市電頻率實時監(jiān)測器的設(shè)計

為了實現(xiàn)對市電頻率進(jìn)行實時監(jiān)測的目的，以單片機(jī)AT89C2051為核心設(shè)計了監(jiān)測器;設(shè)計了分頻電路測量信號多倍周期，采用高效的快速轉(zhuǎn)換算法計算信號頻率，使用LED數(shù)碼管實時顯示所測頻率;數(shù)據(jù)由單片機(jī)送到顯示部分電路，經(jīng)處理后給出電網(wǎng)電壓的頻率，約250 ms完成一次更新，測試精度達(dá)到0.01 Hz，保證了系統(tǒng)的測頻精度和實時性。

　　目前采用比較廣泛的是等精度測頻法，這種方法具有測量精度高、測量精度不隨被測信號的變化而變化的特點。但該方法需要的硬件開銷大，且同步電路結(jié)構(gòu)復(fù)雜，易造成誤觸發(fā)，可靠不高。此外還有采用一般的模擬頻率計和數(shù)字頻率計，但這兩種方式其相對誤差較大或硬件成本比較高。本次設(shè)計的主要目的是設(shè)計出民用的價格低廉而精度相對較高的基于單片機(jī)的市電實時監(jiān)測器，所以在設(shè)計產(chǎn)品方案時，重點考慮元器件價格、功耗以及精度等諸多方面問題。

　　1 市電頻率實時監(jiān)測器的系統(tǒng)組成結(jié)構(gòu)

　　市電是以正弦波形式傳輸?shù)?，因而可通過變壓器降壓、施密特電路整形后，將電網(wǎng)電壓轉(zhuǎn)化為5 V方波電壓。5 V方波電壓作為檢測信號輸入到單片機(jī)控制模塊。通過單片機(jī)軟件處理，并通過LED數(shù)碼管顯示當(dāng)前市電頻率，從而實現(xiàn)對市電頻率的實時監(jiān)測。系統(tǒng)的設(shè)計方面主要包括直流電源部分、檢測部分、單片機(jī)及其復(fù)位電路部分、LED顯示部分。整個原理框圖如圖1所示。

　　2 系統(tǒng)硬件電路設(shè)計

　　2.1 直流電源電路

　　對于本系統(tǒng)來說，首先需要將電網(wǎng)的電壓變壓成9 V的交流電壓。這需要一個220 V-9 V的變壓器，同時需要保證9 V電源的穩(wěn)定性。將電網(wǎng)電壓轉(zhuǎn)換到9 V之后，要通過施密特電路將9 V的交流穩(wěn)壓成5 V的直流電壓，用于單片機(jī)供電與片內(nèi)復(fù)位電路。本系統(tǒng)設(shè)計的直流穩(wěn)壓電路由電源變換電路、整流電路、濾波電路、穩(wěn)壓電路和負(fù)載組成。

　　本系統(tǒng)采用變壓器來完成電源變換電路。整流電路主要利用二極管正向?qū)щ?、反向截止的原理，把交流電變換成脈動的直流電。本設(shè)計采用橋式整流，由電源變壓器、4只整流二極管D1～D4和負(fù)載電阻RL組成。4只整流二極管接成電橋形式，故稱橋式整流。橋式整流電路輸出的直流電壓比較高，脈動系數(shù)小，而變壓器正負(fù)半周均有電流流過，利用率高，且變壓器電流中無直流成分，不存在直流磁化問題。

　　濾波電路有電容式、電感式、電容電感式、電容電阻式，具體根據(jù)負(fù)載電流大小和電流變化情況以及對紋波電壓的要求選擇濾波電路形式。在本系統(tǒng)中采用電容式濾波電路。利用電容充放電儲能原理，在加了濾波電容后，輸出的直流電壓的脈動成分減小。因為當(dāng)二極管導(dǎo)通時，電容充電將能量儲存起來，當(dāng)二極管截止時，再把儲存的能量釋放給負(fù)載，一方面使輸出電壓波形比較平滑，另一方面也增加了輸出電壓的平均值。具體在系統(tǒng)中用470 μF的電容濾出低頻，用0.1μF的電容濾出高頻，之后在L7805后同樣用470μF的電容再次濾出低頻，用0.1μF的電容再次濾出高頻以保證得到想要的穩(wěn)定電壓。

　　電壓雖然是直流電壓，但還是隨輸入電網(wǎng)的波動而變化，是一種電壓值不穩(wěn)定的直流電壓，而且紋波系數(shù)比較大，所以必須加入穩(wěn)壓電路才能輸出穩(wěn)定的直流電壓。本系統(tǒng)采用簡單的穩(wěn)壓電路，用LM7800固定+5 V電壓輸出。具體的直流電源電路如圖2所示。

　　2.2 檢測信號電路

　　將電網(wǎng)電壓轉(zhuǎn)換到9 V之后，還需將9 V的正弦交流電壓轉(zhuǎn)化成5 V方波檢測信號并且輸送到單片機(jī)的端口，以供單片機(jī)完成方波頻率檢測，其電路如圖3所示。

　　本部分的核心器件是施密特觸發(fā)器和穩(wěn)壓二極管。施密特觸發(fā)器的主要功能是防抖動和抗干擾輸入。穩(wěn)壓管也是一種晶體二極管，是利用PN結(jié)的擊穿區(qū)具有穩(wěn)定電壓的特性來工作的，在穩(wěn)壓設(shè)備和一些電子電路中獲得廣泛的應(yīng)用。通常把這種類型的二極管稱為穩(wěn)壓管，以區(qū)別用在整流、檢波和其他單向?qū)щ妶龊系亩O管。穩(wěn)壓二極管的特點就是擊穿后，其兩端的電壓基本保持不變。這樣，當(dāng)把穩(wěn)壓管接入電路以后，若電源電壓發(fā)生波動，或其他原因造成電路中各點電壓變動時，負(fù)載兩端的電壓將基本保持不變。本電路中采用穩(wěn)壓管1N4733，其主要特性如下：硅平面功率穩(wěn)壓管(齊納二極管);1 W的耗散功率，用在穩(wěn)壓或鉗位電路;輸入上升沿和下降沿?zé)o時間限制。用該穩(wěn)壓二極管穩(wěn)壓成5.1 V的直流電壓，再用兩個HEF40106BF反相器將輸入信號相位取反，同時還具有提升帶負(fù)載能力的作用。R2是限流電阻，用來限制穩(wěn)壓管中的最大電流。

　　2.3 單片機(jī)及其復(fù)往電路

　　單片機(jī)采用AT89C2051，AT89C2051是一種帶2 KB閃爍可編程可擦除只讀存儲器的單片機(jī)。其復(fù)位電路主要利用CPU正常工作時，定時復(fù)位計數(shù)器，使得計數(shù)器的值不超過某一值;當(dāng)CPU不能正常工作時，由于計數(shù)器不能被復(fù)位，因此其計數(shù)會超過某一值，從而產(chǎn)生復(fù)位脈沖，使得CPU恢復(fù)正常工作狀態(tài)。具體在該系統(tǒng)中，采用MAX813L來完成復(fù)位電路。MAX813L實時接收來自AT89C2051的WDI信號，并自動判斷兩次WDI信號的間隔時間。當(dāng)時間間隔小于1.6 s時，其RST輸出端保持低電平;當(dāng)時間間隔大于1.6 s時，其RST輸出端輸出高電平，AT89C2051被復(fù)位。具體電路如圖4所示。

　　3 系統(tǒng)軟件設(shè)計

　　單片機(jī)T1定時/計數(shù)端接收到5V方波檢測信號需采用軟件來進(jìn)行頻率的測定。初始設(shè)置單片機(jī)定時/計數(shù)器工作方式為：T1為計數(shù)器，計數(shù)個數(shù)為1，脈沖信號來自單片機(jī)外部;T0為定時器，定時時間T=200 ms，定時信號是單片機(jī)的內(nèi)部時鐘信號。方波下降沿時同時打開計數(shù)器和定時器，定時結(jié)束時優(yōu)先產(chǎn)生中斷，為避免檢測信號計數(shù)多一少一的誤差，將定時作延時調(diào)整，等待檢測信號計數(shù)完整，此延時時間為t，計數(shù)個數(shù)為N。即通過內(nèi)部軟件記錄下N-1個周期方波時間為T+t，可計算市電頻率為f=(N-1)/(T+t)。再由單片機(jī)將數(shù)據(jù)送到顯示部分電路，則可讀取電網(wǎng)電壓的頻率，電網(wǎng)電壓頻率顯示大約250 ms更新一次。軟件的系統(tǒng)框圖如圖5所示。

　　4 測試結(jié)果

　　在某日下午3點在線檢測市電頻率，每隔1 min測試一個數(shù)據(jù)，所得數(shù)據(jù)如表1所示。

　　同時對市電降壓后使用Agilent 54642D示波器抓取市電頻率用以比對測試結(jié)果，其中兩個典型頻率如圖6所示。測試數(shù)據(jù)表明，監(jiān)測器的測試精度達(dá)到0.01 Hz。

　　5 結(jié)語

　　通過對該課題的研究，成功設(shè)計出一種基于單片機(jī)的市電實時監(jiān)測器，其測試精度達(dá)到0.01 Hz，具有原理簡單、性價比高、操作簡單等特點。該監(jiān)測器通過準(zhǔn)確的編程，最終實現(xiàn)了市電頻率的實時檢測。單片機(jī)完成波形頻率的檢測后，將數(shù)據(jù)進(jìn)行處理并通過LED數(shù)碼管顯示出來，使系統(tǒng)更加的人性化。