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[充分利用單片機I/O口的特性簡化電路－－－－介紹一種廉價的單片機與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異的性價比在我國乃至全球
的自動控制領域得到了廣泛的應用。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、自帶八位模數轉換的PIC16C7X系列以及內置Flash
EEPROM的 PIC16C8X系列等，這些內置功能在系統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。這對于提高產品，尤其是家用電器產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。由此帶來系統復雜性的增加，成本的提高以及可靠性的下降。
由于在大多數的應用場合中，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腳上都設置了內部輸入靜態保護電路。
設計這些保護電路的目的是當有過壓出現時，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。它們可以承受數毫安的電流以保護單片機不受破壞。所以，只要經過限流，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。電力線電壓經過大電阻R的限流后受到PIC單片機內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應為6兆歐（T=RC）左右，甚至更小，這里我們取R=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單片機的安全區內。
尤為值得我們關注的是系統的可靠性問題。這里我們假設有兩種情況會造成系統的損壞。第一、大電阻失效短路從而導致過流，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，可靠性與穩定性要高得多。第二、流入單片機的過電流導致保護二極管開路。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腳上的最大連續電流為500微安，在很短的時間內，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生的瞬態大電流。
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（該系列單片機均內置此輸入保護電路），在其它型號的單片機上也可以實現類似功能（通過內帶保護電路或自行加裝輸入保護電路），請查閱相關器件手冊。
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），正有待我們去研究以充分利用。我們的目的就是充分挖掘現有的潛力，在不增加成本的情況下使系統的性能得到不斷的提高。 |
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