直流穩(wěn)壓電源及漏電保護(hù)裝置

1、直流穩(wěn)壓電源及漏電保護(hù)裝置摘要：本設(shè)計綜合考慮題目基本部分的指標(biāo)要求，穩(wěn)壓電源部分由比較放大電路、基準(zhǔn)電壓電路和取樣電路三部分組成，實(shí)現(xiàn)DC-DC的變換。采用STC90C51單片機(jī)為控制核心，對穩(wěn)壓電源信號進(jìn)行采集與處理，由1602液晶實(shí)時顯示穩(wěn)壓電源的輸出功率。通過測試，直流輸入電壓在相應(yīng)的范圍變化時，能夠滿足電壓輸出范圍變化的要求及電源輸出率的要求。關(guān)鍵詞：直流穩(wěn)壓 LM317 DC-DC變換1 方案比較與論證1.1方案設(shè)計的要求設(shè)計一臺額定電壓為5V，額定輸出電流為1A的直流穩(wěn)壓電源。如圖1所示：（1）轉(zhuǎn)換開關(guān)S接1端，RL阻值固定為5。當(dāng)直流輸入電壓在725V變化時，要求輸出電壓為5&

2、#177;0.05V，電壓調(diào)整率SU1%。（2）連接方式不變，RL阻值固定為5。當(dāng)直流輸入電壓在5.57V變化時，要求輸出電壓為5±0.05V。（3）連接方式不變，直流輸入電壓固定在7V，當(dāng)直流穩(wěn)壓電源輸出電流1A減小到0.01A時，要求負(fù)載調(diào)整率SL1%。（4）制作一個功率測量與顯示電路，實(shí)時顯示穩(wěn)壓電源的輸出功率。圖1 電路連接圖1.2方案論證方案一：利用電阻分壓原理進(jìn)行降壓多次變換，實(shí)現(xiàn)DC-DC的轉(zhuǎn)換。方案二：由穩(wěn)壓管和三極管組成穩(wěn)壓部分的單元電路，如圖2所示。以穩(wěn)壓管D1電壓作為三極管Q1的基準(zhǔn)電壓，電路引入電壓負(fù)反饋，當(dāng)輸入電壓波動引起R2兩端電壓的變化增大（減?。r，晶

3、體管發(fā)射極電位將隨著升高（降低），而穩(wěn)壓管端的電壓基本不變，故基極電位不變，所以由公式1-1可知UBE將減?。ㄉ撸?dǎo)致基極電流和發(fā)射極電流的減?。ㄔ龃螅?，使得R兩端的電壓降低（升高），從而達(dá)到穩(wěn)壓的效果。 （1-1） 圖2 方案二穩(wěn)壓部分電路方案三：穩(wěn)壓部分由調(diào)整管，比較放大電路，基準(zhǔn)電壓電路，采樣電路組成。當(dāng)采樣電路的輸出端電壓升高（降低）時采樣電路將這一變化送到A的反相輸入端，然后與同相輸入端的電位進(jìn)行比較放大，此時運(yùn)放的輸出電壓，即調(diào)整管的基極電位降低（升高）；由于電路采用射極輸出形式，所以輸出電壓必然降低（升高），從而使輸出電壓得到穩(wěn)定，如圖3所示。圖3 穩(wěn)壓部分單元電路1.3方案的

4、比較與選擇以上三個方案進(jìn)行比較，可以發(fā)現(xiàn)第一個方案電路中的損耗較大，效率較低。第二種方案為線性穩(wěn)壓電源，具備基本的穩(wěn)壓效果，但是只是基本的調(diào)整管電路，輸出電壓不可調(diào)，而且輸出電流不大。第三個方案使用了運(yùn)放和調(diào)整管作為穩(wěn)壓電路，輸出電壓可調(diào)，功率也較高，可以輸出較大的電流。綜合題目的要求，方案三的穩(wěn)定效果要比前兩個方案要好，所以選擇第三個方案。2 系統(tǒng)設(shè)計2.1總體設(shè)計思路總體設(shè)計路如圖4所示，由六個部分組成。（1）直流穩(wěn)壓電源，由比較放大電路、基準(zhǔn)電壓電路和采樣電路組成，完成從輸入的直流電壓到輸出穩(wěn)定的5±0.05V電壓的變換。（2）電流檢測， 由分壓電阻和運(yùn)放構(gòu)成，電流通過電流檢測

5、電路進(jìn)入單片機(jī)內(nèi)部。（3）A/D轉(zhuǎn)換，實(shí)現(xiàn)電流檢測后模擬量到數(shù)字量的轉(zhuǎn)換。（4）漏電保護(hù)，用來完成發(fā)揮部分中的漏電保護(hù)功能。（5）單片機(jī)控制，用來控制電流量的A/D轉(zhuǎn)換，通過軟件完成穩(wěn)壓電源輸出功率的計算并完成漏電保護(hù)中的開關(guān)通斷。（6）顯示電路，顯示穩(wěn)壓電源的輸出功率。圖4 系統(tǒng)框圖2.2硬件電路設(shè)計系統(tǒng)硬件設(shè)計包含直流穩(wěn)壓電源電路，電流檢測電路和漏電保護(hù)電路。2.2.1直流穩(wěn)壓電源電路直流穩(wěn)壓電源電路由比較放大電路、基準(zhǔn)電壓電路和采樣電路組成，組成框圖如圖5所示。圖5 直流穩(wěn)壓電路組成框圖采樣電路由3300uf的極性電容、一個5K的滑動變阻器和阻值分別為510和2K的電阻組成，如圖6所示。

6、當(dāng)采樣電路的輸出端電壓升高（降低）時，采樣電路將這一變化送到運(yùn)算放大器的反相輸入端，然后與同相輸入端的電位進(jìn)行比較放大，運(yùn)放的輸出電壓，即調(diào)整管的基極電位降低（高）；由于電路采用射極輸出形式，所以輸出電壓必然降低（升高），從而使輸出電壓得到穩(wěn)定。對于普通三極管而言，要輸出5V左右的電壓，輸入電壓至少為7V，而在我們的設(shè)計要求中輸入的電壓要求是在5.5-25V之間，為了滿足低壓差的要求，調(diào)整管選用具有輸入電阻高、噪聲小、功耗低、動態(tài)范圍大、易于集成、沒有二次擊穿現(xiàn)象、安全工作區(qū)域?qū)挼葍?yōu)點(diǎn)的N溝道IRFP450的場效應(yīng)管。圖6 采樣電路基準(zhǔn)電壓電路由LM317所構(gòu)成，如圖7所示。LM317是可調(diào)式

7、三端正電壓穩(wěn)壓器，輸出電壓范圍在7V到25V時能夠提供超過1A的電流，易于使用。該穩(wěn)壓器有三個引出端，分別為輸入端、輸出端和電壓調(diào)整端(簡稱調(diào)整端)，調(diào)整端是基準(zhǔn)電壓電路的公共端，其典型值為125V。LM317依靠外接電阻來調(diào)節(jié)輸出電壓，為保證輸出電壓的精度和穩(wěn)定性，要選擇精度高的電阻，防止輸出電流在導(dǎo)線上產(chǎn)生誤差電壓。 圖7 基準(zhǔn)電壓電路比較放大電路是由集成運(yùn)算放大器OP37等構(gòu)成，如圖8所示。OP37是一種高精度單片運(yùn)算放大器，具有很低的輸入失調(diào)電壓和漂移。OP37的優(yōu)良特性使它特別適合做前級放大器，放大微弱信號。在本設(shè)計中OP37主要做起到反向輸入放大的作用，將采集的信號通過100K的電

8、阻構(gòu)成反饋電路，同時輸入到OP37反向輸入端的信號與同相輸入端的基準(zhǔn)電壓做比較，最后輸出至場效應(yīng)管的柵極，經(jīng)IRFP450源極作為穩(wěn)壓電源的輸出端。圖8 比較放大電路2.2.2電流檢測電路為了滿足設(shè)計要求，實(shí)時顯示穩(wěn)壓電源的輸出功率，設(shè)計了電流檢測電路，如圖9所示。對穩(wěn)壓電源工作時的電流進(jìn)行實(shí)時檢測，將檢測到的信號輸入單片機(jī)內(nèi)部，完成A/D轉(zhuǎn)換，再經(jīng)過相應(yīng)的處理程序，完成輸出功率的計算。圖9 電流檢測電路2.2.3A/D轉(zhuǎn)換被檢測到的電流是模擬量，因此要通過相應(yīng)的模擬量到數(shù)字量的轉(zhuǎn)換之后才能輸入到計算機(jī)內(nèi)部，由PCF8591P芯片完成A/D轉(zhuǎn)換。該芯片單電源供電，低功耗，具有8位的A/D、D/

9、A轉(zhuǎn)換功能，同時具有4路模擬量的輸入和1路模擬量的輸出。連接電路如圖10所示。圖10 A/D轉(zhuǎn)換電路2.2.4漏電保護(hù)漏電保護(hù)電路主要由三部分組成：檢測元件、中間放大環(huán)節(jié)和操作執(zhí)行機(jī)構(gòu)。2.2.5單片機(jī)控制單片機(jī)作為設(shè)計中的控制核心器件，主要完成電流量的A/D轉(zhuǎn)換，直流電流源輸出功率的計算與顯示及漏電保護(hù)功能中的開關(guān)通斷。本設(shè)計選用STC90C51單片機(jī)，該單片機(jī)是89系列的升級版，具有超強(qiáng)的抗干擾能力，超大容量SRAM，降低了對外的電磁輻射，超低功耗，可以進(jìn)行系統(tǒng)編程，單片機(jī)的引腳如圖11所示。圖11 STC90C51引腳圖2.2.6顯示電路 本設(shè)計顯示電路采用LCD1602，它是字符型液晶

10、，顯示字母和數(shù)字比較方便，控制簡單，成本較低。顯示電路如圖12所示。圖12 顯示電路2.3軟件流程設(shè)計本設(shè)計軟件部分主要包括A/D轉(zhuǎn)換和液晶顯示兩部分部分。系統(tǒng)框圖和主流程圖如圖13所示。軟件實(shí)現(xiàn)的功能：（1） 讀取穩(wěn)壓電源測量產(chǎn)生的電流信號，并對該電流信號進(jìn)行模擬量到數(shù)字量的轉(zhuǎn)換；（2） 實(shí)現(xiàn)穩(wěn)壓電源輸出功率的計算；（3） 實(shí)現(xiàn)對LCD的數(shù)據(jù)輸出。 a系統(tǒng)軟件框圖 b主程序流程圖圖13 軟件流程圖3 測試方法與測試結(jié)果3.1 測試方法與儀器測試儀器包括：VC9807A+四位半數(shù)字萬用表，YB1732A直流穩(wěn)壓電源，WD-4微機(jī)穩(wěn)壓源等。測量時，根據(jù)基本要求，選擇轉(zhuǎn)換開關(guān)S接到相應(yīng)的位置，連接

11、好測試電路，輸入相應(yīng)的電壓值，對輸出電壓進(jìn)行測量。3.2測試結(jié)果（1）表1是直流輸入電壓在725V變化時所測試的輸出電壓。表1直流輸入電壓/V7.009.5014.0019.0025.00輸出電壓/V4.954.974.974.995.04（2）表2是直流輸入電壓在5.57V變化時所測試的輸出電壓。表2直流輸入電壓/V5.505.807.00輸出電壓/V4.844.955.01（3）表3是直流輸入電壓固定在7V,直流穩(wěn)壓電源輸出電流由1A減小到0.01A時的輸出電壓。表3直流輸入電壓/V電阻/電流/A輸出電壓/V7.001720.015.167.00515.013.3測試結(jié)果計算及分析 由基本

12、要求（1）可知，當(dāng)直流輸入電壓725V變化時，其輸出電壓為5±0.05V，直流穩(wěn)壓的電源的電壓調(diào)整率比較小。電壓調(diào)整率的定義為： （3-1） 是直流輸入電壓為7V時的輸出電壓，是直流輸入電壓為25V時的輸出電壓，根據(jù)測量結(jié)果，由式3-1計算可得： （3-2）計算結(jié)果滿足基本要求。由基本要求（3）可知，當(dāng)直流輸入電壓固定在7V，直流穩(wěn)壓電源輸出電流由1A減小到0.01A時，負(fù)載的調(diào)整率。負(fù)載調(diào)整率定義為： (3-3)是負(fù)載電阻為500時的輸出電壓，但在實(shí)際測試過程中，負(fù)載電阻未滿足，只達(dá)到172，是負(fù)載電阻為5時的直流穩(wěn)壓電源的輸出電壓，根據(jù)測量結(jié)果，由式3-2計算可得： (3-4)測

13、試過程中，影響測試結(jié)果的因素有多種，穩(wěn)壓電源在輸入電壓的過程中，不能夠精確的輸入所要求的信號；實(shí)驗(yàn)時間較長，引起元器件發(fā)熱，產(chǎn)生一定的測量誤差；集成運(yùn)放不是理想運(yùn)放，其性能指標(biāo)對測試結(jié)果產(chǎn)生一定誤差；選用元件存在系統(tǒng)誤差；實(shí)驗(yàn)條件有限，比如基本要求三中所需要的5500的變阻器沒有購買到。4 結(jié)論在同組三人的緊密團(tuán)結(jié)、精誠合作下，小組完成了基本部分的大部分要求，這是與大學(xué)兩年的理論學(xué)習(xí)、平時的電子訓(xùn)練及老師的教導(dǎo)是分不開的。經(jīng)過此次電子設(shè)計大賽的磨練，增強(qiáng)了團(tuán)隊協(xié)作精神和實(shí)踐能力，體會到了理論聯(lián)系實(shí)際的重要性。由于知識水平有限、時間倉促，作品還有很多缺陷有待于繼續(xù)完善，在此要感謝我們的指導(dǎo)老師。

14、也在此懇請各位評委老師批評指正。5 參考文獻(xiàn)【1】 全國大學(xué)生電子設(shè)計競賽組委會.全國大學(xué)生電子設(shè)計競賽獲獎作品選編M.北京：北京理工大學(xué)出版社.2007年. 【2】 黃智偉.全國大學(xué)生電子設(shè)計競賽電路設(shè)計M.北京航空航天大學(xué)出版社,2006年. 【3】黃正瑾.電子設(shè)計競賽賽體解析M.東南大學(xué)出版社. 2003年. 【4】全國大學(xué)生電子設(shè)計競賽組委會.全國大學(xué)生電子設(shè)計競賽獲獎作品匯編M.北京理工大學(xué)出版社.2006年. 【5】吳少軍,劉光斌.單片機(jī)實(shí)用低功耗設(shè)計M.人民郵電出版社.2005年. 【6】何立民.單片機(jī)應(yīng)用程序設(shè)計技術(shù)M.北京航空航天大學(xué)出版社. 2003年.【7】童詩白,華成英

15、.模擬電子技術(shù)基礎(chǔ)M. 高等教育出版社. 2000年.附錄1 元器件清單名稱型號數(shù)量場效應(yīng)管IRFP4501電解電容3300uf 50V110uf 50V11 uf 50V2470uf 50V2集成運(yùn)放LM3241OP371電位器200 2A1滑動變阻器1K.10K.5K.各1個電阻10K.15K.100K.510K.2K.2000.2.220.5各1個穩(wěn)壓器LM3171附錄2 電路圖附錄3 源程序#include<reg52.h> #include <intrins.h>#include <I2C.H>#include"1602.h"u

16、nsigned char AD_CHANNEL;unsigned int D32;#define PCF8591 0x90 /PCF8591 地址unsigned char dis2 = " POWER : . W "unsigned char distmp = "0123456789"unsigned int j;void delay11(unsigned int i); /聲明延時函數(shù) /*延時函數(shù)*/void delay11(unsigned int i) unsigned int q; for(i; i > 0; i-) for(q = 2

17、55; q > 0; q-);/*ADC發(fā)送字節(jié)命令數(shù)據(jù)函數(shù) */bit ISendByte(unsigned char sla,unsigned char c) Start_I2c(); /啟動總線 SendByte(sla); /發(fā)送器件地址 if(ack=0)return(0); SendByte(c); /發(fā)送數(shù)據(jù) if(ack=0)return(0); Stop_I2c(); /結(jié)束總線 return(1);/*ADC讀字節(jié)數(shù)據(jù)函數(shù) */unsigned char IRcvByte(unsigned char sla) unsigned char c; Start_I2c();

18、 /啟動總線 SendByte(sla+1); /發(fā)送器件地址 if(ack=0)return(0); c=RcvByte(); /讀取數(shù)據(jù) Ack_I2c(1); /發(fā)送非就答位 Stop_I2c(); /結(jié)束總線 return(c);/*/*/* 主函數(shù) */*/void main(void) lcd_init(); lcd_pos(0x40);j = 0;while(dis2j != '0')lcd_wdat(dis2j);j+;while(1) /*AD處理*/ switch(AD_CHANNEL) case 0: ISendByte(PCF8591,0x41); D5=IRcvByte(PCF8591)*2; /ADC0 模數(shù)轉(zhuǎn)換 放大倍顯示 break; case 1: ISendByte(PCF8591,0x42); D1=IRcvByte(PCF8591)*2; /ADC1 模數(shù)轉(zhuǎn)換 break; case 2: ISendByte(PCF8591,0x43); D2=IRcvByte(PCF8591)*2; /ADC2模數(shù)轉(zhuǎn)換 break; case 3: ISendByte(PCF8591,0x40); D3=IRcvByte(PCF8591)*2; /ADC3 模數(shù)轉(zhuǎn)換 break; case 4: