基于LPC2134的家用电器剩余电压测量的研究

万今明 冯海杰 王志辉 符超

（珠海格力电器股份有限公司 广东珠海 519070）

1 标准定义

使用插头连接电源的家用及类似用途电器，由于器具内部电路电容器的存在，在拔掉插头的瞬间，插头上各插脚之间仍会存在一个残余电压。考虑到用户的实际操作，如果此残余电压在规定时间内过高则会对用户造成触电的危险，中华人民共和国国家标准GB 4706.1—2005《家用和类似用途电器的安全 第1部分：通用要求》中22.5条款对其要求如下：

打算通过一个插头来与电源连接的器具，其结构应能使其在正常使用中当触及该插头的插脚时，不会因有充过电的电容器而引起电击危险。

注：额定电容量不大于0.1μF的电容器，不认为会引起电击危险。

通过下述试验确定其是否合格。

器具以额定电压供电，然后将其任何一个开关置于“断开”位置，器具在电压峰值时从电源断开。在断开后的1s时，用一个不会对测量值产生明显影响的仪器，测量插头各插脚间的电压。

此电压不应超过34V。

2 测量难点

难点一：标准GB 4706.1—1998条款22.5要求器具电源“断开”重复测量10次残余电压，而GB 4706.1-2005则要求在电压峰值时断开，例如市电频率50Hz ，周期20ms，人工无法再精确地捕捉电压的峰值；如果采用MCU控制普通继电器吸合及断开，而普通继电器吸合及断开延时均在毫秒级别，无法精确控制捕捉电压峰值。

难点二：标准要求“用一个不会对测量值产生明显影响的仪器”，实际测量中，示波器探头均存在一个输入阻抗，例如10MΩ、66.7MΩ、100MΩ等，其内部阻抗会影响器具本身的放电电阻[1]，由并联电阻计算可知，探头的内阻与器具的内阻相差越小，则影响越大。

基于以上难点，本文将介绍一种采用MCU根据电压过零点控制普通继电器实现在电压峰值时精确断开，并延时1s接入示波器探头的方法，从而实现用示波器对剩余电压的精确测量。

3 解决方案

利用过零检测电路产生的脉冲信号，很容易捕捉电压的过零点，再通过延时即可精确得到电压峰值。

而为了能够利用普通吸合及断开延时在毫秒级别的继电器控制，则需要准确判断继电器的断开延时，再MCU控制继电器时进行自动补偿，从而实现在电压峰值时精确断开器具电源。

在电压峰值时断开器具电源后，利用MCU精确延时1s后，控制示波器接入的继电器吸合，从而避免示波器探头对器具本身内阻的影响，当然在这个1s时间内也要考虑继电器的吸合延时。

总体设计框图如图1。

4 详细设计

4.1 过零信号检测设计

图1 总体设计框图

图2 过零检测电路测试波形

图3 过零信号检测软件流程图

图4 继电器延时检测流程图

表1 理论计算值与实测值

检测正弦波交流电过零点及二极管单相导通的特性，很容易设计出过零检测电路，电路过零点产生脉冲，提供给MCU进行采样，以便计算输入电压的周期。如图2，某过零检测电路在输入电压过零点产生约900μs高电平脉冲。利用MCU的外部中断及定时器，通过多次测量求得平均值，可以精确地检测出输入电压的周期，避免输入电压频率波动带来的测量误差，软件控制流程图如图3。

4.2 继电器断开及吸合延时检测设计

考虑到普通继电器断开及吸合延时均在毫秒级别，甚至数毫秒、十几毫秒，例如型号OMIH-SS-112LM继电器断开延时实测为7.87ms，吸合延时实测为6.03ms，因此必须在测试之前精确检测继电器的断开及吸合延时。利用MCU的外部中断及定时器，多次测量求得平均值，可以精确地检测出继电器的断开及吸合延时，软件控制流程图如图4。

4.3 补偿控制设计

图5 补偿控制流程图

市电输入情况下，过零信号后四分之一周期即为电压的峰值处（或四分之一周期的奇数倍），结合过零脉冲宽度为900μs、图3自测的输入电压周期T(单位:μs)、图4自测的继电器断开延时t1(单位：μs)，在过零信号后延时900/2+(T/4)×nt1（n=1、3、5…）（单位：μs）控制继电器断开，则可以在电压峰值时切断器具的电源。

切断器具电源后，利用MCU延时1s，并补偿图4自测的继电器吸合延时t2（单位：μs），即延时1000000-t2控制继电器吸合接入示波器探头，此时通过示波器读数即可精确地完成对剩余电压的测试。

软件控制流程图如图5。

5 调试验证

如图6、图7，蓝色曲线为输入电压波形，粉色为峰值断开波形，市电50Hz输入情况下，在过零点5ms后即实现了峰值断开。

在电压峰值时断开，根据电容零输入响应计算公式（1）计算与实测对比如表1，示波器探头1s后接入实测值与理论值误差在1V以内。

图7 峰值断开、示波器探头1s后接入测试波形

6 结论

本文采用普通继电器及普通示波器探头，实现了对插头剩余电压的精确测量，实测效果良好。文中的MCU采用了LPC2134[2]，输入晶振11.0592MHz，利用其内部锁相环使其处理器频率倍频为晶振频率的4倍，高速的处理器频率保证了时间处理的精确性；但是总体仅利用了其中的外部中断、定时器及I/O端口控制功能，实是大材小用，如采用其它高频率处理器的MCU亦可行。

[1] 蒋秋桃，李莹，周丰，示波器测量医用电器剩余电压的方法探讨，中国医疗器械信息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]