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1、直流稳压电源及漏电保护装置摘要：本设计综合考虑题目基本部分的指标要求，稳压电源部分由比较放大 电路、基准电压电路和取样电路三部分组成，实现DC-DC的变换。采用STC90C51 单片机为控制核心，对稳压电源信号进行采集与处理，由 1602 液晶实时显示稳 压电源的输出功率。通过测试，直流输入电压在相应的范围变化时，能够满足电压 输出范围变化的要求及电源输出率的要求。关键词：直流稳压 LM317 DC-DC变换1 方案比较与论证1.1方案设计的要求设计一台额定电压为5V,额定输出电流为1A的直流稳压电源。如图1所示:(1) 转换开关S接1端，RL阻值固定为5Q。当直流输入电压在725V变化时,
2、要求输出电压为50.05V,电压调整率SUW1%。(2) 连接方式不变，RL阻值固定为5Q。当直流输入电压在5.57V变化时, 要求输出电压为50.05V。(3) 连接方式不变，直流输入电压固定在7V,当直流稳压电源输出电流1A 减小到0.01A时，要求负载调整率SLW1%。(4) 制作一个功率测量与显示电路,实时显示稳压电源的输出功率。直流输入S.5-25V直流稳压电源稳圧输岀输出左韭6T(未呆护狀态h图 1 电路连接图1.2 方案论证方案一：利用电阻分压原理进行降压多次变换，实现DC-DC的转换。 方案二:由稳压管和三极管组成稳压部分的单元电路,如图 2 所示。以稳压管 D1 电压作为三极
3、管 Q1 的基准电压，电路引入电压负反馈，当输入电压波动引起 R 两端电压的变化增大(减小)时，晶体管发射极电位将随着升高(降低)，而 稳压管端的电压基本不变，故基极电位不变，所以由公式 1-1 可知 U 将减小(升 高)导致基极电流和发射极电流的减小(增大)，使得R两端的电压降低(升高), 从而达到稳压的效果。U = U - U(1-1)BE B E图 2 方案二稳压部分电路方案三：稳压部分由调整管，比较放大电路，基准电压电路，采样电路组成。 当采样电路的输出端电压升高（降低）时采样电路将这一变化送到 A 的反相输入 端，然后与同相输入端的电位进行比较放大，此时运放的输出电压，即调整管的 基
4、极电位降低（升高）；由于电路采用射极输出形式，所以输出电压必然降低（升 高），从而使输出电压得到稳定，如图 3所示。图 3 稳压部分单元电路1.3 方案的比较与选择以上三个方案进行比较，可以发现第一个方案电路中的损耗较大，效率较低。 第二种方案为线性稳压电源，具备基本的稳压效果，但是只是基本的调整管电路， 输出电压不可调，而且输出电流不大。第三个方案使用了运放和调整管作为稳压 电路，输出电压可调，功率也较高，可以输出较大的电流。综合题目的要求，方 案三的稳定效果要比前两个方案要好，所以选择第三个方案。2 系统设计2.1 总体设计思路总体设计路如图 4 所示，由六个部分组成。（1）直流稳压电源，
5、由比较放大电路、基准电压电路和采样电路组成，完成从输入的直流电压到输出稳定的50.05V电压的变换。（2）电流检测， 由分压电阻和运放构成，电流通过电流检测电路进入单片机内部。（3）A/D 转换，实现电流检测后模拟量到数字量的转换。（4）漏电保护，用来完成发挥部分中的漏电保护功能。（5）单片机控制，用来控制电流量的 A/D 转换，通过软件完成稳压电源输 出功率的计算并完成漏电保护中的开关通断。（6）显示电路，显示稳压电源的输出功率。直 流 稳 压 电 源漏电保护电流检测一）A/rt专换单片机控制图 4 系统框图2.2 硬件电路设计系统硬件设计包含直流稳压电源电路，电流检测电路和漏电保护电路。2
6、.2.1 直流稳压电源电路直流稳压电源电路由比较放大电路、基准电压电路和采样电路组成，组成框 图如图 5 所示。基准电压电路采样电路图 5 直流稳压电路组成框图采样电路由3300uf的极性电容、一个5KQ的滑动变阻器和阻值分别为510 Q和2KQ的电阻组成，如图6所示。当采样电路的输出端电压升高（降低）时， 采样电路将这一变化送到运算放大器的反相输入端，然后与同相输入端的电位进 行比较放大，运放的输出电压，即调整管的基极电位降低（高）；由于电路采用 射极输出形式，所以输出电压必然降低（升高），从而使输出电压得到稳定。对 于普通三极管而言，要输出5V左右的电压，输入电压至少为7V,而在我们的设
7、计要求中输入的电压要求是在 5.5-25V 之间，为了满足低压差的要求，调整管选 用具有输入电阻高、噪声小、功耗低、动态范围大、易于集成、没有二次击穿现 象、安全工作区域宽等优点的 N 沟道 IRFP450 的场效应管。R7510严+C53300uFQGND图 6 采样电路基准电压电路由LM317所构成，如图7所示。LM317是可调式三端正电压稳 压器，输出电压范围在7V到25V时能够提供超过1A的电流，易于使用。该稳压 器有三个引出端，分别为输入端、输出端和电压调整端（简称调整端），调整端是 基准电压电路的公共端，其典型值为 125V。 LM317 依靠外接电阻来调节输出电 压，为保证输出电
8、压的精度和稳定性，要选择精度高的电阻，防止输出电流在导VinVout1GND线上产生误差电压。图 7 基准电压电路 比较放大电路是由集成运算放大器 OP37 等构成，如图 8 所示。 OP37 是一种 高精度单片运算放大器，具有很低的输入失调电压和漂移。 OP37 的优良特性使 它特别适合做前级放大器，放大微弱信号。在本设计中 OP37 主要做起到反向输 入放大的作用，将采集的信号通过100K的电阻构成反馈电路，同时输入到OP37 反向输入端的信号与同相输入端的基准电压做比较，最后输出至场效应管的栅 极，经IRFP450源极作为稳压电源的输出端。R310KIRFP45GR5訂 ccpI100K
9、+12V0VoutR415K6，+C410uF 4U123OP37R6=10K2-12VGND图 8 比较放大电路2.2.2 电流检测电路为了满足设计要求，实时显示稳压电源的输出功率，设计了电流检测电路， 如图9 所示。对稳压电源工作时的电流进行实时检测，将检测到的信号输入单片 机内部，完成 A/D 转换，再经过相应的处理程序，完成输出功率的计算。图 9 电流检测电路2.2.3A/D 转换被检测到的电流是模拟量，因此要通过相应的模拟量到数字量的转换之后才 能输入到计算机内部，由PCF8591P芯片完成A/D转换。该芯片单电源供电，低 功耗，具有8位的A/D、D/A转换功能，同时具有4路模拟量的
10、输入和1路模拟 量的输出。连接电路如图 10 所示。图 10 A/D 转换电路2.2.4 漏电保护漏电保护电路主要由三部分组成：检测元件、中间放大环节和操作执行机构。2.2.5 单片机控制单片机作为设计中的控制核心器件，主要完成电流量的A/D转换，直流电流 源输出功率的计算与显示及漏电保护功能中的开关通断。本设计选用 STC90C51 单片机，该单片机是89系列的升级版，具有超强的抗干扰能力，超大容量SRAM， 降低了对外的电磁辐射，超低功耗，可以进行系统编程，单片机的引脚如图 11 所示。Pll2P123F134P145F156F167F178氐T910TXD11P33/CS112P33/C
11、S213P3414P3515P3616P3717XT218XT119GND20PIO1pl.Ovccpl.lpU.OI：il.2pu.lpl.3pU.2pl.4pU.3pl.5pU.4pl.6pU.5pl.7pLl.6R5TJVPDp0.7p3.l：liPJCDEA/VppP3.1JTXDDALEjPROGp3.2HNT0PSENP3.3.INT1p2.7P3.4iTLip2.6p3.5Tlp2.5P3.6.p2.4P3.7.TT)f.2,3XTxL.2p2.2XTxLlp2.1GNDp2.0CPUiVCC39POO38Pill37P0236P0335P0434P0533P0632P0731I
12、cc302928LCDE27RD2(5WP.25P2424P2323P2222SCL21SDx4图 11 STC90C51 引脚图2.2.6 显示电路本设计显示电路采用LCD1602,它是字符型液晶，显示字母和数字比较方便, 控制简单，成本较低。显示电路如图12所示。图 12 显示电路2.3 软件流程设计本设计软件部分主要包括A/D转换和液晶显示两部分部分。系统框图和主流 程图如图 13 所示。软件实现的功能：（1）读取稳压电源测量产生的电流信号，并对该电流信号进行模拟量到数 字量的转换；（2）实现稳压电源输出功率的计算；（3）实现对LCD的数据输出。a 系统软件框图b 主程序流程图图 13
13、软件流程图3 测试方法与测试结果3.1 测试方法与仪器测试仪器包括：VC9807A+四位半数字万用表，YB1732A直流稳压电源，WD-4 微机稳压源等。测量时，根据基本要求，选择转换开关 S 接到相应的位置，连 接好测试电路，输入相应的电压值，对输出电压进行测量。3.2 测试结果(1)表1是直流输入电压在725V变化时所测试的输出电压。表1直流输入电压/V7.009.5014.0019.0025.00输出电压/V4.954.974.974.995.04(2)表2是直流输入电压在5.57V变化时所测试的输出电压。表2直流输入电压/V5.505.807.00输出电压/V4.844.955.01(
14、3)表3是直流输入电压固定在7V,直流稳压电源输出电流由1A减小到0.01A时的输出电压。表3直流输入电压/V电阻/Q电流/A输出电压/V7.001720.015.167.00515.013.3 测试结果计算及分析由基本要求(1)可知，当直流输入电压725V变化时，其输出电压为5土0.05V,直流稳压的电源的电压调整率比较小S 1%。电压调整率的定义为：UU U1、S =O1 X100%（3-1）u UO1U是直流输入电压为7V时的输出电压，U是直流输入电压为25V时的输o1 o2出电压，根据测量结果，U = 4.95， U = 4.98，由式3T计算可得：o1 o23-2）5.14 5.01 x 100% = 0.6%5.01计算结果满足基本要求。由基本要求(3)可知，当直流输入电压固定在7V,直流稳压电源输出电流 由1A减小到0.01A时，负载的调整率Si1%。负载调整率定义为：U U/Q_QxS =
