В сегодняшней статье мы поговорим о том, как сделать простой счетчик электроэнергии с поддержкой Wi-Fi своими руками.
Шаг 1: Необходимые детали и инструменты
Необходимые компоненты:
- Wemos D1 mini pro;
- Датчик тока ACS712;
- OLED дисплей;
- 5В блок питания;
- Монтажная плата 4 х 6 см;
- Провода;
- Гнезда под «гребенку»;
- Перемычки;
- Винтовые клеммы;
- Стойки;
- Вилка+розетка
- Самозажимные клеммы;
- Тумблер.
Необходимые инструменты:
- Паяльник;
- Клеевой пистолет;
- Кусачки / стриппер.
Шаг 2: Как это работает?
Питание поступает от сети переменного тока и проходит через предохранитель, для предотвращения повреждения печатной платы во время короткого замыкания.
Провода переменного тока расходятся в два направления:
- К нагрузке через датчик тока (ACS712);
- 230V AC / 5V DC к блоку питания.
Блок питания 5 В обеспечивает питание микроконтроллера (Arduino / Wemos), датчика тока (ACS712) и OLED-дисплея.
Величина тока, определяется датчиком тока (ACS712). Считанное значение подается на аналоговый вывод (A0) платы Arduino / Wemos. Как только аналоговый сигнал заходит в Arduino, расчет мощности выполняется по алгоритму приложения Arduino.
Расчетное значение отображаются на 0,96-дюймовом дисплее OLED.
Встроенный WiFi-чип Wemos подключен к домашнему маршрутизатору и связан с приложением Blynk. Таким образом, можно контролировать параметры, а также калибровать и изменять различные настройки со своего смартфона через OTA.
Шаг 3: Матчасть
В цепях переменного тока ток изменяются синусоидально со временем.
Активная мощность (P): мощность, используемая устройством для производства полезной работы. Она выражается в кВт.
- Активная мощность = напряжение (V) * ток (I) * cosΦ
Реактивная мощность (Q): мощность, которая не была передана в нагрузку, а привела к потерям на нагрев и излучение. Не приносит никакой полезной работы. Она выражается в кВАр.
- Реактивная мощность = напряжение (V) * ток (I) * sinΦ
Полная мощность (S): определяется, как произведение действующего значение напряжения на действующее значение тока. Также может быть определена, как сумма активной и реактивной мощности. Выражается в кВА
- Полная мощность = напряжение (V) * ток (I)
Отношения между активной, реактивной и полной мощностью:
- Активная мощность = полная мощность * cosΦ
- Реактивная мощность = полная мощность * sinΦ
- (кВА) ² = (кВт) ² + (кВАр) ²
Коэффициент мощности (пф): отношение активной мощности к полной мощности в цепи.
- Коэффициент мощности = активная мощность / полная мощность
Из вышесказанного ясно, что мы можем измерить любую мощность, а также коэффициент мощности, измеряя напряжение и ток.
Шаг 4: Датчик тока
Величина переменного тока измеряется с помощью трансформатора тока, но для этого проекта был выбран ACS712 - датчик тока с эффектом Холла, который измеряет ток при наведении. Обнаруженное магнитное поле вокруг провода, дает эквивалентное аналоговое выходное напряжение. Затем напряжения обрабатывается микроконтроллером для измерения тока, протекающего через нагрузку.
Шаг 5: Измерение тока с помощью ACS712
Выходной сигнал датчика тока ACS712 представляет собой волну. Нам необходимо рассчитать среднеквадратичное значение тока, это можно сделать следующим образом.
- Измеряем напряжения Vpp (полную амплитуду);
- Делим напряжение Vpp на два, чтобы получить амплитудное напряжение Vp;
- Умножаем полученное значение на 0,707, получив действующее напряжение (Vrms)
Затем умножим на чувствительность датчика тока (ACS712), чтобы получить действующее значение тока.
- Vp = Vpp / 2
- Vrms = Vp x 0,707
- Irms = Vrms x Чувствительность
Чувствительность модуля ACS712:
- 5A составляет 185 мВ / A;
- модуля 20A - 100 мВ / A;
- модуля 30A - 66 мВ / A.
Подключение датчика (ACS712 Arduino / Wemos)
- VCC = 5 В
- OUT = A0
- GND = GND
Шаг 6: Расчет мощности
Причина не использовать датчик напряжения связана с ограниченным количеством аналоговых выводов Wemos (только один). Хотя дополнительный датчик можно подключить с помощью АЦП, такого как ADS1115.
Коэффициент мощности нагрузки можно изменить во время программирования или из приложения для смартфона.
- Активная мощность (Вт) = Vrms x Irms x Pf
- Vrms = 230 В (известно)
- Pf = 0,85 (известно)
- Irms = чтение с текущего датчика (неизвестно)
Шаг 7: Приложение Blynk
Так как на плате Wemos есть встроенный чип WiFi. Преимущества использования платы Wemos: калибровка датчика и изменение значения параметров со смартфона через OTA без физического повторного программирования микроконтроллера.
Blynk - это приложение, которое обеспечивает полный контроль над Arduino, ESP8266, Rasberry, Intel Edison и многими другими аппаратными средствами. Приложение совместимо как с Android, так и с iPhone. В Blynk все работает на «Energy». Когда вы создаете новую учетную запись, вы получаете 2000 фунтов стерлингов, чтобы начать эксперимент; Каждый виджет нуждается в энергии для работы. Для этого проекта вам нужно 2400 фунтов стерлингов, поэтому вы должны приобрести дополнительную энергию 400 фунтов стерлингов (стоимость менее 1 доллара США)
- Датчик - 2 х 200 = 400;
- Отображение маркировки - 2 x 400 = 800;
- Ползунки - 4 х 200 = 800;
- Меню - 1x 400 = 400.
Общая энергия, необходимая для этого проекта = 400 + 800 + 800 + 400 = 2400
Выполним следующие шаги:
Загружаем приложение Blynk
- Для Android
- Для iPhone
Авторизация
Чтобы подключить приложение Blynk к оборудованию, нужно авторизироваться.
- Создаем новую учетную запись в приложении Blynk.
- Нажмём значок QR в верхней строке меню. Создадим клон этого проекта, отсканировав QR-код, показанный выше. Как только он будет успешно обнаружен, весь проект будет немедленно загружен на телефоне.
- После создания проекта будет выслано письмо на электронную почту.
- Проверим свою электронную почту и пройдём авторизацию.
Подготовка Arduino IDE для Wemos Board
Чтобы загрузить код Arduino на Wemos, вы должны следовать этим инструкциям
Устанавливаем библиотеки
Импортируем библиотеку в Arduino IDE
Скачать Blynk Library
Загрузим библиотеки для дисплея OLED:
- Adafruit_SSD1306
- Adafruit-GFX-Library
Эскиз Arduino
После установки вышеуказанных библиотек вставим код Arduino, приведенный ниже.
Введем код авторизации с шага 1, ssid и пароль вашего роутера.
Затем загрузим код.
Шаг 8: Подготовка монтажной платы
Чтобы сделать поделку аккуратной и красивой, соберем схему на макетной плате 4x6 см.
- Плата Wemos (2 x 8-контактный гнездовой разъем);
- Плата питания 5 В постоянного тока (3-контактный гнездовой разъем);
- Модуль датчика тока (3-контактный гнездовой разъем);
- OLED-дисплей (4-контактный гнездовой разъем).
Припаиваем 2-контактную винтовую клемму для подачи питания переменного тока на блок питания.
ACS712 --> Wemos
- Vcc----> 5V;
- Gnd ----> GND;
- Vout---->A0.
OLED--> Wemos
- Vcc----> 5V
- Gnd----> GND
- SCL----> D1
- SDA---->D2
Модуль питания:
- Провода переменного тока (2 контакта) модуля питания подключен к винтовой клемме.
- Выход V1 подключен к Wemos 5V, а вывод GND подключен к выводу Wemos GND.
Шаг 9: 3D-печатный корпус
Чтобы придать самоделке привлекательный вид, специально был спроектирован корпус (Autodesk Fusion 360). Он состоит из двух частей: основы и крышки. Шаблон.
Нижняя часть проектировалась под плату (4 х 6 см), датчик тока и держатель предохранителей.
Крышка предназначена для установки розетки переменного тока и OLED-дисплея.
Шаг 10: Схема подключения переменного тока
Шнур питания переменного тока имеет 3 провода: фазный (красный), нейтральный (черный) и заземляющий (зеленый).
Красный провод от шнура питания подключен к одной клемме предохранителя. Другая клемма предохранителя подключена к подпружиненным 2-контактному разъему. Черный провод напрямую подключен к подпружиненному разъему.
Затем красный провод подключаем к клемме «L» разъема переменного тока, а зеленый провод (заземление) подключается к центральной клемме (обозначается буквой G).
Клемма нейтрали подключена к одной клемме датчика тока ACS712. Другая клемма ACS712 подключена обратно к подпружиненному разъему.
После завершения всех внешних подключений тщательно осмотрим плату и очистим ее от остатков паяльного флюса.
Примечание. Не прикасайтесь к элементам схемы, пока они находится под напряжением. Любое случайное прикосновение может привести к негативным последствиям для здоровья и жизни человека. Соблюдайте меры безопасности во время работы.
Шаг 11: Устанавливаем компоненты
Монтируем компоненты (розетку, тумблер и OLED-дисплей) в слоты верхней крышки, как показано на рисунке. Затем крепим все винтами. Нижняя часть имеет 4 стойки для крепления основной платы.
Установим держатель предохранителя и датчика тока в гнездо в нижней части корпуса. Затем укладываем все провода.
Наконец, устанавливаем крышку.
Шаг 12: Финальные испытания
Подключим шнур питания счетчика к розетке.
Изменим следующие параметры из приложения Blynk:
- Ползунок CALIBRATE, регулирует значение нулевого тока, когда нагрузка не подключена;
- Измерим напряжение в доме с помощью мультиметра и установим значение ползунка VOLTAGE;
- Устанавливаем коэффициент мощности;
- Введём тариф на электроэнергию в регионе.
Затем подключим прибор к розетке счетчика.
На этом все, спасибо за внимание!
( Специально для МозгоЧинов )