متر آردوینو انرژی - V2.0: 12 مرحله (همراه با تصاویر)

2024 نویسنده: John Day | [email protected]. آخرین اصلاح شده: 2024-01-30 08:54

سلام دوست عزیز ، پس از یک استراحت طولانی دوباره خوش آمدید. قبلاً من دستورالعمل هایی را در Arduino Energy Meter قرار دادم که عمدتاً برای نظارت بر قدرت پنل خورشیدی (DC Power) در روستای من طراحی شده بود. در اینترنت بسیار محبوب شد ، بسیاری از مردم در سراسر جهان خودشان ساخته اند. بنابراین بسیاری از دانش آموزان با کمک گرفتن از من موفق به انجام پروژه کالج خود شده اند. با این وجود ، اکنون من ایمیل ها و پیامهایی را از افرادی دریافت می کنم که در مورد اصلاح سخت افزار و نرم افزار برای نظارت بر مصرف برق AC س questionsال دارند.

بنابراین ، در این دستورالعمل ها ، من قصد دارم به شما نشان دهم که چگونه می توانید با استفاده از برد Arduino/Wemos یک متر سنج AC انرژی با وای فای ساده بسازید. با استفاده از این متر سنج ، می توانید مصرف برق هر یک از لوازم خانگی را اندازه گیری کنید. در پایان پروژه ، یک محفظه چاپ سه بعدی زیبا برای این پروژه ساختم.

هدف از ایجاد آگاهی بیشتر در مورد مصرف انرژی ، بهینه سازی و کاهش مصرف انرژی توسط کاربر است. این امر باعث کاهش هزینه های انرژی آنها و همچنین صرفه جویی در مصرف انرژی می شود.

البته ، بسیاری از دستگاه های تجاری در حال حاضر برای نظارت بر انرژی وجود دارد ، اما من می خواستم نسخه شخصی خود را بسازم که ساده و کم هزینه باشد.

همه پروژه های من را می توانید در این آدرس پیدا کنید:

مرحله 1: قطعات و ابزار مورد نیاز

اجزای مورد نیاز:

1. Wemos D1 mini pro (Amazon / Banggood)

2. سنسور فعلی -ACS712 (آمازون)

3. صفحه نمایش OLED (آمازون / Banggood)

4. منبع تغذیه 5 ولت (Aliexpress)

5. نمونه اولیه تخته - 4 * 6 سانتی متر (آمازون / Banggood)

6. 24 AWG Wire (آمازون)

7. پین هدر (آمازون / Banggood)

8. سیمهای جهنده مرد-زن (آمازون)

9. ترمینال پیچ (آمازون)

10. ایستادگی (Banggood)

11. خروجی سوکت AC

12. پلاگین AC

13. اتصال دهنده بهار (Banggood)

14. Rocker Switch (Banggood)

15. PLA Filament-Silver (GearBest)

16. PLA Filament-Red (GearBest)

ابزار مورد نیاز:

1. آهن لحیم کاری (آمازون)

2. تفنگ چسب (آمازون)

3. سیم برش/برنده (آمازون)

چاپگر 4.3D (Creality CR10S)

مرحله 2: چگونه کار می کند؟

بلوک دیاگرام کل پروژه در بالا نشان داده شده است.

نیرو از منبع تغذیه AC گرفته می شود و از فیوز عبور می کند تا از آسیب دیدن برد مدار در حین اتصال کوتاه تصادفی جلوگیری شود.

سپس خط برق AC در دو قسمت توزیع می شود:

1. به بار از طریق سنسور فعلی (ACS712)

2. ماژول منبع تغذیه 230V AC/5V DC

ماژول منبع تغذیه 5V تغذیه میکروکنترلر (Arduino/Wemos) ، سنسور جریان (ACS712) و صفحه نمایش OLED را تامین می کند.

جریان AC که از بار عبور می کند توسط ماژول سنسور جریان (ACS712) حس می شود و به پین آنالوگ (A0) برد Arduino/Wemos تغذیه می شود. هنگامی که ورودی آنالوگ به آردوینو داده می شود ، اندازه گیری قدرت/انرژی توسط طرح آردوینو انجام می شود.

قدرت و انرژی محاسبه شده توسط Arduino/Wemos بر روی ماژول صفحه نمایش OLED 0.96 اینچی نمایش داده می شود.

تراشه WiFi داخلی Wemos به روتر Home متصل شده و به برنامه Blynk متصل است. بنابراین می توانید پارامترها را کنترل کرده و تنظیمات مختلف را از طریق تلفن هوشمند خود از طریق OTA کالیبره و اصلاح کنید.

مرحله 3: آشنایی با اصول AC

در تجزیه و تحلیل مدار AC ، ولتاژ و جریان هر دو به صورت سینوسی با زمان متفاوت است.

قدرت واقعی (P):

این قدرتی است که دستگاه برای تولید کارهای مفید استفاده می کند. این در کیلو وات بیان می شود.

قدرت واقعی = ولتاژ (V) x جریان (I) x cosΦ

توان راکتیو (Q):

این غالباً قدرت خیالی نامیده می شود که اندازه گیری قدرت بین منبع و بار است ، که هیچ کار مفیدی انجام نمی دهد. این در kVAr بیان می شود

توان راکتیو = ولتاژ (V) x جریان (I) x sinΦ

قدرت ظاهری:

به عنوان محصول ولتاژ Root-Mean-Square (RMS) و جریان RMS تعریف شده است. این نیز می تواند به عنوان نتیجه قدرت واقعی و راکتیو تعریف شود. بر حسب kVA بیان می شود

قدرت ظاهری = ولتاژ (V) x جریان (I)

رابطه بین قدرت واقعی ، واکنشی و ظاهری:

قدرت واقعی = قدرت ظاهری x cosΦ

توان راکتیو = قدرت ظاهری x sinΦ

(kVA) ² = (kW) ² + (kVAr)

ضریب توان (pf):

نسبت توان واقعی به توان ظاهری در یک مدار را ضریب توان می نامند.

ضریب توان = قدرت واقعی/قدرت ظاهری

از موارد فوق روشن است که ، ما می توانیم همه شکل قدرت و همچنین ضریب توان را با اندازه گیری ولتاژ و جریان اندازه گیری کنیم.

اعتبار تصویر: openenergymonitor.org

مرحله 4: سنسور جریان

جریان AC معمولاً با استفاده از ترانسفورماتور جریان اندازه گیری می شود اما برای این پروژه ، ACS712 به دلیل هزینه کم و اندازه کوچکتر به عنوان سنسور جریان انتخاب شد. سنسور جریان ACS712 یک سنسور جریان Hall Effect است که هنگام القاء جریان را دقیق اندازه گیری می کند. میدان مغناطیسی اطراف سیم AC تشخیص داده می شود که ولتاژ خروجی آنالوگ معادل می دهد. سپس ولتاژ خروجی آنالوگ توسط میکروکنترلر پردازش می شود تا جریان جاری در بار را اندازه گیری کند.

برای کسب اطلاعات بیشتر در مورد سنسور ACS712 ، می توانید از این سایت دیدن کنید. برای توضیح بهتر در مورد کار سنسور جلوه سالن ، از تصویر فوق از Embedded-lab استفاده کرده ام.

مرحله 5: اندازه گیری فعلی توسط ACS712

خروجی سنسور جریان ACS712 یک موج ولتاژ AC است. ما باید جریان rms را محاسبه کنیم ، این را می توان به روش زیر انجام داد

1. اندازه گیری ولتاژ پیک تا پیک (Vpp)

2. پیک به ولتاژ پیک (Vpp) را بر دو تقسیم کنید تا ولتاژ پیک (Vp) بدست آید

3. آن را در 0.707 ضرب کنید تا ولتاژ rms (Vrms) را بدست آورید

سپس حساسیت سنسور فعلی (ACS712) را ضرب کنید تا جریان rms بدست آید.

Vp = Vpp/2

Vrms = Vp x 0.707

Irms = Vrms x حساسیت

حساسیت برای ماژول ACS712 5A 185mV/A ، ماژول 20A 100mV/A و ماژول 30A 66mV/A است.

اتصال سنسور فعلی مانند زیر است

ACS712 آردوینو/Wemos

VCC ------ 5 ولت

بیرون ----- A0

GND ----- GND

مرحله 6: محاسبه قدرت و انرژی

پیشتر اصول اولیه انواع مختلف AC Power را توضیح داده ام. به عنوان یک کاربر خانگی ، قدرت واقعی (کیلو وات) دغدغه اصلی ما است. برای محاسبه توان واقعی ما باید ولتاژ rms ، جریان rms و ضریب توان (pF) را اندازه گیری کنیم.

معمولاً ولتاژ اصلی در محل من (230V) تقریبا ثابت است (نوسان ناچیز است). بنابراین من یک سنسور برای اندازه گیری ولتاژ می گذارم. بدون شک اگر سنسور ولتاژ را وصل کنید ، دقت اندازه گیری در مورد من بهتر است. به هر حال ، این روش یک راه ارزان و ساده برای تکمیل پروژه و تحقق هدف است.

دلیل دیگر عدم استفاده از سنسور ولتاژ ، محدودیت پین آنالوگ Wemos (فقط یک عدد) است. اگرچه می توان با استفاده از ADC مانند ADS1115 سنسور اضافی را متصل کرد ، اما فعلاً آن را ترک می کنم. در آینده ، اگر وقت داشته باشم ، حتماً آن را اضافه خواهم کرد.

ضریب توان بار را می توان در حین برنامه نویسی یا از برنامه Smartphone تغییر داد.

قدرت واقعی (W) = Vrms x Irms x Pf

Vrms = 230V (شناخته شده)

Pf = 0.85 (شناخته شده)

Irms = خواندن از سنسور فعلی (نامشخص)

اعتبار تصویر: imgoat

مرحله 7: ارتباط با برنامه Blynk

از آنجا که برد Wemos دارای تراشه وای فای داخلی است ، من فکر کردم که آن را به روترم متصل کرده و از طریق تلفن هوشمند خود انرژی لوازم خانگی را کنترل کنم. مزایای استفاده از برد Wemos به جای آردوینو عبارتند از: کالیبراسیون سنسور و تغییر مقدار پارامتر از تلفن هوشمند از طریق OTA بدون برنامه ریزی فیزیکی میکروکنترلر به طور مکرر.

من گزینه ساده را جستجو کردم تا هر کسی که تجربه کمی دارد بتواند آن را انجام دهد. بهترین گزینه ای که پیدا کردم استفاده از Blynk App است. Blynk برنامه ای است که امکان کنترل کامل بر Arduino ، ESP8266 ، Rasberry ، Intel Edison و سخت افزارهای دیگر را می دهد. هم با اندروید و هم با iPhone سازگار است. در بلینک همه چیز با runs️انرژی کار می کند. هنگامی که یک حساب جدید ایجاد می کنید ، 2،000 ⚡ برای شروع آزمایش دریافت می کنید. هر ویجت برای کار به مقداری انرژی نیاز دارد. برای این پروژه ، به ⚡️2400 نیاز دارید ، بنابراین باید انرژی اضافی بخرید ️⚡️400 (هزینه کمتر از 1 دلار است)

من. گیج - 2 x ⚡️200 = ⚡️400

دوم برچسب گذاری شده با ارزش - 2 x ⚡️400 = ⚡️800

سوم لغزنده - 4 x ⚡️200 = ⚡️800

iv منو - 1x ⚡️400 = ⚡️400

مجموع انرژی مورد نیاز برای این پروژه = 400+800+800+400 = ⚡️2400

مراحل زیر را دنبال کنید:

مرحله 1: برنامه Blynk را بارگیری کنید

1. برای اندروید

2. برای iPhone

مرحله 2: رمز Auth را دریافت کنید

برای اتصال Blynk App و سخت افزار خود ، به Auth Token.1 نیاز دارید. یک حساب جدید در Blynk App ایجاد کنید.

2. نماد QR را در نوار بالای منو فشار دهید. با اسکن کد QR نشان داده شده در بالا ، یک کلون از این پروژه ایجاد کنید. هنگامی که با موفقیت شناسایی شد ، کل پروژه بلافاصله روی تلفن شما قرار می گیرد.

3. پس از ایجاد پروژه ، ما Auth Token را از طریق ایمیل برای شما ارسال می کنیم.

4. صندوق ورودی ایمیل خود را بررسی کنید و Auth Token را پیدا کنید.

مرحله 3: آماده سازی Arduino IDE برای Wemos Board

برای بارگذاری کد آردوینو در برد Wemos ، باید این دستورالعمل ها را دنبال کنید

مرحله 4: کتابخانه ها را نصب کنید

سپس باید کتابخانه را به Arduino IDE خود وارد کنید

کتابخانه بلینک را بارگیری کنید

کتابخانه های صفحه نمایش OLED را بارگیری کنید: i. Adafruit_SSD1306 ii. کتابخانه Adafruit-GFX

مرحله 5: طرح آردوینو

پس از نصب کتابخانه های بالا ، کد آردوینو که در زیر آمده است را بچسبانید.

کد نویسنده را از مرحله 1 ، ssid و رمز عبور روتر خود وارد کنید.

سپس کد را بارگذاری کنید.

مرحله 8: برد مدار را آماده کنید

برای مرتب و تمیز بودن مدار ، با استفاده از نمونه اولیه برد 4x6 سانتی متر ، یک برد مدار ساختم. ابتدا پین سربرگ های مردانه را به تخته Wemos لحیم کردم. سپس سرصفحه های زن را روی تخته نمونه لحیم کردم تا تخته های مختلف را نصب کنم:

1. Wemos Board (سرصفحه زن 2 x 8 پین)

2. برد 5 ولت DC منبع تغذیه (2 پین +3 پین هدر زن)

3. ماژول سنسور کنونی (3 پین هدر زن)

4. صفحه نمایش OLED (سرصفحه زن 4 پین)

سرانجام ، یک ترمینال پیچ 2 پین را برای منبع تغذیه AC به واحد منبع تغذیه لحیم کردم.

پس از لحیم کاری تمام پین هدرها ، اتصال را مانند تصویر بالا ایجاد کنید. من برای تمام اتصالات از سیم لحیم 24 AWG استفاده کردم.

اتصال به شرح زیر است

1. ACS712:

ACS712 Wemos

Vcc-- 5 ولت

Gnd - GND

Vout-A0

2. صفحه نمایش OLED:

OLED Wemos

Vcc-- 5 ولت

Gnd-- GND

SCL-- D1

SDA-D2

3. ماژول منبع تغذیه:

پین ورودی AC (2 پین) ماژول منبع تغذیه متصل به ترمینال پیچ.

V1pin خروجی به Wemos 5V و پین GND به پین WEMOS GND متصل است.

مرحله 9: محفظه چاپ سه بعدی

برای جلوه دادن به محصول تجاری خوب ، من یک محفظه برای این پروژه طراحی کردم. من از Autodesk Fusion 360 برای طراحی محفظه استفاده کردم. محفظه دارای دو قسمت است: پایین و بالا. شما می توانید فایل های. STL را از Thingiverse بارگیری کنید.

قسمت پایینی اساساً متناسب با PCB اصلی (4 6 6 سانتی متر) ، سنسور جریان و نگهدارنده فیوز طراحی شده است. درپوش بالای آن سوکت AC و صفحه نمایش OLED را نصب می کند.

من برای چاپ قطعات از چاپگر سه بعدی Creality CR-10S و فیلامنت PLA نقره ای 1.75 میلی متری و فیبر قرمز PLA استفاده کردم. حدود 5 ساعت برای چاپ بدنه اصلی و حدود 3 ساعت برای چاپ درب بالا طول کشید.

تنظیمات من عبارتند از:

سرعت چاپ: 60 میلی متر بر ثانیه

ارتفاع لایه: 0.3

تراکم پر شدن: 100٪

دمای اکسترودر: 205 درجه سانتی گراد

دمای تخت: 65 درجه سانتی گراد

مرحله 10: نمودار سیم کشی AC

سیم برق AC دارای 3 سیم است: خط (قرمز) ، خنثی (سیاه) و زمین (سبز).

سیم قرمز سیم برق به یک ترمینال فیوز متصل است. پایانه دیگر فیوز به دو کانکتور پایانه با فنر متصل است. سیم سیاه مستقیماً به کانکتور فنری متصل می شود.

اکنون نیروی مورد نیاز برد مدار (Wemos ، OLED و ACS712) پس از اتصال بهار فنری خاموش می شود. برای جدا کردن برد مدار اصلی ، یک سوئیچ راکر به صورت سری متصل می شود. نمودار مدار بالا را مشاهده کنید.

سپس سیم قرمز (خط) به پایانه AC "L" و سیم سبز (زمین) به ترمینال مرکزی (علامت گذاری شده با G) متصل می شود.

ترمینال خنثی به یک ترمینال سنسور جریان ACS712 متصل است. پایانه دیگر ACS712 دوباره به کانکتور فنری متصل می شود.

پس از اتمام تمام اتصالات خارجی ، برد را به دقت بررسی کرده و آن را تمیز کنید تا بقایای شار لحیم کاری حذف شود.

توجه: به هیچ قسمتی از مدار در حالی که مدار برق متصل است دست نزنید. هرگونه تماس تصادفی ممکن است منجر به جراحت یا مرگ شود. در حین کار ایمن باشید ، من مسئول هیچ گونه ضرری نخواهم بود.

مرحله 11: همه قطعات را نصب کنید

همانطور که در تصویر نشان داده شده است قطعات (سوکت AC ، سوئیچ راک ، و نمایشگر OLED) را در شکاف درب بالا قرار دهید. سپس پیچ ها را محکم کنید. قسمت پایینی دارای 4 مرحله برای نصب برد اصلی PCB است. ابتدا ، رویه برنجی را مانند تصویر بالا در سوراخ وارد کنید. سپس پیچ 2M را در چهار گوشه محکم کنید.

نگهدارنده فیوز و سنسور جریان را روی شکاف موجود در محفظه پایین قرار دهید. من از مربع های نصب 3M برای چسباندن آنها به پایه استفاده کردم. سپس تمام سیم ها را به درستی مسیریابی کنید.

در نهایت ، درب بالایی را قرار دهید و 4 مهره (3M x16) را در گوشه ها محکم کنید.

مرحله 12: آزمایش نهایی

سیم برق متر سنج را به پریز برق وصل کنید.

پارامترهای زیر را از برنامه Blynk تغییر دهید

1. کشویی CALIBRATE را برای بدست آوردن صفر فعلی هنگامی که هیچ بار وصل نیست بکشید.

2. ولتاژ تغذیه AC خانگی را با استفاده از مولتی متر اندازه گیری کرده و با کشیدن کشویی SUPPLY VOLTAGE آن را تنظیم کنید.

3. Power Power Factor را تنظیم کنید

4. تعرفه انرژی را در محل خود وارد کنید.

سپس دستگاهی را که قدرت آن به سوکت کنتور انرژی اندازه گیری می شود ، وصل کنید. اکنون شما آماده اندازه گیری انرژی مصرف شده توسط آن هستید.

امیدوارم از خواندن پروژه من به اندازه من در ساختن آن لذت برده باشید.

اگر پیشنهادی برای بهبود دارید ، لطفاً آن را در زیر نظر دهید. با تشکر!

نفر دوم در مسابقه میکروکنترلر