Medidor de energia Arduino - V2.0: 12 etapas (com imagens)

2024 Autor: John Day | [email protected]. Última modificação: 2024-01-30 11:37

Olá amigo, seja bem-vindo de volta após uma longa pausa. Anteriormente, postei um Instructables no Arduino Energy Meter que foi projetado principalmente para monitorar a energia do painel solar (DC Power) em minha vila. Tornou-se muito popular na internet, muitas pessoas em todo o mundo criaram o seu próprio. Muitos alunos conseguiram chegar ao seu projeto de faculdade recebendo minha ajuda. Mesmo assim, agora estou recebendo e-mails e mensagens de pessoas com perguntas sobre modificação de hardware e software para monitorar o consumo de energia CA.

Portanto, neste Instructables, vou mostrar a você como fazer um medidor de energia AC habilitado para wi-fi usando a placa Arduino / Wemos. Usando este medidor de energia, você pode medir o consumo de energia de qualquer eletrodoméstico. No final do projeto, fiz um belo gabinete impresso em 3D para este projeto.

O objetivo de criar mais consciência sobre o consumo de energia seria a otimização e redução do uso de energia pelo usuário. Isso reduziria seus custos de energia, além de conservar energia.

Claro, já existem muitos dispositivos comerciais para monitoramento de energia, mas eu queria construir minha própria versão que deve ser simples e de baixo custo.

Você pode encontrar todos os meus projetos em:

Etapa 1: Peças e ferramentas necessárias

Componentes necessários:

1. Wemos D1 mini pro (Amazon / Banggood)

2. Sensor de corrente -ACS712 (Amazon)

3. Display OLED (Amazon / Banggood)

4. Fonte de alimentação 5V (Aliexpress)

5. Placa de protótipo - 4 x 6 cm (Amazon / Banggood)

6. Cabo 24 AWG (Amazon)

7. Pinos de cabeçalho (Amazon / Banggood)

8. Fios de ligação macho-fêmea (Amazon)

9. Terminal de parafuso (Amazon)

10. Standoff (Banggood)

11. Tomada CA

12. Plugue AC

13. Conector com mola (Banggood)

14. Botão basculante (Banggood)

15. PLA Filament-Silver (GearBest)

16. PLA Filament-Red (GearBest)

Ferramentas necessárias:

1. Ferro de soldar (Amazon)

2. Gun Gun (Amazon)

3. Cortador de fio / descascador (Amazon)

Impressora 4.3D (Creality CR10S)

Etapa 2: Como funciona?

O diagrama de blocos de todo o projeto é mostrado acima.

A energia da rede elétrica CA é retirada e passada por um fusível para evitar qualquer dano à placa de circuito durante o curto-circuito acidental.

Em seguida, a linha de alimentação CA é distribuída em duas partes:

1. Para a carga através do sensor de corrente (ACS712)

2. Módulo de fonte de alimentação 230V AC / 5V DC

O módulo de fonte de alimentação de 5 V fornece energia para o microcontrolador (Arduino / Wemos), o sensor de corrente (ACS712) e o display OLED.

A corrente AC que passa pela carga é detectada pelo módulo do sensor de corrente (ACS712) e alimentada ao pino analógico (A0) da placa Arduino / Wemos. Uma vez que a entrada analógica é fornecida ao Arduino, a medição de potência / energia é feita pelo esboço do Arduino.

A potência e a energia calculadas pelo Arduino / Wemos são exibidas em um módulo de display OLED de 0,96.

O chip WiFi embutido do Wemos é conectado ao Home Router e ao aplicativo Blynk. Assim, você pode monitorar os parâmetros, bem como calibrar e modificar diferentes configurações do seu Smartphone via OTA.

Etapa 3: Noções básicas sobre AC

Na análise do circuito CA, tanto a tensão quanto a corrente variam senoidalmente com o tempo.

Potência real (P):

Esta é a potência usada pelo dispositivo para produzir trabalho útil. É expressa em kW.

Potência real = Tensão (V) x Corrente (I) x cosΦ

Potência reativa (Q):

Isso é frequentemente chamado de potência imaginária, que é uma medida da potência que oscila entre a fonte e a carga, que não faz nenhum trabalho útil. É expressa em kVAr

Potência reativa = Tensão (V) x Corrente (I) x sinΦ

Potência aparente (S):

É definido como o produto da Tensão do Quadrado Médio (RMS) e da Corrente RMS. Isso também pode ser definido como a resultante da potência real e reativa. É expresso em kVA

Potência aparente = Tensão (V) x Corrente (I)

Relação entre potência real, reativa e aparente:

Potência real = potência aparente x cosΦ

Potência reativa = Potência aparente x sinΦ

(kVA) ² = (kW) ² + (kVAr) ²

Fator de potência (pf):

A relação entre a potência real e a potência aparente em um circuito é chamada de fator de potência.

Fator de potência = potência real / potência aparente

Do exposto, é claro que podemos medir todas as formas de potência, bem como o fator de potência, medindo a tensão e a corrente.

Crédito da imagem: openenergymonitor.org

Etapa 4: Sensor de corrente

A corrente AC é convencionalmente medida usando um transformador de corrente, mas para este projeto, o ACS712 foi escolhido como o sensor de corrente devido ao seu baixo custo e tamanho menor. O sensor de corrente ACS712 é um sensor de corrente de efeito Hall que mede com precisão a corrente quando induzido. O campo magnético ao redor do fio CA é detectado, o que dá a tensão de saída analógica equivalente. A saída de tensão analógica é então processada pelo microcontrolador para medir o fluxo de corrente através da carga.

Para saber mais sobre o sensor ACS712, você pode visitar este site. Para uma melhor explicação sobre o funcionamento do sensor de efeito Hall, usei a imagem acima do Embedded-lab.

Etapa 5: Medição de Corrente por ACS712

A saída do sensor de corrente ACS712 é uma onda de tensão CA. Temos que calcular a corrente eficaz, isso pode ser feito da seguinte maneira

1. Medindo a tensão de pico a pico (Vpp)

2. Divida a tensão de pico a pico (Vpp) por dois para obter a tensão de pico (Vp)

3. Multiplique por 0,707 para obter a tensão rms (Vrms)

Em seguida, multiplique a Sensibilidade do sensor de corrente (ACS712) para obter a corrente eficaz.

Vp = Vpp / 2

Vrms = Vp x 0,707

Irms = Vrms x Sensibilidade

A sensibilidade para o módulo ACS712 5A é 185mV / A, o módulo 20A é 100mV / A e o módulo 30A é 66mV / A.

A conexão para o sensor de corrente é como abaixo

ACS712 Arduino / Wemos

VCC ------ 5V

OUT ----- A0

GND ----- GND

Etapa 6: cálculo de potência e energia

Anteriormente, descrevi os fundamentos das várias formas de alimentação CA. Sendo um usuário doméstico, a potência real (kW) é a nossa principal preocupação. Para calcular a potência real, precisamos medir a tensão rms, a corrente rms e o fator de potência (pF).

Normalmente, a tensão da rede elétrica na minha localização (230 V) é quase constante (a flutuação é insignificante). Portanto, estou deixando um sensor para medir a tensão. Sem dúvida, se você conectar um sensor de tensão, a precisão da medição é melhor do que no meu caso. De qualquer forma, este método é uma forma barata e simples de concluir o projeto e cumprir o objetivo.

Outro motivo para a não utilização do sensor de tensão é a limitação do pino analógico Wemos (apenas um). Embora o sensor extra possa ser conectado usando um ADC como ADS1115, por enquanto, estou deixando isso. No futuro, se eu tiver tempo, com certeza vou adicioná-lo.

O fator de potência da carga pode ser alterado durante a programação ou a partir do aplicativo para smartphone.

Potência real (W) = Vrms x Irms x Pf

Vrms = 230V (conhecido)

Pf = 0,85 (conhecido)

Irms = leitura do sensor atual (desconhecido)

Crédito da imagem: imgoat

Etapa 7: interface com o aplicativo Blynk

Como a placa Wemos possui chip WiFi embutido, pensei em conectá-la ao meu roteador e monitorar a Energia dos eletrodomésticos do meu Smartphone. As vantagens de usar a placa Wemos em vez do Arduino são: calibração do sensor e alteração do valor do parâmetro do smartphone via OTA sem programar fisicamente o microcontrolador repetidamente.

Procurei a opção simples para que qualquer pessoa com pouca experiência possa fazer. A melhor opção que encontrei é usar o aplicativo Blynk. Blynk é um aplicativo que permite controle total sobre Arduino, ESP8266, Rasberry, Intel Edison e muito mais hardware. É compatível com Android e iPhone. Em Blynk, tudo funciona com ⚡️Energia. Ao criar uma nova conta, você ganha ⚡️2.000 para começar a experimentar; Cada widget precisa de um pouco de energia para funcionar. Para este projeto, você precisa de ⚡️ 2.400, então você tem que comprar energia adicional de ️⚡️ 400 (o custo é inferior a $ 1)

eu. Medidor - 2 x ⚡️200 = ⚡️400

ii. Exibição de valor rotulado - 2 x ⚡️400 = ⚡️800

iii. Controles deslizantes - 4 x ⚡️200 = ⚡️800

4. Menu - 1x ⚡️400 = ⚡️400

Energia total necessária para este projeto = 400 + 800 + 800 + 400 = ⚡️ 2.400

Siga as etapas abaixo:

Etapa 1: Baixe o aplicativo Blynk

1. Para Android

2. Para iPhone

Etapa 2: obtenha o token de autenticação

Para conectar o Blynk App e seu hardware, você precisa de um Auth Token.1. Crie uma nova conta no aplicativo Blynk.

2. Pressione o ícone QR na barra de menu superior. Crie um clone deste projeto digitalizando o código QR mostrado acima. Assim que for detectado com sucesso, todo o projeto estará no seu telefone imediatamente.

3. Após a criação do projeto, enviaremos o Auth Token por e-mail.

4. Verifique sua caixa de entrada de e-mail e encontre o token de autenticação.

Etapa 3: Preparando o IDE Arduino para a placa Wemos

Para fazer o upload do código do Arduino para a placa Wemos, você deve seguir este Instructables

Etapa 4: instalar as bibliotecas

Então você tem que importar a biblioteca para o seu Arduino IDE

Baixe a Biblioteca Blynk

Baixe as bibliotecas para display OLED: i. Adafruit_SSD1306 ii. Biblioteca Adafruit-GFX

Etapa 5: esboço do Arduino

Depois de instalar as bibliotecas acima, cole o código do Arduino fornecido a seguir.

Digite o código de autenticação da etapa 1, ssid e senha do seu roteador.

Em seguida, faça upload do código.

Etapa 8: Prepare a placa de circuito

Para deixar o circuito limpo e arrumado, fiz uma placa de circuito usando uma placa protótipo de 4x6 cm. Primeiro, soldei o pino macho do cabeçote na placa Wemos. Em seguida, soldei os conectores fêmeas na placa de protótipo para montar as diferentes placas:

1. Placa Wemos (cabeçalho fêmea de 2 x 8 pinos)

2. Placa de fonte de alimentação de 5 Vcc (2 pinos + 3 pinos de cabeçote feminino)

3. Módulo de sensor de corrente (cabeçalho fêmea de 3 pinos)

4. Display OLED (cabeçalho fêmea de 4 pinos)

Por fim, soldei um terminal de parafuso de 2 pinos para a fonte de alimentação CA da fonte de alimentação.

Após soldar todos os pinos dos conectores, faça a conexão conforme mostrado acima. Usei fio de solda 24 AWG para toda a conexão.

A conexão é a seguinte

1. ACS712:

ACS712 Wemos

Vcc-- 5V

Gnd - GND

Vout - A0

2. Display OLED:

OLED Wemos

Vcc-- 5V

Gnd-- GND

SCL-- D1

SDA - D2

3. Módulo de fonte de alimentação:

O pino de entrada CA (2 pinos) do módulo de fonte de alimentação conectado ao terminal de parafuso.

A saída V1pin é conectada ao Wemos 5V e o pino GND é conectado ao pino Wemos GND.

Etapa 9: Gabinete impresso em 3D

Para dar uma boa aparência de produto comercial, projetei um gabinete para este projeto. Usei o Autodesk Fusion 360 para projetar o gabinete. O gabinete tem duas partes: tampa inferior e superior. Você pode baixar os arquivos. STL do Thingiverse.

A parte inferior é basicamente projetada para caber na placa de circuito impresso principal (4 x 6 cm), sensor de corrente e porta-fusível. A tampa superior é para montar o soquete CA e o display OLED.

Usei minha impressora 3D Creality CR-10S e filamento PLA prata de 1,75 mm e PLA vermelho para imprimir as peças. Levei cerca de 5 horas para imprimir o corpo principal e cerca de 3 horas para imprimir a tampa superior.

Minhas configurações são:

Velocidade de impressão: 60 mm / s

Altura da camada: 0,3

Densidade de preenchimento: 100%

Temperatura da extrusora: 205 degC

Temp. Do leito: 65 degC

Etapa 10: Diagrama de fiação CA

O cabo de alimentação CA possui 3 fios: Linha (vermelho), Neutro (preto) e Terra (verde).

O fio vermelho do cabo de alimentação está conectado a um terminal do fusível. O outro terminal do fusível é conectado a dois conectores de terminal com mola. O fio preto diretamente conectado ao conector com mola.

Agora, a alimentação necessária para a placa de circuito (Wemos, OLED e ACS712) é isolada após o conector com mola. Para isolar a placa de circuito principal, uma chave oscilante é conectada em série. Veja o diagrama de circuito acima.

Em seguida, o fio vermelho (linha) é conectado ao terminal "L" da tomada CA e o fio verde (terra) é conectado ao terminal central (marcado como G).

O terminal neutro é conectado a um terminal do sensor de corrente ACS712. O outro terminal do ACS712 é ligado de volta ao conector com mola.

Quando todas as conexões externas forem concluídas, faça uma inspeção muito cuidadosa na placa e limpe-a para remover os resíduos do fluxo de solda.

Nota: Não toque em nenhuma parte do circuito enquanto ele estiver sob alimentação. Qualquer toque acidental pode causar ferimentos fatais ou morte. Esteja seguro durante o trabalho, não serei responsável por qualquer perda.

Etapa 11: instalar todos os componentes

Insira os componentes (soquete CA, interruptor basculante e display OLED) nos slots da tampa superior, conforme mostrado na imagem. Em seguida, aperte os parafusos. A parte inferior possui 4 espaçadores para montagem da placa PCB principal. Primeiro, insira o espaçador de latão no orifício como mostrado acima. Em seguida, prenda o parafuso 2M nos quatro cantos.

Coloque o porta-fusível e o sensor de corrente no slot fornecido no invólucro inferior. Usei quadrados de montagem 3M para fixá-los na base. Em seguida, direcione todos os fios corretamente.

Por fim, coloque a tampa superior e fixe as 4 porcas (3M x16) nos cantos.

Etapa 12: Teste Final

Conecte o cabo de alimentação do medidor de energia à tomada da rede elétrica.

Altere os seguintes parâmetros do aplicativo Blynk

1. Deslize o controle deslizante CALIBRAR para obter o zero atual quando nenhuma carga estiver conectada.

2. Meça a tensão de alimentação CA doméstica usando um multímetro e defina-a deslizando o controle deslizante SUPPLY VOLTAGE.

3. Defina o fator de potência

4. Insira a tarifa de energia em sua localização.

Em seguida, conecte o aparelho cuja potência a ser medida à tomada do medidor de energia. Agora você está pronto para medir a energia consumida por ele.

Espero que você tenha gostado de ler sobre meu projeto tanto quanto eu gostei durante sua construção.

Se você tiver alguma sugestão de melhorias, por favor, comente abaixo. Obrigado!

Vice-campeão no concurso de microcontroladores