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(biāo)準(zhǔn)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(nèi)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(huì)存在一個(gè)殘余電壓?？紤]到用戶的實(shí)際操作，如果此殘余電壓在規(guī)定時(shí)間內(nèi)過高則會(huì)對用戶造成觸電的危險(xiǎn)，中華人民共和國國家標(biāo)準(zhǔn)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(gè)插頭來與電源連接的器具，其結(jié)構(gòu)應(yīng)能使其在正常使用中當(dāng)觸及該插頭的插腳時(shí)，不會(huì)因有充過電的電容器而引起電擊危險(xiǎn)。

注：額定電容量不大于0.1μF的電容器，不認(rèn)為會(huì)引起電擊危險(xiǎn)。

通過下述試驗(yàn)確定其是否合格。

器具以額定電壓供電，然后將其任何一個(gè)開關(guān)置于“斷開”位置，器具在電壓峰值時(shí)從電源斷開。在斷開后的1s時(shí)，用一個(gè)不會(huì)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(yīng)超過34V。

2 測量難點(diǎn)

難點(diǎn)一：標(biāo)準(zhǔn)GB 4706.1—1998條款22.5要求器具電源“斷開”重復(fù)測量10次殘余電壓，而GB 4706.1-2005則要求在電壓峰值時(shí)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(shí)均在毫秒級(jí)別，無法精確控制捕捉電壓峰值。

難點(diǎn)二：標(biāo)準(zhǔn)要求“用一個(gè)不會(huì)對測量值產(chǎn)生明顯影響的儀器”，實(shí)際測量中，示波器探頭均存在一個(gè)輸入阻抗，例如10MΩ、66.7MΩ、100MΩ等，其內(nèi)部阻抗會(huì)影響器具本身的放電電阻[1]，由并聯(lián)電阻計(jì)算可知，探頭的內(nèi)阻與器具的內(nèi)阻相差越小，則影響越大。

基于以上難點(diǎn)，本文將介紹一種采用MCU根據(jù)電壓過零點(diǎn)控制普通繼電器實(shí)現(xiàn)在電壓峰值時(shí)精確斷開，并延時(shí)1s接入示波器探頭的方法，從而實(shí)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(hào)，很容易捕捉電壓的過零點(diǎn)，再通過延時(shí)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(shí)在毫秒級(jí)別的繼電器控制，則需要準(zhǔn)確判斷繼電器的斷開延時(shí)，再M(fèi)CU控制繼電器時(shí)進(jìn)行自動(dòng)補(bǔ)償，從而實(shí)現(xiàn)在電壓峰值時(shí)精確斷開器具電源。

在電壓峰值時(shí)斷開器具電源后，利用MCU精確延時(shí)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(nèi)阻的影響，當(dāng)然在這個(gè)1s時(shí)間內(nèi)也要考慮繼電器的吸合延時(shí)。

總體設(shè)計(jì)框圖如圖1。

4 詳細(xì)設(shè)計(jì)

4.1 過零信號(hào)檢測設(shè)計(jì)

圖1 總體設(shè)計(jì)框圖

圖2 過零檢測電路測試波形

圖3 過零信號(hào)檢測軟件流程圖

圖4 繼電器延時(shí)檢測流程圖

表1 理論計(jì)算值與實(shí)測值

檢測正弦波交流電過零點(diǎn)及二極管單相導(dǎo)通的特性，很容易設(shè)計(jì)出過零檢測電路，電路過零點(diǎn)產(chǎn)生脈沖，提供給MCU進(jìn)行采樣，以便計(jì)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(diǎn)產(chǎn)生約900μs高電平脈沖。利用MCU的外部中斷及定時(shí)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(dòng)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(shí)檢測設(shè)計(jì)

考慮到普通繼電器斷開及吸合延時(shí)均在毫秒級(jí)別，甚至數(shù)毫秒、十幾毫秒，例如型號(hào)OMIH-SS-112LM繼電器斷開延時(shí)實(shí)測為7.87ms，吸合延時(shí)實(shí)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(shí)。利用MCU的外部中斷及定時(shí)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(shí)，軟件控制流程圖如圖4。

4.3 補(bǔ)償控制設(shè)計(jì)

圖5 補(bǔ)償控制流程圖

市電輸入情況下，過零信號(hào)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(jié)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(shí)t1(單位：μs)，在過零信號(hào)后延時(shí)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(shí)切斷器具的電源。

切斷器具電源后，利用MCU延時(shí)1s，并補(bǔ)償圖4自測的繼電器吸合延時(shí)t2（單位：μs），即延時(shí)1000000-t2控制繼電器吸合接入示波器探頭，此時(shí)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(diào)試驗(yàn)證

如圖6、圖7，藍(lán)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(diǎn)5ms后即實(shí)現(xiàn)了峰值斷開。

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

圖7 峰值斷開、示波器探頭1s后接入測試波形

6 結(jié)論

本文采用普通繼電器及普通示波器探頭，實(shí)現(xiàn)了對插頭剩余電壓的精確測量，實(shí)測效果良好。文中的MCU采用了LPC2134[2]，輸入晶振11.0592MHz，利用其內(nèi)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(shí)間處理的精確性；但是總體僅利用了其中的外部中斷、定時(shí)器及I/O端口控制功能，實(shí)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]