梁景棠

(惠州供電局，廣東 惠州 516001)

1 測量原理

頻率測量所能達(dá)到的精度，主要取決于作為標(biāo)準(zhǔn)器使用的頻率源的精度以及所使用的測量設(shè)備和測量方法。目前，國內(nèi)外使用測頻的方法有很多，有直接測頻法、內(nèi)插法、游標(biāo)法、時(shí)間—電壓變化法、多周期同步法、頻率倍增法、頻差倍增法以及相位比較法等等。

無論使用哪種測量方法，頻率測量都是基于以下兩種基本方法的。

一種是測頻法，即將被測信號加到計(jì)數(shù)器的計(jì)數(shù)輸入端上，計(jì)數(shù)器在標(biāo)準(zhǔn)時(shí)間Ts1內(nèi)進(jìn)行計(jì)數(shù)，所得的計(jì)數(shù)值N1與被測信號的頻率fx1有如下關(guān)系:

fx1=N1/Ts1=N1fs1

另一種方法是測周法，該方法是將標(biāo)準(zhǔn)頻率信號fx2送到計(jì)數(shù)器的計(jì)數(shù)輸入端，而讓被測頻率信號控制計(jì)數(shù)器的計(jì)數(shù)時(shí)間，所得的計(jì)數(shù)值N2與fx2有如下關(guān)系:

fx2=fs2/N2

無論用哪種方法進(jìn)行頻率測量，主要誤差源都是由于計(jì)數(shù)器只能進(jìn)行整數(shù)計(jì)數(shù)而引起的±1誤差ε=ΔN/N

對于測頻法有:

ε1=ΔN1/N1= ±1/N1= ±1/(Ns1fx1)= ±fs1/fx1

對于測周法有:

ε=ΔN2/N2= ±1/N2= ±fx2/fs2= ±Ts2fx2

可見在同樣的Ts下，測頻法在fx1的低頻端誤差遠(yuǎn)大于高頻端，而測周法在fx2的高頻率的誤差遠(yuǎn)大于低頻端，理論研究表明，如進(jìn)行n次重復(fù)測量取平均，則±1誤差會減小n倍。如給定±1誤差ε0，則要求ε≤ε0，對測頻法要求 fx1≥fs2/nε0，測周法要求 fx2≤nε0fs2。因此，如對一給定頻率信號fx進(jìn)行測量，用測頻法測量時(shí)fs1越低越好，用測周法fs2越高越好。

電力系統(tǒng)的正常頻率為工頻50Hz，應(yīng)選用周期法或利用周期法改進(jìn)的方法如多周期法來測量。

2 硬件設(shè)計(jì)

硬件設(shè)計(jì)應(yīng)該包括以下三部分:(1)電源與信號輸入部分電路，如模擬比較電路、信號接入口等，用于接收測量信號;(2)處理部分，即單片機(jī)，計(jì)算信號頻率做出相應(yīng)的處理和輸出;(3)輸出電路，應(yīng)包括一個(gè)四位八段數(shù)碼管，用于頻率的顯示，此外還應(yīng)該有緊急操作信號輸入。

2.1 電源與信號輸入電路

要使整個(gè)電路能正常工作，首先應(yīng)一個(gè)穩(wěn)定的電源。由于設(shè)計(jì)主要用于測量市電頻率，首先考慮通常從市電電壓中獲取工作電源。電源電路如圖1所示。

圖1 電源電路圖

獲取工作電源的原理是:首先通過變壓器將220V的交流電壓降壓，再經(jīng)整流電路將其變成直流，最后用7805穩(wěn)壓管將電壓穩(wěn)定，這樣就獲得了穩(wěn)定的直流工作電源了VCC。

本次設(shè)計(jì)測量的信號主要為市電，電壓為220V，對于單片機(jī)而言一個(gè)很高的電壓，如果隔離不好容易燒壞單片機(jī)。且電壓為變化的交流電壓，影響地極電壓的穩(wěn)定，帶來電磁干擾，使得模擬比較不準(zhǔn)確，同時(shí)也會單片機(jī)運(yùn)行不穩(wěn)定，因此，信號輸入電路應(yīng)能有效地隔離輸入信號的電磁干擾。

由上述分析，此部分電路設(shè)計(jì)如圖2所示。

圖2 測量信號處理圖

電路工作原理如下:

測量電壓信號接入最左邊UIN和UN兩個(gè)端口，當(dāng)UIN＞UN時(shí)，TLP521的3和4端口導(dǎo)通，運(yùn)算放大器LM311的端口2接入電壓為VCC，大于其反相端口3，LM311輸出端口7輸出電壓為正。當(dāng)UIN＜UN時(shí)，情況則相反，TLP521的3和4端口不導(dǎo)通，運(yùn)算放大器LM311的端口2接入電壓為接地電壓0，小于其反相端口3，LM311輸出端口7輸出電壓為0。輸出電壓信號將ICP接入單片機(jī)的輸入捕獲端，做進(jìn)一步運(yùn)算處理。至此，測量電壓信號得到了很好的隔離。

2.1 單片機(jī)及其周圍電路

這部分電路主要為輸入輸出端口設(shè)置、工作電源接口、復(fù)位接口等，如圖3所示。

圖3 單片機(jī)端口連接圖

說明如下:

(1)PD6為方波信號ICP接入端。電源、晶振和復(fù)位信號接法參照單片機(jī)端口說明。

(2)輸出部分端口有:①SPI(PB7、PB5和 PB4口)，用于數(shù)碼管的顯示;②PD3、PD4用于頻率出錯(cuò)時(shí)的緊急操作信號輸出;③PD0、PD1和PD2用于跟上位機(jī)的異步串行通訊，可以將測得頻率的實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)上傳給電腦;④PC0、PC1、PC6和PC7用于數(shù)碼管的選位，實(shí)現(xiàn)動(dòng)態(tài)顯示。

2.3 信號輸出部分電路

雖然單片機(jī)的I/O端口具有一定的驅(qū)動(dòng)能力，但過多地直接使用單片機(jī)I/O端口驅(qū)動(dòng)會給單片機(jī)行動(dòng)的穩(wěn)定性帶來不利的影響，故輸出電路應(yīng)有轉(zhuǎn)換器件，使I/O端口工作于開關(guān)狀態(tài)。電路圖如圖4所示。

(1)數(shù)碼管驅(qū)動(dòng)電路(轉(zhuǎn)換器件:74HC595);

圖4 四位八段數(shù)碼管連接圖

此部分電路是使用SPI通訊方式實(shí)現(xiàn)顯示代碼的串行輸出。

(2)操作信號輸出(轉(zhuǎn)換器件:三極管9013);

圖5 操作信號轉(zhuǎn)換圖

(3)串行接口 USART(轉(zhuǎn)換器件:TLP521－4、MAX485ESA或SN75LBC184)，如圖6所示。

(4)數(shù)碼管選位(轉(zhuǎn)換器件ULN2803A)如圖7所示。

3 軟件的編寫和優(yōu)化

軟件編程應(yīng)該實(shí)現(xiàn)以下幾個(gè)功能:(1)通過輸入方波控制計(jì)數(shù)器中斷以獲取一個(gè)信號周期時(shí)間;(2)計(jì)算頻率;(3)將算得的頻率送到上位機(jī)和將其顯示代碼送至四位八段數(shù)碼管顯示。(4)判斷頻率是否超出規(guī)定范圍，若超出則發(fā)送緊急操作信號。

程序流程圖如下:

(1)主程序如圖8所示。

(2)計(jì)數(shù)器中斷程序流程圖如圖9所示。

4 結(jié)論

圖6 串行通信信號轉(zhuǎn)換圖

圖7 數(shù)碼管選位電路圖

圖8

圖9

本論文目的是設(shè)計(jì)一個(gè)對電力系統(tǒng)頻率進(jìn)行測量，提供實(shí)時(shí)的頻率變化數(shù)據(jù)，為監(jiān)控者提供操作的數(shù)據(jù)依據(jù)，必要時(shí)可以替監(jiān)控者做出操作動(dòng)作的頻率測量裝置。利用單片機(jī)運(yùn)行速度快、計(jì)數(shù)準(zhǔn)確等特點(diǎn)設(shè)計(jì)出的頻率測量器具有準(zhǔn)確、精度高和實(shí)時(shí)有效等特點(diǎn)，同時(shí)可以設(shè)計(jì)輸入信號控制操作。

本設(shè)計(jì)還可以用于10～400Hz左右的頻率測量(波形可以是非正弦波)，并在數(shù)碼管中正確顯示。也能正確將頻率數(shù)據(jù)上傳到上位機(jī)中，但會發(fā)出越限報(bào)警信號?？梢酝ㄟ^修改程序?qū)?bào)警功能去掉或在電路中增加輸入口進(jìn)行設(shè)置。