為了實(shí)現(xiàn)對(duì)市電頻率進(jìn)行實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)的目的，以單片機(jī)AT89C2051為核心設(shè)計(jì)了監(jiān)測(cè)器;設(shè)計(jì)了分頻電路測(cè)量信號(hào)多倍周期，采用高效的快速轉(zhuǎn)換算法計(jì)算信號(hào)頻率，使用LED數(shù)碼管實(shí)時(shí)顯示所測(cè)頻率;數(shù)據(jù)由單片機(jī)送到顯示部分電路，經(jīng)處理后給出電網(wǎng)電壓的頻率，約250 ms完成一次更新，測(cè)試精度達(dá)到0.01 Hz，保證了系統(tǒng)的測(cè)頻精度和實(shí)時(shí)性。

　　目前采用比較廣泛的是等精度測(cè)頻法，這種方法具有測(cè)量精度高、測(cè)量精度不隨被測(cè)信號(hào)的變化而變化的特點(diǎn)。但該方法需要的硬件開銷大，且同步電路結(jié)構(gòu)復(fù)雜，易造成誤觸發(fā)，可靠不高。此外還有采用一般的模擬頻率計(jì)和數(shù)字頻率計(jì)，但這兩種方式其相對(duì)誤差較大或硬件成本比較高。本次設(shè)計(jì)的主要目的是設(shè)計(jì)出民用的價(jià)格低廉而精度相對(duì)較高的基于單片機(jī)的市電實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)器，所以在設(shè)計(jì)產(chǎn)品方案時(shí)，重點(diǎn)考慮元器件價(jià)格、功耗以及精度等諸多方面問題。

　　1 市電頻率實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)器的系統(tǒng)組成結(jié)構(gòu)

　　市電是以正弦波形式傳輸?shù)?，因而可通過變壓器降壓、施密特電路整形后，將電網(wǎng)電壓轉(zhuǎn)化為5 V方波電壓。5 V方波電壓作為檢測(cè)信號(hào)輸入到單片機(jī)控制模塊。通過單片機(jī)軟件處理，并通過LED數(shù)碼管顯示當(dāng)前市電頻率，從而實(shí)現(xiàn)對(duì)市電頻率的實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)。系統(tǒng)的設(shè)計(jì)方面主要包括直流電源部分、檢測(cè)部分、單片機(jī)及其復(fù)位電路部分、LED顯示部分。整個(gè)原理框圖如圖1所示。

 

　　2 系統(tǒng)硬件電路設(shè)計(jì)

　　2.1 直流電源電路

　　對(duì)于本系統(tǒng)來說，首先需要將電網(wǎng)的電壓變壓成9 V的交流電壓。這需要一個(gè)220 V-9 V的變壓器，同時(shí)需要保證9 V電源的穩(wěn)定性。將電網(wǎng)電壓轉(zhuǎn)換到9 V之后，要通過施密特電路將9 V的交流穩(wěn)壓成5 V的直流電壓，用于單片機(jī)供電與片內(nèi)復(fù)位電路。本系統(tǒng)設(shè)計(jì)的直流穩(wěn)壓電路由電源變換電路、整流電路、濾波電路、穩(wěn)壓電路和負(fù)載組成。

　　本系統(tǒng)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?qū)щ?、反向截止的原理，把交流電變換成脈動(dòng)的直流電。本設(shè)計(jì)采用橋式整流，由電源變壓器、4只整流二極管D1～D4和負(fù)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(dòng)系數(shù)小，而變壓器正負(fù)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(jù)負(fù)載電流大小和電流變化情況以及對(duì)紋波電壓的要求選擇濾波電路形式。在本系統(tǒng)中采用電容式濾波電路。利用電容充放電儲(chǔ)能原理，在加了濾波電容后，輸出的直流電壓的脈動(dòng)成分減小。因?yàn)楫?dāng)二極管導(dǎo)通時(shí)，電容充電將能量?jī)?chǔ)存起來，當(dāng)二極管截止時(shí)，再把儲(chǔ)存的能量釋放給負(fù)載，一方面使輸出電壓波形比較平滑，另一方面也增加了輸出電壓的平均值。具體在系統(tǒng)中用470 μF的電容濾出低頻，用0.1μF的電容濾出高頻，之后在L7805后同樣用470μF的電容再次濾出低頻，用0.1μF的電容再次濾出高頻以保證得到想要的穩(wěn)定電壓。

　　電壓雖然是直流電壓，但還是隨輸入電網(wǎng)的波動(dòng)而變化，是一種電壓值不穩(wěn)定的直流電壓，而且紋波系數(shù)比較大，所以必須加入穩(wěn)壓電路才能輸出穩(wěn)定的直流電壓。本系統(tǒng)采用簡(jiǎn)單的穩(wěn)壓電路，用LM7800固定+5 V電壓輸出。具體的直流電源電路如圖2所示。

 

　　2.2 檢測(cè)信號(hào)電路

　　將電網(wǎng)電壓轉(zhuǎn)換到9 V之后，還需將9 V的正弦交流電壓轉(zhuǎn)化成5 V方波檢測(cè)信號(hào)并且輸送到單片機(jī)的端口，以供單片機(jī)完成方波頻率檢測(cè)，其電路如圖3所示。

 

　　本部分的核心器件是施密特觸發(fā)器和穩(wěn)壓二極管。施密特觸發(fā)器的主要功能是防抖動(dòng)和抗干擾輸入。穩(wěn)壓管也是一種晶體二極管，是利用PN結(jié)的擊穿區(qū)具有穩(wěn)定電壓的特性來工作的，在穩(wěn)壓設(shè)備和一些電子電路中獲得廣泛的應(yīng)用。通常把這種類型的二極管稱為穩(wěn)壓管，以區(qū)別用在整流、檢波和其他單向?qū)щ妶?chǎng)合的二極管。穩(wěn)壓二極管的特點(diǎn)就是擊穿后，其兩端的電壓基本保持不變。這樣，當(dāng)把穩(wěn)壓管接入電路以后，若電源電壓發(fā)生波動(dòng)，或其他原因造成電路中各點(diǎn)電壓變動(dòng)時(shí)，負(fù)載兩端的電壓將基本保持不變。本電路中采用穩(wěn)壓管1N4733，其主要特性如下：硅平面功率穩(wěn)壓管(齊納二極管);1 W的耗散功率，用在穩(wěn)壓或鉗位電路;輸入上升沿和下降沿?zé)o時(shí)間限制。用該穩(wěn)壓二極管穩(wěn)壓成5.1 V的直流電壓，再用兩個(gè)HEF40106BF反相器將輸入信號(hào)相位取反，同時(shí)還具有提升帶負(fù)載能力的作用。R2是限流電阻，用來限制穩(wěn)壓管中的最大電流。