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§ 13 Principe de fonctionnement des compteurs électroniques.


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 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, compté par le microcontrôleur, est directement proportionnel à l'électricité consommée.

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 différents modes d'affichage d'informations, par exemple, d'afficher des informations sur l'énergie consommée pour chaque mois, à des débits différents, etc.

Pour exécuter certaines fonctions non standard, telles que 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 une telle application. Passons maintenant 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 des impulsions 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 divers modes d'urgence. Le compteur considéré est en réalité un analogue fonctionnel numérique des compteurs mécaniques existants, adapté à de nouvelles améliorations.

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 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. Étant donné que les pannes de courant constituent l'urgence la plus typique, 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. À 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.

Fig. 4. L'algorithme du programme.

Lors de l'écriture dans une EEPROM, la valeur de l'énergie accumulée peut être perdue au moment de la panne de courant. Pour ces raisons, la valeur de l'énergie accumulée est enregistrée dans la mémoire EEPROM de manière cyclique, l'une après l'autre, par le biais d'un certain nombre de changements dans les relevés du compteur, définis 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.

Circuit informatique numérique
montré 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 KR1095PP1 avec un optocoupleur isolé de la sortie de fréquence. Le compteur est basé sur le microcontrôleur 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’écran utilise un écran LCD 7 segments à 8 bits, contrôlé par n’importe quel contrôleur peu coûteux, communiquant avec un microcontrôleur central utilisant le protocole SPI ou S. L’implémentation de l’algorithme requiert 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, par exemple 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 ces compteurs peut être équipé d’un immeuble résidentiel. Toutes les indications sur le réseau arriveront au centre de contrôle. Une famille de microcontrôleurs 8 bits à 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'énergie 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 des lectures et des informations d’entretien 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 implémentés à l'aide de microcontrôleurs Motorola de la famille HC08 dotés d'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 les microcontrôleurs les plus simples, un tel compteur électrique numérique présente des avantages évidents: fiabilité due à l'absence complète d'éléments frottants; compacité; la possibilité de fabriquer la carrosserie en tenant compte de l'intérieur des bâtiments résidentiels modernes; une augmentation de la période de vérification de plusieurs fois; maintenabilité et facilité d'entretien et d'exploitation. Avec de faibles coûts matériels et logiciels supplémentaires, 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.