直流穩(wěn)壓電源及漏電保護(hù)裝置

1、2013年全國大學(xué)生電子設(shè)計(jì)競(jìng)賽直流穩(wěn)壓電源及漏電保護(hù)裝置（L題）【高職高專組】2013年9月6日利用LM358和pmos管IRF9540設(shè)計(jì)一種超低壓差穩(wěn)壓電源電路。電路 器件選用常規(guī)器件，成本低。結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單。本電路包括主線性變換電源電路、顯示 控制電路和漏電保護(hù)控制電路三部分。其中主線性變換電源電路基于VLDO原理設(shè)計(jì)，調(diào)整管采用pmos管IRF9540。壓降可以達(dá)到0.2V。功率顯示電路采 用液晶，由單片機(jī)控制。漏電保護(hù)控制電路采用單片機(jī)控制， 對(duì)高低電位分別采 用MAX4173 和運(yùn)放組成電流采樣電路，由單片機(jī)控制繼電器控制電源開關(guān)。 文章的最后提出系統(tǒng)的軟件設(shè)計(jì)方案，設(shè)計(jì)了各個(gè)功能模塊

2、的軟件流程圖。 關(guān)鍵詞：VLDO單片機(jī)電流采樣電路目 錄1系統(tǒng)方案 21.1線性直流穩(wěn)壓電源系統(tǒng)的論證與選擇 21.2 電流檢測(cè)系統(tǒng)的論證與選擇 41.3漏電保護(hù)系統(tǒng)的論證與選擇 72單元電路設(shè)計(jì) 82.1線性直流穩(wěn)壓電源 8線性直流穩(wěn)壓電源原理圖 8線性直流穩(wěn)壓電源原理分析 82.2電流檢測(cè)系統(tǒng) 9顯示系統(tǒng)電路原理圖 9顯示系統(tǒng)電路原理分析 92.3漏電保護(hù)系統(tǒng)11漏電保護(hù)系統(tǒng)電路原理圖 1 1漏電保護(hù)系統(tǒng)電路原理分析 1 13系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì) 113.1主程序流程圖133.2顯示流程圖 153.3電壓電流檢測(cè)流程圖 164測(cè)試方案與測(cè)試結(jié)果 164.1測(cè)試條件與儀器 164.2測(cè)試方法164.

3、3測(cè)試結(jié)果及分析18附錄1 : PCB圖 20附錄2 :源程序231系統(tǒng)方案本系統(tǒng)主要主線性變換電源電路、 顯示控制電路和漏電保護(hù)控制電路三部分。，下 面分別論證這3個(gè)模塊的選擇。1.1線性直流穩(wěn)壓電源系統(tǒng)的論證與選擇方案一：低壓差穩(wěn)壓電路圖1 低壓差穩(wěn)壓電路采用PNP型功率管作調(diào)整管，并且不需要驅(qū)動(dòng)管?？纱蟠蠼档洼斎?輸出壓差。滿載時(shí)輸入-輸出壓差的典型值小于500mV，輕載時(shí)僅為1050mV。但低壓差線性穩(wěn) 壓器有其不足之處，即所需的基極驅(qū)動(dòng)電流及靜態(tài)工作電流Id較大。滿載時(shí)若PNP管的B值為1520倍，則LDO的Id氣5%7%)lo。由它產(chǎn)生的功耗會(huì)限制穩(wěn)壓器效率 的進(jìn)一步提高，這在電池

4、供電的低功耗系統(tǒng)中是不容忽視的問題。方案二：準(zhǔn)低壓差集成穩(wěn)壓電路圖2 準(zhǔn)低壓差集成穩(wěn)壓電路它兼有普通集成穩(wěn)壓器驅(qū)動(dòng)電流小、低壓差集成穩(wěn)壓器輸入-輸出壓差低的優(yōu)點(diǎn)(ESR)要求較低但其容量可比低壓差穩(wěn)壓電路用得小，對(duì)電容的等效串聯(lián)電阻方案三：超低壓差穩(wěn)壓電路圖3超低壓差穩(wěn)壓電路采用P溝道功率場(chǎng)效應(yīng)管 MOSFET來代替PNP型功率管作為調(diào)整管，MOSFET 本身還帶保護(hù)二極管(VD)。P溝道MOSFET屬于電壓控制型器件，其柵極驅(qū)動(dòng)電流板 小，而通態(tài)電阻非常低，通態(tài)壓降遠(yuǎn)低于雙極性晶體管的飽和壓降，這不僅能大大降低 輸入-輸出壓差，還能在微圭寸裝下輸出更大的電流。綜合以上三種方案，選擇方案三。1

5、.2電流檢測(cè)系統(tǒng)的論證與選擇方案一：低端電流檢測(cè)法圖4低端電流檢測(cè)法該電路雖然體積小、電路簡(jiǎn)單且很容易采用一個(gè)基本的同相增益級(jí)來實(shí)現(xiàn)。但是需要排布從地至負(fù)載的返回接線，增加了額外的電阻且有幾種故障狀態(tài)是低端檢流電路檢測(cè)不到的，這會(huì)使負(fù)載處于危險(xiǎn)的情況。方案二：傳統(tǒng)高端檢測(cè)法圖5傳統(tǒng)高端檢測(cè)法采用差分運(yùn)放做增益放大并將信號(hào)電平從高端移位到參考地。VO=IRS*RS ；R仁R2=R3=R4 該方案已廣泛應(yīng)用于實(shí)際系統(tǒng)中，但該電路輸入電阻相對(duì)較低，等于R1、輸入端的輸入電阻一般有較大的誤差值、要求電阻的匹配度要高，以保證可接受的CMRR。任何一個(gè)電阻產(chǎn)生1%變化就會(huì)使CMRR降低到46dB ;0.1

6、%的變化使CMRR達(dá)到66dB，0.01%的變化使CMRR達(dá)到86dB。高端電流檢測(cè)需要較高的測(cè)量技巧， 這促進(jìn)了高端檢流集成電路的發(fā)展。而低端電流檢測(cè)技術(shù)似乎并沒有相應(yīng)的進(jìn)展。方案三：MAX4173高端電流檢測(cè)法Source0 TO +2S7*3V IQ 428VIL3D- TOLOADBATTEETMAX4173GNOcurrentMRFOR圖6MAX4173 高端電流檢測(cè)法輸出電壓與檢流電阻的關(guān)系式為:Vo=Gai n*Rse nse*lload;Gai n= B*RGD/RG1 Ga in通過以上計(jì)算公式可看出，CMRR由內(nèi)部集成檢流電路的工藝決定（典型值90dB），不再受外部電阻的影

7、響。且器件的一致性好、極好的溫漂特性、體積小、 低功耗、使用方便。綜合以上三種方案，選擇方案三1.3漏電保護(hù)系統(tǒng)的論證與選擇方案一：漏電保護(hù)系統(tǒng)20K Lot 3K圖7漏電保護(hù)系統(tǒng)使用了直流三端可調(diào)組件 LM317配以12V變壓器，讓電壓可以在113V1415V 之間連續(xù)可調(diào)，這樣就解決了以上問題，滿足了實(shí)驗(yàn)需要。利用LM317組件有過熱過流自 保護(hù)功能，只需再設(shè)置短路聲光報(bào)警功能，便可提示學(xué)生及時(shí)關(guān)閉電源，進(jìn)而排除實(shí)驗(yàn)故 障。利用本設(shè)計(jì)改進(jìn)的穩(wěn)壓電源，由于采用了集成元件，使其內(nèi)部結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)潔、易維修，且性 能穩(wěn)定、使用方便。故采用該方案。2單元電路設(shè)計(jì)2.1線性直流穩(wěn)壓電源線性直流穩(wěn)壓電源原理圖

8、圖8 線性直流穩(wěn)壓電源電路原理圖線性直流穩(wěn)壓電源原理分析該電路由TL431提供2.5V的基準(zhǔn)電壓，采用P溝道功率場(chǎng)效應(yīng)管MOSFET來代 替PNP型功率管作為調(diào)整管，MOSFET本身還帶保護(hù)二極管(VD)。 R4，C3組成積分 電路延緩跳變電壓。C1, C2，C5，C6起濾波作用。采用P溝道功率場(chǎng)效應(yīng)管MOSFET 來代替PNP型功率管作為調(diào)整管，MOSFET本身還帶保護(hù)二極管(VD) 0P溝道MOSFET 屬于電壓控制型器件，其柵極驅(qū)動(dòng)電流板小，而通態(tài)電阻非常低，通態(tài)壓降遠(yuǎn)低于雙極性晶體管的飽和壓降，這不僅能大大降低輸入 -輸出壓差，還能在微圭寸裝下輸出更大的 電流。2.2電流檢測(cè)系統(tǒng)顯示系

9、統(tǒng)電路原理圖IIPSI Air ENxt vrx iV(X'2RSISCLK X： I/O烈 0 RXP P? 2TXD PJ 2 TsT> FT INTtP14T*F3 Vll PI 6A R P .l 7 TOP2 i/Ay P2 2 A KJ P21/AII P2 4/A12 V2 菁 AI3P" AHP2 7 A nXIALIXTAL2kSfP 卜 7 AMflyyyolALMtHM.3K_ D1-a 3；-.16 55平D414DT-52 D7Pi <i/'ADtl P(' bADl PO 2/AD2 Pf & ADl P(M/A

10、D4 PC 5/AD5 P(>6/AFMil>SK； 2圖9顯示系統(tǒng)電路原理圖顯示系統(tǒng)電路原理分析MAX 4173的工作原理如圖6所示。方框內(nèi)的部分是該芯片的內(nèi)部結(jié)構(gòu) ,其中A1和A2是兩個(gè)運(yùn)算放大器，構(gòu)成差動(dòng)輸入，這樣可以增強(qiáng)抗干擾能力，提高小電流信 號(hào)的測(cè)量準(zhǔn)確度;Q1和Q2是兩個(gè)三極管；COMP是一比較器；Rsenee是電流采樣電阻, 采用熱穩(wěn)定性好、漂移小的康銅絲制作。方框外面的部分是用戶可以根據(jù)自己的需要而 改變的電路。其工作原理詳述如下：假定電流是從左向右（如圖1中l(wèi)load方向所示）流過電流采樣電阻Rsenee,通 過一電阻Rout接地。這樣，運(yùn)放A1工作,產(chǎn)生電流l

11、out從Q1的發(fā)射極流出。而此時(shí) 運(yùn)放A2是截止的,沒有電流從Q2流出。A1的負(fù)輸入端（-）電位為：Vpower=lload XRsence,A1的開環(huán)增益使其正輸入端（+）與負(fù)輸入端（-）有相同的電位。故RG1的壓降為：lload xRsenee,經(jīng)過計(jì)算，電壓/電流轉(zhuǎn)換的比例P由下式給出：P=Vout/Iload=Rseneex（Rout/RG1）根據(jù)上式Rsenee取較小的值。通過（Rout/RG1）把比例P設(shè)置為一個(gè)合適的值。 對(duì)于小電流，可以獲得較大的輸出測(cè)量電壓Vout,避免前述直接測(cè)量電流信號(hào)太小的缺點(diǎn)；對(duì)于較大的電流，又不會(huì)對(duì)電路的帶載能力產(chǎn)生較大的影響。在電路的具體應(yīng)用 中，

12、電路各參數(shù)具體計(jì)算要滿足該芯片技術(shù)條件要求OUT 端的輸出電壓 Vout<（VRG - 1.5V）OUT 端的輸出電流Iout <1.5mA液晶顯示器件LCD的顯示原理是：在兩片玻璃基板上裝有配向膜，所以液晶會(huì)沿著溝槽配向，具有偶極矩的液晶棒狀分子在外加電場(chǎng)的作用下其排列狀態(tài)發(fā)生變化，使 得通過液晶顯示器件的光被調(diào)制，從而呈現(xiàn)明與暗或透過與不透過的顯示效果。液晶顯 示器件中的每個(gè)顯示像素都可以單獨(dú)被電場(chǎng)控制，不同的顯示像素按照控制信號(hào)的“指 揮”便可以在顯示屏上組成不同的字符、數(shù)字及圖形。因此建立顯示所需的電場(chǎng)以及控 制顯示像素的組合就成為液晶顯示驅(qū)動(dòng)器和液晶顯示控制器的功能。2.

13、3漏電保護(hù)系統(tǒng)漏電保護(hù)系統(tǒng)電路原理圖10 漏電保護(hù)系統(tǒng)電路原理圖任±T_-3川V w 苗.<2"fit i KKfc- SB-f-4£ 1 £ f E - I I I .1 L L. L L-tr漏電保護(hù)系統(tǒng)電路原理分析電阻Ri與三極管VQ3組成過流保護(hù)環(huán)節(jié)。輸出電流過大時(shí)，取樣電阻Ri上的電壓大于0.7V，VQ3導(dǎo)通，迫使調(diào)整管基極電壓Vbe降低，直到關(guān)閉電源輸出。R4=0.7/klC。其中，LC為輸出電流，K為最大過流系數(shù)，通常取值約1.5。R7=(Vcc-Uce3)/le30/rg/lc3，限制Ic3不宜過大，以免VQ3過流損壞。3系統(tǒng)軟件設(shè)

14、計(jì)采用數(shù)據(jù)口和單片機(jī)的雙向口 P0 口直接相連。因?yàn)橐壕э@示模塊的控制由CPU控制，他們需要同時(shí)讀寫內(nèi)存，CPU選用常用的STC12C5A60S2，液晶模塊為HITACHI 公司KS0108即（HD61202 ）液晶控制器的單5V供電的128 X64點(diǎn)陣液晶。利用 STC12C5A60S2控制液晶顯示器,由于它內(nèi)部有8K字節(jié)的FLASH編程和只讀存儲(chǔ)器（PEROM,用戶編制的程序及需要顯示的英文字母、數(shù)字、漢字、曲線和圖形都可以存 儲(chǔ)在里面，免去了擴(kuò)展外部存儲(chǔ)器的麻煩，使得STC12C5A60S2單片機(jī)為核心的控制系統(tǒng)電路更簡(jiǎn)單8。因此十分適用于液晶顯示。液晶顯示模塊的設(shè)計(jì)具備了很強(qiáng)的通用 性

15、，可以被廣泛應(yīng)用到各種系統(tǒng)中。目前系統(tǒng)一般為3V電平或5V電平系統(tǒng)，因此液晶顯示模塊的設(shè)計(jì)也考慮到了，所以采用了5V電平。液晶顯示模塊硬件結(jié)構(gòu)框圖如圖3.4所示。外部控制器將欲顯示的數(shù)據(jù)寫入雙口RAM，CPU則不斷掃描內(nèi)存，根據(jù)內(nèi)存中的數(shù)據(jù)進(jìn)行相應(yīng)的處理，不斷刷新液晶顯示屏上的顯示。綜合考慮液晶和系統(tǒng)操作 的時(shí)序，STC12C5A60S2單片機(jī)運(yùn)行在12MHz時(shí)鐘下。外部控制器的數(shù)據(jù)、地址、控制總線通過接插件引入液晶顯示模塊。因?yàn)殡p口 RAM 的輸入輸出為TTL電平12，因此作為5V的系統(tǒng)，地址和控制總線可以直接引入。而數(shù) 據(jù)總線因?yàn)槭?漏極的雙向I/O 口，每個(gè)引腳可以吸收8個(gè)TTL輸入。因

16、此如果直接 與數(shù)據(jù)口相連，在雙口 RAM輸出數(shù)據(jù)的時(shí)候電平會(huì)是弱低，使得輸出不能正常的工作， 因此必須加如8個(gè)上10K的拉電阻，這樣才能拉高電平，使數(shù)據(jù)口正常輸出。但是由 于液晶顯示器和CPU的接口線比較長，CPU不能正常的驅(qū)動(dòng)液晶顯示器，因此設(shè)計(jì)一 個(gè)總線驅(qū)動(dòng)器，采用74LLS245進(jìn)行總線電平轉(zhuǎn)換。這樣，顯示器就可以正常的工作了。單片機(jī)可以通過數(shù)據(jù)總線與控制信號(hào)直接采用存儲(chǔ)器訪問形式、I/O設(shè)備訪問形式控制該液晶顯示模塊。單片機(jī) STC12C5A60S2和液晶顯示器的接口電路如圖3.4所 示。該圖采用間接訪問方式，單片機(jī)通過 P2.4 口控制CSA ； P2.3 口控制CSB，以選通 液晶

17、顯示屏上各區(qū)的控制器 HD61202 ；同時(shí)單片機(jī)STC12C5A60S2用地址P2.1作為 R/W信號(hào)控制數(shù)據(jù)總線的數(shù)據(jù)流向；用地址 P2.0作為D/I信號(hào)控制寄存器的選擇；E信號(hào)由單片機(jī)的P2.2 口產(chǎn)生；另外單片機(jī)的復(fù)位引腳直接由P2.5控制；從而實(shí)現(xiàn)了STC12C5A60S2對(duì)內(nèi)置HD61202圖形液晶顯示器模塊的電路連接。電路中 LCD電源 控制端V0是用來調(diào)節(jié)顯示屏灰度的，調(diào)節(jié)該端的電壓，可改變顯示屏字符、圖形的顏 色深淺。單片機(jī)對(duì)液晶顯示模塊的操作可分為兩部分，即左半屏和右半屏操作。3.1主程序流程圖文案大全初始化圖11主程序流程圖3.2顯示流程圖顯示電流值顯示電壓值顯示功率圖1

18、2 顯示流程圖3.3電壓電流檢測(cè)流程圖電壓檢測(cè)電流檢測(cè)圖13 電壓電流檢測(cè)流程圖4測(cè)試方案與測(cè)試結(jié)果4.1測(cè)試條件與儀器測(cè)試條件：檢查多次，硬件電路與系統(tǒng)原理圖完全相同，硬件電路無虛焊。各模塊均正常工作。道示波器、數(shù)字萬用表、大功率滑動(dòng)變阻器、計(jì)算機(jī)、USB轉(zhuǎn)串口通信線。4.2測(cè)試方法首先，根據(jù)總體設(shè)計(jì)方案圖進(jìn)行電路的連接，并檢查電路無誤后，開通電源。其次，開通數(shù)字萬用表和示波器，并確定它們正常工作。最后，觸摸觸摸點(diǎn)，讓電壓步進(jìn)增加或減小，觀察液晶顯示的讀數(shù)和示波器的讀 數(shù)并進(jìn)行比較，列表。（讀數(shù)包含相應(yīng)的電流和電壓值）多次進(jìn)行觸摸，觀察系統(tǒng)的穩(wěn) 定性。負(fù)載調(diào)整率的定義為電源在輸出負(fù)載電流變化

19、時(shí)，其提供穩(wěn)定輸出電壓的能力。所需的設(shè)備和連接方式與測(cè)電源調(diào)整率相似，唯一不同的是需要精密的電流表和與待測(cè)電源的輸出串聯(lián)。測(cè)試步驟如下：待測(cè)電源在正常輸入電壓及負(fù)載情況下熱機(jī)穩(wěn)定后， 測(cè)量正常負(fù)載下的輸出電壓值，再分別于低（Min）、高（Max）負(fù)載下，測(cè)量并記錄其輸出 電壓值（分別為Vmax與Vmin）。負(fù)載調(diào)整率通常以正常的固定輸入電壓下，由負(fù)載電 流變化所造成電源輸出電壓偏差率的百分比。待測(cè)電源在正常輸入電壓和負(fù)載情況下熱機(jī)穩(wěn)定后，分別于Min （低）Nomal（通常），和Max（高）輸入電壓下測(cè)量并記錄其輸出電壓值。 電源調(diào)整率通常在一正常之固定 負(fù)載（Nommal Load）下，看具

20、輸入電壓變化所造成電源輸出電壓偏差率 （deviation）的 百分比。4.3測(cè)試結(jié)果及分析表1基本要求1所測(cè)【得電路數(shù)據(jù)RL5 Q5 Q5 Q5 Q5 Q輸入電壓7V10V15V20V25V輸出電壓5.01V5.01V4.99V5.01V5.01V電壓調(diào)整率符合符合符合符合符合基本要求2所測(cè)【得電路數(shù)據(jù)RL5 Q5 Q5 Q5 Q5 Q輸入電壓5.5V5.8V6V6.5V7V輸出電壓5.01V5.01V4.99V5.01V5.01V電壓調(diào)整率符合符合符合符合符合基本要求3所測(cè)1得電路數(shù)據(jù)負(fù)載5 Q500 Q輸入電壓7V7V輸出電壓5.00V5.00 V電壓調(diào)整率符合符合基本要求4所測(cè)1得電路

21、數(shù)據(jù)輸出電壓4.995V5.001V5.000V4.999V5.005V輸出電流1.001A0.773A0.675A0.899A0.012A輸出功率4.99W3.87W3.38W4.49W0.06W發(fā)揮部分1所測(cè)1得電路數(shù)據(jù)RL漏電動(dòng)作電流動(dòng)作前RL兩端電壓動(dòng)作后RL兩端電壓20Q30mA4.85V0V發(fā)揮部分2所測(cè)1得電路數(shù)據(jù)理論漏電動(dòng)作電流實(shí)際漏電動(dòng)作電流誤差值30mA29.8mA99.30%發(fā)揮部分3所測(cè)1得電路數(shù)據(jù)接入功耗20mA綜上所述，本設(shè)計(jì)達(dá)到設(shè)計(jì)要求附錄1:原理圖VCC|R110KU1AII卜R405654SW- PBCON 1J2CON 1VCC1000VCC:15Q1550

22、VCCD42JDQLR16TL4 31D3tUIO D1VCCU2DYP101P10P112P11P134P156RESETT018X1GNDSTC89C52RXDTXDT1WRRDX2P12P13P14P15P16P17INT 0INT 1RSEP310P167P1781 C4302 一P322P333P31111'918 DY21234100k22R11|r-TD10KJ3R71001R13100R6100k34D2CON 4亠 |R1410KR12CON 9VCCPOOP01P02P03P04P05P06P07EAV PALE PPSENP27P26P25P24P23P22P21

23、P20VCC40 I100U39 P0C238 P0133P02T36 P03535 P04533 P00B32 P0E3130I VCC29P2726 P2525 P2424 P2323 P2221P20J4J5VCC104C2LIc-附錄2 : PCB圖訂11qnitor5_|Imentstqnprcx41附錄3 :源程序#in clude<reg51.h>#defi ne uchar un sig ned char#defi ne uint un sig ned intsbit DQ=P3A7;/ds18b20 與單片機(jī)連接口sbit RS=P3A0;sbit RW=P3A1

24、;sbit EN=P3A2;un sig ned char code str1="temperature:"un sig ned char code str2=""uchar data disdata5;uint tvalue;/ 溫度值uchar tflag;/ 溫度正負(fù)標(biāo)志/*lcdi602程.序 */void delay1ms( un sig ned int ms)/延時(shí)1毫秒（不夠精確的）un sig ned int i,j;for(i=0;i<ms;i+)for(j=0;j<100;j+);void wr_com (un sig n

25、ed char com)/ delay1ms(1);RS=0;RW=0;EN=0;P2=com;delay1ms(1);EN=1;delay1ms(1);EN=0;void wr_dat( un sig ned char dat) delay1ms(1);RS=1;RW=0;EN=0;寫指令寫數(shù)據(jù)P2=dat;EN=1;delaylms(l);EN=0;void lcdnit() 初始化設(shè)置/ delay1ms(15);wr_com(0x38);delay1ms(5);wr_com(0x08);delay1ms(5);wr_com(0x01);delay1ms(5);wr_com(0x06);

26、delay1ms(5); wr_com(0x0c);delay1ms(5);顯示/void display (un sig ned char *p)/while(*p!='0')wr_dat(*p);P+;init_play() 初始化顯示 lcdn it();wr_com(0x80);display(strl);wr_com(0xc0);display(str2);*ds1820程序*/void delay_18B20(u nsig ned int i)/while(i-);延時(shí)1微秒void ds1820rst()/*ds1820 復(fù)位 */ un sig ned char

27、 x=0;DQ = 1;DQ 復(fù)位DQ = 0;/DQ拉低delay_18B20(100); / 精確延時(shí)大于 480usDQ = 1;/ 拉高delay_18B20(40);uchar ds1820rd()/* 讀數(shù)據(jù) */ un sig ned char i=0;un sig ned char dat = 0;for (i=8;i>0;i-) DQ = 0; /給脈沖信號(hào)dat>>=1;DQ = 1; /給脈沖信號(hào)if(DQ)dat|=0x80;delay_18B20(10);return(dat); void ds1820wr(uchar wdata)/* 寫數(shù)據(jù) */un sig ned char i=0;for (i=8; i>0; i-) DQ = 0;DQ = wdata&OxO1; delay_18B20(10);DQ = 1; wdata>>=1;read_temp()/*讀取溫