全国大学生电子设计大赛L题杨.docx
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全国大学生电子设计大赛L题杨
摘要
本设计为直流稳压电源及漏电保护装置，系统主要由MSP430-149单片机、升压电路、直流稳压电路、LCD显示电路及漏电保护装置四部分组成。
电路系统设计中以硬件电路为主体，实现了整机系统设计，达到设计任务书要求。
在电路中以电感升压后提供给稳压电路，使输出电压稳定为5V、电流恒定为1A；通过取样电阻对输出电压、电流采样后送入单片机进行A/D转换与计算，将输出功率在1062液晶进行实时显示输出功率；通过取样电阻的来比较电压，使关断元件继电器动作，从而达到漏电保护的目的。
本直流稳压电源及漏电保护装置具有电路结构简单、稳定度好、指标精度高等优点。
关键词：
升压；稳压；MSP430单片机；继电器
目录
1系统方案1
1.1直流稳压电源方案论证与选择1
1.2升压电路方案论证与选择2
1.3电流取样及放大电路方案论证与选择4
1.4显示模块方案论证与选择5
1.5漏电保护装置实现方案论证与选择5
1.6单片机系统方案论证与选择6
2系统理论分析与计算6
2.1直流稳压电源电路分析及设计6
2.2漏电保护装置电路分析及设计8
2.3电路与程序设计9
3程序的设计12
3.1程序功能描述与设计思路12
3.2程序流程图13
4测试方案与测试结果13
4.1测试方案13
4.2测试条件与仪器13
4.3测试方法及结论14
总结15
附录：
总电路原理图16
1系统方案
设计并制作一台线性直流稳压电源和一个漏电保护装置，电路连接如图所示。
图中RL为负载电阻、R为漏电电流调整电阻、A为漏电流显示电流表、S为转换开关、K为漏电保护电路复位按钮
图1直流稳压电源及漏电保护装置
根据设计任务的要求，按图1所示系统结构，直流稳压电源及漏电保护装置主要由直流稳压电源、漏电保护装置、单片机系统控制及显示电路等几部分组成，为突出设计思路，这里分模块、分单元进行方案设计论述。
1.1直流稳压电源方案论证与选择
直流稳压电路在电子系统中是最常用的基本模块，实现直流稳压电路的方案较多，例如分离式串联型线性直流电路、三端线性集成稳压、开关直流稳压电源、DC-DC稳压模块等均可实现直流稳压，结合设计任务技术指标及设计要求，可实现本任务的技术方案主要有三端固定集成稳压、三端线性可调稳压与DC-DC开关集成稳压。
方案一：
LM7805三端稳压集成电路
LM7805三端稳压集成属于典型的串联型线性直流稳压器，电路内部结构主要由调整、采样、比较放大、基准、过流过热保护等几部分组成，输出电压范围是4.8V~5.2V,稳定电压为5V，输出电压范围5mA~1A。
具有稳压性能好、噪声低、纹波抑制比高等优点。
采用LM7805三端稳压集成组成稳压电源电路具有电路结构简单，应用中所需元器件极少，可靠性较高。
但是当输入25V时，7805上的损耗功率达20W，同时，负载调整率和电压调整率达不到题目所需的要求。
因此放弃该方案。
方案二：
LM317三端可调稳压集成电路
LM317是可调三端正输出电压线性稳压器，电路工作原理、内部结构与LM7805相似。
LM317输出电压范围从1.2V到37V连续可调，输出电流超过1.5A，LM317它不仅具有固定式三端稳压电路的最简单形式，又具备输出电压调节范围宽、稳压性能好、噪声低、纹波抑制比高等优点。
LM317与7805有类似的缺点，也放弃该方案。
方案三：
串联型开关稳压电路
LM2576是典型的串联型开关稳压电路，是降压开关型集成稳压电路，具有最大电流可以达到3A，最大输入电压可以达到45V，较高的输出效率，输出电压连续可调，但是输出纹波大，由于输入输出压差较大，在输入5.5V时，输出不能达到5.0V，不能满足设计任务要求。
所以放弃此方案。
方案四：
开关稳压+串联稳压
结合串联开关稳压电源优点，利用LM2576开关稳压集成外接MOS功率管构成开关稳压+串联稳压电路。
将LM2576稳压电路输出电压提供给MOS管的稳压电路，不仅提高了系统效率，限制MOS管上的功耗，达到我们所需要的要求。
在电路设计中，由于双极性晶体管双极性晶体管发射结提供超出允许范围的反向偏置，并不对流经晶体管的电流进行限制，所以选用增强行MOS管。
通过对LM7805三端稳压集成电路、LM317三端可调稳压集成电路、串联型开关稳压电路、开关稳压+串联稳压比较，在本系统选用方案四开关稳压+串联稳压来实现直流稳压电源设计。
1.2升压电路方案论证与选择
由于IRFP250、IRFP450等功率MOS管要处于导通状态，要求栅-源极之间的压差大于8V，在开关稳压+串联稳压电路中LM2576输出电压为5V，不能给MOS管提供较高的触发电压，所以需要升压电路对直流稳压电源输出电压进行升压提供给功率MOS管进行升压。
方案一：
时基定时器构成升压电路
555定时器属于模-数混合集成电路，应用较为广泛，在典型应用中，可实现输出电压升压的目的，由555定时器构成的升压电路如图2所示。
电路的工作过程为U1产生方波脉冲从3脚输出，使三极管Q1处于开关状态。
当U1的3脚输出为低电平时，三极管Q处于截止状态，三极管关断，输出电流从电源流经电感L1、二极管D1、负载形成输出电压，同时对电感充磁产生自感电动势，并对电容进行充电，此时输出电压为L1上电压与电容C3的电压叠加，达到升压的目的。
图2555构成升压电路图
在电路原理分析中，没有考虑电容、电感的放电，在大负载、小电容、电感的情况下不能实现升压，在本设计中通过实验验证不满足所需要球的输出电压，本方案舍弃。
方案二：
电平转换芯片构成升压电路
MAX232是典型的单电平转换器件，由MAX232电平转换芯片构成升压电路如图3所示。
MAX232内部本身有一个升压电路，能够实现输出升压的目的。
采用MAX232作为升压模块具有搭接简单，调试简单，易于实现。
图3MAX232构成升压电路图
但是通过反复的实验，MAX232的2脚最大电压升至9V，电压不能满足设计任务要求。
本方案舍弃。
方案三：
电感升压电路
由电感构成的升压电路如4所示，电路简单，易于实现升压，电压稳定，满足所需要的电压。
图4MAX232构成升压电路图
方案一具有特点直流供电，电路简单，但通过实验测试电路不稳定，满足不了所需要的电压,不能满足设计需求；方案二具有电路可靠简单,不需要搭接外部电路，低成本，通过实验测试电路二脚最高的输出电压为9V不能满足设计需求；方案三直流供电，电路简单，稳定可靠。
通过实验验证与测试，结合设计任务需求选择方案三。
1.3电流取样及放大电路方案论证与选择
功率取样及接口电路是对直流稳压电源输出的电压、电流进行取样，为提高电源效率，减小取样损耗，取样信号幅度较低，通过放大器放大调理后，输出给单片机进行A/D采集与运算处理，在显示部件中进行实时功率显示。
方案一：
LM324运算放大器电路
电路是由两个运算放大器组成两个电压跟随器，然后通过减法器提取差值，进行采样放大，电路简单，使用范围广，但是误差较大。
方案二：
AD260运放电路
此电路是利用差分放大，首先对取样电阻电压进行取样，LM324运算放大器通过验证它的精度满足不到所需要的要求，AD260通过验证它的精度能满足所需要的要求，所以综上所述选择方案二。
1.4显示模块方案论证与选择
方案一：
动态扫描数码管显示
硬件电路简单（数码管越多，这个优势越明显），由于每个时刻只有一个数码管被点亮，所以所有数码管消耗的电流较小。
动态扫描数码管亮度不如静态显示时的亮度高，例如有8个数码管，以1秒为单位，每个数码管点亮的时间只有1/8秒，所以亮度较低；如果刷新率较低，会出现闪烁现象。
方案二：
LCD12864液晶显示
带中文字库的LCD12864是一种具有4位/8位并行、2线或3线串行多种接口方式，内部含有国标一级、二级简体中文字库的点阵图形液晶显示模块；其显示分辨率为128×64,内置8192个16*16点汉字，和128个16*8点ASCII字符集.利用该模块灵活的接口方式和简单、方便的操作指令，可构成全中文人机交互图形界面。
可以显示8×4行16×16点阵的汉字，也可完成图形显示。
采用LCD12864优点具有硬件电路简单、功耗较低、显示较为丰富。
方案三：
LCD1602液晶显示
1602液晶也叫1602字符型液晶，它是一种专门用来显示字母、数字、符号等的点阵型液晶模块。
它由若干个5X7或者5X11等点阵字符位组成，每个点阵字符位都可以显示一个字符，每位之间有一个点距的间隔，每行之间也有间隔，起到了字符间距和行间距的作用。
显示模块主要是显示稳压直流电源的是输出功率，所需显示的信息量相对较少，为降低电路成本，提高性价比显示模块选用方案三。
1.5漏电保护装置实现方案论证与选择
方案一：
单片机编程的方式
在直流稳压电源输入“+”、“-”端进行电流取样，通过A/D采集并输入但单片机处理、运算，当通过“+”、“-”差值电流达到30mA时，通过单片机输出信号控制继电器动作达到漏电保护的目的。
此方案电路硬件搭接简单，但软件编程相对较为复杂，精度较低，且要求进行A/D转换，A/D器件成本相对较高。
方案二：
硬件的实现方法
用硬件实现漏电保护，通过取样电阻在进行电压比较来控制继电器的关断，通过可调电阻来设定所需的值，电路容易搭接，整机成本较低，通过合理的设置电路参数，可达到较高的精度，不需要写程序，在调试的过程中通过滑动变阻器也能很好的去调整电流。
漏电保护装置的要求精度较高，完全可以用硬件去实现，所以选择方案二
1.6单片机系统方案论证与选择
方案一：
MCS-51单片机系统
MCS-51优点是它从内部的硬件到软件有一套完整的按位操作系统，它的处理对象不是字或字节而是位。
它不光能对片内某些特殊功能寄存器的某位进行处理，如传送、置位、清零、测试等，还能进行位的逻辑运算，其功能十分完备，使用起来得心应手。
缺点：
集成度相对较低，功能简单且系统程序解密容易，由于内部没有集成A/D转换、电压比较器等，在本设计中，相应系统电路结构相对复杂。
在设计中不选用此方案。
方案二：
AVR单片机
AVR单片机是高速嵌入式单片机，主要特性高可靠性、作用强、高速度、低功耗和低价位 ，在相同的系统时钟下AVR运行速度最快； 多种频率的内部RC振荡器、上电自动复位、看门狗、启动延时等作用，零外围电路也可以工作；C语言编译器由于它具有作用强大、 运用灵活、代码小、运行速度快等先天性的优点，对于此单片机具有非常快的运行速度，采样也比较方便，但是由于条件的限制，不能用到此单片机。
方案三：
MSP430单片机
MSP430是十六位机，超低功耗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，片内资源丰富，方便高效的开发环境，处理系统强，运算速度快。
本系统用到单片机是进行电压电流的取样，测出直流稳压电源的输出功率，通过液晶显示，将电压显示出来，通过对三种单片机的比较，和现有的单片机，所以选用方案三。
2系统理论分析与计算
2.1直流稳压电源电路分析及设计
2.1.1开关稳压+串联稳压流电路
开关稳压+串联稳压流电路原理图如图5所示。
直流稳压电源输出电压的变化量，经过取样、比较放大、再反馈给控制调整元器件，形成负反馈闭环自动调整系统，使输出电压得到补偿而趋近于原值，从而达到稳压的目的。
电路中IRF450为调整管，它工作在线性放大区，故又称为线性稳压电路。
TL431和R1、R2、R3组成基准电压源，为集成运放A的同相输入端提供基准电压；R4是取样电路，它将稳压电路的输出电压分压后送到集成运放A的反相输入端；集成运放A构成比较放大电路，用来对取样电压与基准电压的差值进行放大。
图5开关稳压+串联稳压流电路
TL431在电路中构成电压基准，压电阻R1和R2与输出电压的关系为U0=（1+R2/R3）*2.5V，式中，2.5V为TL431是一个内部的2.5V的基准源，固定R1的值，可通过调整R2的可调电阻改变TL431基准电压源输出电压。
在本设计中，为减少计算量，R2直接使用电位器，在调试中调节R2得到所需输出电压。
2.1.2电感构成升压电路
电感构成的升压电路如图6所示，该电路是利用LC产生充放电达到升压的目的。
图6升压电路
电路中当三极管8550处于截止状态，三极管8050导通，电流流入电感和电容C2产生振荡，电流流过二极管D1和三极管8050，流过的电流对电容C3充电，同时电容C2放电使三极管8550慢慢的导通，当三极管8550处于导通状态，电流从三极管8550发射极流入，对C2进行充电，电感L2和电容C2不停的产生震荡使三极管不停的导通截止，对电容C3进行充电，当电容放电输出的电压通过稳压二极管D2进行稳压使输出升高的电压保持稳定输出，二极管D1作用防止电流倒流，从而达到电压升压的目的。
2.1.3电流取样及放大电路
AD620构成的电流取样及放大电路如图7所示。
AD620是一款低成本、高精度仪表放大器，仅需要一个外部电阻来设置增益，增益范围为1至1000。
此外，AD620采用8引脚SOIC和DIP封装，尺寸小于分立式设计，并且功耗较低（最大电源电流仅1.3mA），因此非常适合电池供电的便携式（或远程）应用。
AD620具有高精度、低失调电压和低失调漂移特性，是电子秤和传感器接口等精密数据采集系统的理想之选。
它还具有低噪声、低输入偏置电流和低功耗特性。
图7电流取样及放大电路
2.2漏电保护装置电路分析及设计
2.2.1漏电流检测及放大电路
漏电流检测电路如图8所示。
该电路首先要在取样电阻进行取样，将取样的的电压在运算比较放大电路进行比较。
它用单电源供电，LM358的反相输入端加一个固定的参考电压，它的值取决于R5于R8。
UR=R5/（R8+R5）*UCC。
同相端的电压就等于滑动变阻器电压降。
当取样电阻R4、R7上的电压值进行改变的时与参考电压进行比较，决定输出端电压的极性，输出正电压，三极管导通，进行放大，使电压升高从进行关断保护，输出的电压调节R2的值可以改变门限电压。
图8漏电流检测及放大电路
2.2.2继电器控制电路
此电路由继电器和按钮，二极管组成关断电路，按钮是复位电路，二极管起到保护的作用，对继电器进行实验，使它关断的电压是3.2V，内阻是70Ω，计算I=U/R关断电流I=45.7mA，当电流达到关断电流就进行开关切换，当运算放大器输出的电压经过放到达到关断的电流，使继电器进行动作。
图9漏电流检测及放大电路
2.3电路与程序设计
2.3.1直流稳压电源电源及漏电保护装置系统
根据设计任务的要求，直流稳压电源电源及漏电保护装置系统框图10所示。
整机系统主要由直流稳压电源、漏电保护装置、单片机系统控制及显示电路等几部分组成。
图10直流稳压电源电源及漏电保护装置系统框图
2.3.2直流稳压电源系统框图与电路原理图
直流稳压电源电路如图11所示。
图11直流稳压电源系统电路
2.3.3显示电路系统框图与电路原理图
1．显示电路系统框图如图12所示。
图12显示电路系统框图
2．显示电路系统电路如图13所示。
图13显示电路系统电路
2.3.4MSP430-149最小系统
MSP430-149最小系统电路如图14所示。
图14MSP430-149最小系统电路图
2.3.5漏电保护装置系统框图与电路原理图
1．漏电保护系统框图如图15所示。
图14漏电保护系统框图
2．漏电保护系统电路
图15漏电保护系统电路
3程序的设计
3.1程序功能描述与设计思路
1．对进行采样的数据进行处理显示。
在直流稳压电源输出端加一个取样电阻，通过AD620采样电阻进行采样，采样的数据送入单片机，通过程序控制对数据进行处理，处理的数据让送往液晶显示，直观的呈现出来。
2．程序设计思路
该控制系统有采样模块，AD转换模块，显示模块，通过AD对电压电流进行采样，对电压电流进行计算，最后显示。
3.2程序流程图
1．主程序流程图
图16软件系统流程图
4测试方案与测试结果
4.1测试方案
硬件测试通过高精度数字万用表，对电流对电压进行测试。
将电路图画在仿真软件上，通过proteus仿真软件进行测试，对数据进行分析。
4.2测试条件与仪器
1．测试条件
直流稳压电源测试条件：
（1）空载时输入电压5.5V输出电压稳定在5V,输出流稳定在1A，当输入电压5.5V~25V范围内进行调整的时，输出的电压电流没有变化000。
（2）有负载时输入电压5.5V输出电压稳定在5V，当输入电压5.5V~25V进行调整时，输出的电压在5V左右，满足题目所给定的范围要求。
（3）输入电压固定在7V输出电压保持稳定的5V。
漏电保护装置：
（1）电路能进行漏电关断。
（2）当不动作时电压必须大于4.6V。
2．测试仪器
高精度的数字毫伏表（LINI-TUT805），电源LINI-TUTP3705，JC2812ALCR数字电桥，滑动变阻器电阻500Ω，额定电流2。
，
4.3测试方法及结论
4.3.1测试方法
直流稳压电源：
测试用电源LINI-TUTP3705进行供电，它的输出电压在0~32V,输出电流0~32A，需要的电压为5.5V~25V。
电压调整率的测试：
在5.5V~25设定四个输入固定的电压值，在将负载RL的阻值固定在5Ω接在输出端，将INI-TUT805的电表并联在负载两端，拨到电压端，调整电源，观察电压表上电压变化。
负载调整率的测试：
电源电压固定在7V，先进行空载测试，在将滑动设定在4个固定电阻值，用JC2812ALCR数字电桥来测量调整的电阻，将负载和LINI-TUT805的电表并联在输出，拨动滑动变阻器，观察电压表上电压的变化。
漏电保护装置：
用所制作出来的直流稳压电源进行5V的供电，负载电阻RL固定在20Ω，将滑动变阻器与LINI-TUT805串联并接在直流稳压电源的地，拨动滑动变阻器将电流设定在30mA进行漏电动作，分几次去记录漏电电流。
4.3.2测试结果（数据）
1．电源参数的测试
表1直流稳压电源参数测试
负载（Ω）
输入电压（V）
电压调整率
5.5
7
12
25
空载
5.01
5.014
5.01
5.013
0.06%
5
5.001
5.007
5.007
5.005
0.08%
20
5.004
5.011
5.011
5.013
0.18%
100
5.004
5.012
5.012
5.015
0.22%
500
5.004
5.012
5.012
5.016
0.24%
负载调整率
0.06%
0.10%
0.10%
0.22%
2．漏电保护测试：
（负载RL=20Ω,单位mA）
表2漏电保护测试
测试次数
1
2
3
4
5
动作电流
29.7
29.9
27.7
30
29.9
4.3.3测试分析与结论
根据上表
（1）测试数据，从数据可以看出电压都精确到小数点三位。
当输入电压为5V时，五个不同的负载测出来的电压变化不大。
空载时，几个确定的输入电压所输出的电压变化不大。
5.5V到7V这段所输出的电压有较大的变化。
电压调整率都小于1％，负载调整率都小于1％，由此可以得出以下结论：
1．直流稳压电源比较稳定。
2．输出的值比较精确
综上所述，本设计达到设计要求。
根据上述表
（2）测试数据，电流基本在29.7~30mA左右波动。
由此可以得出以下结论：
1．漏电流输出的值比较稳定。
2．能满足漏电流30mA。
综上所述，本设计达到设计要求。
总结
紧张经过四天三夜奋力拼搏，通力协作，团结互助，终于完成了本系统。
通过几天的设计竞赛，我们不但争强实践动手能力和合作精神，而且懂得了理论联系实践的重要性，这对我们以后的学习和工作不无裨益。
当然我们的设计还是存在一定的缺陷，有待于将来设计中进一步提高，在此恳请各位老师的批评指正。
附录：
总电路原理图
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