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ENCICLOPEDIA DELLA RADIOELETTRONICA ED ELETTRICA Principio di funzionamento di un contatore elettronico. Enciclopedia dell'elettronica radio e dell'ingegneria elettrica
Enciclopedia della radioelettronica e dell'elettrotecnica / Contatori elettrici Per calcolare l’energia elettrica consumata in un determinato periodo di tempo è necessario integrare i valori istantanei di potenza attiva nel tempo. Per un segnale sinusoidale, la potenza è uguale al prodotto della tensione e della corrente nella rete in un dato momento. Qualsiasi contatore di energia elettrica funziona secondo questo principio. Nella fig. La Figura 1 mostra uno schema a blocchi di un contatore elettromeccanico.
L'implementazione di un contatore digitale di energia elettrica (Fig. 2) richiede circuiti integrati specializzati in grado di moltiplicare i segnali e fornire il valore risultante in una forma conveniente per il microcontrollore. Ad esempio, un convertitore di potenza attiva nella frequenza di ripetizione degli impulsi. Il numero totale di impulsi in entrata, conteggiati dal microcontrollore, è direttamente proporzionale all'elettricità consumata.
Un ruolo altrettanto importante è svolto da tutti i tipi di funzioni di servizio, come l'accesso remoto al contatore, le informazioni sull'energia accumulata e molte altre. La presenza di un display digitale controllato da un microcontrollore consente di impostare in modo programmatico varie modalità di output delle informazioni, ad esempio visualizzare informazioni sul consumo energetico per ogni mese, a varie tariffe e così via. Per eseguire alcune funzioni non standard, ad esempio il coordinamento dei livelli, viene utilizzato software aggiuntivo. Ora hanno iniziato a produrre circuiti integrati specializzati – convertitori potenza-frequenza – e microcontrollori specializzati contenenti convertitori simili su un chip. Ma spesso sono troppo costosi per essere utilizzati nei contatori a induzione domestici. Pertanto, molti produttori globali di microcontrollori stanno sviluppando microcircuiti specializzati progettati per tali applicazioni. Passiamo all'analisi della costruzione della versione più semplice di un contatore digitale sul microcontrollore Motorola a 8 bit più economico (meno di un dollaro). La soluzione presentata implementa tutte le funzioni minime richieste. Si basa sull'uso di un economico convertitore di frequenza potenza-impulso IC KR1095PP1 e di un microcontrollore a 8 bit MC68HC05KJ1 (Fig. 3). Con questa struttura, il microcontrollore deve sommare il numero di impulsi, visualizzare le informazioni sul display e proteggerle in varie modalità di emergenza. Il contatore in questione è in realtà un analogo funzionale digitale dei contatori meccanici esistenti, adattato per ulteriori miglioramenti.
I segnali proporzionali alla tensione e alla corrente nella rete vengono prelevati dai sensori e forniti all'ingresso del convertitore. Il convertitore IC moltiplica i segnali di ingresso per produrre un consumo energetico istantaneo. Questo segnale viene inviato all'ingresso del microcontrollore, che lo converte in Wh e, man mano che i segnali si accumulano, modifica le letture del contatore. Frequenti interruzioni della tensione di alimentazione richiedono l'uso della EEPROM per memorizzare le letture dei contatori. Poiché le interruzioni di corrente rappresentano la situazione di emergenza più comune, tale protezione è necessaria in qualsiasi contatore digitale. L'algoritmo del programma (Fig. 4) per la versione più semplice di tale contatore è abbastanza semplice. All'accensione il microcontrollore si configura secondo il programma, legge l'ultimo valore memorizzato dalla EEPROM e lo visualizza sul display. Il controller entra quindi in modalità di conteggio degli impulsi provenienti dal convertitore IC e, man mano che ogni Wh si accumula, aumenta le letture del contatore.
Durante la scrittura su EEPROM, il valore dell'energia accumulata potrebbe andare perso quando la tensione viene interrotta. Per questi motivi il valore dell'energia accumulata viene scritto nella EEPROM ciclicamente, uno dopo l'altro, attraverso un certo numero di cambi di lettura del contatore, impostati via software, a seconda della precisione richiesta. Ciò evita la perdita dei dati energetici memorizzati. Quando appare la tensione, il microcontrollore analizza tutti i valori nella EEPROM e seleziona l'ultimo. Per perdite minime è sufficiente registrare valori con incrementi di 100 Wh. Questo valore può essere modificato nel programma. Il circuito del computer digitale è mostrato in Fig. 5. La tensione di alimentazione da 1 V e il carico sono collegati al connettore X220. Dai sensori di corrente e tensione, i segnali vengono inviati al microcircuito del convertitore KR1095PP1 con isolamento optoaccoppiatore dell'uscita di frequenza. Il contatore si basa sul microcontrollore MC68HC05KJ1 di Motorola, prodotto in un pacchetto a 16 pin (DIP o SOIC) e con 1,2 KB di ROM e 64 byte di RAM. Per immagazzinare la quantità di energia accumulata durante le interruzioni di corrente, viene utilizzata una piccola quantità EEPROM 24C00 (16 byte) di Microchip. Il display utilizza un LCD a 8 bit e 7 segmenti, controllato da qualsiasi controller economico, comunicante con il microcontrollore centrale tramite il protocollo SPI o I2C e collegato al connettore X2. L'implementazione dell'algoritmo richiedeva meno di 1 KB di memoria e meno della metà delle porte di ingresso/uscita del microcontrollore MC68HC05KJ1. Le sue capacità sono sufficienti per aggiungere alcune funzioni di servizio, ad esempio il collegamento dei contatori a una rete tramite l'interfaccia RS-485. Questa funzione ti consentirà di ricevere informazioni sull'energia accumulata presso il centro servizi e di spegnere l'elettricità in caso di mancato pagamento. Una rete di tali contatori può essere utilizzata per attrezzare un edificio residenziale a più piani. Tutte le letture tramite la rete verranno inviate al centro di controllo. Di particolare interesse è una famiglia di microcontrollori a 8 bit con memoria FLASH su chip. Essendo programmabile direttamente sulla scheda assemblata, il codice di programma è protetto ed è possibile aggiornare il software senza interventi di installazione.
Ancora più interessante è l'opzione di un contatore elettrico senza EEPROM esterna e costosa RAM esterna non volatile. In situazioni di emergenza, è possibile registrare letture e informazioni di servizio nella memoria FLASH interna del microcontrollore. Ciò garantisce anche la riservatezza delle informazioni, cosa che non può essere garantita quando si utilizza un cristallo esterno non protetto da accessi non autorizzati. Tali contatori elettrici di qualsiasi complessità possono essere implementati utilizzando i microcontrollori Motorola della famiglia HC08 con memoria FLASH situata su un chip. Il passaggio ai sistemi digitali automatici di misurazione e controllo dell’elettricità è una questione di tempo. I vantaggi di tali sistemi sono evidenti. Il loro prezzo diminuirà costantemente. E anche sul microcontrollore più semplice, un contatore elettrico digitale di questo tipo presenta evidenti vantaggi: affidabilità dovuta alla completa assenza di elementi di sfregamento; compattezza; la possibilità di realizzare la custodia tenendo conto dell'interno dei moderni edifici residenziali; aumentare più volte il periodo di verifica; manutenibilità e facilità di manutenzione e funzionamento. Con piccoli costi aggiuntivi hardware e software, anche il più semplice contatore digitale può avere una serie di funzioni di servizio assenti in tutti quelli meccanici, ad esempio l'implementazione del pagamento multitariffa per l'energia consumata, la possibilità di contabilizzazione automatizzata e il controllo dei consumi elettricità consumata. Pubblicazione: cxem.net
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