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Le principe de fonctionnement du compteur électronique

Pour calculer l'énergie électrique consommée pendant une certaine période, il est nécessaire d'intégrer les valeurs instantanées de la puissance active dans le temps. Pour un signal sinusoïdal, la puissance est égale au produit de la tension sur le courant dans le réseau à un moment donné. Sur ce principe, tout compteur d'énergie électrique. Sur la fig. 1 montre un schéma fonctionnel d'un compteur électromécanique.

Schéma de principe d'un compteur électromécanique d'énergie électrique

Fig. 1. Schéma fonctionnel d'un compteur électromécanique d'énergie électrique

La mise en œuvre d'un compteur d'électricité numérique (Fig. 2) nécessite des circuits intégrés spécialisés capables de multiplier les signaux et de fournir la valeur résultante sous une forme adaptée au microcontrôleur. Par exemple, le convertisseur de puissance active - au taux de répétition des impulsions. Le nombre total d'impulsions entrantes, calculé par le microcontrôleur, est directement proportionnel à l'électricité consommée.

Schéma fonctionnel d'un compteur d'électricité numérique

Fig. 2. Schéma fonctionnel d'un compteur d'électricité numérique

Tout aussi important est le rôle de toutes sortes de fonctions de service, telles que l’accès à distance au compteur, les informations sur l’énergie stockée, etc. La présence d'un affichage numérique contrôlé par un microcontrôleur vous permet de définir par programmation divers modes d'affichage d'informations, par exemple, afficher des informations sur l'énergie consommée pour chaque mois, à des débits différents, etc.

Pour exécuter certaines fonctions non standard, par exemple la correspondance de niveau, des CI supplémentaires sont utilisés. Nous avons maintenant commencé à produire des circuits intégrés spécialisés - convertisseurs de puissance en fréquence - et des microcontrôleurs spécialisés contenant des convertisseurs similaires sur une puce. Mais, souvent, ils sont trop coûteux à utiliser dans les compteurs à induction domestiques. Par conséquent, de nombreux fabricants mondiaux de microcontrôleurs développent des puces spécialisées conçues pour cette application.

Passons à l’analyse de la construction de la version la plus simple d’un compteur numérique sur le microcontrôleur Motorola 8 bits le moins cher (moins d’un dollar). La solution présentée implémente toutes les fonctions minimales nécessaires. Il est basé sur l'utilisation d'un convertisseur de puissance peu coûteux IC à la fréquence d'impulsion KR1095PP1 et d'un microcontrôleur à 8 bits MC68HC05KJ1 (Fig. 3). Avec une telle structure, le microcontrôleur doit résumer le nombre d'impulsions, afficher des informations sur l'écran et le protéger dans différents modes d'urgence. Le compteur considéré est en réalité un analogue fonctionnel numérique des compteurs mécaniques existants, adapté pour une amélioration ultérieure.

Les principaux nœuds du compteur d'électricité numérique le plus simple

Fig. 3. Les principaux nœuds du compteur d'électricité numérique le plus simple

Les signaux proportionnels à la tension et au courant dans le réseau sont supprimés des capteurs et envoyés à l'entrée du convertisseur. Le convertisseur IC multiplie les signaux d'entrée, obtenant une consommation d'énergie instantanée. Ce signal est envoyé à l'entrée du microcontrôleur, qui le convertit en Wh et, à mesure que les signaux s'accumulent, modifie les lectures du compteur. Les pannes de courant fréquentes obligent à utiliser une EEPROM pour stocker les relevés des compteurs. Les pannes de courant étant l’urgence la plus courante, une telle protection est nécessaire dans tout compteur numérique.

L'algorithme du programme (Fig. 4) pour la version la plus simple d'un tel compteur est assez simple. Lors de la mise sous tension, le microcontrôleur est configuré conformément au programme, lit la dernière valeur stockée dans l'EEPROM et l'affiche. Ensuite, le contrôleur passe au mode de comptage des impulsions provenant du circuit intégré du convertisseur et, à mesure que chaque Wh s’accumule, il augmente la lecture du compteur.

L'algorithme du programme de compteurs électriques

Fig. 4. Algorithme du programme

Lors de l'écriture dans une EEPROM, la valeur de l'énergie stockée peut être perdue au moment de la panne de courant. Pour ces raisons, la valeur de l'énergie accumulée est écrite successivement dans la mémoire EEPROM par le biais d'un certain nombre de modifications des relevés de compteur, définies par programme, en fonction de la précision requise. Cela évite la perte de données d'énergie stockée. Lorsqu'une tension apparaît, le microcontrôleur analyse toutes les valeurs de l'EEPROM et sélectionne la dernière. Pour des pertes minimales, il suffit d’enregistrer les valeurs par incréments de 100 Wh. Cette valeur peut être modifiée dans le programme.

Le circuit de la calculatrice numérique est illustré à la fig. 5. Connectez la tension d'alimentation de 220 V et la charge au connecteur X1. Les signaux des capteurs de courant et de tension sont envoyés à la puce de conversion KP1095PP1 avec une sortie de fréquence isolée par optocoupleur. Le compteur est basé sur un MCU Motorola MC68HC05KJ1, fabriqué dans un boîtier à 16 broches (DIP ou SOIC) et disposant de 1,2 Ko de ROM et de 64 octets de RAM. Pour stocker la quantité d'énergie accumulée en cas de panne de courant, une petite EEPROM 24C00 (16 octets) de Microchip est utilisée. L'affichage utilise un écran LCD 8 segments à 7 segments, contrôlé par n'importe quel contrôleur peu coûteux, communiquant avec le microcontrôleur central à l'aide du protocole SPI ou I 2C et connecté au connecteur X2.

La mise en œuvre de l’algorithme a nécessité moins de 1 Ko de mémoire et moins de la moitié des ports d’entrée / sortie du microcontrôleur MC68HC05KJ1. Ses fonctionnalités sont suffisantes pour ajouter certaines fonctions de service, telles que l'intégration de compteurs dans un réseau via une interface RS-485. Cette fonctionnalité vous permettra de recevoir des informations sur l’énergie accumulée dans le centre de service et de couper l’électricité en l’absence de paiement. Un réseau de tels compteurs peut être équipé d’un immeuble résidentiel. Toutes les indications sur le réseau arriveront au centre de contrôle.

Une famille de microcontrôleurs à 8 bits avec mémoire flash située sur une puce est particulièrement intéressante. Comme il peut être programmé directement sur la carte assemblée, le code du programme est protégé et le logiciel peut être mis à jour sans installation.

Ordinateur numérique pour compteur d'électricité numérique

Fig. 5. Ordinateur numérique pour compteur d'électricité numérique

Encore plus intéressante est la version du compteur d'électricité sans EEPROM externe et sans RAM externe coûteuse et coûteuse. Il est possible dans des situations d’urgence d’enregistrer les lectures et les informations de maintenance dans la mémoire flash interne du microcontrôleur. Cela garantit également la confidentialité des informations, ce qui ne peut pas être fait avec un cristal externe qui n'est pas protégé contre les accès non autorisés. De tels compteurs d'électricité, quelle que soit leur complexité, peuvent être mis en œuvre à l'aide de microcontrôleurs Motorola HC08 avec une mémoire FLASH située sur une puce.

Le passage aux systèmes automatiques numériques de comptabilité et de contrôle de l'électricité est une question de temps. Les avantages de tels systèmes sont évidents. Leur prix va constamment baisser. Et même sur le microcontrôleur le plus simple, un tel compteur électrique numérique présente des avantages évidents: une fiabilité due à l’absence totale d’éléments de frottement; compacité; la possibilité de fabriquer la carrosserie en tenant compte de l'intérieur des bâtiments résidentiels modernes; une augmentation de la période d'étalonnage à plusieurs reprises; maintenabilité et facilité d'entretien et d'exploitation. Avec un faible coût matériel et logiciel supplémentaire, même le compteur numérique le plus simple peut avoir un certain nombre de fonctions de service qui ne sont pas disponibles pour toutes les applications mécaniques, par exemple, la mise en œuvre du paiement multi-tarif pour l'énergie consommée, la possibilité de mesure automatique et le contrôle de l'électricité consommée.