毕设论文流直稳压电源及漏电保护装置的设计与制作.docx

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毕设论文流直稳压电源及漏电保护装置的设计与制作

四川托普信息技术职业学院

毕业设计

题目：

直流稳压电源及漏电保护装置的设计与制作

系部：

电子与通信系

专业：

电子信息工程

指导单位：

电子与通信系

四川托普信息技术职业学院

专科毕业设计（论文）诚信承诺书

本人郑重声明：

所呈交的毕业设计（论文）（题目：

直流稳压电源及漏电保护装置）是本人在导师的指导下独立进行研究所取得的成果。

尽本人所知，除了毕业设计（论文）中特别加以标注引用的内容外，本毕业设计（论文）不包含任何其他个人或集体已经发表或撰写的成果作品。

作者签名：

杨志勇2013年9月10日

（学号）：

1102010237

摘要

直流稳压电源及漏电保护装置是由MSP430单片机、LCD12864液晶显示屏、直流供电模块、电压取样模块、预稳压模块、高精度低压差稳压源模块、漏电保护装置模块等等组成。

MSP430系列单片机是一个16位的单片机，采用了精简指令集（RISC）结构，具有丰富的寻址方式（7种源操作数寻址、4种目的操作数寻址）、简洁的27条内核指令以及大量的模拟指令。

MSP430单片机的功能是用来控制题中要求的功率测试及显示等功能，液晶显示屏采用LCD12864显示，直流供电模块和预稳压模块、高精度低压模块在一起构成了直流稳压电源，电压取样模块的作用是用来取样输出电压的大小，再把电压信号反馈回单片机，通过程序控制显示出功率的大小，漏电保护装置主要的作用是检测出漏电流的大小。

预稳压和稳压模块的亮点在于稳压部分采用了Ｐ沟道增强型场效应管IRF9640，而不是常用的N沟道场效应管，P沟道场效应管的内阻可降至５００毫欧以内，因此可以在极低的压差下正常工作。

从而可以完成输入为5.5V时，输出为5V的功能。

在稳压前级模块中，采用了预稳压电路，并实现了高电压与低电压的良好对接，同时能减轻了后级稳压电路的负担，保证了输出精度。

在取样电路中，采用了高精度基准电压源ＴＬ４３１，既保证了电路所要求的精准度又简化了电路。

关键字：

ＭＳＰ４３０单片机、低压差线性稳压源、电压采样电路、显示模块、预稳压电路、漏电保护

第一章引言

1.1关于直流稳压电源及漏电保护装置

随着现代技术的发展,精确大动态范围的电源得到了广泛的应用，精密的的电源在科研和工作中是不可或缺的。

本题要求我们自制一个低压差直流稳压电源及漏电保护装置，当输入电压在5.5V~25V变化时，要求输出电压为5±0.05V，当输入电压在5.5V～7V变化时，要求输出电压为5±0.05V，并达到相应的电压调整率和负载调整率都要小于1%。

同时制作功率显示装置与漏电保护装置。

直流稳压电源是一种将220V工频交流电转换成稳压输出的直流电压的装置，它需要经过变压、整流、滤波、稳压四个环节才能完成。

直流稳压电源是电子技术领域不可缺少的设备，常见的直流稳压电源，大都采用串联式反馈式稳压原理，通过调整输出端取样电阻支路中的电位器来调整输出电压。

由于电位器阻值变化的非线性和调整范围窄，使普通直流稳压电源难以实现输出电压的精确调整。

本文主要分六大部分：

引言、总体方案、硬件系统、软件系统，Proteus仿真波形截图，总结。

引言，首先对课题研究背景和所涉及的相关技术领域进行了介绍；第一章对系统所要完成的功能和可扩展的功能进行描述，确定系统的设计方案主要参数计算，第二章对系统的硬件结构和各部分组成作了简要的介绍和讲解；第三章是硬件部分，主要介绍了MSP430单片机简介和供电模块、预稳压模块稳压模块、漏电保护模块液晶显示模块。

第四章是显示功率、输入电压模块，这部分重点介绍了主程序的流程框图及各个子程序的流程框图。

第五章是仿真的截图。

最后对整篇文章进行了总结。

第二章系统设计

2.1系统结构模块

整个直流稳压电源及漏电保护装置系统主要由单片机模块、直流输入供电模块（供电模块、预稳压模块、稳压模块）、漏电保护装置模块、显示模块构成。

此装置主要是为了能检测出瞬间电流的大小，能适用于供电站，用来检测供电区域瞬间电流的大小，如果过大，就直接断开，能保护送电装置。

如图2-1

稳压模块

供电模块

预稳压模块

MSP430

漏电保护

液晶显示

图2-1直流稳压电源及漏电保护装置系统框图

2.2单片机模块

方案一、如果利用LM324和P沟道的场效应管设计本体，单片机就可以直接选择89C51，其优点是电路成熟可靠，电路简单，易于设计。

但是存在的缺点是功耗较大，运转速度较慢，功能不齐全，需要外加设计A/D转换。

方案二、直接采用MSP430单片机，其优点是速度高，功耗低，节能环保，功能齐全，程序简明，自带A/DD/APWMPID等功能。

2.3直流输入供电模块

方案一、利用LM324和P沟道的场效应管IRF9640设计的线性直流电源，输出电流大，能满足额定输出电流为1A的直流稳压电源，其外围元器件较少，但是，精度不高，需要为电路外加一个电源，或者可以用一个稳压管来代替电源，但就不能精确的达到5V，那么对后面的输出电压就会产生影响，同时，纹波系数较大，可能对直流稳压电路产生不良影响，不能达到题目要求

方案二、采用LT1083，其有结构简单、性能优良、调试方便、价格便宜等显著优点，而且能提供的最大电流可达到7A，更重要的是，实验室存在大量LT1083拆机件，可以充分利用资源，达到节约的目的。

2.4漏电保护装置模块

方案一、利用一个RCV420电流环接收器芯片，用来检查R和Rl之间的电流差值是否达到30MA，在利用一个运放LM324做一个电压比较器，最后把比较器的输出端接入一个可控硅开关，让电路能自锁，满足电路的要求。

方案二、利用一个继电器，和两个IAN194芯片，然后直接用软件来控制漏电保护装置的要求，同时也能达到自锁的要求。

2.5方案选择

首先单片机选择，两个方案相之对比，方案一虽成熟、设计简单，但是速度较低，能耗高，精度较低，缺乏所需的AD转换功能。

方案二则能满足题目所需的功能，因此选择了MSP430单片机然后，直流输入供电部分，两个方案相对比，因为方案二能完全满足题中的要求，所以我们选择了方案二。

漏电保护装置模块，为了电路简单，容易控制，方便调制，所以我们选择了方案二。

第三章硬件设计

3.1MSP430单片机简介

MSP430系列单片机是美国德州仪器（IT）1996年开始推向市场的一种16位超低功耗、具有精简指令集RISC的混合信号处理器（MixedSignalProcessor）。

称之为混合信号处理器，是由于其针对实际应用需求，将多个不同功能的模拟电路、数字电路模块和微处理器集成在一个芯片上，以提供“单片机”解决方案。

该系列单片机多应用于需要电池供电的便携式仪器仪表中

处理能力强：

MSP430系列单片机是一个16位的单片机，采用了精简指令集（RISC）结构，具有丰富的寻址方式（7种源操作数寻址、4种目的操作数寻址）、简洁的27条内核指令以及大量的模拟指令；大量的寄存器以及片内数据存储器都可参加多种运算；还有高效的查表处理指令。

这些特点保证了可编制出高效率的源程序。

运算速度快：

MSP430系列单片机能在25MHz晶体的驱动下，实现40ns的指令周期。

16位的数据宽度、40ns的指令周期以及多功能的硬件乘法器（能实现乘加运算）相配合，能实现数字信号处理的某些算法（如FFT等）。

超低功耗：

MSP430单片机之所以有超低的功耗，是因为其在降低芯片的电源电压和灵活而可控的运行时钟方面都有其独到之处。

首先，MSP430系列单片机的电源电压采用的是1.8-3.6V电压。

因而可使其在1MHz的时钟条件下运行时，芯片的电流最低会在165μA左右，RAM保持模式下的最低功耗只有0.1μA。

其次，独特的时钟系统设计。

在MSP430系列中有两个不同的时钟系统：

基本时钟系统、锁频环（FLL和FLL+）时钟系统和DCO数字振荡器时钟系统。

可以只使用一个晶体振荡器（32.768kHz）DT-26ORDT-38[4]，也可以使用两个晶体振荡器。

由系统时钟系统产生CPU和各功能所需的时钟。

并且这些时钟可以在指令的控制下，打开和关闭，从而实现对总体功耗的控制。

由于系统运行时开启的功能模块不同，即采用不同的工作模式，芯片的功耗有着显著的不同。

在系统中共有一种活动模式（AM）和五种低功耗模式（LPM0~LPM4）。

在实时时钟模式下，可达2.5μA，在RAM保持模式下，最低可达0.1μA。

图3-1MSP430芯片

3.2预稳压模块

直流稳压电源的设计，只要是为了满足题中的电压调整率和负载调整率《1%，然而在设计稳压电源的过程中最困难的地方在于低压差的控制，以及电压调整率和负载调整率要求的精度高。

为了达到题中的要求，我们设计了一个两级电路，因为两级电路能达到低压差的控制，同时，满足精度高的要求。

因此，我们首先采用了一个预稳压电路，该电路先对高于7V的电压进行降压，使得后级电路可以稳定输出5V电压，此电路的特点在于电压调整率非常的好，在测量的过程中，基本上没有什么变化。

同时，由于主要功耗都耗散在预稳压电路，所以精确稳压部分功耗较低，大大加强了电路的热稳定性，因此设计的这个直流稳压电源是完全满足这个题的要求的。

图3-2预稳压电路

3.3稳压模块

为了达到电路中要求的低稳压，因此在精密低压差电路中使用了2只P沟道增强型场效应管IRF9640，而不是使用的N沟道的增强型效应管，因为N沟道的Ugs的启动电压过高，不能在电源电压为5.5V，漏极为5V的情况下进行工作，所以必须使用P沟道的增强型场效应管。

如图3-3就是一个低压差的精确稳压电路，此电路性能优异，电路简单，可靠性高，成本低，精准度高。

完全能满足题中所要求的精准度，有了预稳压模块和稳压模块，加上供电模块就直接构成了我们题中要求设计的直流稳压电源，因为我们在这一个模块的精准度是非常的高了，因此为后级电路做好了一个很好的准备。

图3-3低压差精确稳压电路

3.4漏电保护模块

我们在设计漏电保护装置模块时，先是用高电压端和低电压端两端测量电流的方式。

当高端电流值大于低端电流值时，那么就证明此时电路存在漏电电流。

就直接检测出来了电路中是否存在漏电流的要求，然后在精确测得高端与低端的电流差，就可以精确直接的控制漏电保护系统的作用点。

这样设计的电路十分的简单就完成了题中漏电保护装置的要求，在漏电保护装置的后端采用了一个INA194做为电流取样，因为INA194芯片的精度高，不容易发热，设计的电路其特点是取样精度高，电路简单易用，体积小巧，完全能满足本题要求。

在实际测量的过程中，漏电电流的精度在1mA内。

当漏电电流差大于30mA时，继电器K1开始工作，K1继电器的触头自动断开，同时完成自锁，需要人为的按一下K1继电器，恢复到正常工作的状态，在进行之后的实验。

图3-4漏电保护装置电路图

3.5液晶显示模块

利用LCD12864液晶显示屏作为电压、功率、漏电流的显示设备，因为LCD12864比LCD1602能显示更多行和列，能完整的把输出功率和电压值，以及漏电流完全显示在显示屏上。

如图3-5

图3-5LCD12864液晶显示屏

3.6系统功能综述

当直流电源5.5V～25V的电压输入直流稳压电源中，通过供电模块、预稳压模块、稳压模块之后，使输出电压为5V，误差《1%。

通过一个康铜丝电阻把采集的电压信号通过MSP430自带的A/D转换送入单片机内，再利用一个INA194电流采样芯片，同样通过A/D转换送入430单片，再通过程序计算出功率P的大小，P=I*U，在把计算出来的值显示在LCD12864的显示屏上面，而输出电压与漏电流的大小则直接显示在液晶屏上就可以了。

漏电流的检测是再利用一个INA194芯片采集漏电流的