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Wie funktioniert der elektronische Zähler

Zur Berechnung der über einen bestimmten Zeitraum verbrauchten elektrischen Energie müssen Momentanwerte der Wirkleistung zeitlich integriert werden. Für ein sinusförmiges Signal ist die Leistung gleich dem Produkt der Spannung am Strom im Netzwerk zu einem bestimmten Zeitpunkt. Jeder elektrische Energiezähler arbeitet nach diesem Prinzip. In Fig. 1 ist ein Blockdiagramm eines elektromechanischen Zählers.

Blockschaltbild eines elektromechanischen Stromzählers

Fig. 1. Blockschaltbild eines elektromechanischen elektrischen Energiezählers

Die Implementierung des digitalen Stromzählers (Fig. 2) erfordert spezialisierte ICs, die Signale multiplizieren und den erhaltenen Wert in einer für den Mikrocontroller geeigneten Form bereitstellen können. Zum Beispiel ist der aktive Leistungswandler die Impulswiederholungsrate. Die Gesamtanzahl der vom Mikrocontroller gezählten Impulse ist direkt proportional zur verbrauchten Leistung.

Blockschaltbild eines digitalen Stromzählers

Fig. 2. Blockschaltbild eines digitalen Stromzählers

Nicht weniger wichtige Rolle spielen alle Arten von Servicefunktionen, wie z. B. der Fernzugriff auf das Messgerät, Informationen über gespeicherte Energie und viele andere. Das Vorhandensein einer digitalen Anzeige, die vom Mikrocontroller gesteuert wird, ermöglicht es Ihnen, verschiedene Arten von Ausgabeinformationen programmgesteuert einzustellen, zum Beispiel Informationen über den Energieverbrauch für jeden Monat anzuzeigen, mit unterschiedlichen Raten und so weiter.

Um einige nicht standardisierte Funktionen auszuführen, z. B. eine Pegelanpassung, werden zusätzliche ICs verwendet. Jetzt haben wir begonnen, spezialisierte ICs zu produzieren - Stromrichter zu Frequenz- und spezialisierten Mikrocontrollern, die ähnliche Wandler auf einem Chip enthalten. Oft sind sie jedoch für den Einsatz in Haushalts-Induktionszählern zu teuer. Daher entwickeln viele Welthersteller von Mikrocontrollern spezialisierte Mikroschaltungen, die für eine solche Anwendung vorgesehen sind.

Lassen Sie uns zur Analyse der Konstruktion der einfachsten Version des digitalen Zählers auf dem billigsten (weniger Dollar) 8-Bit-Mikrocontroller Motorola übergeben. In der vorgestellten Lösung werden alle minimal notwendigen Funktionen realisiert. Es basiert auf der Verwendung eines kostengünstigen Stromrichter-ICs für die Impulsfrequenz KR1095PP1 und den 8-Bit Mikrocontroller MC68HC05KJ1 (Abbildung 3). Bei dieser Struktur muss der Mikrocontroller die Anzahl der Impulse zusammenfassen, Informationen auf dem Display anzeigen und in verschiedenen Notfallsituationen schützen. Der fragliche Zähler ist tatsächlich ein digitales Funktionsanalog von existierenden mechanischen Zählern, die zur weiteren Verbesserung angepasst sind.

Die Hauptkomponenten des einfachsten digitalen Stromzählers

Fig. 3. Die Hauptkomponenten des einfachsten digitalen Stromzählers

Signale, die der Spannung und dem Strom im Netzwerk proportional sind, werden von den Sensoren entfernt und dem Eingang des Wandlers zugeführt. Der Wandler IC multipliziert die Eingangssignale, um einen momentanen Stromverbrauch zu erhalten. Dieses Signal wird dem Eingang des Mikrocontrollers zugeführt, der es in W / h umwandelt und bei der Summierung der Signale den Zählerstand ändert. Häufige Stromausfälle führen dazu, dass das EEPROM zur Speicherung des Zählerstands verwendet werden muss. Da Stromausfälle die typischste Notsituation sind, ist dieser Schutz in jedem digitalen Zähler erforderlich.

Der Algorithmus des Programms (Abbildung 4) für eine einfache Version eines solchen Zählers ist ziemlich einfach. Nach dem Einschalten ist der Mikrocontroller programmkonform konfiguriert, liest den letzten gespeicherten Wert aus dem EEPROM und zeigt ihn auf dem Display an. Dann geht die Steuerung in den Impulszählmodus, der vom Wandler-IC kommt, und erhöht, wenn sich jedes W · h akkumuliert, den Zählerstand.

Der Algorithmus des Programms des Stromzählers

Fig. 4. Der Algorithmus des Programms

Beim Schreiben in den EEPROM kann der angesammelte Energiewert verloren gehen, wenn die Spannung abgeschaltet wird. Aus diesen Gründen wird der Wert der akkumulierten Energie zyklisch nacheinander in Abhängigkeit von der erforderlichen Genauigkeit in das EEPROM geschrieben, nachdem eine bestimmte Anzahl von Änderungen des Zählerstandes programmiert wurde. Dies vermeidet den Verlust von Daten über gespeicherte Energie. Wenn die Spannung auftritt, analysiert der Mikrocontroller alle Werte im EEPROM und wählt den letzten aus. Für minimale Verluste reicht es aus, die Werte in Schritten von 100 Wh / h aufzuzeichnen. Dieser Wert kann im Programm geändert werden.

Die Schaltung des digitalen Rechners ist in Fig. 5. Der Stecker X1 verbindet die Stromversorgung 220 V und die Last. Von den Strom- und Spannungssensoren werden die Signale der Mikroschaltung des Konverters KR1095PP1 mit Optokoppler des Frequenzausganges zugeführt. Die Basis des Zählers ist der Mikrocontroller MC68HC05KJ1 von Motorola, hergestellt in einem 16-poligen Gehäuse (DIP oder SOIC) und mit 1,2 KByte ROM und 64 Byte RAM. Um die angesammelte Energiemenge im Falle eines Stromausfalls zu speichern, wird der Mikrochip des kleinen Volumens 24С00 (16 Bytes) verwendet. Das Display verwendet ein 8-Bit-7-Segment-LCD, das von einem kostengünstigen Controller gesteuert wird und über das SPI- oder I 2C- Protokoll mit dem zentralen Mikrocontroller kommuniziert und an den X2-Anschluss angeschlossen wird.

Die Implementierung des Algorithmus erforderte weniger als 1 KByte Arbeitsspeicher und weniger als die Hälfte der I / O-Ports des Mikrocontrollers MC68HC05KJ1. Seine Fähigkeiten reichen aus, um einige Dienstfunktionen hinzuzufügen, z. B. die Zähler über die RS-485-Schnittstelle in das Netzwerk zu integrieren. Mit dieser Funktion können Sie Informationen über die gespeicherte Energie im Servicecenter erhalten und den Strom bei fehlender Zahlung ausschalten. Ein Netz solcher Zähler kann mit einem mehrstöckigen Wohngebäude ausgestattet werden. Alle Anzeigen im Netzwerk werden an das Versandzentrum gesendet.

Von besonderem Interesse ist eine Familie von 8-Bit-Mikrocontrollern mit einem FLASH-Speicher auf dem Chip. Da es direkt auf der gesammelten Karte programmiert werden kann, ist der Softwarecode geschützt und die Software kann ohne Installationsarbeiten aktualisiert werden.

Digitalrechner für digitalen Stromzähler

Fig. 5. Digitalrechner für digitalen Stromzähler

Noch interessanter ist der Stromzähler ohne externes EEPROM und teures externes nichtflüchtiges RAM. Darin können Sie die Meldungen und Serviceinformationen im internen FLASH-Speicher des Microcontrollers im Notfall notieren. Dies gewährleistet auch die Vertraulichkeit von Informationen, die nicht mit einem externen Kristall durchgeführt werden können, der nicht vor unbefugtem Zugriff geschützt ist. Solche Energiezähler jeglicher Komplexität können mit Hilfe von Mikrocontrollern der Motorola HC08-Familie mit FLASH-Speicher auf dem Chip realisiert werden.

Der Übergang zu digitalen automatischen Systemen zur Bilanzierung und Kontrolle von Elektrizität ist eine Frage der Zeit. Die Vorteile solcher Systeme liegen auf der Hand. Der Preis von ihnen wird ständig fallen. Und selbst auf dem einfachsten Mikrocontroller hat ein solcher digitaler Elektrizitätszähler offensichtliche Vorteile: Zuverlässigkeit aufgrund des vollständigen Fehlens von Reibelementen; Kompaktheit; die Möglichkeit, den Fall unter Berücksichtigung des Innenraums moderner Wohngebäude herzustellen; die Dauer der Kontrollen mehrmals erhöhen; Wartbarkeit und einfache Wartung und Bedienung. Mit kleinen zusätzlichen Hardware- und Softwarekosten kann auch der einfachste digitale Zähler eine Reihe von Servicefunktionen haben, die nicht für alle mechanischen Funktionen verfügbar sind, beispielsweise die Einführung einer Mehrtarifzahlung für verbrauchten Strom, die Möglichkeit einer automatisierten Abrechnung und Steuerung des verbrauchten Stroms.