Принцип роботи електронного лічильника

Для розрахунку електричної енергії, яка споживається за певний період часу, необхідно інтегрувати в часі миттєві значення активної потужності. Для синусоїдального сигналу потужність дорівнює добутку напруги на струм в мережі в даний момент часу. На цьому принципі працює будь-який лічильник електричної енергії. На рис. 1 показана блок-схема електромеханічного лічильника.

Мал. 1. Блок-схема електромеханічного лічильника електричної енергії

Реалізація цифрового лічильника електричної енергії (рис. 2) вимагає спеціалізованих ІС, здатних виробляти перемножування сигналів і надавати отриману величину в зручній для мікроконтролера формі. Наприклад, перетворювач активної потужності - в частоту проходження імпульсів. Загальна кількість прийшли імпульсів, підраховують мікро контролером, прямо пропорційно споживаної електроенергії.

Мал. 2. Блок-схема цифрового лічильника електричної енергії

Не менш важливу роль відіграють всілякі сервісні функції, такі як дистанційний доступ до лічильника, до інформації про накопиченої енергії і багато інших. Наявність цифрового дисплея, керованого від мікроконтролера, дозволяє програмно встановлювати різні режими виведення інформації, наприклад, виводити на дисплей інформацію про спожитої енергії за кожен місяць, за різними тарифами і так далі.

Для виконання деяких нестандартних функцій, наприклад, узгодження рівнів, використовуються додаткові ІС. Зараз почали випускати спеціалізовані ІС - перетворювачі потужності в частоту - і спеціалізовані мікроконтролери, що містять подібні перетворювачі на кристалі. Але, найчастіше, вони занадто дорогі для використання в комунально-побутових індукційних лічильниках. Тому багато світових виробників мікроконтролерів розробляють спеціалізовані мікросхеми, призначені для такого застосування.

Перейдемо до аналізу побудови найпростішого варіанту цифрового лічильника на найбільш дешевому (менше долара) 8-розрядному мікроконтролері Motorola. У представленому рішенні реалізовані всі мінімально необхідні функції. Воно базується на використанні недорогий ІС перетворювача потужності в частоту імпульсів КР1095ПП1 і 8-розрядного мікроконтролера MC68HC05KJ1 (рис. 3). При такій структурі мікроконтролеру потрібно підсумувати кількість імпульсів, виводити інформацію на дисплей і здійснювати її захист в різних аварійних режимах. Розглянутий лічильник фактично являє собою цифровий функціональний аналог існуючих механічних лічильників, пристосований до подальшого вдосконалення.

Мал. 3. Основні вузли найпростішого цифрового лічильника електроенергії

Сигнали, пропорційні напрузі і току в мережі, знімаються з датчиків і надходять на вхід перетворювача. ІС перетворювача перемножує вхідні сигнали, отримуючи миттєву споживану потужність. Цей сигнал надходить на вхід мікроконтролера, що перетворює його в Вт · год і, в міру накопичення сигналів, що змінює свідчення лічильника. Часті збої напруги харчування призводять до необхідності використання EEPROM для збереження свідчень лічильника. Оскільки збої з харчування є найбільш характерною аварійною ситуацією, такий захист необхідна в будь-якому цифровому лічильнику.

Алгоритм роботи програми (рис. 4) для найпростішого варіанту такого лічильника досить простий. При включенні харчування мікроконтролер конфигурируется відповідно до програми, зчитує з EEPROM останнє збережене значення і виводить його на дисплей. Потім контролер переходить в режим підрахунку імпульсів, що надходять від ІВ перетворювача, і, у міру накопичення кожного Вт · год, збільшує показання лічильника.

Мал. 4. Алгоритм роботи програми

При записи в EEPROM значення накопиченої енергії може бути втрачено в момент відключення напруги. З цих причин значення накопиченої енергії записується в EEPROM циклічно один за одним через певне число змін показань лічильника, заданий програмно, в залежності від необхідної точності. Це дозволяє уникнути втрати даних про накопиченої енергії. При появі напруги мікроконтролер аналізує всі значення в EEPROM і вибирає останнє. Для мінімальних втрат досить записувати значення з кроком 100 Вт · год. Цю величину можна міняти в програмі.

Схема цифрового обчислювача показана на рис. 5. До роз'єму X1 підключається напруга живлення 220 В і навантаження. З датчиків струму і напруги сигнали надходять на мікросхему перетворювача КР1095ПП1 з оптронной розв'язкою частотного виходу. Основу лічильника складає мікроконтролер MC68HC05KJ1 фірми Motorola, що випускається в 16-вивідному корпусі (DIP або SOIC) і має 1,2 Кбайт ПЗУ і 64 байт ОЗУ. Для зберігання накопиченого кількості енергії при збоях з харчування використовується EEPROM малого обсягу 24С00 (16 байт) фірми Microchip. Як дисплея використовується 8-розрядний 7-сегментний РК, керований будь-яким недорогим контролером, обмінюються з центральним мікроконтролером за протоколом SPI або I ²C і підключається до гнізда Х2.

Реалізація алгоритму зажадала менше 1 Кбайт пам'яті і менше половини портів введення / виводу мікроконтролера MC68HC05KJ1. Його можливостей достатньо, щоб додати деякі сервісні функції, наприклад, об'єднання лічильників в мережу по інтерфейсу RS-485. Ця функція дозволить отримувати інформацію про накопиченої енергії в сервісному центрі і відключати електрику в разі відсутності оплати. Мережею з таких лічильників можна обладнати житловий багатоповерховий будинок. Всі свідчення у мережі будуть надходити в диспетчерський центр.

Певний інтерес представляє собою сімейство 8-розрядних мікроконтролерів з розташованої на кристалі FLASH-пам'яттю. Оскільки його можна програмувати безпосередньо на зібраній платі, забезпечується захищеність програмного коду і можливість оновлення ПЗ без монтажних робіт.

Мал. 5. Цифровий обчислювач для цифрового лічильника електроенергії

Ще більш цікавий варіант лічильника електроенергії без зовнішньої EEPROM і дорогої зовнішньої енергонезалежній ОЗУ. У ньому можна при аварійних ситуаціях фіксувати показання і службову інформацію у внутрішню FLASH-пам'ять мікроконтролера. Це до того ж забезпечує конфіденційність інформації, чого не можна зробити при використанні зовнішнього кристала, що не захищеного від несанкціонованого доступу. Такі лічильники електроенергії будь-якої складності можна реалізувати за допомогою мікроконтролерів фірми Motorola сімейства HC08 з FLASH-пам'яттю, розташованої на кристалі.

Перехід на цифрові автоматичні системи обліку і контролю електроенергії - питання часу. Переваги таких систем очевидні. Ціна їх буде постійно падати. І навіть на найпростішому мікроконтролері такий цифровий лічильник електроенергії має очевидні переваги: надійність за рахунок повної відсутності тертьових елементів; компактність; можливість виготовлення корпусу з урахуванням інтер'єру сучасних житлових будинків; збільшення періоду повірок в кілька разів; ремонтопридатність і простота в обслуговуванні і есплуатаціі. При невеликих додаткових апаратних і програмних витратах навіть найпростіший цифровий лічильник може мати ряд сервісних функцій, відсутніх у всіх механічних, наприклад, реалізація багатотарифний оплати за споживану енергію, можливість автоматизованого обліку та контролю споживаної електроенергії.