基于单片机控制的电力系统参数监测模块化设计

作者：黄伟琦

来源：《电子世界》2012年第04期

【摘要】在进行交流电压检测电路设计中，传统的方法采用分立式元件构建精密整流器，将交流电压转换为直流电压，缺点是电路复杂、使用不便。而选用真有效值检测芯片进行交流电压检测，可以简化电路，节省电路板空间。论述了交流电压检测系统的整体方案，前端检测电路、AD转换电路以及液晶显示电路设计，给出了系统主程序流程图，并对设计及进行了硬件仿真。

【关键词】交流电压检测；真有效值检测芯片；液晶显示；AD转换

1.前言

交流电网电压对家用电器的正常使用及其使用寿命有很大的影响，电压过高往往缩短家用电器的使用寿命甚至造成家用电器的烧毁，而电压过低往往造成家用电器不能正常启动等故障。同时电网的负荷及分布情况也可以由电网电压的数值来间接反映，因此对交流电网系统进行高精度、多参数的测量，是充分了解电网运行状况，寻找并解决电力系统出现的问题的重要途径。

2.常用的检测方法及存在问题

常用的电压检测方法是将用分立元件将交流电压经过整流滤波转换为直流信号，然后再由直流电压检测芯片进行检测。该检测方案的优点是电路硬件成本较低。缺点是，电路参数不容易确定、调整，特别是对初次进行检测电路设计的学生来说，难度比较大。而集成的真有效值检测芯片为该问题的解决提供了简单、有效的解决途径。

3.设计方案

本设计选用ADI公司的真有效值检测芯片AD736进行交流电压检测，它是一款低功耗、低成本的真有效值转换器，使用非常方便[1]。电网电压在进入AD736之前由降压变压器降至5V范围内，然后通过AD736变成0—5V的直流模拟电压，该电压送入A/D转换器，由单片机选中相应的通道后，就可以启动A/D转换。A/D转换完成后由单片机读取A/D转换结果，将数据处理后送入液晶显示部分，进行电压显示。

图1 系统整体结构框图

控制核心单片机采用AT89C51，它是一款低功耗，高性能CMOS 8位单片机，片内含4k Bytes ISP（In-system programmable）的可反复擦写1000次的Flash只读程序存储器，兼容标准MCS-51指令系统及80C51引脚结构，芯片内集成了通用8位中央处理器和ISP Flash存储单元，功能强大的微型计算机的AT89C51可为许多嵌入式控制应用系统提供高性价比的解决方案（如图1）。

4.硬件电路设计

检测电路前端采用变压器将220V交流电压转换为5V交流电压，然后利用该真有效值的转换电路将我们需要的交流三相电压的有效值转换成ADC0809能承受的直流电压信号，该直流电压为一模拟量，经ADC0809转换为数字信号，进而送给单片机使用，并用于后续的数据处理及显示。

4.1 整流电路设计

采用分立式元件构建精密整流器需要两个运算放大器、两个二极管及若干匹配电阻。使用真有效值转换器IC可以取代所有这些器件并节省电路板空间（图2）。

AD637接受高达7V真有效值的输入电压，是ADI公司精度最高、带宽最宽的真有效值转换器。对于1V真有效值输入，其-3dB带宽为8MHz。它具有辅助dB输出和省电特性，后者可以将其静态电流从3mA降至450μA。

本设计中检测电路前端采用变压器将220V交流电压转换为+5V左右的交流电压，然后利用真有效值的转换电路将我们需要的交流三相电压的有效值转换成ADC0809能承受的直流电压信号。该直流电压为一模拟量，可以直接送入到ADC0809的信号输入端IN0、IN1或IN2。

4.2 A/D转换电路设计

A/D转换采用了ADC0809将电压信号转换为数字信号，以供单片机读取并进行显示。ADC0809是一种8位逐次逼近式A/D转换器，其内部有一个8位“三态输出锁存器”可以锁存A/D转换后的数字量。ADC0809和89C51的接口电路如图所示。

本设计的分辨率为V，在要求分辨率较高时，可选择位数更多的AD转换器。

ADC0809的IN0～IN7是模拟量输入通道，设计中检测的三项电压分别使用了IN0～IN2通道。而A、B、C是通道地址选择线，用于选择哪个通道的信号被采样并进行A/D转换。通道端口选择线中，A为低地址，C为高地址，A、B、C的取值与被选端口之间的对应关系如表1所示：

单片机AT89C51与ADC0809的连接电路如图所示，在AD转换结束时，EOC端出现由0到1的电平跳变，因而将EOC信号反向后送到INT0端，以便在转换结束时触发外部中断，进