომ მიიღოთ rms დენი.

Vp = Vpp/2

Vrms = Vp x 0.707

Irms = Vrms x მგრძნობელობა

ACS712 5A მოდულის მგრძნობელობაა 185mV/A, 20A მოდული 100mV/A და 30A მოდული 66mV/A.

მიმდინარე სენსორის კავშირი ქვემოთ მოცემულია

ACS712 Arduino/Wemos

VCC ------ 5V

გარეთ ----- A0

GND ----- GND

ნაბიჯი 6: ენერგიისა და ენერგიის გაანგარიშება

ადრე აღვწერე AC Power– ის სხვადასხვა ფორმის საფუძვლები. როგორც საყოფაცხოვრებო მომხმარებელი, რეალური სიმძლავრე (კვტ) არის ჩვენი მთავარი საზრუნავი. რეალური სიმძლავრის გამოსათვლელად ჩვენ უნდა გავზომოთ rms ძაბვა, rms დენი და სიმძლავრის ფაქტორი (pF).

ჩვეულებრივ, ქსელში ძაბვა ჩემს ადგილას (230V) თითქმის მუდმივია (რყევები უმნიშვნელოა). ასე რომ, მე ვტოვებ ერთ სენსორს ძაბვის გასაზომად. ეჭვგარეშეა, თუ დააკავშირებთ ძაბვის სენსორს, გაზომვის სიზუსტე უკეთესია, ვიდრე ჩემს შემთხვევაში. ყოველ შემთხვევაში, ეს მეთოდი არის იაფი და მარტივი გზა პროექტის დასრულებისა და მიზნის მისაღწევად.

ძაბვის სენსორის გამოუყენებლობის კიდევ ერთი მიზეზი არის Wemos ანალოგური პინის შეზღუდვა (მხოლოდ ერთი). მიუხედავად იმისა, რომ დამატებითი სენსორი შეიძლება დაერთოს ADC– ის მსგავსად, როგორიცაა ADS1115, ამ დროისთვის მე მას ვტოვებ. მომავალში, თუ დრო მექნება აუცილებლად დავამატებ.

დატვირთვის სიმძლავრის ფაქტორი შეიძლება შეიცვალოს პროგრამირების დროს ან სმარტფონის აპლიკაციიდან.

რეალური სიმძლავრე (W) = Vrms x Irms x Pf

Vrms = 230V (ცნობილია)

Pf = 0.85 (ცნობილია)

Irms = კითხვა მიმდინარე სენსორიდან (უცნობია)

სურათის კრედიტი: imgoat

ნაბიჯი 7: ინტერფეისირება ბლინკის აპლიკაციასთან

Wemos– ის დაფაზე არის ჩამონტაჟებული WiFi ჩიპი, ვიფიქრე, რომ დავუკავშირო ის ჩემს როუტერს და ჩემი სმარტფონიდან დავაკვირდე საყოფაცხოვრებო ტექნიკის ენერგიას. Arduino– ს ნაცვლად Wemos დაფის გამოყენების უპირატესობებია: სენსორის დაკალიბრება და სმარტფონიდან პარამეტრის მნიშვნელობის შეცვლა OTA– ს საშუალებით მიკროკონტროლერის განმეორებით ფიზიკური დაპროგრამების გარეშე.

მე ვეძებდი მარტივ ვარიანტს, რათა მცირე გამოცდილების მქონე ნებისმიერმა ადამიანმა შეძლოს ამის გაკეთება. საუკეთესო ვარიანტი, რაც მე ვიპოვე, არის ბლინკის აპლიკაციის გამოყენება. Blynk არის აპლიკაცია, რომელიც იძლევა სრულ კონტროლს Arduino, ESP8266, Rasberry, Intel Edison და ბევრად მეტ აპარატურაზე. ის თავსებადია როგორც Android- თან, ასევე iPhone- თან. ბლინკში ყველაფერი მუშაობს ენერგიაზე. როდესაც თქვენ შექმნით ახალ ანგარიშს, თქვენ მიიღებთ,️2, 000 ექსპერიმენტის დასაწყებად; ყველა ვიჯეტს სჭირდება გარკვეული ენერგია მუშაობისთვის. ამ პროექტისთვის გჭირდებათ ⚡️2400, ასე რომ თქვენ უნდა შეიძინოთ დამატებითი ენერგია ️⚡️400 (ღირებულება 1 დოლარზე ნაკლებია)

მე. ლიანდაგი - 2 x ⚡️200 = ⚡️400

ii მარკირებული ღირებულების ჩვენება - 2 x ⚡️400 = ⚡️800

iii სლაიდერი - 4 x ⚡️200 = ⚡️800

iv მენიუ - 1x ⚡️400 = ⚡️400

ამ პროექტისათვის საჭირო მთლიანი ენერგია = 400+800+800+400 = ⚡️2400

მიჰყევით ქვემოთ მოცემულ ნაბიჯებს:

ნაბიჯი 1: ჩამოტვირთეთ ბლინკის აპლიკაცია

1. Android- ისთვის

2. iPhone– ისთვის

ნაბიჯი 2: მიიღეთ Auth Token

იმისათვის, რომ დააკავშიროთ Blynk აპლიკაცია და თქვენი ტექნიკა, გჭირდებათ Auth Token.1. შექმენით ახალი ანგარიში ბლინკის აპლიკაციაში.

2. დააჭირეთ QR ხატულას მენიუს ზედა ზოლში. შექმენით ამ პროექტის კლონი ზემოთ ნაჩვენები QR კოდის სკანირებით. წარმატებული აღმოჩენისთანავე, მთელი პროექტი დაუყოვნებლივ იქნება თქვენს ტელეფონში.

3. პროექტის შექმნის შემდეგ, ჩვენ გამოგიგზავნით Auth Token- ს ელექტრონული ფოსტით.

4. შეამოწმეთ თქვენი ელ.ფოსტის ყუთი და იპოვეთ Auth Token.

ნაბიჯი 3: Arduino IDE- ს მომზადება Wemos დაფისთვის

Arduino კოდის ასატვირთად Wemos დაფაზე, თქვენ უნდა დაიცვას ეს ინსტრუქცია

ნაბიჯი 4: დააინსტალირეთ ბიბლიოთეკები

შემდეგ თქვენ უნდა შემოიტანოთ ბიბლიოთეკა თქვენს Arduino IDE– ში

ჩამოტვირთეთ ბლინკის ბიბლიოთეკა

ჩამოტვირთეთ ბიბლიოთეკები OLED ეკრანისთვის: i. Adafruit_SSD1306 ii. ადაფრუტი-GFX- ბიბლიოთეკა

ნაბიჯი 5: არდუინოს ესკიზი

ზემოაღნიშნული ბიბლიოთეკების დაყენების შემდეგ ჩასვით ქვემოთ მოცემული Arduino კოდი.

შეიყვანეთ ავტორიზაციის კოდი ნაბიჯი 1, ssid და პაროლი თქვენი როუტერიდან.

შემდეგ ატვირთეთ კოდი.

ნაბიჯი 8: მოამზადეთ მიკროსქემის დაფა

იმისათვის, რომ წრე იყოს სუფთა და სუფთა, მე გავაკეთე მიკროსქემის დაფა პროტოტიპის დაფის გამოყენებით 4x6 სმ. თავდაპირველად გავაფორმე მამრობითი სათაურების Pin Wemos დაფაზე. შემდეგ მე დავამაგრე ქალი სათაურები პროტოტიპის დაფაზე, რათა დავამონტაჟო სხვადასხვა დაფები:

1. Wemos Board (2 x 8 ქინძისთავები ქალი თავით)

2. 5V DC დენის წყაროს დაფა (2 ქინძისთავები +3 ქინძისთავები ქალი

3. მიმდინარე სენსორის მოდული (3 ქინძისთავის ქალი სათაური)

4. OLED ეკრანი (4 პინიანი ქალი სათაური)

ბოლოს და ბოლოს, მე შევაერთე 2 პინიანი ხრახნიანი ტერმინალი დენის წყაროს ერთეულის AC შესასვლელად.

მას შემდეგ, რაც შეაერთეთ ყველა სათაურის პინი, გააკეთეთ კავშირი, როგორც ნაჩვენებია ზემოთ. მე გამოვიყენე 24 AWG შედუღების მავთული ყველა კავშირისთვის.

კავშირი ასეთია

1. ACS712:

ACS712 ვემო

Vcc- 5V

Gnd - GND

Vout-A0

2. OLED ჩვენება:

OLED Wemos

Vcc- 5V

Gnd-- GND

SCL- D1

SDA-D2

3. ელექტრომომარაგების მოდული:

დენის წყაროს მოდულის AC შეყვანის პინი (2 პინი), რომელიც დაკავშირებულია ხრახნიან ტერმინალთან.

გამომავალი V1pin უკავშირდება Wemos 5V- ს და GND pin უკავშირდება Wemos GND pin- ს.

ნაბიჯი 9: 3D დაბეჭდილი დანართი

კომერციული პროდუქტის სასიამოვნო გარეგნობის შესაქმნელად, მე შევიმუშავე დანართი ამ პროექტისთვის. მე გამოვიყენე Autodesk Fusion 360 დანართი. დანართს აქვს ორი ნაწილი: ქვედა და ზედა სახურავი. თქვენ შეგიძლიათ ჩამოტვირთოთ. STL ფაილები Thingiverse– დან.

ქვედა ნაწილი ძირითადად შექმნილია ძირითადი PCB (4 x6 სმ), მიმდინარე სენსორისა და დაუკრავენ დამჭერის მოსაწყობად. ზედა სახურავი არის AC სოკეტის და OLED ეკრანის დასაყენებლად.

ნაწილების დასაბეჭდად გამოვიყენე ჩემი Creality CR-10S 3D პრინტერი და 1.75 მმ ვერცხლის PLA და წითელი ძაფის ძაფები. დაახლოებით 5 საათი დამჭირდა ძირითადი ნაწილის დასაბეჭდად და დაახლოებით 3 საათი ზედა სახურავის დასაბეჭდად.

ჩემი პარამეტრები არის:

ბეჭდვის სიჩქარე: 60 მმ/წმ

ფენის სიმაღლე: 0.3

შევსების სიმჭიდროვე: 100%

ექსტრუდერის ტემპერატურა: 205 გრადუსი

საწოლის ტემპერატურა: 65 გრადუსი

ნაბიჯი 10: AC გაყვანილობის დიაგრამა

AC კაბელს აქვს 3 მავთული: ხაზი (წითელი), ნეიტრალური (შავი) და გრუნტი (მწვანე).

დენის კაბელიდან წითელი მავთული უკავშირდება დაუკრავის ერთ ტერმინალს. დაუკრავის სხვა ტერმინალი დაკავშირებულია გაზაფხულზე დატვირთულ ორ ტერმინალურ კონექტორთან. შავი მავთული პირდაპირ უკავშირდება გაზაფხულზე დატვირთულ კონექტორს.

ახლა მიკროსქემის დაფისთვის (Wemos, OLED და ACS712) საჭირო ენერგია გათიშულია გაზაფხულზე დატვირთული კონექტორის შემდეგ. მთავარი მიკროსქემის დაფის გამოსაყოფად, როკერის გადამრთველი სერიულად არის დაკავშირებული. იხილეთ ზემოთ სქემის დიაგრამა.

შემდეგ წითელი მავთული (ხაზი) უკავშირდება AC სოკეტს "L" ტერმინალს და მწვანე მავთული (მიწა) უკავშირდება ცენტრალურ ტერმინალს (აღინიშნება როგორც G).

ნეიტრალური ტერმინალი უკავშირდება ACS712 მიმდინარე სენსორის ერთ ტერმინალს. ACS712– ის სხვა ტერმინალი უკავშირდება ზამბარებით დატვირთულ კონექტორს.

როდესაც ყველა გარე კავშირი დასრულდება, გააკეთეთ დაფის ფრთხილად შემოწმება და გაასუფთავეთ ის, რათა ამოიღოთ შედუღების ნაკადის ნარჩენები.

შენიშვნა: არ შეეხოთ მიკროსქემის ნებისმიერ ნაწილს, სანამ ის ძალაშია. ნებისმიერი შემთხვევითი შეხება შეიძლება გამოიწვიოს სასიკვდილო დაზიანება ან სიკვდილი. იყავით უსაფრთხო მუშაობის დროს, მე არ ვიქნები პასუხისმგებელი რაიმე დანაკარგზე.

ნაბიჯი 11: დააინსტალირეთ ყველა კომპონენტი

ჩადეთ კომპონენტები (AC სოკეტი, Rocker Switch და OLED ეკრანი) ზედა სახურავის სლოტებზე, როგორც ეს მოცემულია სურათზე. შემდეგ მიამაგრეთ ხრახნები. ქვედა ნაწილს აქვს 4 ჩამონტაჟება ძირითადი PCB დაფის დასაყენებლად. პირველი, ჩადეთ სპილენძის საყრდენი ხვრელში, როგორც ეს ნაჩვენებია ზემოთ. შემდეგ დააფიქსირეთ 2M ხრახნი ოთხ კუთხეში.

მოათავსეთ დაუკრავენ დამჭერი და მიმდინარე სენსორი ქვედა ყუთში მოცემულ სლოტზე. მე გამოვიყენე 3M სამონტაჟო კვადრატი, რომ მათ დამემალა ბაზაზე. შემდეგ სწორად გაატარეთ ყველა მავთული.

დაბოლოს, მოათავსეთ ზედა სახურავი და მიამაგრეთ 4 თხილი (3M x16) კუთხეებში.

ნაბიჯი 12: საბოლოო ტესტირება

ჩართეთ ენერგიის მრიცხველის დენის კაბელი ქსელში.

შეცვალეთ შემდეგი პარამეტრები ბლინკის აპლიკაციიდან

1. გადაიტანეთ CALIBRATE სლაიდერი, რომ მიიღოთ მიმდინარე ნული, როდესაც დატვირთვა არ არის დაკავშირებული.

2. გაზომეთ სახლის AC მიწოდების ძაბვა მულტიმეტრის გამოყენებით და დააყენეთ იგი SUPPLY VOLTAGE სლაიდერის გადასაადგილებლად.

3. დააყენეთ სიმძლავრის ფაქტორი

4. შეიყვანეთ ენერგიის ტარიფი თქვენს ადგილას.

შემდეგ შეაერთეთ მოწყობილობა, რომლის სიმძლავრეც იზომება ენერგიის მრიცხველზე. ახლა თქვენ მზად ხართ გაზომოთ მის მიერ მოხმარებული ენერგია.

ვიმედოვნებ, რომ თქვენ მოგეწონათ ჩემი პროექტის წაკითხვა ისევე, როგორც მე მისი მშენებლობის დროს.

თუ თქვენ გაქვთ რაიმე წინადადება გაუმჯობესების მიზნით, გთხოვთ კომენტარი გააკეთოთ ქვემოთ. მადლობა!

მეორე ადგილი მიკროკონტროლერის კონკურსში