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

張學(xué)群

（浙江省桐鄉(xiāng)市科技局，浙江 桐鄉(xiāng) 314500）

1 引言

我國(guó)的交流市電頻率為50Hz，但是由于電網(wǎng)負(fù)荷的變化，使得電網(wǎng)頻率會(huì)在48Hz～52Hz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48Hz～52Hz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[1,2]。

目前采用比較廣泛的是等精度測(cè)頻法[3,4]，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銷大，且同步電路結(jié)構(gòu)復(fù)雜，易造成誤觸發(fā)，可靠性不高。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)出價(jià)格低廉而精度相對(duì)較高的基于單片機(jī)的民用市電實(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題。

2 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5V方波電壓。5V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。

3 系統(tǒng)硬件電路設(shè)計(jì)

3.1 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9V的交流電壓。這需要一個(gè)220V-9V的變壓器，同時(shí)需要保證9V電源的穩(wěn)定性。將電網(wǎng)電壓轉(zhuǎn)換到9V之后，要通過(guò)施密特電路將9V的交流穩(wěn)壓成5V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姟⒎聪蚪刂沟脑?，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，由輸出電壓的直流成分提供，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)，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，同時(shí)也增加了輸出電壓的平均值。在系統(tǒng)中具體用470 μF的電容濾出低頻，用0.1 μF的電容濾出高頻，之后在L7805后同樣用470 μF的電容再次濾出低頻，用0.1 μF的電容再次濾出高頻，以保證得到想要的穩(wěn)定電壓。

穩(wěn)壓電路是直流穩(wěn)壓電源的核心。整流濾波后的電壓雖然是直流電壓，但它還是隨輸入電網(wǎng)的波動(dòng)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(jiǎn)單的穩(wěn)壓電路，用LM7800固定正5V電壓輸出。具體的直流電源電路如圖2所示。

3.2 檢測(cè)信號(hào)電路

將電網(wǎng)電壓轉(zhuǎn)換到9V之后，還需將9V的正弦交流電壓轉(zhuǎn)化成5V方波檢測(cè)信號(hào)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(cè)，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(dòng)和抗干擾輸入。穩(wěn)壓管也是一種晶體二極管，它是利用PN結(jié)的擊穿區(qū)具有穩(wěn)定電壓的特性來(lái)工作的。穩(wěn)壓管在穩(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?chǎng)合的二極管。穩(wěn)壓二極管的穩(wěn)壓原理為：穩(wěn)壓二極管的特點(diǎn)就是擊穿后其兩端的電壓基本保持不變，當(dāng)把穩(wěn)壓管接入電路以后，若由于電源電壓發(fā)生波動(dòng)或其他原因造成電路中各點(diǎn)電壓變動(dòng)時(shí)，負(fù)載兩端的電壓將基本保持不變。本電路中采用1N4733穩(wěn)壓管，其主要特性有：硅平面功率穩(wěn)壓管（齊納二極管）；1W的耗散功率，用在穩(wěn)壓或鉗位電路；輸入上升延和下降延無(wú)時(shí)間限制。用該穩(wěn)壓二極管穩(wěn)壓成5.1V的直流電壓，再用兩個(gè)HEF40106BF反相器將輸入信號(hào)相位取反，同時(shí)還具有提升帶負(fù)載能力的作用。R2是限流電阻，用來(lái)限制穩(wěn)壓管中的最大電流。

3.3 單片機(jī)及其復(fù)位電路

單片機(jī)采用AT89C2051，是一種帶2k字節(jié)閃爍可編程可擦除只讀存儲(chǔ)器的單片機(jī)。其復(fù)位電路原理為：CPU正常工作時(shí)，定時(shí)復(fù)位計(jì)數(shù)器，使得計(jì)數(shù)器的值不超過(guò)某一值；當(dāng)CPU不能正常工作時(shí)，由于計(jì)數(shù)器不能被復(fù)位，因此其計(jì)數(shù)會(huì)超過(guò)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)。本系統(tǒng)中采用MAX813L來(lái)完成復(fù)位電路。MAX813L實(shí)時(shí)接收來(lái)自AT89C2051的WDI信號(hào)，并自動(dòng)判斷兩次WDI信號(hào)的間隔時(shí)間。當(dāng)時(shí)間間隔小于1.6 s時(shí)，其RST輸出端保持低電平；當(dāng)時(shí)間間隔大于1.6 s時(shí)，其RST輸出端輸出高電平，AT89C2051被復(fù)位。具體電路如圖4所示。

4 系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)

單片機(jī)T1定時(shí)/計(jì)數(shù)端接收到5V方波檢測(cè)信號(hào)需采用軟件來(lái)進(jìn)行頻率的測(cè)定。其具體設(shè)計(jì)如下：初始設(shè)置單片機(jī)定時(shí)/計(jì)數(shù)器工作方式為T1為計(jì)數(shù)器，計(jì)數(shù)個(gè)數(shù)為1，脈沖信號(hào)來(lái)自單片機(jī)外部；T0為定時(shí)器，定時(shí)時(shí)間t=200ms，定時(shí)信號(hào)是單片機(jī)的內(nèi)部時(shí)鐘信號(hào)。方波下降沿時(shí)同時(shí)打開計(jì)數(shù)器和定時(shí)器，定時(shí)結(jié)束時(shí)優(yōu)先產(chǎn)生中斷，為避免檢測(cè)信號(hào)計(jì)數(shù)誤差，將定時(shí)作延時(shí)調(diào)整，等待檢測(cè)信號(hào)計(jì)數(shù)完整，此延時(shí)時(shí)間為t’，計(jì)數(shù)個(gè)數(shù)為N。即通過(guò)內(nèi)部軟件記錄下N-1個(gè)周期方波時(shí)間為t+t’，可計(jì)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250ms更新一次。軟件的系統(tǒng)框圖如圖5所示。

5 測(cè)試結(jié)果

在某日下午3點(diǎn)在線檢測(cè)市電頻率，每隔1min測(cè)試一個(gè)數(shù)據(jù)，所得數(shù)據(jù)如表1所示。同時(shí)對(duì)市電降壓后用Agilent 54642D示波器抓取市電頻率用以比對(duì)測(cè)試結(jié)果，其中兩個(gè)典型頻率如圖6所示。測(cè)試數(shù)據(jù)表明，監(jiān)測(cè)器的測(cè)試精度達(dá)到0.01Hz。

6 結(jié)束語(yǔ)

通過(guò)對(duì)本課題的研究，成功設(shè)計(jì)出了一種基于單片機(jī)的市電實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)器，其測(cè)試精度達(dá)到0.01Hz。它具有原理簡(jiǎn)單、性價(jià)比高、操作簡(jiǎn)單等特點(diǎn)。該監(jiān)測(cè)器通過(guò)準(zhǔn)確的編程，最終實(shí)現(xiàn)了市電頻率的實(shí)時(shí)檢測(cè)，單片機(jī)完成波形頻率的檢測(cè)后，最后將數(shù)據(jù)處理并通過(guò)LED數(shù)碼管顯示出來(lái)，使系統(tǒng)更加人性化。

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