1、2023年全國(guó)大學(xué)生電子設(shè)計(jì)大賽2023年全國(guó)大學(xué)生電子設(shè)計(jì)大賽2023年全國(guó)大學(xué)生電子設(shè)計(jì)大賽論文【高職組】直流穩(wěn)壓電源及漏電保護(hù)裝置設(shè)計(jì)報(bào)告2023年9月5日設(shè)計(jì)摘要：本作品是基于被廣泛應(yīng)用在小功率及各種電子設(shè)備領(lǐng)域的穩(wěn)壓電源而設(shè)計(jì)的具備漏電保護(hù)裝置的線(xiàn)性直流穩(wěn)壓電源。能夠輸出5V電壓，輸出電流為1A；附有30mA漏電保護(hù)裝置，帶自鎖功能；能實(shí)時(shí)顯示穩(wěn)壓電源的輸出功率。關(guān)鍵詞：線(xiàn)性直流穩(wěn)壓電源，漏電保護(hù)，自鎖Abstract：Thisworkisregulatedpowersupplywhatiswidelyusedinthesmallpowerandavarietyofelectroni

2、cequipmentbasedonthefieldandthedesignofthelinearDCpowerleakageprotectiondevice.Itcanoutputvoltage5Vandoutputcurrentis1A,Ithasa30mAleakageprotectiondevicewithself-lockingfunctionanddisplayreal-timeoutputpowerswitchingpowersupply.Key Word：The linear DC regulated power supply, Leakage protection, Self-

3、locking2023年全國(guó)大學(xué)生電子設(shè)計(jì)大賽目錄 TOC o 1-3 h z u HYPERLINK l _Toc3663492781設(shè)計(jì)任務(wù)(或設(shè)計(jì)題目)與要求(或技術(shù)指標(biāo))年全國(guó)大學(xué)生電子設(shè)計(jì)大賽1設(shè)計(jì)任務(wù)(或設(shè)計(jì)題目)與要求(或技術(shù)指標(biāo))11設(shè)計(jì)任務(wù)見(jiàn)附錄112技術(shù)指標(biāo)見(jiàn)附錄113題目分析線(xiàn)性直流穩(wěn)壓電源電路是被廣泛應(yīng)用在小功率及各種電子設(shè)備領(lǐng)域，具有反響速度快，輸出紋波較?。还ぷ鳟a(chǎn)生的噪聲低的優(yōu)點(diǎn)。在本次設(shè)計(jì)中，要求在一定輸入電壓范圍和輸出負(fù)載的前提下，輸出電壓為5V，以確保電壓調(diào)整率及負(fù)載調(diào)整率控制在1%以?xún)?nèi)；該電路還要求附帶30mA的漏電保護(hù)裝置，帶自鎖和按鍵恢復(fù)功能，并盡可能考

4、慮漏電保護(hù)裝置的接入功耗?；诖耍麄€(gè)電路設(shè)計(jì)就分為穩(wěn)壓電源局部和漏電保護(hù)裝置兩大模塊。2方案比較與論證21各種方案比較與選擇穩(wěn)壓電源局部方案比較方案一: 采用7805三端穩(wěn)壓器電源固定式三端穩(wěn)壓電源(7805)是由輸出腳Vo，輸入腳Vi和接地腳GND組成。它的穩(wěn)壓值為+5V，它屬于CW78xx系列的穩(wěn)壓器，輸入端接電容可以進(jìn)一步的濾波，輸出端也要接電容可以改善負(fù)載的瞬間影響。此電路的穩(wěn)定性也比較好，只是采用的電容必須要漏電流要小的鉭電容，如果采用電解電容,那么電容量要比其它的數(shù)值要增加10倍，但是它不可以調(diào)整輸出的直流電源，所以此方案不易采用。方案二:采用LM317可調(diào)式三端穩(wěn)壓器電源LM3

5、17可調(diào)式三端穩(wěn)壓器電源能夠連續(xù)輸出可調(diào)的直流電壓，穩(wěn)壓器內(nèi)部含有過(guò)流，過(guò)熱保護(hù)電路；由一個(gè)電阻(R)和一個(gè)可變電位器(RP)組成電壓輸出調(diào)節(jié)電路，輸出電壓為:Vo=1.25(1+RP/R)。由此可見(jiàn)LM317從性能和穩(wěn)壓特性上都優(yōu)于7805，所以，在本次設(shè)計(jì)中，我們將選擇LM317作為穩(wěn)壓芯片。漏電保護(hù)裝置局部方案比較方案一：通過(guò)采樣電阻兩端的電壓計(jì)算出Io值，經(jīng)A/D轉(zhuǎn)換模塊將電流值反響給單片機(jī)，當(dāng)檢測(cè)電流值超過(guò)4.5A時(shí)切斷LM393芯片電源或降低PWM波占空比。方案二：在輸出電路中串入可自恢復(fù)保險(xiǎn)絲，當(dāng)電流大于4.5A時(shí)，自恢復(fù)保險(xiǎn)絲由低阻抗轉(zhuǎn)為高阻抗切斷電路。電流降低后可恢復(fù)正常工作

6、。方案選擇：方案二中采用低阻值精密電阻，在實(shí)際電路中不可防止的會(huì)引入接入電阻，對(duì)兩路電流比的有很大影響。方案三中采用單片機(jī)調(diào)節(jié)，單片機(jī)處理速度很難跟上電流變化速度，因此用單片機(jī)進(jìn)行PID調(diào)節(jié)時(shí)間長(zhǎng)，不容易穩(wěn)定。所以選擇方案一進(jìn)行具體設(shè)計(jì)。保護(hù)保護(hù)取樣A/D單片機(jī)控制顯示恢復(fù)按鍵繼電器控制檢測(cè)比較驅(qū)動(dòng)繼電器復(fù)位穩(wěn)壓取樣調(diào)節(jié)比較放大基準(zhǔn)電壓 輸入輸出5.5-25V圖1 系統(tǒng)工作原理圖該電路穩(wěn)壓局部選用LM317芯片，外加二極管作為保護(hù)電路，通過(guò)輸出取樣和基準(zhǔn)電壓進(jìn)行比較放大以進(jìn)行電壓調(diào)節(jié)，基準(zhǔn)電壓由TL431提供。在漏電保護(hù)裝置模塊，通過(guò)對(duì)輸出電壓取樣，進(jìn)行A/D轉(zhuǎn)換，當(dāng)動(dòng)作電流超過(guò)30mA，單片

7、機(jī)控制繼電器，排除漏電故障后，按下恢復(fù)按鍵，電路恢復(fù)輸出。顯示局部實(shí)時(shí)顯示穩(wěn)壓電源的輸出功率。系統(tǒng)硬件設(shè)計(jì)31系統(tǒng)的總體設(shè)計(jì)設(shè)計(jì)思想本系統(tǒng)是一個(gè)可應(yīng)用的并聯(lián)供電系統(tǒng)，設(shè)計(jì)思想符合如下幾條標(biāo)準(zhǔn)：1.盡量采用簡(jiǎn)潔可靠的軟硬件環(huán)境，程序流程力求簡(jiǎn)單明了，從而充分利用現(xiàn)有資源，提高系統(tǒng)開(kāi)發(fā)水平。 2.系統(tǒng)硬件電路模塊化，便于硬件測(cè)試和電路查詢(xún)。3.系統(tǒng)程序設(shè)計(jì)模塊化，便于系統(tǒng)功能的各種組合和修改。系統(tǒng)框圖圖2 系統(tǒng)工作原理圖該電路穩(wěn)壓局部選用LM317芯片，外加二極管作為保護(hù)電路，通過(guò)輸出取樣和基準(zhǔn)電壓進(jìn)行比較放大以進(jìn)行電壓調(diào)節(jié)，基準(zhǔn)電壓由TL431提供。在漏電保護(hù)裝置模塊，通過(guò)對(duì)輸出電壓取樣，進(jìn)行A

8、/D轉(zhuǎn)換，當(dāng)動(dòng)作電流超過(guò)30mA，單片機(jī)控制繼電器，排除漏電故障后，按下恢復(fù)按鍵，電路恢復(fù)輸出。顯示局部實(shí)時(shí)顯示穩(wěn)壓電源的輸出功率。設(shè)計(jì)步驟：1通過(guò)分析系統(tǒng)需求，該電路可分為兩大核心模塊，即穩(wěn)壓局部和漏電保護(hù)局部。2對(duì)穩(wěn)壓模塊進(jìn)行設(shè)計(jì)，選定一款輸出電壓1.25V-37V可調(diào)，最大輸出電流為1.5A的穩(wěn)壓芯片LM317，基準(zhǔn)電壓由TL431提供，比較放大芯片采用LM324，再通過(guò)三極管8550進(jìn)行調(diào)節(jié)。3對(duì)由單片機(jī)控制的漏電保護(hù)及顯示模塊進(jìn)行設(shè)計(jì)，該局部選用的單片機(jī)型號(hào)為STC89C52，該局部通過(guò)取樣、A/D，單片機(jī)控制繼電器通斷；單片機(jī)進(jìn)行間歇性通斷，以減小漏電保護(hù)裝置的接入功耗；最后通過(guò)四

9、位數(shù)碼管進(jìn)行實(shí)時(shí)顯示。32單元電路的設(shè)計(jì)及參數(shù)計(jì)算穩(wěn)壓電源分析與計(jì)算參考LM317 的應(yīng)用實(shí)測(cè)電路圖，輸出電壓的計(jì)算可由下式給出：， 其中 =1.25V，為了確保輸出穩(wěn)定， R1,R2,R3 選用標(biāo)稱(chēng)阻值為 0.2，精度為 1%的電阻。 R4100R54.7K R64.7K R7100 R810K Q18550 Q28550 S1LM317 S3LM317 S4LM324 S2LM317 圖3 電壓源模塊電路設(shè)計(jì)漏電檢測(cè)分析與計(jì)算利用電流流過(guò)電阻在電阻兩端產(chǎn)生壓降，通過(guò)電壓比較器與電阻上的電壓進(jìn)行比較放大，再通過(guò)驅(qū)動(dòng)電路驅(qū)動(dòng)繼電器，控制電路的通斷，從而進(jìn)行過(guò)流保護(hù)。 圖4 電流源模塊電路設(shè)計(jì)主

10、電路設(shè)計(jì)：因?yàn)殡娐芬蟮妮敵鲭娏骱艽笏员敬卧O(shè)計(jì)主電路設(shè)計(jì)采用三片LM317以到達(dá)電路的要求，穩(wěn)壓環(huán)路對(duì)輸出電壓采樣通過(guò)運(yùn)算放大器比較放大后對(duì)LM317的控制端的電壓進(jìn)行調(diào)節(jié)穩(wěn)壓。33電路原理圖(見(jiàn)附錄2)4系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)控制單片機(jī)采用STC89C52RC，是宏晶科技推出的新一代高速/低功耗/超強(qiáng)抗干擾的單片機(jī)，指令代碼完全兼容傳統(tǒng)8051單片機(jī)，12時(shí)鐘/機(jī)器周期和6時(shí)鐘/機(jī)器周期可以任意選擇。主要特性如下：1工作電壓：5.5V3.3V5V單片機(jī)/3.8V2.0V3V單片機(jī)；2工作頻率范圍：040MHz，相當(dāng)于普通8051的080MHz，實(shí)際工作頻率可達(dá)48MHz；用戶(hù)應(yīng)用程序空間為8K字節(jié)5

11、.片上集成512字節(jié)RAM；3通用I/O口32個(gè)，復(fù)位后為：P1/P2/P3/P4是準(zhǔn)雙向口/弱上拉，P0口是漏極開(kāi)路輸出，作為總線(xiàn)擴(kuò)展用時(shí)，不用加上拉電阻，作為I/O口用時(shí)，需加上拉電阻；4ISP在系統(tǒng)可編程/IAP在應(yīng)用可編程，無(wú)需專(zhuān)用編程器，無(wú)需專(zhuān)用仿真器，可通過(guò)串口RxD/P3.0,TxD/P3.1直接下載用戶(hù)程序，數(shù)秒即可完成一片；5具有EEPROM功能；6具有看門(mén)狗功能；7共3個(gè)16位定時(shí)器/計(jì)數(shù)器。即定時(shí)器T0、T1、T2；7外部中斷4路，下降沿中斷或低電平觸發(fā)電路，PowerDown模式可由外部中斷低電平觸發(fā)中斷方式喚醒；8通用異步串行口UART，還可用定時(shí)器軟件實(shí)現(xiàn)多個(gè)UAR

12、T。編程規(guī)那么清晰易掌握，操作方法簡(jiǎn)便，是單片機(jī)編程的最正確備選之一。41程序總體流程圖圖5 程序總體流程圖程序大體分為數(shù)據(jù)采集及處理功能和LCD液晶顯示功能兩局部。要求在編寫(xiě)時(shí)注意ADC 0804的二進(jìn)制轉(zhuǎn)換成十進(jìn)制的那個(gè)算法。并且LCD1602的使能端不能編譯錯(cuò)誤。42各個(gè)功能模塊流程圖過(guò)流保護(hù)模塊：主路采樣大于30mA進(jìn)入保護(hù)主路采樣大于30mA進(jìn)入保護(hù)根本功能判斷是否恢復(fù)啟動(dòng)系統(tǒng)圖6 過(guò)流保護(hù)模塊程序流程圖根本功能模塊：判斷檢測(cè)判斷檢測(cè)調(diào)節(jié)電壓源輸出電流調(diào)節(jié)電壓源輸出電流主路電壓采樣擴(kuò)展功能模塊圖7 根本功能模塊程序流程圖43程序清單(見(jiàn)附錄3)5系統(tǒng)調(diào)試51電路的測(cè)試方案(方法)由于

13、系統(tǒng)對(duì)電路效率有一定的要求，所以需要測(cè)量輸入端、輸出端電壓、電流，方便檢測(cè)支路電流比，需要對(duì)支路電流進(jìn)行檢測(cè)。根據(jù)電路的示意圖，從電路中各點(diǎn)引出接線(xiàn)端子，電壓測(cè)量可以直接在被測(cè)點(diǎn)兩端并聯(lián)，用來(lái)檢測(cè)并記錄分析供電系統(tǒng)各個(gè)指標(biāo)。圖8 電路測(cè)試方案示意圖52測(cè)試儀器直流電壓測(cè)試采用數(shù)字萬(wàn)用表，型號(hào)：優(yōu)利德UT56，測(cè)試精度：0.01V直流電流測(cè)試采用數(shù)字萬(wàn)用表，型號(hào)：優(yōu)利德UT56，測(cè)試精度：0.01A輸出電壓及電流波形測(cè)試采用數(shù)字示波器，型號(hào)：ADS 1602CAL電源提供采用穩(wěn)壓源，型號(hào)：BCT08HC-655E，測(cè)試精度：0.1V53測(cè)試結(jié)果根本要求測(cè)試1輸入電壓7V-25V變化時(shí)輸出電壓、電

14、壓調(diào)整率測(cè)試數(shù)據(jù)輸入電壓RL=57V10V12V15V18V20V22V25V空載電壓(V)5.0035.0045.0045.0055.0065.0065.0075.007輸出電壓(V) 4.9504.9524.9554.9564.9584.9594.9604.961誤差(V) 0.053 0.0520.0490.0490.0480.0470.0470.046 電壓調(diào)整率 QUOTE =0.98% 其中，Uo1 表示直流電壓為7V時(shí)的輸出電壓，Uo2表示直流輸入電壓為25V時(shí)的輸出電壓。 結(jié)論：通過(guò)對(duì)上述數(shù)據(jù)分析可知，直流穩(wěn)壓電源局部RL=5，輸入電壓在7-25V變化時(shí)，輸出電壓誤差控制在0.

15、055V以?xún)?nèi)，電壓調(diào)整率為0.98%，滿(mǎn)足設(shè)計(jì)要求輸出電壓為50.05V，電壓調(diào)整率Su1%。2輸入電壓5.5-7V變化時(shí)輸出電壓測(cè)試數(shù)據(jù)輸入電壓RL=55.5V5.7V6.0V6.2V6.5V6.7V7.0V空載電壓(V)4.2004.3714.6094.7994.9985.0035.003輸出電壓(V)3.7303.9194.1654.3634.6424.8154.950誤差(V)0.830.4520.4440.4360.3560.1880.053結(jié)論：通過(guò)對(duì)上述數(shù)據(jù)分析可知，直流穩(wěn)壓電源局部RL=5，輸入電壓在5.5-7V變化時(shí)，輸出電壓誤差控制在0.2V以?xún)?nèi)，沒(méi)有滿(mǎn)足設(shè)計(jì)要求3負(fù)載調(diào)整

16、率測(cè)試數(shù)據(jù)U1(RL=500)I=10mAU1=5.003U2(RL=5)I=1AU2=4.952負(fù)載調(diào)整率 QUOTE =1%其中，U1是負(fù)載電阻為500時(shí)的輸出電壓，U2是負(fù)載電阻為5時(shí)的輸出電壓。 結(jié)論：當(dāng)直流輸入電壓固定在7V，改變負(fù)載大小，輸出電流從1A減小到0.01A時(shí)，負(fù)載調(diào)整率SL控制在1%以?xún)?nèi)，滿(mǎn)足負(fù)載調(diào)整率不大于1%的指標(biāo)要求。6系統(tǒng)電路存在的缺乏和改進(jìn)的方向與結(jié)論1、LM317作為輸出電壓可變的集成三端穩(wěn)壓塊，是一種使用方便、應(yīng)用廣泛的集成穩(wěn)壓塊。317系列穩(wěn)壓塊的型號(hào)很多：例如LM317HVH、W317L等。電子愛(ài)好者經(jīng)常用317穩(wěn)壓塊制作輸出電壓可變的穩(wěn)壓電源。2、穩(wěn)

17、壓電源的輸出電壓可用下式計(jì)算，Vo=1.251+R2/R1。僅僅從公式本身看，R1、R2的電阻值可以隨意設(shè)定。然而作為穩(wěn)壓電源的輸出電壓計(jì)算公式，R1和R2的阻值是不能隨意設(shè)定的。3、首先317穩(wěn)壓塊的輸出電壓變化范圍是Vo=1.25V37V高輸出電壓的317穩(wěn)壓塊如LM317HVA、LM317HVK等，其輸出電壓變化范圍是Vo=1.25V45V，所以R2/R1的比值范圍只能是028.6。4、其次是317穩(wěn)壓塊都有一個(gè)最小穩(wěn)定工作電流，有的資料稱(chēng)為最小輸出電流，也有的資料稱(chēng)為最小泄放電流。最小穩(wěn)定工作電流的值一般為1.5mA。由于317穩(wěn)壓塊的生產(chǎn)廠家不同、型號(hào)不同，其最小穩(wěn)定工作電流也不相同

18、，但一般不大于5mA。當(dāng)317穩(wěn)壓塊的輸出電流小于其最小穩(wěn)定工作電流時(shí)，317穩(wěn)壓塊就不能正常工作。當(dāng)317穩(wěn)壓塊的輸出電流大于其最小穩(wěn)定工作電流時(shí)，317穩(wěn)壓塊就可以輸出穩(wěn)定的直流電壓。如果用317穩(wěn)壓塊制作穩(wěn)壓電源時(shí)如下列圖，沒(méi)有注意317穩(wěn)壓塊的最小穩(wěn)定工作電流，那么你制作的穩(wěn)壓電源可能會(huì)出現(xiàn)下述不正?，F(xiàn)象：穩(wěn)壓電源輸出的有載電壓和空載電壓差異較大。7.附錄附錄1 設(shè)計(jì)任務(wù)附錄2 主電路板電路原理圖附錄3 局部程序清單#include#define uchar unsigned char#define uint unsigned int/*sbit RS=P20;sbit RW=P21;

19、sbit EN=P22;/液晶的操作I/0口sbit AD_CS=P25;sbit AD_RD=P26;sbit AD_WR=P27;sbit AD_INTR=P32;/使用中斷的話(huà)，開(kāi)始需要給它個(gè)啟動(dòng)信號(hào)uint dig_val/*讀取ad轉(zhuǎn)化的數(shù)字量，8位最大為256*/,t;/*ad的操作i/0口*void delay_ms(uint z); bit check_busy();void write_com(char com);void write_dat(uchar date);void lcd_dis_char(char x,char y,uchar date);void lcd_di

20、s_str(uchar x,uchar y,uchar *str);void lcd_int();void lcd_clean();uchar ad0804_work();void value_dis(uchar x,uchar y,uint value);/*void delay_ms(uint z)uint x,y;for(x=z;x0;x-)for(y=20;y0;y-);bit check_busy()/查忙bit result;RS=0;RW=1;EN=1;delay_ms(2);result=(bit)(P0&0 x80);EN=0;/一定要拉低，否那么后面不能使能return r

21、esult;void write_com(char com) /寫(xiě)命令while(check_busy();/等于1就等待EN=0;RS=0;RW=0;delay_ms(1);EN=1; P0=com;delay_ms(1);EN=0;void write_dat(uchar date)/寫(xiě)數(shù)據(jù)while(check_busy();EN=0;RS=1;RW=0;delay_ms(1);EN=1;P0=date;delay_ms(1);EN=0;void lcd_dis_char(uchar x,uchar y,uchar dat) /液晶定位和寫(xiě)單個(gè)的字符uchar address; if(y

22、=1) address=0 x80+x;/0=x16;elseaddress=0 x80+0 x40+x;write_com(address);write_dat(dat);void lcd_dis_str(uchar x,uchar y,uchar *str)/定位并寫(xiě)字符串uchar address; if(y=1) address=0 x80+x;/0=x16;elseaddress=0 x80+0 x40+x;write_com(address);while(*str!=0) write_dat(*str);str+;void lcd_int() /1602的初始化write_com(

23、0 x38);delay_ms(1);write_com(0 x0c);delay_ms(1);write_com(0 x06);delay_ms(1);write_com(0 x01); delay_ms(1); void lcd_clean()/清屏write_com(0 x01);delay_ms(1);uchar ad0804_work()/ad的操作時(shí)序uchar date;AD_CS=0;AD_RD=1;AD_WR=1;/開(kāi)始轉(zhuǎn)換AD_WR=0;AD_RD=0; date=P1;AD_WR=1;/停止AD_RD=1;return date;void value_dis(uchar x,uchar y,uint