一種廉價的單片機交流電力線的接口方案

　　由美國MicroChip公司推出的PIC系列單片機以其極其優(yōu)異的性價比在我國乃至全球的自動控制領(lǐng)域得到了廣泛的應(yīng)用。PIC系列單片機的不同型號具有不同的特性，如自帶模擬電壓比較器的PIC16C62X系列、自帶八位模數(shù)轉(zhuǎn)換的PIC16C7X系列以及內(nèi)置FlashEEPROM的PIC16C8X系列等，這些內(nèi)置功能在系統(tǒng)要求不是非常高的情況下能以極低的成本取得很好的工作效果。這對于提高產(chǎn)品，尤其是家用電器產(chǎn)品的性價比是十分重要且是必須的。如何充分利用好單片機的這些特性來提高系統(tǒng)的性價比就是當前值得我們注意的一個方面。本文就嘗試通過對PIC單片機I/O口的保護電路進行分析，介紹一種廉價的單片機與交流電力線的接口方案。

　　以往，我們對交流線路進行在線參數(shù)的測量均需通過變壓器、電容或電流互感器等交流器件才能進行。由此帶來系統(tǒng)復(fù)雜性的增加，成本的提高以及可靠性的下降。

　　由于在大多數(shù)的應(yīng)用場合中，對于測量精度的要求并不很高（如控制可控硅的過零觸發(fā)等），所以我們可以采取如下文所述的方法來解決這一問題。我們只需使用上一個大電阻作為外部器件，就能達到我們的目的。

　　之前，先讓我們看一下PIC系列單片機在I/O口上的輸入保護電路是怎樣工作的。如圖1所示，PIC系列單片機在每個I/O腳上都設(shè)置了內(nèi)部輸入靜態(tài)保護電路。

　　設(shè)計這些保護電路的目的是當有過壓出現(xiàn)時，將把它短接到電源，因而可以防止單片機受到靜電電擊，造成損壞。這種保護電路實際上就是在每個輸入腳上放置兩個大容量的P-N二極管。這些二極管將任何大于Vdd的電壓短路到電源Vdd，將任何低于Vss值的電壓短路到電源Vss。它們可以承受數(shù)毫安的電流以保護單片機不受破壞。所以，只要經(jīng)過限流，高電壓也可以直接加到單片機的輸入腳上。

　　顯然，最經(jīng)濟的限流方法就是利用大電阻，其方法如圖2所示。電力線電壓經(jīng)過大電阻R的限流后受到PIC單片機內(nèi)部輸入保護二極管箝位。220伏50赫茲的交流正弦波從0伏變化到2伏的時間約為32us，而當晶振為4Mhz時，PIC單片機的工作單周期僅為1us，所以PIC系列單片機I/O端口2伏的典型門限值要保證過零檢測的精度在30us左右。PIC系列單片機I/O端口的電容典型值為5微微法，如果想得到較佳的過零精度，電阻R應(yīng)為6兆歐（T=RC）左右，甚至更小，這里我們?nèi)=3MEG。當兩邊所加電壓達到電壓峰值314伏時，阻值為3MEG的大電阻可以將電流限制為314/3M=104uA，而這正處于PIC單片機的安全區(qū)內(nèi)。

　　尤為值得我們關(guān)注的是系統(tǒng)的可靠性問題。這里我們假設(shè)有兩種情況會造成系統(tǒng)的損壞。第一、大電阻失效短路從而導(dǎo)致過流，損壞單片機。對于電阻而言，這幾乎是不可能的。因為電阻相對于在線測量器件，諸如變壓器或電容器等交流器件來講，可靠性與穩(wěn)定性要高得多。第二、流入單片機的過電流導(dǎo)致保護二極管開路。這樣，輸入腳上的最大電壓將達到電力線的峰值314伏，使單片機受到徹底的損壞。PIC系列單片機的I/O腳上的最大連續(xù)電流為500微安，在很短的時間內(nèi)，I/O腳上也能承受更大的電流（>100mA)。因此，電路完全能承受因在線電壓沖擊而產(chǎn)生的瞬態(tài)大電流。

　　實際上，本文介紹的這種方案并不僅僅適用于PIC系列單片機（該系列單片機均內(nèi)置此輸入保護電路），在其它型號的單片機上也可以實現(xiàn)類似功能（通過內(nèi)帶保護電路或自行加裝輸入保護電路），請查閱相關(guān)器件手冊。

　　利用本文介紹的方案作為單片機的交流接口，能以極低的成本取得很好的效果。實際上PIC單片機還具有許多獨有的實用特性（如I/O口電平改變中斷等），正有待我們?nèi)パ芯恳猿浞掷?。我們的目的就是充分挖掘現(xiàn)有的潛力，在不增加成本的情況下使系統(tǒng)的性能得到不斷的提高。