Mô-đun nguồn IoT: Thêm Tính năng đo công suất IoT vào Bộ điều khiển sạc năng lượng mặt trời của tôi: 19 bước (có hình ảnh)

2024 Tác giả: John Day | [email protected]. Sửa đổi lần cuối: 2024-01-30 13:32

Xin chào tất cả mọi người, tôi hy vọng tất cả các bạn đều tuyệt vời! Trong tài liệu hướng dẫn này, tôi sẽ chỉ cho bạn cách tôi tạo mô-đun Đo lường điện năng IoT để tính toán lượng điện năng được tạo ra bởi các tấm pin mặt trời của tôi, đang được sử dụng bởi bộ điều khiển sạc năng lượng mặt trời của tôi để sạc bộ pin axit chì của tôi. Mô-đun này đi vào giữa các tấm pin mặt trời và bộ điều khiển sạc và cung cấp cho bạn tất cả các chi tiết thông số cần thiết trên điện thoại của bạn thông qua Internet. Đối với nền tảng IoT, tôi đã sử dụng Blynk, rất dễ sử dụng và có thể dễ dàng tùy chỉnh theo dự án của bạn. Hạn chế của bộ điều khiển sạc hiện tại là nó chỉ cung cấp cho tôi điện áp sạc và do đó không thể xác định được lượng điện. Trong dự án này, tôi đã thêm các chức năng đo điện áp và dòng điện vào mô-đun nguồn có thể được sử dụng để tính toán công suất (theo watt) và do đó tổng năng lượng thu được. Người ta có thể dễ dàng sử dụng mô-đun nguồn này trong các ứng dụng đo công suất DC khác. Đây sẽ là một hướng dẫn khá dài vì vậy chúng ta hãy bắt đầu!

Quân nhu

1. Arduino Pro Mini / Nano hoặc tương đương
2. Mô-đun chuyển đổi Buck LM2596
3. Bộ điều chỉnh điện áp 7805
4. Bộ điều chỉnh AMS1117 3.3V
5. Mô-đun WiFi ESP8266-01
6. Màn hình OLED
7. LM358 OP-Amp kép
8. Điện trở 100K, 10K, 2,2k và 1K (1/4 watt)
9. Tụ đĩa gốm 0,1uF
10. Tụ điện 22uF
11. Thiết bị đầu cuối trục vít
12. Dải berg nam và nữ
13. BẬT / TẮT chuyển đổi
14. Bảng Perf hoặc bảng veroboard
15. Thiết bị hàn

Bước 1: Thu thập tất cả các bộ phận và hoàn thiện bố cục

Khi chúng tôi đã tập hợp tất cả các thành phần cần thiết, điều quan trọng là chúng tôi phải quyết định cẩn thận cách bố trí bo mạch của chúng tôi và vị trí của các thành phần khác nhau để hệ thống dây điện trở nên đơn giản và tất cả các thành phần được đặt gần nhau. Để đính kèm Arduino, bộ chuyển đổi buck, mô-đun WiFi và Màn hình Oled, tôi sẽ sử dụng tiêu đề cái thay vì hàn trực tiếp các mô-đun, bằng cách này tôi có thể sử dụng các thành phần cho một số dự án khác, nhưng bạn có thể hàn trực tiếp các mô-đun nếu bạn có kế hoạch để làm cho nó vĩnh viễn.

Bước 2: Thêm thiết bị đầu cuối vít

Trước hết, chúng tôi hàn các đầu cuối vít sẽ được sử dụng để kết nối các tấm pin mặt trời làm đầu vào và bộ điều khiển sạc làm đầu ra cho mô-đun nguồn. Các thiết bị đầu cuối vít cung cấp một cách dễ dàng để cắm hoặc tháo thiết bị khi cần thiết.

Bước 3: Thêm mạng phân chia điện trở điện trở

Để cảm nhận điện áp đầu vào, một mạng phân áp được sử dụng. Đối với ứng dụng của tôi, tôi đã tạo một mạng điện trở sử dụng điện trở 10K và 1K và tôi đang đo điện áp rơi trên điện trở 1K sẽ được cấp làm đầu vào cho vi điều khiển Arduino. Ngoài ra, tôi đã thêm một tụ điện 0,1uF trên điện trở 1K để làm dịu mọi biến động điện áp đột ngột.

Bước 4: Thêm điện trở Shunt cho cảm biến dòng điện

Điện trở shunt là một điện trở có giá trị rất nhỏ (thường theo thứ tự milliOhms) mắc nối tiếp với tải, tạo ra sụt áp rất nhỏ có thể được khuếch đại bằng Bộ khuếch đại hoạt động và đầu ra sau đó có thể được đưa cho arduino để đo. Để đo dòng điện, tôi đang sử dụng điện trở shunt (có giá trị xấp xỉ 10 mili giây. Tôi đã thực hiện điều này bằng cách sử dụng dây thép và uốn nó để tạo thành một loại mẫu cuộn dây) ở phía thấp của mạch, tức là, giữa tải và đất. Bằng cách này, có thể đo trực tiếp điện áp rơi nhỏ liên quan đến đất.

Bước 5: Thêm mạch khuếch đại OpAmp

Bộ khuếch đại hoạt động được sử dụng ở đây là LM358, là một chip Op-Amp kép. Chúng tôi sẽ chỉ sử dụng một Op-Amp làm bộ khuếch đại không đảo. Độ lợi của bộ khuếch đại không đảo có thể được thiết lập bằng cách sử dụng các mạng điện trở R1 và R2 như trong hình. Đối với ứng dụng của tôi, tôi đã chọn R1 là 100K và R2 là 2.2K mang lại cho tôi độ lợi gần đúng là 46. Điện trở và OpAmp không hoàn hảo vì vậy phải thực hiện một số điều chỉnh trong chương trình arduino để có được kết quả đọc tốt (chúng ta sẽ thảo luận điều đó trong các bước sau).

Tôi cũng đã thực hiện một dự án về cách tạo một wattmeter cho arduino ở đây tôi đã thảo luận chi tiết hơn về các khái niệm. Bạn có thể kiểm tra dự án tại đây:

Bước 6: Nguồn điện

Để cung cấp năng lượng cho mô-đun Arduino, OpAmp, OLED và WiFi, tôi đang sử dụng mô-đun chuyển đổi buck LM2596 để giảm điện áp đầu vào xuống khoảng 7 volt. Sau đó, sử dụng bộ điều chỉnh điện áp 7805, tôi đang chuyển đổi 7 volt thành 5 volt cho Arduino và OLED và sử dụng bộ điều chỉnh AMS1117, tạo ra 3,3V cần thiết cho Mô-đun WiFi. Tại sao rất nhiều cho việc cung cấp điện mà bạn yêu cầu? Lý do là bạn không thể cắm trực tiếp bảng điều khiển năng lượng mặt trời vào bộ điều chỉnh 5 volt và mong đợi hoạt động hiệu quả (vì nó là bộ điều chỉnh tuyến tính). Ngoài ra, điện áp danh định của bảng điều khiển năng lượng mặt trời là khoảng 18-20 volt, có thể quá cao đối với bộ điều chỉnh tuyến tính và có thể làm cháy thiết bị điện tử của bạn trong nháy mắt! Vì vậy, tốt hơn hết bạn nên có một bộ chuyển đổi buck hiệu quả tại chỗ

Bước 7: Sửa bộ chuyển đổi Buck và bộ điều chỉnh

Đầu tiên, tôi đánh dấu các vị trí mà các chân của bộ chuyển đổi buck sẽ khớp vào. Sau đó, tôi hàn các tiêu đề nữ vào các điểm đó và các tiêu đề nam vào bộ chuyển đổi buck (để tôi có thể dễ dàng tháo mô-đun, nếu cần). Bộ điều chỉnh 5V đi ngay bên dưới mô-đun bộ chuyển đổi buck và được kết nối với đầu ra của bộ chuyển đổi he để cung cấp 5V thông suốt cho bảng điều khiển.

Bước 8: Thêm công tắc

Tôi đã thêm một công tắc giữa bộ chuyển đổi buck và đầu vào của bảng điều khiển năng lượng mặt trời, trong trường hợp tôi muốn BẬT hoặc TẮT mô-đun nguồn. Nếu bị tắt, nguồn điện sẽ vẫn được cung cấp cho tải (bộ điều khiển sạc trong trường hợp của tôi), chỉ có chức năng đo lường và IoT sẽ không hoạt động. Hình ảnh trên cũng cho thấy quá trình hàn cho đến nay.

Bước 9: Thêm tiêu đề cho Arduino và sửa bộ điều chỉnh 3.3v

Bây giờ tôi đã cắt các đầu cái theo kích thước của Arduino pro mini và hàn nó. Tôi đã hàn bộ điều chỉnh AMS1117 trực tiếp giữa Vcc và Gnd của bộ nguồn Arduino (Arduino nhận 5V từ bộ điều chỉnh 7805, lần lượt cung cấp AMS1117 cho 3.3v mà mô-đun WiFi cần). Tôi đã đặt các bộ phận một cách chiến lược theo cách mà tôi phải sử dụng tối thiểu dây dẫn và các bộ phận có thể được kết nối thông qua dấu vết hàn.

Bước 10: Thêm tiêu đề cho mô-đun WiFi

Tôi đã hàn các tiêu đề cái cho mô-đun WiFi ngay bên cạnh nơi Arduino pro mini sẽ phù hợp.

Bước 11: Thêm các thành phần cho mô-đun WiFi

Mô-đun ESP8266 hoạt động trên 3,3 volt chứ không phải 5 volt (áp dụng 5 volt, tôi quan sát thấy mô-đun trở nên rất, rất nóng và rất có thể bị hỏng nếu sử dụng quá lâu). Arduino và mô-đun WiFi giao tiếp thông qua giao tiếp nối tiếp sử dụng các chân Tx và Rx của mô-đun. Chúng ta có thể cấu hình bất kỳ 2 chân kỹ thuật số nào của arduino để hoạt động như các chân nối tiếp bằng cách sử dụng thư viện nối tiếp phần mềm của arduino IDE. Chân Rx của mô-đun đi đến Tx của Arduino và ngược lại. Chân Rx của ESP hoạt động trên mức logic 3,3V nên chúng tôi sử dụng mạng phân áp 2,2K và 1K để hạ mức logic 5V của Arduino xuống xấp xỉ 3,6V (vẫn có thể chấp nhận được). Chúng ta có thể kết nối trực tiếp Tx của ESP với Rx của arduino vì arduino tương thích 3.3v.

Bước 12: Thêm màn hình OLED

Để kết nối màn hình OLED chúng ta cần 4 kết nối, hai kết nối cấp nguồn và 2 kết nối I2C giao thức với Arduino là các chân A4 và A5 của Arduino. Tôi sẽ sử dụng một dây jumper nhỏ cùng với đầu cắm đực để kết nối các chân I2C và hàn trực tiếp các kết nối nguồn

Bước 13: Xem xét cuối cùng về Bảng mô-đun

Sau khi hoàn thành tất cả quá trình hàn, đây là bảng trông như thế nào! Có, tôi đã phải sử dụng một số dây cuối cùng, nhưng tôi khá hài lòng với kết quả. Phần thú vị là bo mạch hoàn toàn là mô-đun và tất cả các thành phần chính có thể dễ dàng được tháo rời hoặc thay thế nếu cần.

Bước 14: Kết hợp tất cả lại với nhau

Đây là cách mô-đun hoàn chỉnh trông như thế nào khi mọi thứ đã ở đúng vị trí!

Hãy vào phần phần mềm ngay bây giờ…

Bước 15: Lập trình bằng FTDI Board

Để lập trình mô-đun này, tôi sẽ sử dụng bảng đột phá FTDI, đây là bảng lý tưởng để lập trình Arduino Pro Mini. Ánh xạ ghim của nó được căn chỉnh một cách hoàn hảo, do đó bạn sẽ không phải sử dụng và jumper hoặc hơn thế nữa.

Bước 16: Sơ đồ

Đây là sơ đồ mạch hoàn chỉnh của mô-đun đồng hồ đo điện IoT. Tôi đã thiết kế sơ đồ này trong Eagle CAD. Vui lòng tải xuống và sửa đổi các tệp sơ đồ theo ý tưởng của bạn:)

Bước 17: Kết quả

Tôi đã hoàn thành thiết lập bằng cách kết nối mô-đun nguồn giữa bảng điều khiển năng lượng mặt trời và bộ điều khiển sạc và ngay sau khi chúng tôi bật nguồn, nó sẽ kết nối với bộ định tuyến WiFi của tôi và dữ liệu liên tục được xuất bản trên ứng dụng Blynk trên điện thoại thông minh của tôi. Điều này cung cấp dữ liệu thời gian thực của các thông số sạc cho dù tôi đang ở đâu, miễn là tôi có kết nối Internet! Cảm thấy tuyệt vời khi thấy dự án hoạt động tốt:)

Đối với mục đích thử nghiệm, tôi đã thử nghiệm thiết lập bằng cách sử dụng bảng điều khiển năng lượng mặt trời 50 Watt và pin axit chì 12V 18AH.

Bước 18: Mã Arduino

Đây là mã Arduino hoàn chỉnh mà tôi đã sử dụng cho dự án của mình.

Có một số thư viện mà bạn sẽ cần để dự án này hoạt động bình thường, đó là:

Thư viện chính Blynk

Thư viện Adafruit_GFX

Thư viện Adafruit_SSD1306

Tôi hy vọng dự án này hữu ích. Cân nhắc hỗ trợ các dự án của tôi bằng cách chia sẻ nó với cộng đồng của bạn:)

Vui lòng bình luận bất kỳ phản hồi hoặc thắc mắc nào mà bạn có liên quan đến dự án này. Có một ngày tuyệt vời !

Dự án này giúp tôi theo dõi lượng năng lượng mà tôi thu hoạch được từ các tấm pin của mình. Hãy đi trước một bước để hướng nhiều hơn đến các nguồn năng lượng tái tạo nhằm cắt giảm dấu vết carbon và tạo ra một môi trường bền vững:)