Spis treści:
Technologia Arduino to uniwersalna platforma do tworzenia elektronicznych projektów wykorzystująca mikrokontrolery. Jest często stosowana do wykonywania różnych urządzeń automatyki przemysłowej, automatyki domowej, różnych projektów edukacyjnych oraz coraz częściej wykorzystywana w technice pomiarowej. Zdobywa ona coraz większą popularność w dziedzinie technicznych pomiarów, zwłaszcza w pomiarach elektrycznych.
Do czego można wykorzystać Arduino?
Jedną z najczęstszych aplikacji Arduino w pomiarach elektrycznych jest monitoring i kontrola systemów elektrycznych. Arduino może być wykorzystane do pomiaru napięcia, prądu, mocy oraz innych parametrów elektrycznych. Można również zbudować zaawansowane systemy zabezpieczające, które automatycznie wyłączą źródło zasilania w przypadku przekroczenia określonych parametrów. Technika ta może być również wykorzystana do budowy mierników elektrycznych, takich jak multimetry czy oscyloskopy. Dzięki możliwości podłączenia różnych czujników i przetworników, możliwe jest przeprowadzanie precyzyjnych pomiarów i analiz danych elektrycznych. Arduino oferuje proste i intuicyjne środowisko programowania. Często jest wykorzystywane do pomiaru różnych parametrów, takich jak temperatura, wilgotność, natężenia oświetlenia, ciśnienie oraz również parametry elektryczne takie jak np:
- Miernik napięcia i natężenia prądu – wykorzystując czujniki napięcia i prądu, który mierzy i wyświetla aktualne wartości napięcia i prądu na wyświetlaczu LCD.
- Analizator jakości energii – korzystając z czujników pomiarowych, które monitorują jakość energii elektrycznej w sieci, takie jak moce czynną i bierną, oraz napięcie i prąd.
- Monitorowanie zużycia energii – system monitorowania zużycia energii dla domu lub biura, który śledzi zużycie energii w czasie rzeczywistym i generuje raporty dotyczące zużycia energii.
- Automatyczny regulator napięcia – wykorzystując czujniki napięcia, zrealizuje układ regulatora napięcia, który będzie regulować napięcie dostarczane do urządzeń elektrycznych w celu zapewnienia stabilnego napięcia.
- Alarm przeciążeniowy – urządzenie alarmowe, które będzie monitorować obciążenie instalacji elektrycznej i generować alarm w przypadku przeciążenia.
- System fotowoltaiczny – system monitorowania i sterowania instalacją fotowoltaiczną, który będzie monitorować wydajność paneli słonecznych, produkcję energii i jej zużycie.
Projekt urządzenia do pomiaru wielkości elektrycznych
Powyższe przykłady oraz szereg innych projektów wykorzystując technologię mikrokontrolerową Arduino i nie tylko autor będzie chciał przedstawić w kolejnych artykułach.
W tym artykule autor skupi swoją uwagę na urządzeniu, które będzie dokonywało pomiaru wielkości elektrycznych takich jak napięcie, prąd, częstotliwość, moc oraz współczynnik mocy danego urządzenia zasilanego z sieci domowej. Przedstawiona zostanie koncepcja wykorzystania “serca” takiego urządzenia, prosty schemat ideowy, oraz niezbędne elementy do jego wykonania. W założeniu urządzenie będzie w czasie rzeczywistym monitorować i wyświetlać parametry elektryczne zarówno sieci zasilającej jak i samego urządzenia będącego z niej zasilanym oraz powinno umożliwiać skontrolowanie parametrów elektrycznych prostych urządzeń elektrycznych gospodarstwa domowego wraz z parametrami domowej sieci zasilającej te urządzenia.
Do wykonania takiego urządzenia zostaną wykorzystane następujące podzespoły:
- mikrokontroler Arduino UNO,
- alfanumeryczny wyświetlacz LCD 4×20,
- przewody połączeniowe,
- konwerter I2C dla wyświetlaczy LCD,
- zasilacz impulsowy,
- wielofunkcyjny czujnik z możliwościami licznika energii PZEM-004T wraz z odpowiednim przekładnikiem prądowym.
Moduł PZEM-004T
W artykule autor przedstawi i scharakteryzuje zastosowanie licznika energii PZEM-004T. Moduł PZEM-004T to element posiadający funkcje pomiaru podstawowych wielkości elektrycznych takich jak:
- pomiar napięcia,
- pomiar prądu,
- pomiar mocy czynnej,
- pomiar częstotliwości,
- pomiar współczynnika mocy,
- pomiar energii czynnej co pozwala wykorzystać moduł także jako licznik energii, szczególnie kiedy weźmiemy pod uwagę fakt, że stan licznika jest zapisywany w pamięci urządzenia także po odłączeniu źródła zasilania.
Moduł PZEM-004T jest prosty w obsłudze i montażu, co sprawia, że jest popularnym narzędziem do monitorowania energii elektrycznej w różnego rodzaju aplikacjach. Może być stosowany w systemach monitoringu energii, inteligentnego zarządzania energią, automatyzacji domowej oraz w wielu innych zastosowaniach, gdzie precyzyjny pomiar parametrów elektrycznych jest niezbędny. Moduł ten przeznaczony jest do pracy z przekładnikiem prądowym. W przypadku omawianego projektu wraz z wyżej wymienionym modułem użyto przekładnika prądowego (ze stałym rdzeniem) o przekładni 1000/1 co pozwala na zwiększenie zakresu pomiarowego do 100A względem podstawowej wersji modułu z wbudowanym przekładnikiem pozwalającym na pomiar o zakresie do 10A.
Wybrane parametry techniczne modułu kształtują się na następujących poziomach:
- Prąd 100A i moc 23kW jest wartością teoretyczną jaką może odczytać moduł PZEM-004T przy zastosowaniu przekładnika prądowego zaproponowanego poniżej.
- Napięcie mierzone w przypadku projektowanego urządzenia jest jednocześnie napięciem zasilania, więc optymalnie będzie jeśli jak najbardziej zbliżone do napięcia znamionowego wykorzystanego zasilacza, czyli 200-240 V.
Schemat funkcjonalny urządzenia
Całość jeszcze należy w odpowiedni sposób zaprogramować (autor opracowania nie przedstawia w tym miejscu kodu programu). Urządzenie zbiera dane analogowe wejściowe poprzez moduł PZEM-004T, które dalej są przekazywane do płytki Arduino Uno, a następnie wyświetlane na wyświetlaczu LCD. Kod programu w swojej strukturze powinien zawierać informację o wgranych bibliotekach posiadających zestaw funkcji pozwalających na obsługę dodatkowych urządzeń układu czyli bibliotek odpowiadające za obsługę modułu pomiarowego, konwertera wyświetlacza oraz samego wyświetlacza LCD.
Według autora technologia Arduino jest doskonałym narzędziem do przeprowadzania pomiarów elektrycznych ze względu na swoją wszechstronność, łatwość integracji z różnymi urządzeniami pomiarowymi oraz niską cenę. Dzięki Arduino możliwe jest budowanie innowacyjnych systemów monitorowania i kontroli danych elektrycznych, które mogą znacząco ułatwić codzienną pracę inżynierów i techników zajmujących się elektryką.
