Compteur d'énergie Arduino - V2.0 : 12 étapes (avec photos)

2024 Auteur: John Day | [email protected]. Dernière modifié: 2024-01-30 09:07

Bonjour ami, bienvenue après une longue pause. Plus tôt, j'ai publié un Instructables sur Arduino Energy Meter qui a été principalement conçu pour surveiller la puissance du panneau solaire (DC Power) dans mon village. Il est devenu très populaire sur Internet, de nombreuses personnes dans le monde entier ont construit le leur. Tant d'étudiants ont réussi leur projet collégial en m'aidant. Pourtant, maintenant, je reçois des e-mails et des messages de personnes ayant des questions concernant la modification du matériel et des logiciels pour surveiller la consommation d'énergie CA.

Donc, dans ce Instructables, je vais vous montrer comment faire un simple compteur d'énergie AC activé par wifi en utilisant la carte Arduino/Wemos. En utilisant ce compteur d'énergie, vous pouvez mesurer la consommation d'énergie de tous les appareils ménagers. A la fin du projet, j'ai réalisé un joli boîtier imprimé en 3D pour ce projet.

L'objectif d'une plus grande sensibilisation à la consommation d'énergie serait l'optimisation et la réduction de la consommation d'énergie par l'utilisateur. Cela réduirait leurs coûts énergétiques et économiserait l'énergie.

Bien sûr, de nombreux appareils commerciaux existent déjà pour la surveillance énergétique, mais j'ai voulu construire ma propre version qui sera simple et peu coûteuse.

Vous pouvez retrouver tous mes projets sur:

Étape 1: Pièces et outils requis

Composants requis:

1. Wemos D1 mini pro (Amazon / Banggood)

2. Capteur de courant -ACS712 (Amazon)

3. Écran OLED (Amazon / Banggood)

4. Alimentation 5V (Aliexpress)

5. Carte prototype - 4 x 6 cm (Amazon / Banggood)

6. Fil 24 AWG (Amazon)

7. Broches d'en-tête (Amazon / Banggood)

8. Fils de raccordement mâle-femelle (Amazon)

9. Borne à vis (Amazon)

10. L'impasse (Banggood)

11. Prise de courant alternatif

12. Prise secteur

13. Connecteur à ressort (Banggood)

14. Interrupteur à bascule (Banggood)

15. Filament PLA-Argent (GearBest)

16. PLA Filament-Rouge (GearBest)

Outils nécessaires:

1. Fer à souder (Amazon)

2. Pistolet à colle (Amazon)

3. Coupe-fil/dénudeur (Amazon)

Imprimante 4.3D (Creality CR10S)

Étape 2: Comment ça marche ?

Le schéma fonctionnel de l'ensemble du projet est présenté ci-dessus.

L'alimentation du secteur CA est tirée et passée à travers un fusible pour éviter tout dommage au circuit imprimé lors d'un court-circuit accidentel.

Ensuite, la ligne électrique CA est répartie en deux parties:

1. À la charge via le capteur de courant (ACS712)

2. Module d'alimentation 230V AC/5V DC

Le module d'alimentation 5V alimente le microcontrôleur (Arduino/Wemos), le capteur de courant (ACS712) et l'écran OLED.

Le courant alternatif traversant la charge est détecté par le module de capteur de courant (ACS712) et transmis à la broche analogique (A0) de la carte Arduino/Wemos. Une fois l'entrée analogique donnée à Arduino, la mesure de puissance/énergie est effectuée par Arduino sketch.

La puissance et l'énergie calculées par l'Arduino/Wemos sont affichées sur un module d'affichage OLED de 0,96.

La puce WiFi intégrée du Wemos est connectée au routeur domestique et liée à l'application Blynk. Ainsi, vous pouvez surveiller les paramètres ainsi que calibrer et modifier différents paramètres depuis votre Smartphone via OTA.

Étape 3: Comprendre les bases de l'AC

Dans l'analyse des circuits CA, la tension et le courant varient de manière sinusoïdale avec le temps.

Puissance réelle (P):

C'est la puissance utilisée par l'appareil pour produire un travail utile. Elle est exprimée en kW.

Puissance réelle = tension (V) x courant (I) x cosΦ

Puissance réactive (Q):

C'est ce qu'on appelle souvent la puissance imaginaire qui est une mesure de la puissance oscillant entre la source et la charge, qui ne fait aucun travail utile. Elle est exprimée en kVAr

Puissance réactive = tension (V) x courant (I) x sinΦ

Puissance apparente (S):

Il est défini comme le produit de la tension racine-moyenne carrée (RMS) et du courant efficace. Celle-ci peut également être définie comme la résultante de la puissance réelle et réactive. Il s'exprime en kVA

Puissance apparente = tension (V) x courant (I)

Relation entre les puissances réelle, réactive et apparente:

Puissance réelle = Puissance apparente x cosΦ

Puissance réactive = Puissance apparente x sinΦ

(kVA)² = (kW)² + (kVAr)²

Facteur de puissance (pf):

Le rapport entre la puissance réelle et la puissance apparente dans un circuit est appelé facteur de puissance.

Facteur de puissance = puissance réelle/puissance apparente

D'après ce qui précède, il est clair que nous pouvons mesurer toutes les formes de puissance ainsi que le facteur de puissance en mesurant la tension et le courant.

Crédit image: openenergymonitor.org

Étape 4: Capteur de courant

Le courant alternatif est classiquement mesuré à l'aide d'un transformateur de courant, mais pour ce projet, l'ACS712 a été choisi comme capteur de courant en raison de son faible coût et de sa plus petite taille. Le capteur de courant ACS712 est un capteur de courant à effet Hall qui mesure avec précision le courant lorsqu'il est induit. Le champ magnétique autour du fil CA est détecté, ce qui donne la tension de sortie analogique équivalente. La sortie de tension analogique est ensuite traitée par le microcontrôleur pour mesurer le flux de courant à travers la charge.

Pour en savoir plus sur le capteur ACS712, vous pouvez visiter ce site. Pour une meilleure explication du fonctionnement du capteur à effet hall, j'ai utilisé l'image ci-dessus d'Embedded-lab.

Étape 5: Mesure de courant par ACS712

La sortie du capteur de courant ACS712 est une onde de tension alternative. Nous devons calculer le courant efficace, cela peut être fait de la manière suivante

1. Mesure de la tension crête à crête (Vpp)

2. Divisez la tension crête à crête (Vpp) par deux pour obtenir la tension crête (Vp)

3. Multipliez-le par 0,707 pour obtenir la tension efficace (Vrms)

Multipliez ensuite la Sensibilité du capteur de courant (ACS712) pour obtenir le courant efficace.

Vp = Vpp/2

Vrms = Vp x 0,707

Irms = Vrms x Sensibilité

La sensibilité du module ACS712 5A est de 185mV/A, le module 20A est de 100mV/A et le module 30A est de 66mV/A.

La connexion pour le capteur de courant est comme ci-dessous

ACS712 Arduino/Wemos

VCC ------ 5V

SORTIE ----- A0

TERRE ----- TERRE

Étape 6: Calcul de la puissance et de l'énergie

Plus tôt, j'ai décrit les bases des différentes formes de courant alternatif. En tant qu'utilisateur domestique, la puissance réelle (kW) est notre principale préoccupation. Pour calculer la puissance réelle, nous devons mesurer la tension efficace, le courant efficace et le facteur de puissance (pF).

Habituellement, la tension secteur dans mon emplacement (230 V) est presque constante (la fluctuation est négligeable). Je laisse donc un capteur pour mesurer la tension. Sans aucun doute, si vous branchez un capteur de tension, la précision de la mesure est meilleure que dans mon cas. Quoi qu'il en soit, cette méthode est un moyen simple et peu coûteux de terminer le projet et d'atteindre l'objectif.

Une autre raison de ne pas utiliser le capteur de tension est due à la limitation de la broche analogique Wemos (une seule). Bien qu'un capteur supplémentaire puisse être connecté en utilisant un ADC comme l'ADS1115, pour le moment, je le laisse. À l'avenir, si j'ai le temps, je l'ajouterai certainement.

Le facteur de puissance de la charge peut être modifié lors de la programmation ou depuis l'application Smartphone.

Puissance réelle (W) = Vrms x Irms x Pf

Vrms = 230V (connu)

Pf = 0,85 (connu)

Irms = lecture du capteur de courant (inconnu)

Crédit image: imgoat

Étape 7: Interfaçage avec l'application Blynk

Comme la carte Wemos a une puce WiFi intégrée, j'ai pensé à la connecter à mon routeur et à surveiller l'énergie de l'appareil ménager à partir de mon smartphone. Les avantages de l'utilisation de la carte Wemos au lieu d'Arduino sont: l'étalonnage du capteur et la modification de la valeur du paramètre depuis le smartphone via OTA sans programmer physiquement le microcontrôleur à plusieurs reprises.

J'ai recherché l'option simple pour que toute personne ayant peu d'expérience puisse la faire. La meilleure option que j'ai trouvée est d'utiliser l'application Blynk. Blynk est une application qui permet un contrôle total sur Arduino, ESP8266, Rasberry, Intel Edison et bien d'autres matériels. Il est compatible avec Android et iPhone. À Blynk, tout fonctionne à l'️Énergie. Lorsque vous créez un nouveau compte, vous obtenez ⚡️2 000 pour commencer à expérimenter; Chaque widget a besoin d'énergie pour fonctionner. Pour ce projet, vous avez besoin de ⚡️2400, vous devez donc acheter de l'énergie supplémentaire ️⚡️400 (le coût est inférieur à 1 $)

je. Jauge - 2 x ⚡️200 = ⚡️400

ii. Affichage de la valeur étiquetée - 2 x ⚡️400 =⚡️800

iii. Curseurs - 4 x ⚡️200 = ⚡️800

iv. Menu - 1x ⚡️400 = ⚡️400

Énergie totale requise pour ce projet = 400+800+800+400 = ⚡️2400

Suivez les étapes ci-dessous:

Étape 1: Téléchargez l'application Blynk

1. Pour Android

2. Pour iPhone

Étape 2: obtenez le jeton d'authentification

Pour connecter Blynk App et votre matériel, vous avez besoin d'un Auth Token.1. Créez un nouveau compte dans l'application Blynk.

2. Appuyez sur l'icône QR dans la barre de menu supérieure. Créez un clone de ce projet en scannant le code QR ci-dessus. Une fois détecté avec succès, l'ensemble du projet sera immédiatement sur votre téléphone.

3. Une fois le projet créé, nous vous enverrons un jeton d'authentification par e-mail.

4. Vérifiez votre boîte de réception et trouvez le jeton d'authentification.

Étape 3: Préparation de l'IDE Arduino pour la carte Wemos

Pour télécharger le code Arduino sur la carte Wemos, vous devez suivre ce Instructables

Étape 4: Installer les bibliothèques

Ensuite, vous devez importer la bibliothèque sur votre IDE Arduino

Télécharger la bibliothèque Blynk

Téléchargez les bibliothèques pour l'affichage OLED: i. Adafruit_SSD1306 ii. Bibliothèque Adafruit-GFX

Étape 5: Esquisse Arduino

Après avoir installé les bibliothèques ci-dessus, collez le code Arduino ci-dessous.

Entrez le code d'authentification de l'étape 1, le ssid et le mot de passe de votre routeur.

Ensuite, téléchargez le code.

Étape 8: préparer le circuit imprimé

Pour rendre le circuit propre et net, j'ai fait un circuit imprimé en utilisant un prototype de carte de 4x6 cm. J'ai d'abord soudé la broche des en-têtes mâles à la carte Wemos. J'ai ensuite soudé les connecteurs femelles sur la carte prototype pour monter les différentes cartes:

1. Carte Wemos (en-tête femelle 2 x 8 broches)

2. Carte d'alimentation 5V DC (2 broches + 3 broches femelle)

3. Module de capteur de courant (3 broches femelle en-tête)

4. Écran OLED (en-tête femelle 4 broches)

Enfin, j'ai soudé une borne à vis à 2 broches pour l'alimentation CA d'entrée à l'unité d'alimentation.

Après avoir soudé toutes les broches des en-têtes, effectuez la connexion comme indiqué ci-dessus. J'ai utilisé du fil à souder 24 AWG pour toute la connexion.

La connexion est la suivante

1. ACS712:

ACS712 Wemos

Vcc-- 5V

Gnd -- GND

Vout--A0

2. Écran OLED:

OLED Wemos

Vcc-- 5V

Gnd-- GND

SCL--D1

SDA--D2

3. Module d'alimentation:

La broche d'entrée CA (2 broches) du module d'alimentation connectée à la borne à vis.

La sortie V1pin est connectée à Wemos 5V et la broche GND est connectée à la broche Wemos GND.

Étape 9: boîtier imprimé en 3D

Pour donner un bel aspect commercial au produit, j'ai conçu un boîtier pour ce projet. J'ai utilisé Autodesk Fusion 360 pour concevoir le boîtier. Le boîtier se compose de deux parties: le couvercle inférieur et supérieur. Vous pouvez télécharger les fichiers. STL depuis Thingiverse.

La partie inférieure est essentiellement conçue pour s'adapter au PCB principal (4 x 6 cm), au capteur de courant et au porte-fusible. Le couvercle supérieur sert à monter la prise secteur et l'écran OLED.

J'ai utilisé mon imprimante 3D Creality CR-10S et un filament PLA argenté et PLA rouge de 1,75 mm pour imprimer les pièces. Il m'a fallu environ 5 heures pour imprimer le corps principal et environ 3 heures pour imprimer le couvercle supérieur.

Mes paramètres sont:

Vitesse d'impression: 60 mm/s

Hauteur de couche: 0.3

Densité de remplissage: 100%

Température de l'extrudeuse: 205 degC

Température du lit: 65 degC

Étape 10: Schéma de câblage CA

Le cordon d'alimentation CA a 3 fils: Ligne (rouge), Neutre (noir) et Terre (vert).

Le fil rouge du cordon d'alimentation est connecté à une borne du fusible. L'autre borne du fusible est connectée à des connecteurs à deux bornes à ressort. Le fil noir directement connecté au connecteur à ressort.

Maintenant, l'alimentation requise pour la carte de circuit (Wemos, OLED et ACS712) est enregistrée après le connecteur à ressort. Pour isoler le circuit imprimé principal, un interrupteur à bascule est connecté en série. Voir le schéma de circuit ci-dessus.

Ensuite, le fil rouge (ligne) est connecté à la borne "L" de la prise CA et le fil vert (masse) est connecté à la borne centrale (marquée par G).

La borne neutre est connectée à une borne du capteur de courant ACS712. L'autre borne de l'ACS712 est reconnectée au connecteur à ressort.

Lorsque toutes les connexions externes sont terminées, inspectez très soigneusement la carte et nettoyez-la pour éliminer les résidus de flux de soudure.

Remarque: ne touchez aucune partie du circuit lorsqu'il est sous tension. Tout contact accidentel peut entraîner des blessures mortelles ou la mort. Soyez prudent pendant le travail, je ne serai responsable d'aucune perte.

Étape 11: Installez tous les composants

Insérez les composants (prise secteur, interrupteur à bascule et écran OLED) dans les fentes du couvercle supérieur, comme indiqué sur l'image. Fixez ensuite les vis. La partie inférieure a 4 entretoises pour le montage de la carte PCB principale. Tout d'abord, insérez l'entretoise en laiton dans le trou comme indiqué ci-dessus. Fixez ensuite la vis 2M aux quatre coins.

Placez le porte-fusible et le capteur de courant sur la fente prévue sur le boîtier inférieur. J'ai utilisé des carrés de montage 3M pour les coller sur la base. Ensuite, acheminez tous les fils correctement.

Enfin, placez le couvercle supérieur et fixez les 4 écrous (3M x16) aux coins.

Étape 12: Tests finaux

Branchez le cordon d'alimentation du compteur d'énergie à la prise secteur.

Modifiez les paramètres suivants à partir de l'application Blynk

1. Faites glisser le curseur CALIBRATE pour obtenir le zéro actuel lorsqu'aucune charge n'est connectée.

2. Mesurez la tension d'alimentation CA domestique à l'aide d'un multimètre et réglez-la en faisant glisser le curseur SUPPLY VOLTAGE.

3. Réglez le facteur de puissance

4. Saisissez le tarif de l'énergie à votre emplacement.

Branchez ensuite l'appareil dont vous souhaitez mesurer la puissance à la prise du compteur d'énergie. Vous êtes maintenant prêt à mesurer l'énergie consommée par celui-ci.

J'espère que vous avez pris autant de plaisir à lire sur mon projet que j'en ai eu à le construire.

Si vous avez des suggestions d'améliorations, veuillez les commenter ci-dessous. Merci !

Finaliste du concours de microcontrôleurs