Arduino Energy Meter - V2.0: 12 Langkah (dengan Gambar)

2024 Pengarang: John Day | [email protected]. Terakhir diubah: 2024-01-30 09:55

Halo teman, selamat datang kembali setelah istirahat panjang. Sebelumnya saya telah memposting Instructables pada Arduino Energy Meter yang terutama dirancang untuk memantau daya dari panel surya (Daya DC) di desa saya. Ini menjadi sangat populer di internet, banyak orang di seluruh dunia telah membangunnya sendiri. Begitu banyak siswa telah berhasil untuk proyek kuliah mereka dengan mengambil bantuan dari saya. Namun, sekarang saya menerima email dan pesan dari orang-orang dengan pertanyaan tentang modifikasi perangkat keras dan perangkat lunak untuk memantau konsumsi Daya AC.

Jadi Dalam Instruksi ini, saya akan menunjukkan cara membuat Pengukur Energi AC berkemampuan wifi sederhana dengan menggunakan papan Arduino/Wemos. Dengan menggunakan Pengukur Energi ini, Anda dapat mengukur konsumsi daya peralatan rumah apa pun. Di akhir proyek, saya membuat enklosur cetak 3D yang bagus untuk proyek ini.

Tujuan untuk menciptakan lebih banyak kesadaran tentang konsumsi energi adalah optimalisasi dan pengurangan penggunaan energi oleh pengguna. Ini akan mengurangi biaya energi mereka, serta menghemat energi.

Tentu saja, banyak perangkat komersial sudah ada untuk pemantauan energi, tetapi saya ingin membuat versi saya sendiri yang sederhana dan berbiaya rendah.

Anda dapat menemukan semua proyek saya di:

Langkah 1: Bagian dan Alat yang Diperlukan

Komponen yang Dibutuhkan:

1. Wemos D1 mini pro (Amazon / Banggood)

2. Sensor Arus -ACS712 (Amazon)

3. Tampilan OLED (Amazon / Banggood)

4. Catu Daya 5V (Aliexpress)

5. Papan Prototipe - 4 x 6cm (Amazon / Banggood)

6. 24 Kawat AWG (Amazon)

7. Pin Header (Amazon / Banggood)

8. Kabel Jumper Pria-Wanita (Amazon)

9. Terminal Sekrup (Amazon)

10. Kebuntuan (Banggood)

11. Stopkontak AC

12. Steker AC

13. Konektor pegas (Banggood)

14. Saklar Rocker (Banggood)

15. PLA Filament-Silver (GearBest)

16. PLA Filament-Red (GearBest)

Alat yang Dibutuhkan:

1. Besi Solder (Amazon)

2. Pistol Lem (Amazon)

3. Pemotong Kawat/Stripper (Amazon)

Pencetak 4.3D (Creality CR10S)

Langkah 2: Bagaimana Cara Kerjanya?

Diagram blok dari seluruh proyek ditunjukkan di atas.

Daya dari listrik AC ditarik dan dilewatkan melalui sekering untuk menghindari kerusakan pada papan sirkuit selama korsleting yang tidak disengaja.

Kemudian saluran listrik AC didistribusikan dalam dua bagian:

1. Ke beban melalui sensor arus (ACS712)

2. Modul Catu Daya 230V AC/5V DC

Modul catu daya 5V memberikan daya ke mikrokontroler (Arduino/Wemos), sensor Arus (ACS712) dan layar OLED.

Arus AC yang melewati beban dirasakan oleh modul sensor arus (ACS712) dan diumpankan ke pin analog (A0) papan Arduino/Wemos. Setelah input analog diberikan ke Arduino, pengukuran daya/energi dilakukan dengan sketsa Arduino.

Daya dan energi yang dihitung oleh Arduino/Wemos ditampilkan pada modul layar OLED 0,96.

Chip WiFi inbuilt dari Wemos terhubung ke Router Rumah dan ditautkan ke Aplikasi Blynk. Jadi Anda dapat memantau parameter serta mengkalibrasi dan mengubah pengaturan yang berbeda dari Smartphone Anda melalui OTA.

Langkah 3: Memahami Dasar-dasar AC

Dalam analisis rangkaian AC, tegangan dan arus bervariasi secara sinusoidal terhadap waktu.

Kekuatan Nyata (P):

Ini adalah daya yang digunakan oleh perangkat untuk menghasilkan pekerjaan yang berguna. Ini dinyatakan dalam kW.

Daya Nyata = Tegangan (V) x Arus (I) x cosΦ

Daya Reaktif (Q):

Ini sering disebut daya imajiner yang merupakan ukuran daya yang berosilasi antara sumber dan beban, yang tidak melakukan kerja yang berguna. Hal ini dinyatakan dalam kVAr

Daya Reaktif = Tegangan (V) x Arus (I) x sinΦ

Daya Semu (S):

Ini didefinisikan sebagai produk dari Tegangan Root-Mean-Square (RMS) dan Arus RMS. Ini juga dapat didefinisikan sebagai resultan dari daya nyata dan reaktif. dinyatakan dalam kVA

Daya Semu = Tegangan (V) x Arus (I)

Hubungan antara daya Nyata, Reaktif dan Nyata:

Daya Nyata = Daya Nyata x cosΦ

Daya Reaktif = Daya Semu x sinΦ

(kVA)² = (kW)² + (kVAr)²

Faktor Daya (pf):

Rasio daya nyata dengan daya nyata dalam suatu rangkaian disebut faktor daya.

Faktor Daya = Daya Nyata / Daya Nyata

Dari uraian di atas jelas bahwa, kita dapat mengukur segala bentuk daya maupun faktor daya dengan mengukur tegangan dan arus.

Kredit gambar: openenergymonitor.org

Langkah 4: Sensor Arus

Arus AC secara konvensional diukur dengan menggunakan Trafo arus tetapi untuk proyek ini, ACS712 dipilih sebagai sensor arus karena biayanya yang murah dan ukurannya yang lebih kecil. Sensor Arus ACS712 adalah sensor arus Efek Hall yang secara akurat mengukur arus saat diinduksi. Medan magnet di sekitar kabel AC terdeteksi yang memberikan tegangan output analog yang setara. Keluaran tegangan analog tersebut kemudian diproses oleh mikrokontroler untuk mengukur arus yang mengalir melalui beban.

Untuk mengetahui lebih lanjut tentang sensor ACS712, Anda dapat mengunjungi situs ini. Untuk penjelasan yang lebih baik tentang cara kerja sensor efek hall, saya telah menggunakan gambar di atas dari Embedded-lab.

Langkah 5: Pengukuran Saat Ini dengan ACS712

Keluaran dari Sensor Arus ACS712 adalah gelombang tegangan AC. Kita harus menghitung arus rms, hal ini dapat dilakukan dengan cara berikut

1. Mengukur tegangan puncak ke puncak (Vpp)

2. Bagi tegangan puncak ke puncak (Vpp) dengan dua untuk mendapatkan tegangan puncak (Vp)

3. Kalikan dengan 0,707 untuk mendapatkan tegangan rms (Vrms)

Kemudian kalikan Sensitivitas sensor arus (ACS712) untuk mendapatkan arus rms.

Vp = Vpp/2

Vrms = Vp x 0,707

Irms = Vrms x Sensitivitas

Sensitivitas untuk modul ACS712 5A adalah 185mV/A, modul 20A adalah 100mV/A dan modul 30A adalah 66mV/A.

Koneksi untuk sensor saat ini seperti di bawah ini

ACS712 Arduino/Wemos

VCC ------ 5V

KELUAR ----- A0

GND ----- GND

Langkah 6: Perhitungan Daya dan Energi

Sebelumnya saya telah menjelaskan dasar-dasar dari berbagai bentuk Daya AC. Menjadi pengguna rumah tangga, daya nyata (kW) adalah perhatian utama kami. Untuk menghitung daya sebenarnya kita perlu mengukur tegangan rms, arus rms dan faktor daya (pF).

Biasanya, tegangan listrik di lokasi saya (230V) hampir konstan (fluktuasi dapat diabaikan). Jadi saya meninggalkan satu sensor untuk mengukur tegangan. Tidak diragukan lagi jika Anda memasang sensor tegangan, akurasi pengukuran lebih baik daripada dalam kasus saya. Bagaimanapun, metode ini adalah cara yang murah dan sederhana untuk menyelesaikan proyek dan memenuhi tujuannya.

Alasan lain untuk tidak menggunakan sensor tegangan adalah karena keterbatasan pin analog Wemos (hanya satu). Meskipun sensor tambahan dapat dihubungkan dengan menggunakan ADC seperti ADS1115, untuk saat ini, saya meninggalkannya. Di masa depan, jika saya mendapatkan waktu saya pasti akan menambahkannya.

Faktor daya beban dapat diubah selama pemrograman atau dari aplikasi Smartphone.

Daya Nyata (W) = Vrms x Irms x Pf

Vrms = 230V (diketahui)

Pf = 0,85 (diketahui)

Irms = membaca dari sensor arus (tidak diketahui)

Kredit gambar: imgoat

Langkah 7: Berinteraksi Dengan Aplikasi Blynk

Karena papan Wemos memiliki chip WiFi bawaan, saya berpikir untuk menghubungkannya ke router saya dan memantau Energi alat rumah dari Smartphone saya. Keuntungan menggunakan papan Wemos daripada Arduino adalah: kalibrasi sensor dan mengubah nilai parameter dari smartphone melalui OTA tanpa memprogram mikrokontroler secara fisik berulang kali.

Saya mencari opsi sederhana sehingga siapa pun yang memiliki sedikit pengalaman dapat melakukannya. Opsi terbaik yang saya temukan adalah menggunakan Aplikasi Blynk. Blynk adalah aplikasi yang memungkinkan kontrol penuh atas Arduino, ESP8266, Rasberry, Intel Edison, dan banyak lagi perangkat keras lainnya. Ini kompatibel dengan Android dan iPhone. Di Blynk semuanya berjalan dengan ️Energy. Saat Anda membuat akun baru, Anda mendapatkan ️2.000 untuk mulai bereksperimen; Setiap Widget membutuhkan beberapa Energi untuk beroperasi. Untuk proyek ini, Anda membutuhkan ️2400, jadi Anda harus membeli energi tambahan ️⚡️400 (biaya kurang dari $1)

Saya. Pengukur - 2 x ️200 = ️400

ii. Tampilan Nilai Berlabel - 2 x ️400 =⚡️800

aku aku aku. Penggeser - 4 x ️200 = ️800

iv. Menu - 1x ️400 = ️400

Total Energi yang dibutuhkan untuk proyek ini = 400+800+800+400 = ️2400

Ikuti langkah-langkah di bawah ini:

Langkah-1: Unduh aplikasi Blynk

1. Untuk Android

2. Untuk iPhone

Langkah-2: Dapatkan Token Otentikasi

Untuk menghubungkan Aplikasi Blynk dan perangkat keras Anda, Anda memerlukan Token.1 Auth. Buat akun baru di Aplikasi Blynk.

2. Tekan ikon QR di bilah menu atas. Buat tiruan dari Proyek ini dengan memindai kode QR yang ditunjukkan di atas. Setelah berhasil terdeteksi, seluruh proyek akan segera ada di ponsel Anda.

3. Setelah proyek dibuat, kami akan mengirimkan Token Auth kepada Anda melalui email.

4. Periksa kotak masuk email Anda dan temukan Token Auth.

Langkah-3: Mempersiapkan Arduino IDE untuk Papan Wemos

Untuk mengunggah kode Arduino ke papan Wemos, Anda harus mengikuti Instruksi ini

Langkah-4: Instal Perpustakaan

Maka Anda harus mengimpor perpustakaan ke Arduino IDE Anda

Unduh Perpustakaan Blynk

Unduh pustaka untuk Tampilan OLED: i. Adafruit_SSD1306 ii. Adafruit-GFX-Library

Langkah-5: Sketsa Arduino

Setelah menginstal perpustakaan di atas, rekatkan kode Arduino yang diberikan di bawah ini.

Masukkan kode auth dari langkah-1, ssid dan kata sandi router Anda.

Kemudian unggah kodenya.

Langkah 8: Siapkan Papan Sirkuit

Untuk membuat rangkaian rapi dan bersih, saya membuat papan sirkuit dengan menggunakan papan prototipe berukuran 4x6 cm. Pertama saya menyolder Pin Header Pria ke Papan Wemos. Kemudian saya menyolder header perempuan di papan prototipe untuk memasang papan yang berbeda:

1. Papan Wemos (2 x 8 Pin Header Wanita)

2. Papan Catu Daya DC 5V (2 pin +3 pin Female Header)

3. Modul Sensor Arus (3 Pin Female Header)

4. Layar OLED (Header Wanita 4pin)

Akhirnya, saya menyolder terminal sekrup 2 pin untuk input suplai AC ke unit catu daya.

Setelah menyolder semua pin header, buat koneksi seperti gambar di atas. Saya menggunakan 24 kawat solder AWG untuk semua koneksi.

Sambungannya adalah sebagai berikut

1. ACS712:

ACS712 Wemos

Vcc-- 5V

Gnd -- GND

Vout--A0

2. Tampilan OLED:

Wemos OLED

Vcc-- 5V

Gnd-- GND

SCL-- D1

SDA--D2

3. Modul Catu Daya:

Pin input AC (2 pin) dari modul catu daya terhubung ke terminal sekrup.

Output V1pin terhubung ke Wemos 5V dan pin GND terhubung ke pin Wemos GND.

Langkah 9: Kandang Cetak 3D

Untuk memberikan tampilan produk komersial yang bagus, saya mendesain enklosur untuk proyek ini. Saya menggunakan Autodesk Fusion 360 untuk mendesain enklosur. Enklosur memiliki dua bagian: Tutup bawah dan atas. Anda dapat mengunduh file. STL dari Thingiverse.

Bagian Bawah pada dasarnya dirancang agar sesuai dengan PCB utama (4 x6 cm), Sensor Arus dan Fuse Holder. Tutup atas adalah untuk memasang soket AC dan Layar OLED.

Saya menggunakan printer 3D Creality CR-10S saya dan filamen PLA perak 1,75 mm dan PLA merah untuk mencetak bagian-bagiannya. Butuh waktu sekitar 5 jam untuk mencetak bodi utama dan sekitar 3 jam untuk mencetak tutup atas.

Pengaturan saya adalah:

Kecepatan Cetak: 60 mm/s

Tinggi Lapisan: 0,3

Isi Kepadatan: 100%

Suhu Extruder: 205 degC

Suhu Tempat Tidur: 65 degC

Langkah 10: Diagram Pengkabelan AC

Kabel daya AC memiliki 3 kabel: Line (merah), Netral (hitam) dan Ground (hijau).

Kabel merah dari kabel listrik terhubung ke salah satu terminal sekering. Terminal lain dari sekering terhubung ke dua konektor terminal yang dimuati pegas. Kabel hitam terhubung langsung ke konektor pegas.

Sekarang daya yang diperlukan untuk papan sirkuit (Wemos, OLED, dan ACS712) diputus setelah konektor pegas. Untuk mengisolasi papan sirkuit utama, sakelar rocker dihubungkan secara seri. Lihat diagram sirkuit di atas.

Kemudian kabel merah (saluran) terhubung ke terminal "L" soket AC dan kabel hijau (arde) terhubung ke terminal tengah (ditandai sebagai G).

Terminal netral terhubung ke salah satu terminal sensor arus ACS712. Terminal lain dari ACS712 terhubung kembali ke konektor pegas.

Ketika semua koneksi eksternal telah selesai, lakukan pemeriksaan papan dengan sangat hati-hati dan bersihkan untuk menghilangkan residu fluks penyolderan.

Catatan: Jangan sentuh bagian mana pun dari sirkuit saat berada di bawah daya. Setiap sentuhan yang tidak disengaja dapat menyebabkan cedera fatal atau kematian. Aman selama bekerja, saya tidak akan bertanggung jawab atas kehilangan apapun.

Langkah 11: Instal Semua Komponen

Masukkan komponen (Soket AC, Saklar Rocker, dan Layar OLED) pada slot tutup atas seperti yang ditunjukkan pada gambar. Kemudian kencangkan sekrup. Bagian bawah memiliki 4 standoff untuk memasang papan PCB utama. Pertama, masukkan standoff kuningan ke dalam lubang seperti yang ditunjukkan di atas. Kemudian kencangkan sekrup 2M di keempat sudutnya.

Tempatkan Fuse Holder dan sensor Arus pada slot yang disediakan di penutup bawah. Saya menggunakan kotak pemasangan 3M untuk menempelkannya di pangkalan. Kemudian rutekan semua kabel dengan benar.

Terakhir, letakkan tutup atas dan kencangkan 4 mur (3M x16) di sudut-sudutnya.

Langkah 12: Pengujian Akhir

Colokkan kabel daya Meter Energi ke stopkontak.

Ubah parameter berikut dari aplikasi Blynk

1. Geser penggeser CALIBRATE untuk mendapatkan arus nol saat tidak ada beban yang terhubung.

2. Ukur tegangan suplai AC rumah dengan menggunakan multimeter dan atur dengan menggeser slider SUPPLY VOLTAGE.

3. Atur Faktor Daya

4. Masukkan tarif energi di lokasi Anda.

Kemudian colokkan alat yang dayanya akan diukur ke soket pada meteran Energi. Sekarang Anda siap untuk mengukur energi yang dikonsumsi olehnya.

Semoga Anda menikmati membaca tentang proyek saya seperti yang saya nikmati selama membangunnya.

Jika Anda memiliki saran untuk perbaikan, silakan komentar di bawah. Terima kasih!

Juara II Lomba Mikrokontroler