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.
Коментарі
Коментуючи, пам'ятайте про те, що зміст і тон Вашого повідомлення можуть зачіпати почуття реальних людей, проявляйте повагу та толерантність до своїх співрозмовників навіть у тому випадку, якщо Ви не поділяєте їхню думку, Ваша поведінка за умов свободи висловлювань та анонімності, наданих інтернетом, змінює не тільки віртуальний, але й реальний світ. Всі коменти приховані з індексу, спам контролюється.