โมดูลพลังงาน IoT: การเพิ่มคุณสมบัติการวัดพลังงาน IoT ให้กับตัวควบคุมการชาร์จพลังงานแสงอาทิตย์ของฉัน: 19 ขั้นตอน (พร้อมรูปภาพ)

2024 ผู้เขียน: John Day | [email protected]. แก้ไขล่าสุด: 2024-01-30 13:04

สวัสดีทุกคน ฉันหวังว่าทุกคนจะดีมาก! ในคำแนะนำนี้ฉันจะแสดงให้คุณเห็นว่าฉันสร้างโมดูลการวัดพลังงาน IoT ที่คำนวณปริมาณพลังงานที่สร้างโดยแผงโซลาร์เซลล์ของฉันได้อย่างไรซึ่งถูกใช้โดยตัวควบคุมการชาร์จพลังงานแสงอาทิตย์ของฉันเพื่อชาร์จแบตเตอรี่กรดตะกั่วของฉัน โมดูลนี้อยู่ระหว่างแผงโซลาร์เซลล์และตัวควบคุมการชาร์จ และให้รายละเอียดพารามิเตอร์ที่จำเป็นทั้งหมดบนโทรศัพท์ของคุณผ่านทางอินเทอร์เน็ต สำหรับแพลตฟอร์ม IoT ฉันได้ใช้ Blynk ซึ่งใช้งานง่ายมากและสามารถปรับแต่งตามโครงการของคุณได้อย่างง่ายดาย ข้อจำกัดของตัวควบคุมการประจุที่มีอยู่คือมันให้แรงดันการชาร์จแก่ฉันเท่านั้น ดังนั้นจึงไม่สามารถกำหนดปริมาณพลังงานได้ ในโครงการนี้ ฉันได้เพิ่มฟังก์ชันการวัดแรงดันและกระแสลงในโมดูลพลังงาน ซึ่งสามารถใช้ในการคำนวณกำลัง (เป็นวัตต์) และทำให้พลังงานทั้งหมดที่เก็บเกี่ยวได้ สามารถใช้โมดูลพลังงานนี้ในแอปพลิเคชันการวัดกำลังไฟฟ้ากระแสตรงอื่นๆ ได้อย่างง่ายดาย นี่จะเป็นคำสั่งที่ค่อนข้างยาว มาเริ่มกันเลย!

เสบียง

1. Arduino Pro Mini / Nano หรือเทียบเท่า
2. โมดูลแปลงบั๊ก LM2596
3. 7805 ตัวควบคุมแรงดันไฟฟ้า
4. AMS1117 ตัวควบคุม 3.3V
5. ESP8266-01 โมดูล WiFi
6. จอแสดงผล OLED
7. LM358 OP-Amp แบบคู่
8. ตัวต้านทาน 100K, 10K, 2.2k และ 1K (1/4 วัตต์)
9. ตัวเก็บประจุแผ่นเซรามิก 0.1uF
10. ตัวเก็บประจุด้วยไฟฟ้า 22uF
11. ขั้วต่อสกรู
12. แถบภูเขาชายและหญิง
13. สวิตซ์เปิด-ปิด
14. บอร์ด Perf หรือ veroboard
15. อุปกรณ์บัดกรี

ขั้นตอนที่ 1: รวบรวมชิ้นส่วนทั้งหมดและสรุปเค้าโครง

เมื่อเรารวบรวมส่วนประกอบที่จำเป็นทั้งหมดแล้ว เป็นสิ่งสำคัญที่เราจะต้องตัดสินใจอย่างรอบคอบเกี่ยวกับเลย์เอาต์ของบอร์ดของเราและการจัดวางส่วนประกอบต่างๆ เพื่อให้การเดินสายเป็นเรื่องง่ายและส่วนประกอบทั้งหมดวางชิดกัน สำหรับการแนบ Arduino, ตัวแปลงบั๊ก, โมดูล WiFi และ Oled Display ฉันจะใช้ส่วนหัวของเพศหญิงแทนการบัดกรีโมดูลโดยตรง ด้วยวิธีนี้ฉันสามารถใช้ส่วนประกอบสำหรับโครงการอื่นได้ แต่คุณสามารถประสานโมดูลได้โดยตรงหากคุณวางแผน เพื่อให้มันถาวร

ขั้นตอนที่ 2: การเพิ่มขั้วต่อสกรู

ก่อนอื่นเราประสานขั้วสกรูที่จะใช้เชื่อมต่อแผงโซลาร์เซลล์เป็นอินพุตและตัวควบคุมการชาร์จเป็นเอาต์พุตไปยังโมดูลพลังงาน ขั้วต่อสกรูเป็นวิธีที่ง่ายในการเสียบหรือถอดอุปกรณ์เมื่อจำเป็น

ขั้นตอนที่ 3: การเพิ่มเครือข่ายตัวแบ่งแรงดันตัวต้านทาน

สำหรับการตรวจจับแรงดันไฟฟ้าขาเข้า จะใช้เครือข่ายตัวแบ่งแรงดันไฟฟ้า สำหรับแอปพลิเคชันของฉัน ฉันได้สร้างเครือข่ายตัวต้านทานโดยใช้ตัวต้านทาน 10K และ 1K และฉันกำลังวัดแรงดันตกคร่อมตัวต้านทาน 1K ที่จะได้รับเป็นอินพุตของไมโครคอนโทรลเลอร์ Arduino นอกจากนี้ ฉันได้เพิ่มตัวเก็บประจุ 0.1uF ทั่วตัวต้านทาน 1K เพื่อทำให้ความผันผวนของแรงดันไฟฟ้ากะทันหันราบรื่นขึ้น

ขั้นตอนที่ 4: การเพิ่มตัวต้านทาน Shunt สำหรับการตรวจจับปัจจุบัน

ตัวต้านทาน shunt เป็นตัวต้านทานที่มีค่าน้อยมาก (โดยทั่วไปจะเรียงลำดับเป็นมิลลิโอห์ม) แบบอนุกรมที่มีโหลดซึ่งจะสร้างแรงดันตกคร่อมขนาดเล็กมากที่สามารถขยายได้โดยใช้ Operational Amplifier และสามารถให้เอาต์พุตกับ Arduino สำหรับการวัดได้ สำหรับการวัดกระแส ผมใช้ตัวต้านทาน shunt (ซึ่งมีค่าประมาณ 10 มิลลิโอห์ม ผมใช้ลวดเหล็กดัดให้เป็นแบบขดลวด) ที่ด้านต่ำของวงจร เช่น ระหว่างน้ำหนักบรรทุกกับพื้น วิธีนี้สามารถวัดแรงดันตกคร่อมขนาดเล็กได้โดยตรงโดยเทียบกับกราวด์

ขั้นตอนที่ 5: การเพิ่ม OpAmp Amplifier Circuit

แอมพลิฟายเออร์ในการดำเนินงานที่นี่คือ LM358 ซึ่งเป็นชิป Op-Amp แบบคู่ เราจะใช้ Op-Amp เพียงตัวเดียวเป็นแอมพลิฟายเออร์ที่ไม่กลับด้าน สามารถตั้งค่าเกนของแอมพลิฟายเออร์ที่ไม่กลับด้านได้โดยใช้เครือข่ายตัวต้านทาน R1 และ R2 ตามที่แสดงในภาพ สำหรับแอปพลิเคชันของฉัน ฉันได้เลือก R1 เป็น 100K และ R2 เป็น 2.2K ซึ่งทำให้ฉันได้รับประมาณ 46 ตัวต้านทานและ OpAmp นั้นไม่สมบูรณ์แบบ ดังนั้นจึงต้องทำการปรับเปลี่ยนบางอย่างในโปรแกรม Arduino เพื่อให้อ่านค่าได้ดี (เราจะพูดถึง ว่าในขั้นตอนต่อไป)

ฉันได้ทำโครงการเกี่ยวกับวิธีการสร้างวัตต์สำหรับ Arduino ที่นี่ฉันได้กล่าวถึงแนวคิดเพิ่มเติมในรายละเอียด คุณสามารถตรวจสอบโครงการได้ที่นี่:

ขั้นตอนที่ 6: พาวเวอร์ซัพพลาย

ในการจ่ายพลังงานให้กับโมดูล Arduino, OpAmp, OLED และ WiFi ฉันใช้โมดูลตัวแปลงบั๊ก LM2596 เพื่อลดแรงดันไฟฟ้าอินพุตลงเหลือประมาณ 7 โวลต์ จากนั้นใช้ตัวควบคุมแรงดันไฟฟ้า 7805 ฉันกำลังแปลง 7 โวลต์เป็น 5 โวลต์สำหรับ Arduino และ OLED และใช้ตัวควบคุม AMS1117 สร้าง 3.3V ที่จำเป็นสำหรับโมดูล WiFi ทำไมคุณถึงถามถึงแหล่งจ่ายไฟมาก? สาเหตุที่คุณไม่สามารถเสียบแผงโซลาร์เซลล์เข้ากับตัวควบคุม 5 โวลต์ได้โดยตรงและคาดว่าจะทำงานได้อย่างมีประสิทธิภาพ (เนื่องจากเป็นตัวควบคุมเชิงเส้น) นอกจากนี้ แรงดันไฟฟ้าปกติของแผงโซลาร์เซลล์ยังอยู่ที่ประมาณ 18-20 โวลต์ ซึ่งสูงเกินไปสำหรับตัวควบคุมเชิงเส้น และอาจทำให้อุปกรณ์อิเล็กทรอนิกส์ของคุณพังได้ในระยะเวลาอันสั้น! ดังนั้นจึงควรมีตัวแปลงบั๊กที่มีประสิทธิภาพแทน

ขั้นตอนที่ 7: แก้ไข Buck Converter และ Regulator

อันดับแรก ฉันทำเครื่องหมายตำแหน่งที่หมุดของตัวแปลงบั๊กจะพอดี จากนั้นฉันก็บัดกรีส่วนหัวของตัวเมียไปยังจุดเหล่านั้น และส่วนหัวของตัวผู้ไปยังตัวแปลงบั๊ก (เพื่อให้ฉันสามารถถอดโมดูลออกได้อย่างง่ายดาย หากจำเป็น) ตัวควบคุม 5V อยู่ใต้โมดูลตัวแปลงบั๊กและเชื่อมต่อกับเอาต์พุตของตัวแปลงเพื่อให้ 5V ที่ราบรื่นสำหรับแผงควบคุม

ขั้นตอนที่ 8: การเพิ่มสวิตช์

ฉันได้เพิ่มสวิตช์ระหว่างตัวแปลงบั๊กและอินพุตแผงโซลาร์เซลล์ ในกรณีที่ฉันต้องการเปิดหรือปิดโมดูลพลังงาน หากปิดเครื่อง พลังงานจะยังคงถูกส่งไปยังโหลด (ในกรณีของฉันตัวควบคุมการชาร์จ) เฉพาะฟังก์ชันการวัดและ IoT เท่านั้นที่จะไม่ทำงาน ภาพด้านบนยังแสดงกระบวนการบัดกรีด้วย

ขั้นตอนที่ 9: การเพิ่มส่วนหัวสำหรับ Arduino และแก้ไขตัวควบคุม 3.3v

ตอนนี้ฉันได้ตัดส่วนหัวของตัวเมียตามขนาดของ Arduino pro mini แล้วทำการบัดกรี ฉันบัดกรีตัวควบคุม AMS1117 โดยตรงระหว่าง Vcc และ Gnd ของแหล่งจ่ายไฟ Arduino (Arduino ได้รับ 5V จากตัวควบคุม 7805 ซึ่งจะจ่าย AMS1117 สำหรับ 3.3v ที่จำเป็นสำหรับโมดูล WiFi) ฉันได้วางส่วนประกอบอย่างมีกลยุทธ์ในลักษณะที่ฉันต้องใช้สายไฟน้อยที่สุดและสามารถเชื่อมต่อชิ้นส่วนต่างๆ ผ่านรอยประสานได้

ขั้นตอนที่ 10: การเพิ่มส่วนหัวสำหรับโมดูล WiFi

ฉันบัดกรีส่วนหัวของตัวเมียสำหรับโมดูล WiFi ถัดจากตำแหน่งที่ Arduino pro mini จะพอดี

ขั้นตอนที่ 11: การเพิ่มส่วนประกอบสำหรับโมดูล WiFi

โมดูล ESP8266 ทำงานที่ 3.3 โวลต์และไม่ใช่ 5 โวลต์ (เมื่อใช้ 5 โวลต์ ฉันสังเกตเห็นว่าโมดูลได้รับความร้อนสูงมาก และมักจะได้รับความเสียหายหากใช้งานนานเกินไป) Arduino และโมดูล WiFi สื่อสารผ่านการสื่อสารแบบอนุกรมซึ่งใช้หมุด Tx และ Rx ของโมดูล เราสามารถกำหนดค่า 2 พินดิจิทัลของ Arduino เพื่อทำหน้าที่เป็นพินอนุกรมโดยใช้ไลบรารีอนุกรมของซอฟต์แวร์ของ Arduino IDE พิน Rx ของโมดูลไปที่ Tx ของ Arduino และในทางกลับกัน Rx pin ของ ESP ทำงานบนลอจิก 3.3V ดังนั้นเราจึงใช้เครือข่ายตัวแบ่งแรงดันไฟฟ้า 2.2K และ 1K เพื่อลดระดับลอจิก 5V ของ Arduino ให้เหลือประมาณ 3.6V (ซึ่งยังคงเป็นที่ยอมรับ) เราสามารถเชื่อมต่อ Tx ของ ESP กับ Rx ของ Arduino ได้โดยตรงเนื่องจาก Arduino เข้ากันได้กับ 3.3v

ขั้นตอนที่ 12: การเพิ่มจอแสดงผล OLED

ในการเชื่อมต่อจอแสดงผล OLED เราจำเป็นต้องมีการเชื่อมต่อ 4 การเชื่อมต่อ สองสำหรับแหล่งจ่ายไฟ และ 2 สำหรับโปรโตคอลการสื่อสาร I2C กับ Arduino ซึ่งเป็นพิน A4 และ A5 ของ Arduino ฉันจะใช้สายจัมเปอร์ขนาดเล็กพร้อมกับส่วนหัวของตัวผู้เพื่อเชื่อมต่อพิน I2C และบัดกรีการต่อสายไฟโดยตรง

ขั้นตอนที่ 13: ดูขั้นสุดท้ายที่โมดูลาร์บอร์ด

หลังจากเสร็จสิ้นกระบวนการบัดกรีทั้งหมด นี่คือสิ่งที่บอร์ดดูเหมือน! ใช่ ฉันต้องใช้สายไฟในตอนท้าย แต่ฉันค่อนข้างพอใจกับผลลัพธ์ที่ได้ ส่วนที่น่าสนใจคือบอร์ดเป็นแบบโมดูลาร์อย่างสมบูรณ์ และส่วนประกอบหลักทั้งหมดสามารถถอดออกหรือเปลี่ยนได้อย่างง่ายดายหากต้องการ

ขั้นตอนที่ 14: รวมทุกอย่างเข้าด้วยกัน

นี่คือลักษณะของโมดูลที่สมบูรณ์เมื่อทุกอย่างเข้าที่!

มาที่ส่วนซอฟต์แวร์กันเถอะ…

ขั้นตอนที่ 15: การเขียนโปรแกรมโดยใช้ FTDI Board

สำหรับการเขียนโปรแกรมโมดูลนี้ ฉันจะใช้บอร์ดฝ่าวงล้อม FTDI ซึ่งเหมาะสำหรับการตั้งโปรแกรม Arduino Pro Mini การแมปพินของมันถูกจัดวางอย่างลงตัว คุณจึงไม่จำเป็นต้องใช้จัมเปอร์

ขั้นตอนที่ 16: แผนผังไดอะแกรม

นี่คือแผนภาพวงจรที่สมบูรณ์ของโมดูลมิเตอร์วัดกำลัง IoT ฉันได้ออกแบบแผนผังนี้ใน Eagle CAD อย่าลังเลที่จะดาวน์โหลดและแก้ไขไฟล์แผนผังตามความคิดของคุณ:)

ขั้นตอนที่ 17: ผลลัพธ์

ฉันตั้งค่าเสร็จแล้วโดยเชื่อมต่อโมดูลพลังงานระหว่างแผงโซลาร์เซลล์และตัวควบคุมการชาร์จ และทันทีที่เราเปิดเครื่อง อุปกรณ์จะเชื่อมต่อกับเราเตอร์ WiFi ของฉัน และข้อมูลจะถูกเผยแพร่อย่างต่อเนื่องในแอพ Blynk บนสมาร์ทโฟนของฉัน สิ่งนี้ให้ข้อมูลแบบเรียลไทม์ของพารามิเตอร์การชาร์จไม่ว่าฉันจะอยู่ที่ไหน ตราบใดที่ฉันมีการเชื่อมต่ออินเทอร์เน็ต! รู้สึกดีมากที่ได้เห็นโครงการทำงานได้ดี:)

เพื่อการทดลอง ฉันทดสอบการตั้งค่าโดยใช้แผงโซลาร์เซลล์ 50 วัตต์และแบตเตอรี่กรดตะกั่ว 12V 18AH

ขั้นตอนที่ 18: รหัส Arduino

นี่คือรหัส Arduino ที่สมบูรณ์ที่ฉันใช้สำหรับโครงการของฉัน

มีห้องสมุดสองสามแห่งที่คุณต้องการเพื่อให้โครงการนี้ทำงานได้อย่างถูกต้อง ได้แก่:

ห้องสมุดต้นแบบ Blynk

ห้องสมุด Adafruit_GFX

Adafruit_SSD1306 ห้องสมุด

ฉันหวังว่าโครงการนี้จะเป็นประโยชน์ พิจารณาสนับสนุนโครงการของฉันด้วยการแบ่งปันกับชุมชนของคุณ:)

อย่าลังเลที่จะแสดงความคิดเห็นข้อเสนอแนะหรือข้อสงสัยใด ๆ ที่คุณมีเกี่ยวกับโครงการนี้ มีวันที่ดี !

โปรเจ็กต์นี้ช่วยฉันตรวจสอบปริมาณพลังงานที่ฉันเก็บเกี่ยวจากแผง ก้าวไปข้างหน้าเพื่อหันไปหาแหล่งพลังงานหมุนเวียนมากขึ้นเพื่อลดรอยเท้าคาร์บอนและสร้างสภาพแวดล้อมที่ยั่งยืน:)