¿Cómo diseñar un medidor de energía eléctrica usando un microcontrolador usando ADE7755 y AT89S51?
A medida que aumenta la demanda de electricidad, el desequilibrio del consumo de electricidad en diferentes períodos de tiempo se vuelve cada vez más grave. Para regular razonablemente la carga eléctrica y ahorrar energía, las compañías eléctricas han comenzado a fomentar el uso de contadores de energía de múltiples tarifas. Los medidores de energía eléctrica tradicionales de múltiples velocidades generalmente utilizan un método de medición de plataforma giratoria mecánica. La precisión de la medición disminuye con el desgaste mecánico, el período de tiempo es único, la lectura manual del medidor requiere mucha mano de obra y ocasionalmente se produce un robo de energía. Este artículo presenta el diseño de un nuevo medidor de energía eléctrica monofásico de múltiples velocidades basado en el microcontrolador AT89S52. Utiliza el chip de medición de energía eléctrica AD7755 para lograr una medición precisa de la energía eléctrica. Este medidor de energía eléctrica tiene las características de medición dividida en tiempo, pantalla LCD, revisión automática, configuración de zona horaria flexible, corrección de hora oportuna, novedoso antirrobo de electricidad y bajo consumo de energía. Y se realizó el análisis de errores de los datos de prueba experimentales del medidor de energía eléctrica y se señalaron los métodos para reducir y eliminar errores en la medición de energía eléctrica.
1? Diseño de circuito de hardware
1.1 Estructura general
Basado en el microcontrolador AT89S52 para completar el diseño de un medidor de energía monofásico multitasa AT89S52. tiene las siguientes funciones, memoria Flash de 8k palabras, memoria de programa cifrada de tres niveles, 256 bytes de RAM interna, 32 líneas de E/S programables, 3 temporizadores/contadores de 16 bits, una estructura de interrupción de dos niveles de 6 vectores, un completo Puerto de comunicación serie dúplex, oscilador en chip y circuito de reloj, dos modos de trabajo de bajo consumo de energía. Es un microcontrolador rentable de 8 bits que es más adecuado para la detección de entrada de señal de conmutación. El diseño de hardware del medidor de energía eléctrica incluye principalmente seis módulos, circuito de medición de energía eléctrica de detección de voltaje y corriente, módulo AD7755, módulo de circuito de vigilancia y almacenamiento en serie, módulo de circuito de pantalla de cristal líquido HT1621, módulo de circuito S3530A. p >
Módulo de circuito de comunicación de bus RS485, módulo de circuito de detección antimanipulación, la estructura general se muestra en la Figura 1.
Figura 1: Diagrama de bloques de la estructura general del sistema
1.2 Medición de energía eléctrica
La medición de energía monofásica se implementa utilizando el chip de bajo consumo AD7755 del fabricante estadounidense Empresa de dispositivos analógicos. Además del ADC, los circuitos de filtrado y multiplicación, el AD7755 utiliza circuitos digitales en su interior, lo que elimina eficazmente las señales de interferencia como los picos, lo que le permite mantener una precisión y estabilidad extremadamente altas en condiciones ambientales adversas. Muestreo de las señales de voltaje y corriente en el bucle monofásico, calculando la potencia e integrándola para convertirla en salida de pulsos de energía eléctrica. La CPU mide los pulsos desde el terminal de salida CF del AD7755 y calcula el consumo de energía acumulativo del circuito monofásico. medidor de energía. La relación entre energía eléctrica y pulsos es: W=M/C, donde W es energía eléctrica en kilovatios hora, M es el número acumulado de pulsos y C es la constante de pulso del medidor. Seleccione C=1600 y cada kilovatio. la hora es? 1600 pulso.
1.3 Comunicación RS485 El chip MAX487 realiza el control de comunicación RS485 de medidores de energía eléctrica de múltiples velocidades
El chip MAX487 tiene un protocolo de comunicación RS485 y puede transportar 128 computadoras inferiores, y el intervalo de transmisión es mayor que 1 km, la velocidad de transmisión alcanza los 250 kb/s. El medidor de energía eléctrica está conectado a la computadora de administración de energía a través del bus RS485. Cada medidor de energía eléctrica tiene un número de medidor hexadecimal único y determinado de ocho dígitos. Para la instalación inicial, el electricista debe registrar la información del usuario y el número del medidor e ingresarlos. en la interfaz de usuario en la computadora de gestión electrónica, se completa la conexión entre el usuario y la computadora de gestión. La computadora de administración utiliza el método de comunicación de transmisión para descargar la información de configuración del período y ajuste de hora. En este momento, no hay información de dirección y el medidor de energía eléctrica interrumpe la recepción. , es decir, a qué dirección se llama, qué medidor de energía eléctrica. Luego, la información y su código de verificación se empaquetan y se envían a la computadora de administración de energía para realizar la copia de energía. ?DE de MAX487 es el terminal de habilitación del transmisor. Cuando DE es ?1, el transmisor puede funcionar DI es el terminal de entrada y A y B son los terminales de salida. Cuando ?DE es ?0, el terminal de salida para detener el envío tiene alta impedancia. RE es el terminal de habilitación de entrada. Cuando RE es ?0, el receptor puede funcionar. A y B son terminales de entrada, y RO es el terminal de salida. Cuando RE es ?1, el receptor está desactivado y RO está en nivel alto. -estado de impedancia. Por lo tanto, utilice el método de comunicación semidúplex, conecte DE y RE y luego conéctese a P1.4 de AT89S52, y controle el estado de funcionamiento de envío y recepción a través del pin P1.4 de AT89S52.
1.4 Memoria serial
La memoria serial adopta el chip de bajo consumo X25045 de la compañía estadounidense XICOR. Tiene un temporizador de vigilancia WTD, monitoreo del voltaje de la fuente de alimentación y E2PROM serial de 512 bytes. Memoria con tres funciones. WTD se puede configurar en intervalos de tiempo de alimentación para perros de 200 ms, 600 ms y 1400 ms, la programación del software está escrita en X25045. Durante el funcionamiento normal del programa, WTD recibe la señal de disparo dentro del intervalo de tiempo para garantizar el funcionamiento normal del programa. Si WTD no recibe la señal de disparo dentro del intervalo de tiempo, X25045 emite una señal de alto nivel a través del pin RESET a. activa la energía eléctrica. La mesa se reinicia para evitar que el programa se ejecute. X25045 es un chip de memoria en serie que se utiliza para almacenar códigos de medidor de energía, configuraciones de períodos de tiempo de múltiples velocidades, potencia máxima, plana y de valle y la potencia total acumulada en el mes anterior y en el mes actual. Se puede reescribir el número de tiempos de almacenamiento. 100.000 veces los datos se pueden guardar durante cien años y se pueden conectar al AT89S52 mediante la interfaz de bus de protocolo SPI.
Circuito de reloj 1.5
El circuito de reloj lo completa el chip S3530A. Es un chip de reloj de bajo consumo que soporta el bus I2C. Recibe calibración según la CPU a través de RS485. comunicación Utiliza datos de tiempo para configurar el reloj y el calendario, y depende de su propia oscilación para seguir manteniendo el tiempo. Conecte un oscilador de cristal de 32,768 kHz a través de los pines Xin y Xout del S3530A. Está conectado a la CPU a través de una conexión de dos cables. El pin SDA y el pin SCL están conectados a P2.0 y P2.1 del AT89S52 respectivamente, y hay dos pines de alarma de interrupción que se pueden configurar para salida segunda o. Los pulsos de sincronización de un minuto al AT89S52 proporcionan una señal de interrupción con un período de 1 segundo. El sistema de microcontrolador leerá la hora actual a través de la interfaz de comunicación I2C en función de esta señal, calculará el período de tiempo al que pertenece el momento y realizará la hora. Medición basada en energía eléctrica mediante medidores de energía eléctrica de múltiples tarifas. El circuito del reloj tiene una batería de litio de respaldo. Cuando funciona normalmente, se alimenta con Vcc y carga la batería de litio de 3,6 V al mismo tiempo. Cuando se produce un corte de energía, la batería de litio cambia automáticamente para alimentar el circuito del reloj. El reloj mantiene la hora correcta incluso si hay un corte de energía.
Pantalla LCD 1.6
Utilizando el chip controlador de pantalla LCD HT1621 de HOLTEK Company para realizar una pantalla digital LCD de dieciséis dígitos. HT1621 es un controlador LCD con memoria incorporada de 128 segmentos (32 × 4). Incluye circuitos de control y temporización, RAM de pantalla, controlador LCD y polarización, temporizador de vigilancia, etc. Adopta un paquete SSOP de 48 pines. Tiene las ventajas de tamaño pequeño y bajo consumo de energía, y es muy adecuado para su aplicación en medidores de energía eléctrica. Su circuito de interfaz y circuito periférico son simples. Utiliza una interfaz en serie con AT89S52 y solo necesita tres cables. P2.4, P2.5 y P2.6 de AT89S52 están conectados respectivamente a sus tres pines: selección de chip CS, habilitación de escritura WR y datos seriales de DATOS para controlar el búfer RAM de visualización de actualización. Además, en la aplicación, se conecta una resistencia ajustable de 20 kΩ entre VDD y VLCD para ajustar el contraste de la pantalla LCD. Ajuste la resistencia para que VDD=5V y VLCD=4V tengan un mejor contraste.
1.7? Detección antirrobo de electricidad, etc.
Registrar el número de veces que se abre artificialmente la tapa de terminales del contador de energía eléctrica y analizar si se trata de robo de electricidad. Después de instalar el medidor de energía eléctrica, la caja del medidor de energía eléctrica debe sellarse con un cable. Los usuarios no pueden abrir la tapa del cableado del medidor de energía eléctrica sin permiso para dañar el sello de plomo, de lo contrario será un acto de robo de electricidad. . Por lo tanto, utilizamos sensores Hall para detectar si la tapa del terminal está abierta. Si se abre la tapa del terminal y el nivel del pin P1.6 del AT89S52, detectará la apertura de la tapa una vez. Registre la cantidad de veces que la tapa del terminal del medidor se abre y se rompe manualmente para determinar si hay. robo de electricidad Cuando se descubre el robo de electricidad, se activará una alarma, se cortará la energía y la información se cargará en la computadora de la administración superior de manera oportuna. La práctica ha demostrado que esta novedosa tecnología antirrobo de electricidad puede prevenir eficazmente el robo de electricidad y tiene un buen efecto. El diagrama de bloques del circuito de detección se muestra en la Figura 2.
Figura 2: Diagrama de bloques de detección antirrobo
El circuito de protección de apagado utiliza el pin de entrada P1.7 de AT89S52 para detectar la señal de apagado cuando el sistema está. ¿Funciona normalmente? El bit P1.7 tiene un nivel alto. Cuando se produce un corte de energía repentino, P1.7 pasa a un nivel bajo. Después de usar el método de consulta para detectar que P1.7 pasa a un nivel bajo, ingresará al programa de protección de apagado.
Hay un condensador de filtro grande de 1000 uf/25 v en el circuito de alimentación, que puede mantener el tiempo de funcionamiento del sistema durante más de diez segundos después de un corte de energía, asegurando que el medidor de energía almacene datos importantes. Circuito de aislamiento fotoeléctrico, en el sistema, el terminal de salida de pulso de AD775, el terminal de control de relé y el terminal de comunicación RS485 utilizan respectivamente aisladores fotoeléctricos 4N35. Las señales eléctricas se transmiten mediante acoplamiento óptico, que aísla las fuentes de interferencia de las partes susceptibles a la interferencia y mejora la capacidad del sistema para resistir interferencias.
2?Diseño del programa de software
2.1?Asignación de recursos del programa de software
El programa de software del medidor de energía eléctrica monofásico multitasa*** incluye inicialización y El programa principal tiene ocho módulos de programa: programa de lectura y escritura X25045, programa de procesamiento de comunicación serial RS485, programa de procesamiento de interrupciones, programa de procesamiento de temporizador, programa de control de pantalla HT1621, programa de procesamiento de apagado y medición de energía en fases temporales, autoprueba del sistema. y procesamiento antiinterferencias de software. La asignación de recursos de interrupción del sistema es: la interrupción INT0 se usa para la detección de pulso AD7755, INT1 se usa para la detección de segunda sincronización, el temporizador T0 se usa para cronometrar 100 ms, T1 no se usa, T2 se usa para el generador de velocidad de baudios del programa de comunicación en serie, serie La interrupción del puerto de línea se establece en ?Interrupción de recepción de comunicación asíncrona RS485.
2.2 Diseño del módulo de programa
El módulo de programa principal del proceso de trabajo del medidor de energía eléctrica se muestra en la Figura 3. Debe inicializarse cada vez que se enciende. La inicialización incluye el temporizador del microcontrolador AT89S52, el puerto serie, la interrupción y otras configuraciones del modo de trabajo. ¿Escribir la palabra de control del chip de memoria serie? El trabajo inicial del nuevo medidor de energía eléctrica requiere la configuración del valor inicial de X25045, incluida la configuración del número del medidor de energía eléctrica, la configuración del período de tiempo, la configuración del reloj, la asignación de la dirección de almacenamiento, etc. Este sistema establece tres períodos de tiempo. El microcontrolador lee el valor del reloj del chip de reloj S3530A cada segundo y luego analiza a qué período de tiempo pertenece el momento en función del período de tiempo preestablecido en el chip de memoria en serie. Guárdelo en la memoria RAM del AT89S52. , y luego escríbalo en la dirección correspondiente de X25045 cada vez que la energía eléctrica acumule suficiente 1 grado. La pantalla LCD de 16 dígitos muestra alternativamente el período de tiempo y la información de energía. Si hay una solicitud de comunicación, se utilizará el método de interrupción para comunicarse con la computadora host. Si hay un corte de energía, se ejecutará el programa de protección de apagado. Se omiten los diagramas de flujo de otros módulos del programa.
Figura 3: Diagrama de flujo del programa principal
Resultados de la prueba
El medidor de energía eléctrica se sometió a pruebas de error y pruebas de funcionamiento en Zibo Beilin Electronics Co., Ltd., y la computadora host Complete la configuración del período de tiempo de administración de electricidad y establezca tres períodos de tarifas. El primer período es de 00:00 a 06:30, que es el período de energía de menor actividad. El segundo período es de 06:30 a 22:00. 00. ?30 minutos es el período de máxima potencia, y el tercer período de 22:30 a 24:00 es el período de potencia plana. La configuración del período de tarifa la establece la compañía de suministro de energía eléctrica en el sistema de gestión informática de acuerdo con las políticas y regulaciones nacionales, se transmite al medidor de energía a través de la comunicación en serie RS485 y se almacena en X25045. La electricidad mensual pico, plana, valle y acumulada se almacena en el medidor de energía eléctrica y se empaqueta y se transmite al sistema de gestión de la computadora principal. La velocidad en baudios de comunicación se establece en 9600 bits/s. Se utiliza un banco de calibración de medidor de energía electrónico estándar de nivel 0,1 como medidor estándar. El medidor de energía eléctrica de múltiples velocidades es el medidor bajo prueba. Beilin Electronics Co., Ltd. realiza pruebas bajo diferentes cargas. La carga aparece como ?5KW. Los datos medidos en ese momento se muestran en la Tabla 1. Los resultados de la prueba muestran que el error del medidor de energía eléctrica de múltiples tarifas es inferior al 1%, lo que pertenece al estándar ?1.0. A través de experimentos, se sabe que los métodos para reducir el error de la medición de energía eléctrica son: primero, ajustar la resistencia de adaptación del AD7755 a un valor preciso; segundo, se requiere que la resistencia de la resistencia de adaptación cambie menos con la temperatura; Durante el proceso de medición de energía eléctrica, cuando se cambia el período de tiempo, el medidor de energía eléctrica cuya parte de mantisa de la energía eléctrica medida es inferior a? 0,01 kWh se ingresa en el siguiente período de tiempo, evitando así la pérdida de energía eléctrica inferior a? 0,01 kWh y provocando un error en la cantidad eléctrica acumulada.
Tabla 1: Los valores medidos del medidor estándar y el medidor bajo prueba son consistentes con 5KW
Conclusión
Los medidores de energía eléctrica multitarifa son se configura de acuerdo con diferentes períodos de tiempo para realizar la distribución de energía. La medición de horas adopta la comunicación en serie RS485 para realizar la lectura automática de energía y el ajuste del tiempo en tiempo real.
El medidor de energía eléctrica producido por Zibo Beilin Electronics Co., Ltd. muestra que la tecnología de diseño es novedosa, la medición es precisa, el tiempo de viaje es preciso, la configuración del período de tiempo es flexible y el diseño antirrobo de electricidad es novedoso. Todos los indicadores técnicos han alcanzado los estándares técnicos nacionales para medidores de energía eléctrica de múltiples tarifas y tienen amplias perspectivas de aplicación.
La innovación del autor de este artículo es utilizar el chip de medición de energía eléctrica AD7755 para medir con precisión; el almacenamiento en serie X25045 es flexible y confiable, el reloj en serie S3530A tiene un tiempo de viaje preciso y la transmisión por bus RS485. Tiene alta confiabilidad y un diseño novedoso para evitar el robo de electricidad. Utilizando la estructura de bus I2C, el diseño del medidor de energía eléctrica monofásico de múltiples velocidades es más razonable y tiene las características de alto costo.