基于LPC2134的家用電器剩余電壓測量的研究

萬今明 馮海杰 王志輝 符超

（珠海格力電器股份有限公司 廣東珠海 519070）

1 標準定義

使用插頭連接電源的家用及類似用途電器，由于器具內部電路電容器的存在，在拔掉插頭的瞬間，插頭上各插腳之間仍會存在一個殘余電壓。考慮到用戶的實際操作，如果此殘余電壓在規(guī)定時間內過高則會對用戶造成觸電的危險，中華人民共和國國家標準GB 4706.1—2005《家用和類似用途電器的安全 第1部分：通用要求》中22.5條款對其要求如下：

打算通過一個插頭來與電源連接的器具，其結構應能使其在正常使用中當觸及該插頭的插腳時，不會因有充過電的電容器而引起電擊危險。

注：額定電容量不大于0.1μF的電容器，不認為會引起電擊危險。

通過下述試驗確定其是否合格。

器具以額定電壓供電，然后將其任何一個開關置于“斷開”位置，器具在電壓峰值時從電源斷開。在斷開后的1s時，用一個不會對測量值產(chǎn)生明顯影響的儀器，測量插頭各插腳間的電壓。

此電壓不應超過34V。

2 測量難點

難點一：標準GB 4706.1—1998條款22.5要求器具電源“斷開”重復測量10次殘余電壓，而GB 4706.1-2005則要求在電壓峰值時斷開，例如市電頻率50Hz ，周期20ms，人工無法再精確地捕捉電壓的峰值；如果采用MCU控制普通繼電器吸合及斷開，而普通繼電器吸合及斷開延時均在毫秒級別，無法精確控制捕捉電壓峰值。

難點二：標準要求“用一個不會對測量值產(chǎn)生明顯影響的儀器”，實際測量中，示波器探頭均存在一個輸入阻抗，例如10MΩ、66.7MΩ、100MΩ等，其內部阻抗會影響器具本身的放電電阻[1]，由并聯(lián)電阻計算可知，探頭的內阻與器具的內阻相差越小，則影響越大。

基于以上難點，本文將介紹一種采用MCU根據(jù)電壓過零點控制普通繼電器實現(xiàn)在電壓峰值時精確斷開，并延時1s接入示波器探頭的方法，從而實現(xiàn)用示波器對剩余電壓的精確測量。

3 解決方案

利用過零檢測電路產(chǎn)生的脈沖信號，很容易捕捉電壓的過零點，再通過延時即可精確得到電壓峰值。

而為了能夠利用普通吸合及斷開延時在毫秒級別的繼電器控制，則需要準確判斷繼電器的斷開延時，再MCU控制繼電器時進行自動補償，從而實現(xiàn)在電壓峰值時精確斷開器具電源。

在電壓峰值時斷開器具電源后，利用MCU精確延時1s后，控制示波器接入的繼電器吸合，從而避免示波器探頭對器具本身內阻的影響，當然在這個1s時間內也要考慮繼電器的吸合延時。

總體設計框圖如圖1。

4 詳細設計

4.1 過零信號檢測設計

圖1 總體設計框圖

圖2 過零檢測電路測試波形

圖3 過零信號檢測軟件流程圖

圖4 繼電器延時檢測流程圖

表1 理論計算值與實測值

檢測正弦波交流電過零點及二極管單相導通的特性，很容易設計出過零檢測電路，電路過零點產(chǎn)生脈沖，提供給MCU進行采樣，以便計算輸入電壓的周期。如圖2，某過零檢測電路在輸入電壓過零點產(chǎn)生約900μs高電平脈沖。利用MCU的外部中斷及定時器，通過多次測量求得平均值，可以精確地檢測出輸入電壓的周期，避免輸入電壓頻率波動帶來的測量誤差，軟件控制流程圖如圖3。

4.2 繼電器斷開及吸合延時檢測設計

考慮到普通繼電器斷開及吸合延時均在毫秒級別，甚至數(shù)毫秒、十幾毫秒，例如型號OMIH-SS-112LM繼電器斷開延時實測為7.87ms，吸合延時實測為6.03ms，因此必須在測試之前精確檢測繼電器的斷開及吸合延時。利用MCU的外部中斷及定時器，多次測量求得平均值，可以精確地檢測出繼電器的斷開及吸合延時，軟件控制流程圖如圖4。

4.3 補償控制設計

圖5 補償控制流程圖

市電輸入情況下，過零信號后四分之一周期即為電壓的峰值處（或四分之一周期的奇數(shù)倍），結合過零脈沖寬度為900μs、圖3自測的輸入電壓周期T(單位:μs)、圖4自測的繼電器斷開延時t1(單位：μs)，在過零信號后延時900/2+(T/4)×nt1（n=1、3、5…）（單位：μs）控制繼電器斷開，則可以在電壓峰值時切斷器具的電源。

切斷器具電源后，利用MCU延時1s，并補償圖4自測的繼電器吸合延時t2（單位：μs），即延時1000000-t2控制繼電器吸合接入示波器探頭，此時通過示波器讀數(shù)即可精確地完成對剩余電壓的測試。

軟件控制流程圖如圖5。

5 調試驗證

如圖6、圖7，藍色曲線為輸入電壓波形，粉色為峰值斷開波形，市電50Hz輸入情況下，在過零點5ms后即實現(xiàn)了峰值斷開。

在電壓峰值時斷開，根據(jù)電容零輸入響應計算公式（1）計算與實測對比如表1，示波器探頭1s后接入實測值與理論值誤差在1V以內。

圖7 峰值斷開、示波器探頭1s后接入測試波形

6 結論

本文采用普通繼電器及普通示波器探頭，實現(xiàn)了對插頭剩余電壓的精確測量，實測效果良好。文中的MCU采用了LPC2134[2]，輸入晶振11.0592MHz，利用其內部鎖相環(huán)使其處理器頻率倍頻為晶振頻率的4倍，高速的處理器頻率保證了時間處理的精確性；但是總體僅利用了其中的外部中斷、定時器及I/O端口控制功能，實是大材小用，如采用其它高頻率處理器的MCU亦可行。

[1] 蔣秋桃，李瑩，周豐，示波器測量醫(yī)用電器剩余電壓的方法探討，中國醫(yī)療器械信息2010年第16卷第5期 Vol.16 No.5

[2] LPC2131/2132/2134/2136/2138 Single-chip 16/32bit microcontrollers Preliminary data sheet[EB/OL][2005.4.15]