2013年全国大学生电子设计大赛——直流稳压电源

2013年全国大学生电子设计大赛——直流稳压电源
2013年全国大学生电子设计大赛论文
【高职组】
直流稳压电源及漏电保护装置设计报告
2013年9月5日
设计摘要：
本作品是基于被广泛应用在小功率及各种电子设备领域的稳压电源而设计的具备漏电保护装置的线性直流稳压电源。

能够输出5V电压，输出电流为1A；附有30mA漏电保护装置，带自锁功能；能实时显示稳压电源的输出功率。

关键词：
线性直流稳压电源，漏电保护，自锁
Abstract：
This work is regulated power supply what is widely used in the small powe r and a variety of electronic equipment based on the field and the design of the li near DC power leakage protection device.It can output voltage 5V and output cu rrent is 1A,It has a 30mA leakage protection device with self-locking function an d display real-time output power switching power supply.
Key Word：
The linear DC regulated power supply, Leakage protection, Self-locking
1．设计任务(或设计题目)与要求(或技术指标)
1．1设计任务（见附录1）
1．2技术指标（见附录1）
1．3题目分析
线性直流稳压电源电路是被广泛应用在小功率及各种电子设备领域，具有反应速度快，输出纹波较小；工作产生的噪声低的优点。

在本次设计中，要求在一定输入电压范围和输出负载的前提下，输出电压为5V，以确保电压调整率及负载调整率控制在1%以内；该电路还要求附带30mA的漏电保护装置，带自锁和按键恢复功能，并尽可能考虑漏电保护装置的接入功耗。

基于此，整个电路设计就分为稳压电源部分和漏电保护装置两大模块。

2．方案比较与论证
2．1各种方案比较与选择
稳压电源部分方案比较
方案一: 采用7805三端稳压器电源
固定式三端稳压电源(7805)是由输出脚Vo，输入脚Vi和接地脚GND组成。

它的稳压值为+5V，它属于CW78xx系列的稳压器，输入端接电容可以进一步的滤波，输出端也要接电容可以改善负载的瞬间影响。

此电路的稳定性也比较好，只是采用的电容必须要漏电流要小的钽电容，如果采用电解电容,则电容量要比其它的数值要增加10倍，但是它不可以调整输出的直流电源，所以此方案不易采用。

方案二:采用LM317可调式三端稳压器电源
LM317可调式三端稳压器电源能够连续输出可调的直流电压，稳压器内部含有过流，过热保护电路；由一个电阻(R)和一个可变电位器(RP)组成电压输出调节电路，输出电压为:Vo=1.25(1+RP/R)。

由此可见LM317从性能和稳压特性上都优于7805，所以，在本次设计中，我们将选择LM317作为稳压芯片。

漏电保护装置部分方案比较
方案一：通过采样电阻两端的电压计算出Io值，经A/D转换模块将电流值反馈给单片机，当检测电流值超过4.5A时切断LM393芯片电源或降低PWM波占空比。

方案二：在输出电路中串入可自恢复保险丝，当电流大于4.5A时，自恢复保险丝由低阻抗转为高阻抗切断电路。

电流降低后可恢复正常工作。

方案选择：
方案二中采用低阻值精密电阻，在实际电路中不可避免的会引入接入电阻，对两路电流比的有很大影响。

方案三中采用单片机调节，单片机处理速度很难跟上电流变化速度，因此用单片机进行PID调节时间长，不容易稳定。

所以选择方案一进行具体设计。

图1 系统工作原理图
该电路稳压部分选用LM317芯片，外加二极管作为保护电路，通过输出取样和基准电压进行比较放大以进行电压调节，基准电压由TL431提供。

在漏电保护装置模块，通过对输出电压取样，进行A/D转换，当动作电流超过30mA，单片机控制继电器，排除漏电故障后，按下恢复按键，电路恢复输出。

显示部分实时显示稳压电源的输出功率。

3．系统硬件设计
3．1系统的总体设计
设计思想
本系统是一个可应用的并联供电系统，设计思想符合如下几条标准：
1.尽量采用简洁可靠的软硬件环境，程序流程力求简单明了，从而充分利用现有资源，提高系统开发水平。

2.系统硬件电路模块化，便于硬件测试和电路查询。

3.系统程序设计模块化，便于系统功能的各种组合和修改。

系统框图
图2 系统工作原理图
该电路稳压部分选用LM317芯片，外加二极管作为保护电路，通过输出取样和基准电压进行比较放大以进行电压调节，基准电压由TL431提供。

在漏电保护装置模块，通过对输出电压取样，进行A/D 转换，当动作电流超过30mA ，单片机控制继电器，排除漏电故障后，按下恢复按键，电路恢复输出。

显示部分实时显示稳压电源的输出功率。

设计步骤：
1．通过分析系统需求，该电路可分为两大核心模块，即稳压部分和漏电保护部分。

2．对稳压模块进行设计，选定一款输出电压1.25V-37V 可调，最大输出电流为 1.5A 的稳压芯片LM317，基准电压由TL431提供，比较放大芯片采用LM324，再通过三极管8550进行调节。

3．对由单片机控制的漏电保护及显示模块进行设计，该部分选用的单片机型号为STC89C52，该部分通过取样、A/D ，单片机控制继电器通断；单片机进行间歇性通断，以减小漏电保护装置的接入功耗；最后通过四位数码管进行实时显示。

3．2单元电路的设计及参数计算 稳压电源分析与计算
参考LM317 的应用实测电路图，输出电压的计算可由下式给出：
2
1
(1)OUT REF R V V R =+
， 其中 REF V =1.25V ， 为了确保输出稳定， R1,R2,R3 选用标称阻值为 0.2Ω，精度为 1%的电阻。

R4----100Ω R5----4.7K R6----4.7K R7----100Ω
R8----10K Q1----8550 Q2----8550 S1----LM317
S3----LM317 S4----LM324
S2----LM317
图3 电压源模块电路设计
漏电检测分析与计算
利用电流流过电阻在电阻两端产生压降，通过电压比较器与电阻上的电压进行比较放大，再通过驱动电路驱动继电器，控制电路的通断，从而进行过流保护。

图4 电流源模块电路设计
主电路设计：
因为电路要求的输出电流很大所以本次设计主电路设计采用三片LM317以达到电路的要求，稳压环路对输出电压采样通过运算放大器比较放大后对LM317的控制端的电压进行调节稳压。

3．3电路原理图(见附录2)
4．系统软件设计
控制单片机采用STC89C52RC，是宏晶科技推出的新一代高速/低功耗/超强抗干扰的单片机，指令代码完全兼容传统8051单片机，12时钟/机器周期和6时钟/机器周期可以任意选择。

主要特性如下：（1）工作电压：5.5V～3.3V（5V 单片机）/3.8V～2.0V（3V单片机）；（2）工作频率范围：0～40MHz，相当于普通8051的0～80MHz，实际工作频率可达48MHz ；用户应用程序空间为8K 字节 5. 片上集成512字节RAM ；（3）通用I/O口（32个），复位后为：P1/P2/P3/P4是准双向口/弱上拉，P0口是漏极开路输出，作为总线扩展用时，不用加上拉电
阻，作为I/O口用时，需加上拉电阻；（4） ISP（在系统可编程）/IAP（在应用可编程），无需专用编程器，无需专用仿真器，可通过串口（RxD/P3.0,TxD/P3.1）直接下载用户程序，数秒即可完成一片；（5）具有EEPROM功能；（6）具有看门狗功能；（7）共3个16位定时器/计数器。

即定时器T0、T1、T2 ；（7）外部中断4路，下降沿中断或低电平触发电路，Power Down模式可由外部中断低电平触发中断方式唤醒；（8）通用异步串行口（UART），还可用定时器软件实现多个UART。

编程规则清晰易掌握，操作方法简便，是单片机编程的最佳备选之一。

4．1程序总体流程图
图5 程序总体流程图
程序大体分为数据采集及处理功能和LCD液晶显示功能两部分。

要求在编写时注意ADC 0804的二进制转换成十进制的那个算法。

并且LCD1602的使能端不能编译错误。

4．2各个功能模块流程图
过流保护模块：
图6 过流保护模块程序流程图基本功能模块：
图7 基本功能模块程序流程图
4．3程序清单(见附录3)
5．系统调试
5．1电路的测试方案(方法)
由于系统对电路效率有一定的要求，所以需要测量输入端、输出端电压、电流，方便检测支路电流比，需要对支路电流进行检测。

根据电路的示意图，从电路中各点引出接线端子，电压测量可以直接在被测点两端并联，用来检测并记录分析供电系统各个指标。

图8 电路测试方案示意图
5．2测试仪器
直流电压测试采用数字万用表，型号：优利德UT56，测试精度：0.01V
直流电流测试采用数字万用表，型号：优利德UT56，测试精度：0.01A
输出电压及电流波形测试采用数字示波器，型号：ADS 1602CAL
电源提供采用稳压源，型号：BCT08HC-655E，测试精度：0.1V
5．3测试结果（基本要求测试）
（1）输入电压7V-25V变化时输出电压、电压调整率测试数据
输入电压
7V 10V 12V 15V 18V 20V 22V 25V （R L=5Ω）
空载电压(V) 5.003 5.004 5.004 5.005 5.006 5.006 5.007 5.007
4.952 4.955 4.956 4.958 4.959 4.960 4.961 输出电压(V)
4.950
0.052 0.049 0.049 0.048 0.047 0.047 0.046 误差(V)
0.053
电压调整率 =0.98%
其中，U o1 表示直流电压为7V时的输出电压，U o2 表示直流输入电压为25V 时的输出电压。

结论：通过对上述数据分析可知，直流稳压电源部分RL=5Ω，输入电压在7-25V变化时，输出电压误差控制在0.055V以内，电压调整率为0.98%，满足设计要求输出电压为5±0.05V，电压调整率S u≤1%。

（2）输入电压5.5-7V变化时输出电压测试数据
输入电压
5.5V 5.7V
6.0V 6.2V 6.5V 6.7V
7.0V
（R L=5Ω）
空载电压(V) 4.200 4.371 4.609 4.799 4.998 5.003 5.003
输出电压(V) 3.730 3.919 4.165 4.363 4.642 4.815 4.950
误差(V) 0.83 0.452 0.444 0.436 0.356 0.188 0.053
结论：通过对上述数据分析可知，直流稳压电源部分RL=5Ω，输入电压在5.5-7V变化时，输出电压误差控制在0.2V以内，没有满足设计要求
（3）负载调整率测试数据
U1(R L=500Ω)I=10mA U1=5.003
U2(R L=5Ω)I=1A U2=4.952
负载调整率=1%
其中，U1是负载电阻为500Ω时的输出电压，U2是负载电阻为5Ω时的输出电压。

结论：当直流输入电压固定在7V，改变负载大小，输出电流从1A减小到0.01A 时，负载调整率SL控制在1%以内，满足负载调整率不大于1%的指标要求。

6．系统电路存在的不足和改进的方向与结论
1、LM317作为输出电压可变的集成三端稳压块，是一种使用方便、应用广泛的集成稳压块。

317系列稳压块的型号很多：例如LM317HVH、W317L等。

电子爱好者经常用317稳压块制作输出电压可变的稳压电源。

2、稳压电源的输出电压可用下式计算，Vo=1.25（1+R2/R1）。

仅仅从公式本身看，R1、R2的电阻值可以随意设定。

然而作为稳压电源的输出电压计算公式，R1和R2的阻值是不能随意设定的。

3、首先317稳压块的输出电压变化范围是Vo=1.25V—37V（高输出电压的317稳压块如LM317HVA、LM317HVK等，其输出电压变化范围是Vo=1.25V—45V），所以R2/R1的比值范围只能是0—28.6。

4、其次是317稳压块都有一个最小稳定工作电流，有的资料称为最小输出电流，也有的资料称为最小泄放电流。

最小稳定工作电流的值一般为1.5mA。

由于317稳压块的生产厂家不同、型号不同，其最小稳定工作电流也不相同，但
一般不大于5mA。

当317稳压块的输出电流小于其最小稳定工作电流时，317稳压块就不能正常工作。

当317稳压块的输出电流大于其最小稳定工作电流时，317稳压块就可以输出稳定的直流电压。

如果用317稳压块制作稳压电源时（如图所示），没有注意317稳压块的最小稳定工作电流，那么你制作的稳压电源可能会出现下述不正常现象：稳压电源输出的有载电压和空载电压差别较大。

7.附录
附录1 设计任务
附录2 主电路板电路原理图
附录3 部分程序清单
#include<reg52.h>
#define uchar unsigned char
#define uint unsigned int
//***************************
sbit RS=P2^0;
sbit RW=P2^1;
sbit EN=P2^2;
//液晶的操作I/0口
sbit AD_CS=P2^5;
sbit AD_RD=P2^6;
sbit AD_WR=P2^7;
sbit AD_INTR=P3^2;//使用中断的话，开始需要给它个启动信号
uint dig_val/*读取ad转化的数字量，8位最大为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_dis_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;x>0;x--)
for(y=20;y>0;y--);
}
bit check_busy()//查忙
{
bit result;
RS=0;
RW=1;
EN=1;
delay_ms(2);
result=(bit)(P0&0x80);
EN=0;//一定要拉低，否则后面不能使能return result;
}
void write_com(char com) //写命令
{
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)//写数据
{
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) //液晶定位和写单个的字符
{
uchar address;
if(y==1)
a ddress=0x80+x; //0<=x<16;
else
address=0x80+0x40+x;
write_com(address);
write_dat(dat);
}
void lcd_dis_str(uchar x,uchar y,uchar *str)//定位并写字符串
{
uchar address;
if(y==1)
a ddress=0x80+x; //0<=x<16;
else
address=0x80+0x40+x;
write_com(address);
while(*str!='\0')
{
write_dat(*str);
str++;
}
}
void lcd_int() //1602的初始化
{
write_com(0x38);
delay_ms(1);
write_com(0x0c);
delay_ms(1);
write_com(0x06);
delay_ms(1);
write_com(0x01);
delay_ms(1);
}
void lcd_clean()//清屏
{
write_com(0x01);
delay_ms(1);
}
uchar ad0804_work()//ad的操作时序{
uchar date;
AD_CS=0;
AD_RD=1;
AD_WR=1;//开始转换
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 dig_val) //液晶上定位并显示函数
{
uchar a[3];
uint address,i,value;
if(y==1)
a ddress=0x80+x; //0<=x<16;
else
address=0x80+0x40+x;
write_com(address);
value=((dig_val*6.5/255)*200)*5;
for(i=0;i<3;i++)
{
a[i]=value%10;
value=value/10;
}
write_dat(a[2]+'0');
write_dat('.');
write_dat(a[1]+'0');
write_dat(a[0]+'0');
}
void main()
{
EA=1; //开总中断
EX0=1;//启动中断
IT0=1;//选择触发模式
lcd_int();
lcd_dis_str(2,1,"WELCOME"); lcd_dis_str(2,2,"ADC0804 TEST"); delay_ms(1000);
lcd_clean();
delay_ms(1);
lcd_dis_str(2,1,"value:");
lcd_dis_char(6,2,'W');
while(1)
{
AD_INTR=0;//AD启动，ad数据转化完后再启动中断读取显示
} //避免了不停的对ad扫描
}
void exter0() interrupt 0
{
dig_val=ad0804_work();
value_dis(2,2,dig_val);
AD_INTR=1;//关闭启动
}
附录4 元件清单
LM317 单片稳压芯片
ADC0804 A/D转换芯片
LCD1602 液晶显示屏
LM324N 4路运放集成芯片
470u,104 330u 2200u 电容
10K,1K,20K,100K 100Ω电阻
8050 ,8550 ,A940 三极管
1N5408 ,1N4007; 二极管
10K 滑动变阻器101K 0.8uH 电感。