Crie um registrador de energia para medir e registrar o consumo de energia

Existem muitas aplicações potenciais onde um registro contínuo da geração ou consumo de energia elétrica faz sentido. Basta pensar no consumo de energia de determinados circuitos da casa ou na energia fornecida por uma usina de varanda ou um sistema fotovoltaico maior. Existem soluções prontas para registro, mas você mesmo pode construir um registrador adequado. O registrador aqui apresentado usa um medidor com uma saída S0 para registrar o consumo de energia elétrica. Medidores adequados estão disponíveis por menos de € 20 (por exemplo, na Amazon, eBay ou diretamente do Extremo Oriente). Isso permite que o consumo de energia dos circuitos de energia elétrica conectados ou também o rendimento dos sistemas fotovoltaicos sejam medidos e "registrados" ou registrados usando a eletrônica descrita aqui.

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Afinal, para que foram inventados os microcontroladores? Praticamente para este tipo de aplicação. Antes da era do computador, registrar o consumo ou a geração de energia ao longo do tempo seria difícil e praticamente impossível para uso doméstico. Graças aos microcontroladores baratos com todos os seus excelentes recursos, não apenas o registro digital não é problema hoje, mas até mesmo coisas sofisticadas como uma conexão Wi-Fi e muito mais se tornam possíveis. O que o registrador de energia pode fazer pode ser encontrado noCaracterísticas caixa. Uma impressão da solução acabada é dada emFigura1, mostrando a combinação de medidor e logger, incluindo unidades de alimentação, instaladas em uma caixa distribuidora de plástico.

Graças ao microcontrolador, o circuito do registrador de energia (Figura2 ) é bastante simples. Do lado esquerdo, encontram-se uma série de optoacopladores para isolação elétrica, através dos quais são enviados os dados da interface S0 do medidor para as entradas correspondentes do microcontrolador. Estes são controlados por interrupção para garantir que nenhum pulso seja perdido. Usei um módulo ESP32 barato porque tem poder de computação suficiente e também uma interface Wi-Fi. No lado direito, existem dois módulos de memória - um slot para um cartão SD para armazenamento em massa e um módulo FRAM adicional, que armazena temporariamente os dados de 5 minutos para reduzir o número de ciclos de gravação no cartão SD.

Como o circuito é tão simples, construí-o em uma placa de ensaio. Como você pode ver nos dois blocos azuis claros, duas fontes de alimentação separadas são fornecidas por motivos de segurança. Para as interfaces S0 à esquerda, 6,5 V é suficiente. O restante do circuito é alimentado por uma fonte de alimentação de 5 V (à direita). Uma capacidade de carga de 0,5 A cada é suficiente. Para fins de isolamento elétrico, as duas linhas GND das fontes de alimentação não devem ser conectadas em hipótese alguma. Além disso, abaixo dos optoacopladores — entre suas entradas e saídas — todo o cobre deve ser removido em uma distância de pelo menos 4 mm.Figura3 mostra como isso deve parecer. O isolamento elétrico por meio de duas fontes de alimentação separadas também permite que o ESP32 seja conectado à interface USB de um PC (por exemplo, para permitir que futuras atualizações sejam enviadas para o controlador instalado). Em vez de usar duas fontes de alimentação, uma solução com apenas uma fonte de alimentação com uma carga de corrente mais alta mais um conversor DC/DC de isolamento e um regulador de tensão também teria sido possível, mas isso realmente não tornaria as coisas mais fáceis nem baratas.

Como já mencionado, usar dois módulos de memória não é um luxo. Às vezes, as interfaces S0 podem fornecer vários pulsos por segundo. Se os valores medidos forem coletados na memória interna do microcontrolador, os dados podem ser perdidos durante uma reinicialização. Por outro lado, gravá-los imediatamente em um cartão SD reduziria enormemente a vida útil do cartão. Com apenas um valor por segundo, ocorreriam 31,5 milhões de ciclos de gravação por ano. No entanto, as células de memória de um cartão SD atingem o fim de sua vida após apenas 1.000 a 3.000 ciclos de gravação. Mesmo um cartão de alta capacidade, portanto, quase certamente apresentaria defeitos antes que um ano se passasse. Para evitar isso, um buffer estável é fornecido. O módulo FRAM externo usado aqui tem uma capacidade de armazenamento de apenas 8 kB, mas isso é suficiente para coletar alguns valores. A maior vantagem do FRAM é que ele pode ser gravado pelo menos 1.010 vezes, dependendo do fabricante - normalmente, essa memória pode até suportar quatrilhões de ciclos de gravação. A cada cinco minutos, os dados coletados na FRAM são transferidos para o cartão SD. Isso significa pouco mais de 100.000 operações de gravação por ano e, como um cartão SD possui muitas células de memória, ele pode ser operado por alguns anos sem problemas. Além disso, o número de reinicializações do registrador é registrado no FRAM, permitindo você verificar a qualquer momento com que frequência uma redefinição foi acionada. Além disso, um novo arquivo é criado no SD todos os dias e os dados desse dia são salvos nele. Para economizar espaço de memória, a gravação só é iniciada se um dos valores do medidor for alterado desde a meia-noite. Se o registrador de energia for usado para registrar o consumo de energia, esse recurso é realmente supérfluo. No entanto, se a produção de energia de um sistema solar for monitorada, é útil que a gravação seja iniciada apenas após o nascer do sol (ou seja, quando a primeira eletricidade é gerada).