Đồng hồ đo năng lượng Arduino - V2.0: 12 bước (có hình ảnh)

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

Xin chào bạn, chào mừng bạn trở lại sau một thời gian dài nghỉ ngơi. Trước đó, tôi đã đăng một Hướng dẫn về Máy đo năng lượng Arduino, chủ yếu được thiết kế để theo dõi nguồn điện từ bảng điều khiển năng lượng mặt trời (DC Power) trong làng của tôi. Nó đã trở nên rất phổ biến trên internet, rất nhiều người trên khắp thế giới đã xây dựng cho riêng mình. Rất nhiều sinh viên đã thực hiện được nó cho dự án đại học của họ nhờ sự giúp đỡ từ tôi. Tuy nhiên, bây giờ tôi vẫn nhận được email và tin nhắn từ những người có câu hỏi liên quan đến việc sửa đổi phần cứng và phần mềm để theo dõi mức tiêu thụ điện AC.

Vì vậy, trong Tài liệu hướng dẫn này, tôi sẽ chỉ cho bạn cách tạo một Đồng hồ đo năng lượng AC kích hoạt Wi-Fi đơn giản bằng cách sử dụng bảng Arduino / Wemos. Bằng cách sử dụng Đồng hồ đo năng lượng này, bạn có thể đo mức tiêu thụ điện năng của bất kỳ thiết bị gia dụng nào. Vào cuối dự án, tôi đã làm một bao vây in 3D đẹp mắt cho dự án này.

Mục tiêu của việc nâng cao nhận thức về tiêu thụ năng lượng sẽ là tối ưu hóa và giảm mức sử dụng năng lượng của người dùng. Điều này sẽ làm giảm chi phí năng lượng của họ, cũng như tiết kiệm năng lượng.

Tất nhiên, rất nhiều thiết bị thương mại đã tồn tại để giám sát năng lượng, nhưng tôi muốn xây dựng phiên bản của riêng mình, đơn giản và chi phí thấp.

Bạn có thể tìm thấy tất cả các dự án của tôi trên:

Bước 1: Các bộ phận và công cụ cần thiết

Các thành phần bắt buộc:

1. Wemos D1 mini pro (Amazon / Banggood)

2. Cảm biến hiện tại -ACS712 (Amazon)

3. Màn hình OLED (Amazon / Banggood)

4. Nguồn cung cấp 5V (Aliexpress)

5. Bảng nguyên mẫu - 4 x 6cm (Amazon / Banggood)

6. Dây 24 AWG (Amazon)

7. Header Pins (Amazon / Banggood)

8. Dây nhảy nam-nữ (Amazon)

9. Thiết bị đầu cuối vít (Amazon)

10. Bế tắc (Banggood)

11. Ổ cắm AC

12. Phích cắm AC

13. Đầu nối nạp lò xo (Banggood)

14. Công tắc Rocker (Banggood)

15. PLA Filament-Silver (GearBest)

16. PLA Filament-Red (GearBest)

Công cụ yêu cầu:

1. Sắt hàn (Amazon)

2. Glue Gun (Amazon)

3. Máy cắt dây / Máy rút dây (Amazon)

Máy in 4.3D (Creality CR10S)

Bước 2: Cách thức hoạt động?

Sơ đồ khối của toàn bộ dự án được hiển thị ở trên.

Nguồn điện từ nguồn điện xoay chiều được rút ra và đi qua cầu chì để tránh bất kỳ thiệt hại nào cho bảng mạch trong quá trình ngắn mạch ngẫu nhiên.

Khi đó đường dây điện xoay chiều được phân thành hai phần:

1. Để tải qua cảm biến hiện tại (ACS712)

2. Mô-đun cấp nguồn 230V AC / 5V DC

Mô-đun nguồn điện 5V cung cấp năng lượng cho vi điều khiển (Arduino / Wemos), cảm biến dòng điện (ACS712) và màn hình OLED.

Dòng AC đi qua tải được cảm nhận bởi mô-đun cảm biến hiện tại (ACS712) và được đưa đến chân tương tự (A0) của bảng Arduino / Wemos. Sau khi đầu vào tương tự được cấp cho Arduino, việc đo công suất / năng lượng được thực hiện bằng bản phác thảo Arduino.

Công suất và năng lượng được tính toán bởi Arduino / Wemos được hiển thị trên mô-đun màn hình OLED 0,96.

Chip WiFi tích hợp của Wemos được kết nối với Bộ định tuyến gia đình và liên kết với Ứng dụng Blynk. Vì vậy, bạn có thể theo dõi các thông số cũng như hiệu chỉnh và sửa đổi các cài đặt khác nhau từ điện thoại thông minh của bạn thông qua OTA.

Bước 3: Tìm hiểu kiến thức cơ bản về AC

Trong phân tích mạch điện xoay chiều, cả điện áp và dòng điện đều biến thiên hình sin theo thời gian.

Công suất thực (P):

Đây là công suất mà thiết bị sử dụng để tạo ra công việc hữu ích, được biểu thị bằng kW.

Công suất thực = Điện áp (V) x Dòng điện (I) x cosΦ

Sức mạnh phản kháng (Q):

Công suất này thường được gọi là công suất ảo, là thước đo công suất dao động giữa nguồn và tải, không có tác dụng hữu ích. Nó được biểu thị bằng kVAr

Công suất phản kháng = Điện áp (V) x Dòng điện (I) x sinΦ

Công suất biểu kiến (S):

Nó được định nghĩa là sản phẩm của Điện áp gốc-trung bình-Square (RMS) và dòng điện RMS. Điều này cũng có thể được định nghĩa là kết quả của công suất phản kháng và thực. Nó được thể hiện bằng kVA

Công suất biểu kiến = Điện áp (V) x Dòng điện (I)

Mối quan hệ giữa thực tế, phản ứng và sức mạnh biểu kiến:

Công suất thực = Công suất biểu kiến x cosΦ

Công suất phản kháng = Công suất biểu kiến x sinΦ

(kVA) ² = (kW) ² + (kVAr) ²

Hệ số công suất (pf):

Tỉ số giữa công suất thực và công suất biểu kiến trong mạch được gọi là hệ số công suất.

Hệ số công suất = Công suất thực / Công suất biểu kiến

Từ những điều trên, rõ ràng rằng, chúng ta có thể đo tất cả các dạng công suất cũng như hệ số công suất bằng cách đo điện áp và dòng điện.

Tín dụng hình ảnh: openenergymonitor.org

Bước 4: Cảm biến Currrent

Dòng điện xoay chiều được đo thông thường bằng cách sử dụng biến dòng nhưng đối với dự án này, ACS712 được chọn làm cảm biến dòng điện vì giá thành rẻ và kích thước nhỏ hơn. Cảm biến dòng ACS712 là cảm biến dòng hiệu ứng Hall đo chính xác dòng điện khi cảm ứng. Từ trường xung quanh dây AC được phát hiện để tạo ra điện áp đầu ra tương tự. Đầu ra điện áp tương tự sau đó được xử lý bởi bộ vi điều khiển để đo dòng điện chạy qua tải.

Để biết thêm về cảm biến ACS712, bạn có thể truy cập trang web này. Để có lời giải thích rõ hơn về hoạt động của cảm biến hiệu ứng hội trường, tôi đã sử dụng hình trên từ phòng thí nghiệm nhúng.

Bước 5: Đo dòng điện bằng ACS712

Đầu ra từ Bộ cảm biến dòng ACS712 là sóng điện áp AC. Chúng ta phải tính dòng điện rms, điều này có thể được thực hiện bằng cách sau

1. Đo điện áp đỉnh đến đỉnh (Vpp)

2. Chia đỉnh cho điện áp đỉnh (Vpp) cho hai để có điện áp đỉnh (Vp)

3. Nhân nó với 0,707 để có điện áp rms (Vrms)

Sau đó nhân Độ nhạy của cảm biến dòng điện (ACS712) để có dòng điện rms.

Vp = Vpp / 2

Vrms = Vp x 0,707

Irms = Vrms x Độ nhạy

Độ nhạy cho mô-đun ACS712 5A là 185mV / A, mô-đun 20A là 100mV / A và mô-đun 30A là 66mV / A.

Kết nối cho cảm biến hiện tại giống như bên dưới

ACS712 Arduino / Wemos

VCC ------ 5V

HẾT ----- A0

GND ----- GND

Bước 6: Tính toán công suất và năng lượng

Trước đó, tôi đã mô tả những điều cơ bản về các dạng khác nhau của Nguồn AC. Là người dùng gia đình, công suất thực (kW) là mối quan tâm chính của chúng tôi. Để tính toán công suất thực, chúng ta cần đo điện áp rms, dòng điện rms và hệ số công suất (pF).

Thông thường, điện áp lưới ở vị trí của tôi (230V) gần như không đổi (dao động không đáng kể). Vì vậy, tôi để lại một cảm biến để đo điện áp. Không nghi ngờ gì nếu bạn nối một cảm biến điện áp, độ chính xác của phép đo tốt hơn trong trường hợp của tôi. Dù sao, phương pháp này là một cách rẻ và đơn giản để hoàn thành dự án và hoàn thành mục tiêu.

Một lý do khác cho việc không sử dụng cảm biến điện áp là do giới hạn của chân tương tự Wemos (chỉ có một). Mặc dù có thể kết nối thêm cảm biến bằng cách sử dụng ADC như ADS1115, nhưng hiện tại, tôi vẫn đang bỏ nó. Trong tương lai, nếu tôi có thời gian, tôi chắc chắn sẽ thêm nó.

Hệ số công suất của tải có thể được thay đổi trong quá trình lập trình hoặc từ ứng dụng Điện thoại thông minh.

Công suất thực (W) = Vrms x Irms x Pf

Vrms = 230V (đã biết)

Pf = 0,85 (đã biết)

Irms = đọc từ cảm biến hiện tại (không xác định)

Tín dụng hình ảnh: imgoat

Bước 7: Giao diện với ứng dụng Blynk

Vì bo mạch Wemos có chip WiFi tích hợp, tôi đã nghĩ kết nối nó với bộ định tuyến của mình và theo dõi Năng lượng của thiết bị gia đình từ Điện thoại thông minh của mình. Ưu điểm của việc sử dụng bảng Wemos thay cho Arduino là: hiệu chỉnh cảm biến và thay đổi giá trị tham số từ điện thoại thông minh qua OTA mà không cần lập trình vi điều khiển vật lý nhiều lần.

Tôi đã tìm kiếm tùy chọn đơn giản để bất kỳ ai có ít kinh nghiệm cũng có thể thực hiện được. Lựa chọn tốt nhất mà tôi tìm thấy là sử dụng Ứng dụng Blynk. Blynk là một ứng dụng cho phép toàn quyền kiểm soát Arduino, ESP8266, Rasberry, Intel Edison và nhiều phần cứng khác. Nó tương thích với cả Android và iPhone. Trong Blynk, mọi thứ đều chạy trên ⚡️Energy. Khi tạo tài khoản mới, bạn sẽ nhận được ⚡️2, 000 để bắt đầu thử nghiệm; Mỗi Widget cần một số Năng lượng để hoạt động. Đối với dự án này, bạn cần ⚡️2400, vì vậy bạn phải mua thêm năng lượng ️⚡️400 (chi phí dưới $ 1)

tôi. Máy đo - 2 x ⚡️200 = ⚡️400

ii. Hiển thị giá trị được gắn nhãn - 2 x ⚡️400 = ⚡️800

iii. Thanh trượt - 4 x ⚡️200 = ⚡️800

iv. Thực đơn - 1x ⚡️400 = ⚡️400

Tổng năng lượng cần thiết cho dự án này = 400 + 800 + 800 + 400 = ⚡️2400

Làm theo các bước sau:

Bước 1: Tải xuống ứng dụng Blynk

1. Đối với Android

2. Đối với iPhone

Bước 2: Nhận mã xác thực

Để kết nối Ứng dụng Blynk và phần cứng của bạn, bạn cần có Mã xác thực. 1. Tạo một tài khoản mới trong Ứng dụng Blynk.

2. Nhấn biểu tượng QR trên thanh menu trên cùng. Tạo bản sao của Dự án này bằng cách quét mã QR được hiển thị ở trên. Khi nó được phát hiện thành công, toàn bộ dự án sẽ có trên điện thoại của bạn ngay lập tức.

3. Sau khi dự án được tạo, chúng tôi sẽ gửi cho bạn Mã xác thực qua email.

4. Kiểm tra hộp thư đến email của bạn và tìm Mã xác thực.

Bước 3: Chuẩn bị Arduino IDE cho Wemos Board

Để tải mã Arduino lên bảng Wemos, bạn phải làm theo Hướng dẫn này

Bước 4: Cài đặt Thư viện

Sau đó, bạn phải nhập thư viện vào IDE Arduino của mình

Tải xuống Thư viện Blynk

Tải xuống các thư viện cho Màn hình OLED: i. Adafruit_SSD1306 ii. Adafruit-GFX-Thư viện

Bước-5: Phác thảo Arduino

Sau khi cài đặt các thư viện trên, hãy dán mã Arduino được cung cấp bên dưới.

Nhập mã xác thực từ bước 1, ssid và mật khẩu của bộ định tuyến của bạn.

Sau đó tải lên mã.

Bước 8: Chuẩn bị bảng mạch

Để làm cho mạch điện gọn gàng và sạch sẽ, tôi đã tạo một bảng mạch bằng cách sử dụng một bảng nguyên mẫu 4x6 cm. Đầu tiên, tôi hàn Pin Headers Male vào Bảng Wemos. Sau đó, tôi hàn các tiêu đề cái trên bảng nguyên mẫu để gắn các bảng khác nhau:

1. Bảng Wemos (Tiêu đề Nữ 2 x 8 Ghim)

2. Bảng cấp nguồn 5V DC (2 chân + 3 chân Đầu cái nữ)

3. Mô-đun cảm biến dòng điện (Đầu nối 3 chân dành cho nữ)

4. Màn hình OLED (4pins Female Header)

Cuối cùng, tôi đã hàn một đầu cuối vít 2 chân để cấp nguồn AC đầu vào cho bộ cấp nguồn.

Sau khi hàn tất cả các chân tiêu đề, hãy thực hiện kết nối như hình trên. Tôi đã sử dụng dây hàn 24 AWG cho tất cả các kết nối.

Kết nối như sau

1. ACS712:

ACS712 Wemos

Vcc-- 5V

Gnd - GND

Vout - A0

2. Màn hình OLED:

OLED Wemos

Vcc-- 5V

Gnd-- GND

SCL-- D1

SDA - D2

3. Power Supply module:

Chân đầu vào AC (2 pin) của mô-đun nguồn điện được kết nối với đầu nối vít.

Đầu ra V1pin được kết nối với Wemos 5V và chân GND được kết nối với chân Wemos GND.

Bước 9: Bao vây in 3D

Để tạo ra một sản phẩm thương mại trông đẹp mắt, tôi đã thiết kế một vỏ bọc cho dự án này. Tôi đã sử dụng Autodesk Fusion 360 để thiết kế vỏ bọc. Vỏ ngoài có hai phần: Nắp dưới và Nắp trên, bạn có thể tải xuống các tệp. STL từ Thingiverse.

Phần đáy về cơ bản được thiết kế để phù hợp với PCB chính (4 x6 cm), Cảm biến dòng điện và Giá đỡ cầu chì. Phần nắp trên để gắn ổ cắm AC và Màn hình OLED.

Tôi đã sử dụng máy in 3D Creality CR-10S và dây tóc PLA bạc và PLA màu đỏ 1,75 mm để in các bộ phận. Tôi mất khoảng 5 giờ để in phần thân chính và khoảng 3 giờ để in phần nắp trên.

Cài đặt của tôi là:

Tốc độ in: 60 mm / s

Chiều cao lớp: 0,3

Mật độ lấp đầy: 100%

Nhiệt độ máy đùn: 205 độC

Nhiệt độ giường: 65 độC

Bước 10: Sơ đồ đấu dây AC

Dây nguồn AC có 3 dây: Dây (đỏ), Trung tính (đen) và Nối đất (xanh).

Dây màu đỏ từ dây nguồn được kết nối với một đầu cuối của cầu chì. Đầu cuối còn lại của cầu chì được kết nối với hai đầu nối đầu cuối được nạp vào lò xo. Dây đen kết nối trực tiếp với đầu nối nạp lò xo.

Giờ đây, nguồn điện cần thiết cho bảng mạch (Wemos, OLED và ACS712) đã được ngắt sau đầu nối nạp lò xo. Để cách ly bảng mạch chính, một công tắc điều chỉnh được mắc nối tiếp. Xem sơ đồ mạch trên.

Sau đó, dây màu đỏ (đường dây) được kết nối với đầu cuối "L" của ổ cắm AC và dây màu xanh lá cây (đất) được kết nối với đầu cuối trung tâm (được đánh dấu là G).

Đầu cuối trung tính được kết nối với một đầu cuối của cảm biến dòng ACS712. Đầu cuối còn lại của ACS712 được kết nối trở lại với đầu nối có lò xo.

Khi tất cả các kết nối bên ngoài đã được hoàn thành, hãy kiểm tra rất cẩn thận bo mạch và làm sạch nó để loại bỏ dư lượng chất hàn.

Lưu ý: Không chạm vào bất kỳ phần nào của mạch khi nó đang có nguồn. Bất kỳ sự va chạm vô tình nào cũng có thể dẫn đến thương tích hoặc tử vong. Được đảm bảo an toàn trong quá trình làm việc, tôi sẽ không chịu trách nhiệm nếu có bất kỳ tổn thất nào.

Bước 11: Cài đặt tất cả các thành phần

Chèn các thành phần (Ổ cắm AC, Công tắc Rocker và Màn hình OLED) vào các khe trên nắp như trong hình. Sau đó cố định các vít. Phần dưới cùng có 4 chân đế để gắn bo mạch chính PCB. Đầu tiên, lắp chân đế bằng đồng vào lỗ như hình trên. Sau đó cố định vít 2M ở bốn góc.

Đặt Giá đỡ cầu chì và cảm biến dòng điện trên rãnh được cung cấp trên vỏ dưới cùng. Tôi đã sử dụng các ô vuông gắn 3M để dán chúng vào đế. Sau đó định tuyến tất cả các dây đúng cách.

Cuối cùng, đặt nắp trên và cố định 4 đai ốc (3M x16) ở các góc.

Bước 12: Thử nghiệm cuối cùng

Cắm dây nguồn của Đồng hồ năng lượng vào ổ cắm điện.

Thay đổi các thông số sau từ ứng dụng Blynk

1. Trượt thanh trượt CALIBRATE để lấy giá trị hiện tại bằng không khi không tải được kết nối.

2. Đo điện áp nguồn AC tại nhà bằng cách sử dụng đồng hồ vạn năng và đặt nó bằng cách trượt thanh trượt CUNG CẤP ĐIỆN ÁP.

3. Đặt hệ số công suất

4. Nhập biểu giá năng lượng tại địa điểm của bạn.

Sau đó cắm thiết bị có nguồn điện cần đo vào ổ cắm trên Đồng hồ năng lượng. Bây giờ bạn đã sẵn sàng để đo năng lượng mà nó tiêu thụ.

Hy vọng bạn thích đọc về dự án của tôi nhiều như tôi đã thích trong quá trình xây dựng nó.

Nếu bạn có bất kỳ đề xuất cải tiến nào, vui lòng bình luận bên dưới.

Á quân trong Cuộc thi Vi điều khiển