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Das Funktionsprinzip des elektronischen Zählers

Um die für einen bestimmten Zeitraum verbrauchte elektrische Energie zu berechnen, müssen die Momentanwerte der Wirkleistung in der Zeit integriert werden. Bei einem sinusförmigen Signal ist die Leistung gleich dem Produkt aus Spannung und Strom im Netzwerk zu einem bestimmten Zeitpunkt. Jeder Stromzähler arbeitet nach diesem Prinzip. In Abb. Fig. 1 zeigt ein Blockschaltbild eines elektromechanischen Zählers.

Blockschaltbild eines elektromechanischen Stromzählers

Abb. 1. Blockschaltbild eines elektromechanischen Elektrizitätszählers

Die Implementierung eines digitalen Elektrizitätszählers (Abb. 2) erfordert spezielle ICs, die in der Lage sind, Signale zu multiplizieren und den erhaltenen Wert in einer für den Mikrocontroller geeigneten Form bereitzustellen. Zum Beispiel ein Wandler von Wirkleistung in eine Pulswiederholrate. Die vom Mikrocontroller berechnete Gesamtzahl der empfangenen Impulse ist direkt proportional zum Energieverbrauch.

Blockschaltbild eines digitalen Stromzählers

Abb. 2. Blockschaltbild eines digitalen Stromzählers

Alle Arten von Servicefunktionen, wie der Fernzugriff auf den Zähler, auf Informationen über die gespeicherte Energie und viele andere, spielen eine ebenso wichtige Rolle. Durch das Vorhandensein einer von einem Mikrocontroller gesteuerten Digitalanzeige können Sie verschiedene Informationsausgabemodi programmgesteuert einstellen, z. B. Informationen zum Energieverbrauch für jeden Monat, zu verschiedenen Raten usw. anzeigen.

Zur Ausführung einiger nicht standardmäßiger Funktionen, beispielsweise zum Anpassen von Pegeln, werden zusätzliche ICs verwendet. Nun begannen sie, spezialisierte ICs - Strom-Frequenz-Wandler - und spezialisierte Mikrocontroller mit ähnlichen Wandlern auf einem Chip herzustellen. Oft sind sie jedoch zu teuer für den Einsatz in Haushaltsinduktionsmessgeräten. Aus diesem Grund entwickeln viele globale Hersteller von Mikrocontrollern spezielle Mikroschaltungen, die für diese Anwendung entwickelt wurden.

Fahren wir mit der Analyse des Aufbaus der einfachsten Version eines digitalen Messgeräts mit dem billigsten (unter einem Dollar) 8-Bit-Motorola-Mikrocontroller fort. Die vorgestellte Lösung implementiert alle minimal notwendigen Funktionen. Es basiert auf der Verwendung eines kostengünstigen IC eines Stromrichters für die Pulsfrequenz KR1095PP1 und eines 8-Bit-Mikrocontrollers MC68HC05KJ1 (Abb. 3). Bei dieser Struktur muss der Mikrocontroller die Anzahl der Impulse summieren, Informationen auf dem Display anzeigen und in verschiedenen Notfallmodi schützen. Der betrachtete Zähler ist tatsächlich ein digitales Funktionsanalog von existierenden mechanischen Zählern, angepasst zur weiteren Verbesserung.

Die Hauptknoten des einfachsten digitalen Stromzählers

Abb. 3. Die Hauptknoten 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 sofortigen Stromverbrauch zu erzeugen. Dieses Signal wird in den Eingang des Mikrocontrollers eingespeist, in Wh · h umgewandelt und ändert, wenn sich die Signale ansammeln, die Zählerstände. Häufige Stromausfälle führen dazu, dass EEPROM verwendet werden muss, um Zählerstände zu speichern. Da Stromausfälle die häufigste Notfallsituation sind, ist ein solcher Schutz in jedem digitalen Messgerät erforderlich.

Der Programmoperationsalgorithmus (Fig. 4) für die einfachste Version eines solchen Zählers ist ziemlich einfach. Beim Einschalten wird der Mikrocontroller programmgemäß konfiguriert, liest den zuletzt gespeicherten Wert aus dem EEPROM und zeigt ihn auf dem Display an. Dann geht die Steuerung in den Zählmodus für Impulse vom Wandler-IC und erhöht den Zähler, wenn sich jedes Wh · h ansammelt.

Der Algorithmus des Stromzählerprogramms

Abb. 4. Der Algorithmus des Programms

Beim Schreiben in das EEPROM kann der Wert der gespeicherten Energie zum Zeitpunkt eines Spannungsausfalls verloren gehen. Aus diesen Gründen wird der Wert der akkumulierten Energie zyklisch nacheinander im EEPROM aufgezeichnet, und zwar durch eine bestimmte Anzahl von Änderungen der Zählerstände, die programmgesteuert eingestellt werden, abhängig von der erforderlichen Genauigkeit. Dies vermeidet den Verlust gespeicherter Energiedaten. Bei Anlegen der Spannung analysiert der Mikrocontroller alle Werte im EEPROM und wählt diesen aus. Für minimale Verluste ist es ausreichend, Werte in Schritten von 100 Wh aufzuzeichnen. Dieser Wert kann im Programm geändert werden.

Die Schaltung des Digitalcomputers ist in Abb. 5. Eine Versorgungsspannung von 220 V und eine Last werden an Stecker X1 angeschlossen. Von den Strom- und Spannungssensoren werden die Signale an die KR1095PP1-Umsetzermikroschaltung mit Optokoppler-Trennung des Frequenzausgangs weitergeleitet. Die Basis des Zählers ist der Motorola MC68HC05KJ1-Mikrocontroller, der in einem 16-Pin-Gehäuse (DIP oder SOIC) mit 1,2 KB ROM und 64 Byte RAM erhältlich ist. Um die akkumulierte Energiemenge bei Stromausfällen zu speichern, verwendet eine Microchip-Firma ein kleines 24C00-EEPROM (16 Byte). Das Display verwendet ein 8-Bit-7-Segment-LCD, das von einem beliebigen kostengünstigen Controller gesteuert wird und über SPI- oder I 2C- Protokoll mit dem zentralen Mikrocontroller kommuniziert und an den X2-Anschluss angeschlossen ist.

Die Implementierung des Algorithmus benötigte weniger als 1 KB Speicher und weniger als die Hälfte der Ein- / Ausgangsports des MC68HC05KJ1-Mikrocontrollers. Seine Funktionen reichen aus, um einige Servicefunktionen hinzuzufügen, z. B. die Zusammenfassung von Zählern zu einem Netzwerk über die RS-485-Schnittstelle. Mit dieser Funktion können Sie Informationen über die im Servicecenter gespeicherte Energie erhalten und den Strom abschalten, wenn keine Zahlung erfolgt. Ein Netzwerk solcher Zähler kann mit einem mehrstöckigen Wohngebäude ausgestattet werden. Alle Anzeigen im Netzwerk gehen an die Versandzentrale.

Von besonderem Interesse ist die Familie der 8-Bit-Mikrocontroller mit auf dem Chip befindlichem FLASH-Speicher. Da es direkt auf der bestückten Karte programmiert werden kann, ist der Software-Code geschützt und die Software kann ohne Installationsaufwand aktualisiert werden.

Digitalrechner für digitalen Stromzähler

Abb. 5. Digitalrechner für digitalen Stromzähler

Noch interessanter ist die Option eines Stromzählers ohne externes EEPROM und teuren externen nichtflüchtigen RAM. In Notfällen können damit Messwerte und Serviceinformationen im internen FLASH-Speicher des Mikrocontrollers aufgezeichnet werden. Dies stellt auch die Vertraulichkeit von Informationen sicher, was mit einem externen Kristall, der nicht vor unbefugtem Zugriff geschützt ist, nicht möglich ist. Derartige Energiezähler beliebiger Komplexität können mit Motorola Mikrocontrollern der HC08-Familie mit FLASH-Speicher auf dem Chip realisiert werden.

Der Übergang zu digitalen automatischen Systemen zur Erfassung und Steuerung von Elektrizität ist eine Frage der Zeit. Die Vorteile solcher Systeme liegen auf der Hand. Ihr Preis wird ständig fallen. Und selbst auf dem einfachsten Mikrocontroller hat ein solcher digitaler Stromzähler offensichtliche Vorteile: Zuverlässigkeit durch völliges Fehlen von Reibelementen; Kompaktheit; die Möglichkeit der Herstellung eines Gebäudes unter Berücksichtigung des Innenraums moderner Wohngebäude; Verlängerung des Überprüfungszeitraums um ein Vielfaches; Wartbarkeit und einfache Wartung und Bedienung. Mit geringen zusätzlichen Hardware- und Softwarekosten kann selbst der einfachste digitale Zähler eine Reihe von Servicefunktionen aufweisen, die bei allen mechanischen Funktionen fehlen, beispielsweise die Implementierung einer Mehrtarifzahlung für den Energieverbrauch, die Möglichkeit der automatischen Erfassung und Steuerung des Energieverbrauchs.