市電頻率實時監測器的設計與實現

張學群

（浙江省桐鄉市科技局，浙江 桐鄉 314500）

1 引言

我國的交流市電頻率為50Hz，但是由于電網負荷的變化，使得電網頻率會在48Hz～52Hz范圍內變化。而市電頻率的波動會通過低頻電磁場和電網直接干擾電子設備的正常工作，特別是當頻率變化超出48Hz～52Hz范圍，可能引起對頻率敏感的工作儀器與設備發生故障。因而，作為衡量電能質量的重要指標和實施電網安全穩定控制的重要狀態反饋量，對電網頻率的實時監測具有重要的意義[1,2]。

目前采用比較廣泛的是等精度測頻法[3,4]，這種方法具有測量精度高、測量精度不隨被測信號的變化而變化的特點。但該方法需要的硬件開銷大，且同步電路結構復雜，易造成誤觸發，可靠性不高。此外還有采用一般的模擬頻率計和數字頻率計，但這兩種方式相對誤差較大或硬件成本比較高。本次設計的主要目的是設計出價格低廉而精度相對較高的基于單片機的民用市電實時監測器，所以在設計產品方案時，重點考慮元器件價格、功耗以及精度等諸多方面問題。

2 市電頻率實時監測器的系統組成結構

市電是以正弦波形式傳輸的，因而可通過變壓器降壓、施密特電路整形后，將電網電壓轉化為5V方波電壓。5V方波電壓作為檢測信號輸入到單片機控制模塊。通過單片機軟件處理，并通過LED數碼管顯示當前市電頻率，從而實現對市電頻率的實時監測。系統的設計方面主要包括直流電源部分、檢測部分、單片機及其復位電路部分、LED顯示部分。整個原理框圖如圖1所示。

3 系統硬件電路設計

3.1 直流電源電路

對于本系統來說，首先需要將電網的電壓變壓成9V的交流電壓。這需要一個220V-9V的變壓器，同時需要保證9V電源的穩定性。將電網電壓轉換到9V之后，要通過施密特電路將9V的交流穩壓成5V的直流電壓，用于單片機供電與片內復位電路。本系統設計的直流穩壓電路由電源變換電路、整流電路、濾波電路、穩壓電路和負載組成。

本系統采用變壓器來完成電源變換電路。整流電路主要利用二極管正向導電、反向截止的原理，把交流電變換成脈動的直流電。本設計采用橋式整流，由電源變壓器、4只整流二極管D1～D4 和負載電阻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，脈動系數小，而變壓器正負半周均有電流流過，利用率高，且變壓器電流中無直流成分，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。具體根據負載電流大小和電流變化情況以及對紋波電壓的要求選擇濾波電路形式。在本系統中采用電容式濾波電路。利用電容充放電儲能原理，在加了濾波電容后，由輸出電壓的直流成分提供，脈動成分減小。因為當二極管導通時，電容充電將能量儲存起來，二極管截止時，再把儲存的能量釋放給負載，一方面使輸出電壓波形比較平滑，同時也增加了輸出電壓的平均值。在系統中具體用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定電壓。

穩壓電路是直流穩壓電源的核心。整流濾波后的電壓雖然是直流電壓，但它還是隨輸入電網的波動而變化，是一種電壓值不穩定的直流電壓，而且紋波系數比較大，所以必須加入穩壓電路才能輸出穩定的直流電壓。本系統采用簡單的穩壓電路，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 檢測信號電路

將電網電壓轉換到9V之后，還需將9V的正弦交流電壓轉化成5V方波檢測信號并且輸送到單片機的端口，以供單片機完成方波頻率檢測，其電路如圖3所示。

本部分的核心器件是施密特觸發器和穩壓二極管。施密特觸發器的主要功能是防抖動和抗干擾輸入。穩壓管也是一種晶體二極管，它是利用PN結的擊穿區具有穩定電壓的特性來工作的。穩壓管在穩壓設備和一些電子電路中獲得廣泛的應用。通常把這種類型的二極管稱為穩壓管，以區別用在整流、檢波和其他單向導電場合的二極管。穩壓二極管的穩壓原理為：穩壓二極管的特點就是擊穿后其兩端的電壓基本保持不變，當把穩壓管接入電路以后，若由于電源電壓發生波動或其他原因造成電路中各點電壓變動時，負載兩端的電壓將基本保持不變。本電路中采用1N4733穩壓管，其主要特性有：硅平面功率穩壓管（齊納二極管）；1W的耗散功率，用在穩壓或鉗位電路；輸入上升延和下降延無時間限制。用該穩壓二極管穩壓成5.1V的直流電壓，再用兩個HEF40106BF反相器將輸入信號相位取反，同時還具有提升帶負載能力的作用。R2是限流電阻，用來限制穩壓管中的最大電流。

3.3 單片機及其復位電路

單片機采用AT89C2051，是一種帶2k字節閃爍可編程可擦除只讀存儲器的單片機。其復位電路原理為：CPU正常工作時，定時復位計數器，使得計數器的值不超過某一值；當CPU不能正常工作時，由于計數器不能被復位，因此其計數會超過某一值，從而產生復位脈沖，使得CPU恢復正常工作狀態。本系統中采用MAX813L來完成復位電路。MAX813L實時接收來自AT89C2051的WDI信號，并自動判斷兩次WDI信號的間隔時間。當時間間隔小于1.6 s時，其RST輸出端保持低電平；當時間間隔大于1.6 s時，其RST輸出端輸出高電平，AT89C2051被復位。具體電路如圖4所示。

4 系統軟件設計

單片機T1定時/計數端接收到5V方波檢測信號需采用軟件來進行頻率的測定。其具體設計如下：初始設置單片機定時/計數器工作方式為T1為計數器，計數個數為1，脈沖信號來自單片機外部；T0為定時器，定時時間t=200ms，定時信號是單片機的內部時鐘信號。方波下降沿時同時打開計數器和定時器，定時結束時優先產生中斷，為避免檢測信號計數誤差，將定時作延時調整，等待檢測信號計數完整，此延時時間為t’，計數個數為N。即通過內部軟件記錄下N-1個周期方波時間為t+t’，可計算市電頻率為f=（N-1）/（t+t’）。再由單片機將數據送到顯示部分電路，則可讀取電網電壓的頻率，電網電壓頻率顯示大約250ms更新一次。軟件的系統框圖如圖5所示。

5 測試結果

在某日下午3點在線檢測市電頻率，每隔1min測試一個數據，所得數據如表1所示。同時對市電降壓后用Agilent 54642D示波器抓取市電頻率用以比對測試結果，其中兩個典型頻率如圖6所示。測試數據表明，監測器的測試精度達到0.01Hz。

6 結束語

通過對本課題的研究，成功設計出了一種基于單片機的市電實時監測器，其測試精度達到0.01Hz。它具有原理簡單、性價比高、操作簡單等特點。該監測器通過準確的編程，最終實現了市電頻率的實時檢測，單片機完成波形頻率的檢測后，最后將數據處理并通過LED數碼管顯示出來，使系統更加人性化。

［1］趙成勇，胥國毅，何明鋒，等.基于改進遞歸小波的電力系統頻率測量[J].電工技術學報，2005，20（6）：62-65,78.

［1］周建軍.市電鎖相倍頻器的設計[J].數據采集與處理，1999，14（2）:221-224.

［1］喬長安，陳運濤，張富平，等.等精度頻率測量方法[J].火力與指揮控制，2003，28：61-65.

［1］賞星耀，項新建.基于同步周期擴展的寬范圍等精度快速頻率測量方法的研究[J].儀器儀表學報，2004，25（4）：157-159.