Módulo de energía de IoT: adición de una función de medición de energía de IoT a mi controlador de carga solar: 19 pasos (con imágenes)

2024 Autor: John Day | [email protected]. Última modificación: 2024-01-30 08:41

Hola a todos, espero que estén geniales! En este instructivo, les mostraré cómo hice un módulo de medición de potencia de IoT que calcula la cantidad de energía generada por mis paneles solares, que está siendo utilizada por mi controlador de carga solar para cargar mi paquete de baterías de plomo-ácido. Este módulo se encuentra entre los paneles solares y el controlador de carga y le brinda todos los detalles de los parámetros necesarios en su teléfono a través de Internet. Para la plataforma de IoT, he usado Blynk, que es muy fácil de usar y se puede personalizar fácilmente según su proyecto. La limitación del controlador de carga existente fue que solo me dio el voltaje de carga y, por lo tanto, no se pudo determinar la cantidad de energía. En este proyecto, agregué las funciones de medición de voltaje y corriente al módulo de potencia que se puede usar para calcular la potencia (en vatios) y, por lo tanto, la energía total recolectada. Se puede utilizar fácilmente este módulo de potencia en otras aplicaciones de medición de potencia de CC. Este será un instructivo bastante largo, ¡así que comencemos!

Suministros

1. Arduino Pro Mini / Nano o equivalente
2. Módulo convertidor reductor LM2596
3. Regulador de voltaje 7805
4. Regulador AMS1117 3.3V
5. Módulo WiFi ESP8266-01
6. Pantalla OLED
7. Amplificador operacional doble LM358
8. Resistencias de 100 K, 10 K, 2,2 K y 1 K (1/4 vatio)
9. Condensadores de disco cerámico 0.1uF
10. Condensador electrolítico 22uF
11. Terminales de tornillo
12. Tira de berg macho y hembra
13. Interruptor encendido / apagado
14. Tablero perfilado o veroboard
15. Equipos de soldadura

Paso 1: reunir todas las piezas y finalizar el diseño

Una vez que hayamos reunido todos los componentes necesarios, es importante que decidamos cuidadosamente el diseño de nuestra placa y la ubicación de los diferentes componentes para que el cableado sea simple y todos los componentes colocados cerca unos de otros. Para la conexión del Arduino, el convertidor buck, el módulo WiFi y la pantalla Oled, usaré encabezados hembra en lugar de soldar directamente los módulos, de esta manera puedo usar los componentes para tal vez algún otro proyecto, pero puede soldar directamente los módulos si lo planea para hacerlo permanente.

Paso 2: Adición de terminales roscados

En primer lugar soldamos los terminales de tornillo que se utilizarán para conectar los paneles solares como entrada y el controlador de carga como salida al módulo de potencia. Los terminales de tornillo proporcionan una manera fácil de enchufar o quitar dispositivos cuando sea necesario.

Paso 3: Agregar la red del divisor de voltaje de la resistencia

Para detectar el voltaje de entrada, se utiliza una red de divisores de voltaje. Para mi aplicación, hice una red de resistencias usando una resistencia de 10K y 1K y estoy midiendo la caída de voltaje en la resistencia de 1K que se dará como entrada al microcontrolador Arduino. Además, agregué un capacitor de 0.1uF a través de la resistencia de 1K para suavizar cualquier fluctuación repentina de voltaje.

Paso 4: Adición de la resistencia de derivación para detección de corriente

La resistencia de derivación es una resistencia de valor muy pequeño (típicamente en el orden de miliohmios) en serie con la carga, lo que crea una caída de voltaje muy pequeña que se puede amplificar usando un amplificador operacional y la salida se puede entregar a arduino para su medición. Para medir la corriente, estoy usando la resistencia de derivación (que tiene un valor de aproximadamente 10 miliohms. Lo hice usando un cable de acero y doblándolo para hacer una especie de patrón de bobina) en el lado bajo del circuito, es decir, entre la carga y el suelo. De esta manera, la pequeña caída de voltaje se puede medir directamente con respecto a tierra.

Paso 5: Agregar el circuito amplificador OpAmp

El amplificador operacional utilizado aquí es LM358, que es un chip Op-Amp dual. Usaremos solo un amplificador operacional como amplificador no inversor. La ganancia del amplificador no inversor se puede configurar utilizando las redes de resistencias R1 y R2 como se muestra en la imagen. Para mi aplicación, elegí R1 como 100K y R2 como 2.2K, lo que me da una ganancia aproximada de 46. La resistencia y el OpAmp no son perfectos, por lo que deben realizarse algunos ajustes en el programa arduino para obtener buenas lecturas (discutiremos eso en pasos posteriores).

También hice un proyecto sobre cómo hacer un vatímetro para arduino aquí he discutido más conceptos en detalle. Puede consultar el proyecto aquí:

Paso 6: la fuente de alimentación

Para suministrar energía al módulo Arduino, OpAmp, OLED y WiFi, estoy usando un módulo convertidor buck LM2596 para reducir el voltaje de entrada a aproximadamente 7 voltios. Luego, usando un regulador de voltaje 7805, estoy convirtiendo los 7 voltios a 5 voltios para el Arduino y el OLED y usando un regulador AMS1117, generando los 3.3V necesarios para el Módulo WiFi. ¿Por qué tanto por la fuente de alimentación que pides? La razón es que no puede conectar directamente el panel solar a un regulador de 5 voltios y esperar que funcione de manera eficiente (ya que es un regulador lineal). Además, el voltaje nominal de un panel solar es de aproximadamente 18-20 voltios, lo que puede ser demasiado alto para el regulador lineal y puede freír sus dispositivos electrónicos en un santiamén. Así que es mejor tener instalado un convertidor buck eficiente

Paso 7: reparación del convertidor y regulador reductor

Primero, marqué las posiciones donde encajarían los pines del convertidor reductor. Luego soldé los conectores hembra a esos puntos y los conectores macho al convertidor reductor (para poder quitar fácilmente el módulo, si fuera necesario). el regulador de 5 V va justo debajo del módulo convertidor reductor y está conectado a la salida del convertidor para dar 5 V suaves al tablero de control.

Paso 8: agregar un conmutador

He agregado un interruptor entre el convertidor reductor y las entradas del panel solar, en caso de que quiera encender o apagar el módulo de energía. Si está apagado, la energía aún se entregará a la carga (controlador de carga en mi caso), solo las funciones de medición e IoT no funcionarán. La imagen de arriba también muestra el proceso de soldadura hasta ahora.

Paso 9: agregar los encabezados para Arduino y reparar el regulador de 3.3v

Ahora he cortado los encabezados hembra de acuerdo con el tamaño de Arduino pro mini y lo he soldado. Soldé el regulador AMS1117 directamente entre el Vcc y Gnd de la fuente de alimentación Arduino (Arduino obtiene 5V del regulador 7805 que a su vez suministra el AMS1117 para los 3.3v que necesita el módulo WiFi). He colocado estratégicamente los componentes de tal manera que tuve que usar un mínimo de cables y las piezas se pueden conectar a través de pistas de soldadura.

Paso 10: Agregar los encabezados para el módulo WiFi

Soldé los encabezados hembra para el módulo WiFi justo al lado de donde encajaría el Arduino pro mini.

Paso 11: Agregar los componentes para el módulo WiFi

El módulo ESP8266 funciona con 3,3 voltios y no con 5 voltios (al aplicar 5 voltios observé que el módulo se calienta mucho, mucho y muy probablemente se dañe si se usa durante demasiado tiempo). El Arduino y el módulo WiFi se comunican a través de una comunicación en serie que utiliza los pines Tx y Rx del módulo. Podemos configurar 2 pines digitales de arduino para que actúen como pines en serie utilizando la biblioteca de software en serie del arduino IDE. El pin Rx del módulo va al Tx de Arduino y viceversa. El pin Rx de ESP funciona con una lógica de 3.3V, por lo que usamos una red de divisor de voltaje de 2.2K y 1K para reducir el nivel lógico de 5V de Arduino a aproximadamente 3.6V (que aún es aceptable). Podemos conectar directamente el Tx de ESP a Rx de arduino ya que arduino es compatible con 3.3v.

Paso 12: agregar la pantalla OLED

Para conectar la pantalla OLED necesitamos 4 conexiones, dos para la fuente de alimentación y 2 para el protocolo de comunicación I2C con el Arduino que son los pines A4 y A5 del Arduino. Usaré un pequeño cable de puente junto con un cabezal macho para conectar los pines I2C y soldar directamente las conexiones de alimentación

Paso 13: Revisión final de la placa modular

Después de completar finalmente todo el proceso de soldadura, ¡así es como se ve la placa! Sí, tuve que usar algunos cables al final, pero estaba bastante satisfecho con el resultado. La parte interesante es que la placa es completamente modular y todos los componentes principales se pueden quitar o reemplazar fácilmente si es necesario.

Paso 14: Poniéndolo todo junto

¡Así es como se ve el módulo completo cuando todo está en su lugar!

Vayamos a la parte del software ahora …

Paso 15: Programación usando la placa FTDI

Para programar este módulo utilizaré la placa de conexión FTDI que es ideal para programar Arduino Pro Mini. Su mapeo de pines está perfectamente alineado, por lo que no tendrá que usar puentes o algo así.

Paso 16: diagrama esquemático

Este es el diagrama de circuito completo del módulo de medidor de potencia de IoT. He diseñado este esquema en Eagle CAD. Siéntase libre de descargar y modificar los archivos esquemáticos según sus ideas:)

Paso 17: ¡Resultados

Completé la configuración conectando el módulo de energía entre el panel solar y el controlador de carga y, tan pronto como lo encendemos, se conecta a mi enrutador WiFi y los datos se publican constantemente en la aplicación Blynk de mi teléfono inteligente. Esto proporciona los datos en tiempo real de los parámetros de carga sin importar dónde esté, ¡en la medida en que tenga conectividad a Internet! Se siente genial ver que el proyecto funciona bien:)

Con fines experimentales, probé la configuración usando mi panel solar de 50 vatios y una batería de plomo ácido de 12 V 18 AH.

Paso 18: el código Arduino

Aquí está el código completo de Arduino que he usado para mi proyecto.

Hay algunas bibliotecas que necesitará para que este proyecto funcione correctamente, estas son:

La biblioteca maestra de Blynk

Biblioteca Adafruit_GFX

Biblioteca Adafruit_SSD1306

Espero que este proyecto haya sido de utilidad. Considere apoyar mis proyectos compartiéndolo con su comunidad:)

No dude en comentar cualquier comentario o consulta que tenga con respecto a este proyecto. Qué tengas un lindo día !

Este proyecto me ayuda a controlar la cantidad de energía que obtengo de mis paneles. Demos un paso adelante para girar más hacia las fuentes de energía renovables para reducir la huella de carbono y crear un medio ambiente sostenible:)