市電頻率實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)器的設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)

摘要：為了實(shí)現(xiàn)對(duì)市電頻率進(jìn)行實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)的目的，以單片機(jī)AT89C2051為核心設(shè)計(jì)了監(jiān)測(cè)器；設(shè)計(jì)了分頻電路測(cè)量信號(hào)多倍周期，采用高效的快速轉(zhuǎn)換算法計(jì)算信號(hào)頻率，使用LED數(shù)碼管實(shí)時(shí)顯示所測(cè)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(cè)試精度達(dá)到0．01 Hz，保證了系統(tǒng)的測(cè)頻精度和實(shí)時(shí)性。
關(guān)鍵詞：單片機(jī)；市電頻率；實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)；檢測(cè)電路

0 引言
我國(guó)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(dòng)會(huì)通過(guò)低頻電磁場(chǎng)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(duì)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(shí)施電網(wǎng)安全穩(wěn)定控制的重要狀態(tài)反饋量，對(duì)電網(wǎng)頻率的實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)具有重要的意義。
目前采用比較廣泛的是等精度測(cè)頻法，這種方法具有測(cè)量精度高、測(cè)量精度不隨被測(cè)信號(hào)的變化而變化的特點(diǎn)。但該方法需要的硬件開(kāi)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(jì)和數(shù)字頻率計(jì)，但這兩種方式其相對(duì)誤差較大或硬件成本比較高。本次設(shè)計(jì)的主要目的是設(shè)計(jì)出民用的價(jià)格低廉而精度相對(duì)較高的基于單片機(jī)的市電實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)器，所以在設(shè)計(jì)產(chǎn)品方案時(shí)，重點(diǎn)考慮元器件價(jià)格、功耗以及精度等諸多方面問(wèn)題。

1 市電頻率實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)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(guò)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(cè)信號(hào)輸入到單片機(jī)控制模塊。通過(guò)單片機(jī)軟件處理，并通過(guò)LED數(shù)碼管顯示當(dāng)前市電頻率，從而實(shí)現(xiàn)對(duì)市電頻率的實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)。系統(tǒng)的設(shè)計(jì)方面主要包括直流電源部分、檢測(cè)部分、單片機(jī)及其復(fù)位電路部分、LED顯示部分。整個(gè)原理框圖如圖1所示。

2 系統(tǒng)硬件電路設(shè)計(jì)
2．1 直流電源電路
對(duì)于本系統(tǒng)來(lái)說(shuō)，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(gè)220 V-9 V的變壓器，同時(shí)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(guò)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(jì)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(lái)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(dòng)的直流電。本設(shè)計(jì)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(dòng)系數(shù)小，而變壓器正負(fù)半周均有電流流過(guò)，利用率高，且變壓器電流中無(wú)直流成分，不存在直流磁化問(wèn)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(duì)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(chǔ)能原理，在加了濾波電容后，輸出的直流電壓的脈動(dòng)成分減小。因?yàn)楫?dāng)二極管導(dǎo)通時(shí)，電容充電將能量?jī)?chǔ)存起來(lái)，當(dāng)二極管截止時(shí)，再把儲(chǔ)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。