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Funktionsprinzip des elektronischen Zählers

Um die über einen bestimmten Zeitraum verbrauchte elektrische Energie zu berechnen, müssen Momentanwerte der Wirkleistung zeitlich integriert werden. Bei einem sinusförmigen Signal ist die Leistung gleich dem Produkt der Spannung des Stroms im Netzwerk zu einem bestimmten Zeitpunkt. Jeder elektrische Energiezähler arbeitet nach diesem Prinzip. In Abb. 1 ist ein Blockdiagramm eines elektromechanischen Zählers.

Blockdiagramm eines elektromechanischen Stromzählers

Abb. 1. Blockdiagramm eines elektromechanischen Stromzählers

Die Implementierung des digitalen Stromzählers (Fig. 2) erfordert spezialisierte ICs, die in der Lage sind, Signale zu multiplizieren und den erhaltenen Wert in einer Form bereitzustellen, die für den Mikrocontroller geeignet ist. Zum Beispiel ist der aktive Leistungswandler die Impulsfolgefrequenz. Die Gesamtzahl der empfangenen Impulse, gezählt vom Mikrocontroller, ist direkt proportional zur verbrauchten Leistung.

Blockdiagramm eines digitalen Stromzählers

Abb. 2. Blockdiagramm eines digitalen Stromzählers

Eine nicht weniger wichtige Rolle spielen alle Arten von Servicefunktionen, wie 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, programmatisch verschiedene Arten von Ausgabeinformationen einzustellen, z. B. Informationen über den Energieverbrauch für jeden Monat mit verschiedenen Geschwindigkeiten anzuzeigen, und so weiter.

Um einige Nicht-Standardfunktionen auszuführen, beispielsweise eine Pegelanpassung, werden zusätzliche ICs verwendet. Jetzt haben wir begonnen, spezialisierte ICs zu produzieren - Stromrichter für Frequenz - und spezialisierte Mikrocontroller, die ähnliche Wandler auf einem Chip enthalten. Aber oft sind sie zu teuer für den Einsatz in kommunalen Haushaltsinduktionszählern. Daher entwickeln viele Hersteller von Mikrocontrollern für diese Anwendung spezialisierte Mikroschaltungen.

Gehen wir zur Analyse der Konstruktion der einfachsten Version des digitalen Zählers auf dem billigsten (weniger Dollar) 8-Bit-Mikrocontroller Motorola über. In der vorgestellten Lösung werden alle minimal notwendigen Funktionen realisiert. Es basiert auf der Verwendung eines kostengünstigen Stromrichter-ICs für die Pulsfrequenz 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 seinen Schutz in verschiedenen Notfallmodi ausführen. Der fragliche Zähler ist tatsächlich ein digitales Funktionsanalog von existierenden mechanischen Zählern, die für eine weitere Verbesserung angepasst sind.

Die Hauptkomponenten des einfachsten digitalen Stromzählers

Abb. 3. Die Hauptbestandteile des einfachsten digitalen Stromzählers

Signale proportional zu der Spannung und dem Strom im Netzwerk werden von den Sensoren entfernt und dem Eingang des Wandlers zugeführt. Der Wandler-IC multipliziert die Eingangssignale, um einen momentanen Leistungsverbrauch zu erhalten. Dieses Signal wird dem Eingang des Mikrocontrollers zugeführt, der es in W · h umwandelt und, wenn sich die Signale akkumulieren, den Zählerstand ändert. Häufige Stromausfälle führen dazu, dass das EEPROM zur Speicherung des Zählerstands verwendet werden muss. Da Stromausfälle die typischste Notfallsituation 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 wird der Mikrocontroller entsprechend dem Programm konfiguriert, liest den zuletzt gespeicherten Wert aus dem EEPROM und zeigt ihn auf dem Display an. Dann geht der Controller in den Zählmodus der vom Konverter-IC kommenden Impulse und erhöht, wenn sich jedes W · h akkumuliert, den Zählerstand.

Der Algorithmus des Programms des Stromzählers

Abb. 4. Der Algorithmus des Programms

Beim Schreiben in das EEPROM kann der akkumulierte Energiewert verloren gehen, wenn die Spannung abgeschaltet wird. Aus diesen Gründen wird der Wert der akkumulierten Energie zyklisch nacheinander in das EEPROM geschrieben, nachdem eine bestimmte Anzahl von Änderungen im Zählerstand programmiert wurde, abhängig von der erforderlichen Genauigkeit. Dies vermeidet den Verlust von Daten über gespeicherte Energie. Wenn die Spannung erscheint, analysiert der Mikrocontroller alle Werte im EEPROM und wählt den letzten aus. Bei minimalen Verlusten genügt es, die Werte in Schritten von 100 Wh / h aufzuzeichnen. Dieser Wert kann im Programm geändert werden.

Die Schaltung des digitalen Rechners ist in Abb. 5. Stecker X1 verbindet die Stromversorgung mit 220 V und lädt. Von den Strom- und Spannungssensoren werden die Signale mit Optokoppler des Frequenzausgangs der Mikroschaltung des KR1095PP1-Konverters zugeführt. Die Basis des Zählers ist der Mikrocontroller MC68HC05KJ1 von Motorola, hergestellt in einem 16-Pin-Gehäuse (DIP oder SOIC) und mit 1,2 KB ROM und 64 Bytes RAM. Um die akkumulierte Menge der Energie im Falle des Stromausfalls zu speichern, wird der Mikrochip des kleinen Umfanges 24С00 (16 Bytes) verwendet. Das Display verwendet ein 8-Bit 7-Segment-LCD, das von einem preiswerten Controller gesteuert wird und über das SPI- oder I 2C- Protokoll mit dem zentralen Mikrocontroller kommuniziert und mit dem X2-Anschluss verbunden ist.

Die Implementierung des Algorithmus erforderte weniger als 1 KByte Speicher und weniger als die Hälfte der I / O-Ports des Mikroprozessors MC68HC05KJ1. Seine Fähigkeiten reichen aus, um einige Servicefunktionen hinzuzufügen, z. B. die Kombination von Zählern mit dem Netzwerk über die RS-485-Schnittstelle. Diese Funktion ermöglicht es Ihnen, Informationen über die gespeicherte Energie im Servicecenter zu erhalten und den Strom bei fehlender Zahlung auszuschalten. Ein Netzwerk solcher Zähler kann mit einem mehrgeschossigen Wohngebäude ausgestattet werden. Alle Angaben 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

Abb. 5. Digitaler Rechner für digitalen Stromzähler

Noch interessanter ist der Stromzähler ohne externes EEPROM und teurer externer nichtflüchtiger RAM. Darin können Sie in Notfällen die Meldungen und Serviceinformationen im internen FLASH-Speicher des Mikrocontrollers aufzeichnen. Dies stellt auch die Vertraulichkeit von Informationen sicher, die mit einem externen Kristall, der nicht vor unbefugtem Zugriff geschützt ist, nicht möglich sind. Solche Energiezähler beliebiger Komplexität können mit Hilfe von Mikrocontrollern aus der Motorola HC08-Familie mit FLASH-Speicher auf dem Chip realisiert werden.

Der Übergang zu digitalen automatischen Systemen zur Abrechnung und Steuerung 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 Stromzähler offensichtliche Vorteile: Zuverlässigkeit aufgrund des vollständigen Fehlens von Reibelementen; Kompaktheit; die Möglichkeit, den Fall unter Berücksichtigung des Inneren moderner Wohngebäude herzustellen; die Dauer der Kontrollen mehrmals erhöhen; Wartbarkeit und einfache Wartung und Bedienung. Bei kleinen zusätzlichen Hardware- und Softwarekosten kann selbst der einfachste Digitalzähler eine Anzahl von Servicefunktionen aufweisen, die nicht für alle mechanischen Funktionen verfügbar sind, z. B. die Einführung einer Multi-Tarif-Zahlung für verbrauchte Energie, die Möglichkeit einer automatisierten Abrechnung und Steuerung des verbrauchten Stroms.