This page has been robot translated, sorry for typos if any. Original content here.

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.

Блок-схема електромеханічного лічильника електричної енергії

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.

Блок-схема цифрового лічильника електричної енергії

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.

Основні вузли найпростішого цифрового лічильника електроенергії

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 мікро 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, в міру накопичення кожного Вт · год, збільшує показання лічильника.

Алгоритм роботи програми електролічильника

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 ПО без монтажних робіт.

Цифровий обчислювач для цифрового лічильника електроенергії

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 та 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.