Prototyping eines Energiezählers mit ESP32 (Einführung)

In der Elektronik kann die richtige Kombination der richtigen Technologien zu bedeutenden Fortschritten führen. Dieses Projekt zielt darauf ab, einen Energiezähler zu entwickeln, der den ESP32-Mikrocontroller von Espressif und das Energiemess-IC ATM90E32AS von Microchip verwendet. Dieser Artikel beschreibt die Auswahl der Komponenten bis hin zum ersten Prototyping. Das Ziel ist einfach: ein zuverlässiges System für eine genaue Energieerfassung im heimischen Zählerkasten oder in der Werkstatt zu schaffen. Mit diesem Messgerät können die Benutzer ihren Stromverbrauch in Echtzeit verfolgen und so Erkenntnisse gewinnen, die zu einer effizienteren Energienutzung führen können.

Design und Anforderungen

Das Projekt hat klare Ziele und Entwicklungsanforderungen: Echtzeit-Überwachung des einphasigen Stroms mit drei Stromwandlern (CTs), Bezahlbarkeit und Benutzerfreundlichkeit. Die Wahl der Hauptbestandteile ESP32 und ATM90E32AS orientierte sich an diesen Zielen und bot sowohl Kosteneffizienz als auch zuverlässige Leistung. Ein weiteres Ziel war es, die Abmessungen unter 100×80×30 mm (L×B×H) zu halten, damit das Gerät in einem Schaltschrank untergebracht werden kann. Um die Benutzerfreundlichkeit zu erhöhen, ist auch eine mobile Schnittstelle für die Fernüberwachung sowie ein OLED-Display mit Tasten für die direkte Interaktion vorgesehen. Das Design ermöglicht auch künftige Software-Updates, so dass ein langfristiger Nutzen für den Verbraucher gewährleistet ist. In Bild 1 ist ein (gerendertes) Bild des aktuellen Gehäuses des Prototyps dargestellt.

Auswahl des Mikrocontrollers

Die Wahl des ESP32-Mikrocontrollers beruhte auf einer detaillierten Analyse seiner Fähigkeiten. Der Chip zeichnet sich in mehreren Punkten aus, die für den Erfolg dieses Projekts von Belang waren. Erstens lässt er sich leicht in verschiedene Schaltungsentwürfe integrieren und bietet dadurch Flexibilität in der Entwicklungsphase. Zweitens macht ihn seine Kosteneffizienz zu einer attraktiven Wahl für einen Prototyp, der ein Gleichgewicht zwischen Leistung und Kosten anstrebt. Drittens bietet die Kompatibilität mit einer breiten Palette von Sensoren und ICs erhebliche Vorteile. Und schließlich trägt die umfangreiche Unterstützung der Community für den ESP32-Chip zu seiner Eignung für dieses Projekt bei. Bild 2 hebt die wichtigsten Merkmale und Vorteile des ESP32-D0WD-V3 hervor, die dazu führten, dass er für dieses Projekt ausgewählt wurde.

Integration des Zähler-ICs

Der ATM90E32AS-IC von Microchip wurde gemäß den Anwendungshinweisen [2] des Herstellers verwendet. Das Dokument diente als Eckpfeiler, damit das Energiemess-IC nahtlos mit dem ESP32-Mikrocontroller kommunizierte konnte. Dennoch war diese Phase nicht frei von Problemen und Herausforderungen. Die Beschaffung der richtigen Bauteile (unter Einhaltung des Budgetrahmens) erforderte angesichts der eingeschränkten Verfügbarkeit eine akribische Planung. In Bild 3 ist die von Atmel (jetzt Microchip) zur Verfügung gestellte Application Note dargestellt.

Entwurfsphase und elektrische Sicherheitsstandards

Die Entwurfsphase ist in der Tat ein entscheidender Teil des Entwicklungsprozesses, vor allem wenn die Sicherheit ein unverzichtbarer Aspekt ist. Bei einem Gerät, das für die Interaktion mit Netzwechselspannungen ausgelegt ist, muss die Einhaltung etablierter Sicherheitsnormen genauestens beachtet werden. In Bild 4 ist das Blockdiagramm des Projekts dargestellt.
Um die elektrische Sicherheit zu gewährleisten, wurden mehrere spezielle Bauteile in das Design aufgenommen: Metalloxid-Varistoren (MOVs) wurden zur Unterdrückung transienter Spannungen eingesetzt, um die Schaltung vor Spannungsspitzen zu schützen, wesentliche Sicherungsbauteile sollen Überstrombedingungen verhindern.

Neben der Bauteile-Auswahl wurden bei der Schaltungsentwicklung auch Überlegungen zum Layout angestellt, um die Sicherheitsnormen einzuhalten. Zwischen den leitenden Elementen auf der Platine wurden angemessene Kriech- und Luftstrecken eingehalten, um Lichtbögen und ähnliche unliebsame Erscheinungen zu verhindern. Die Leiterbahnbreiten für die Wechselspannungsverbindungen wurden sorgfältig berechnet, damit sie die Nennströme bewältigen, wobei die IPC-2221-Normen beachtet wurden. Dies war entscheidend, um die thermische Leistung der Platine unter Volllastbedingungen zu gewährleisten. Für eine saubere Masseverbindung wurde eine solide Massefläche geplant. Besonderes Augenmerk wurde auf die Ausgestaltung von Differenzialpaaren gelegt, um die Signalintegrität zu gewährleisten, wobei darauf geachtet wurde, dass das Routing einer präzisen Geometrie folgt, um elektromagnetische Störungen zu minimieren.

Die Entscheidung für JLC PCB

Nach Prüfung verschiedener Platinen-Services und -Bestückungsdienste fiel die Wahl auf JLC PCB. Der Hauptgrund für diese Wahl war die Ausgewogenheit von Kosteneffizienz und Zuverlässigkeit, die das Unternehmen bietet. Diese Entscheidung war wichtig, um das Projekt im Rahmen unseres Budgets zu halten, ohne Kompromisse bei der Qualität der bestückten Platine eingehen zu müssen. Derzeit werden der Schaltplan des Prototyps und die Leiterplattenentwürfe fertiggestellt, so dass die Prototypen bald in die Produktion geschickt werden können

Ein Blick zurück und einer nach vorne

Rückblickend zeigt dieses Projekt, was erreicht werden kann, wenn sorgfältige Planung auf gute Technik trifft. Die Hürden, mit denen wir konfrontiert wurden, haben uns geholfen, unseren Entwurf zu verbessern. Wir gehen davon aus, dass wir von der Herstellung eines Prototyps zu einer möglichen Massenproduktion übergehen können, und vor allem, dass das Gerät einen echten Unterschied im Umgang der Menschen mit ihrem Energiebedarf bewirken wird. Über den Fortgang dieses Projekts werden wir in den nächsten Elektor-Ausgaben ausführlich berichten - wir sind ja noch dabei, den Prototyp herzustellen, zu testen und an der Software zu basteln, mit der er betrieben werden soll. Es wird also noch mehr kommen, also bleiben Sie dran! Wir werden in der Januar/Februar-Ausgabe 2024 von Elektor, die dem Thema Strom und Energie gewidmet ist, über die Fertigstellung berichten.

Dieser Artikel erschien ursprünglich in Elektor mit Gastredaktion von Espressif (230646). Schauen Sie sich die ESP32-basierte Energiezählerserie an.