市电频率实时监测器的设计与实现

摘要：为了实现对市电频率进行实时监测的目的，以单片机AT89C2051为核心设计了监测器；设计了分频电路测量信号多倍周期，采用高效的快速转换算法计算信号频率，使用LED数码管实时显示所测频率；数据由单片机送到显示部分电路，经处理后给出电网电压的频率，约250 ms完成一次更新，测试精度达到0．01 Hz，保证了系统的测频精度和实时性。
关键词：单片机；市电频率；实时监测；检测电路

0 引言
    我国的交流市电频率为50 Hz，但是由于电网负荷的变化，使得电网频率在48～52 Hz范围内变化。而市电频率的波动会通过低频电磁场和电网直接干扰电子设备的正常工作，特别是当频率变化超出48～52 Hz范围，可能引起对频率敏感的工作仪器与设备发生故障。因而，作为衡量电能质量的重要指标和实施电网安全稳定控制的重要状态反馈量，对电网频率的实时监测具有重要的意义。
    目前采用比较广泛的是等精度测频法，这种方法具有测量精度高、测量精度不随被测信号的变化而变化的特点。但该方法需要的硬件开销大，且同步电路结构复杂，易造成误触发，可靠不高。此外还有采用一般的模拟频率计和数字频率计，但这两种方式其相对误差较大或硬件成本比较高。本次设计的主要目的是设计出民用的价格低廉而精度相对较高的基于单片机的市电实时监测器，所以在设计产品方案时，重点考虑元器件价格、功耗以及精度等诸多方面问题。

1 市电频率实时监测器的系统组成结构
    市电是以正弦波形式传输的，因而可通过变压器降压、施密特电路整形后，将电网电压转化为5 V方波电压。5 V方波电压作为检测信号输入到单片机控制模块。通过单片机软件处理，并通过LED数码管显示当前市电频率，从而实现对市电频率的实时监测。系统的设计方面主要包括直流电源部分、检测部分、单片机及其复位电路部分、LED显示部分。整个原理框图如图1所示。

2 系统硬件电路设计
2．1 直流电源电路
    对于本系统来说，首先需要将电网的电压变压成9 V的交流电压。这需要一个220 V-9 V的变压器，同时需要保证9 V电源的稳定性。将电网电压转换到9 V之后，要通过施密特电路将9 V的交流稳压成5 V的直流电压，用于单片机供电与片内复位电路。本系统设计的直流稳压电路由电源变换电路、整流电路、滤波电路、稳压电路和负载组成。
    本系统采用变压器来完成电源变换电路。整流电路主要利用二极管正向导电、反向截止的原理，把交流电变换成脉动的直流电。本设计采用桥式整流，由电源变压器、4只整流二极管D1～D4和负载电阻RL组成。4只整流二极管接成电桥形式，故称桥式整流。桥式整流电路输出的直流电压比较高，脉动系数小，而变压器正负半周均有电流流过，利用率高，且变压器电流中无直流成分，不存在直流磁化问题。
    滤波电路有电容式、电感式、电容电感式、电容电阻式，具体根据负载电流大小和电流变化情况以及对纹波电压的要求选择滤波电路形式。在本系统中采用电容式滤波电路。利用电容充放电储能原理，在加了滤波电容后，输出的直流电压的脉动成分减小。因为当二极管导通时，电容充电将能量储存起来，当二极管截止时，再把储存的能量释放给负载，一方面使输出电压波形比较平滑，另一方面也增加了输出电压的平均值。具体在系统中用470 μF的电容滤出低频，用0.1μF的电容滤出高频，之后在L7805后同样用470μF的电容再次滤出低频，用0.1μF的电容再次滤出高频以保证得到想要的稳定电压。
    电压虽然是直流电压，但还是随输入电网的波动而变化，是一种电压值不稳定的直流电压，而且纹波系数比较大，所以必须加入稳压电路才能输出稳定的直流电压。本系统采用简单的稳压电路，用LM7800固定+5 V电压输出。具体的直流电源电路如图2所示。

2．2 检测信号电路
    将电网电压转换到9 V之后，还需将9 V的正弦交流电压转化成5 V方波检测信号并且输送到单片机的端口，以供单片机完成方波频率检测，其电路如图3所示。

    本部分的核心器件是施密特触发器和稳压二极管。施密特触发器的主要功能是防抖动和抗干扰输入。稳压管也是一种晶体二极管，是利用PN结的击穿区具有稳定电压的特性来工作的，在稳压设备和一些电子电路中获得广泛的应用。通常把这种类型的二极管称为稳压管，以区别用在整流、检波和其他单向导电场合的二极管。稳压二极管的特点就是击穿后，其两端的电压基本保持不变。这样，当把稳压管接入电路以后，若电源电压发生波动，或其他原因造成电路中各点电压变动时，负载两端的电压将基本保持不变。本电路中采用稳压管1N4733，其主要特性如下：硅平面功率稳压管(齐纳二极管)；1 W的耗散功率，用在稳压或钳位电路；输入上升沿和下降沿无时间限制。用该稳压二极管稳压成5．1 V的直流电压，再用两个HEF40106BF反相器将输入信号相位取反，同时还具有提升带负载能力的作用。R2是限流电阻，用来限制稳压管中的最大电流。
2．3 单片机及其复往电路
    单片机采用AT89C2051，AT89C2051是一种带2 KB闪烁可编程可擦除只读存储器的单片机。其复位电路主要利用CPU正常工作时，定时复位计数器，使得计数器的值不超过某一值；当CPU不能正常工作时，由于计数器不能被复位，因此其计数会超过某一值，从而产生复位脉冲，使得CPU恢复正常工作状态。具体在该系统中，采用MAX813L来完成复位电路。MAX813L实时接收来自AT89C2051的WDI信号，并自动判断两次WDI信号的间隔时间。当时间间隔小于1．6 s时，其RST输出端保持低电平；当时间间隔大于1．6 s时，其RST输出端输出高电平，AT89C2051被复位。具体电路如图4所示。

3 系统软件设计
    单片机T1定时／计数端接收到5V方波检测信号需采用软件来进行频率的测定。初始设置单片机定时／计数器工作方式为：T1为计数器，计数个数为1，脉冲信号来自单片机外部；T0为定时器，定时时间T=200 ms，定时信号是单片机的内部时钟信号。方波下降沿时同时打开计数器和定时器，定时结束时优先产生中断，为避免检测信号计数多一少一的误差，将定时作延时调整，等待检测信号计数完整，此延时时间为t，计数个数为N。即通过内部软件记录下N-1个周期方波时间为T+t，可计算市电频率为f=(N-1)／(T+t)。再由单片机将数据送到显示部分电路，则可读取电网电压的频率，电网电压频率显示大约250 ms更新一次。软件的系统框图如图5所示。

4 测试结果
    在某日下午3点在线检测市电频率，每隔1 min测试一个数据，所得数据如表1所示。

    同时对市电降压后使用Agilent 54642D示波器抓取市电频率用以比对测试结果，其中两个典型频率如图6所示。测试数据表明，监测器的测试精度达到0．01 Hz。

5 结语
    通过对该课题的研究，成功设计出一种基于单片机的市电实时监测器，其测试精度达到0．01 Hz，具有原理简单、性价比高、操作简单等特点。该监测器通过准确的编程，最终实现了市电频率的实时检测。单片机完成波形频率的检测后，将数据进行处理并通过LED数码管显示出来，使系统更加的人性化。