基于單片機(jī)的漏電保護(hù)裝置設(shè)計說明

1、11 / 15題目：直流穩(wěn)壓電源與漏電保護(hù)裝置（L題）摘要穩(wěn)壓電源是各種電子電路、電子設(shè)備所必不可少的動力來源，對于整個電路的重要性是不言而喻的。研究直流穩(wěn)壓電源，就是為了提高電源的使用性能和提高電源的電氣性能。此直流穩(wěn)壓電源與漏電保護(hù)裝置是基于升降壓電路和LDO低壓差穩(wěn)壓電路設(shè)計的線性直流穩(wěn)壓電源。該控制器由兩個獨立的控制器和低壓差穩(wěn)壓電路組成。由于低壓差線性穩(wěn)壓器LDO具有極低噪聲、高穩(wěn)壓性能和低成本等優(yōu)點，在便攜式電子產(chǎn)品的低耗電源系統(tǒng)中得到廣泛應(yīng)用。完善開關(guān)電源的直流穩(wěn)壓電源應(yīng)具有漏電保護(hù)裝置，漏電動作電流30mA的漏電保護(hù)裝置，作為防止人體直接或間接保護(hù)。關(guān)鍵字：LDO線性直流穩(wěn)壓、

2、漏電保護(hù)目錄一、系統(tǒng)方案設(shè)計11.1 設(shè)計要求11.2 總體方案設(shè)計11.3 總體電路圖設(shè)計21.4方案論證與比較31.4.1 主控芯片單片機(jī)（MCU）的設(shè)計方案論證與選擇31.4.2 穩(wěn)壓電源的設(shè)計31.4.3 漏電檢測電路的設(shè)計41.4.4 關(guān)斷保護(hù)電路的設(shè)計4二、主要單元電路的設(shè)計52.1 穩(wěn)壓電源電路的設(shè)計52.2 采樣電路的設(shè)計62.3 漏電檢測電路設(shè)計72.4 放大電路的設(shè)計82.5 報警電路的設(shè)計9三、程序設(shè)計9四、測試方案與測試結(jié)果104.1測試儀器104.2 指標(biāo)測試和測試數(shù)據(jù)114.2.1輸出電壓圍測試結(jié)果如表1：114.2.2電壓調(diào)整率測試結(jié)果如表2：114.2.3負(fù)載調(diào)

3、整率測試結(jié)果如表3：114.2.4 過流保護(hù)：114.3 系統(tǒng)對題目的完成情況：124.4 結(jié)果分析：12五、結(jié)論12參考文獻(xiàn)：13一、系統(tǒng)方案設(shè)計1.1 設(shè)計要求1、基本要求設(shè)計一臺額定電壓為5V，額定輸出電流為1A的直流穩(wěn)壓電源。（1）轉(zhuǎn)換開關(guān)S接1端，RL阻值固定為5。當(dāng)直流輸入電壓在725V變化時，要求輸出電壓為5±0.05V，電壓調(diào)整率SU1%。（2）連接方式不變，RL阻值固定為5。當(dāng)直流輸入電壓在5.57V變化時，要求輸出電壓為5±0.05V。（3）連接方式不變，直流輸入電壓固定在7V，當(dāng)直流穩(wěn)壓電源輸出電流由1A減小到0.01A時，要求負(fù)載調(diào)整率SL1%。（4

4、）制作一個功率測量與顯示電路，實時顯示穩(wěn)壓電源的輸出功率。2、發(fā)揮部分設(shè)計一個動作電流為30mA的漏電保護(hù)裝置（使用基本要求部分制作的直流穩(wěn)壓電源供電，不得使用其他電源）。（1）轉(zhuǎn)換開關(guān)S接2端，將RL接到漏電保護(hù)裝置的輸出端，阻值固定為20，R和電流表A組成模擬漏電支路（見圖1）。調(diào)節(jié)R，將漏電動作電流設(shè)定為30mA。將漏電保護(hù)裝置動作后，RL兩端電壓為0V并保持自鎖。排除漏電故障后，按下K恢復(fù)輸出。要求漏電保護(hù)裝置沒有動作時，輸出電壓 4.6V。（2）要求漏電保護(hù)裝置動作電流誤差的絕對值5%。（3）盡量減少漏電保護(hù)裝置的接入功耗。（4）其他。1.2 總體方案設(shè)計系統(tǒng)框圖如下圖所示。其中主控

5、部分由STC89C58RD與相關(guān)電路組成，它是整個系統(tǒng)的核心。電源部分由與相關(guān)電路組成，為整個系統(tǒng)正常穩(wěn)定地工作提供穩(wěn)定的電壓。電壓檢測和引腳判定有康銅絲和ADC0804組成，完成AD采樣和芯片引腳個數(shù)的判定。待測芯片部分的所有管腳都受MCU的控制，MCU能夠讀取它的所有信息。顯示部分由1602液晶組成，方便顯示相關(guān)信息。圖1 系統(tǒng)設(shè)計框架1.3 總體電路圖設(shè)計圖2 電路框圖當(dāng)直流輸入電壓在725V變化時，通過一個Buck-Boost電路拓補(bǔ)結(jié)構(gòu)讓其穩(wěn)定輸出5V的電壓，再使用康銅絲一個放大電路，通過ADC0804采樣獲得是是實時的電流、電壓值并在1602上顯示，當(dāng)檢測電路電流超過30mA時，漏

6、電保護(hù)電路啟動，斷開電路并進(jìn)行報警。最后可以通過鍵盤控制電路復(fù)位。1.4方案論證與比較1.4.1 主控芯片單片機(jī)（MCU）的設(shè)計方案論證與選擇方案一：采用Atmel公司的AT89S52。AT89S52單片機(jī)是一種低功耗、高性能CMOS 8位微控制器，具有8K 在系統(tǒng)可編程Flash 存儲器。此芯片價格比較便宜，但抗干擾能力差。方案二：采用STC89C58RD+。它也是基于80C51核，管腳與89S52完全兼容。不需要外圍電路，硬件和軟件的開支比較小，更重要的是他的抗干擾能力比較強(qiáng)，但它的價格要比AT89S52要高。綜合比較后，選擇方案二。1.4.2 穩(wěn)壓電源的設(shè)計方案一：用固定式三端集成穩(wěn)壓電

7、路7805設(shè)計制作連續(xù)可調(diào)直流穩(wěn)壓的實際電路中兩個電阻主要用來調(diào)整輸出電壓最高輸出電壓受穩(wěn)壓器最大輸入電壓與最小輸入輸出壓差的限制，該固定式三端集成穩(wěn)壓集成電路7805最大輸入電壓為35V，輸入輸出差要保持2V以上，因此該電路中由于穩(wěn)壓器的直流輸入電壓為725V，所以該電路的輸出最大值為523V。優(yōu)點：在穩(wěn)壓器的穩(wěn)壓圍，其穩(wěn)壓精度可達(dá)±0.03。缺點：在實際應(yīng)用中，應(yīng)在三端集成穩(wěn)壓電路上安裝足夠大的散熱器 （當(dāng)然小功率的條件下不用）。當(dāng)穩(wěn)壓管溫度過高時，穩(wěn)壓性能將變差，甚至損壞。方案二：將Buck與Boost兩種形式的變換器結(jié)合起來，產(chǎn)生一種新的變換器，叫做BUCK-BOOST變換器

8、，也叫升降壓式變換器。 既然我們不能直接把725V的輸入電壓變?yōu)楣潭ǖ?V輸出，那我們就先把725V降壓，然后再升壓，從而達(dá)到題目要求的固定輸出5V、1A的要求。優(yōu)點：效率高、電路簡單、電壓變比可由零到無窮大，即可升壓又可降壓。 缺點：開關(guān)晶體管發(fā)射極不接地，使驅(qū)動電路復(fù)雜化、成本高。方案三： LDO基本工作原理是：系統(tǒng)加電，如果使能腳處于高電平時，電路開始啟動，恒流源電路給整個電路提供偏置，基準(zhǔn)源電壓快速建立，輸出隨著輸入不斷上升，當(dāng)輸出即將達(dá)到規(guī)定值時，由反饋網(wǎng)絡(luò)得到的輸出反饋電壓也接近于基準(zhǔn)電壓值，此時誤差放大器將輸出反饋電壓和基準(zhǔn)電壓之間的誤差小信號進(jìn)行放大，再經(jīng)調(diào)整管放大到

9、輸出，從而形成負(fù)反饋，保證了輸出電壓穩(wěn)定在規(guī)定值上，同理如果輸入電壓變化或輸出電流變化，這個閉環(huán)回路將使輸出電壓保持不變，即：Vout=(R1+R2)R2 ×Vref。優(yōu)點：壓差小、靜態(tài)電流小、外接元件小。缺點：效率不高。方案四：先將電路的電壓由5.5V25V通過降壓變?yōu)?V,再通過升壓變?yōu)?.5V，最后再通過一個LDO直流穩(wěn)壓電路，具有較低的靜態(tài)電流和壓差，主要用于壓差較小的場合，可固定輸出電壓5V。如果輸入電壓和輸出電壓不是很接近，LDO的輸入電流基本上是等于輸出電流的，如果壓降太大，耗在LDO上能量太大，效率不高。由于此電路的低壓差特性和升降壓電路的高效性。所以此電路具有效率高

10、、壓差小、靜態(tài)電流小、外接元件小的優(yōu)勢。這種設(shè)計方案簡化了開關(guān)電源的多路輸出設(shè)計,減小了負(fù)載調(diào)整率,提高了電源抑制比,并加強(qiáng)了開關(guān)電源的過流保護(hù)功能。綜合比較之后，選擇方案四。1.4.3 漏電檢測電路的設(shè)計方案一：三相交流電電壓電流漏電檢測電路。電流漏電檢測電路實現(xiàn)對三相交流電電壓、電流和漏電的檢測，以實現(xiàn)對過壓、欠壓、過流和漏電的保護(hù)。電壓檢測由三相交流變壓器、整流濾波電路和分壓電路組成。電流檢測由三相交流互感器、整流濾波電路和分壓電路組成。其中漏電電流互感器把電流轉(zhuǎn)換為電壓信號，分壓電路完成電壓調(diào)整。此電路質(zhì)量可靠，抗干擾性強(qiáng)。方案二：利用歐姆定律，當(dāng)電流通過康銅絲時，就會有電壓降，電流越

11、大，壓降就越大。選用0.0022的康銅絲，讓ADC0804能測得康銅絲兩端的電壓差。由于電壓差實在太小，不利于檢測，再用INA128對采集到的電壓差值放大1000倍后將數(shù)據(jù)傳給A/D。價格便宜、對電路影響可忽略不計、其阻值低、精度高、溫度系數(shù)低、具有無電感、高過載能力。方案三：康錳銅電阻絲是電流測量中很常用取樣電阻，其特點在于溫度漂移量非常小。經(jīng)過測試，在1的康錳銅電阻絲上通過約2A電流，由于產(chǎn)生的熱量引起的升溫，只會引起0.02左右的阻值變化，對電流的穩(wěn)定起了很重要的作用。綜合考慮后，選擇方案二。1.4.4 關(guān)斷保護(hù)電路的設(shè)計方案一：漏電保護(hù)電路主要包括：檢測元件（零序電流互感器）、中間環(huán)節(jié)

12、（放大器、比較器、脫扣器）、執(zhí)行元件（主開關(guān)）等幾個部分。沒有發(fā)生漏電或觸電的情況下，通過零序電流互感器一次測的電流相量和等于零。當(dāng)發(fā)生漏電或者有人觸電時，通過零序電流互感器一次測各相電流相量和不再等于零，產(chǎn)生了漏電電流。二次側(cè)產(chǎn)生了感應(yīng)電動勢，此漏電信號經(jīng)過中間環(huán)節(jié)處理和比較，當(dāng)達(dá)到預(yù)定值時，使主開關(guān)分勵脫扣器線圈通電，驅(qū)動主開關(guān)自動跳閘，切斷故障點，從而實現(xiàn)保護(hù)。方案二：通過單片機(jī)I/O口控制，驅(qū)動電磁繼電器。當(dāng)輸入高電平時，晶體管飽和導(dǎo)通，繼電器線圈通電，觸點吸合。當(dāng)輸入低電平時，晶體管截止，繼電器線圈斷電，觸點斷開。系自動斷開電路，并且報警并顯示，在實際中很實用。方案三：IGBT（絕緣

13、柵雙極型晶體管）兼有場效應(yīng)晶體管輸入阻抗高、驅(qū)動功率小和雙極型晶體管電壓、電流容量大與管壓降低的特點。當(dāng)出現(xiàn)短路過流時，必須采取有效的保護(hù)措施。為了實現(xiàn)IGBT的短路保護(hù)，則必須進(jìn)行過流檢測。適用IGBT過流檢測的方法，通常是采用霍爾電流傳感器直接檢測IGBT的電流Ic，然后與設(shè)定的閾值比較，用比較器的輸出去控制驅(qū)動信號的關(guān)斷；或者采用間接電壓法，檢測過流時IGBT的電壓降Vce，因為管壓降含有短路電流信息，過流時Vce增大，且基本上為線性關(guān)系，檢測過流時的Vce并與設(shè)定的閾值進(jìn)行比較，比較器的輸出控制驅(qū)動電路的關(guān)斷?？紤]到可行性，綜合比較之后：選擇方案二。二、主要單元電路的設(shè)計2.1 穩(wěn)壓電

14、源電路的設(shè)計當(dāng)輸入電壓在725V變化時，通過降壓，然后再將降壓后的電壓通過升壓，從而達(dá)到實際所需的額定輸出電壓5.5V，然后通過低壓差穩(wěn)壓路固定輸出一個5V的值。公式：。圖3 降壓電路圖4 升壓電路圖5 后接直流穩(wěn)壓電路原理2.2 采樣電路的設(shè)計輸出端串接選用溫漂小的康銅絲，保護(hù)電路選用的電流取樣電阻要綜合考慮電流、功率與熱穩(wěn)定性三個因素。電阻增大則電路效率下降，而我們選用的康銅絲電阻僅為0.0022，所以康銅絲對電路的影響可以完全忽略不計。接著用ADC0804測康銅絲兩端的電壓差。因取樣電壓很小很小，故使用INA128對它進(jìn)行放大1000倍，使它有一個穩(wěn)定的電壓值。電壓信號需放大后送給單片機(jī)

15、進(jìn)行A/D 采樣。 圖6 采樣電路的設(shè)計2.3 漏電檢測電路設(shè)計圖7 30mA漏電檢測電路2.4 關(guān)斷保護(hù)電路的設(shè)計51單片機(jī)控制繼電器驅(qū)動原理：1、當(dāng)51單片機(jī)引腳輸出低電平時，三極管2N3906飽和導(dǎo)通，5V電源加到繼電器線圈兩端，繼電器吸合，同時狀態(tài)指示的發(fā)光二極管也點亮，繼電器的常開觸點閉合，相當(dāng)于開關(guān)閉合。2、當(dāng)51單片機(jī)引腳輸出高電平時，PNP三極管2N3906截止，繼電器線圈兩端沒有電位差，繼電器銜鐵釋放，繼電器的常開觸點釋放，相當(dāng)于開關(guān)斷開。注：在三極管截止的瞬間，由于線圈中的電流不能突變?yōu)榱悖^電器線圈兩端會產(chǎn)生一個較高電壓的感應(yīng)電動勢，線圈產(chǎn)生的感應(yīng)電動勢則可以通過二極管I

16、N4148釋放，從而保護(hù)了三極管免被擊穿，也消除了感應(yīng)電動勢對其他電路的干擾，這就是二極管D1的保護(hù)作用。圖8 繼電器保護(hù)電路2.4 放大電路的設(shè)計電路的電壓信號由于太小所以需要用如圖所示的放大電路予以放大之后才能夠被采集到電壓信息。采用低噪聲、高共模抑制、高輸入阻抗、低功耗的高性能儀表放大器INA128。圖9 電壓放大電路圖10 INA128部結(jié)構(gòu)2.5 報警電路的設(shè)計當(dāng)電路中電流超過30mA時，進(jìn)行報警。圖11 報警電路三、程序設(shè)計主程序設(shè)計：圖12 主程序流程圖四、測試方案與測試結(jié)果4.1測試儀器UT39A數(shù)字萬用表、KXN-30400高精密數(shù)字萬用表、UT805微機(jī)電源。4.2 指標(biāo)測

17、試和測試數(shù)據(jù)4.2.1輸出電壓圍測試結(jié)果如表1： 表1 輸出電壓圍測試輸入電壓（V)5.5V6.0V7V12V17V22V25V輸出電壓（V)4.99V4.99V4.99V5.00V5.00V5.00V5.00V4.2.2電壓調(diào)整率測試結(jié)果如表2： 表2 電壓調(diào)整率測試測試條件為輸出電壓5V，輸出電流為1.00AU1 /V輸出電壓(V)U2(V)輸出電壓(V)U3/V輸出電壓(V)4.9914.9924.9984.9944.9974.9944.9954.9964.9914.9984.9924.9914.9974.9974.9964.9974.9924.998電壓調(diào)整率為：(4.991-4.99

18、9)/4.999*100%=0.16%。4.2.3負(fù)載調(diào)整率測試結(jié)果如表3：表3 負(fù)載調(diào)整率測試輸出電流（A）111輸出電壓（V)5.024.995負(fù)載調(diào)整率： （5.02-4.99）/5*100%=0.6%。4.2.4 過流保護(hù)：過流保護(hù)動作電流為30mA。4.3 系統(tǒng)對題目的完成情況：表4 系統(tǒng)對題目的完成情況對照表基本部分要求實現(xiàn)輸出電壓5V輸出電壓5V最大輸出電流1A符合要求電壓調(diào)整率Su1%電壓調(diào)整率為0.16%負(fù)載調(diào)整率SL1%負(fù)載調(diào)整率0.6%輸入變化時輸出為5±0.05V輸入變化時輸出為5±0.018V顯示輸出功率有顯示過流保護(hù)的動作電流30mA發(fā)揮部分漏電保護(hù)裝置沒有動作時，輸出電壓4.6V實際輸出4.65V漏電保護(hù)裝置電流誤差絕對值5%實際誤差1%要求接入功耗低實際功耗低4.4 結(jié)果分析： 各項結(jié)果都符合系統(tǒng)指標(biāo)，產(chǎn)生誤差的原因包括：電阻精度不夠等。五、結(jié)論