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课程设计摘要本直流稳压电源及漏电保护装置分为变压、整流、滤波、稳压输出，功率测量，实时显示，漏电保护等部分构成。变压整流用220V30V变压器加二极管整流桥变压整流出。由LM317及可变电阻实现可变电压输出。稳压输出部分由LM2940CJ50P芯片为主DCDC稳压模块。功率测量电路用已知电阻测电压，经AD0809芯片采样输入单片机进行分析，回显到LCD1602，实现功率实时显示。漏电保护装置由单品单片机，ULN2003、继电器组成，首先霍尔电流传感器采样电路电流信号送至单片机，在电流值达到30MA阈值时有单片机通过ULN2003驱动继电器，形成断路以保护电路及人身安全。排除危险后，按下继电器复位开关电路正常工作。关键芯片LM317AD809LCD1602ULN2003MCULM2940DCDC稳压目录1系统方案111整流模块的论证与选择112滤波电路的论证与选择213DCDC稳压模块的论证与选择314模数转换的论证与选择415显示模块的论证与选择516控制模块的论证与选择52系统理论分析与计算621稳压电源分析计算6211稳压芯片甄选6212有关参数的计算722漏电检测分析计算8221漏电检测分析8222漏电检测计算923关断保护分析计算9231关断保护分析9232关断保护计算93电路与程序设计931电路的设计9311系统总体框图932程序的设计11321程序流程图114测试方案与测试结果1241调试的方法12值42测试条件与仪器1243测试结果及分析12431测试结果数据12432测试分析与结论13附录1电路原理图14附录2源程序15直流稳压电源及漏电保护装置1系统方案本系统所需要有整流模块、滤波模块，DCDC稳压模块，模数转换模块、显示模块、控制模块、漏电保护模块、组成，下面分别论证这几个模块的选择。11整流模块的论证与选择题目所需电压为55到25V，最大电流为1A所以最大功率为25W，根据变压器功率守恒的原则，我们选用的是220V30V，50W的普通变压器符合要求，稳压电源模块分为整流模块，稳压模块两部分。现论证如下111整流模块方案一半波整流电路。电路图如图11所示，图111半波整流电路是一种最简单的整流电路。它由电源变压器、整流二极管D和负载电阻RFZ，组成。变压器把市电电压变换为所需要的交变电压E2，再把交流电变换为脉动直流电。该电路联接简单，但输出脉动大。方案选择通过比较可知，半波整流电路简单，易于联接，但输出脉动大。而桥式整流电路在实际中应用较多，变压器负极线圈在一周内均有电流通过。采用桥式整流电路比较好。方案二桥式整流电路。电路图如112所示图112桥式整流电路是使用最多的一种整流电路。这种电路，只要增加两只二极管口连接成“桥“式结构，便具有全波整流电路的优点，而同时在一定程度上克服了它的缺点。桥式整流电路是利用四个二极管制作成一个整体，引出四个脚，两个作为交流电源输入端，另两个作为输出端。方案选择通过比较可知，半波整流电路简单，易于联接，但输出脉动大。而桥式整流电路在实际中应用较多，变压器负极线圈在一周内均有电流通过。采用桥式整流电路比较好。所以选择方案二。12滤波电路的论证与选择滤波电路常用于滤去整流输出电压中的纹波，一般由电抗元件组成，如在负载电阻两端并联电容器C，或与负载串联电感器L，以及由电容，电感组成而成的各种复式滤波电路。由于电抗元件在电路中有储能作用，并联的电容器C在电源供给的电压升高时，能把部分能量储存起来，而当电源电压降低时，就把能量释放出来，使负载电压比较平滑，即电容C具有平波的作用；与负载串联的电感L,当电源供给的电流增加时，它把能量储存起来，而当电流减小时，又把能量释放出来，使负载电流比较平滑，即电感L也有平波作用。方案选择电感滤波输出电流较为平滑，同时电感负载有延长整流二极管导通角的趋势，因此输出电流比较平滑，避免了过大的冲击电流。但电感滤波后输出电压较低。滤波电路结合了电容滤波和电感滤波的优点，但电路较复杂，参数选择比较困难。LC电容滤波电路输出电压与时间常数的大小有关，因此电容滤波电路适合在大负载LRC场合下运用。在滤波电容的容量较大的情况下，电路刚接通的瞬间，整流二极管将承受很大的浪涌电流，很可能因过流而烧毁，因此，在选用二极管时，应注意挑选电流大一点的，最好采用比锗管更经得起电流冲击的硅管。还可以采取一些保护整流二极管的措施，使通过整流二极管的最大电流不超过规定的浪涌电流。同时，电容滤波电路的外特性比较软。综合分析此次设计采用图12的电容滤波电路。图1213DCDC稳压模块的论证与选择方案一采用LM7085三端稳压器来稳定电压，这也是脑子中最先出现的稳压芯片，7805是最常用到的稳压芯片，它的使用方便，用很简单的电路即可以输入一个直流稳压电源，它的输出电压恰好为5V，刚好是51系列单片机运行所需的电压，它有很多系列，如KA7805，ADS7805,CW7805等，性能有微小的差别，用的最多的是LM7805。但查询LM7805手册得知。LM7805的压差最小2V，既要得到题目最小电压5V最少需要7V，不符合题目要求的55V到25V的要求，方案二采用LM2940三端稳压器来稳定电压，国产的LM2940CJ50P以更大的输入范围，完美的解决压差问题，其优越的性能，超高的性价比完全替代进口LM29050CJP，其手册芯片说明其最大压差05V，算是解决的低压差的问题。其电路实现模块如图4所示图13综合考虑采用方案二。经济适用，适合题目要求14模数转换的论证与选择方案一采用ADC0809将模拟电压信号转换成数字信号。ADC0809是采样频率为8位的、以逐次逼近原理进行模数转换的器件。其内部有一个8通道多路开关，它可以根据地址码锁存译码后的信号，只选通8个单断模拟输入信号中的一个进行A/D转换。题目中电流从1A变化到001A正好相当于模拟输出电压连续变化，ADC0809对输入模拟量要求为信号单极性，电压范围是05V正符合题目要求，其单片机应用电路简单实用，经典，使用广泛，是AD转换中的常客，为此我们经过考量选用ADC0809作为我们此次比赛中功率实时显示的信号采集模块使用，其在电路如图5所示图1415显示模块的论证与选择方案一采用七段数码管，将单片机得到的数据通过数码管显示出来。该方案简单易行，但所需的元件较多，且不容易进行操作，可读性差，一旦设定后，很难再加入其他的功能，显示格式受限制且耗电量大，不宜用电池给系统供电方案二采用LCD1602显示,LCD显示器显示平稳、省电、美观，更容易实现题目要求，后续的功能兼容性高，只需将软件作修改即可，可操作性强，也易于读数其中、也是市场上经典的显示器，大众化普及率高。且满足题目要求。其电路如图15所示图1516控制模块的论证与选择方案一选用一片CPLD（如EPM7128LC8415）作为系统的核心部件，实现控制与处理的功能。CPLD具有速度快、编程容易、资源丰富、开发周期短等优点，可利用VHDL语言进行编写开发。但CPLD在控制上较单片机有较大的劣势。同时，CPLD的处理速度非常快，而手动调节电位器的频率不会太高，那么对系统处理信息的要求也就不会太高，在这一点上，MCU就已经可以胜任了。若采用该方案，必将在控制上遇到许许多多不必要增加的难题。为此，我们不采用该种方案，进而提出了第二种设想。方案二采用STC89C52单片机作为主控制器。如图16所示STC89C52是一个超低功耗，和标准51系列单片机相比较具有运算速度快，抗干扰能力强，片内含8K空间的可反复擦写1000次的FLASH只读存储器，具有512BYTES的随机存取数据存储器（RAM），32个I/O口，2个16位可编程定时计数器。其指令系统和传统的8051系列单片机指令系统兼容，降低了系统软件设计的难度，电路设计简单、价格低廉。图16综合以上方案我们选择比较普通的更为熟悉的方案二使用STC89C52单片机为我们整个系统的控制模块电路2系统理论分析与计算21稳压电源分析计算211稳压芯片甄选鉴于赛题要求的55V25V输入范围，5V输出，这样的芯片必须满足宽输入，低压差稳定输出的特点，各据其手册表211提供的数据显示，其压差为2V，若要输出5V稳定电压，临界值必须达到7V，显然7085不符合要求，为此我们多方查询资料，终于找到了适合我们的稳压芯片LM2940，其电气参数如表2111所示，其100MA是压差为03，1A是的压差为05刚好为赛题需要的临界值，所以我们选中此芯片来作为我们所需的稳压电源做最大贡献。表211LM7805电气参数表2111LM2940电气参数212有关参数的计算稳压电源的技术指标可以分为两大类一类是特性指标，如输出电压、输出电滤及电压调节范围；另一类是质量指标，反映一个稳压电源的优劣，包括稳定度、等效内阻（输出电阻）、纹波电压及温度系数等。对稳压电源的性能，主要有以下四个万面的要求1稳定性好当输入电压USR（整流、滤波的输出电压）在规定范围内变动时，输出电压USC的变化应该很小一般要求由于输入电压变化而引起输出电压变化的程度，称为稳定度指标，常用稳压系数S来表示S的大小，反映一个稳压电源克服输入电压变化的能力。在同样的输入电压变化条件下，S越小，输出电压的变化越小，电源的稳定度越高。通常S约为。2输出电阻小负载变化时（从空载到满载），输出电压USC，应基本保持不变。稳压电源这方面的性能可用输出电阻表征。输出电阻（又叫等效内阻）用RN表示，它等于输出电压变化量和负载电流变化量之比。RN反映负载变动时，输出电压维持恒定的能力，RN越小，则IFZ变化时输出电压的变化也越小。性能优良的稳压电源，输出电阻可小到1欧，甚至001欧。3电压温度系数小当环境温度变化时，会引起输出电压的漂移。良好的稳压电源，应在环境温度变化时，有效地抑制输出电压的漂移，保持输出电压稳定，输出电压的漂移用温度系数KT来表示4输出电压纹波小所谓纹波电压，是指输出电压中50赫或100赫的交流分量，通常用有效值或峰值表示。经过稳压作用，可以使整流滤波后的纹波电压大大降低，降低的倍数反比于稳压系数S22漏电检测分析计算221漏电检测分析根据题目要求，漏电装置的动作电流为30MA，我们在负载与漏电模拟装置后面接入阻值10欧的电阻，漏电模拟部分的变化30MA，由于负载电阻与漏电保护电路为并联关系，那么必然会在回流负极的干路接入的10欧电阻会有03V的电压的变化，此变化信号有ADC0809实时采样，正好与前面的功率显示交相呼应，然后单片机控制继电器进行断开电源供电，至此漏电保护完成，复位电路通过按键让单片机接收到信号，然后停止控制继电器，弹簧片回弹停止保护，接通电路，电路正常开始工作。222漏电检测计算漏电中产生的数据主要是模拟漏电保护装置产生的电流，理论分析可知，干路电流变化30MA，10欧的电阻在30MA的变化范围内，会有03V的变化，只要变化到02VADC0809就能采样到，这样便可以实现控制23关断保护分析计算231关断保护分析在ADC0809采样检测符合动作电流时，单片机产生一个低电平信号，通过ULN2003驱动继电器动作，实行保护，232关断保护计算由于关断保护动作电流为30MA，国家规定的漏电保护反应时间为1US，所以考虑到安全问题，关断的反应速度一定要快。所以也就是要求采样和单片机的速度一定要快，查询手册得知，我们所用的单片机和模数转换模块满足要求。为此就是确保这样的电路焊接不出现虚焊脱焊就行了。3电路与程序设计31电路的设计311系统总体框图系统总体框图如图311所示，图311系统总体框图故障排除，手动复位漏电保护采样分析发挥部分实时显示单片机控制中心采样分析基础部分变压整流滤波稳压结束结束32程序的设计321程序流程图1、主程序流程图开始开始单片机控制漏电保护工作采样漏电保护数据单片机扫描按键单片机分析比较结束单片机取样计算输出单片机读取ADC0809选取通道采样电路电压变化LCD显示初始化LCDYYY是否达到保护阈值YYN解除漏电保护是否有键按下Y4测试方案与测试结果41调试的方法鉴于现在软件功能强大，我们的模块化已经在PROTUES软件仿真测试完成，与题目要求精度和结果吻合，但考虑到现实电路的外界环境，以及手工焊接工艺，所以我们采用实际电路测试，首先测试5V稳压的输出，用滑动变阻器来调节整流滤波电路变出的30V电压，用数字电压表实时测量调节电压的值。再用两个万用表分别测试稳压模块电压。电流，看是否符合题目要求，符合题目要求后根据题意测量，按照题目基本（1）要求开始逐步测量数据，按照基本要求测试电压调整率，具体做法为用一电压表在测量稳压前的的电压，使其达到7V时用另一电压表测量稳压后的电压UO1，同理测输入25V时的稳压后电压UO2，计算电压调整率SU，此次测量结束后，本要求（3）中的测量方法为稳压输入至7V，然后调节负载电阻，并串入高精度万用表来测量电流。看是否满足要求。发挥部分1根据题意要求，电流表已经作为漏电保护装置在电路内，根据要求只要测量输出电压即可。所以只需一个万用表介入输出端测量电压即可。要求（2）只需用（1）的测量记录结果计算就行至此测量完成。值42测试条件与仪器测试条件室温25度，测试仪器高精度的数字万用表，43测试结果及分析431测试结果数据5V稳压测试结果如下表所示（单位/V）输入值5566578101825输出值49649749955555电压调整率计算公式式中UO1是直流输入电压为7V时的输出电压，UO2是直流输入电压为25V时的源输出电压。经计算的，此次电压调整率为0432测试分析与结论根据上述测试数据可以得出以下结论1、变压铝箔模块稳定2、LM2940芯片符合赛题要求3、各项参数符合要求综上所述，本设计达到设计要求。附录1电路原理图047UFC2R3KINOUTADJLMBRIDGE5VGP/EX68S9XWHQYPOTLAY、_,QS附录2源程序INCLUDEINCLUDEDEFINEUCHARUNSIGNEDCHARDEFINEUINTUNSIGNEDINTUCHARTEMP_1“POWERZHI000W“UCHARTEMP_2“VOLTAGEB000V“SBITSTP30SBITEOCP31SBITOEP32SBITDA_AP35SBITDA_BP36SBITDA_CP37SBITKEYP33SBITRELAYP23UCHARNNUINTGETDATE_1UINTGETDATE_2FLOATGETDATEVOIDDELAY1UINTIUCHARX,JFORJ0J0AFORB120B0B/PORTDEFINITIONSSBITLCDRSP20SBITLCDRWP21SBITLCDENP22SFRDBPORT0X80/P00X80,P10X90,P20XA0,P30XB0数据端口/内部等待函数UNSIGNEDCHARLCD_WAITVOIDLCDRS0LCDRW1_NOP_LCDEN1_NOP_LCDEN0RETURNDBPORT/向LCD写入命令或数据DEFINELCD_COMMAND0/COMMANDDEFINELCD_DATA1/DATADEFINELCD_CLEAR_SCREEN0X01/清屏DEFINELCD_HOMING0X02/光标返回原点VOIDLCD_WRITEBITSTYLE,UNSIGNEDCHARINPUTLCDEN0LCDRSSTYLELCDRW0_NOP_DBPORTINPUT_NOP_/注意顺序LCDEN1_NOP_/注意顺序LCDEN0_NOP_LCD_WAITDELAY5/设置显示模式DEFINELCD_SHOW0X04/显示开DEFINELCD_HIDE0X00/显示关DEFINELCD_CURSOR0X02/显示光标DEFINELCD_NO_CURSOR0X00/无光标DEFINELCD_FLASH0X01/光标闪动DEFINELCD_NO_FLASH0X00/光标不闪动VOIDLCD_SETDISPLAYUNSIGNEDCHARDISPLAYMODELCD_WRITELCD_COMMAND,0X08|DISPLAYMODE/设置输入模式DEFINELCD_AC_UP0X02DEFINELCD_AC_DOWN0X00/DEFAULTDEFINELCD_MOVE0X01/画面可平移DEFINELCD_NO_MOVE0X00/DEFAULTVOIDLCD_SETINPUTUNSIGNEDCHARINPUTMODELCD_WRITELCD_COMMAND,0X04|INPUTMODE/初始化LCDVOIDLCD_INITIALLCDEN0LCD_WRITELCD_COMMAND,0X38/8位数据端口,2行显示,57点阵DELAY5LCD_WRITELCD_COMMAND,0X38DELAY5LCD_SETDISPLAYLCD_SHOW|LCD_NO_CURSOR/开启显示,无光标DELAY5LCD_WRITELCD_COMMAND,LCD_CLEAR_SCREEN/清