CN102707133B - 一种测量频率可变的交流电压的装置、系统和方法 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种测量频率可变的交流电压的装置、系统和方法，方法包括：S1、边沿检测模块轮询是否检测到与交流电同周期的方波信号的上升沿或下降沿，并在查询到时输出周期改变信号；S2、中央处理电路接收周期改变信号，判断其是否正在采样所述交流电的电压值，是则执行步骤S4，否则执行步骤S3；S3、中央处理电路根据采样时间间隔对所述交流电的电压值进行采样并保存，执行步骤S1；S4、中央处理电路停止采样，计算采样到的所有电压值的平均值，执行步骤S1。系统包括比较电路、交流电压的测量装置。本发明保持采样时间间隔不变，采样点数量根据交流电压周期的长短而变，实现对频率可变的交流电压的精确测量。
Description
技术领域
本发明涉及对交流电压的测量技术，更具体地说，涉及一种测量频率可变的交流电压的装置、系统和方法。
背景技术
在我们的日常生活中，对电的需求必不可少，为了让人们更直观的了解各种电器供电电压状况，就需要对电压进行监测。图1为现有的检测交流电压的系统，该系统包括小型发电机、变压器、滤波电路、分压电路、单片机控制板和数字显示装置。小型发电机输出交流电压，该交流电压经过变压器变压、滤波电路进行滤波处理和分压电路进行分压后输出电压幅值信息到单片机控制板，单片机控制板将检测结果输出到数字显示装置进行显示。其中，单片机控制板对交流电压进行定周期的测量，即在交流电周期不变的情况下，事先设定在一个周期内需要测量的采样点个数，以此确定采样点间隔时间，并依据该采样间隔时间采集足够多的交流电压值以进行计算。
实际上，发电机在启动、或者工作的时候因为负载的改变，会引起输出电压的周期和幅值有一定的波动，造成交流电压的周期不稳定，此时，若还按照现有的定周期测量方法进行测量，测得的交流电压是不准确的，会带来很大偏差。图2为定周期电压测量采样点示例图，如图2所示，假定图1所示的系统在单周期内需采样10个电压值，当交流电周期变小之后，所述系统将在采样间隔维持不变的情况下采样10个点，从图中可以看到此时采样到的10个点并不完全属于一个电压周期，因此，由此计算出来的电压值将无法真实反映实际电压值。另外，现有的检测交流电压的系统中，要么采用资源丰富的单片机造成价格高、成本上升且单片机资源浪费的缺陷，要么采用价格合适的单片机却造成单片机资源不够用的缺陷。
综上所述，现有的检测交流电压的系统无法对频率可变的交流电压进行精确的检测。
发明内容
针对现有的检测交流电压的系统无法对频率可变的交流电压进行精确检测的缺陷，提供一种能够对频率可变的交流电压进行精确测量的装置、系统和方法。
本发明解决其技术问题所采用的技术方案是：
提供一种测量频率可变的交流电压的方法，所述方法包括以下步骤：
S1、边沿检测模块轮询是否检测到与交流电同周期的方波信号的上升沿或下降沿，并在查询到所述上升沿或下降沿时输出周期改变信号；
S2、中央处理电路接收所述周期改变信号，判断其是否正在采样所述交流电的电压值，是则执行步骤S4，否则执行步骤S3；
S3、所述中央处理电路根据预设的采样时间间隔对所述交流电的电压值进行采样并保存，执行步骤S1；
S4、所述中央处理电路停止采样，计算采样到的所有电压值的平均值，执行步骤S1。
本发明的测量频率可变的交流电压的方法，所述中央处理电路（130）包括预设有采样时间间隔的定时电路和中央处理器，所述步骤S3包括以下步骤：
S31、所述中央处理器使能定时电路；
S32、所述中央处理器判断当前采样数量是否超出其内存能够存储的最大采样数量，是则退出流程，否则执行步骤S33；
S33、所述中央处理器读取并保存当前所述交流电的电压值，记录采样数量加1，执行步骤S1。
本发明的测量频率可变的交流电压的方法，在所述步骤S2中，所述中央处理器通过采样标志位的值判断其是否正在采样所述交流电的电压值，当所述采样标志位的值为0时表示没有采样电压值，当所述采样标志位的值为1时表示正在采样电压值。
本发明的测量频率可变的交流电压的方法，在所述步骤S31之前，所述步骤S3还包括步骤：
S30、所述中央处理器设置所述采样标志位的值为1。
本发明的测量频率可变的交流电压的方法，所述步骤S4包括以下步骤：
S41、所述中央处理器停止所述定时电路以结束采样；
S42、所述中央处理器设置周期结束标志位的值为1；
S43、所述中央处理器计算采样到的所有电压值的平均值；
S44、所述中央处理器驱动LED灯显示所述平均值对应的电压等级；
S45、所述中央处理器设置周期结束标志位的值为0，执行步骤S1。
本发明的测量频率可变的交流电压的方法，所述中央处理电路还包括存储模块，所述步骤S3中，所述中央处理器对经模数转换电路转换后的交流电的电压值进行采样并保存在所述存储模块中。
提供一种测量频率可变的交流电压的装置，所述装置包括接收交流电并对其进行模数转换的模数转换模块，检测与所述交流电同周期的方波信号的上升沿或下降沿、并在检测到所述上升沿或下降沿时输出周期改变信号的边沿检测模块，以及接收所述周期改变信号以采样当前周期内模数转换后的所述交流电的电压值、并计算当前周期内的平均电压值的中央处理电路。
本发明的测量频率可变的交流电压的装置，所述中央处理电路包括预设有采样时间间隔的定时电路，以及接收所述周期改变信号以使能所述定时电路、根据所述定时电路提供的所述采样时间间隔采样当前周期内模数转换后的交流电的电压值、并计算当前周期内的平均电压值的中央处理器。
优选地，所述中央处理电路还包括内置或外置于所述中央处理电路的存储模块。
提供一种测量频率可变的交流电压的系统，包括发电机，对所述发电机输出的交流电进行降压、滤波、分压调整的调整电路，接收所述调整电路输出的交流电、生成与该交流电同周期的方波信号并输出的比较电路，多个LED灯以及交流电压的测量装置，所述交流电压的测量装置包括：
模数转换模块，用于接收所述调整电路输出的交流电并对其进行模数转换；
边沿检测模块，用于检测所述比较电路输出的所述方波信号的上升沿或下降沿，并在检测到上升沿或下降沿时输出周期改变信号；以及
中央处理电路，其在接收到所述周期改变信号后根据预设的采样时间间隔对当前周期内模数转换后的交流电的电压值进行采样并计算在当前周期内采样到的所有电压值的平均值。
本发明的测量频率可变的交流电压的方法具有以下有益效果：保持采样时间间隔不变，通过检测与交流电同周期的方波信号的上升沿或下降沿来判断交流电的周期是否改变，并在交流电周期发生改变时，结束对上一周期交流电压的采样、并采样新周期内的交流电压，使采样点数量根据交流电压周期的长短而变，实现对频率可变的交流电压的精确测量。
本发明的测量频率可变的交流电压的装置和系统具有与本发明的测量频率可变的交流电压的方法相同的有益效果，在此不再赘述。
附图说明
图1为现有的检测交流电压的系统；
图2为定周期电压测量采样点示例图；
图3为本发明的测量频率可变的交流电压的系统第一实施例的系统框图；
图4为本发明的系统测量频率可变的交流电压的采样点示例图；
图5为upd78F9202单片机电路框图；
图6为本发明的交流电压检测装置的工作流程图；
图7为本发明中的中央处理电路使能采样中断的流程图；
图8为本发明的测量频率可变的交流电压的系统第二实施例的系统框图；
图9为本发明的测量频率可变的交流电压的系统第三实施例的系统框图；
图10为本发明的测量频率可变的交流电压的方法第一实施例的流程图。
具体实施方式
以下结合附图和实施例对本发明做进一步的解释说明。
图3为本发明的测量频率可变的交流电压的系统第一实施例的系统框图，如图3所示，在本实施例中，所述系统包括发电机200，对发电机200输出的交流电进行降压、滤波、分压调整的调整电路300，接收调整电路300输出的交流电、生成与该交流电同周期的方波信号并输出的比较电路400，多个LED灯500，以及交流电压的测量装置100。其中，交流电压的测量装置100包括：
模数转换模块110，用于接收调整电路300输出的交流电并对其进行模数转换；
边沿检测模块120，用于检测比较电路400输出的方波信号的上升沿或下降沿，并在检测到下降沿时输出周期改变信号；以及
中央处理电路130，其在接收到所述周期改变信号后根据预设的采样时间间隔对当前周期内模数转换后的交流电的电压值进行采样、并计算在当前周期内采样到的所有电压值的平均值。
参考图3所示，发电机200输出电压经调整电路300降压、滤波和分压调整到交流电压测量装置100可直接处理的电压范围；交流电压测量装置100通过内置的模数转换模块110不停地对调整电路300输出的电压信号进行采样转换；同时调整电路300输出的电压信号通过比较电路400产生与交流电周期一致的方波信号；交流电压测量装置100的边沿检测模块120会不断查询比较电路400输出的方波信号的下降沿（通过检测该方波信号的上升沿或者下降沿均可判断是否开始新的交流电周期，在其它实施例中可采用查询上升沿），当检测到下降沿时，认为电压周期开始，输出周期改变信号；中央处理电路130在接收到所述周期改变信号时，便使能中断程序读取此刻电压幅值模数转换的结果，中断程序的执行间隔等于采样时间间隔，采样时间间隔可预先设置；在边沿检测模块120在检测到新的方波信号的下降沿之前，中央处理电路130的中断程序一直处于使能状态，一旦边沿检测模块120检测到新的方波信号下降沿、输出周期改变信号，中央处理电路130则停止中断程序，中央处理电路130在此之前采样的所有点属于同一个电压周期，中央处理电路130计算一个电压周期内的采样到电压值的平均值、并通过驱动多个LED灯500显示计算出的电压平均值对应的电压等级。
图4为本发明的系统测量频率可变的交流电压的采样点示例图，如图4所示，A为频率可变的交流电电压曲线，B为经过比较电路400产生的方波信号（其周期与交流电电压相同），C为本发明的交流电压测量装置100对电压值进行采样的采样点。本发明的系统采用变周期测量法保持采样时间间隔不变（采样间隔根据交流电压测量装置100的资源而定，取交流电压测量装置100能够实现的最小采样时间间隔。采样时间间隔越小，采样点越多，计算值越准确），采样点数量事先不固定，而是根据交流电压周期长短而变。这是能够实现变周期电压测量的原因，也是跟改进前的测量系统、方法有根本区别的地方。参考图4中C所示，在前一个交流电周期中，根据事先设定的采样时间间隔，可以完成8次采样，采样点数量是8。在下一个交流电周期中，采样间隔不变，在采集到第6个采样点后，交流电压测量装置100检测到方波信号的下降沿，标志着进入新的交流电周期，此时采样点数量是6，单片机将以这6个采样值来计算该周期的电压平均值。根据实际测量结果，采用本方法测量的变周期交流电压值，比现有的方法更贴近真实值。
在本发明的所述系统中，调整电路300可包括用于变压（例如降压）的变压器、用于滤波的电路以及用于分压的电压（如分压电阻），比较电路400可采用现有的比较电路来实现，交流电压检测装置100的中央处理电路130还可以包括内存。
交流电压检测装置100可以是由各种硬件（模数转换器、边沿检测器、中央处理器等）构成装置，也可以由单片机来实现。举例但不用于限制，可采用单片机NECupd78F9202来测量发电机200的输出电压，实现对电压的监测。图5为upd78F9202单片机电路框图，该单片机与其它型号单片机相比，最大的优势在于性价比超高，特别适合应用于发电机电压监测领域，10个PIN脚的封装从体积和应用功能来看，都恰到好处。参考图3与图5，除了用作供电的3脚和4脚外，6脚和7脚作为输入引脚，其它引脚作为输出引脚。其中，6脚用于采集调整电路300输出的电压幅值,并通过内置模数转换模块将其转换为程序可以直接处理的数字量；7脚通过单片机内置的边沿检测模块检测比较电路400输出的方波信号；剩下的六只引脚可连接六只LED灯，通过点亮不同组合的LED灯，告诉用户当前的电压等级。六只LED灯多达64种（26）组合，最多可以将0V-380V电压范围划分成64个电压等级（可根据实际需求自定义）。当采用upd78F9202单片机来实现交流电压测量装置100时，图3中交流电压测量装置100所包含的所有模块均为upd78F9202单片机的内置功能，该改进方案可实现经济性和功能性的最优结合。
图6为本发明的交流电压检测装置100的工作流程图，当交流电压检测装置100由单片机来实现时，图6为单片机后台主程序流程图，参见图3和图6所示，交流电压检测装置100测量频率可变的交流电压的步骤包括：
SA、首先完成系统初始化工作；
SB、边沿检测模块120轮询是否检测到方波信号的下降沿，直到查询到下降沿，表明一个新的电压周期开始，输出周期改变信号；
SC、中央处理电路130接收所述周期改变信号，通过采样标志位g_sampleFlag判断其是否正在采集电压幅值，若采样标志位g_sampleFlag为0表示系统刚完成初始化或者刚结束一个周期的电压值计算、执行步骤SD，若采样标志位g_sampleFlag为1表示系统正在根据采样时间间隔（单片机实现时，为正在根据中断程序）采样电压幅值、执行步骤SE；
SD、中央处理电路130使能采样中断，并置采样标志位g_sampleFlag为1，根据采样时间间隔采样电压幅值，执行步骤SF；
SE、中央处理电路130停止采样中断，并置周期结束标志位g_oneCycleEnd为1；
SF、中央处理电路130判断一个电压周期是否结束，其查询周期结束标志位g_oneCycleEnd的值，当周期结束标志位g_oneCycleEnd为1时，中央处理电路130知道已经完整地采集到一个电压周期的电压值、执行步骤SG；若周期结束标志位g_oneCycleEnd为0时，执行步骤SB；
SG、中央处理电路130根据一个电压周期内采集到的电压值计算电压平均值，并驱动多个LED灯500显示出对应的电压等级，最后设置采样标志位g_sampleFlag为0，回到步骤SB。
应当说明的是，步骤SD中，中央处理电路130根据采样时间间隔采样电压幅值，执行步骤SF，中央处理电路130判断一个电压周期是否结束，并在周期结束标志位g_oneCycleEnd为0（一个电压周期未结束）时，执行步骤SB，在这个过程中，中央处理电路130一直在根据采样时间间隔采样电压幅值，直到边沿检测模块120重新检测到下降沿，即中央处理电路130再次收到周期改变信号以判断出需要终止采样中断。
图7为中央处理电路130使能采样中断的流程图，如图7所示，在步骤SD中，中央处理电路130使能采样中断运行流程为：
SD1、中央处理电路130使能采样中断；
SD2、中央处理电路130判断当前采样数量是否超出了其内存限制的最大采样数量，如果没有则执行SD3，如果超出允许的最大采样数（中央处理电路130其内存能够存储的最大采样数）则直接结束此次采样（单片机实现时，则为：如果超出允许的最大采样数则直接退出中断程序）；
SD3、中央处理电路130依据预先确定的采样时间间隔进行采样，读取当前的交流电压的模数转换结果并保存，记录采样点数量。
步骤SD3后执行图6所示的步骤SF。
图8为本发明的测量频率可变的交流电压的系统第二实施例的系统框图，如图8所示，在本实施例中，中央处理电路130包括预设有采样时间间隔的定时电路131，以及接收所述周期改变信号使能定时定路131、根据定时电路131提供的所述采样时间间隔采样当前周期内模数转换后的交流电的电压值以计算当前周期内的平均电压值的中央处理器132。
在本实施例中，其余情况与本发明的系统的第一实施例相同，在此不再赘述。
图9为本发明的测量频率可变的交流电压的系统第三实施例的系统框图，如图9所示，在本实施例中，中央处理电路130还包括内置或外置于中央处理器132的存储模块133，存储模块133可用于对整个电压测量中采集到的数据、计算出的数据进行存储。
在本实施例中，其余情况与本发明的系统的第二实施例相同，在此不再赘述。
图10为本发明的测量频率可变的交流电压的方法第一实施例的流程图，如图10所示，本发明的方法包括以下步骤：
S1、边沿检测模块120轮询是否检测到与交流电同周期的方波信号的上升沿或下降沿，并在查询到所述上升沿或下降沿时输出周期改变信号；
S2、中央处理电路130接收所述周期改变信号，判断其是否正在采样所述交流电的电压值，是则执行步骤S4，否则执行步骤S3；
S3、中央处理电路130根据预设的采样时间间隔对所述交流电的电压值进行采样并保存，执行步骤S1；
S4、中央处理电路130停止采样，计算采样到的所有电压值的平均值，执行步骤S1。
在本实施例中，中央处理器132对经模数转换电路110转换后的交流电的电压值进行采样并保存。各步骤具体实现过程与图6所示的本发明的交流电压检测装置100的工作流程对应相同，在此不再展开描述。
本发明的测量频率可变的交流电压的方法第二实施例中，所述中央处理电路130包括预设有采样时间间隔的定时电路131和中央处理器132，所述步骤S3包括以下步骤：
S30、中央处理器132设置采样标志位g_sampleFlag的值为1；
S31、中央处理器132使能定时电路131；
S32、中央处理器132判断当前采样数量是否超出其内存能够存储的最大采样数量，是则退出流程，否则执行步骤S33；
S33、中央处理器132读取并保存当前所述交流电的电压值，记录采样数量加1，执行步骤S1。
在本实施例中，在步骤S2中，中央处理器132通过采样标志位g_sampleFlag的值判断其是否正在采样所述交流电的电压值，当采样标志位g_sampleFlag的值为0时表示没有采样电压值，当采样标志位g_sampleFlag的值为1时表示正在采样电压值。
在本实施例中，步骤S4包括以下步骤：
S41、中央处理器132停止定时电路131以结束采样；
S42、中央处理器132设置周期结束标志位g_oneCycleEnd的值为1；
S43、中央处理器132计算采样到的所有电压值的平均值；
S44、中央处理器132驱动LED灯500显示所述平均值对应的电压等级；
S45、中央处理器132设置周期结束标志位g_oneCycleEnd的值为0，执行步骤S1。
在本实施例中，其余情况与本发明的方法的第一实施例相同，在此不再赘述。
在具体的实施过程中可对本发明的测量频率可变的交流电压的装置、系统和方法进行适当的改进，以适应具体情况的具体要求，并且本发明中各实施例的技术特征可以单独使用，也可以组合使用。因此可以理解，根据本发明的具体实施方式只是起到示范作用，并不用于限制本发明的保护范围。
Claims (8)
1.一种测量频率可变的交流电压的方法，其特征在于，包括以下步骤：
S1、边沿检测模块(120)轮询是否检测到与交流电同周期的方波信号的上升沿或下降沿，并在查询到所述上升沿或下降沿时输出周期改变信号；
S2、中央处理电路(130)接收所述周期改变信号，判断其是否正在采样所述交流电的电压值，是则执行步骤S4，否则执行步骤S3；
S3、所述中央处理电路(130)根据预设的采样时间间隔对所述交流电的电压值进行采样并保存，执行步骤S1；
S4、所述中央处理电路(130)停止采样，计算采样到的所有电压值的平均值，执行步骤S1；
所述中央处理电路(130)包括预设有采样时间间隔的定时电路(131)和中央处理器(132)，所述步骤S3包括以下步骤：
S31、所述中央处理器(132)使能定时电路(131)；
S32、所述中央处理器(132)判断当前采样数量是否超出其内存能够存储的最大采样数量，是则退出流程，否则执行步骤S33；
S33、所述中央处理器(132)读取并保存当前所述交流电的电压值，记录采样数量加1，执行步骤S1；
所述步骤S4包括以下步骤：
S41、所述中央处理器(132)停止所述定时电路(131)以结束采样；
S42、所述中央处理器(132)设置周期结束标志位的值为1；
S43、所述中央处理器(132)计算采样到的所有电压值的平均值；
S44、所述中央处理器(132)驱动LED灯(500)显示所述平均值对应的电压等级；
S45、所述中央处理器(132)设置周期结束标志位的值为0，执行步骤S1；
其中，所述边沿检测模块(120)及所述中央处理电路(130)集成于一单片机upd78F9202中，所述单片机包括10个PIN脚，3脚和4脚用于供电，6脚用于采集调整电路(300)输出的电压幅值，并通过内置模数转换模块(110)将其转换为程序可以直接处理的数字量；7脚通过单片机内置的所述边沿检测模块(120)检测所述方波信号，剩下的六只引脚用于连接六只所述LED灯(500)并驱动所述LED灯(500)显示所述平均电压值对应的等级。
2.根据权利要求1所述的测量频率可变的交流电压的方法，其特征在于，在所述步骤S2中，所述中央处理器(132)通过采样标志位的值判断其是否正在采样所述交流电的电压值，当所述采样标志位的值为0时表示没有采样电压值，当所述采样标志位的值为1时表示正在采样电压值。
3.根据权利要求2所述的测量频率可变的交流电压的方法，其特征在于，在所述步骤S31之前，所述步骤S3还包括步骤：
S30、所述中央处理器(132)设置所述采样标志位的值为1。
4.根据权利要求1所述的测量频率可变的交流电压的方法，其特征在于，所述中央处理电路(130)还包括存储模块(133)，所述步骤S3中，所述中央处理器(132)对经模数转换模块(110)转换后的交流电的电压值进行采样并保存在所述存储模块(133)中。
5.一种测量频率可变的交流电压的装置，其特征在于，包括接收交流电并对其进行模数转换的模数转换模块(110)，检测与所述交流电同周期的方波信号的上升沿或下降沿、并在检测到所述上升沿或下降沿时输出周期改变信号的边沿检测模块(120)，以及接收所述周期改变信号以采样当前周期内模数转换后的所述交流电的电压值、并计算当前周期内的平均电压值的中央处理电路(130)；其中，所述边沿检测模块(120)及所述中央处理电路(130)集成于一单片机upd78F9202中，所述单片机包括10个PIN脚，3脚和4脚用于供电，6脚用于采集调整电路(300)输出的电压幅值，并通过内置所述模数转换模块(110)将其转换为程序可以直接处理的数字量；7脚通过单片机内置的所述边沿检测模块(120)检测所述方波信号，剩下的六只引脚用于连接六只LED灯(500)并驱动所述LED灯(500)显示所述平均电压值对应的等级。
6.根据权利要求5所述的测量频率可变的交流电压的装置，其特征在于，所述中央处理电路(130)包括预设有采样时间间隔的定时电路(131)，以及接收所述周期改变信号使能所述定时电路(130)、根据所述定时电路(130)提供的所述采样时间间隔采样当前周期内模数转换后的交流电的电压值、并计算当前周期内的平均电压值的中央处理器(132)。
7.根据权利要求6所述的测量频率可变的交流电压的装置，其特征在于，所述中央处理电路(130)还包括内置或外置于所述中央处理电路(130)的存储模块(133)。
8.一种测量频率可变的交流电压的系统，包括发电机(200)，对所述发电机(200)输出的交流电进行降压、滤波、分压调整的调整电路(300)，接收所述调整电路(300)输出的交流电、生成与该交流电同周期的方波信号并输出的比较电路(400)，以及多个LED灯(500)，其特征在于，所述系统还包括交流电压的测量装置(100)，所述交流电压的测量装置(100)包括：
模数转换模块(110)，用于接收所述调整电路(300)输出的交流电并对其进行模数转换；
边沿检测模块(120)，用于检测所述比较电路(400)输出的所述方波信号的上升沿或下降沿，并在检测到上升沿或下降沿时输出周期改变信号；以及
中央处理电路(130)，其在接收到所述周期改变信号后根据预设的采样时间间隔对当前周期内模数转换后的交流电的电压值进行采样、计算在当前周期内采样到的所有电压值的平均值并驱动所述LED灯(500)显示所述平均电压值对应的等级；
其中，所述边沿检测模块(120)及所述中央处理电路(130)集成于一单片机upd78F9202中，所述单片机包括10个PIN脚，3脚和4脚用于供电，6脚用于采集所述调整电路(300)输出的电压幅值，并通过内置所述模数转换模块(110)将其转换为程序可以直接处理的数字量；7脚通过单片机内置的所述边沿检测模块(120)检测所述方波信号，剩下的六只引脚用于连接六只所述LED灯(500)并驱动所述LED灯(500)显示所述平均电压值对应的等级。
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