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§ 13 Funktionsprinzip von elektronischen Zählern.


Die Implementierung eines digitalen elektrischen Energiezählers (2) erfordert spezialisierte ICs, die Signale multiplizieren können und den resultierenden Wert in einer für den Mikrocontroller geeigneten Form liefern. Zum Beispiel den aktiven Leistungswandler - auf die Impulswiederholrate. Die Gesamtzahl der vom Mikrocontroller gezählten eingehenden Impulse ist direkt proportional zum Stromverbrauch.

Abb. 2. Blockschaltbild eines digitalen Stromzählers

Nicht weniger wichtig ist die Rolle aller Arten von Servicefunktionen, wie 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 verschiedene Arten der Anzeige von Informationen programmgesteuert einstellen, z. B. Informationen über den Energieverbrauch für jeden Monat mit unterschiedlichen Geschwindigkeiten und so weiter.

Um einige nicht standardmäßige Funktionen auszuführen, z. B. Level-Matching, werden zusätzliche ICs verwendet. Wir haben jetzt begonnen, spezialisierte ICs herzustellen - Leistungswandler für Frequenzumrichter - und spezielle Mikrocontroller, die ähnliche Wandler auf einem Chip enthalten. Sie sind jedoch oft zu teuer für den Einsatz in Haushaltsinduktionsmessgeräten. Daher entwickeln viele globale Hersteller von Mikrocontrollern spezielle Chips, die für eine solche Anwendung entwickelt wurden. Wenden wir uns der Analyse der Konstruktion der einfachsten Version eines digitalen Zählers mit dem billigsten (weniger als einem Dollar) 8-Bit-Motorola-Mikrocontroller zu. Die vorgestellte Lösung implementiert alle minimal erforderlichen Funktionen. Es basiert auf der Verwendung eines kostengünstigen Stromrichter-ICs mit der Frequenz der Impulse KR1095PP1 und eines 8-Bit-Mikrocontrollers MC68HC05KJ1 (3). Bei einer solchen Struktur muss der Mikrocontroller die Anzahl der Impulse summieren, Informationen auf dem Display anzeigen und diese in verschiedenen Notfallmodi schützen. Bei dem betrachteten Zähler handelt es sich eigentlich um ein digitales Funktionsanalogon vorhandener mechanischer Zähler, die zur weiteren Verbesserung angepasst werden.

Abb. 3. Die Hauptknoten des einfachsten digitalen Stromzählers.

Der Spannung und dem Strom im Netzwerk proportionale Signale werden von den Sensoren entfernt und dem Eingang des Umrichters zugeführt. Der Umsetzer-IC multipliziert die Eingangssignale und erhält sofortigen Stromverbrauch. Dieses Signal wird dem Eingang des Mikrocontrollers zugeführt, der es in Wh umwandelt, und während sich die Signale sammeln, ändert sich der Zählerstand. Häufige Stromausfälle machen die Verwendung eines EEPROM erforderlich, um Zählerstände zu speichern. Da Stromausfälle der typischste Notfall sind, ist ein solcher Schutz in jedem Digitalzähler erforderlich.

Der Algorithmus des Programms (Fig. 4) für die einfachste Version eines solchen Zählers ist ziemlich einfach. Wenn der Strom eingeschaltet wird, wird der Mikrocontroller entsprechend dem Programm konfiguriert, liest den zuletzt gespeicherten Wert aus dem EEPROM und zeigt ihn an. Dann geht der Controller in den Modus des Zählens der vom IC des Umsetzers kommenden Impulse, und wenn sich jeder Wh ansammelt, erhöht er den Zählerstand.

Abb. 4. Der Algorithmus des Programms.

Beim Schreiben in ein EEPROM kann der Wert der angesammelten 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 im EEPROM aufgezeichnet, die programmgesteuert in Abhängigkeit von der erforderlichen Genauigkeit eingestellt werden. Dies vermeidet den Verlust gespeicherter Energiedaten. Wenn eine 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 aufzuzeichnen. Dieser Wert kann im Programm geändert werden.

Digitalcomputerschaltung
gezeigt in Abb. 5. Schließen Sie die Versorgungsspannung von 220 V und die Last an den Stecker X1 an. Von den Strom- und Spannungssensoren werden die Signale mit einem vom Frequenzausgang getrennten Optokoppler an den Wandlerchip KR1095PP1 gesendet. Der Zähler basiert auf dem Motorola MC68HC05KJ1-Mikrocontroller, der in einem 16-poligen Gehäuse (DIP oder SOIC) hergestellt wird und 1,2 Kbyte ROM und 64 Bytes RAM aufweist. Zur Speicherung der angesammelten Energiemenge bei Stromausfall wird ein kleines EEPROM mit 24C00 (16 Byte) von Microchip verwendet. Das Display verwendet ein 8-Bit-7-Segment-LCD, das von jedem kostengünstigen Controller gesteuert wird und mit einem zentralen Mikrocontroller unter Verwendung des SPI- oder s-Protokolls kommuniziert. 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 gesammelte Energie erhalten und den Strom abschalten, wenn keine Zahlung erfolgt. Ein Netz solcher Zähler kann mit einem Wohnhochhaus ausgestattet werden. Alle Anzeigen im Netzwerk kommen zur Leitstelle. Von besonderem Interesse ist eine Familie von 8-Bit-Mikrocontrollern mit Flash-Speicher auf einem Chip. Da er direkt auf der bestückten Karte programmiert werden kann, ist der Programmcode geschützt und die Software kann ohne Installation aktualisiert werden.

Digitalcomputer für digitale Energiezähler

Abb. 5. Digitalrechner für Digitalstromzähler.

Noch interessanter ist die Version des Elektrizitätszählers ohne externes EEPROM und teures externes nichtflüchtiges RAM. In Notfallsituationen können Messwerte und Serviceinformationen im internen Flash-Speicher des Mikrocontrollers aufgezeichnet werden. Dies gewährleistet auch die Vertraulichkeit von Informationen, was nicht mit einem externen Quarz erfolgen kann, der nicht vor unbefugtem Zugriff geschützt ist. Solche Stromzähler beliebiger Komplexität können mit Hilfe von Motorola-Mikrocontrollern der HC08-Familie mit einem Flash-Speicher auf einem Chip implementiert werden. Der Übergang zu digitalen automatischen Systemen zur Abrechnung und Kontrolle der Elektrizität ist eine Frage der Zeit.
Die Vorteile solcher Systeme liegen auf der Hand. Ihr Preis wird ständig fallen. Und selbst bei dem einfachsten Mikrocontroller bietet ein solcher digitaler Stromzähler offensichtliche Vorteile: Zuverlässigkeit aufgrund des Verzichts auf Reibelemente; Kompaktheit; die Möglichkeit der Herstellung der Karosserie unter Berücksichtigung des Inneren moderner Wohngebäude; mehrmalige Erhöhung der Überprüfungsdauer; Wartbarkeit und einfache Wartung und Bedienung. Mit geringen zusätzlichen Hardware- und Softwarekosten kann selbst der einfachste Digitalzähler eine Reihe von Servicefunktionen aufweisen, die nicht für alle mechanischen verfügbar sind, z. B. die Implementierung eines Mehrtarif-Entgelts für verbrauchte Energie, die Möglichkeit einer automatisierten Erfassung und die Steuerung des Stromverbrauchs.