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Comment fonctionne le compteur électronique

Pour calculer l'énergie électrique consommée sur 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. Tout compteur d'énergie électrique fonctionne selon ce principe. Dans la fig. 1 est un schéma synoptique d'un compteur électromécanique.

Schéma fonctionnel d'un compteur d'énergie électrique électromécanique

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

La mise en œuvre du compteur d'électricité numérique (figure 2) nécessite des circuits intégrés spécialisés capables de multiplier les signaux et de fournir la valeur obtenue sous une forme adaptée au microcontrôleur. Par exemple, le convertisseur de puissance actif est le taux de répétition des impulsions. Le nombre total d'impulsions reçues, comptées par le microcontrôleur, est directement proportionnel à la puissance consommée.

Schéma fonctionnel d'un compteur d'électricité numérique

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

Les fonctions de service, telles que l’accès à distance au compteur, l’information sur l’énergie stockée et bien d’autres encore, jouent un rôle non moins important. La présence d'un affichage numérique, contrôlé par le microcontrôleur, vous permet de définir par programmation différents modes d'informations de sortie, par exemple, afficher des informations sur la consommation d'énergie pour chaque mois, à des rythmes 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 chers pour être utilisés dans les compteurs à induction communaux. Par conséquent, de nombreux fabricants mondiaux de microcontrôleurs développent des microcircuits spécialisés destinés à une telle application.

Passons à l'analyse de la construction de la version la plus simple du compteur numérique sur le microcontrôleur 8 bits Motorola (moins cher). Dans la solution présentée, toutes les fonctions minimalement nécessaires sont réalisées. Il est basé sur l'utilisation d'un convertisseur de fréquence peu coûteux IC pour la fréquence d'impulsion KR1095PP1 et le microcontrôleur 8 bits MC68HC05KJ1 (Figure 3). Avec cette structure, le microcontrôleur doit résumer le nombre d'impulsions, afficher des informations sur l'écran et assurer sa protection dans divers modes d'urgence. Le compteur en question est en fait un analogue fonctionnel numérique des compteurs mécaniques existants, adapté à de nouvelles améliorations.

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

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

Les signaux proportionnels à la tension et au courant dans le réseau sont retirés des capteurs et transmis à l'entrée du convertisseur. Le convertisseur IC multiplie les signaux d'entrée pour obtenir une consommation d'énergie instantanée. Ce signal est envoyé à l'entrée du microcontrôleur, qui le convertit en W · h et, à mesure que les signaux s'accumulent, modifie le relevé du compteur. Les pannes de courant fréquentes obligent à utiliser la mémoire EEPROM pour stocker le relevé. Les pannes de courant étant la situation d'urgence la plus courante, cette protection est nécessaire dans tout compteur numérique.

L'algorithme du programme (Figure 4) pour une version simple d'un tel compteur est assez simple. A la mise sous tension, le microcontrôleur est configuré conformément au programme, lit la dernière valeur enregistrée dans l'EEPROM et l'affiche à l'écran. Ensuite, le contrôleur entre dans le mode de comptage des impulsions provenant du CI du convertisseur et, à mesure que chaque W · h s'accumule, augmente la lecture du compteur.

L'algorithme du programme du compteur électrique

Fig. 4. L'algorithme du programme

Lors de l'écriture dans l'EEPROM, la valeur énergétique accumulée peut être perdue lorsque la tension est coupée. Pour ces raisons, la valeur de l'énergie accumulée est écrite cycliquement l'une après l'autre dans l'EEPROM après un certain nombre de modifications de la lecture du compteur, programmées en fonction de la précision requise. Cela évite la perte de données sur l'énergie stockée. Lorsque la 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 pas de 100 Wh / h. Cette valeur peut être modifiée dans le programme.

Le circuit de la calculatrice numérique est illustré à la Fig. 5. Le connecteur X1 connecte l'alimentation 220 V et la charge. A partir des capteurs de courant et de tension, les signaux sont transmis au microcircuit du convertisseur KR1095PP1 avec un optocoupleur de la sortie de fréquence. La base du compteur est le microcontrôleur MC68HC05KJ1 de Motorola, fabriqué dans un boîtier 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, la micropuce du petit volume 24C00 (16 octets) est utilisée. L'écran utilise un écran LCD 7 segments 8 bits, contrôlé par un contrôleur peu coûteux, communiquant avec le microcontrôleur central via le protocole SPI ou I 2C et connecté au connecteur X2.

L'implémentation de l'algorithme nécessitait moins de 1 Ko de mémoire et moins de la moitié des ports d'E / S du microcontrôleur MC68HC05KJ1. Ses capacités suffisent pour ajouter certaines fonctions de service, par exemple, en combinant des compteurs dans le réseau via l'interface RS-485. Cette fonction vous permettra d’obtenir des informations sur l’énergie stockée dans le centre de services et d’éteindre l’électricité en l’absence de paiement. Un réseau de ces compteurs peut être équipé d'un bâtiment résidentiel à plusieurs étages. Toutes les indications sur le réseau seront envoyées au centre d'expédition.

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

Calculatrice numérique pour compteur d'électricité numérique

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

Encore plus intéressant, le compteur électrique sans EEPROM externe et la mémoire vive externe non volatile coûteuse. Vous pouvez y enregistrer les indications et les informations de service dans la mémoire FLASH interne du microcontrôleur en cas de situation d'urgence. Cela garantit également la confidentialité des informations, ce qui ne peut être fait en utilisant un cristal externe qui n'est pas protégé contre les accès non autorisés. De tels compteurs d'énergie de toute complexité peuvent être réalisés à l'aide de microcontrôleurs de la famille Motorola HC08 avec une mémoire FLASH située sur la puce.

Le passage aux systèmes automatiques numériques pour la comptabilité et le contrôle de l'électricité est une question de temps. Les avantages de tels systèmes sont évidents. Leur prix baissera constamment. Et même sur le microcontrôleur le plus simple, un tel compteur électrique numérique présente des avantages évidents: fiabilité due à l'absence totale d'éléments de frottement; la compacité la possibilité de fabriquer le boîtier en tenant compte de l'intérieur des bâtiments résidentiels modernes; augmenter la durée des contrôles à plusieurs reprises; maintenabilité et facilité d'entretien et de fonctionnement. Avec des coûts matériels et logiciels supplémentaires peu élevés, même le compteur numérique le plus simple peut comporter un certain nombre de fonctions de service qui ne sont pas disponibles pour tous les appareils mécaniques.