具体实施方式

下面进一步描述本发明的技术方案，但要求保护的范围并不局限于所述。

一种交流电压及频率检测系统；包括电压采样电路和频率采样电路，电压采样电路和频率采样电路分别与单片机连接；

所述电压采样电路将交流电压信号依次通过信号调理电路A和隔离电路后输入到单片机；

所述频率采样电路将交流电压信号依次通过信号调理电路B、过零比较电路、光耦隔离电路后输入到单片机。

所述信号调理电路A包括整流桥B1，整流桥B1的输入端接入交流电压信号Vin，其输出端正极依次串联有电阻R2和电阻R3，其负极接地，其正极还通过极性电容C3接地，电阻R2和R3之间通过电阻R5接地。

所述隔离电路包括线性光耦U2，线性光耦U2的1脚与电阻R4连接，其2脚接入供电电源V1，其3脚和4脚分别与放大器U1的3脚和1脚连接，其5脚和6脚分别与放大器U3的1脚和3脚连接；电阻R4的另一端与放大器U1的4脚连接，放大器U1的3脚还与电阻R3连接，放大器U1的4脚和3脚之间还连接与电容C1，放大器U1的5脚接入供电电源V1；放大器U3的5脚接入供电电源V2，其4脚通过电阻R6与单片机连接，其3脚和4脚之间并联有电阻R1和电容C2，电阻R6的两端分别通过极性电容C4和极性电容C5接地。

所述信号调理电路B包括电阻R1和电阻R8，电阻R1和电阻R8的一端分别与交流电压信号的两极连接，电阻R1和电阻R8的另一端共同与电阻R7连接，电阻R7的另一端依次与二极管D1的正极、二极管D2的负极连接，二极管D1的负极、二极管D2的正极接地，电阻R8与交流电压信号连接的一端还通过电阻R9接地。

所述过零比较电路包括比较器U4，比较器U4的1脚和3脚分别与二极管D2的正极和负极连接，其5脚接入供电电源V1，2脚接地，4脚通过电阻R11与光耦隔离电路连接，其4脚和5脚之间还连接有电阻R10。

所述光耦隔离电路包括光耦U5，光耦U5的1脚与电阻R11连接,2脚接地，其4脚接入供电电源V2，其3脚与单片机连接，其3脚还分别通过电阻R12和电容C6接地。

所述供电电源V1为12V电源。

所述供电电源V2为3.3V电源。

如图1所示，运放U1、LED及PD1组成隔离电路的模拟输入，PD2和运放U3组成模拟输出电路，线性光耦HCNR201为电流型驱动器件，其LED的工作电流为1mA～40mA,运放器的选取必须满足其输出电流有足够的驱动能力驱动LED二极管，所以U1、U2选用LMV321运算放大器，其输出电流可达40mA。U1把电压信号转换成电流信号，U2则把电流信号转换成电压信号，并增强负载驱动能力，此外，R1为限流电阻、R2控制LED的发光强度、C1、C2为反馈电容。

隔离电路中PD1形成负反馈，当有电压Vin输入时，运放U1的输出使LED上有电流i1流过，驱动LED发光把电信号转变成光信号，光信号被PD1探测到并产生光电流ipd1,同时输入电压Vin也会产生电流流过R1，假定U1是理想运放，根据“虚断”原理，则没有电流流入U1的输入端，流过R1的电流将通过PD1到地，因此

又因LED发出的光同时照射于PD2上，且光通量等于照射于PD1的光通量，理想情况下ipd1＝ipd2,定义一个系数K,则

ipd₁＝K×ipd₂....................②；

K的值为1±5％；

运放U2和R3把ipd2转变为输出电压Vout，所以

Vout＝ipd₂×R₃....................③；

由公式①②③得出输出电压和输入电压的关系为

因此输出电压Vout具有稳定性和线性，其增益可通过调整R1、R3的值来实现，且R1＝R3,K为1，所以：

Vout＝Vin；

即HCNR201外围配置电路输入端电压Vin和输出电压Vout相等。

信号调理电路由输入电压信号Vin、B1、C3、R2、R3、R5构成，其作用主要是将输入信号Vin整流、滤波、降压；HCNR201隔离电路采用该芯片的基本外围配置电路；为实现信号的隔离，供给电路前后工作的电源也采取了隔离，U1、U3采用独立电源供电，起到隔离干扰作用，由HCNR201及LMV321的芯片特性，Vout取值范围为0～3V且输出电压近似等于输入电压，即Vout＝V3,该特性是本电路设计基础。

通过V3电位的取值范围(0～3V)及Vin(160V～260V)的测量范围，设计合理的整流滤波降压电路，如图4所示，交流输入Vin首先通过B1、C3全波整流，整流滤波后的输出电压有效值为输入电压的1.2倍，即:

V₄＝1.2×Vin；

根据Vin的输入范围，V4的电位取值范围为192V～312V。

由分压电路原理计算可得隔离电路的输入电压V3为：

由V3输入在0～3V，所以R2、R5需选用合适的阻值及型号，符合电路的功耗范围，确保电路输入安全可靠

根据HCNR201的工作原理特性，R1与R3相等，其值不能太小，否则影响输入电压的大小，反之也不能过大，否则无法驱动隔离电路，通过实验得出，若要实现交流电压160V～260V的采集，R1＝R2＝75K为合适值。输出电压范围由HCNR201隔离芯片输入输出特性及公式④可得

当交流输入电压Vin＝160V时，V4＝192V,Vout＝V3＝1.4V；

当交流输入电压Vin＝260V时，V4＝312V,Vout＝V3＝2.4V；

所以输出电压Vout的理论计算范围为1.4V～2.4V。

通过单片机对该范围内的数据处理，实现对交流电压160～260V的采集和显示。

单片机数据处理如图5和图6，由实验数据及图表可知，交流输入Vin与输出电压Vout的线性关系为：

Vin＝102.42×Vout+0.9993；

其实验数据与理论计算数据基本一致，在测量电压范围内其线性度满足要求。

如图2所示，其中信号调理电路把高频宽电压输入信号调理为小直流电压输入信号，过零比较电路主要以过零比较器为核心进行相关外围电路配置设计，最后电路输出的高低电平通过单片机的相关处理从而实现对频率的采集和显示。

Vin、R1、R8、R7、R9、D1、D2为信号调理电路，其中Vin为交流电压220V，R2、R5为分压电路，V3分压输入12V左右，R7与R9减小电路电流，D1、D2为强行嵌位二极管，使得LM193芯片U4输入端电压在1V左右，增强电路稳定性及可靠性

过零比较电路主要器件为比较器LM393，隔离电路由R10、R11、U4、R12、C6及供电电源V1、V2构成，其中V1为12V，V2为3.3V电源，通过隔离光耦实现电路之间的物理隔离，R12、C1为输出滤波作用。

当LM393比较器U4输入端V+＞V-时，此时比较器输出端输出高电平，R1、R4应用合适阻值使后端电路电流驱动U2(隔离光耦)动作，输出一个高电平；

当LM393比较器U4输入端V+＜V-时，此时比较器输出端输出低电平，电流无法驱动U2，则输出低电平；

通过不同的信号输入，输出端输出相应的高低电平，其输入电压信号Vin与输出电压信号Vout的波形图如图3所示，

单片机可通过采集输出电压信号Vout的脉冲方波信号的上升沿，单片机内部程序计算脉冲个数，从而计算出输入交流信号的频率。

如图6所示，频率采样电路电压输出信号Vout波形近似为一个稳定方波，输出频率为50Hz(误差±5Hz)，其测量精度和范围满足使用要求。