市电频率实时监测器的设计与实现

2010-04-20张学群

电子与封装 2010年8期

张学群

（浙江省桐乡市科技局，浙江桐乡 314500）

1 引言

我国的交流市电频率为50Hz，但是由于电网负荷的变化，使得电网频率会在48Hz～52Hz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48Hz～52Hz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[1,2]。

目前采用比较广泛的是等精度测频法[3,4]，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，可靠性不高。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价格低廉而精度相对较高的基于单片机的民用市电实时监测器，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。

2 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5V方波电压。5V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。

3 系统硬件电路设计

3.1 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9V的交流电压。这需要一个220V-9V的变压器，同时需要保证9V电源的稳定性。将电网电压转换到9V之后，要通过施密特电路将9V的交流稳压成5V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，由输出电压的直流成分提供，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，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，同时也增加了输出电压的平均值。在系统中具体用470 μF的电容滤出低频，用0.1 μF的电容滤出高频，之后在L7805后同样用470 μF的电容再次滤出低频，用0.1 μF的电容再次滤出高频，以保证得到想要的稳定电压。

稳压电路是直流稳压电源的核心。整流滤波后的电压虽然是直流电压，但它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固定正5V电压输出。具体的直流电源电路如图2所示。

3.2 检测信号电路

将电网电压转换到9V之后，还需将9V的正弦交流电压转化成5V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，它是利用PN结的击穿区具有稳定电压的特性来工作的。稳压管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。稳压二极管的稳压原理为：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，当把稳压管接入电路以后，若由于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1N4733稳压管，其主要特性有：硅平面功率稳压管（齐纳二极管）；1W的耗散功率，用在稳压或钳位电路；输入上升延和下降延无时间限制。用该稳压二极管稳压成5.1V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。

3.3 单片机及其复位电路

单片机采用AT89C2051，是一种带2k字节闪烁可编程可擦除只读存储器的单片机。其复位电路原理为：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。本系统中采用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。

4 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。其具体设计如下：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=200ms，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250ms更新一次。软件的系统框图如图5所示。