市电频率实时监测器的设计与实现

文章摘要：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

市电频率实时监测器的设计与实现,标签：单片机开发,单片机原理,http://www.88dzw.com

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。