Arduino Energy Meter - V2.0: 12 Adım (Resimli)

2024 Yazar: John Day | [email protected]. Son düzenleme: 2024-01-30 13:18

Merhaba arkadaşlar uzun bir aradan sonra tekrar hoşgeldiniz. Daha önce, esas olarak köyümdeki güneş panelinden (DC Gücü) gelen gücü izlemek için tasarlanmış Arduino Enerji Ölçer hakkında bir Talimat yayınladım. İnternette çok popüler oldu, dünyanın her yerinden birçok insan kendi yapılarını kurdu. Pek çok öğrenci benden yardım alarak üniversite projeleri için bunu yaptı. Yine de, AC Güç tüketimini izlemek için donanım ve yazılım değişiklikleriyle ilgili soruları olan kişilerden e-postalar ve mesajlar alıyorum.

Bu Eğitilebilir Kitapta, Arduino/Wemos kartını kullanarak basit bir wifi etkin AC Enerji Ölçerin nasıl yapıldığını göstereceğim. Bu Enerji Ölçer'i kullanarak herhangi bir ev aletinin güç tüketimini ölçebilirsiniz. Projenin sonunda bu proje için güzel bir 3D baskılı kasa yaptım.

Enerji tüketimi konusunda daha fazla farkındalık yaratmanın amacı, kullanıcı tarafından enerji kullanımının optimizasyonu ve azaltılması olacaktır. Bu, enerji maliyetlerini düşürmenin yanı sıra enerji tasarrufu da sağlayacaktır.

Tabii ki, enerji izleme için zaten birçok ticari cihaz var, ancak basit ve düşük maliyetli olacak kendi versiyonumu oluşturmak istedim.

Tüm projelerimi şu adreste bulabilirsiniz:

Adım 1: Gerekli Parçalar ve Aletler

Gerekli Bileşenler:

1. Wemos D1 mini profesyonel (Amazon / Banggood)

2. Akım Sensörü -ACS712 (Amazon)

3. OLED Ekran (Amazon / Banggood)

4. 5V Güç Kaynağı (Aliexpress)

5. Prototip Kartı - 4 x 6cm (Amazon / Banggood)

6. 24 AWG Kablosu (Amazon)

7. Başlık Pinleri (Amazon / Banggood)

8. Erkek-Dişi Jumper Telleri (Amazon)

9. Vidalı Terminal (Amazon)

10. Ayrılık (Banggood)

11. AC Priz Çıkışı

12. AC Fişi

13. Yaylı konektör (Banggood)

14. Basmalı Anahtar (Banggood)

15. PLA Filament-Gümüş (GearBest)

16. PLA Filament-Kırmızı (GearBest)

Gerekli aletler:

1. Havya (Amazon)

2. Tutkal Tabancası (Amazon)

3. Tel Kesici/Sıyırıcı (Amazon)

4.3D Yazıcı (Creality CR10S)

Adım 2: Nasıl Çalışır?

Tüm projenin blok şeması yukarıda gösterilmiştir.

AC şebekesinden gelen güç, yanlışlıkla kısa devre sırasında devre kartına zarar vermemek için bir sigortadan çekilir ve geçirilir.

Ardından AC güç hattı iki parçaya dağıtılır:

1. Akım sensörü aracılığıyla yüke (ACS712)

2. 230V AC/5V DC Güç Kaynağı modülü

5V güç kaynağı modülü, mikro denetleyiciye (Arduino/Wemos), Akım sensörüne (ACS712) ve OLED ekrana güç sağlar.

Yükten geçen AC akım, akım sensör modülü (ACS712) tarafından algılanır ve Arduino/Wemos kartının analog pinine (A0) beslenir. Arduino'ya analog giriş verildikten sonra Arduino kroki ile güç/enerji ölçümü yapılır.

Arduino/Wemos tarafından hesaplanan güç ve enerji 0.96 OLED ekran modülünde görüntülenir.

Wemos'un dahili WiFi çipi, Ev Yönlendiricisine ve Blynk Uygulamasına bağlıdır. Böylece parametreleri izleyebilir, OTA aracılığıyla Akıllı Telefonunuzdan farklı ayarları kalibre edebilir ve değiştirebilirsiniz.

Adım 3: AC Temellerini Anlama

AC devre analizinde hem voltaj hem de akım zamanla sinüzoidal olarak değişir.

Gerçek Güç (P):

Bu, cihazın faydalı iş üretmek için kullandığı güçtür. kW olarak ifade edilir.

Gerçek Güç = Gerilim (V) x Akım (I) x cosΦ

Reaktif Güç (Q):

Bu genellikle, kaynak ve yük arasında salınan, yararlı bir iş yapmayan gücün bir ölçüsü olan hayali güç olarak adlandırılır. kVAr olarak ifade edilir.

Reaktif Güç = Gerilim (V) x Akım (I) x sinΦ

Görünür Güç (S):

Kök-Ortalama-Kare (RMS) Gerilimi ve RMS Akımının ürünü olarak tanımlanır. Bu aynı zamanda gerçek ve reaktif gücün sonucu olarak da tanımlanabilir. kVA olarak ifade edilir

Görünen Güç = Gerilim (V) x Akım (I)

Gerçek, Reaktif ve Görünen güç arasındaki ilişki:

Gerçek Güç = Görünen Güç x cosΦ

Reaktif Güç = Görünür Güç x sinΦ

(kVA)² = (kW)² + (kVAr)²

Güç Faktörü (pf):

Bir devrede gerçek gücün görünen güce oranına güç faktörü denir.

Güç Faktörü = Gerçek Güç/Görünür Güç

Yukarıdakilerden, voltajı ve akımı ölçerek güç faktörünün yanı sıra her türlü gücü ölçebileceğimiz açıktır.

Resim kredisi: openenergymonitor.org

Adım 4: Akım Sensörü

AC akımı geleneksel olarak bir Akım trafosu kullanılarak ölçülür, ancak bu proje için düşük maliyeti ve daha küçük boyutu nedeniyle akım sensörü olarak ACS712 seçilmiştir. ACS712 Akım Sensörü, indüklendiğinde akımı doğru bir şekilde ölçen bir Hall Etkisi akım sensörüdür. AC kablosunun etrafındaki manyetik alan, eşdeğer analog çıkış voltajını veren algılanır. Analog voltaj çıkışı daha sonra yükten geçen akımı ölçmek için mikro denetleyici tarafından işlenir.

ACS712 sensörü hakkında daha fazla bilgi için bu siteyi ziyaret edebilirsiniz. Hall efekt sensörünün çalışması hakkında daha iyi bir açıklama için, Embedded-lab'dan yukarıdaki resmi kullandım.

Adım 5: ACS712 ile Akım Ölçümü

ACS712 Akım Sensörünün çıkışı bir AC voltaj dalgasıdır. rms akımını hesaplamamız gerekiyor, bu şu şekilde yapılabilir.

1. Tepeden tepeye voltajın ölçülmesi (Vpp)

2. Pik voltajı (Vp) elde etmek için tepeden tepeye voltajı (Vpp) ikiye bölün.

3. rms voltajını (Vrms) elde etmek için 0.707 ile çarpın

Ardından rms akımını elde etmek için akım sensörünün (ACS712) Hassasiyetini çarpın.

Vp = Vpp/2

Vrms = Vp x 0.707

Irms = Vrms x Hassasiyet

ACS712 5A modülü için hassasiyet 185mV/A, 20A modülü 100mV/A ve 30A modülü 66mV/A'dır.

Akım sensörü için Bağlantı aşağıdaki gibidir

ACS712 Arduino/Wemos

VCC ------ 5V

ÇIKIŞ ----- A0

GND ----- GND

Adım 6: Güç ve Enerji Hesabı

Daha önce çeşitli AC Gücü biçimlerinin temellerini tanımlamıştım. Bir ev kullanıcısı olarak, gerçek güç (kW) bizim ana endişemizdir. Gerçek gücü hesaplamak için rms voltajını, rms akımını ve güç faktörünü (pF) ölçmemiz gerekir.

Genellikle bulunduğum yerdeki şebeke voltajı (230V) neredeyse sabittir (dalgalanma ihmal edilebilir). Bu yüzden voltajı ölçmek için bir sensör bırakıyorum. Şüphesiz bir voltaj sensörü bağlarsanız, benim durumumda ölçüm doğruluğu daha iyidir. Her neyse, bu yöntem projeyi tamamlamanın ve amacı gerçekleştirmenin ucuz ve basit bir yoludur.

Voltaj sensörünün kullanılmamasının bir başka nedeni de Wemos analog pininin (sadece bir tane) sınırlandırılmasıdır. ADS1115 gibi bir ADC kullanılarak ekstra sensör bağlanabilse de, şimdilik bırakıyorum. İleride vakit bulursam mutlaka ekleyeceğim.

Yükün güç faktörü programlama sırasında veya Akıllı Telefon uygulamasından değiştirilebilir.

Gerçek Güç (W) = Vrms x Irms x Pf

Vrms = 230V (bilinen)

Pf = 0.85 (bilinen)

Irms = akım sensöründen okuma (bilinmiyor)

Resim kredisi: imgoat

7. Adım: Blynk Uygulamasıyla Arayüz Oluşturma

Wemos kartında dahili WiFi çipi bulunduğundan, onu yönlendiricime bağlamayı ve Akıllı Telefonumdan ev aletinin Enerjisini izlemeyi düşündüm. Arduino yerine Wemos kartı kullanmanın avantajları şunlardır: mikrodenetleyiciyi fiziksel olarak tekrar tekrar programlamadan OTA aracılığıyla sensörün kalibrasyonu ve akıllı telefondan parametre değerinin değiştirilmesi.

Tecrübesi az olan herkesin başarabilmesi için basit seçeneği aradım. Bulduğum en iyi seçenek Blynk Uygulamasını kullanmak. Blynk, Arduino, ESP8266, Rasberry, Intel Edison ve çok daha fazla donanım üzerinde tam kontrol sağlayan bir uygulamadır. Hem Android hem de iPhone ile uyumludur. Blynk'te her şey ⚡️Energy ile çalışır. Yeni bir hesap oluşturduğunuzda, denemeye başlamak için ⚡️2, 000 kazanırsınız; Her Widget'ın çalışması için biraz Enerjiye ihtiyacı vardır. Bu proje için ⚡️2400'e ihtiyacınız var, bu yüzden ek enerji ️⚡️400 satın almanız gerekiyor (maliyet 1 dolardan az)

ben. Gösterge - 2 x ⚡️200 = ⚡️400

ii. Etiketli Değer Göstergesi - 2 x ⚡️400 =⚡️800

iii. Kaydırıcılar - 4 x ⚡️200 = ⚡️800

iv. Menü - 1x ⚡️400 = ⚡️400

Bu proje için gereken Toplam Enerji = 400+800+800+400 = ⚡️2400

Aşağıdaki adımları izleyin:

1. Adım: Blynk uygulamasını indirin

1. Android için

2. iPhone için

2. Adım: Yetkilendirme Simgesini Alın

Blynk Uygulamasını ve donanımınızı bağlamak için bir Yetkilendirme Simgesine ihtiyacınız vardır.1. Blynk Uygulamasında yeni bir hesap oluşturun.

2. Üst menü çubuğundaki QR simgesine basın. Yukarıda gösterilen QR kodunu tarayarak bu Projenin bir klonunu oluşturun. Başarılı bir şekilde tespit edildiğinde, tüm proje hemen telefonunuzda olacaktır.

3. Proje oluşturulduktan sonra size Auth Token'ı e-posta ile göndereceğiz.

4. E-posta gelen kutunuzu kontrol edin ve Yetkilendirme Simgesini bulun.

Adım-3: Arduino IDE'yi Wemos Board için Hazırlama

Arduino kodunu Wemos panosuna yüklemek için bu Talimatları izlemelisiniz.

Adım-4: Kitaplıkları Kurun

Ardından kütüphaneyi Arduino IDE'nize aktarmanız gerekir.

Blynk Kitaplığını İndirin

OLED Ekran için kitaplıkları indirin: i. Adafruit_SSD1306 ii. Adafruit-GFX-Kütüphane

Adım-5: Arduino Kroki

Yukarıdaki kütüphaneleri kurduktan sonra aşağıda verilen Arduino kodunu yapıştırın.

Adım-1'deki yetkilendirme kodunu, ssid'yi ve yönlendiricinizin şifresini girin.

Ardından kodu yükleyin.

Adım 8: Devre Kartını Hazırlayın

Devreyi düzgün ve temiz hale getirmek için 4x6 cm prototip kartı kullanarak devre kartı yaptım. Önce Erkek Başlık Pinini Wemos Board'a lehimledim. Sonra farklı panoları monte etmek için dişi başlıkları prototip panosuna lehimledim:

1. Wemos Kartı (2 x 8 Pinli Dişi Başlık)

2. 5V DC Güç Kaynağı kartı (2 pin +3 pin Dişi Başlık)

3. Akım Sensör Modülü (3 Pinli Dişi Başlık)

4. OLED Ekran (4pin Dişi Başlık)

Sonunda, güç kaynağı ünitesine AC girişi için 2 pinli vidalı bir terminal lehimledim.

Tüm başlık pimlerini lehimledikten sonra yukarıda gösterildiği gibi bağlantıyı yapın. Tüm bağlantılar için 24 AWG lehim teli kullandım.

Bağlantı aşağıdaki gibidir

1. ACS712:

ACS712 Wemo'lar

Vcc-- 5V

Gnd -- GND

Vout--A0

2. OLED Ekran:

OLED Wemo'lar

Vcc-- 5V

Gnd-- GND

SCL-- D1

SDA--D2

3. Güç Kaynağı modülü:

Vidalı terminale bağlı güç kaynağı modülünün AC giriş pimi (2 pim).

V1pin çıkışı Wemos 5V'ye ve GND pini Wemos GND pinine bağlanır.

Adım 9: 3B Basılı Muhafaza

Güzel bir ticari ürün görünümü vermek için bu proje için bir kasa tasarladım. Kasayı tasarlamak için Autodesk Fusion 360 kullandım. Kasanın iki bölümü vardır: Alt ve Üst kapak.. STL dosyalarını Thingiverse'den indirebilirsiniz.

Alt kısım temel olarak ana PCB (4 x6 cm), Akım Sensörü ve Sigorta Tutucuya uyacak şekilde tasarlanmıştır. Üst kapak AC soketi ve OLED Ekranı monte etmek içindir.

Parçaları basmak için Creality CR-10S 3D yazıcımı ve 1.75 mm gümüş PLA ve kırmızı PLA filamentimi kullandım. Ana gövdeyi basmak yaklaşık 5 saat, üst kapağı basmak yaklaşık 3 saatimi aldı.

Ayarlarım:

Baskı Hızı: 60 mm/sn

Katman Yüksekliği: 0.3

Dolgu Yoğunluğu: %100

Ekstrüder Sıcaklığı: 205 degC

Yatak Sıcaklığı: 65 derece

Adım 10: AC Kablo Şeması

AC güç kablosunun 3 kablosu vardır: Hat (kırmızı), Nötr (siyah) ve Toprak (yeşil).

Güç kablosundan gelen kırmızı kablo, sigortanın bir terminaline bağlanır. Sigortanın diğer terminali, yay yüklü iki terminal konektörüne bağlanır. Siyah tel doğrudan yaylı konektöre bağlanır.

Şimdi devre kartı (Wemos, OLED ve ACS712) için gereken güç, yaylı konektörden sonra bantlanır. Ana devre kartını izole etmek için seri olarak bir basmalı anahtar bağlanır. Yukarıdaki devre şemasına bakın.

Ardından kırmızı kablo (hat) AC soket "L" terminaline bağlanır ve yeşil kablo (toprak) merkez terminale (G olarak işaretlenir) bağlanır.

Nötr terminali, ACS712 akım sensörünün bir terminaline bağlanır. ACS712'nin diğer terminali yaylı konektöre geri bağlanır.

Tüm harici bağlantılar bittiğinde, kartı çok dikkatli bir şekilde inceleyin ve lehim pastası kalıntılarını gidermek için temizleyin.

Not: Güç altındayken devrenin herhangi bir kısmına dokunmayın. Herhangi bir kazara dokunma ölümcül yaralanmaya veya ölüme neden olabilir. Çalışırken güvende olun, herhangi bir kayıptan sorumlu olmayacağım.

Adım 11: Tüm Bileşenleri Kurun

Bileşenleri (AC Soketi, Basmalı Anahtar ve OLED Ekran) resimde gösterildiği gibi üst kapak yuvalarına yerleştirin. Ardından vidaları sabitleyin. Alt kısım, ana PCB kartını monte etmek için 4 ayrı bölmeye sahiptir. İlk önce, yukarıda gösterildiği gibi pirinç ayırıcıyı deliğe yerleştirin. Ardından 2M vidayı dört köşeden sabitleyin.

Sigorta Yuvasını ve Akım sensörünü alt muhafazada sağlanan yuvaya yerleştirin. Onları tabana yapıştırmak için 3M montaj kareleri kullandım. Ardından tüm kabloları uygun şekilde yönlendirin.

Son olarak üst kapağı yerleştirin ve 4 somunu (3M x16) köşelere sabitleyin.

Adım 12: Son Test

Energy Meter'ın güç kablosunu elektrik prizine takın.

Blynk uygulamasından aşağıdaki parametreleri değiştirin

1. Yük bağlı olmadığında mevcut sıfırı elde etmek için KALİBRASYON sürgüsünü kaydırın.

2. Bir multimetre kullanarak ev AC besleme voltajını ölçün ve BESLEME VOLTAJI kaydırıcısını kaydırarak ayarlayın.

3. Güç Faktörünü Ayarlayın

4. Bulunduğunuz yerdeki enerji tarifesini girin.

Ardından gücü ölçülecek cihazı Enerji sayacının üzerindeki prize takın. Artık onun tarafından tüketilen enerjiyi ölçmeye hazırsınız.

Umarım projemi okurken benim onu inşa ederken aldığım kadar keyif almışsınızdır.

İyileştirmeler için herhangi bir öneriniz varsa, lütfen aşağıya yorum yapın. Teşekkürler!

Mikrodenetleyici Yarışmasında İkincilik