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Das Funktionsprinzip des elektronischen Zählers

Um die über einen bestimmten Zeitraum verbrauchte elektrische Energie zu berechnen, müssen die Momentanwerte der Wirkleistung über die Zeit integriert werden. Für ein sinusförmiges Signal ist die Leistung gleich dem Produkt der Spannung des Stroms im Netzwerk zu einem bestimmten Zeitpunkt. Nach diesem Prinzip kann jeder Meter elektrische Energie. In Abb. Fig. 1 zeigt ein Blockschaltbild eines elektromechanischen Zählers.

Blockschaltbild eines elektromechanischen Stromzählers

Abb. 1. Blockschaltbild eines elektromechanischen Stromzählers

Die Implementierung eines digitalen Elektrizitätszählers (Abb. 2) erfordert spezielle ICs, die Signale multiplizieren und den resultierenden Wert in einer für den Mikrocontroller geeigneten Form liefern können. Zum Beispiel der Wirkleistungswandler - auf die Pulswiederholrate. Die vom Mikrocontroller gezählte Gesamtzahl der eingehenden Impulse ist direkt proportional zum Stromverbrauch.

Blockschaltbild eines digitalen Stromzählers

Abb. 2. Blockschaltbild eines digitalen Stromzählers

Nicht weniger wichtig ist die Rolle aller Arten von Servicefunktionen, z. B. der Fernzugriff auf den Zähler, Informationen zu gespeicherter Energie und viele andere. Durch das Vorhandensein einer digitalen Anzeige, die von einem Mikrocontroller gesteuert wird, können Sie programmgesteuert verschiedene Anzeigemodi einstellen, z. B. Informationen zum monatlichen Energieverbrauch, zu unterschiedlichen Raten usw.

Zur Ausführung einiger nicht standardmäßiger Funktionen, wie beispielsweise der Pegelanpassung, werden zusätzliche ICs verwendet. Wir haben jetzt damit begonnen, spezialisierte ICs - Leistungswandler für Frequenz - und spezialisierte Mikrocontroller mit ähnlichen Wandlern auf einem Chip herzustellen. In Haushaltsinduktionsmessgeräten sind sie jedoch häufig zu teuer. Daher entwickeln viele globale Hersteller von Mikrocontrollern spezielle Chips, die für eine solche Anwendung entwickelt wurden.

Wenden wir uns der Analyse des Aufbaus der einfachsten Version eines digitalen Zählers für den billigsten (weniger als einen Dollar) 8-Bit-Motorola-Mikrocontroller zu. Die vorgestellte Lösung implementiert alle minimal notwendigen Funktionen. Es basiert auf der Verwendung eines kostengünstigen Leistungswandler-IC für die Frequenz der KR1095PP1-Impulse und eines 8-Bit-Mikrocontrollers MC68HC05KJ1 (Abb. 3). Bei einer solchen Struktur muss der Mikrocontroller die Anzahl der Impulse zusammenfassen, Informationen auf dem Display anzeigen und in verschiedenen Notfallmodi schützen. Der betrachtete Zähler ist tatsächlich ein digitales Funktionsanalog von vorhandenen mechanischen Zählern, das zur weiteren Verbesserung angepasst ist.

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 erzielen. Dieses Signal wird dem Eingang des Mikrocontrollers zugeführt, der es in Wh umwandelt und, wenn sich Signale ansammelt, die Zählerstände ändert. Häufige Stromausfälle machen die Verwendung eines EEPROM zum Speichern von Zählerständen erforderlich. Da Stromausfälle der häufigste Notfall sind, ist ein solcher Schutz in jedem digitalen Messgerät erforderlich.

Der Algorithmus des Programms (Abb. 4) für die einfachste Version eines solchen Zählers ist recht einfach. Beim Einschalten wird der Mikrocontroller entsprechend dem Programm konfiguriert, liest den zuletzt gespeicherten Wert aus dem EEPROM und zeigt ihn an. Dann wechselt die Steuerung in den Zählmodus für die Impulse, die vom IC des Wandlers kommen, und erhöht mit jedem akkumulierten W · h den Zählerstand.

Der Algorithmus des Stromzählerprogramms

Abb. 4. Algorithmus des Programms

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

Die Schaltung des Digitalrechners ist in Abb. 4 dargestellt. 5. Schließen Sie die Versorgungsspannung von 220 V und die Last an den Stecker X1 an. Von den Strom- und Spannungssensoren werden mit einem vom Frequenzausgang getrennten Optokoppler Signale an den Wandlerchip KP1095PP1 gesendet. Der Zähler basiert auf dem Motorola MC68HC05KJ1-Mikrocontroller, der in einem 16-Pin-Gehäuse (DIP oder SOIC) hergestellt wird und 1,2 KByte ROM und 64 Byte RAM aufweist. Zum Speichern der akkumulierten Energiemenge bei Stromausfall wird ein kleines 24C00-EEPROM (16 Byte) von Microchip verwendet. Das Display verwendet ein 8-Bit-7-Segment-LCD, das von einem beliebigen kostengünstigen Controller gesteuert wird und über das SPI- oder I 2C- Protokoll mit dem zentralen Mikrocontroller kommuniziert und an den X2-Anschluss angeschlossen ist.

Die Implementierung des Algorithmus erforderte weniger als 1 KByte Speicher und weniger als die Hälfte der Eingabe- / Ausgabeports des MC68HC05KJ1-Mikrocontrollers. Seine Fähigkeiten reichen aus, um einige Servicefunktionen hinzuzufügen, beispielsweise die Integration von Zählern in ein 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 Wohnhochhaus ausgestattet werden. Alle Anzeigen im Netzwerk gelangen zur Zentrale.

Von besonderem Interesse ist eine Familie von 8-Bit-Mikrocontrollern mit Flash-Speicher auf einem Chip. Da es direkt auf der bestückten Karte programmiert werden kann, ist der Programmcode geschützt und die Software kann ohne Installation aktualisiert werden.

Digitalrechner für digitalen Stromzähler

Abb. 5. Digitalrechner für digitalen Stromzähler

Noch interessanter ist die Version des Stromzählers ohne externes EEPROM und teuren externen nichtflüchtigen RAM. In Notfallsituationen können 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 Stromzähler beliebiger Komplexität können mit Hilfe von Motorola-Mikrocontrollern der HC08-Familie mit einem auf einem Chip befindlichen Flash-Speicher 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 der Karosserie unter Berücksichtigung des Innenraums moderner Wohngebäude; eine mehrmalige Verlängerung des Überprüfungszeitraums; Wartbarkeit und einfache Wartung und Bedienung. Mit geringen zusätzlichen Hardware- und Softwarekosten kann selbst der einfachste digitale Zähler eine Reihe von Servicefunktionen bieten, die nicht für alle mechanischen Geräte verfügbar sind, z.