基于單片機的中頻電源檢測系統的設計

晏 杰，閆英敏，趙 霞，趙志寧

（1.軍械工程學院電氣控制教研室，河北 石家莊 050003；2.總參炮兵訓練基地，河北 宣化 075100；3.軍械工程學院裝備指揮與管理系，河北 石家莊 050003）

目前115 V/400 Hz中頻電源廣泛應用于航空、航天和軍用裝備中。由于這些裝備一般對電源的精度要求較高，因此必須對其進行較精確的檢測，使其符合相關要求，以確保這些裝備安全、可靠地運行[1]。本設計利用精密電壓傳感器SPT204A、儀用放大器AD620、真有效值/直流轉換芯片AD637、A/D轉換器MAX197、電壓比較器LM311和單片機組成了精度較高的中頻電源檢測系統，實現了對中頻電源電壓和頻率進行檢測的目的。

1 系統工作原理

被測中頻電源輸入到電壓傳感器，在電壓傳感器二次回路產生與一次回路有一定比例關系的小電流信號，該小電流信號經過電流/電壓轉換電路，得到一個幅值適當的電壓信號。該電壓信號分成兩路，其中一路送入到RMS/DC轉換芯片，從而得到它的有效值，再將該有效值送入A/D轉換器，最終將被測電源電壓的有效值轉換為數字量送給單片機。另一路經過電壓波形整形電路得到一個與被測電源頻率相同的脈沖信號，再將該脈沖信號送給單片機的一個計數器，通過單片機的計數器對該脈沖計數并進行簡單運算得到被測中頻電源的頻率，最終由單片機將該電源有效值和頻率值送給LCD顯示。系統工作原理框圖如圖1所示。

圖1 系統工作原理框圖

2 硬件模塊設計

2.1 傳感器及電流/電壓轉換電路的設計

傳感器電路及電流/電壓轉換電路的原理圖如圖2所示。

圖2中電壓傳感器選用的是毫安級精密電壓傳感器SPT204A。它的額定輸入電流為2 mA，額定輸出電流也為2 mA，但有較好的過載能力。使用時需要在該電壓傳感器的輸入端接一個限流電阻60 kΩ，當輸入電壓為交流115 V時，使輸入電流接近額定值2 mA，在這種情況下減小電壓傳感器的輸出誤差。

圖2 傳感器及電流/電壓轉換電路的原理圖

電壓傳感器SPT204A的輸出為電流信號，因此需要將其轉換為電壓信號。采用儀用放大器AD620搭建一個電流/電壓轉換電路。為了獲得精度較高的輸出電壓，AD620反饋電路由一個1 kΩ的固定電阻和一個1 kΩ的可調電阻組成[2]。電流/電壓轉換電路輸出的電壓信號送給由R5和C2組成的一階低通濾波電路，濾除對系統影響較大的高頻信號。

2.2 真有效值/直流轉換電路的設計

本設計選用的真有效值/直流轉換芯片為AD637芯片。AD637輸入電壓幅度可達7 V，可以很方便地與A/D轉換器MAX197配合，完成電壓有效值的測量[3]。為了提高測量精度，在AD637使用手冊推薦電路的基礎上進行如下改進。在輸入端串接電解電容33 μF隔離直流干擾信號。另外，采用雙極型濾波器，該濾波器能在不增加平均電容的情況下，減少波紋電壓產生的交流誤差，同時又不減少穩定時間[4]。

2.3 A/D轉換電路的設計

本設計采用了12位高精度的A/D轉換器MAX197芯片。該芯片內部有4.096 V參考電壓源，本設計采用其內部基準電壓[5]。MAX197的INT腳與51單片機的INT0腳相連，作為轉換結束的信號，當數據轉換完畢時，MAX197的INT腳產生一個中斷信號，從而使單片機進入INT0中斷處理程序進行轉換數據的讀入與處理操作。

2.4 電壓波形整形電路的設計

電壓波形整形電路的原理如圖3所示。

圖3 電壓波形整形電路的原理圖

本設計中選用的電壓比較器為LM311。為了克服比較器震蕩，提高比較器的抗干擾能力，在本設計中給LM311的電路作出改進，即同相端引入正反饋接成遲滯比較器。對于LM311，加入3 mV的滯后量，就會消除電路中的震蕩[6]。按圖3中的電阻阻值，得到的滯后量為ΔV=5 mV。能夠較好地消除電路中的震蕩。

2.5 單片機和LCD電路的設計

本設計使用的是STC12C5624單片機和FYD12864LCD顯示器。利用該LCD靈活的接口方式和簡單、方便的操作指令，可構成全中文人機交互圖形界面。在本次設計中為了節省單片機資源，采用串行接口方式將LCD與單片機連接。

3 系統軟件設計

整個單片機系統在Keil C51編譯環境下使用C語言開發，采用模塊化方式完成對整個檢測系統的軟件設計。主程序流程圖如圖4所示。

3.1 電壓數據采集子程序

電壓數據的采集是通過控制A/D轉換芯片MAX197進行數據采樣和轉換，并讀取MAX197轉換輸出的數據實現的。首先對MAX197進行初始化，然后單片機通過2個寫脈沖分別控制數據采集和啟動轉換。當轉換結束，MAX197產生一個中斷信號給單片機，單片機進入中斷處理子程序進行轉換數據的讀入與處理操作。

3.2 頻率數據采集子程序

單片機的一個定時器定時一段時間，同時在這段時間內單片機的一個計數器對與被測電源頻率相同的脈沖信號進行計數，然后在定時器的中斷處理子程序中對計數器的計數進行處理，從而得到被測電源的頻率。為了實現足夠長的定時時間，可以采用定時器和軟件計數相結合的方式進行定時。

3.3 電壓和頻率顯示子程序

首先初始化串行口工作方式，然后單片機即可向LCD發送數據讓其顯示。

4 測試結果

用該系統對APS5000型號電源發出的標準115.0 V、400 Hz的AC電源進行測試，用示波器觀察RMS/DC轉換電路和電壓波形整形電路輸出的信號，波形分別如圖5和圖6所示。

用萬用表測量電流/電壓轉換電路輸出信號的電壓，其有效值為2.999 V。由圖5可知真有效值/直流轉換電路將該信號轉換成了3.00 V的直流信號，同時由圖6可知電壓波形整形電路將該信號轉換成399.998 Hz的方波，達到了預期的效果。最終，該檢測系統顯示的電壓為AC114.91 V，其測試誤差為0.0783%，頻率為400 Hz，其測試誤差為0。

圖5 真有效值/直流轉換電路輸出的信號

圖6 電壓波形整形電路輸出的信號

用該系統先后對有效值90～140 V、頻率300～500 Hz的電源進行測試，電壓的誤差均在0.1%范圍內，頻率誤差均為0。

5 結束語

本設計利用電壓傳感器、儀用放大器、RMS/DC芯片AD637、A/D轉換器完成了中頻電源電壓數據的采集。同時，利用了對電壓比較器LM311進行改進的電路和單片機完成了中頻電源頻率數據的采集。該設計方案設計思路清晰、程序簡潔、測量精度高，同時可提高系統的抗干擾能力和可靠性，可推廣使用到航空、航天和軍用裝備的中頻電源系統檢測中。

[1]楊學昭，王耕.基于單片機的400 Hz軍用電源頻率和相位的測量設計[J].電子產品世界，2003，15（7）：42-43.

[2]紀宗南.低功耗儀表放大器的應用[J].國外電子元器件，1998，10（10）：32-35.

[3]陳仁偉.高準確度有效值轉換電路的設計與實現[J].電子測量技術，2010，6（6）：20-22.

[4]梁琴.基于AD637高精度真有效值數字電壓表的設計[J].中國儀器儀表，2008（11）：57-58.

[5]顏廷秦.12位MAX197和51單片機實現數據采集設計[J].能源技術與管理，2006（3）：75-77.

[6]楊玉強.LM311在使用中應注意的幾個問題[J].錦州師范學院學報（自然科學版），1999（3）：9-11.