Для расчёта электрической энергии, потребляемой за определённый период времени, необходимо интегрировать во времени мгновенные значения активной мощности. Для синусоидального сигнала мощность равна произведению напряжения на ток в сети в данный момент времени. На этом принципе работает любой счётчик электрической энергии. На рис. 1 показана блок-схема электромеханического счётчика.
Рис. 1. Блок-схема электромеханического счетчика электрической энергии
Реализация цифрового счётчика электрической энергии (рис. 2) требует специализированных ИС, способных производить перемножение сигналов и предоставлять полученную величину в удобной для микроконтроллера форме. К примеру, преобразователь активной мощности — в частоту следования импульсов. Общее количество пришедших импульсов, подсчитываемое микроконтроллером, прямо пропорционально потребляемой электроэнергии.
Рис. 2. Блок-схема цифрового счетчика электрической энергии
Не менее важную роль играют всевозможные сервисные функции, такие как дистанционный доступ к счётчику, к информации о накопленной энергии и многие другие. Наличие цифрового дисплея, управляемого от микроконтроллера, позволяет программно устанавливать различные режимы вывода информации, например, выводить на дисплей информацию о потреблённой энергии за каждый месяц, по различным тарифам и так далее.
Для выполнения некоторых нестандартных функций, например, согласования уровней, используются дополнительные ИС. Сейчас начали выпускать специализированные ИС — преобразователи мощности в частоту — и специализированные микроконтроллеры, содержащие подобные преобразователи на кристалле. Но, зачастую, они слишком дороги для использования в коммунально-бытовых индукционных счётчиках. Потому многие мировые производители микроконтроллеров разрабатывают специализированные микросхемы, предназначенные для такого применения.
Перейдём к анализу построения простейшего варианта цифрового счётчика на наиболее дешёвом (менее доллара) 8-разрядном микроконтроллере Motorola. В представленном решении реализованы все минимально необходимые функции. Оно базируется на использовании недорогой ИС преобразователя мощности в частоту импульсов КР1095ПП1 и 8-разрядного микроконтроллера MC68HC05KJ1 (рис. 3). При такой структуре микроконтроллеру требуется суммировать число импульсов, выводить информацию на дисплей и осуществлять её защиту в различных аварийных режимах. Рассматриваемый счётчик фактически представляет собой цифровой функциональный аналог существующих механических счётчиков, приспособленный к дальнейшему усовершенствованию.
Рис. 3. Основные узлы простейшего цифрового счетчика электроэнергии
Сигналы, пропорциональные напряжению и току в сети, снимаются с датчиков и поступают на вход преобразователя. ИС преобразователя перемножает входные сигналы, получая мгновенную потребляемую мощность. Этот сигнал поступает на вход микроконтроллера, преобразующего его в Вт·ч и, по мере накопления сигналов, изменяющего показания счётчика. Частые сбои напряжения питания приводят к необходимости использования EEPROM для сохранения показаний счётчика. Поскольку сбои по питанию являются наиболее характерной аварийной ситуацией, такая защита необходима в любом цифровом счётчике.
Алгоритм работы программы (рис. 4) для простейшего варианта такого счётчика довольно прост. При включении питания микроконтроллер конфигурируется в соответствии с программой, считывает из EEPROM последнее сохранённое значение и выводит его на дисплей. Затем контроллер переходит в режим подсчёта импульсов, поступающих от ИС преобразователя, и, по мере накопления каждого Вт·ч, увеличивает показания счётчика.
Рис. 4. Алгоритм работы программы
При записи в EEPROM значение накопленной энергии может быть утеряно в момент отключения напряжения. По этим причинам значение накопленной энергии записывается в EEPROM циклически друг за другом через определённое число изменений показаний счётчика, заданное программно, в зависимости от требуемой точности. Это позволяет избежать потери данных о накопленной энергии. При появлении напряжения микроконтроллер анализирует все значения в EEPROM и выбирает последнее. Для минимальных потерь достаточно записывать значения с шагом 100 Вт·ч. Эту величину можно менять в программе.
Схема цифрового вычислителя показана на рис. 5. К разъёму X1 подключается напряжение питания 220 В и нагрузка. С датчиков тока и напряжения сигналы поступают на микросхему преобразователя КР1095ПП1 с оптронной развязкой частотного выхода. Основу счётчика составляет микроконтроллер MC68HC05KJ1 фирмы Motorola, выпускаемый в 16-выводном корпусе (DIP или SOIC) и имеющий 1,2 Кбайт ПЗУ и 64 байт ОЗУ. Для хранения накопленного количества энергии при сбоях по питанию используется EEPROM малого объёма 24С00 (16 байт) фирмы Microchip. В качестве дисплея используется 8-разрядный 7-сегментный ЖКИ, управляемый любым недорогим контроллером, обменивающийся с центральным микроконтроллером по протоколу SPI или I2C и подключаемый к разъёму Х2.
Реализация алгоритма потребовала менее 1 Кбайт памяти и менее половины портов ввода/вывода микроконтроллера MC68HC05KJ1. Его возможностей достаточно, чтобы добавить некоторые сервисные функции, например, объединение счётчиков в сеть по интерфейсу RS-485. Эта функция позволит получать информацию о накопленной энергии в сервисном центре и отключать электричество в случае отсутствия оплаты. Сетью из таких счётчиков можно оборудовать жилой многоэтажный дом. Все показания по сети будут поступать в диспетчерский центр.
Определённый интерес представляет собой семейство 8-разрядных микроконтроллеров с расположенной на кристалле FLASH-памятью. Поскольку его можно программировать непосредственно на собранной плате, обеспечивается защищённость программного кода и возможность обновления ПО без монтажных работ.
Рис. 5. Цифровой вычислитель для цифрового счетчика электроэнергии
Ещё более интересен вариант счётчика электроэнергии без внешней EEPROM и дорогостоящей внешней энергонезависимой ОЗУ. В нём можно при аварийных ситуациях фиксировать показания и служебную информацию во внутреннюю FLASH-память микроконтроллера. Это к тому же обеспечивает конфиденциальность информации, чего нельзя сделать при использовании внешнего кристалла, не защищённого от несанкционированного доступа. Такие счётчики электроэнергии любой сложности можно реализовать с помощью микроконтроллеров фирмы Motorola семейства HC08 с FLASH-памятью, расположенной на кристалле.
Переход на цифровые автоматические системы учёта и контроля электроэнергии — вопрос времени. Преимущества таких систем очевидны. Цена их будет постоянно падать. И даже на простейшем микроконтроллере такой цифровой счётчик электроэнергии имеет очевидные преимущества: надёжность за счёт полного отсутствия трущихся элементов; компактность; возможность изготовления корпуса с учётом интерьера современных жилых домов; увеличение периода поверок в несколько раз; ремонтопригодность и простота в обслуживании и эксплуатации. При небольших дополнительных аппаратных и программных затратах даже простейший цифровой счётчик может обладать рядом сервисных функций, отсутствующих у всех механических, например, реализация многотарифной оплаты за потребляемую энергию, возможность автоматизированного учёта и контроля потребляемой электроэнергии.