市電頻率實時監(jiān)測器的設(shè)計與實現(xiàn)

摘要：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。
關(guān)鍵詞：單片機；市電頻率；實時監(jiān)測；檢測電路

0 引言
我國的交流市電頻率為50 Hz，但是由于電網(wǎng)負(fù)荷的變化，使得電網(wǎng)頻率在48～52 Hz范圍內(nèi)變化。而市電頻率的波動會通過低頻電磁場和電網(wǎng)直接干擾電子設(shè)備的正常工作，特別是當(dāng)頻率變化超出48～52 Hz范圍，可能引起對頻率敏感的工作儀器與設(shè)備發(fā)生故障。因而，作為衡量電能質(zhì)量的重要指標(biāo)和實施電網(wǎng)安全穩(wěn)定控制的重要狀態(tài)反饋量，對電網(wǎng)頻率的實時監(jiān)測具有重要的意義。
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)模蚨赏ㄟ^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控制模塊。通過單片機軟件處理，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。