Medidor de energía Arduino - V2.0: 12 pasos (con imágenes)

2024 Autor: John Day | [email protected]. Última modificación: 2024-01-30 08:42

Hola amigo, bienvenido de nuevo después de un largo descanso. Anteriormente publiqué un Instructables en Arduino Energy Meter que fue diseñado principalmente para monitorear la energía del panel solar (DC Power) en mi pueblo. Se hizo muy popular en Internet, muchas personas en todo el mundo han construido las suyas propias. Muchos estudiantes lo han logrado para su proyecto universitario gracias a mi ayuda. Aún así, ahora estoy recibiendo correos electrónicos y mensajes de personas con preguntas sobre la modificación de hardware y software para monitorear el consumo de energía de CA.

Entonces, en este Instructables, le mostraré cómo hacer un medidor de energía de CA habilitado para wifi mediante el uso de la placa Arduino / Wemos. Al usar este medidor de energía, puede medir el consumo de energía de cualquier electrodoméstico. Al final del proyecto, hice un bonito recinto impreso en 3D para este proyecto.

El objetivo de crear una mayor conciencia sobre el consumo de energía sería la optimización y reducción del uso de energía por parte del usuario. Esto reduciría sus costos de energía, además de ahorrar energía.

Por supuesto, ya existen muchos dispositivos comerciales para el monitoreo de energía, pero quería construir mi propia versión que fuera simple y de bajo costo.

Puedes encontrar todos mis proyectos en:

Paso 1: Piezas y herramientas necesarias

Componentes requeridos:

1. Wemos D1 mini pro (Amazon / Banggood)

2. Sensor de corriente -ACS712 (Amazon)

3. Pantalla OLED (Amazon / Banggood)

4. Fuente de alimentación de 5 V (Aliexpress)

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

6. Cable de 24 AWG (Amazon)

7. Pines de encabezado (Amazon / Banggood)

8. Cables de puente macho-hembra (Amazon)

9. Terminal de tornillo (Amazon)

10. Standoff (Banggood)

11. Tomacorriente de CA

12. Enchufe de CA

13. Conector con resorte (Banggood)

14. Interruptor basculante (Banggood)

15. PLA Filamento-Plata (GearBest)

16. Filamento PLA-Rojo (GearBest)

Herramientas necesarias:

1. Soldador (Amazon)

2. Pistola de pegamento (Amazon)

3. Cortador / pelacables (Amazon)

Impresora 4.3D (Creality CR10S)

Paso 2: ¿Cómo funciona?

El diagrama de bloques de todo el proyecto se muestra arriba.

La energía de la red de CA se extrae y pasa a través de un fusible para evitar cualquier daño a la placa de circuito durante el cortocircuito accidental.

Luego, la línea de alimentación de CA se distribuye en dos partes:

1. A la carga a través del sensor de corriente (ACS712)

2. Módulo de fuente de alimentación 230V AC / 5V DC

El módulo de fuente de alimentación de 5 V proporciona energía al microcontrolador (Arduino / Wemos), el sensor de corriente (ACS712) y la pantalla OLED.

La corriente CA que pasa a través de la carga es detectada por el módulo sensor de corriente (ACS712) y alimentada al pin analógico (A0) de la placa Arduino / Wemos. Una vez que se le da la entrada analógica a Arduino, la medición de potencia / energía se realiza mediante el boceto de Arduino.

La potencia y la energía calculadas por Arduino / Wemos se muestran en un módulo de pantalla OLED de 0,96.

El chip WiFi incorporado de Wemos está conectado al enrutador doméstico y vinculado a la aplicación Blynk. Para que pueda controlar los parámetros, así como calibrar y modificar diferentes configuraciones desde su teléfono inteligente a través de OTA.

Paso 3: Comprensión de los conceptos básicos de CA

En el análisis de circuitos de CA, tanto el voltaje como la corriente varían sinusoidalmente con el tiempo.

Poder real (P):

Esta es la potencia utilizada por el dispositivo para producir un trabajo útil y se expresa en kW.

Potencia real = Voltaje (V) x Corriente (I) x cosΦ

Potencia reactiva (Q):

Esto a menudo se llama potencia imaginaria, que es una medida de la potencia que oscila entre la fuente y la carga, que no realiza ningún trabajo útil. Se expresa en kVAr.

Potencia reactiva = Voltaje (V) x Corriente (I) x sinΦ

Poder aparente (S):

Se define como el producto de la tensión cuadrática media (RMS) y la corriente RMS. Esto también se puede definir como la resultante de la potencia real y reactiva. Se expresa en kVA.

Potencia aparente = Voltaje (V) x Corriente (I)

Relación entre potencia real, reactiva y aparente:

Potencia real = Potencia aparente x cosΦ

Potencia reactiva = potencia aparente x senΦ

(kVA) ² = (kW) ² + (kVAr) ²

Factor de potencia (pf):

La relación entre la potencia real y la potencia aparente en un circuito se denomina factor de potencia.

Factor de potencia = potencia real / potencia aparente

De lo anterior, está claro que podemos medir todas las formas de potencia, así como el factor de potencia, midiendo el voltaje y la corriente.

Crédito de la imagen: openenergymonitor.org

Paso 4: Sensor de corriente

La corriente CA se mide convencionalmente mediante el uso de un transformador de corriente, pero para este proyecto, se eligió el ACS712 como sensor de corriente debido a su bajo costo y tamaño más pequeño. El sensor de corriente ACS712 es un sensor de corriente de efecto Hall que mide con precisión la corriente cuando se induce. Se detecta el campo magnético alrededor del cable de CA, lo que proporciona el voltaje de salida analógico equivalente. Luego, el microcontrolador procesa la salida de voltaje analógico para medir el flujo de corriente a través de la carga.

Para saber más sobre el sensor ACS712, puede visitar este sitio. Para una mejor explicación sobre el funcionamiento del sensor de efecto Hall, he utilizado la imagen de arriba de Embedded-lab.

Paso 5: Medición de corriente por ACS712

La salida del sensor de corriente ACS712 es una onda de voltaje CA. Tenemos que calcular la corriente rms, esto se puede hacer de la siguiente manera

1. Medición del voltaje pico a pico (Vpp)

2. Divida el voltaje pico a pico (Vpp) por dos para obtener el voltaje pico (Vp)

3. Multiplíquelo por 0,707 para obtener el voltaje rms (Vrms)

Luego multiplique la Sensibilidad del sensor de corriente (ACS712) para obtener la corriente rms.

Vp = Vpp / 2

Vrms = Vp x 0,707

Irms = Vrms x Sensibilidad

La sensibilidad del módulo ACS712 5A es de 185 mV / A, el módulo de 20 A es de 100 mV / A y el módulo de 30 A es de 66 mV / A.

La conexión para el sensor de corriente es la siguiente

ACS712 Arduino / Wemos

VCC ------ 5 V

FUERA ----- A0

TIERRA ----- TIERRA

Paso 6: Cálculo de potencia y energía

Anteriormente he descrito los conceptos básicos de las diversas formas de alimentación de CA. Al ser un usuario doméstico, la potencia real (kW) es nuestra principal preocupación. Para calcular la potencia real necesitamos medir el voltaje rms, la corriente rms y el factor de potencia (pF).

Por lo general, el voltaje de la red en mi ubicación (230 V) es casi constante (la fluctuación es insignificante). Así que dejo un sensor para medir el voltaje. Sin duda, si conecta un sensor de voltaje, la precisión de la medición es mejor que en mi caso. De todos modos, este método es una forma barata y sencilla de completar el proyecto y cumplir el objetivo.

Otra razón para no usar el sensor de voltaje se debe a la limitación del pin analógico Wemos (solo uno). Aunque se puede conectar un sensor adicional usando un ADC como ADS1115, por el momento, lo dejo. En el futuro, si tengo tiempo, definitivamente lo agregaré.

El factor de potencia de la carga se puede cambiar durante la programación o desde la aplicación Smartphone.

Potencia real (W) = Vrms x Irms x Pf

Vrms = 230V (conocido)

Pf = 0.85 (conocido)

Irms = lectura del sensor de corriente (desconocido)

Crédito de la imagen: imgoat

Paso 7: Interfaz con la aplicación Blynk

Como la placa Wemos tiene un chip WiFi incorporado, pensé en conectarlo a mi enrutador y monitorear la energía de los electrodomésticos desde mi teléfono inteligente. Las ventajas de usar la placa Wemos en lugar de Arduino son: calibración del sensor y cambio del valor del parámetro desde el teléfono inteligente a través de OTA sin programar físicamente el microcontrolador repetidamente.

Busqué la opción simple para que cualquier persona con poca experiencia pueda hacerlo. La mejor opción que encontré es usar la aplicación Blynk. Blynk es una aplicación que permite un control total sobre Arduino, ESP8266, Rasberry, Intel Edison y mucho más hardware. Es compatible tanto con Android como con iPhone. En Blynk todo funciona con ⚡️Energy. Cuando crea una nueva cuenta, obtiene ⚡️2, 000 para comenzar a experimentar; Cada widget necesita algo de energía para funcionar. Para este proyecto, necesita ⚡️2400, por lo que debe comprar energía adicional ️⚡️400 (el costo es menos de $ 1)

I. Calibre - 2 x ⚡️200 = ⚡️400

ii. Pantalla de valor etiquetado - 2 x ⚡️400 = ⚡️800

iii. Deslizadores - 4 x ⚡️200 = ⚡️800

iv. Menú - 1x ⚡️400 = ⚡️400

Energía total requerida para este proyecto = 400 + 800 + 800 + 400 = ⚡️2400

Siga los pasos a continuación:

Paso 1: descargue la aplicación Blynk

1. Para Android

2. Para iPhone

Paso 2: Obtenga el token de autenticación

Para conectar la aplicación Blynk y su hardware, necesita un token de autenticación. Cree una nueva cuenta en la aplicación Blynk.

2. Presione el ícono QR en la barra de menú superior. Cree un clon de este proyecto escaneando el código QR que se muestra arriba. Una vez que se detectó correctamente, todo el proyecto estará en su teléfono de inmediato.

3. Una vez creado el proyecto, le enviaremos un token de autenticación por correo electrónico.

4. Revise la bandeja de entrada de su correo electrónico y busque el token de autenticación.

Paso 3: preparación de Arduino IDE para Wemos Board

Para cargar el código Arduino en la placa Wemos, debe seguir este Instructables

Paso 4: instalar las bibliotecas

Entonces tienes que importar la biblioteca a tu Arduino IDE

Descarga la biblioteca Blynk

Descargue las bibliotecas para OLED Display: i. Adafruit_SSD1306 ii. Biblioteca Adafruit-GFX

Paso 5: Boceto de Arduino

Después de instalar las bibliotecas anteriores, pegue el código de Arduino que se proporciona a continuación.

Ingrese el código de autenticación del paso 1, ssid y contraseña de su enrutador.

Luego cargue el código.

Paso 8: Prepare la placa de circuito

Para hacer el circuito limpio y ordenado, hice una placa de circuito usando una placa prototipo de 4x6 cm. Primero soldé el pin de encabezados macho a la placa Wemos. Luego soldé los encabezados hembra en la placa prototipo para montar las diferentes placas:

1. Tablero Wemos (encabezado hembra de 2 x 8 pines)

2. Placa de fuente de alimentación de 5 V CC (2 pines + 3 pines Encabezado hembra)

3. Módulo de sensor de corriente (cabezal hembra de 3 pines)

4. Pantalla OLED (encabezado hembra de 4 pines)

Por fin, soldé un terminal de tornillo de 2 pines para el suministro de CA de entrada a la unidad de suministro de energía.

Después de soldar todos los pines de los encabezados, realice la conexión como se muestra arriba. Usé alambre de soldadura de 24 AWG para toda la conexión.

La conexión es la siguiente

1. ACS712:

ACS712 Wemos

Vcc-- 5 V

GND - GND

Vout - A0

2. Pantalla OLED:

Wemos OLED

Vcc-- 5 V

Gnd-- GND

SCL-- D1

SDA - D2

3. Módulo de fuente de alimentación:

El pin de entrada de CA (2 pines) del módulo de fuente de alimentación conectado al terminal de tornillo.

La salida V1pin está conectada a Wemos 5V y el pin GND está conectado al pin Wemos GND.

Paso 9: Caja impresa en 3D

Para darle un aspecto agradable al producto comercial, diseñé un gabinete para este proyecto y utilicé Autodesk Fusion 360 para diseñar el gabinete. El gabinete tiene dos partes: tapa inferior y superior. Puede descargar los archivos. STL de Thingiverse.

La parte inferior está diseñada básicamente para adaptarse a la PCB principal (4 x 6 cm), el sensor de corriente y el portafusibles. La tapa superior sirve para montar la toma de CA y la pantalla OLED.

Utilicé mi impresora 3D Creality CR-10S y filamento PLA plateado y PLA rojo de 1,75 mm para imprimir las piezas. Me tomó alrededor de 5 horas imprimir el cuerpo principal y alrededor de 3 horas imprimir la tapa superior.

Mis configuraciones son:

Velocidad de impresión: 60 mm / s

Altura de la capa: 0.3

Densidad de relleno: 100%

Temperatura de la extrusora: 205 ° C

Temperatura de la cama: 65 ° C

Paso 10: Diagrama de cableado de CA

El cable de alimentación de CA tiene 3 cables: Línea (rojo), Neutro (negro) y Tierra (verde).

El cable rojo del cable de alimentación está conectado a un terminal del fusible. El otro terminal del fusible está conectado a dos conectores terminales cargados por resorte. El cable negro conectado directamente al conector con resorte.

Ahora, la energía requerida para la placa de circuito (Wemos, OLED y ACS712) se corta después del conector con resorte. Para aislar la placa de circuito principal, se conecta un interruptor basculante en serie. Vea el diagrama de circuito anterior.

Luego, el cable rojo (línea) se conecta al terminal "L" de la toma de CA y el cable verde (tierra) se conecta al terminal central (marcado como G).

El terminal neutral está conectado a un terminal del sensor de corriente ACS712. El otro terminal del ACS712 se conecta de nuevo al conector con resorte.

Cuando se hayan terminado todas las conexiones externas, realice una inspección muy cuidadosa de la placa y límpiela para eliminar los residuos de fundente de soldadura.

Nota: No toque ninguna parte del circuito mientras esté encendido. Cualquier toque accidental puede provocar lesiones fatales o la muerte. Esté seguro durante el trabajo, no seré responsable de ninguna pérdida.

Paso 11: Instale todos los componentes

Inserte los componentes (toma de CA, interruptor basculante y pantalla OLED) en las ranuras de la tapa superior como se muestra en la imagen. Luego asegure los tornillos. La parte inferior tiene 4 separadores para montar la placa PCB principal. Primero, inserte el separador de latón en el orificio como se muestra arriba. Luego, asegure el tornillo 2M en las cuatro esquinas.

Coloque el portafusibles y el sensor de corriente en la ranura provista en la caja inferior. Usé cuadrados de montaje de 3M para pegarlos en la base. Luego, enrute todos los cables correctamente.

Finalmente, coloque la tapa superior y asegure las 4 tuercas (3M x16) en las esquinas.

Paso 12: Prueba final

Enchufe el cable de alimentación del Energy Meter a la toma de corriente.

Cambie los siguientes parámetros de la aplicación Blynk

1. Deslice el control deslizante CALIBRAR para obtener el cero actual cuando no hay carga conectada.

2. Mida el voltaje de suministro de CA de la casa usando un multímetro y configúrelo deslizando el control deslizante SUPPLY VOLTAGE.

3. Configure el factor de potencia

4. Ingrese la tarifa de energía en su ubicación.

A continuación, conecte el aparato cuya potencia se va a medir a la toma del contador de energía. Ahora está listo para medir la energía que consume.

Espero que hayan disfrutado leyendo sobre mi proyecto tanto como yo disfruté durante la construcción.

Si tiene alguna sugerencia de mejora, coméntela a continuación. ¡Gracias!

Finalista en el Concurso de Microcontroladores