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Le principe de fonctionnement du compteur électronique

Pour calculer l'énergie électrique consommée pendant une certaine période de temps, 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 et du courant dans le réseau à un instant donné. Tout compteur d'énergie électrique fonctionne sur ce principe. Dans la fig. 1 montre un schéma de principe 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 d'un compteur d'énergie électrique numérique (Fig. 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, un convertisseur de puissance active en un taux de répétition d'impulsions. Le nombre total d'impulsions reçues, calculé par le microcontrôleur, est directement proportionnel à l'énergie consommée.

Schéma fonctionnel d'un compteur d'énergie électrique numérique

Fig. 2. Schéma fonctionnel d'un compteur d'énergie électrique numérique

Toutes sortes de fonctions de service, comme l'accès à distance au compteur, aux informations sur l'énergie stockée, et bien d'autres, jouent un rôle tout aussi important. La présence d'un affichage numérique contrôlé par un microcontrôleur vous permet de définir par programmation différents modes de sortie d'informations, par exemple, afficher des informations sur la consommation d'énergie pour chaque mois, à différents taux, etc.

Pour exécuter certaines fonctions non standard, par exemple les niveaux de correspondance, des circuits intégrés supplémentaires sont utilisés. Maintenant, ils ont 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 à utiliser dans les compteurs à induction domestiques. Par conséquent, de nombreux fabricants mondiaux de microcontrôleurs développent des microcircuits spécialisés conçus 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 circuit intégré peu coûteux d'un convertisseur de puissance pour la fréquence d'impulsion KR1095PP1 et d'un microcontrôleur 8 bits MC68HC05KJ1 (Fig. 3). Avec cette structure, le microcontrôleur doit additionner le nombre d'impulsions, afficher des informations sur l'écran et le protéger dans différents modes d'urgence. Le compteur considéré est en fait un analogue fonctionnel numérique des compteurs mécaniques existants, adapté pour de nouvelles améliorations.

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

Fig. 3. Les nœuds principaux 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 envoyés à l'entrée du convertisseur. Le convertisseur IC multiplie les signaux d'entrée pour produire une consommation électrique instantanée. Ce signal est envoyé à l'entrée du microcontrôleur, le convertissant en Wh · h et, à mesure que les signaux s'accumulent, modifiant les lectures du compteur. Les pannes de courant fréquentes obligent à utiliser l'EEPROM pour enregistrer les relevés de compteur. Les pannes de courant étant la situation d'urgence la plus courante, une telle protection est nécessaire dans tout compteur numérique.

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

L'algorithme du programme des compteurs électriques

Fig. 4. L'algorithme du programme

Lors de l'écriture dans l'EEPROM, la valeur de l'énergie accumulée peut être perdue lors d'une coupure de tension. Pour ces raisons, la valeur de l'énergie accumulée est enregistrée cycliquement les unes après les autres dans l'EEPROM par le biais d'un certain nombre de changements dans les relevés du compteur, programmés en fonction de la précision requise. Cela évite la perte de données énergétiques stockées. Lorsque la tension apparaît, le microcontrôleur analyse toutes les valeurs de l'EEPROM et sélectionne cette dernière. Pour des pertes minimales, il suffit d'enregistrer des valeurs par incréments de 100 Wh. Cette valeur peut être modifiée dans le programme.

Le circuit de l'ordinateur numérique est illustré à la Fig. 5. Une tension d'alimentation de 220 V et une charge sont connectées au connecteur X1. À partir des capteurs de courant et de tension, les signaux sont envoyés au microcircuit du convertisseur KR1095PP1 avec isolation optocoupleur de la sortie de fréquence. La base du compteur est un microcontrôleur Motorola MC68HC05KJ1 fabriqué dans un boîtier à 16 broches (DIP ou SOIC) et ayant 1,2 Ko de ROM et 64 octets de RAM. Pour stocker la quantité d'énergie accumulée lors de pannes de courant, une société Microchip utilise une EEPROM 24C00 (16 octets) de petit volume. L'écran utilise un LCD 8 bits à 7 segments, contrôlé par n'importe quel contrôleur à faible coût, communiquant avec le microcontrôleur central via le protocole SPI ou I 2C et connecté au connecteur X2.

L'implémentation 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 capacités sont suffisantes pour ajouter certaines fonctions de service, par exemple, la combinaison de compteurs dans un réseau via l'interface RS-485. Cette fonction 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 à plusieurs étages. Toutes les indications sur le réseau iront au centre de répartition.

La famille des microcontrôleurs 8 bits avec mémoire FLASH située sur la puce est particulièrement intéressante. Puisqu'il peut être programmé directement sur la carte assemblée, le code logiciel est protégé et le logiciel peut être mis à jour sans travaux d'installation.

Ordinateur numérique pour compteur d'électricité numérique

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

Encore plus intéressant est l'option d'un compteur d'électricité sans EEPROM externe et RAM non volatile externe coûteuse. En cas d'urgence, il peut être utilisé pour enregistrer des lectures et des informations de service dans la mémoire FLASH interne du microcontrôleur. Cela garantit également la confidentialité des informations, ce qui ne peut pas 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 mis en œuvre à l'aide de microcontrôleurs Motorola de la famille HC08 avec une mémoire FLASH située sur la 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 baissera constamment. Et même sur le microcontrôleur le plus simple, un tel compteur électrique numérique présente des avantages évidents: fiabilité du fait de l'absence totale d'éléments de frottement; compacité; la possibilité de fabriquer un bâtiment en tenant compte de l'intérieur des bâtiments résidentiels modernes; augmentation de la période de vérification de plusieurs fois; maintenabilité et facilité d'entretien et d'utilisation. Avec de petits coûts matériels et logiciels supplémentaires, même le compteur numérique le plus simple peut avoir un certain nombre de fonctions de service qui sont absentes dans toutes les mécaniques, par exemple, la mise en œuvre d'un paiement multi-tarif pour la consommation d'énergie, la possibilité de comptage automatisé et le contrôle de la consommation d'énergie.