Projekt "Erfassung von Stromverbrauchsdaten an Dreh- und Wechselstromzählern und deren Darstellung auf einem Grafik-LCD-Display" mit der Open-Macro

Autor: Josef Fenk

Es werden Schaltpläne und der Source-Code für die Open-Macro beschrieben, um die erfassten Messdaten von Dreh-/Wechselstromzählern auf einem Grafik-LCD-Display darzustellen.

Der beschriebene Schaltungsaufbau und der dazugehörige Source-Code dienen zur Erfassung von Energieverbrauchsdaten an 2 Dreh- / Wechselstrom- Zählern mit einer Drehscheibe mit roter Markierung (Ferrarisscheibe). Der Hauptzähler ist üblicherweise verplombt und Eigentum der Energieversorgungsunternehmen, Eingriffe sind grundsätzlich nicht zulässig. Werden Messeinrichtungen angebracht, dürfen diese den Zähler nicht beeinflussen und müssen rückstandslos entfernbar sein. Der komplette Schaltungsaufbau besteht aus 6 Teilen. Je einer Sensor-Einheit, welche an beiden Energie-Zählern montiert werden sollte, einem Board mit der Sensor-Signalaufbereitung und Wandlung in ein Logik-Signal, einer Signalverarbeitungs- und Anzeige-Einheit mit der Open-Macro, einem Grafik-Display vom Hersteller Datavision mit der Typenbezeichnung DG-12232, sowie einem DCF77 Zeitzeichen Empfänger-Modul.

Insgesamt habe ich 2 Sensor Platinen realisiert. Zuerst eine Lösung für einen Zähler mit nur einem Operationsverstärker. Um jedoch 2 Energiezähler zu erfassen, habe ich dann noch eine Lösung mit dem CD40098 (6-fach Inverter ähnlich CD4049 u. CD 4009) entwickelt.

Die Energiezähler-Sensoren sind so konzipiert, dass die Anforderungen (keine Beeinflussung des Zählers und rückstandslose Entfernbarkeit) erfüllt werden. Durch eine berührungslose, optoelektronische Messdatenerfassung ist kein Eingriff am Zähler oder Stromnetz erforderlich. Die Sensoreinheiten registrieren den Durchlauf der roten Markierung auf der Drehscheibe (Ferrarisscheibe) und wandeln das analoge Signal um in 0/5V Impulse, welche an das Board mit der Open-Macro weitergeleitet werden. Da sich die eingebauten Zähler der verschiedenen Energie-Versorgungsunternehmen mechanisch unterscheiden, ist eine Anpassung der Gehäuse und der Einstellungen der Sensorplatine erforderlich. Bei korrekter Montage und Einstellung Abtastempfindlichkeit wird jeder Durchlauf der roten Markierung der Ferrarisscheibe durch die D1 oder D2 an der Sensoreinheit angezeigt. Die Montage der Sensoreinheit erfordert ein genaues Arbeiten! Ich habe als Gehäuse eine Art Haube für die Sensoreinheit angefertigt, welche über die Zähler gesteckt werden (siehe Datei IMG_3361_Sensor_Zaehler.jpg und IMG_3382_Sensor_Innenansicht.jpg). Diese Gehäuse bzw. Haube habe ich aus 7mm dicken Nomaplan-Platten (im Angebot bei OBI) aufgebaut. So kann man, falls der Zähler abgelesen werden muss, diese einfach abnehmen. Wichtig ist dabei, dass die Frontplatte mit der Sensoreinheit exakt auf die Ferrarisscheibe ausgerichtet ist. Auf dem Zähler machte ich links und rechts mit Tesakreppband eine horizontale Markierung genau auf der Höhe der Drehscheibe (Ferrarisscheibe). Dann wurde die genaue Mitte ermittelt, an welcher die Drehscheibe vorbeiläuft. Die Infrarot Sende Diode habe ich dann ca. 6-7mm links von der Mitte und den Phototransistor ca. 6...7 mm rechts von der Mitte positioniert. Eine Verschiebung um wenige Millimeter in der vertikalen Richtung kann bereits eine Fehlfunktion zur Folge haben. Für die Innenseite wurde ein schwarzer Karton in der Größe der Zähler-Frontansicht benutzt. Dieser hat an der Position der Infrarotdiode und des Phototransistors eine kleine Aussparung für diese Bauelemente. Ganz wesentlich für einen erfolgreichen Aufbau sind jedoch die Eigenschaften der Sendediode und des Phototransistors. Folgende Pärchen habe ich getestet:



Sendediode / Phototransistor	Beschreibung des Bauelementes	Test-Ergebnis zwischen Hell / Dunkel
CNY70	Reflexlichtschranke	sehr geringe Unterschiede unter 0,6V
LD271extra/CNY70	nur P.-Transistor benutzt	ca. 1V (1,4 bis 2,4V; siehe dazu Datei LD271_CNY70.pdf
K153P von Temic	Einzelbauelement als Pärchen	ca. 0,6V (1,9 auf 2,5V; siehe Datei K153P_Temic.pdf)
ON1319 von Mitsubishi	Gabellichtschranke, zerlegt	ca. 2V (1,5V auf 3,5V; siehe Datei ON1319_Mitsubishi.pdf)


Aus der Gabellichtschranke von Mitsubishi (ON1319) hatte ich die Sendediode und den Phototransistor ausgebaut. Beide Teile wiesen eine klare Plastikumhüllung auf, während das Pärchen von Temic jeweils dunkel eingefärbt war. Eventuell kam dadurch das wesentlich andere Reflexions-Verhalten zustande. Zur optimalen Montage wurde die Sensor-Einheit auf einer separaten Platine aufgebaut. So kann die Sensor-Platine direkt am Energiezähler positioniert werden, während das Board mit der Sensor-Signalaufbereitung und Wandlung in ein Logik-Signal auf nur einem Gehäuse bzw. Haube beim Zählerkasten montiert wurde.

Beschreibung der Lösung mit dem Operationsverstärker (siehe dazu Datei My_kWh_Sensor_1.pdf): In der Datei LD271_CNY70.pdf sind die Signalverläufe an den verschieden Punkten der Sensoreinheit dargestellt. Über eine dreiadrige Leitung (GND, +5V und Signal) werden die Impulse von der Sensoreinheit zu dem Open-Macro Board übertragen. Die LED2 der Sensoreinheit leuchtet, wenn an der Ferrarisscheibe das Infrarotlicht am wenigsten reflektiert wird und am OP (-) Eingang 3 die Spannung höher als am OP (+) Eingang 2 ist.
Einstellung der Abtastempfindlichkeit: Die Abtastempfindlichkeit habe ich auf folgende Weise eingestellt. Dabei ist es sehr vorteilhaft, wenn man ein Multimeter mit Datenausgang USB oder RS232 hat und die gemessenen Daten sofort darstellen kann.
1. Einen großen Verbraucher mit mindestens 3000 W Leistung (z. B. E-Herd) einschalten, damit sich die Ferrarisscheibe hinreichend schnell dreht.
2. Mit einem hochohmigen Multimeter (10MOhm) zwischen GND/Masse und dem Messpunkt MP_1, dem (-) Eingang des Operationsverstärkers (OP), die Spannung messen und mit dem Potentiometer P1 den Infrarot-Sendediodenstrom so einstellen, dass ca. 1,5 bis 2 V Gleichspannung am (-) Eingang des OP anliegen. Wird die Messspitze des Multimeters von dem (-) Eingang des OPs entfernt so steigt die Spannung fast um ca. 1V auf 2,5 bis 3V an, da der Kollektor Lastpunkt des Phototransistors (entspricht dem (-) Eingang des OPs) sehr hochohmig ist.
3. Nun das Multimeter zwischen GND/Masse und dem (+) Eingang des OPs anlegen und beginnend von ca. 3,5V (oberer Anschlag des Potis) die Gleichspannung durch drehen des Poti-Schleifers reduzieren. Bei ca. 3,5V sollte die LED D2 am Ausgang des OPs nicht leuchten. Wenn man nun die Spannung langsam reduziert, dann erreicht man den Punkt, bei dem der (-) Eingang des OPs größer ist als der (+) Eingang des OPs, hier leuchtet dann die LED D2 auf, da der OP-Ausgang auf GND/Masse geschaltet ist.
4. Nun muss man die Abtastempfindlichkeit mit dem Poti soweit verändern, dass man ein stabiles Ein-/Ausschaltzeiten am OP-Ausgang hat, siehe dazu auch die Abbildung in der Datei LD271_CNY70.pdf.
Einige Details zur Sensorschaltung: Mit dem TAE1453 liegt bei Vcc=+5V der Low-Pegel bei ca. 0,02V und der High-Pegel bei ca. 4,9V. Der Kondensator C1<=220 nF siebt den hochohmigen Punkt, sodass Brumm/Störeinstrahlungen nicht zu einer Fehlfunktion führen und andererseits bei höherer Last noch eine ausreichende Wechselspannungsamplitude auftritt. Mein Hausstrom-Zähler hat eine Eichung von 75 U/kWh und bei ca. 5kW Last drehte er sich rel. schnell mit ca. 9,6Sek/1U, sodass bei C1=1uF zu stark gesiebt wurde u. eine Fehlfunktion auftrat, deshalb sollte C1 deutlich kleiner als 1uF sein. C2 =10 nF ist bei dem OP TAB1453 notwendig, um ein Schwingen der Ausgangsstufe zu vermeiden. Der Widerstand R4 und die Diode D3 sorgen für eine notwendige Hysterese der Schaltung von ca. 0,4V (siehe dazu Spg-Verlauf am OP + Eingang in der Abbildung in der Datei LD271_CNY70.pdf), damit an den Umschaltflanken ein geringerer Jitter auftritt. Statt des hier verwendeten OPs können auch andere OPs eingebaut werden wie z.B. ein LM258 oder LM358. Bei diesem OP ist C2 nicht erforderlich. Mit der Beschaltung R5, R6, D2 am Ausgang eines LM358 ergibt sich die Schaltamplitude für den Low-Pegel = ca. 0,8 bis 0,9V und High-Pegel = ca. 4,7V. Damit erfüllt man die Eingangsschaltpegel der Open-Macro, welche lt. Datenbuch MC68HC908QY4 bei "Input low voltage PTA0–PTA5, PTB0–PTB7 <0.3 x VDD" =<1,5V und "Input high voltage PTA0–PTA5, PTB0–PTB7 >0.7 x VDD" => 0,7x5V = 3,5V liegen sollten.

Beschreibung der Lösung mit dem MOS Baustein CD40098 (siehe dazu Datei My_kWh_Sensor_2.pdf): Nachdem ich bei den Versuchen mit verschiedenen Sendedioden und Phototransistoren die Lösung mit sehr großer Signalamplitude s. o. (ON1319_Mitsubishi.pdf) gefunden hatte, entwickelte ich die Schaltung mit dem MOS Baustein CD40098 (dieser Baustein war zufällig in meiner Bastelkiste, gleich gute Ergebnisse kann man auch mit den weitgehend baugleichen Bausteinen CD4009 u, CD4049 erzielen). Diese Bausteine haben bei ca. 2.5V am Eingang der MOS Gatter den Umschaltpunkt für den Inverter-Ausgang. Je 3 Inverter wurden in Reihe geschaltet. Um am Umschaltpunkt undefinierte Zustände, welche zu Jitter führen können, zu vermeiden, wurde vom Ausgang des 2-Inverter zum Eingang des 1-ten Inverters ein Rückkopplungswiderstand R3 bzw. R7 eingebaut. Durch die Mitkopplung wird eine Umschalt-Hysterese erzeugt und dadurch Jitterfrei geschaltet, so dass keine Fehlerimpulse zur Signalverarbeitungs- und Anzeige-Einheit mit der Open-Macro gesendet werden. Diese Schaltung ist mit 22 MOhm Eingangsimpedanz insgesamt hochohmiger als die Operationsverstärkerschaltung. Am Messpunkt MP_1 liegt das in der Datei ON1319_Mitsubishi.pdf beschriebene Messsignal an. Am Ausgang des 3-ten Inverters ist ein Jitterfreies Logik-Datensignal von ca. 0 / 5V vorhanden. Hat man kein ausreichend hochohmiges Multimeter zur Verfügung, so kann man sich auch folgendermaßen behelfen, um die optimale Sensoreinstellung zu finden. Dazu stellt man das Poti P1 bzw. P2 auf max. Widerstand, dadurch leuchtet die Infrarotdiode D1 geringer und es stellt sich am Messpunkt MP_1 eine Spannung >3V ein, sodass der Ausgang nach dem 3-ten Inverter auf Low geschaltet ist und die Diode D2 bzw. D4 leuchtet. Wenn man nun langsam den Strom durch die Infrarotdiode D1 erhöht und jeweils eine Umdrehung der Ferrarisscheibe abwartet, dann kommt man zu dem Punkt, wo erstmals die Diode D2 bzw. D4 abgeschaltet wird. Nun markiert man die Poti-Einstellung. Sodann erhöht man weiter den Strom durch die Infrarotdiode und wartet jeweils eine Umdrehung der Ferrarisscheibe ab, bis die Diode D2 bzw. D4 nicht mehr leuchten. Nun markiert man die Poti-Einstellung nochmals, sodann justiert man das Poti in die Mitte zwischen beiden Markierungspunkten.

Im zweiten Teil beschreibe ich die Energiezählerauswerte-Platine mit der Open-Macro (siehe dazu Datei My_kWh_Zaehler.pdf): Die Signalverarbeitungs- und Anzeige-Einheit mit der Open-Macro und einem Grafik-Display ist ähnlich aufgebaut, wie die ebenfalls unter Projekte von mir verfasste Beschreibung einer Grafik-Display Ansteuerung mit der Open-Macro. Details zur Ansteuerung des Grafik Displays finden sie dort. Von der Sensor-Einheit werden die Impulssignale für den Verbrauchszähler an Port2/Pin12 und für den Solar-Einspeisezähler an Port15/Pin3 der Open-Macro geführt. Die Impulse werden jeweils über eine Stunde summiert und dann im jeweiligen Stundenspeicher abgespeichert. Je nach der zu erwartenden Anzahl der Impulse/Stunde wurden für die Variablen entweder Word oder Byte Variable korrespondierend zu 24 Stunden im Programm vorgesehen. Zusätzlich sind noch eine Wordvariable für die Tagessumme und eine temporäre Variable vorgesehen. Jeweils nach Ablauf einer Stunde wird der aufsummierte Wert der Anzahl von Umdrehungen, welcher in einer Temp Variablen gespeichert wurde, der jeweiligen Stunden-Variablen zugewiesen. Über die RS232 Schnittstelle Port1/Pin13 werden die Daten von Stunde, Minute, Tagessumme und Stundenwerte ausgegeben. An das Grafik Display werden außerdem die aktualisierten Daten für 24 Stunden-Grafikdarstellung und Daten gesendet. Am linken Grafikdisplay-Teil werden die Verbrauchsdaten grafisch dargestellt, sowie der aktuelle Gesamtverbrauch der letzten 24 Stunden, und der maximale und der minimale Stundenwert. Am rechten Grafikdisplay-Teil werden die Solar-Einspeisedaten grafisch dargestellt, sowie die aktuelle Gesamterzeugung der letzten 24 Stunden und der maximale Stundenwert, siehe dazu Datei IMG_3376_Display_Anzeige.jpg. Da bei der Open-Macro die ON-Chip Uhr nicht die erforderliche Genauigkeit hat wird zusätzlich das Zeitzeichen-Signal an Port4/Pin8 angelegt. Wenn die Signalverarbeitungs- und Anzeige-Einheit mit der Open-Macro an Betriebsspannung gelegt wird, startet zuerst eine While/Wend Schleife solange, bis erstmals die Open-Macro Uhr synchronisiert wird. Bis zur aktuellen Stunde werden alle Stundenabfragen durchlaufen. Das Programm läuft grundsätzlich mit der Zeitzeichen Synchronisierung ab, außer bei der Grafik-Ausgabe an das Display. Vor der Grafikausgabe wird die Zeitzeichen Synchronisierung abgeschaltet und das I2C BUS Expander PCF8574 Unterprogramm eingeschaltet. Nach der Grafikausgabe erfolgt wieder das Abschalten des I2C BUS Expander PCF8574 Unterprogramms und Einschalten der Zeitzeichen Synchronisierung.

Die Schaltpläne habe ich gezeichnet mit Basic Schematic (BSch3V). Dieser freie Schaltplaneditor für Windows (98/Me/2000/XP/Vista/7) ist zu finden unter http://www.suigyodo.com/online/e/index.htm.

In der Anlage sind die Schaltpläne, Bilder und der Source-Code enthalten.

Josef Fenk

IMG_3376_Display_Anzeige.jpg: Foto des Displays mit Anzeigedaten
IMG_3361_Sensor_Zaehler.jpg: Foto der beiden Sensoreinheiten
IMG_3382_Sensor_Innenansicht.jpg: Foto einer Sensoreinheit, Innenansicht mit Sensor-Bauteilen
K153P_Temic.pdf: Signalverlauf mit Sensor K153 an MP_1, siehe Schaltplan Datei My_kWh_Sensor_1.CE3
ON1319_Mitsubishi.pdf: Signalverlauf mit Sensor ON1319 an MP_1, siehe Schaltplan Datei My_kWh_Sensor_1.CE3
LD271_CNY70.pdf: Signalverläufe mit Sensoren LD271_CNY70 an MP_1 bis MP_3, siehe Schaltplan Datei My_kWh_Sensor_1.CE3

My_kWh_Sensor_1.pdf: PDF File Schaltplan Sensor_1 mit Operationsverstärker
My_kWh_Sensor_1.CE3: Basic Schematic File Schaltplan Sensor_1 mit Operationsverstärker
My_kWh_Sensor_2.pdf: PDF File Schaltplan Sensor_2 mit CMOS IC CD40098
My_kWh_Sensor_2.CE3: Basic Schematic File Schaltplan Sensor_2 mit CMOS IC CD40098
My_kWh_Zaehler.pdf: PDF File mit Gesamtschaltplan, Signalverarbeitungs- & Anzeige-Einheit Open-Macro mit Grafik-Display
My_kWh_Zaehler.CE3: Basic Schematic File mit Gesamtschaltplan, Signalverarbeitungs- & Anzeige-Einheit Open-Macro mit Grafik-Display

KWHZAEHL.BAS