直流稳压电源及漏电保护装置.docx
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直流稳压电源及漏电保护装置
直流稳压电源及漏电保护装置
摘要：
本设计综合考虑题目基本部分的指标要求，稳压电源部分由比较放大电路、基准电压电路和取样电路三部分组成，实现DC-DC的变换。
采用STC90C51单片机为控制核心，对稳压电源信号进行采集与处理，由1602液晶实时显示稳压电源的输出功率。
通过测试，直流输入电压在相应的范围变化时，能够满足电压输出范围变化的要求及电源输出率的要求。
关键词：
直流稳压LM317DC-DC变换
1方案比较与论证
1.1方案设计的要求
设计一台额定电压为5V，额定输出电流为1A的直流稳压电源。
如图1所示：
（1）转换开关S接1端，RL阻值固定为5Ω。
当直流输入电压在7～25V变化时，要求输出电压为5±0.05V，电压调整率SU≤1%。
（2）连接方式不变，RL阻值固定为5Ω。
当直流输入电压在5.5～7V变化时，要求输出电压为5±0.05V。
（3）连接方式不变，直流输入电压固定在7V，当直流稳压电源输出电流1A减小到0.01A时，要求负载调整率SL≤1%。
（4）制作一个功率测量与显示电路，实时显示稳压电源的输出功率。
图1电路连接图
1.2方案论证
方案一：
利用电阻分压原理进行降压多次变换，实现DC-DC的转换。
方案二：
由稳压管和三极管组成稳压部分的单元电路，如图2所示。
以稳压管D1电压作为三极管Q1的基准电压，电路引入电压负反馈，当输入电压波动引起R2两端电压的变化增大（减小）时，晶体管发射极电位将随着升高（降低），而稳压管端的电压基本不变，故基极电位不变，所以由公式1-1可知UBE将减小（升高）导致基极电流和发射极电流的减小（增大），使得R两端的电压降低（升高），从而达到稳压的效果。
（1-1）
图2方案二稳压部分电路
方案三：
稳压部分由调整管，比较放大电路，基准电压电路，采样电路组成。
当采样电路的输出端电压升高（降低）时采样电路将这一变化送到A的反相输入端，然后与同相输入端的电位进行比较放大，此时运放的输出电压，即调整管的基极电位降低（升高）；由于电路采用射极输出形式，所以输出电压必然降低（升高），从而使输出电压得到稳定，如图3所示。
图3稳压部分单元电路
1.3方案的比较与选择
以上三个方案进行比较，可以发现第一个方案电路中的损耗较大，效率较低。
第二种方案为线性稳压电源，具备基本的稳压效果，但是只是基本的调整管电路，输出电压不可调，而且输出电流不大。
第三个方案使用了运放和调整管作为稳压电路，输出电压可调，功率也较高，可以输出较大的电流。
综合题目的要求，方案三的稳定效果要比前两个方案要好，所以选择第三个方案。
2系统设计
2.1总体设计思路
总体设计路如图4所示，由六个部分组成。
（1）直流稳压电源，由比较放大电路、基准电压电路和采样电路组成，完成从输入的直流电压到输出稳定的5±0.05V电压的变换。
（2）电流检测，由分压电阻和运放构成，电流通过电流检测电路进入单片机内部。
（3）A/D转换，实现电流检测后模拟量到数字量的转换。
（4）漏电保护，用来完成发挥部分中的漏电保护功能。
（5）单片机控制，用来控制电流量的A/D转换，通过软件完成稳压电源输出功率的计算并完成漏电保护中的开关通断。
（6）显示电路，显示稳压电源的输出功率。
图4系统框图
2.2硬件电路设计
系统硬件设计包含直流稳压电源电路，电流检测电路和漏电保护电路。
2.2.1直流稳压电源电路
直流稳压电源电路由比较放大电路、基准电压电路和采样电路组成，组成框图如图5所示。
图5直流稳压电路组成框图
采样电路由3300uf的极性电容、一个5KΩ的滑动变阻器和阻值分别为510Ω和2KΩ的电阻组成，如图6所示。
当采样电路的输出端电压升高（降低）时，采样电路将这一变化送到运算放大器的反相输入端，然后与同相输入端的电位进行比较放大，运放的输出电压，即调整管的基极电位降低（高）；由于电路采用射极输出形式，所以输出电压必然降低（升高），从而使输出电压得到稳定。
对于普通三极管而言，要输出5V左右的电压，输入电压至少为7V，而在我们的设计要求中输入的电压要求是在5.5-25V之间，为了满足低压差的要求，调整管选用具有输入电阻高、噪声小、功耗低、动态范围大、易于集成、没有二次击穿现象、安全工作区域宽等优点的N沟道IRFP450的场效应管。
图6采样电路
基准电压电路由LM317所构成，如图7所示。
LM317是可调式三端正电压稳压器，输出电压范围在7V到25V时能够提供超过1A的电流，易于使用。
该稳压器有三个引出端，分别为输入端、输出端和电压调整端（简称调整端），调整端是基准电压电路的公共端，其典型值为1．25V。
LM317依靠外接电阻来调节输出电压，为保证输出电压的精度和稳定性，要选择精度高的电阻，防止输出电流在导线上产生误差电压。
图7基准电压电路
比较放大电路是由集成运算放大器OP37等构成，如图8所示。
OP37是一种高精度单片运算放大器，具有很低的输入失调电压和漂移。
OP37的优良特性使它特别适合做前级放大器，放大微弱信号。
在本设计中OP37主要做起到反向输入放大的作用，将采集的信号通过100K的电阻构成反馈电路，同时输入到OP37反向输入端的信号与同相输入端的基准电压做比较，最后输出至场效应管的栅极，经IRFP450源极作为稳压电源的输出端。
图8比较放大电路
2.2.2电流检测电路
为了满足设计要求，实时显示稳压电源的输出功率，设计了电流检测电路，如图9所示。
对稳压电源工作时的电流进行实时检测，将检测到的信号输入单片机内部，完成A/D转换，再经过相应的处理程序，完成输出功率的计算。
图9电流检测电路
2.2.3A/D转换
被检测到的电流是模拟量，因此要通过相应的模拟量到数字量的转换之后才能输入到计算机内部，由PCF8591P芯片完成A/D转换。
该芯片单电源供电，低功耗，具有8位的A/D、D/A转换功能，同时具有4路模拟量的输入和1路模拟量的输出。
连接电路如图10所示。
图10A/D转换电路
2.2.4漏电保护
漏电保护电路主要由三部分组成：
检测元件、中间放大环节和操作执行机构。
2.2.5单片机控制
单片机作为设计中的控制核心器件，主要完成电流量的A/D转换，直流电流源输出功率的计算与显示及漏电保护功能中的开关通断。
本设计选用STC90C51单片机，该单片机是89系列的升级版，具有超强的抗干扰能力，超大容量SRAM，降低了对外的电磁辐射，超低功耗，可以进行系统编程，单片机的引脚如图11所示。
图11STC90C51引脚图
2.2.6显示电路
本设计显示电路采用LCD1602，它是字符型液晶，显示字母和数字比较方便，控制简单，成本较低。
显示电路如图12所示。
图12显示电路
2.3软件流程设计
本设计软件部分主要包括A/D转换和液晶显示两部分部分。
系统框图和主流程图如图13所示。
软件实现的功能：
（1）读取稳压电源测量产生的电流信号，并对该电流信号进行模拟量到数
字量的转换；
（2）实现稳压电源输出功率的计算；
（3）实现对LCD的数据输出。
a系统软件框图b主程序流程图
图13软件流程图
3测试方法与测试结果
3.1测试方法与仪器
测试仪器包括：
VC9807A+四位半数字万用表，YB1732A直流稳压电源，WD-4微机稳压源等。
测量时，根据基本要求，选择转换开关S接到相应的位置，连接好测试电路，输入相应的电压值，对输出电压进行测量。
3.2测试结果
（1）表1是直流输入电压在7～25V变化时所测试的输出电压。
表1
直流输入电压/V
7.00
9.50
14.00
19.00
25.00
输出电压/V
4.95
4.97
4.97
4.99
5.04
（2）表2是直流输入电压在5.5～7V变化时所测试的输出电压。
表2
直流输入电压/V
5.50
5.80
7.00
输出电压/V
4.84
4.95
5.01
（3）表3是直流输入电压固定在7V,直流稳压电源输出电流由1A减小到0.01A时的输出电压。
表3
直流输入电压/V
电阻/Ω
电流/A
输出电压/V
7.00
172
0.01
5.16
7.00
5
1
5.01
3.3测试结果计算及分析
由基本要求
（1）可知，当直流输入电压7～25V变化时，其输出电压为5±0.05V，直流稳压的电源的电压调整率比较小
。
电压调整率的定义为：
（3-1）
是直流输入电压为7V时的输出电压，
是直流输入电压为25V时的输出电压，根据测量结果，
，
，由式3-1计算可得：
（3-2）
计算结果满足基本要求。
由基本要求（3）可知，当直流输入电压固定在7V，直流稳压电源输出电流由1A减小到0.01A时，负载的调整率
。
负载调整率定义为：
（3-3）
是负载电阻为500Ω时的输出电压，但在实际测试过程中，负载电阻未满足，只达到172Ω，
是负载电阻为5Ω时的直流稳压电源的输出电压，根据测量结果，
，
，由式3-2计算可得：
（3-4）
测试过程中，影响测试结果的因素有多种，稳压电源在输入电压的过程中，不能够精确的输入所要求的信号；实验时间较长，引起元器件发热，产生一定的测量误差；集成运放不是理想运放，其性能指标对测试结果产生一定误差；选用元件存在系统误差；实验条件有限，比如基本要求三中所需要的5Ω～500Ω的变阻器没有购买到。
4结论
在同组三人的紧密团结、精诚合作下，小组完成了基本部分的大部分要求，这是与大学两年的理论学习、平时的电子训练及老师的教导是分不开的。
经过此次电子设计大赛的磨练，增强了团队协作精神和实践能力，体会到了理论联系实际的重要性。
由于知识水平有限、时间仓促，作品还有很多缺陷有待于继续完善，在此要感谢我们的指导老师。
也在此恳请各位评委老师批评指正。
5参考文献
【1】全国大学生电子设计竞赛组委会.《全国大学生电子设计竞赛获奖作品选编》[M].北京：
北京理工大学出版社.2007年.
【2】黄智伟.《全国大学生电子设计竞赛电路设计》[M].北京航空航天大学出版社,2006年.
【3】黄正瑾.《电子设计竞赛赛体解析》[M].东南大学出版社.2003年.
【4】全国大学生电子设计竞赛组委会.《全国大学生电子设计竞赛获奖作品汇编》[M].北京理工大学出版社.2006年.
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【7】童诗白,华成英.《模拟电子技术基础》[M].高等教育出版社.2000年.
附录1元器件清单
名称
型号
数量
场效应管
IRFP450
1
电解电容
3300uf50V
1
10uf50V
1
1uf50V
2
470uf50V
2
集成运放
LM324
1
OP37
1
电位器
200Ω2A
1
滑动变阻器
1K.10K.5K.
各1个
电阻
10K.15K.100K.510K.2K.200Ω
0.2Ω.220Ω.5Ω
各1个
稳压器
LM317
1
附录2电路图
附录3源程序
#include
#include
#include
#include"1602.h"
unsignedcharAD_CHANNEL;
unsignedintD[32];
#definePCF85910x90//PCF8591地址
unsignedchardis2[]={"POWER:
.W"};
unsignedchardistmp[]={"0123456789"};
unsignedintj;
voiddelay11（unsignedinti）;//声明延时函数
/*******延时函数*************/
voiddelay11（unsignedinti）
{
unsignedintq;
for（i;i>0;i--）
for（q=255;q>0;q--）;
}
/*******************************************************************
ADC发送字节[命令]数据函数
*******************************************************************/
bitISendByte（unsignedcharsla,unsignedcharc）
{
Start_I2c（）;//启动总线
SendByte（sla）;//发送器件地址
if（ack==0）return（0）;
SendByte（c）;//发送数据
if（ack==0）return（0）;
Stop_I2c（）;//结束总线
return
（1）;
}
/*******************************************************************
ADC读字节数据函数
*******************************************************************/
unsignedcharIRcvByte（unsignedcharsla）
{unsignedcharc;
Start_I2c（）;//启动总线
SendByte（sla+1）;//发送器件地址
if（ack==0）return（0）;
c=RcvByte（）;//读取数据
Ack_I2c
（1）;//发送非就答位
Stop_I2c（）;//结束总线
return（c）;
}
//******************************************************************/
/******************************************************************/
/*主函数*/
/******************************************************************/
voidmain（void）
{
lcd_init（）;
lcd_pos（0x40）;
j=0;
while（dis2[j]!
='\0'）
{
lcd_wdat（dis2[j]）;
j++;
}
while
（1）
{
/*******AD处理*************/
switch（AD_CHANNEL）
{
case0:
ISendByte（PCF8591,0x41）;
D[5]=IRcvByte（PCF8591）*2;//ADC0模数转换放大倍显示
break;
case1:
ISendByte（PCF8591,0x42）;
D[1]=IRcvByte（PCF8591）*2;//ADC1模数转换
break;
case2:
ISendByte（PCF8591,0x43）;
D[2]=IRcvByte（PCF8591）*2;//ADC2模数转换
break;
case3:
ISendByte（PCF8591,0x40）;
D[3]=IRcvByte（PCF8591）*2;//ADC3模数转换
break;
case4:
//DACconversion（PCF8591,0x40,D[4]/4）;//DAC数模转换
break;
}
if（++AD_CHANNEL>4）
AD_CHANNEL=0;
D[0]=（D[5]*193）/10;
dis2[8]=distmp[D[3]%10000/1000];
dis2[9]=distmp[D[3]%1000/100];
dis2[10]=distmp[D[3]%100/10];
dis2[11]=distmp[D[3]%10];
/************液晶显示***************/
delay11（60）;//调用延时程序
lcd_pos（0x40）;
j=0;
while（dis2[j]!
='\0'）
{
lcd_wdat（dis2[j]）;
j++;
}
}
}
升级会员 