在电子电路设计领域，常常会遇到需要借助单片机来检测特定信号通断、电压有无以及交流电过零点的情况。接下来，我们将深入探讨常见的信号检测电路。
　　通断检测
　　在一定范围内，例如 3.3V 的直流信号，单片机的 IO 端口能够直接连接进行信号检测。然而，实际中的信号类型丰富多样，像 24V、48V 的直流信号，220V 甚至 380V 的交流信号，单片机就无法直接完成检测了。下面为大家详细介绍几种常见的信号检测电路。
　　3V/5V 直流信号检测
　　对于普通的信号通断检测，常采用三极管进行电平转换，这样就能对一定范围内的输入信号进行有效判断，如下图所示：
　　　对于符合明确规范的信号，甚至可以直接使用两个二极管来实现检测。
　　12V、24V、36V 直流信号检测
　　对于稍高电压的直流电，虽然三极管也能使用，但光耦是更为安全且通用性更强的选择，其电路连接方式如下：
　　　220V 交流信号检测
　　单向光耦：其工作逻辑为，当 220V 断开时，光耦不导通，右侧为一阻容电路，IN 的电平经过 3.3V 上拉后呈高电平；当 220V 导通时，光耦导通，3.3V 经电阻通过光耦接地，IN 变为低电平。在交流电正半周期，交流电流经限流电阻使光耦导通，3.3V 经电阻通过光耦接地，IN 为低电平。负半周期时，光耦不导通，但由于电容充电需要时间，时间常数为 100K * 4.7uF = 0.47s，而 220V 交流电频率为 50Hz，周期为 0.02s，负半周时间仅 0.01s，电容远未充满电，所以 IN 仍为低电平。该电路工作原理如下：当 220V 断开时，光耦不导通，SIG_IN1 为高电平；当 220V 导通时，正半周期光耦导通，3 和 4 脚近似短路，SIG_IN1 为低电平；负半周期光耦不导通，同样因电容充电问题，SIG_IN1 对单片机而言仍为低电平。附上实际测量的波形图，从中可以看到在 220V 导通期间，由于 C17 不断充电、放电，电压处于较低值，对单片机 IO 来说是低电平。
　　　针对该电路，网友们提出了不少有价值的问题，以下为大家进行解答：
　　问题 1：图中已有 D5（1N4007），反向时理论上截止，那么 D8（1N4148）是否多余？回答：反向电压时，理论上 D5 会截止，但实际存在漏电流，加上 D8 可确保光耦反向压降不大于 1N4148 导通压降，防止反向击穿。
　　问题 2：使用 PC817 时，“IN4148 的作用是保护光耦不被反向电压击穿”，这个 IN4148 是否必要？回答：可以不加。理论上 1N4007 加反向电压应立即截止，但实际存在短暂的反向恢复时间，虽短但可能有反向电压加到光耦输入端，虽未测试是否会损坏，但 1N4148 可防止此隐患。
　　问题 3：保留 D8，去掉 D5 是否可行？回答：正常情况下可行，但有 D5 更保险。反向电压会使 D8 导通，但需压差和时间，可能导致光耦反向击穿。
　　问题 4：R30、C17 能否去掉？不接 VCC，直接接入 MCU 是否可行？回答：直接接入 MCU，利用其内部上拉电阻是可行的，若采用上述检测原理，外部加一个电容即可。若去掉电容，则需 MCU 通过软件判断 50Hz 的高低电平来确定 220V 是否通断。
　　问题 5：2.2uf 的贴片电容持续充放电，是否会缩短使用寿命？回答：充放电一般不影响电容寿命，常见的是电解电容在高温下失效。
　　问题 6：若不用 PC817，而用 PC814 双向光耦是否可行？能否简化电路？回答：可以，但成本会稍高。
　　问题 7：R33（100K）和 R39（100K）分别置于 L、N 上，与一个 200K 电阻置于一个交流线上，效果是否相同？回答：使用两个电阻，每个电阻的功率为单个电阻的一半，电阻选型时对额定功率要求降低。此外，两个电阻可将弱电和强电部分隔离，增强安全性。
　　问题 8：电容充满后向何处放电？若将电容放在接入 220V 之后、光耦之前，效果如何？回答：在交流电正半周，PC817 内部 LED 发光，充满电的电容通过 PC817 内部光敏三极管放电，放电电流从 PC817 的 4 脚经光敏三极管流到 3 脚（即地，也是电容另一极）。电容放在光耦前面理论上可行，但对电容耐压要求大幅提高，成本增加。
　　问题 9：该电路能否用于检测 220V 直流电的通断？回答：当然可以。
　　问题 10：按此电路连接后，电流仅零点几毫安，PC817 不工作，如何解决？回答：当前电流约 0.5mA，此处使用的 PC817 可正常工作。若无法工作，可尝试减小电阻使电流达到 20mA 左右，具体参考所选 PC817 的芯片手册。该电流还会影响后端 C17 电容的放电速度。同时要考虑电阻封装，因电阻电压和功率较大，需确保不超过额定值，防止损坏。
　　需要注意的是，220V 限流电阻存在功耗问题，也可采用阻容降压的方式。
　　双向光耦：使用双向光耦时，无论是正半周期还是负半周期，都能正常检测信号。图中右边的电容 2.2uf，实际上没必要这么大，甚至可以去掉。该电路由上述单向光耦电路修改而来，原电路因需考虑只有半个周期的通路，所以加了稍大的电容，以保证充放电时信号不会变为 0，2.2uF 的电容可防止过零点时电压突变。图中的 Signal_In 和 COM 是需要检测的信号输入，可输入 220V 交流或直流信号，Signal_Out 是信号输入端 net，可接入单片机或逻辑电路进行弱电信号控制。当外部有信号输入时，Signal_Out 端输出低电平；无信号输入时，输出高电平。下面简单分析该电路工作原理，当输入为 DC220V 信号时，信号使发光二极管导通发光，光耦的光敏三极管导通，电容 C3 经 R5 电阻对地放电，电容上的电压在几十 ms 内降为 0。当输入为 AC220V 信号时，因交流信号存在过零点，过零点时光耦关闭，光敏三极管截止，3.3V 电压通过 R1 和 R5 给电容充电，但 R1 + R3 >> R3，所以电容充电速度远小于放电速度，且过零点时间占比小，电容上电压接近 0V，在数字电路中代表低电平，这也可理解为 RC 低通滤波，滤除周期脉冲信号的谐波分量，留下直流分量，因正占空比小，直流分量可视为低电平。
　　　过零检测
　　过零检测的目的在于使使用交流电的系统更加安全稳定，同时便于对系统进行控制。我们知道，交流电电压时刻变化，若用电系统在电压高点进行开关操作，此时电流较大，会对系统造成 “冲击”，还可能产生电弧火花，即浪涌，在大功率负载的交流回路中风险更大。若系统能知晓每次过零点的时间，并在此刻进行开关控制，可确保系统安全稳定。此外，通过检测交流电信号的过零点，可实现交流电电子设备的开关控制、电流采样和保护功能，在调光开关、调光器、电机调速产品中，可从零点开始控制交流电导通角大小，实现调光灯具亮度和电机速度的调节。
　　过零检测电路本质上是一个电压比较器，其输入信号为需要进行过零检测的来源信号。原理是对输入信号进行整流和滤波，然后与基准电平比较，当输入信号过零点时，输出信号会发生跳变，此跳变即为过零点。常见的过零检测方法有以下几种：
　　光耦过零检测：通过对信号进行整流，可输出脉冲信号，如下图所示：
　　比较器 / 运放过零检测：对于比较器及后面的三极管，通常先进行降压处理较为妥当。例如，通过 R22、R21 控制电压小于 Vcc / 101（若 VCC 为 3.3V，阈值约为 0.03V）时，输出 S2 会输出高电平信号，由于时间短，结果为脉冲。也可将比较器的负输出端连接 GND（即 0V），正输入端连接降压但未整流的输入信号（220V 交流变为低压交流），这样输出 S2 可形成方波输出，但不整流需额外注意一些问题，此处不再详述。
　　三极管 / MOS 管：三极管和 MOS 管的过零检测与比较器类似，其输出脉冲比使用比较器时稍宽。三极管在 0.7V 左右导通，MOS 管导通电压可能更高，如有些 1.0V 左右导通。
　

　　高精度过零检测电路：该电路由四个二极管 1N4148 构成全波整流桥，所有电阻功率为 1/8W，光耦 OC1 可使用 4N35，电容 C3 耐压 10V 及以上，普通 NPN 三极管 2N3904。交流电过零时输出低电平，未过零时输出高电平。工作原理为：C3 随交流电处于充电和放电状态，此时光耦输出高电平。交流电过零时，二极管 D5 阳极出现负压，三极管基极电压 Vb 大于发射极电压 Ve，三极管 Q1 导通一次，光耦输出端 C 输出低电平。该电路具有高度精确的电源过零检测、完全隔离且低电压安全输出、超低功耗（最差情况功耗 < 120mW）、产生过零点左右对称的脉冲、元器件数量少且无需精密元器件、所有元器件可为低电压 SMD 器件、在所有电压范围（100VAC - 240VAC）工作无需修改、兼容 50Hz（过零脉冲 1ms）和 60Hz（过零脉冲 0.83ms）、温度变化时可靠性高、成本低廉等优点。其测试波形如下：