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§ 13 Funktionsprinzip elektronischer Zähler.


Die Implementierung eines digitalen elektrischen Energiezählers (Fig. 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 Impulswiederholrate. Die vom Mikrocontroller berechnete Gesamtzahl der empfangenen Impulse ist direkt proportional zur verbrauchten Energie.

Abb. 2. Blockschaltbild eines digitalen Stromzählers

Alle Arten von Servicefunktionen, wie der Fernzugriff auf das Messgerät, Informationen über die gespeicherte Energie und viele andere, spielen eine ebenso wichtige Rolle. Das Vorhandensein einer von einem Mikrocontroller gesteuerten Digitalanzeige ermöglicht es Ihnen, verschiedene Informationsausgabemodi programmgesteuert einzustellen, z. B. Informationen zum Energieverbrauch für jeden Monat mit unterschiedlichen Raten usw. anzuzeigen.

Um einige nicht standardmäßige Funktionen auszuführen, z. B. das Anpassen von Ebenen, werden zusätzliche ICs verwendet. Jetzt begannen sie, spezialisierte ICs - Power-to-Frequency-Wandler - und spezialisierte Mikrocontroller mit ähnlichen Wandlern auf einem Chip herzustellen. Oft sind sie jedoch zu teuer, um in Haushaltsinduktionsmessgeräten verwendet zu werden. Daher 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 auf dem billigsten (weniger als einen Dollar) 8-Bit-Motorola-Mikrocontroller fort. Die vorgestellte Lösung implementiert alle minimal notwendigen Funktionen. Es basiert auf der Verwendung eines kostengünstigen IC eines Leistungswandlers 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 Funktionsanalogon bestehender mechanischer Zähler, das zur weiteren Verbesserung angepasst ist.

Abb. 3. Die Hauptknoten des einfachsten digitalen Stromzählers.

Signale, die proportional zu Spannung und Strom im Netzwerk 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 dem Eingang des Mikrocontrollers zugeführt, in Wh · h umgewandelt und bei Akkumulation der Signale die Zählerwerte geändert. Häufige Stromausfälle führen dazu, dass EEPROM zum Speichern von Zählerständen verwendet werden muss. Da Stromausfälle die häufigste Notsituation sind, ist ein solcher Schutz in jedem digitalen Messgerät erforderlich.

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

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 durch eine bestimmte Anzahl von Änderungen der Zählerstände aufgezeichnet, die programmgesteuert in Abhängigkeit von der erforderlichen Genauigkeit eingestellt werden. Dies vermeidet den Verlust gespeicherter Energiedaten. Wenn Spannung auftritt, analysiert der Mikrocontroller alle Werte im EEPROM und wählt letzteres aus. Für minimale Verluste reicht es aus, Werte in Schritten von 100 Wh aufzuzeichnen. Dieser Wert kann im Programm geändert werden.

Digitale Computerschaltung
in Abb. 5. Eine Versorgungsspannung von 220 V und eine Last werden an Stecker X1 angeschlossen. Von den Strom- und Spannungssensoren werden die Signale der Mikroschaltung des Wandlers KR1095PP1 mit Optokoppler-Isolation des Frequenzausgangs zugeführt. Die Basis des Zählers ist der Motorola MC68HC05KJ1-Mikrocontroller, der in einem 16-Pin-Gehäuse (DIP oder SOIC) erhältlich ist und über 1,2 KB ROM und 64 Byte RAM verfügt. Um die akkumulierte Energiemenge bei Stromausfällen zu speichern, verwendet ein Microchip-Unternehmen ein 24E00-EEPROM mit kleinem Volumen (16 Byte). Das Display verwendet ein 8-Bit-7-Segment-LCD, das von einem kostengünstigen Controller gesteuert wird und über das SPI- oder s-Protokoll mit dem zentralen Mikrocontroller kommuniziert. Die Implementierung des Algorithmus erforderte weniger als 1 KB Speicher und weniger als die Hälfte der Eingangs- / Ausgangsports des MC68HC05KJ1-Mikrocontrollers. Seine Funktionen reichen aus, um einige Servicefunktionen hinzuzufügen, z. B. das Kombinieren von Zählern zu einem Netzwerk über die RS-485-Schnittstelle. Mit dieser Funktion können Sie Informationen über die im Servicecenter angesammelte Energie erhalten und den Strom abschalten, wenn keine Zahlung erfolgt. Ein Netz solcher Zähler kann mit einem mehrstöckigen Wohngebäude ausgestattet werden. Alle Anzeigen im Netzwerk gehen an das Versandzentrum. Von besonderem Interesse ist die Familie der 8-Bit-Mikrocontroller mit FLASH-Speicher auf dem Chip. Da es direkt auf der zusammengebauten Karte programmiert werden kann, ist der Softwarecode geschützt und die Software kann ohne Installationsarbeiten aktualisiert werden.

Digitaler Computer für digitalen Energiezähler

Abb. 5. Digitaler Computer für einen digitalen Stromzähler.

Noch interessanter ist die Option eines Stromzählers ohne externes EEPROM und teures externes nichtflüchtiges RAM. In Notfallsituationen können damit Messwerte und Serviceinformationen im internen FLASH-Speicher des Mikrocontrollers aufgezeichnet werden. Dies stellt auch die Vertraulichkeit von Informationen sicher, was nicht mit einem externen Kristall möglich ist, der nicht vor unbefugtem Zugriff geschützt ist. Solche Energiezähler jeglicher Komplexität können unter Verwendung von Motorola-Mikrocontrollern aus der HC08-Familie mit FLASH-Speicher auf dem Chip implementiert werden. Der Übergang zu digitalen automatischen Abrechnungs- und Steuerungssystemen für 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 das völlige Fehlen von Reibelementen; Kompaktheit; die Möglichkeit, ein Gebäude unter Berücksichtigung des Innenraums moderner Wohngebäude herzustellen; 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 haben, die in allen mechanischen fehlen, beispielsweise die Implementierung einer Mehrtarifzahlung für den Energieverbrauch, die Möglichkeit der automatisierten Messung und die Steuerung des Energieverbrauchs.