直流穩(wěn)壓電源及漏電保護(hù)裝置河南農(nóng)業(yè)大學(xué)

1、河南農(nóng)業(yè)大學(xué)Henan Agricultural University直流穩(wěn)壓電源及漏電保護(hù)裝置課程設(shè)計(jì)河南農(nóng)業(yè)大學(xué)201*年*月*日河南·鄭州 摘要本直流穩(wěn)壓電源及漏電保護(hù)裝置分為變壓、整流、濾波、穩(wěn)壓輸出，功率測量，實(shí)時顯示，漏電保護(hù)等部分構(gòu)成。變壓整流用220V-30V變壓器加二極管整流橋變壓整流出。由LM317及可變電阻實(shí)現(xiàn)可變電壓輸出。穩(wěn)壓輸出部分由LM2940CJ-5.0P芯片為主DC-DC穩(wěn)壓模塊。功率測量電路用已知電阻測電壓，經(jīng)AD0809芯片采樣輸入單片機(jī)進(jìn)行分析，回顯到LCD1602，實(shí)現(xiàn)功率實(shí)時顯示。漏電保護(hù)裝置由單品單片機(jī)，ULN2003、繼電器組成，首先霍爾

2、電流傳感器采樣電路電流信號送至單片機(jī)，在電流值達(dá)到30mA閾值時有單片機(jī)通過ULN2003驅(qū)動繼電器，形成斷路以保護(hù)電路及人身安全。排除危險(xiǎn)后，按下繼電器復(fù)位開關(guān)電路正常工作。關(guān)鍵芯片：LM317AD809LCD1602 ULN2003 MCU LM2940 DC-DC穩(wěn)壓目錄1系統(tǒng)方案11.1整流模塊的論證與選擇11.2濾波電路的論證與選擇21.3DC-DC穩(wěn)壓模塊的論證與選擇31.4模數(shù)轉(zhuǎn)換的論證與選擇41.5顯示模塊的論證與選擇51.6控制模塊的論證與選擇52系統(tǒng)理論分析與計(jì)算62.1 穩(wěn)壓電源分析計(jì)算62.1.1 穩(wěn)壓芯片甄選62.1.2 有關(guān)參數(shù)的計(jì)算72.2 漏電檢測分析計(jì)算82.

3、2.1 漏電檢測分析82.2.2 漏電檢測計(jì)算92.3 關(guān)斷保護(hù)分析計(jì)算92.3.1 關(guān)斷保護(hù)分析92.3.2 關(guān)斷保護(hù)計(jì)算93電路與程序設(shè)計(jì)93.1電路的設(shè)計(jì)9系統(tǒng)總體框圖93.2程序的設(shè)計(jì)11程序流程圖114測試方案與測試結(jié)果124.1調(diào)試的方法12值4.2 測試條件與儀器124.3 測試結(jié)果及分析12測試結(jié)果(數(shù)據(jù))12測試分析與結(jié)論13附錄1：電路原理圖14附錄2：源程序15直流穩(wěn)壓電源及漏電保護(hù)裝置1系統(tǒng)方案本系統(tǒng)所需要有整流模塊、濾波模塊，DC-DC穩(wěn)壓模塊，模數(shù)轉(zhuǎn)換模塊、顯示模塊、控制模塊、漏電保護(hù)模塊、組成，下面分別論證這幾個模塊的選擇。1.1整流模塊的論證與選擇題目所需電壓為

4、5.5到25V，最大電流為1A所以最大功率為25W，根據(jù)變壓器功率守恒的原則，我們選用的是220V-30V，50W的普通變壓器符合要求，穩(wěn)壓電源模塊分為整流模塊，穩(wěn)壓模塊兩部分。現(xiàn)論證如下1.1.1整流模塊方案一：半波整流電路。電路圖如圖1.1所示，圖1.1.1半波整流電路是一種最簡單的整流電路。它由電源變壓器、整流二極管D 和負(fù)載電阻Rfz ，組成。變壓器把市電電壓變換為所需要的交變電壓E2 ，再把交流電變換為脈動直流電。該電路聯(lián)接簡單，但輸出脈動大。方案選擇：通過比較可知，半波整流電路簡單，易于聯(lián)接，但輸出脈動大。而橋式整流電路在實(shí)際中應(yīng)用較多，變壓器負(fù)極線圈在一周內(nèi)均有電流通過。采用橋式

5、整流電路比較好。方案二：橋式整流電路。電路圖如1.1.2所示圖1.1.2橋式整流電路是使用最多的一種整流電路。這種電路，只要增加兩只二極管口連接成"橋"式結(jié)構(gòu)，便具有全波整流電路的優(yōu)點(diǎn)，而同時在一定程度上克服了它的缺點(diǎn)。橋式整流電路是利用四個二極管制作成一個整體，引出四個腳，兩個作為交流電源輸入端，另兩個作為輸出端。方案選擇：通過比較可知，半波整流電路簡單，易于聯(lián)接，但輸出脈動大。而橋式整流電路在實(shí)際中應(yīng)用較多，變壓器負(fù)極線圈在一周內(nèi)均有電流通過。采用橋式整流電路比較好。所以選擇方案二。1.2濾波電路的論證與選擇濾波電路常用于濾去整流輸出電壓中的紋波，一般由電抗元件組成，如

6、在負(fù)載電阻兩端并聯(lián)電容器C，或與負(fù)載串聯(lián)電感器L，以及由電容，電感組成而成的各種復(fù)式濾波電路。由于電抗元件在電路中有儲能作用，并聯(lián)的電容器C在電源供給的電壓升高時，能把部分能量儲存起來，而當(dāng)電源電壓降低時，就把能量釋放出來，使負(fù)載電壓比較平滑，即電容C具有平波的作用；與負(fù)載串聯(lián)的電感L,當(dāng)電源供給的電流增加時，它把能量儲存起來，而當(dāng)電流減小時，又把能量釋放出來，使負(fù)載電流比較平滑，即電感L也有平波作用。方案選擇：電感濾波輸出電流較為平滑，同時電感負(fù)載有延長整流二極管導(dǎo)通角的趨勢，因此輸出電流比較平滑，避免了過大的沖擊電流。但電感濾波后輸出電壓較低。濾波電路結(jié)合了電容濾波和電感濾波的優(yōu)點(diǎn)，但電路

7、較復(fù)雜，參數(shù)選擇比較困難。電容濾波電路輸出電壓與時間常數(shù)的大小有關(guān)，因此電容濾波電路適合在大負(fù)載場合下運(yùn)用。在濾波電容的容量較大的情況下，電路剛接通的瞬間，整流二極管將承受很大的浪涌電流，很可能因過流而燒毀，因此，在選用二極管時，應(yīng)注意挑選電流大一點(diǎn)的，最好采用比鍺管更經(jīng)得起電流沖擊的硅管。還可以采取一些保護(hù)整流二極管的措施，使通過整流二極管的最大電流不超過規(guī)定的浪涌電流。同時，電容濾波電路的外特性比較軟。綜合分析此次設(shè)計(jì)采用圖1.2的電容濾波電路。圖1.21.3DC-DC穩(wěn)壓模塊的論證與選擇方案一：采用LM7085三端穩(wěn)壓器來穩(wěn)定電壓，這也是腦子中最先出現(xiàn)的穩(wěn)壓芯片，7805是最常用到的穩(wěn)壓

8、芯片，它的使用方便，用很簡單的電路即可以輸入一個直流穩(wěn)壓電源，它的輸出電壓恰好為5V，剛好是51系列單片機(jī)運(yùn)行所需的電壓，它有很多系列，如KA7805，ADS7805,CW7805等，性能有微小的差別，用的最多的是LM7805。但查詢LM7805手冊得知。LM7805的壓差最小2V，既要得到題目最小電壓5V最少需要7V，不符合題目要求的5.5V到25V的要求，方案二：采用LM2940三端穩(wěn)壓器來穩(wěn)定電壓，國產(chǎn)的LM2940CJ-5.0P+以更大的輸入范圍，完美的解決壓差問題，其優(yōu)越的性能，超高的性價比完全替代進(jìn)口LM290-5.0CJP+，其手冊芯片說明其最大壓差0.5V，算是解決的低壓差的問

9、題。其電路實(shí)現(xiàn)模塊如圖4所示圖1.3綜合考慮采用方案二。經(jīng)濟(jì)適用，適合題目要求1.4模數(shù)轉(zhuǎn)換的論證與選擇方案一：采用ADC0809將模擬電壓信號轉(zhuǎn)換成數(shù)字信號。ADC0809是采樣頻率為8位的、以逐次逼近原理進(jìn)行模數(shù)轉(zhuǎn)換的器件。其內(nèi)部有一個8通道多路開關(guān)，它可以根據(jù)地址碼鎖存譯碼后的信號，只選通8個單斷模擬輸入信號中的一個進(jìn)行A/D轉(zhuǎn)換。題目中電流從1A變化到0.01A正好相當(dāng)于模擬輸出電壓連續(xù)變化，ADC0809對輸入模擬量要求為信號單極性，電壓范圍是05V正符合題目要求，其單片機(jī)應(yīng)用電路簡單實(shí)用，經(jīng)典，使用廣泛，是AD轉(zhuǎn)換中的?？?，為此我們經(jīng)過考量選用ADC0809 作為我們此次比賽中功率

10、實(shí)時顯示的信號采集模塊使用，其在電路如圖5所示圖1.41.5顯示模塊的論證與選擇方案一：采用七段數(shù)碼管，將單片機(jī)得到的數(shù)據(jù)通過數(shù)碼管顯示出來。該方案簡單易行，但所需的元件較多，且不容易進(jìn)行操作，可讀性差，一旦設(shè)定后，很難再加入其他的功能，顯示格式受限制且耗電量大，不宜用電池給系統(tǒng)供電方案二：采用LCD1602顯示,LCD顯示器顯示平穩(wěn)、省電、美觀，更容易實(shí)現(xiàn)題目要求，后續(xù)的功能兼容性高，只需將軟件作修改即可，可操作性強(qiáng)，也易于讀數(shù)其中、也是市場上經(jīng)典的顯示器，大眾化普及率高。且滿足題目要求。其電路如圖1.5所示圖1.51.6控制模塊的論證與選擇方案一：選用一片CPLD（如EPM7128LC84

11、-15）作為系統(tǒng)的核心部件，實(shí)現(xiàn)控制與處理的功能。CPLD具有速度快、編程容易、資源豐富、開發(fā)周期短等優(yōu)點(diǎn)，可利用VHDL語言進(jìn)行編寫開發(fā)。但CPLD在控制上較單片機(jī)有較大的劣勢。同時，CPLD的處理速度非?？?，而手動調(diào)節(jié)電位器的頻率不會太高，那么對系統(tǒng)處理信息的要求也就不會太高，在這一點(diǎn)上，MCU就已經(jīng)可以勝任了。若采用該方案，必將在控制上遇到許許多多不必要增加的難題。為此，我們不采用該種方案，進(jìn)而提出了第二種設(shè)想。     方案二：采用STC89C52單片機(jī)作為主控制器。如圖1.6所示STC89C52是一個超低功耗，和標(biāo)準(zhǔn)51系列單片機(jī)相比

12、較具有運(yùn)算速度快，抗干擾能力強(qiáng)，片內(nèi)含8k空間的可反復(fù)擦寫1000次的Flash只讀存儲器，具有512 bytes的隨機(jī)存取數(shù)據(jù)存儲器（RAM），32個I/O口，2個16位可編程定時計(jì)數(shù)器。其指令系統(tǒng)和傳統(tǒng)的8051系列單片機(jī)指令系統(tǒng)兼容，降低了系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)的難度，電路設(shè)計(jì)簡單、價格低廉。 圖1.6    綜合以上方案我們選擇比較普通的更為熟悉的方案二使用STC89C52單片機(jī)為我們整個系統(tǒng)的控制模塊電路2系統(tǒng)理論分析與計(jì)算2.1 穩(wěn)壓電源分析計(jì)算2.1.1穩(wěn)壓芯片甄選鑒于賽題要求的5.5V-25V輸入范圍，5V輸出，這樣的芯片必須滿

13、足寬輸入，低壓差穩(wěn)定輸出的特點(diǎn)，各據(jù)其手冊表2.1.1提供的數(shù)據(jù)顯示，其壓差為2V，若要輸出5V穩(wěn)定電壓，臨界值必須達(dá)到7V，顯然7085不符合要求，為此我們多方查詢資料，終于找到了適合我們的穩(wěn)壓芯片LM2940，其電氣參數(shù)如表2.1.1.1所示，其100mA是壓差為0.3，1A 是的壓差為0.5剛好為賽題需要的臨界值，所以我們選中此芯片來作為我們所需的穩(wěn)壓電源做最大貢獻(xiàn)。表2.1.1. LM7805電氣參數(shù)表2.1.1.1 LM2940電氣參數(shù)2.1.2有關(guān)參數(shù)的計(jì)算穩(wěn)壓電源的技術(shù)指標(biāo)可以分為兩大類：一類是特性指標(biāo)，如輸出電壓、輸出電濾及電壓調(diào)節(jié)范圍；另一類是質(zhì)量指標(biāo)，反映一個穩(wěn)壓電源的優(yōu)劣

14、，包括穩(wěn)定度、等效內(nèi)阻（輸出電阻）、紋波電壓及溫度系數(shù)等。對穩(wěn)壓電源的性能，主要有以下四個萬面的要求： 1穩(wěn)定性好   當(dāng)輸入電壓Usr（整流、濾波的輸出電壓）在規(guī)定范圍內(nèi)變動時，輸出電壓Usc的變化應(yīng)該很小一般要求    由于輸入電壓變化而引起輸出電壓變化的程度，稱為穩(wěn)定度指標(biāo)，常用穩(wěn)壓系數(shù)S 來表示：S的大小，反映一個穩(wěn)壓電源克服輸入電壓變化的能力。在同樣的輸入電壓變化條件下，S越小，輸出電壓的變化越小，電源的穩(wěn)定度越高。通常S約為。 2.輸出電阻小   負(fù)載變

15、化時（從空載到滿載），輸出電壓Usc，應(yīng)基本保持不變。穩(wěn)壓電源這方面的性能可用輸出電阻表征。 輸出電阻（又叫等效內(nèi)阻）用rn 表示，它等于輸出電壓變化量和負(fù)載電流變化量之比。                     rn 反映負(fù)載變動時，輸出電壓維持恒定的能力，rn 越小，則Ifz   變化時輸出電壓的變化也越小。性能

16、優(yōu)良的穩(wěn)壓電源，輸出電阻可小到1歐，甚至001歐。 3.電壓溫度系數(shù)小 當(dāng)環(huán)境溫度變化時，會引起輸出電壓的漂移。良好的穩(wěn)壓電源，應(yīng)在環(huán)境溫度變化時，有效地抑制輸出電壓的漂移，保持輸出電壓穩(wěn)定，輸出電壓的漂移用溫度系數(shù)KT來表示：                     4.輸出電壓紋波小   所謂紋波電壓，是指輸出電壓中50赫或100赫的

17、交流分量，通常用有效值或峰值表示。經(jīng)過穩(wěn)壓作用，可以使整流濾波后的紋波電壓大大降低，降低的倍數(shù)反比于穩(wěn)壓系數(shù)S 2.2 漏電檢測分析計(jì)算2.2.1漏電檢測分析根據(jù)題目要求，漏電裝置的動作電流為30mA，我們在負(fù)載與漏電模擬裝置后面接入阻值10歐的電阻，漏電模擬部分的變化30mA，由于負(fù)載電阻與漏電保護(hù)電路為并聯(lián)關(guān)系，那么必然會在回流負(fù)極的干路接入的10歐電阻會有0.3V 的電壓的變化，此變化信號有ADC0809 實(shí)時采樣，正好與前面的功率顯示交相呼應(yīng)，然后單片機(jī)控制繼電器進(jìn)行斷開電源供電，至此漏電保護(hù)完成，復(fù)位電路通過按鍵讓單片機(jī)接收到信號，然后停止控制繼電器，彈簧片回彈停止保護(hù)，接

18、通電路，電路正常開始工作。2.2.2漏電檢測計(jì)算漏電中產(chǎn)生的數(shù)據(jù)主要是模擬漏電保護(hù)裝置產(chǎn)生的電流，理論分析可知，干路電流變化30mA，10歐的電阻在30mA的變化范圍內(nèi)，會有0.3V的變化，只要變化到0.2VADC 0809 就能采樣到，這樣便可以實(shí)現(xiàn)控制2.3關(guān)斷保護(hù)分析計(jì)算2.3.1關(guān)斷保護(hù)分析在ADC0809采樣檢測符合動作電流時，單片機(jī)產(chǎn)生一個低電平信號，通過ULN2003驅(qū)動繼電器動作，實(shí)行保護(hù)，2.3.2關(guān)斷保護(hù)計(jì)算由于關(guān)斷保護(hù)動作電流為30mA，國家規(guī)定的漏電保護(hù)反應(yīng)時間為1uS，所以考慮到安全問題，關(guān)斷的反應(yīng)速度一定要快。所以也就是要求采樣和單片機(jī)的速度一定要快，查詢手冊得知，

19、我們所用的單片機(jī)和模數(shù)轉(zhuǎn)換模塊滿足要求。為此就是確保這樣的電路焊接不出現(xiàn)虛焊脫焊就行了。3電路與程序設(shè)計(jì)3.1電路的設(shè)計(jì)3.1.1系統(tǒng)總體框圖系統(tǒng)總體框圖如圖3.11所示，變壓整流濾波穩(wěn)壓基礎(chǔ)部分發(fā)揮部分采樣分析單片機(jī)控制中心采樣分析實(shí)時顯示漏電保護(hù)結(jié)束故障排除，手動復(fù)位結(jié)束圖3.1.1系統(tǒng)總體框圖3.2程序的設(shè)計(jì)3.2.1程序流程圖1、主程序流程圖開始開始采樣漏電保護(hù)數(shù)據(jù)初始化LCDYY單片機(jī)分析比較采樣電路電壓變化YN是否達(dá)到保護(hù)閾值單片機(jī)讀取ADC0809選取通道YY單片機(jī)取樣計(jì)算輸出單片機(jī)控制漏電保護(hù)工作LCD顯示單片機(jī)掃描按鍵是否有鍵按下Y解除漏電保護(hù)結(jié)束4測試方案與測試結(jié)果4.1調(diào)

20、試的方法鑒于現(xiàn)在軟件功能強(qiáng)大，我們的模塊化已經(jīng)在protues軟件仿真測試完成，與題目要求精度和結(jié)果吻合，但考慮到現(xiàn)實(shí)電路的外界環(huán)境，以及手工焊接工藝，所以我們采用實(shí)際電路測試，.首先測試5V 穩(wěn)壓的輸出，用滑動變阻器來調(diào)節(jié)整流濾波電路變出的30V電壓，用數(shù)字電壓表實(shí)時測量調(diào)節(jié)電壓的值。再用兩個萬用表分別測試穩(wěn)壓模塊電壓。電流，看是否符合題目要求，符合題目要求后根據(jù)題意測量，按照題目基本（1）要求開始逐步測量數(shù)據(jù)，按照基本要求測試電壓調(diào)整率，具體做法為用一電壓表在測量穩(wěn)壓前的的電壓，使其達(dá)到7V時用另一電壓表測量穩(wěn)壓后的電壓Uo1，同理測輸入25V時的穩(wěn)壓后電壓Uo2，計(jì)算電壓調(diào)整率Su，此次

21、測量結(jié)束后，本要求（3）中的測量方法為：穩(wěn)壓輸入至7V，然后調(diào)節(jié)負(fù)載電阻，并串入高精度萬用表來測量電流?？词欠駶M足要求。發(fā)揮部分(1)根據(jù)題意要求，電流表已經(jīng)作為漏電保護(hù)裝置在電路內(nèi)，根據(jù)要求只要測量輸出電壓即可。所以只需一個萬用表介入輸出端測量電壓即可。要求（2）只需用（1）的測量記錄結(jié)果計(jì)算就行至此測量完成。值4.2 測試條件與儀器測試條件：室溫25度，測試儀器：高精度的數(shù)字萬用表，4.3 測試結(jié)果及分析4.3.1測試結(jié)果(數(shù)據(jù))5V穩(wěn)壓測試結(jié)果如下表所示：（單位/V）輸入值5.566.578101825輸出值4.964.974.9955555電壓調(diào)整率計(jì)算公式式中Uo1是直流輸入電壓為7

22、 V時的輸出電壓，Uo2是直流輸入電壓為25 V時的源輸出電壓。經(jīng)計(jì)算的，此次電壓調(diào)整率為04.3.2測試分析與結(jié)論根據(jù)上述測試數(shù)據(jù)可以得出以下結(jié)論：1、變壓鋁箔模塊穩(wěn)定2、LM2940芯片符合賽題要求3、各項(xiàng)參數(shù)符合要求綜上所述，本設(shè)計(jì)達(dá)到設(shè)計(jì)要求。附錄1：電路原理圖附錄2：源程序#include<at89x52.h>#include <intrins.h>#define uchar unsigned char#define uint unsigned intuchar temp_1="POWERZHI:0.00W"uchar temp_2=&qu

23、ot;VoltageB:0.00V"sbit ST =P30;sbit EOC=P31;sbit OE =P32;sbit DA_A=P35;sbit DA_B=P36;sbit DA_C=P37;sbit KEY=P33;sbit RELAY=P23;uchar nn;uint getdate_1;uint getdate_2;float getdate;void delay1(uint i)uchar x,j;for(j=0;j<i;j+)for(x=0;x<=148;x+); void delay(uint z) uint a,b; for(a=z;a>0;a

24、-) for(b=120;b>0;b-);/Port Definitions*sbit LcdRs= P20;sbit LcdRw= P21;sbit LcdEn = P22;sfr DBPort = 0x80;/P0=0x80,P1=0x90,P2=0xA0,P3=0xB0.數(shù)據(jù)端口/內(nèi)部等待函數(shù)*unsigned char LCD_Wait(void)LcdRs=0;LcdRw=1;_nop_();LcdEn=1;_nop_(); LcdEn=0;return DBPort;/向LCD寫入命令或數(shù)據(jù)*#define LCD_COMMAND0 / Command#define LCD_

25、DATA1 / Data#define LCD_CLEAR_SCREEN0x01 / 清屏#define LCD_HOMING 0x02 / 光標(biāo)返回原點(diǎn)void LCD_Write(bit style, unsigned char input)LcdEn=0;LcdRs=style;LcdRw=0;_nop_();DBPort=input;_nop_();/注意順序LcdEn=1;_nop_();/注意順序LcdEn=0;_nop_();LCD_Wait();delay(5);/設(shè)置顯示模式*#define LCD_SHOW0x04 /顯示開#define LCD_HIDE0x00 /顯示關(guān)

26、 #define LCD_CURSOR0x02 /顯示光標(biāo)#define LCD_NO_CURSOR0x00 /無光標(biāo) #define LCD_FLASH0x01 /光標(biāo)閃動#define LCD_NO_FLASH0x00 /光標(biāo)不閃動void LCD_SetDisplay(unsigned char DisplayMode)LCD_Write(LCD_COMMAND, 0x08|DisplayMode);/設(shè)置輸入模式*#define LCD_AC_UP0x02#define LCD_AC_DOWN0x00 / default#define LCD_MOVE0x01 / 畫面可平移#defi

27、ne LCD_NO_MOVE0x00 /defaultvoid LCD_SetInput(unsigned char InputMode)LCD_Write(LCD_COMMAND, 0x04|InputMode);/初始化LCD*void LCD_Initial()LcdEn=0;LCD_Write(LCD_COMMAND,0x38); /8位數(shù)據(jù)端口,2行顯示,5*7點(diǎn)陣delay(5);LCD_Write(LCD_COMMAND,0x38);delay(5);LCD_SetDisplay(LCD_SHOW|LCD_NO_CURSOR); /開啟顯示, 無光標(biāo)delay(5);LCD_Write(LCD_COMMAND,LCD_CLEAR_SCREEN); /清屏delay(5);LCD_SetInput(LCD_AC_UP|LCD_NO_MOVE); /AC遞增, 畫面不動delay(5);/液晶字符輸入的位置*void GotoXY(unsigned char x,