直流穩(wěn)壓電源及漏電保護(hù)裝置課程設(shè)計(jì)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(cè)量，實(shí)時(shí)顯示，漏電保護(hù)等部分構(gòu)成。變壓整流用220V30V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LM2940CJ50P芯片為主DCDC穩(wěn)壓模塊。功率測(cè)量電路用已知電阻測(cè)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(shí)顯示。漏電保護(hù)裝置由單品單片機(jī)，ULN2003、繼電器組成，首先霍爾電流傳感器采樣電路電流信號(hào)送至單片機(jī)，在電流值達(dá)到30MA閾值時(shí)有單片機(jī)通過(guò)ULN2003驅(qū)動(dòng)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LM317AD809LCD1602ULN2003MCULM2940DCDC穩(wěn)壓目錄1系統(tǒng)方案111整流模塊的論證與選擇112濾波電路的論證與選擇213DCDC穩(wěn)壓模塊的論證與選擇314模數(shù)轉(zhuǎn)換的論證與選擇415顯示模塊的論證與選擇516控制模塊的論證與選擇52系統(tǒng)理論分析與計(jì)算621穩(wěn)壓電源分析計(jì)算6211穩(wěn)壓芯片甄選6212有關(guān)參數(shù)的計(jì)算722漏電檢測(cè)分析計(jì)算8221漏電檢測(cè)分析8222漏電檢測(cè)計(jì)算923關(guān)斷保護(hù)分析計(jì)算9231關(guān)斷保護(hù)分析9232關(guān)斷保護(hù)計(jì)算93電路與程序設(shè)計(jì)931電路的設(shè)計(jì)9311系統(tǒng)總體框圖932程序的設(shè)計(jì)11321程序流程圖114測(cè)試方案與測(cè)試結(jié)果1241調(diào)試的方法12值42測(cè)試條件與儀器1243測(cè)試結(jié)果及分析12431測(cè)試結(jié)果數(shù)據(jù)12432測(cè)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，DCDC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(gè)模塊的選擇。11整流模塊的論證與選擇題目所需電壓為55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220V30V，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111整流模塊方案一半波整流電路。電路圖如圖11所示，圖111半波整流電路是一種最簡(jiǎn)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(dòng)直流電。該電路聯(lián)接簡(jiǎn)單，但輸出脈動(dòng)大。方案選擇通過(guò)比較可知，半波整流電路簡(jiǎn)單，易于聯(lián)接，但輸出脈動(dòng)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(guò)。采用橋式整流電路比較好。方案二橋式整流電路。電路圖如112所示圖112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(shí)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(gè)二極管制作成一個(gè)整體，引出四個(gè)腳，兩個(gè)作為交流電源輸入端，另兩個(gè)作為輸出端。方案選擇通過(guò)比較可知，半波整流電路簡(jiǎn)單，易于聯(lián)接，但輸出脈動(dòng)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(guò)。采用橋式整流電路比較好。所以選擇方案二。12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(chǔ)能作用，并聯(lián)的電容器C在電源供給的電壓升高時(shí)，能把部分能量?jī)?chǔ)存起來(lái)，而當(dāng)電源電壓降低時(shí)，就把能量釋放出來(lái)，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(shí)，它把能量?jī)?chǔ)存起來(lái)，而當(dāng)電流減小時(shí)，又把能量釋放出來(lái)，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(shí)電感負(fù)載有延長(zhǎng)整流二極管導(dǎo)通角的趨勢(shì)，因此輸出電流比較平滑，避免了過(guò)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)，但電路較復(fù)雜，參數(shù)選擇比較困難。LC電容濾波電路輸出電壓與時(shí)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LRC場(chǎng)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(guò)流而燒毀，因此，在選用二極管時(shí)，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(guò)整流二極管的最大電流不超過(guò)規(guī)定的浪涌電流。同時(shí)，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12的電容濾波電路。圖1213DCDC穩(wěn)壓模塊的論證與選擇方案一采用LM7085三端穩(wěn)壓器來(lái)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)壓芯片，它的使用方便，用很簡(jiǎn)單的電路即可以輸入一個(gè)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(cè)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55V到25V的要求，方案二采用LM2940三端穩(wěn)壓器來(lái)穩(wěn)定電壓，國(guó)產(chǎn)的LM2940CJ50P以更大的輸入范圍，完美的解決壓差問(wèn)題，其優(yōu)越的性能，超高的性價(jià)比完全替代進(jìn)口LM29050CJP，其手冊(cè)芯片說(shuō)明其最大壓差05V，算是解決的低壓差的問(wèn)題。其電路實(shí)現(xiàn)模塊如圖4所示圖13綜合考慮采用方案二。經(jīng)濟(jì)適用，適合題目要求14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(hào)轉(zhuǎn)換成數(shù)字信號(hào)。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(gè)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(hào)，只選通8個(gè)單斷模擬輸入信號(hào)中的一個(gè)進(jìn)行A/D轉(zhuǎn)換。題目中電流從1A變化到001A正好相當(dāng)于模擬輸出電壓連續(xù)變化，ADC0809對(duì)輸入模擬量要求為信號(hào)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(jiǎn)單實(shí)用，經(jīng)典，使用廣泛，是AD轉(zhuǎn)換中的常客，為此我們經(jīng)過(guò)考量選用ADC0809作為我們此次比賽中功率實(shí)時(shí)顯示的信號(hào)采集模塊使用，其在電路如圖5所示圖1415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(guò)數(shù)碼管顯示出來(lái)。該方案簡(jiǎn)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(chǎng)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15所示圖1516控制模塊的論證與選擇方案一選用一片CPLD（如EPM7128LC8415）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(yǔ)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(shì)。同時(shí)，CPLD的處理速度非?？欤謩?dòng)調(diào)節(jié)電位器的頻率不會(huì)太高，那么對(duì)系統(tǒng)處理信息的要求也就不會(huì)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16所示STC89C52是一個(gè)超低功耗，和標(biāo)準(zhǔn)51系列單片機(jī)相比較具有運(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(chǔ)器，具有512BYTES的隨機(jī)存取數(shù)據(jù)存儲(chǔ)器（RAM），32個(gè)I/O口，2個(gè)16位可編程定時(shí)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(jiǎn)單、價(jià)格低廉。圖16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(gè)系統(tǒng)的控制模塊電路2系統(tǒng)理論分析與計(jì)算21穩(wěn)壓電源分析計(jì)算211穩(wěn)壓芯片甄選鑒于賽題要求的55V25V輸入范圍，5V輸出，這樣的芯片必須滿足寬輸入，低壓差穩(wěn)定輸出的特點(diǎn)，各據(jù)其手冊(cè)表211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2111所示，其100MA是壓差為03，1A是的壓差為05剛好為賽題需要的臨界值，所以我們選中此芯片來(lái)作為我們所需的穩(wěn)壓電源做最大貢獻(xiàn)。表211LM7805電氣參數(shù)表2111LM2940電氣參數(shù)212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(gè)穩(wěn)壓電源的優(yōu)劣，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(duì)穩(wěn)壓電源的性能，主要有以下四個(gè)萬(wàn)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(dòng)時(shí)，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(lái)表示S的大小，反映一個(gè)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)載變化時(shí)（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(dòng)時(shí)，輸出電壓維持恒定的能力，RN越小，則IFZ變化時(shí)輸出電壓的變化也越小。性能優(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(shí)，會(huì)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(shí)，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(lái)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赫的交流分量，通常用有效值或峰值表示。經(jīng)過(guò)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)S22漏電檢測(cè)分析計(jì)算221漏電檢測(cè)分析根據(jù)題目要求，漏電裝置的動(dòng)作電流為30MA，我們?cè)谪?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(huì)在回流負(fù)極的干路接入的10歐電阻會(huì)有03V的電壓的變化，此變化信號(hào)有ADC0809實(shí)時(shí)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(guò)按鍵讓單片機(jī)接收到信號(hào)，然后停止控制繼電器，彈簧片回彈停止保護(hù)，接通電路，電路正常開始工作。222漏電檢測(cè)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(huì)有03V的變化，只要變化到02VADC0809就能采樣到，這樣便可以實(shí)現(xiàn)控制23關(guān)斷保護(hù)分析計(jì)算231關(guān)斷保護(hù)分析在ADC0809采樣檢測(cè)符合動(dòng)作電流時(shí)，單片機(jī)產(chǎn)生一個(gè)低電平信號(hào)，通過(guò)ULN2003驅(qū)動(dòng)繼電器動(dòng)作，實(shí)行保護(hù)，232關(guān)斷保護(hù)計(jì)算由于關(guān)斷保護(hù)動(dòng)作電流為30MA，國(guó)家規(guī)定的漏電保護(hù)反應(yīng)時(shí)間為1US，所以考慮到安全問(wèn)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(cè)得知，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)31電路的設(shè)計(jì)311系統(tǒng)總體框圖系統(tǒng)總體框圖如圖311所示，圖311系統(tǒng)總體框圖故障排除，手動(dòng)復(fù)位漏電保護(hù)采樣分析發(fā)揮部分實(shí)時(shí)顯示單片機(jī)控制中心采樣分析基礎(chǔ)部分變壓整流濾波穩(wěn)壓結(jié)束結(jié)束32程序的設(shè)計(jì)321程序流程圖1、主程序流程圖開始開始單片機(jī)控制漏電保護(hù)工作采樣漏電保護(hù)數(shù)據(jù)單片機(jī)掃描按鍵單片機(jī)分析比較結(jié)束單片機(jī)取樣計(jì)算輸出單片機(jī)讀取ADC0809選取通道采樣電路電壓變化LCD顯示初始化LCDYYY是否達(dá)到保護(hù)閾值YYN解除漏電保護(hù)是否有鍵按下Y4測(cè)試方案與測(cè)試結(jié)果41調(diào)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(cè)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(cè)試，首先測(cè)試5V穩(wěn)壓的輸出，用滑動(dòng)變阻器來(lái)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(shí)測(cè)量調(diào)節(jié)電壓的值。再用兩個(gè)萬(wàn)用表分別測(cè)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(cè)量，按照題目基本（1）要求開始逐步測(cè)量數(shù)據(jù)，按照基本要求測(cè)試電壓調(diào)整率，具體做法為用一電壓表在測(cè)量穩(wěn)壓前的的電壓，使其達(dá)到7V時(shí)用另一電壓表測(cè)量穩(wěn)壓后的電壓UO1，同理測(cè)輸入25V時(shí)的穩(wěn)壓后電壓UO2，計(jì)算電壓調(diào)整率SU，此次測(cè)量結(jié)束后，本要求（3）中的測(cè)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(wàn)用表來(lái)測(cè)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(cè)量輸出電壓即可。所以只需一個(gè)萬(wàn)用表介入輸出端測(cè)量電壓即可。要求（2）只需用（1）的測(cè)量記錄結(jié)果計(jì)算就行至此測(cè)量完成。值42測(cè)試條件與儀器測(cè)試條件室溫25度，測(cè)試儀器高精度的數(shù)字萬(wàn)用表，43測(cè)試結(jié)果及分析431測(cè)試結(jié)果數(shù)據(jù)5V穩(wěn)壓測(cè)試結(jié)果如下表所示（單位/V）輸入值5566578101825輸出值49649749955555電壓調(diào)整率計(jì)算公式式中UO1是直流輸入電壓為7V時(shí)的輸出電壓，UO2是直流輸入電壓為25V時(shí)的源輸出電壓。經(jīng)計(jì)算的，此次電壓調(diào)整率為0432測(cè)試分析與結(jié)論根據(jù)上述測(cè)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047UFC2R3KINOUTADJLMBRIDGE5VGP/EX68S9XWHQYPOTLAY、_,QS附錄2源程序INCLUDEINCLUDEDEFINEUCHARUNSIGNEDCHARDEFINEUINTUNSIGNEDINTUCHARTEMP_1“POWERZHI000W“UCHARTEMP_2“VOLTAGEB000V“SBITSTP30SBITEOCP31SBITOEP32SBITDA_AP35SBITDA_BP36SBITDA_CP37SBITKEYP33SBITRELAYP23UCHARNNUINTGETDATE_1UINTGETDATE_2FLOATGETDATEVOIDDELAY1UINTIUCHARX,JFORJ0J0AFORB120B0B/PORTDEFINITIONSSBITLCDRSP20SBITLCDRWP21SBITLCDENP22SFRDBPORT0X80/P00X80,P10X90,P20XA0,P30XB0數(shù)據(jù)端口/內(nèi)部等待函數(shù)UNSIGNEDCHARLCD_WAITVOIDLCDRS0LCDRW1_NOP_LCDEN1_NOP_LCDEN0RETURNDBPORT/向LCD寫入命令或數(shù)據(jù)DEFINELCD_COMMAND0/COMMANDDEFINELCD_DATA1/DATADEFINELCD_CLEAR_SCREEN0X01/清屏DEFINELCD_HOMING0X02/光標(biāo)返回原點(diǎn)VOIDLCD_WRITEBITSTYLE,UNSIGNEDCHARINPUTLCDEN0LCDRSSTYLELCDRW0_NOP_DBPORTINPUT_NOP_/注意順序LCDEN1_NOP_/注意順序LCDEN0_NOP_LCD_WAITDELAY5/設(shè)置顯示模式DEFINELCD_SHOW0X04/顯示開DEFINELCD_HIDE0X00/顯示關(guān)DEFINELCD_CURSOR0X02/顯示光標(biāo)DEFINELCD_NO_CURSOR0X00/無(wú)光標(biāo)DEFINELCD_FLASH0X01/光標(biāo)閃動(dòng)DEFINELCD_NO_FLASH0X00/光標(biāo)不閃動(dòng)VOIDLCD_SETDISPLAYUNSIGNEDCHARDISPLAYMODELCD_WRITELCD_COMMAND,0X08|DISPLAYMODE/設(shè)置輸入模式DEFINELCD_AC_UP0X02DEFINELCD_AC_DOWN0X00/DEFAULTDEFINELCD_MOVE0X01/畫面可平移DEFINELCD_NO_MOVE0X0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