基于单片机的中频电源检测系统的设计

晏 杰，闫英敏，赵 霞，赵志宁

（1.军械工程学院电气控制教研室，河北 石家庄 050003；2.总参炮兵训练基地，河北 宣化 075100；3.军械工程学院装备指挥与管理系，河北 石家庄 050003）

目前115 V/400 Hz中频电源广泛应用于航空、航天和军用装备中。由于这些装备一般对电源的精度要求较高，因此必须对其进行较精确的检测，使其符合相关要求，以确保这些装备安全、可靠地运行[1]。本设计利用精密电压传感器SPT204A、仪用放大器AD620、真有效值/直流转换芯片AD637、A/D转换器MAX197、电压比较器LM311和单片机组成了精度较高的中频电源检测系统，实现了对中频电源电压和频率进行检测的目的。

1 系统工作原理

被测中频电源输入到电压传感器，在电压传感器二次回路产生与一次回路有一定比例关系的小电流信号，该小电流信号经过电流/电压转换电路，得到一个幅值适当的电压信号。该电压信号分成两路，其中一路送入到RMS/DC转换芯片，从而得到它的有效值，再将该有效值送入A/D转换器，最终将被测电源电压的有效值转换为数字量送给单片机。另一路经过电压波形整形电路得到一个与被测电源频率相同的脉冲信号，再将该脉冲信号送给单片机的一个计数器，通过单片机的计数器对该脉冲计数并进行简单运算得到被测中频电源的频率，最终由单片机将该电源有效值和频率值送给LCD显示。系统工作原理框图如图1所示。

图1 系统工作原理框图

2 硬件模块设计

2.1 传感器及电流/电压转换电路的设计

传感器电路及电流/电压转换电路的原理图如图2所示。

图2中电压传感器选用的是毫安级精密电压传感器SPT204A。它的额定输入电流为2 mA，额定输出电流也为2 mA，但有较好的过载能力。使用时需要在该电压传感器的输入端接一个限流电阻60 kΩ，当输入电压为交流115 V时，使输入电流接近额定值2 mA，在这种情况下减小电压传感器的输出误差。

图2 传感器及电流/电压转换电路的原理图

电压传感器SPT204A的输出为电流信号，因此需要将其转换为电压信号。采用仪用放大器AD620搭建一个电流/电压转换电路。为了获得精度较高的输出电压，AD620反馈电路由一个1 kΩ的固定电阻和一个1 kΩ的可调电阻组成[2]。电流/电压转换电路输出的电压信号送给由R5和C2组成的一阶低通滤波电路，滤除对系统影响较大的高频信号。

2.2 真有效值/直流转换电路的设计

本设计选用的真有效值/直流转换芯片为AD637芯片。AD637输入电压幅度可达7 V，可以很方便地与A/D转换器MAX197配合，完成电压有效值的测量[3]。为了提高测量精度，在AD637使用手册推荐电路的基础上进行如下改进。在输入端串接电解电容33 μF隔离直流干扰信号。另外，采用双极型滤波器，该滤波器能在不增加平均电容的情况下，减少波纹电压产生的交流误差，同时又不减少稳定时间[4]。

2.3 A/D转换电路的设计

本设计采用了12位高精度的A/D转换器MAX197芯片。该芯片内部有4.096 V参考电压源，本设计采用其内部基准电压[5]。MAX197的INT脚与51单片机的INT0脚相连，作为转换结束的信号，当数据转换完毕时，MAX197的INT脚产生一个中断信号，从而使单片机进入INT0中断处理程序进行转换数据的读入与处理操作。

2.4 电压波形整形电路的设计

电压波形整形电路的原理如图3所示。

图3 电压波形整形电路的原理图

本设计中选用的电压比较器为LM311。为了克服比较器震荡，提高比较器的抗干扰能力，在本设计中给LM311的电路作出改进，即同相端引入正反馈接成迟滞比较器。对于LM311，加入3 mV的滞后量，就会消除电路中的震荡[6]。按图3中的电阻阻值，得到的滞后量为ΔV=5 mV。能够较好地消除电路中的震荡。

2.5 单片机和LCD电路的设计

本设计使用的是STC12C5624单片机和FYD12864LCD显示器。利用该LCD灵活的接口方式和简单、方便的操作指令，可构成全中文人机交互图形界面。在本次设计中为了节省单片机资源，采用串行接口方式将LCD与单片机连接。

3 系统软件设计

整个单片机系统在Keil C51编译环境下使用C语言开发，采用模块化方式完成对整个检测系统的软件设计。主程序流程图如图4所示。

3.1 电压数据采集子程序

电压数据的采集是通过控制A/D转换芯片MAX197进行数据采样和转换，并读取MAX197转换输出的数据实现的。首先对MAX197进行初始化，然后单片机通过2个写脉冲分别控制数据采集和启动转换。当转换结束，MAX197产生一个中断信号给单片机，单片机进入中断处理子程序进行转换数据的读入与处理操作。

3.2 频率数据采集子程序

单片机的一个定时器定时一段时间，同时在这段时间内单片机的一个计数器对与被测电源频率相同的脉冲信号进行计数，然后在定时器的中断处理子程序中对计数器的计数进行处理，从而得到被测电源的频率。为了实现足够长的定时时间，可以采用定时器和软件计数相结合的方式进行定时。

3.3 电压和频率显示子程序

首先初始化串行口工作方式，然后单片机即可向LCD发送数据让其显示。

4 测试结果

用该系统对APS5000型号电源发出的标准115.0 V、400 Hz的AC电源进行测试，用示波器观察RMS/DC转换电路和电压波形整形电路输出的信号，波形分别如图5和图6所示。

用万用表测量电流/电压转换电路输出信号的电压，其有效值为2.999 V。由图5可知真有效值/直流转换电路将该信号转换成了3.00 V的直流信号，同时由图6可知电压波形整形电路将该信号转换成399.998 Hz的方波，达到了预期的效果。最终，该检测系统显示的电压为AC114.91 V，其测试误差为0.0783%，频率为400 Hz，其测试误差为0。

图5 真有效值/直流转换电路输出的信号

图6 电压波形整形电路输出的信号

用该系统先后对有效值90～140 V、频率300～500 Hz的电源进行测试，电压的误差均在0.1%范围内，频率误差均为0。

5 结束语

本设计利用电压传感器、仪用放大器、RMS/DC芯片AD637、A/D转换器完成了中频电源电压数据的采集。同时，利用了对电压比较器LM311进行改进的电路和单片机完成了中频电源频率数据的采集。该设计方案设计思路清晰、程序简洁、测量精度高，同时可提高系统的抗干扰能力和可靠性，可推广使用到航空、航天和军用装备的中频电源系统检测中。

[1]杨学昭，王耕.基于单片机的400 Hz军用电源频率和相位的测量设计[J].电子产品世界，2003，15（7）：42-43.

[2]纪宗南.低功耗仪表放大器的应用[J].国外电子元器件，1998，10（10）：32-35.

[3]陈仁伟.高准确度有效值转换电路的设计与实现[J].电子测量技术，2010，6（6）：20-22.

[4]梁琴.基于AD637高精度真有效值数字电压表的设计[J].中国仪器仪表，2008（11）：57-58.

[5]颜廷秦.12位MAX197和51单片机实现数据采集设计[J].能源技术与管理，2006（3）：75-77.

[6]杨玉强.LM311在使用中应注意的几个问题[J].锦州师范学院学报（自然科学版），1999（3）：9-11.