عداد طاقة اردوينو - V2.0: 12 خطوة (بالصور)

2024 مؤلف: John Day | [email protected]. آخر تعديل: 2024-01-30 07:38

مرحبا صديقي ، اهلا بك مرة أخرى بعد استراحة طويلة. في وقت سابق ، قمت بنشر Instructables على Arduino Energy Meter والذي تم تصميمه بشكل أساسي لمراقبة الطاقة من الألواح الشمسية (DC Power) في قريتي. أصبح شائعًا جدًا على الإنترنت ، وقد بنى الكثير من الناس في جميع أنحاء العالم بأنفسهم. لقد نجح العديد من الطلاب في تنفيذ مشروعهم الجامعي من خلال تلقي المساعدة مني. ومع ذلك ، أتلقى الآن رسائل بريد إلكتروني ورسائل من أشخاص لديهم أسئلة تتعلق بتعديل الأجهزة والبرامج لمراقبة استهلاك طاقة التيار المتردد.

لذلك في هذه التعليمات ، سأوضح لك كيفية إنشاء مقياس طاقة AC بسيط يعمل بتقنية wifi باستخدام لوحة Arduino / Wemos. باستخدام عداد الطاقة هذا ، يمكنك قياس استهلاك الطاقة لأي أجهزة منزلية. في نهاية المشروع ، قمت بإنشاء حاوية مطبوعة ثلاثية الأبعاد لهذا المشروع.

الهدف من خلق المزيد من الوعي حول استهلاك الطاقة هو تحسين وتقليل استخدام الطاقة من قبل المستخدم. هذا من شأنه أن يقلل من تكاليف الطاقة ، وكذلك الحفاظ على الطاقة.

بالطبع ، يوجد بالفعل الكثير من الأجهزة التجارية لمراقبة الطاقة ، لكنني أردت إنشاء نسختي الخاصة والتي ستكون بسيطة ومنخفضة التكلفة.

يمكنك العثور على جميع مشاريعي على:

الخطوة 1: الأجزاء والأدوات المطلوبة

المكونات المطلوبة:

1. Wemos D1 mini pro (Amazon / Banggood)

2. جهاز الاستشعار الحالي -ACS712 (أمازون)

3. شاشة OLED (Amazon / Banggood)

4. 5V امدادات الطاقة (Aliexpress)

5. مجلس النموذج الأولي - 4 × 6 سم (Amazon / Banggood)

6. 24 AWG Wire (أمازون)

7. دبابيس الرأس (Amazon / Banggood)

8.الأسلاك الطائر للذكور والإناث (أمازون)

9. طرف المسمار (الأمازون)

10. المواجهة (Banggood)

11. منفذ التيار المتردد

12. قابس التيار المتردد

13. موصل نابض (Banggood)

14. مفتاح الروك (Banggood)

15. PLA Filament-Silver (GearBest)

16.جيش التحرير الشعبى الصينى - الأحمر (GearBest)

الادوات المطلوبة:

1. لحام الحديد (أمازون)

2- مسدس الغراء (أمازون)

3. قاطع / متجرد الأسلاك (أمازون)

طابعة 4.3D (Creality CR10S)

الخطوة الثانية: كيف تعمل؟

يظهر الرسم التخطيطي للمشروع بأكمله أعلاه.

يتم سحب الطاقة من أنابيب التيار المتردد وتمريرها عبر مصهر لتجنب أي تلف للوحة الدائرة أثناء حدوث دائرة قصر عرضية.

ثم يتم توزيع خط طاقة التيار المتردد على جزأين:

1. للحمل من خلال جهاز الاستشعار الحالي (ACS712)

2. 230V AC / 5V DC وحدة تزويد الطاقة

توفر وحدة إمداد الطاقة بجهد 5 فولت الطاقة لوحدة التحكم الدقيقة (Arduino / Wemos) ، ومستشعر التيار (ACS712) وشاشة OLED.

يتم استشعار تيار التيار المتردد الذي يمر عبر الحمل بواسطة وحدة الاستشعار الحالية (ACS712) ويتم تغذيته إلى الدبوس التناظري (A0) الخاص بلوحة Arduino / Wemos. بمجرد إعطاء الإدخال التناظري إلى Arduino ، يتم قياس الطاقة / الطاقة بواسطة رسم Arduino.

يتم عرض الطاقة والطاقة المحسوبة بواسطة Arduino / Wemos على وحدة عرض OLED مقاس 0.96 بوصة.

شريحة WiFi المدمجة في Wemos متصلة بجهاز التوجيه المنزلي ومتصلة بتطبيق Blynk. حتى تتمكن من مراقبة المعلمات وكذلك معايرة وتعديل الإعدادات المختلفة من هاتفك الذكي عبر OTA.

الخطوة الثالثة: فهم أساسيات التيار المتردد

في تحليل دارة التيار المتردد ، يتغير كل من الجهد والتيار جيبيًا مع مرور الوقت.

القوة الحقيقية (P):

هذه هي الطاقة التي يستخدمها الجهاز لإنتاج عمل مفيد ، ويتم التعبير عنها بالكيلوواط.

القوة الحقيقية = الجهد (V) x الحالي (I) x cosΦ

القوة التفاعلية (س):

غالبًا ما تسمى هذه القوة التخيلية وهي مقياس للقوة تتأرجح بين المصدر والحمل ، والتي لا تؤدي إلى عمل مفيد.

الطاقة التفاعلية = الجهد (V) x الحالي (I) x sinΦ

القوة الظاهرة (القوة):

يتم تعريفه على أنه منتج جهد الجذر التربيعي (RMS) وتيار RMS. يمكن تعريف هذا أيضًا على أنه ناتج عن القوة الحقيقية والمتفاعلة. يتم التعبير عنها في kVA

القوة الظاهرة = الجهد (V) x الحالي (I)

العلاقة بين القوة الحقيقية والتفاعلية والظاهرة:

القوة الحقيقية = القوة الظاهرة x cosΦ

القوة التفاعلية = القوة الظاهرة x الخطيئةΦ

(كيلو فولت أمبير) ² = (كيلوواط) ² + (كيلو فولت أمبير) ²

معامل القدرة (pf):

تسمى نسبة القوة الحقيقية إلى القدرة الظاهرة في الدائرة بعامل القدرة.

عامل القدرة = القوة الحقيقية / القوة الظاهرة

مما سبق يتضح أنه يمكننا قياس كل أشكال الطاقة بالإضافة إلى عامل القدرة عن طريق قياس الجهد والتيار.

رصيد الصورة: openenergymonitor.org

الخطوة 4: مستشعر التيار

يتم قياس تيار التيار المتردد بشكل تقليدي باستخدام محول التيار ولكن بالنسبة لهذا المشروع ، تم اختيار ACS712 باعتباره المستشعر الحالي نظرًا لتكلفته المنخفضة وحجمه الأصغر. مستشعر التيار ACS712 هو مستشعر تيار هول الذي يقيس التيار بدقة عند إحداثه. يتم الكشف عن المجال المغناطيسي حول سلك التيار المتردد والذي يعطي جهد الخرج التناظري المكافئ. ثم تتم معالجة خرج الجهد التناظري بواسطة متحكم دقيق لقياس تدفق التيار خلال الحمل.

لمعرفة المزيد عن مستشعر ACS712 ، يمكنك زيارة هذا الموقع. للحصول على شرح أفضل حول عمل مستشعر تأثير القاعة ، استخدمت الصورة أعلاه من Embedded-lab.

الخطوة 5: القياس الحالي بواسطة ACS712

الناتج من مستشعر التيار ACS712 عبارة عن موجة جهد تيار متردد ، وعلينا حساب تيار جذر متوسط التربيع ، ويمكن القيام بذلك بالطريقة التالية

1. قياس الجهد الذروة إلى الذروة (Vpp)

2. اقسم الجهد الذروة إلى الذروة (Vpp) على اثنين للحصول على جهد الذروة (Vp)

3. اضربها في 0.707 للحصول على جهد جذر متوسط التربيع (Vrms)

ثم قم بضرب حساسية المستشعر الحالي (ACS712) للحصول على جذر متوسط التربيع الحالي.

نائب الرئيس = Vpp / 2

Vrms = Vp × 0.707

Irms = حساسية Vrms x

حساسية وحدة ACS712 5A هي 185mV / A ، 20A هي 100mV / A و 30A هي 66mV / A.

اتصال جهاز الاستشعار الحالي كما هو موضح أدناه

ACS712 اردوينو / ويموس

VCC ------ 5 فولت

خارج ----- A0

GND ----- GND

الخطوة 6: حساب الطاقة والطاقة

لقد وصفت سابقًا أساسيات الشكل المختلف لطاقة التيار المتردد. كوننا مستخدمًا منزليًا ، فإن القوة الحقيقية (kW) هي شاغلنا الرئيسي. لحساب القدرة الحقيقية ، نحتاج إلى قياس جذر متوسط التربيع للجهد ، وجذر متوسط التربيع للتيار وعامل القدرة (pF).

عادةً ما يكون جهد التيار الكهربائي في موقعي (230 فولت) ثابتًا تقريبًا (التأرجح ضئيل). لذلك سأترك مستشعرًا واحدًا لقياس الجهد. لا شك في أنك إذا قمت بتوصيل مستشعر الجهد ، فإن دقة القياس أفضل من حالتي. على أي حال ، تعتبر هذه الطريقة طريقة رخيصة وبسيطة لإكمال المشروع وتحقيق الهدف.

سبب آخر لعدم استخدام مستشعر الجهد يرجع إلى محدودية دبوس Wemos التناظري (واحد فقط). على الرغم من أنه يمكن توصيل مستشعر إضافي باستخدام ADC مثل ADS1115 ، إلا أنني سأتركه في الوقت الحالي. في المستقبل ، إذا حصلت على الوقت فسأضيفه بالتأكيد.

يمكن تغيير عامل الطاقة للحمل أثناء البرمجة أو من تطبيق الهاتف الذكي.

القوة الحقيقية (W) = Vrms x Irms x Pf

Vrms = 230 فولت (معروف)

Pf = 0.85 (معروف)

Irms = القراءة من المستشعر الحالي (غير معروف)

رصيد الصورة: imgoat

الخطوة 7: التواصل مع تطبيق Blynk

نظرًا لأن لوحة Wemos تحتوي على شريحة WiFi تحمل في ثناياه عوامل ، فقد فكرت في توصيلها بجهاز التوجيه الخاص بي ومراقبة طاقة الأجهزة المنزلية من هاتفي الذكي. مزايا استخدام لوحة Wemos بدلاً من Arduino هي: معايرة المستشعر وتغيير قيمة المعلمة من الهاتف الذكي عبر OTA دون برمجة وحدة التحكم الدقيقة فعليًا بشكل متكرر.

لقد بحثت عن الخيار البسيط حتى يتمكن أي شخص لديه خبرة قليلة من القيام به. أفضل خيار وجدته هو استخدام تطبيق Blynk. Blynk هو تطبيق يسمح بالتحكم الكامل في Arduino و ESP8266 و Rasberry و Intel Edison والمزيد من الأجهزة. وهو متوافق مع كل من Android و iPhone. في Blynk كل شيء يعمل على ⚡️Energy. عندما تنشئ حسابًا جديدًا ، تحصل على 200000 ينًا لبدء التجربة ؛ كل قطعة تحتاج إلى بعض الطاقة لتعمل. تحتاج لهذا المشروع 2400 ، لذلك عليك شراء طاقة إضافية 400 (التكلفة أقل من 1 دولار)

أنا. المقياس - 2 × ⚡️200 = ⚡️400

ثانيا. عرض القيمة المصنفة - 2 × ⚡️400 = ⚡️800

ثالثا. المتزلجون - 4 × ⚡️200 = 800

رابعا. القائمة - 1x ⚡️400 = ⚡️400

إجمالي الطاقة المطلوبة لهذا المشروع = 400 + 800 + 800 + 400 = ⚡️2400

اتبع الخطوات التالية:

الخطوة 1: قم بتنزيل تطبيق Blynk

1. لنظام Android

2. آيفون

الخطوة 2: احصل على Auth Token

لتوصيل تطبيق Blynk وجهازك ، تحتاج إلى Auth Token. قم بإنشاء حساب جديد في تطبيق Blynk.

2. اضغط على رمز QR في شريط القائمة العلوي. قم بإنشاء نسخة من هذا المشروع عن طريق مسح رمز الاستجابة السريعة الموضح أعلاه. بمجرد اكتشافه بنجاح ، سيكون المشروع بأكمله على هاتفك على الفور.

3. بعد إنشاء المشروع ، سنرسل لك Auth Token عبر البريد الإلكتروني.

4. تحقق من صندوق البريد الإلكتروني الخاص بك وابحث عن رمز المصادقة.

الخطوة 3: تحضير Arduino IDE للوحة Wemos

لتحميل كود Arduino على لوحة Wemos ، عليك اتباع هذه التعليمات

الخطوة 4: قم بتثبيت المكتبات

ثم عليك استيراد المكتبة إلى Arduino IDE الخاص بك

قم بتنزيل مكتبة Blynk

قم بتنزيل المكتبات لشاشة OLED: i. Adafruit_SSD1306 ثانيا. Adafruit-GFX- مكتبة

الخطوة 5: رسم اردوينو

بعد تثبيت المكتبات أعلاه ، الصق كود Arduino الموضح أدناه.

أدخل رمز المصادقة من الخطوة 1 ، SSID وكلمة المرور لجهاز التوجيه الخاص بك.

ثم قم بتحميل الكود.

الخطوة 8: تحضير لوحة الدائرة

لجعل الدائرة نظيفة ونظيفة ، صنعت لوحة دائرة باستخدام لوحة نموذجية بحجم 4 × 6 سم. أولاً ، قمت بلحام دبوس الرؤوس الذكور بلوحة Wemos. ثم قمت بلحام الرؤوس الأنثوية على لوحة النموذج الأولي لتركيب الألواح المختلفة:

1. لوحة Wemos (رأس أنثى 2 × 8 دبابيس)

2. 5V DC لوحة إمداد الطاقة (2 دبابيس +3 دبابيس رأس أنثى)

3. وحدة الاستشعار الحالية (3 دبابيس رأس أنثى)

4. شاشة OLED (رأس أنثى 4 دبابيس)

أخيرًا ، قمت بلحام طرف برغي ثنائي السن لإمداد التيار المتردد بوحدة إمداد الطاقة.

بعد لحام جميع رؤوس الرؤوس ، قم بإجراء الاتصال كما هو موضح أعلاه. لقد استخدمت سلك لحام 24 AWG لجميع الاتصالات.

الاتصال على النحو التالي

1. ACS712:

ACS712 ويموس

Vcc - 5 فولت

Gnd - GND

صوت - A0

2. شاشة OLED:

OLED Wemos

Vcc - 5 فولت

Gnd- GND

SCL - D1

SDA - D2

3.وحدة إمداد الطاقة:

دبوس إدخال التيار المتردد (2 دبوس) لوحدة إمداد الطاقة متصل بطرف المسمار.

يتم توصيل V1pin الناتج بـ Wemos 5V ودبوس GND متصل بدبوس Wemos GND.

الخطوة 9: الضميمة المطبوعة ثلاثية الأبعاد

لإعطاء مظهر تجاري لطيف ، صممت حاوية لهذا المشروع واستخدمت Autodesk Fusion 360 لتصميم العلبة. يتكون الغلاف من جزأين: الجزء السفلي والغطاء العلوي ، ويمكنك تنزيل ملفات. STL من Thingiverse.

تم تصميم الجزء السفلي بشكل أساسي ليناسب ثنائي الفينيل متعدد الكلور الرئيسي (4 × 6 سم) ومستشعر التيار وحامل الصمامات ، أما الغطاء العلوي فهو لتركيب مقبس التيار المتردد وشاشة OLED.

لقد استخدمت طابعة Creality CR-10S ثلاثية الأبعاد وخيوط PLA الفضية 1.75 مم وفتيل PLA الأحمر لطباعة الأجزاء. استغرق الأمر حوالي 5 ساعات لطباعة الجسم الرئيسي وحوالي 3 ساعات لطباعة الغطاء العلوي.

إعداداتي هي:

سرعة الطباعة: 60 مم / ثانية

ارتفاع الطبقة: 0.3

كثافة التعبئة: 100٪

درجة حرارة الطارد: 205 درجة مئوية

درجة حرارة السرير: 65 درجة مئوية

الخطوة 10: مخطط أسلاك التيار المتردد

يحتوي سلك طاقة التيار المتردد على 3 أسلاك: خط (أحمر) ، محايد (أسود) وأرضي (أخضر).

السلك الأحمر من سلك الطاقة متصل بأحد طرفي المنصهر. الطرف الآخر من المصهر متصل بنابض اثنين من الموصلات الطرفية. السلك الأسود متصل مباشرة بالموصل النابض.

الآن يتم فصل الطاقة المطلوبة للوحة الدائرة (Wemos و OLED و ACS712) بعد الموصل المحمّل بنابض. لعزل لوحة الدائرة الرئيسية ، يتم توصيل مفتاح متأرجح في سلسلة. انظر الرسم البياني أعلاه.

ثم يتم توصيل السلك الأحمر (الخط) بطرف توصيل التيار المتردد "L" والسلك الأخضر (الأرضي) بالطرف المركزي (الذي يحمل علامة G).

يتم توصيل الطرف المحايد بطرف واحد لمستشعر التيار ACS712. يتم توصيل الطرف الآخر من ACS712 مرة أخرى بالموصل المحمّل بنابض.

عند الانتهاء من جميع التوصيلات الخارجية ، قم بإجراء فحص دقيق للغاية للوحة وتنظيفها لإزالة بقايا تدفق اللحام.

ملاحظة: لا تلمس أي جزء من الدائرة أثناء وجودها تحت الطاقة. قد تؤدي أي لمسة عرضية إلى إصابة مميتة أو الوفاة. كن آمنا أثناء العمل ، لن أتحمل أي خسارة.

الخطوة 11: قم بتثبيت كافة المكونات

أدخل المكونات (مقبس التيار المتردد ومفتاح الروك وشاشة OLED) في فتحات الغطاء العلوي كما هو موضح في الصورة. ثم ثبت البراغي. يحتوي الجزء السفلي على 4 مواجهات لتركيب لوحة PCB الرئيسية. أولاً ، أدخل المواجهة النحاسية في الفتحة كما هو موضح أعلاه. ثم ثبت المسمار 2M في الزوايا الأربع.

ضع حامل المصهر ومستشعر التيار على الفتحة المتوفرة في الحاوية السفلية. لقد استخدمت مربعات تركيب 3M لإلصاقها بالقاعدة. ثم قم بتوجيه جميع الأسلاك بشكل صحيح.

أخيرًا ، ضع الغطاء العلوي وثبّت 4 صواميل (3 م × 16) في الزوايا.

الخطوة 12: الاختبار النهائي

قم بتوصيل سلك الطاقة الخاص بمقياس الطاقة بمأخذ التيار الكهربائي.

قم بتغيير المعلمات التالية من تطبيق Blynk

1. قم بتمرير منزلق المعايرة للحصول على الصفر الحالي عند عدم توصيل أي حمل.

2. قم بقياس جهد إمداد التيار المتردد بالمنزل باستخدام مقياس متعدد وقم بضبطه عن طريق تحريك منزلق جهد الإمداد.

3. تعيين معامل القدرة

4. أدخل تعريفة الطاقة في موقعك.

ثم قم بتوصيل الجهاز المراد قياس طاقته بالمقبس الموجود في عداد الطاقة. أنت الآن جاهز لقياس الطاقة التي تستهلكها.

آمل أن تكون قد استمتعت بالقراءة عن مشروعي بقدر ما استمتعت أثناء بنائه.

إذا كان لديك أي اقتراحات للتحسين ، فيرجى التعليق عليها أدناه.

الوصيف في مسابقة متحكم