Thiết bị đo chi phí điện năng lượng Arduino: 13 bước (có hình ảnh)

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

Bạn có phải trả quá nhiều cho hóa đơn tiền điện của mình không?

Bạn có muốn biết ấm đun nước của bạn tiêu thụ bao nhiêu điện không?

Tự làm đồng hồ đo điện chi phí năng lượng di động của riêng bạn!

Xem cách tôi tìm thấy việc sử dụng thiết bị này.

Bước 1: Chuẩn bị. Dụng cụ Vít và Vật dụng

Bạn cần một số thứ để thực hiện dự án này.

• Máy tính tại nhà đã được cài đặt XOD IDE.
• máy in 3D.

Công cụ:

• Dép đi trong nhà.
• Cái vặn vít.
• Kìm.
• Dụng cụ hàn.
• Tập kim.

Vật tư tiêu hao:

• Giấy nhám.
• Co các ống.
• 14 dây AWG trở xuống cho mạch 220V.
• 24 hoặc 26 dây AWG cho mạch logic 5V.

Vít:

• Vít M3 (DIN7985 / DIN 84 / DIN 912) chiều dài 20mm.
• Vít M3 (DIN7985 / DIN 84 / DIN 912) chiều dài 10mm.
• Vít M2 / M2.5 (DIN7981 hoặc loại khác).
• Đai ốc lục giác M3 (DIN 934 / DIN 985).

Bước 2: Chuẩn bị. Thiết bị điện tử

Để tạo ra thiết bị, bạn cần một số linh kiện điện tử. Hãy tìm ra những cái nào.

Trước hết, bạn cần một cảm biến dòng AC.

Thiết bị có thể hoạt động với dòng điện cao, vì vậy cảm biến phải phù hợp. Trên internet, tôi tìm thấy một cảm biến ACS712 do Allegro sản xuất.

1 x 20A phạm vi Cảm biến hiện tại Mô-đun ACS712 ~ 9 $;

Cảm biến này là tương tự và đo dòng điện bằng hiệu ứng Hall. Nó sử dụng một dây để truyền giá trị đo được. Nó có thể không chính xác lắm, nhưng tôi nghĩ nó đủ cho một thiết bị như vậy. Cảm biến ACS712 có thể có ba loại với các giới hạn đo tối đa khác nhau:

• ACS712ELCTR-05B (tối đa 5 ampe);
• ACS712ELCTR-20A (tối đa 20 ampe);
• ACS712ELCTR-30A (tối đa 30 ampe).

Bạn có thể chọn phiên bản bạn cần. Tôi sử dụng phiên bản 20 amp. Tôi không nghĩ rằng hiện tại trong các ổ cắm của tôi vượt quá giá trị này.

Bạn cần một bộ điều khiển, để đọc dữ liệu cảm biến và thực hiện tất cả các phép tính khác.

Tất nhiên, tôi đã chọn Arduino. Tôi nghĩ rằng không có gì thuận tiện hơn cho những dự án DIY như vậy. Nhiệm vụ của tôi không khó, vì vậy tôi không cần một tấm bảng đẹp. Tôi đã mua Arduino Micro.

1 x Arduino Micro ~ 20 $;

Arduino được cung cấp bởi điện áp DC lên đến 12V trong khi tôi định đo điện áp AC 220V. Hơn nữa, cảm biến ACS phải được cấp nguồn chính xác 5 vôn. Để giải quyết vấn đề, tôi đã mua bộ chuyển đổi AC sang DC từ 220 đến 5 volt.

1 x Nguồn cung cấp mô-đun AC sang DC Đầu vào: AC86-265V Đầu ra: 5V 1A ~ 7 $;

Tôi sử dụng bộ chuyển đổi này để cấp nguồn cho Arduino và cảm biến.

Để hình dung các phép đo của tôi, tôi sẽ hiển thị số tiền đã chi trên màn hình. Tôi sử dụng màn hình LCD 8x2 ký tự này.

1 x 0802 Mô-đun hiển thị LCD 8x2 Ký tự LCD 5V ~ 9 $;

Điều này nhỏ, tương thích với màn hình Arduino. Nó sử dụng bus dữ liệu riêng để giao tiếp với bộ điều khiển. Ngoài ra, màn hình này có đèn nền có thể là một trong các màu khác nhau. Tôi có một cái màu cam.

Bước 3: Chuẩn bị. Sonnectors

Thiết bị phải có phích cắm và ổ cắm điện riêng.

Việc tạo ra một kết nối phích cắm chất lượng và đáng tin cậy ở nhà là một việc khá khó khăn. Ngoài ra, tôi muốn thiết bị có thể di động và nhỏ gọn mà không cần dây nối.

Tôi quyết định mua một số ổ cắm và phích cắm phổ biến ở cửa hàng phần cứng để tháo rời chúng để sử dụng bất kỳ bộ phận nào của chúng. Đầu nối mà tôi đã mua là loại F hoặc như chúng được gọi là Shuko. Kết nối này được sử dụng trên toàn Liên minh Châu Âu. Có nhiều loại đầu nối khác nhau, ví dụ, loại A hoặc B nhỏ hơn F một chút và được sử dụng ở Bắc Mỹ. Kích thước bên trong của ổ cắm và kích thước bên ngoài của phích cắm được tiêu chuẩn hóa cho tất cả các đầu nối cùng loại.

Để biết thêm thông tin, bạn có thể đọc về các loại ổ cắm khác nhau tại đây.

Tháo rời một vài ổ cắm, tôi thấy rằng các bộ phận bên trong của chúng có thể dễ dàng tháo rời. Các bộ phận này có kích thước cơ học gần như giống nhau. Tôi quyết định sử dụng chúng.

Vì vậy, để tạo thiết bị của riêng bạn, bạn cần:

• Chọn loại kết nối;
• Tìm phích cắm và ổ cắm mà bạn có thể sử dụng và có thể dễ dàng tháo rời;
• Loại bỏ các bộ phận bên trong của chúng.

Tôi đã sử dụng ổ cắm này:

1 x Phích cắm cái có nối đất 16A 250V ~ 1 $;

Và phích cắm này:

1 x Đầu cắm đực 16A 250V ~ 0, 50 $;

Bước 4: Chuẩn bị. in 3d

Tôi đã in các bộ phận cơ thể của thiết bị trên máy in 3D. Tôi đã sử dụng nhựa ABS với nhiều màu sắc khác nhau.

Đây là danh sách các bộ phận:

• Thân chính (màu tím) - 1 cái;
• Nắp lưng (màu vàng) - 1 miếng;
• Hộp đựng ổ cắm (màu hồng) - 1 cái;
• Hộp cắm (màu đỏ) - 1 cái;

Phần thân chính có các lỗ luồn dây để gắn chặt cảm biến hiện tại và nắp lưng.

Nắp sau có các lỗ luồn dây để gắn chặt bộ chuyển đổi AC-DC và một khớp nối vừa vặn để gắn Arduino Micro.

Tất cả các bộ phận đều có lỗ cho vít M3 để cố định vỏ màn hình, phích cắm và ổ cắm.

Chú ý đến hộp đựng ổ cắm và các bộ phận của hộp cắm.

Bề mặt bên trong của các bộ phận này được tạo mẫu trước đặc biệt cho các đầu nối của tôi. Đối với những đầu nối đã được tháo rời từ bước trước.

Vì vậy, nếu bạn muốn tạo thiết bị của riêng mình và đầu nối phích cắm và ổ cắm của bạn khác với đầu nối của tôi, bạn cần phải sửa hoặc sửa đổi mô hình 3D của hộp ổ cắm và vỏ phích cắm.

Các mô hình STL có trong tệp đính kèm. Nếu cần thiết, tôi có thể đính kèm các mô hình CAD nguồn.

Bước 5: Lắp ráp. Hộp đựng ổ cắm

Danh sách vật liệu:

1. Hộp đựng ổ cắm in 3D - 1 cái;
2. Ổ cắm - 1 cái;
3. Dây điện áp cao (14 AWG trở xuống).

Quy trình lắp ráp:

Nhìn vào bản phác thảo. Hình ảnh sẽ giúp bạn lắp ráp.

• Chuẩn bị ổ cắm (vị trí 2). Ổ cắm phải vừa khít với vỏ cho đến gờ ngăn. Nếu cần thiết, hãy xử lý đường viền của ổ cắm bằng giấy nhám hoặc giũa kim.
• Kết nối dây điện cao thế vào ổ cắm. Sử dụng khối đầu cuối hoặc hàn.
• Chèn ổ cắm (vị trí 2) vào hộp (vị trí 1).

Không bắt buộc:

Cố định ổ cắm trong hộp bằng vít thông qua bệ trên vỏ

Bước 6: Lắp ráp. Cơ thể chính

Danh sách vật liệu:

1. Thân chính in 3D - 1 mảnh;
2. Vỏ ổ cắm lắp ráp - 1 cái;
3. Cảm biến dòng ACS 712 - 1 cái;
4. Màn hình LCD 8x2 - 1 mảnh;
5. Vít M3 (DIN7985 / DIN 84 / DIN 912) dài 20mm- 4 miếng.
6. Vít M3 (DIN7985 / DIN 84 / DIN 912) chiều dài 10mm- 4 miếng.
7. Vít M2 / M2.5 (DIN7981 hoặc loại khác) - 2 cái.
8. Đai ốc lục giác M3 (DIN 934 / DIN 985) - 8 miếng.
9. 24 hoặc 26 dây AWG.
10. Dây điện áp cao (14 AWG trở xuống).

Quy trình lắp ráp:

Nhìn vào bản phác thảo. Hình ảnh sẽ giúp bạn lắp ráp.

• Chuẩn bị lỗ lớn ở thân chính (vị trí 1). Vỏ ổ cắm đã lắp ráp phải vừa khít với nó. Nếu cần, hãy xử lý đường viền của lỗ bằng giấy nhám hoặc giũa kim.
• Lắp hộp ổ cắm (vị trí 2) vào thân chính (vị trí 1) và vặn chặt nó bằng vít (vị trí 6) và đai ốc (vị trí 8).
• Kết nối dây điện áp cao với cảm biến dòng điện (vị trí 3). Sử dụng các khối thiết bị đầu cuối.
• Vặn chặt cảm biến dòng điện (vị trí 3) với thân chính (vị trí 1) bằng vít (vị trí 7).
• Kết nối hoặc hàn dây với màn hình (vị trí 4) và với cảm biến hiện tại (vị trí 3)
• Vặn chặt màn hình (vị trí 4) với thân chính (vị trí 1) bằng vít (vị trí 5) và đai ốc (vị trí 8).

Bước 7: Lắp ráp. Hộp cắm

Danh sách vật liệu:

1. Hộp cắm in 3D - 1 cái;
2. Phích cắm - 1 cái;
3. Dây điện áp cao (14 AWG trở xuống).

Quy trình lắp ráp:

Nhìn vào bản phác thảo. Hình ảnh sẽ giúp bạn lắp ráp.

• Chuẩn bị phích cắm (vị trí 2). Phích cắm phải vừa khít với vỏ cho đến khi dừng. Nếu cần thiết, hãy xử lý đường viền của ổ cắm bằng giấy nhám hoặc giũa kim.
• Kết nối dây điện áp cao với phích cắm (vị trí 2). Sử dụng khối đầu cuối hoặc hàn.
• Cắm phích cắm (vị trí 2) vào hộp (vị trí 1).

Không bắt buộc:

Cố định phích cắm trong hộp bằng vít. Vị trí để vặn vít được hiển thị tại bản phác thảo

Bước 8: Lắp ráp. Cover lại

Danh sách vật liệu:

1. Ốp lưng in 3D - 1 cái;
2. Hộp cắm lắp ráp - 1 cái;
3. Bộ chuyển đổi điện áp AC-DC - 1 cái;
4. Arduino Micro - 1 cái;
5. Vít M3 (DIN7985 / DIN 84 / DIN 912) chiều dài 10mm- 4 miếng.
6. Vít M2 / M2.5 (DIN7981 hoặc loại khác) - 4 cái.
7. Đai ốc lục giác M3 (DIN 934 / DIN 985) - 4 miếng.

Quy trình lắp ráp:

Nhìn vào bản phác thảo. Hình ảnh sẽ giúp bạn lắp ráp.

• Chuẩn bị lỗ lớn ở nắp sau (vị trí 1). Vỏ phích cắm đã lắp ráp (vị trí 2) phải vừa khít với nó. Nếu cần thiết, hãy xử lý đường viền của lỗ bằng giấy nhám hoặc giũa kim.
• Lắp vỏ phích cắm (vị trí 2) vào nắp sau (vị trí 1) và vặn chặt nó bằng vít (vị trí 5) và đai ốc (vị trí 7).
• Gắn Arduino (vị trí 4) vào nắp sau (vị trí 1) bằng cách sử dụng kết nối vừa vặn.
• Vặn chặt bộ chuyển đổi điện áp AC-DC (vị trí 3) vào nắp sau (vị trí 1) bằng vít (vị trí 6).

Bước 9: Lắp ráp. Hàn

Danh sách vật liệu:

1. Dây điện áp cao (14 AWG trở xuống).
2. 24 hoặc 26 dây AWG.

Lắp ráp:

Hàn tất cả các thành phần lại với nhau như thể hiện trong bản phác thảo.

Các dây điện cao thế từ phích cắm được hàn vào bộ chuyển đổi AC-DC và cáp từ ổ cắm.

ACS712 là một cảm biến dòng điện tương tự và nó được cấp nguồn bởi 5V. Bạn có thể cấp nguồn cho cảm biến từ Arduino hoặc từ bộ chuyển đổi AC-DC trực tiếp.

• Chân Vcc - Chân 5V Arduino / Chân 5V AC-DC;
• GND - GND chân Arduino / GND AC-DC chân;
• OUT - chân Arduino analog A0;

Màn hình LCD ký tự LCD 8x2 được cấp nguồn từ 3.3-5V và có bus dữ liệu riêng. Màn hình có thể giao tiếp ở chế độ 8 bit (DB0-DB7) hoặc 4 bit (DB4-DB7). Tôi đã sử dụng một 4-bit. Bạn có thể cấp nguồn cho màn hình từ Arduino hoặc từ bộ chuyển đổi AC-DC.

• Chân Vcc - Chân 5V Arduino / Chân 5V AC-DC;
• GND - GND chân Arduino / GND AC-DC chân;
• Vo - chân Arduino GND / chân AC-DC GND;
• R / W - chân Arduino GND / chân AC-DC GND;
• RS - chân 12 Arduino kỹ thuật số;
• E - chân số 11 Arduino;
• DB4 - chân Arduino số 5;
• DB5 - chân Arduino kỹ thuật số 4;
• DB6 - chân 3 Arduino kỹ thuật số;
• DB7 - chân Arduino kỹ thuật số 2;

Thông báo:

Đừng quên cách ly tất cả các dây cao áp bằng ống co! Ngoài ra, cách ly các tiếp điểm hàn điện áp cao trên bộ chuyển đổi điện áp AC-DC. Ngoài ra, cách ly các tiếp điểm được hàn điện áp cao trên bộ chuyển đổi điện áp AC-DC.

Hãy cẩn thận với 220V. Điện áp cao có thể giết chết bạn!

Không chạm vào bất kỳ thành phần điện tử nào khi thiết bị được kết nối với lưới điện.

Không kết nối Arduino với máy tính khi thiết bị được kết nối với lưới điện.

Bước 10: Lắp ráp. Kết thúc

Danh sách vật liệu:

1. Thân chính lắp ráp - 1 mảnh;
2. Nắp lưng lắp ráp - 1 cái;
3. Vít M3 (DIN7985 / DIN 84 / DIN 912) chiều dài 10mm - 4 cái.

Quy trình lắp ráp:

Nhìn vào bản phác thảo. Hình ảnh sẽ giúp bạn lắp ráp.

• Sau khi bạn hàn xong, đặt tất cả các dây chắc chắn vào thân chính (vị trí 1).
• Đảm bảo rằng không có liên hệ nào đang mở ở bất kỳ đâu. Các dây không được giao nhau và chỗ hở của chúng không được tiếp xúc với thân nhựa.
• Vặn chặt nắp lưng (vị trí 2) vào thân chính (vị trí 1) bằng vít (vị trí 3).

Bước 11: XOD

Để lập trình bộ điều khiển Arduino, tôi sử dụng môi trường lập trình trực quan XOD. Nếu bạn chưa quen với kỹ thuật điện hoặc có thể bạn chỉ thích viết các chương trình đơn giản cho bộ điều khiển Arduino như tôi, hãy thử XOD. Đây là công cụ lý tưởng để tạo mẫu thiết bị nhanh chóng.

Trong XOD, bạn có thể tạo chương trình trực tiếp trong cửa sổ trình duyệt. Cá nhân tôi thích phiên bản dành cho máy tính để bàn hơn.

Đối với thiết bị ECEM của mình, tôi đã tạo thư viện gabbapeople / điện-mét trong XOD. Thư viện này chứa tất cả các nút bạn cần để tạo cùng một chương trình. Nó cũng bao gồm ví dụ chương trình đã chuẩn bị. Vì vậy, hãy chắc chắn thêm nó vào không gian làm việc XOD của bạn.

Tiến trình:

• Cài đặt phần mềm XOD IDE trên máy tính của bạn.
• Thêm thư viện gabbapeople / điện-mét vào không gian làm việc.
• Tạo một dự án mới và gọi nó là smth.

Tiếp theo, tôi sẽ mô tả cách lập trình thiết bị này trong XOD.

Tôi cũng đính kèm ảnh chụp màn hình với phiên bản mở rộng của chương trình ở bước hướng dẫn cuối cùng.

Bước 12: Lập trình

Đây là các nút bạn cần:

Nút cảm biến dòng acs712-20a

Đây là nút đầu tiên được đặt vào bản vá. Nó được sử dụng để đo dòng điện tạm thời. Trong thư viện này, có 3 loại nút khác nhau. Chúng khác nhau ở loại nắp đo cường độ dòng điện. Chọn một cái tương ứng với loại cảm biến của bạn. Tôi đặt nút acs712-20a-ac-current-sensor. Nút này xuất ra một giá trị của cường độ dòng điện tính bằng ampe.

Tại chân PORT của nút này, tôi nên đặt giá trị của chân Arduino Micro mà tôi đã kết nối cảm biến hiện tại của mình. Tôi đã hàn chân tín hiệu của cảm biến vào chân A0 Arduino, vì vậy tôi đặt giá trị A0 vào chân PORT.

Giá trị tại chân UPD nên được đặt thành Liên tục, để đo cường độ dòng điện liên tục sau khi bật thiết bị. Ngoài ra đối với phép đo AC, tôi cần xác định tần số. Trong lưới điện của tôi, tần số xoay chiều bằng 50 Hz. Tôi đặt giá trị 50 cho chân FRQ tần số.

Nút nhân

Nó tính toán công suất điện. Công suất điện là sản phẩm của phép nhân dòng điện với điện áp.

Đặt nút nhân và liên kết một trong các chân của nó với nút cảm biến và đặt giá trị điện áp AC vào chân thứ hai. Tôi đặt giá trị 230. Nó đề cập đến điện áp trong lưới điện của tôi.

Nút tích hợp-dt

Với hai nút trước đó, dòng điện và công suất của thiết bị có thể được đo ngay lập tức. Tuy nhiên, bạn cần tính toán mức độ tiêu thụ điện năng thay đổi như thế nào theo thời gian. Đối với điều này, bạn có thể tích hợp giá trị công suất tức thời bằng cách sử dụng nút tích hợp-dt. Nút này sẽ tích lũy giá trị công suất hiện tại.

Chân UPD kích hoạt cập nhật giá trị tích lũy, trong khi chân RST đặt lại giá trị tích lũy về 0.

Nút chuyển tiền

Sau khi tích hợp, ở đầu ra của nút tích hợp-dt, bạn nhận được mức tiêu thụ điện năng tính bằng watt mỗi giây. Để thuận tiện hơn trong việc đếm số tiền đã tiêu, hãy đặt nút chuyển tiền vào bản vá. Nút này chuyển đổi mức tiêu thụ điện năng từ watt mỗi giây thành kilowatt mỗi giờ và nhân giá trị tích lũy với chi phí một kilowatt mỗi giờ.

Đặt giá một kilowatt mỗi giờ vào chân PRC.

Với nút chuyển tiền, giá trị tiêu thụ điện tích lũy được chuyển đổi thành số tiền đã chi tiêu. Nút này xuất nó bằng đô la.

Tất cả những gì bạn cần làm là hiển thị giá trị này trên hiển thị của màn hình.

Nút văn bản-lcd-8x2

Tôi đã sử dụng màn hình LCD với 2 dòng 4 8 ký tự. Tôi đặt nút text-lcd-8x2 cho màn hình này và thiết lập tất cả các giá trị chân cổng. Các chân cổng này tương ứng với các cổng vi mô Arduino mà màn hình được hàn vào.

Trên dòng đầu tiên của màn hình, tại chân L1, tôi đã viết chuỗi “Total:”.

Tôi đã liên kết chân đầu ra của nút chuyển tiền với chân L2, để hiển thị số tiền trên dòng thứ hai của màn hình.

Bản vá đã sẵn sàng.

Nhấn Deploy, chọn loại bo mạch và tải nó lên thiết bị.

Bước 13: Chương trình mở rộng

Bạn có thể tự mình mở rộng chương trình từ bước trước. Ví dụ, hãy nhìn vào ảnh chụp màn hình đính kèm.

Làm thế nào bản vá có thể được sửa đổi?

• Liên kết đầu ra của cảm biến acs712-20a-ac-current-sensor trực tiếp với nút hiển thị để xuất ra giá trị dòng điện tạm thời trên màn hình mà không cần tính toán khác.
• Liên kết đầu ra của nút nhân trực tiếp với nút hiển thị để tạo ra công suất điện được tiêu thụ ngay bây giờ;
• Liên kết đầu ra của nút tích hợp-dt trực tiếp với nút hiển thị để xuất ra giá trị tiêu thụ tích lũy;
• Đặt lại bộ đếm bằng cách nhấn một nút. Đó là một ý tưởng hay, nhưng tôi đã quên thêm một vị trí cho một nút trên thiết bị của tôi =). Đặt nút nút vào bản vá và liên kết chân PRS của nó với chân RST của nút tích hợp-dt.
• Bạn có thể tạo một thiết bị có màn hình lớn hơn 8x2 và hiển thị tất cả các thông số cùng một lúc. Nếu bạn định sử dụng màn hình 8x2 như tôi, hãy sử dụng các nút concat, format-number, pad-with-zeroes để điều chỉnh tất cả các giá trị thành các hàng.

Tự chế tạo thiết bị của riêng bạn và tìm ra kỹ thuật tham lam nhất tại nhà!

Bạn có thể thấy thiết bị này rất hữu ích trong gia đình để tiết kiệm điện.

Hẹn sớm gặp lại.