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直流稳压电源及漏电保护装置L题资料

2013年全国大学生电子设计大赛

直流稳压电源及漏电保护装置（L题）

设计报告

【高职高专组】

2013年9月7日

摘要

本系统为基于串联线性稳压电路的稳压电源，主要由直流稳压电源，漏电保护装置，功率测量，A/D转换，STC90C51单片机控制系统，LCD1602显示等模块构成。

基于精确和稳定的电路设计，直流稳压电源的输入电压为直流5.5~25V，输出为直流5±0.05V，并能在漏电流为30mA时能实现漏电保护，同时系统通过测量电路和A/D转换模块将信号送单片机处理，并由LCD1602显示所测功率值。

系统输出电压精度和电压、负载调整率符合设计要求。

关键词：

线性稳压直流稳压电源漏电保护A/D功率测试

1.系统方案1

1.1.方案设计与论证1

1.1.1.稳压电源模块方案设计与论证1

1.1.2.漏电保护电路方案设计与论证2

1.1.3.AD转换模块方案设计与论证2

1.1.4.显示模块方案设计与论证2

1.2.系统总体方案2

2.理论分析与计算3

2.1.直流稳压电源电路分析和计算3

2.2.A/D选择的分析和计算3

3.电路设计图4

3.1.直流稳压电源电路原理图4

3.2.漏电保护电路原理图4

3.3.控制和显示模块电路原理图5

3.4.系统原理图6

4.软件程序流程图6

4.1主程序流程图7

4.2.AD7888程序流程图7

4.3.LCD1602程序流程图6

5.系统测试方案与测试结果.9

5.1.测试方法与测试设备9

5.1.1.测试方法9

5.1.2.测试设备9

5.2.测试数据9

5.3.数据分析与结论12

5.3.1.数据分析12

5.3.2.分析结论12

6.总结12

7.参考文献12

直流稳压电源及漏电保护装置（L题）

1.系统方案

1.1.方案设计与论证

1.1.1.稳压电源模块方案设计与论证

方案1：

并联型稳压电路，如图1-1所示，R为限流电阻，Dz工作在反向击穿区。

由图可知，Uo=Ui-IRR=Vz,输出电压Uo就是稳压管两端的电压Uz。

利用稳压管两端电压Uz的微小变化，引起电流Iz的较大变化，通过电阻R起调整作用，保证输出电压基本恒定，从而达到稳压作用。

方案2：

三端可调集成稳压器稳压电路，利用三端集成稳压器CW317组成的电路如图1-2所示，由于CW317的输入电压范围在2~40V之间，输出电压可在1.25~37V之间调整，负载电流可达1.5A，通过调整电路中的可变电阻器RP，调整输出电压的大小（RP取值视负载电阻和输出电压大小而定）。

方案3：

串联线性稳压电路，一般由四部分组成，即取样电路、基准电压、比较放大电路和调整原件，电路组成框图如图1-3所示。

当输入或电阻的变化引起输出电压的增大或减小，通过对输出电压的取样，经比较放大电路放大后改变调整管的导通能力，从而达到稳定输出的效果。

稳压的过程实质上是通过负反馈使输出电压维持稳定的过程。

方案选定：

方案1，由于并联稳压电路虽然使用元、器件少，线路简单，但稳压线性差，输出电压受稳压管稳压值限制，而且不能任意调节，输出功率小，一般适用于电压固定，负载电流较小的场合。

方案2，在实际应用中，三端稳压器温度过高时，稳压性能将变差，而且用三端稳压器构成的稳压电路不能满足设计的精度和稳压范围。

方案3，串联线性稳压电路，由于输入直流电压可调，而且输入电压范围能够满足设计要求，输出5v电压精度高。

通过对比以上三种方案，由于方案3电路简单，稳压输出电压精度高，电路容易实现，而且元件价格便宜，降低了设计成本，所以最终选用方案3。

1.1.2.漏电保护电路方案设计与论证

方案1：

选用继电器DC5V构成的电路作为控制电路。

方案2：

选用模拟开关作为控制器件。

方案选定：

方案1使用继电器控制，电路设计较简单，容易实现，但是使用继电器功耗叫大，而方案2使用了两块模拟开关一块用于点开，一块用于控制漏电保护电路，一块用于保护自锁，而且电路能耗低，更易实现，所以最终选用方案二。

1.1.3.电压调整元件选择方案与论证

场效应管为单极性器件，三极管为双极性器件，。

根据题目要求，在直流稳压电源输入电压为5.5~7V之间时，由于三极管管压降为1V左右，不能满足设计要求，所以不能用三极管作为调整管。

此外，场效应管的输入电阻远大于三极管输入电阻一般可达106~109Ω，其输出特性为：

iD=f（UDS）|uGS=常数

当栅极之间加反压uGS场效应管耗尽层加宽，沟道变窄，电阻增大，在漏电压uDS作用下，将产生漏极电流ID，当栅极间反偏电压uGS改变时，沟道电阻也随之改变，从而引起漏电极电流iD变化，即通过uGS实现了对漏极电流iD的控制。

根据以上原理，用场效应管可实现对直流稳压电源的调整和控制，所以调整管选用场效应管。

1.1.4.显示模块方案设计与论证

方案1：

选用LED数码显示管作为显示部分，可以显示所测功率值，但使用LED显示占用单片机I/O口较多，显示需要实时扫描，而且不能显示所测数据单位或其它字符。

方案2：

选用LCD1602作为显示器件，可以显示数字和字母，对比度可调，可降低能耗。

方案3：

选用LCD12864作为显示器件，可以显示数字、字母、汉字等，功能强大。

方案选定：

本系统中只需显示负载功率，显示内容少，比较以上三种方案，由于LED不能满足设计要求所以不采用，而LCD12864，虽然功能强大，满足设计要求，但其价格高，增大了设计成本，所以不采用。

而LCD1602足以完成本系统需要，而且性价比高，最终采用方案2。

1.2.系统总体方案

本系统主要由外部电源，直流稳压电源，漏电保护装置，单片机控制系统，AD转换，功率测量和显示等模块构成，构成了一个5.5V~25V输入5V输出的直流稳压电源及其漏电保护装置。

系统框图如图1-4所示。

2.理论分析与计算

2.1.直流稳压电源电路分析和计算

根据题目要求负载为固定电阻5Ω，电路如图3-1所示，滑动变阻器R5与定值电阻R2组成分压电路，TL431和R3组成取样放大电路。

由于TL431的输出电压UO由R5和R2决定，计算公式如下：

UO=2.5（1+R5/R2）.

其中2.5为TL431内部固定参考电压2.5V。

该输出电压接于场效应管的G端，控制场效应管的导通能力，从而达到稳定电压的目的。

由于TL431内部电路中的运算放大器的反相端为固定2.5V基准电压，所以取样信号接于运放同相端（TL431参考端ref），要实现取样信号的放大以及实现电路的稳压过程参考端电压Uref需要大于2.5V

计算入下：

令R2=470Ω，所以只要R5>470Ω即可满足要求，同时R5要非常接近2.5V才能使准确调整输出电压的微小变化，此外，为了调节输出电压，选用1KΩ的滑动变阻器作为R5.

2.2.A/D选择的分析和计算

由于输入信号的电平为0~5V，则必须选用5V作为基准电压，如果选用8位AD，它的基准电压为5V，其电压转换的分辨率为：

如果采用的12位的AD，它的基准电压为5V，其电压转换的分辨率为：

就此，由于12位转换器分辨率高，步进小，所测数据更精确所以选用12位AD，本系统选择AD7888。

2.3.漏电检测分析计算

根据漏电流电路原理，如图3-2所示，漏电流检测部分运放反相端接100Ω电阻，30mA电路，参考电压为0.3v，所以只要调节电位器时同相端电压只要大于反相端，输出电压为高电平就能使模拟开关动作，计算如下：

其中R5.1为定值电阻2K，R6.1为1K电位器，所以调节R6.1即可实现电流和电压的调节

2.4.关断保护分析计算

关断保护电路计算与漏电保护计算类似，运放同相端电压为2.5v，电路根据反相端的输入电压变化实现自锁回路的通断。

其中R3.2，R4.2设置为5.1k固定电阻。

3.电路设计图

3.1.直流稳压电源电路原理图

直流稳压电源的电路如图3-1所示，TL431从R5和R2组成分压电路中取样，经TL431将取样信号放大由场效应管K790调整后，达到稳定电压的目的。

稳压过程：

当输出电压减小时，TL431参考端（ref端）电压下降，引起TL431输出端电压升高，即场效应管的G端电压升高，使场效应管的导通能力增强，从而使场效应管的S端电压升高，及输出电压增大，这是电压下降后的稳压过程。

当输出电压增大时，稳压过程与上面所述相反，根据上述原理达到了稳压目的。

3.2.漏电保护电路原理图

漏电保护电路如图3.2所示。

电路工作原理：

当转换开关S接于2端时，漏电保护装置输出端为20Ω，调节电位器R6.1设定漏电流动作值为30mA。

运算放大器U1A反相端接10Ω电阻，将基准电压设置为0.3V，当同相端电压大于0.3V时，输出高电平，使模拟开关A断开，三极管截止，时U1A反相端电压为0，输出高电平。

同时，由于自锁回路同相端基准电压为2.5v，反相端为4.6v，保证了正常工作，当漏电流大于30mA时，同相端大于反相端，输出高电平，使模拟开关B断开后接地，同时使运放A输出保持低电平，负载电阻为0V完成了自锁。

从而实现了漏电保护。

若要重启保护电路，调节R6.1电位器使运放A的同相端电压小于0.3v，漏电流小于30mA使A输出低电平，使三极管导通，自锁回路运放输出低电平，再按下复位按钮，使自锁断开，恢复了漏电保护电路。

图3-2漏电保护电路

3.3.控制和显示模块电路原理图

该模块由单片机最小系统和LCD1602显示部分组成，如图3-3所示。

图3-3控制和显示电路

3.4.霍尔元件，单片机，AD基准供电电路

该模块电路原理图如图3-4所示。

图3-4霍尔元件，AD，单片机供电电路

3.5.系统原理图

本系统的原理图如图3-5所示。

图3-5系统原理图

4.软件程序流程图

本次系统设计软件部分包括以下几个部分，主程序，AD7888程序流程（功率测量模块），LCD1602显示程序流程，实现了本系统设计要求。

4.1.LCD1602程序流程图

LCD1602，有三个控制端RS、RW、E,通过控制RS=1操作数据，RS=0操作指令，RW=0，写操作，RW=1，读操作，E下降沿有效，如图4-1所示。

4.2.主程序流程图

主函数中，通过AD采样返回的值是0~4096，基准电压为5V，因此得到数据后应转换为电压值，即dat=dat/4096*5，然后因为用霍尔传感器测电流时，把电流放大了5倍，并以电压的形式表示出来，所以I=dat/5。

功率P=UI，而电源为直流稳压5V输出，因此P=5*I，如图4-2所示。

4.3.AD7888程序流程图

Ad7888，12位模数转换，SPI串口通信，本次采用的51系列STC09C51单片机，没有SPI串口，因此用IO口模拟的SPI的SLCK、CS、DOUT、DIN，如图4-3所示。

图4-1LCD1602流程图

图4-2主程序流程图图4-3AD7888（功率测量模块）流程图

5.系统测试方案与测试结果.

5.1.测试方法与测试设备

根据系统设计要求，为了说明系统性能和实现情况，需用测量数据加以说明。

主要通过测量5.5~7V，7~25V变化时输出电压参数，以及输出电压调整率和负载调整率分数据来判断系统知否满足设计求。

5.1.1.测试方法

1、转换开关S接1端，RL阻值固定为5Ω。

调节直流输入电源的输出电压使其在7~25V之间，用6位半数字万用表测直流稳压电源的输出端电压值。

在7、25V两点进行多次调节并测量。

2、转换开关S接1端，RL阻值固定为5Ω。

调节直流输入电源的输出电压使其在5.5~7V之间，用6位半数字万用表测直流稳压电源的输出端电压值。

3、转换开关S接1端，直流输入电压固定在7V，调节负载电阻使直流稳压电源输出电流由1A减小到0.01A，用6位半数字万用表测直流稳压电源的输出端电压值。

4、转换开关S接2端，将RL接到漏电保护装置的输出端，阻值固定为20Ω，R和电流表A组成模拟漏电支路。

调节R，得到不同漏电流，用6位半数字万用表测直流稳压电源的输出端电压值。

5.1.2.测试设备

表1测试设备

序号

名称

规格型号

数量

备注

4位半数字万用表

VC8145

用于精确测量电压

5.2.测试数据

表2直流输入电压在7~25V变化时，直流电源输出内部（开关前）参数（I=0.97）

序号

输入电压

（V）

输出电压

（V）

5.0003

5.0004

5.0005

5.0006

5.0007

误差

（V）

+0.0003

+0.0004

+0.0005

+0.0006

+0.0007

输出功率

（W）

4.8072

4.8502

4.8503

4.8504

4.8505

4.8506

表3直流输入电压在7~25V变化时，直流电源输出外部（开关后）参数（I=0.98）

序号

输入电压

（V）

输出电压

（V）

4.9559

4.9561

4.9562

4.9563

4.9564

4.9565

误差

（V）

-0.0441

-0.0439

-0.0438

-0.0437

-0.0436

-0.0435

输出功率

（W）

4.8567

4.8569

4.8596

4.8569

4.8570

4.8571

4.8572

注：

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%。

表4直流输入电压在7/25V变化时，直流电源电压调整率

序号

内部（开关前）

外部（开关后）

输入电压7V

输出电压UO1（V）

5.0003

4.9559

输入电压25V

输出电压UO2（V）

5.0007

4.9565

UO1-UO2（V）

-0.0004

-0.0006

0.0079%

0.012%

表5直流输入电压在5.5~7V变化时，直流电源输出内部（开关前）参数（I=0.97）

序号

输入电压

（V）

5.5

5.6

5.7

5.8

5.9

6.00

6.25

6.50

6.75

7.00

输出电压

（V）

5.0006

5.0007

5.0009

5.0010

误差

（V）

+0.0006

+0.0007

+0.0009

+0.0010

输出功率

（W）

4.8504

4.8505

4.8508

4.8509

表6直流输入电压在5.5~7V变化时，直流电源输出外部（开关后）参数（I=0.98）

序号

输入电压

（V）

5.5

5.6

5.7

5.8

5.9

6.00

6.25

6.50

6.75

7.00

输出电压

（V）

4.9560

4.9561

4.9562

4.9563

误差

（V）

-0.0440

-0.0439

-0.0438

-0.0437

输出功率

（W）

4.8568

4.8508

4.8509

4.8507

4.8509

注：

转换开关S接1端，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。

表7直流输入电压固定在7V，当直流稳压电源的输出电流变化时，负载调整率

序号

内部（开关前）

外部（开关后）

输出电流

（A）

0.97

0.01

0.98

0.1

负载电阻

（Ω）

500

输出电压

（V）

5.0005

5.0055

4.9563

5.0054

误差

（V）

+0.0005

+0.0055

+0.0437

-0.0054

输出功率

（W）

4.850

0.050

4.857

0.5005

注：

转换开关S接1端，RL阻值固定为5Ω。

直流输入电压固定在7V，当直流稳压电源输出电流由1A减小到0.01A时，要求负载调整率SL≤1%。

表8负载电阻在500/5Ω变化时，直流电源电压调整率

序号

内部（开关前）

外部（开关后）

负载电阻500Ω

输出电压UO1（V）

5.0055

5.0054

负载电阻5Ω

输出电压UO2（V）

5.0005

4.9563

UO1-UO2（V）

0.005

0.0391

0.1%

0.7%

5.3.数据分析与结论

5.3.1.数据分析

.根据表2和表3可知，直流输入电压在7~25v变化时，输出电压为5±0.01V，电压调整率SU≤1%，达到系统设计要求。

.根据上表5和6可知，当直流输入电压在5.5~7V变化时，输出电压为5±0.05V，所以达到了系统设计要求。

.根据表7可知，当直流稳压电源输出电流有1A减小到0.01A时，负载调整率SL≤1%，达到了系统设计要求。

5.3.2.分析结论

根据以上数据和数据分析可知，系统各项参数，指标均已达到系统设计要求。

6.总结

本系统为基于串联线性稳压电路制作的稳压电源使输出电压更精确。

对于数据的测试和分析，所测数据显示直流稳压源输出电压参数，电压调整率SU≤1%和电阻调整率SL≤1%均已满足组要求。

综上所述，本次设计达到题目要求。

7.参考文献

.刘坤，赵红波，张宪栋，51单片机C语言应用开发技术大全（第2版），北京，人民邮电出版社。

2012.3

.赵文博，新型常用集成电路熟查手册，北京，人民邮电出版社，2006.1

.郭天祥，新概念51单片机C语言应用开发技术大全（第2版）,北京.2009.1

.周雪，模拟电子技术（修订版），西安，西安电子科技大学出版社，2005.7.

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