Arduino_Hướng Dẫn Tạo Thiết Bị đo Năng Lượng

Trong Hướng dẫn này, tôi sẽ chỉ cho bạn cách tạo một thiết bị đo năng lượng AC kích hoạt wifi đơn giản bằng cách sử dụng board Arduino / Wemos. Bằng cách sử dụng thiết bị đo năng lượng này, bạn có thể đo mức tiêu thụ năng lượng của bất kỳ thiết bị gia dụng nào. Vào cuối dự án, tôi đã tạo ra một khung ngoài in 3D đẹp cho dự án này, mà tôi đã trình bày về Hội nghị CaSPA 2016.

Mục tiêu là theo dõi mức tiêu thụ năng lượng để tối ưu hóa và giảm mức sử dụng năng lượng của người dùng. Điều này sẽ giúp giảm chi phí điện tiêu thụ của họ, cũng như bảo tồn năng lượng.

Tất nhiên, rất nhiều thiết bị thương mại đã tồn tại để theo dõi 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: https://www.opengreenenergy.com/

Bước 1: Các linh kiện và công cụ cần thiết

 Hình ảnh của các linh kiện và công cụ cần thiết

Các linh kiện cần thiết:

1. Wemos D1 mini pro
2. Cảm biến dòng điện -ACS712
3. Màn hình OLED
4. Nguồn điện 5V
5. Board mẫu thử nghiệm – 4 x 6cm
6. 24 dây AWG
7. Hàng rào cắm dây
8. Dây đực-cái
9. Trục vít
10. Trụ đồng
11. Ổ cắm điện AC
12. Dây cắm AC
13. Đầu nối lò xo
14. Công tắc
15. Dây nhựa PLA-Bạc
16. Dây nhựa PLA-Đỏ

Công cụ yêu cầu:

1. Cây hàn
2. Súng bắn keo
3. Kềm tuốt dây
4. Máy in 3D

Bước 2: Nó hoạt động như thế nào?

 

Hình ảnh nguyên lý hoạt động

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

Nguồn điện từ nguồn điện xoay chiều nên được nối qua cầu chì để tránh mọi hư hỏng cho board mạch trong thời gian ngắn mạch do tai nạn.

Sau đó, dòng điện AC được phân phối thành hai phần:

1. Để tải thông qua cảm biến dòng (ACS712)
2. Mô-đun nguồn 230V AC / 5V DC

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

Dòng điện xoay chiều đi qua tải được cảm nhận bởi mô-đun cảm biến dòng (ACS712) và được đưa đến chân analog (A0) của board Arduino / Wemos. Sau khi nối với đầu vào analog của Arduino, việc đo công suất / năng lượng được thực hiện bằng chương trình Arduino.

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

Chip WiFi sẵn có của Wemos được kết nối với Home Router và được 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 cơ bản về AC

Hình ảnh về Hiểu biết cơ bản về AC

Trong mạch điện xoay chiều, cả điện áp và dòng điện thay đổi hình sin theo thời gian.

Công suất thực (P):

Đây là công suất được thiết bị sử dụng để thực hiện công việc. Nó được biểu thị bằng kW.

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

Công suất hao phí (Q):

Đây thường được gọi là công suất tưởng tượng là thước đo công suất dao động giữa nguồn và tải, không có công việc hữu ích. Nó được biểu thị bằng kVAr

Công suất hao phí = Điện áp (V) x Dòng điện (I) x sinΦ

Công suất biểu kiến (S):

Nó được định nghĩa là sản phẩm của Điện áp Root-Mean-Square (RMS) và Dòng RMS. Điều này cũng có thể được định nghĩa là kết quả của công suất thực và hao phí. Nó được thể hiện bằng kVA

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

Mối quan hệ giữa cong suất thực, hao phí và biểu kiến:

Công suất thực  = Công suất biểu kiến ​​x cosΦ

Công suất hao phí = Công suất biểu kiến ​​x sinΦ

(kVA) ² = (kW) ² + (kVAr) ²

Hệ số công suất (pf):

Tỷ số của công suất thực so với 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.

Bước 4: Cảm biến dòng điện

Hình ảnh của cảm biến dòng điện

Dòng điện xoay chiều được đo theo quy ước bằng cách sử dụng cảm biến dòng nhưng đối với dự án này, ACS712 được chọn làm cảm biến dòng vì giá thành thấp và kích thước nhỏ gọn. Cảm biến dòng điện ACS712 là cảm biến dòng điện Hiệu ứng Hall đo chính xác dòng điện khi cảm ứng. Từ trường xung quanh dây AC được phát hiện mang lại điện áp đầu ra analog. Đầu ra điện áp analog sau đó được vi điều khiển xử lý để đo dòng điện qua tải.

Bước 5: Đo dòng điện bằng ACS712

Hình ảnh đồ thị dòng điện của ACS712

Đầu ra từ Cảm biến dòng điện ACS712 là sóng sin. Chúng tôi phải tính toán dòng điện rms, điều này có thể được thực hiện theo cách sau

1. Đo điện áp cực đại (Vpp)
2. Chia điện áp cực đại (Vpp) cho hai để có điện áp cực đại (Vp)
3. Nhân nó với 0,707 để có điện áp rms (Vrms)

Sau đó nhân độ nhạy của cảm biến dòng (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.

Nối dây cảm biến dòng điện như bên dưới

ACS712 Arduino / Wemos

VCC ——--> 5V

OUT——-> A0

GND ——-> GND

Bước 6: Tính toán nguồn và công suất

 

Là nguồn điện dân dụng nên công suất thực (kW) là mối quan tâm chính của chúng ta. Để tính công suất thực ta cần đo điện áp rms, dòng rms và hệ số công suất (pF).

Thông thường, điện áp lưới ở địa phương của tôi (230V) gần như không đổi (dao động không đáng kể). Vì vậy, tôi dùng 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 sẽ tốt hơn trong trường hợp này. Dù sao, phương pháp này là một cách rẻ tiền 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 pin analog Wemos (chỉ có một). Mặc dù dòng điện có thể kết nối thêm cảm biến bằng cách sử dụng ADC như ADS1115, nhưng dòng điện tôi dùng không phù hợp.

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 thật (W) = Vrms x Irms x Pf

Vrms = 230V (đã biết)

Pf = 0,85 (đã biết)

Irms = đọc từ cảm biến dòng điện (chưa biết)

Bước 7: Giao diện với ứng dụng Blynk

Hình ảnh của Giao diện với Ứng dụng Blynk

Vì board Wemos đã tích hợp chip WiFi, tôi nghĩ sẽ 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 tôi. Ưu điểm của việc sử dụng board Wemos thay vì Arduino là: hiệu chuẩn cảm biến và thay đổi giá trị tham số từ điện thoại thông minh qua OTA mà không cần lập trình vật lý nhiều lần cho vi điều khiển.

Tôi đã tìm kiếm các tùy chọn đơn giản để những ai có ít kinh nghiệm vẫn có thể thực hiện nó. Tùy chọn tốt nhất tôi tìm thấy là sử dụng Ứng dụng Blynk . Blynk là một ứng dụng cho phép kiểm soát hoàn toàn Arduino, ESP8266, Rasberry, Intel Edison và nhiều phần cứng khác. Nó tương thích với cả Android và iPhone. Trong Blynk, mọi thứ chạy trên ⚡️Energy. Khi bạn tạo một tài khoản mới, bạn 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 002400, vì vậy bạn phải mua thêm năng lượng ️⚡️400 (chi phí dưới 1 đô la)

1. Máy đo – 2 x 200 = ⚡️400
2. Hiển thị giá trị được gắn nhãn – 2 x 400 = ⚡️800

iii. Thanh trượt – 4 x ⚡️200 = ⚡️800

1. Menu – 1x 400 = ⚡️400

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

Thực hiện theo các bước dưới đây:

• Tải xuống ứng dụng Blynk

1. Dành cho Android
2. Dành cho iPhone

• Nhận mã thông báo xác thực

Để kết nối Ứng dụng Blynk và phần cứng của bạn, bạn cần có Mã thông báo xác thực.

1. Tạo một tài khoản mới trong Ứng dụng Blynk.
2. Nhấn biểu tượng QR trên thanh menu trên cùng. Tạo một bản sao của Dự án này bằng cách quét mã QR được hiển thị ở trên. Khi 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 thông báo xác thực.

• Chuẩn bị Arduino IDE cho Board Wemos

Để tải  Arduino lên board Wemos, bạn phải tuân theo Hướng dẫn này

• Cài đặt Thư viện

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

Tải xuống thư viện Blynk

Tải xuống thư viện cho Màn hình OLED:

1. Adafruit_SSD1306
2. Adafruit-GFX-Library

• Phác thảo Arduino

Sau khi cài đặt các thư viện trên, dán code Arduino dưới đây.

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

Sau đó tải lên code.

Energy_Meter_V2.0.ino

Bước 8: Chuẩn bị board mạch

Hình ảnh của Chuẩn bị board mạch

Để làm cho mạch gọn gàng và sạch sẽ, tôi đã tạo một board mạch bằng cách sử dụng board nguyên mẫu 4×6 cm. Đầu tiên, tôi gắn hang rào cho board Wemos. Sau đó, tôi hàn các hang rào trên board nguyên mẫu để gắn các board khác nhau:

1. Board Wemos (Hàng rào 2 x 8 chân)
2. Board cấp nguồn 5V DC (2 chân +3 chân hang rào)
3. Mô-đun cảm biến dòng điện (3 chân hàng rào)
4. Màn hình OLED (4 chân)

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

Sau khi hàn tất cả các chân, thực hiện kết nối như hình trên. Tôi đã sử dụng 24 dây hàn 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. Mô-đun cung cấp điện:

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

Chân đầu ra được nối với chân Wemos 5V và chân GND được kết nối với chân GND Wemos.

Bước 9: Khung ngoài in 3D

Để mang đến một diện mạo sản phẩm thương mại đẹp, tôi đã thiết kế một khung ngoài cho dự án này. Tôi đã sử dụng Autodesk Fusion 360 để thiết kế vỏ bọc. Khung có hai phần: Nắp dưới và nắp trên. Bạn có thể tải xuống các tệp .STL từ Thingiverse .

Nắp dưới được thiết kế cơ bản để phù hợp với PCB chính (4 x6 cm), Bộ cảm biến dòng điện và Giá đỡ cầu chì.

Nắp trên là để gắn ổ cắm AC và Màn hình OLED.

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

Cài đặt của tôi là:

Tốc độ in: 60 mm / s

Chiều cao lớp: 0,3

Mật độ điền: 100%

Nhiệt độ đầu đùn: 205 degC

Nhiệt độ đế in: 65 độ

Bước 10: Sơ đồ nối dây AC

Hình ảnh sơ đồ nối dây AC

Dây nguồn AC có 3 dây: Line (đỏ), Giữa (đen) và Ground (xanh lá cây).

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

Bây giờ, nguồn điện cần thiết cho board (Wemos, OLED và ACS712) đã được tắt sau khi nối lò xo. Để cách ly board mạch chính, một công tắc được nối nối tiếp. Xem sơ đồ mạch trên.

Sau đó, dây màu đỏ được nối với dây AC “L” và dây màu xanh lá cây (ground) được nối với dây giữa (được đánh dấu là G).

Dây giữa được nối với một dây của cảm biến dòng điện ACS712. Dây còn lại của ACS712 được nối trở lại với đầu nối được tải bằng lò xo.

Khi tất cả các kết nối bên ngoài đã được hoàn thành, hãy kiểm tra board cẩn thận và làm sạch nó để loại bỏ cặn hàn.

Lưu ý: Không chạm vào bất kỳ phần nào của mạch trong khi nguồn đang hoạt động. Bất kỳ đụng chạm vô tình có thể dẫn đến thương tích chết người hoặc tử vong. Hãy giữ an toàn trong quá trình làm việc, tôi sẽ không chịu trách nhiệm cho bất kỳ tổn thất nào.

Bước 11: Lắp ráp tất cả các bộ phận

Hình ảnh cài đặt tất cả các thành phần

Chèn các bộ phận (Ổ cắm AC, Công tắc và Màn hình OLED) trên các khe trên cùng như trong hình. Sau đó cố định bằng các ốc vít. Phần dưới cùng có 4 bệ để gắn board PCB chính. Đầu tiên, chèn trụ 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 khe được cung cấp trên vỏ nắp dưới. Tôi đã sử dụng các hình vuông gắn 3M để dán chúng trên đế. Sau đó định tuyến tất cả các dây đúng cách.

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

Bước 12: Thử nghiệm cuối cùng

 

Hình ảnh thử nghiệm cuối cùng

Cắm dây nguồn của thiết bị đo năng lượng vào ổ cắm điện lưới.

Thay đổi các tham số sau từ ứng dụng Blynk

1. Trượt thanh trượt CALIBRATE để hiển thị dòng bằng 0 khi không tải được kết nối.
2. Đo điện áp nguồn AC tại nhà bằng cách sử dụng thiết bị đo vạn năng và đặt nó bằng cách thanh trượt CUNG CẤP ĐIỆN ÁP.
3. Đặt hệ số công suất
4. Nhập giá trị năng lượng tại địa phương của bạn.

Sau đó cắm thiết bị có công suất cần đo vào ổ cắm trên thiết bị đo Năng lượng. Bây giờ bạn đã sẵn sàng để đo năng lượng tiêu thụ của nó.

Cảm ơn!

Link bài viết gốc tại đây