廉价单片机交流电力线的接口方案

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廉价单片机交流电力线的接口方案

由美国MicroChip公司推出的PIC系列单片机以其极其优异的性价比在我国乃至全球的自动控制领域得到了广泛的应用。PIC系列单片机的不同型号具有不同的特性，如自带模拟电压比较器的PIC16C62X系列、自带八位模数转换的PIC16C7X系列以及内置FlashEEPROM的PIC16C8X系列等，这些内置功能在系统要求不是非常高的情况下能以极低的成本取得很好的工作效果。这对于提高产品，尤其是家用电器产品的性价比是十分重要且是必须的。如何充分利用好单片机的这些特性来提高系统的性价比就是当前值得我们注意的一个方面。

    本文就尝试通过对PIC单片机I/O口的保护电路进行分析，介绍一种廉价的单片机与交流电力线的接口方案。

    以往，我们对交流线路进行在线参数的测量均需通过变压器、电容或电流互感器等交流器件才能进行。由此带来系统复杂性的增加，成本的提高以及可靠性的下降。

    由于在大多数的应用场合中，对于测量精度的要求并不很高（如控制可控硅的过零触发），所以我们可以采取如下文所述的方法来解决这一问题。我们只需使用上一个大电阻作为外部器件，就能达到我们的目的。

   之前，先让我们看一下PIC系列单片机在I/O口上的输入保护电路是怎样工作的。如图1所示，PIC系列单片机在每个I/O脚上都设置了内部输入静态保护电路。设计这些保护电路的目的是当有过压出现时，将把它短接到电源，因而可以防止单片机受到静电电击，造成损坏。这种保护电路实际上就是在每个输入脚上放置两个大容量的P-N二极管。这些二极管将任何大于Vdd的电压短路到电源Vdd，将任何低于Vss值的电压短路到电源Vss。它们可以承受数毫安的电流以保护单片机不受破坏。所以，只要经过限流，高电压也可以直接加到单片机的输入脚上。显然，最经济的限流方法就是利用大电阻。电力线电压经过大电阻R的限流后受到PIC单片机内部输入保护二极管箝位。220伏50赫兹的交流正弦波从0伏变化到2伏的时间约为32us，而当晶振为4Mhz时，PIC单片机的工作单周期仅为1us，所以PIC系列单片机I/O端口2伏的典型门限值要保证过零检测的精度在30us左右。PIC系列单片机I/O端口的电容典型值为5微微法，如果想得到较佳的过零精度，电阻R应为6兆欧（T=RC）左右，甚至更小，这里我们取R=3MEG。当两边所加电压达到电压峰值314伏时，阻值为3MEG的大电阻可以将电流限制为314/3M=104uA，而这正处于PIC单片机的安全区内。

    尤为值得我们关注的是系统的可靠性问题。这里我们假设有两种情况会造成系统的损坏。第一、大电阻失效短路从而导致过流，损坏单片机。对于电阻而言，这几乎是不可能的。因为电阻相对于在线测量器件，诸如变压器或电容器等交流器件来讲，可靠性与稳定性要高得多。第二、流入单片机的过电流导致保护二极管开路。这样，输入脚上的最大电压将达到电力线的峰值314伏，使单片机受到彻底的损坏。PIC系列单片机的I/O脚上的最大连续电流为500微安，在很短的时间内，I/O脚上也能承受更大的电流（>100mA)。

    因此，电路完全能承受因在线电压冲击而产生的瞬态大电流。实际上，本文介绍的这种方案并不仅仅适用于PIC系列单片机（该系列单片机均内置此输入保护电路），在其它型号的单片机上也可以实现类似功能（通过内带保护电路或自行加装输入保护电路），请查阅相关器件手册。

    利用本文介绍的方案作为单片机的交流接口，能以极低的成本取得很好的效果。实际上PIC单片机还具有许多独有的实用特性（如I/O口电平改变中断等），正有待我们去研究以充分利用。我们的目的就是充分挖掘现有的潜力，在不增加成本的情况下使系统的性能得到不断的提高。