1、直流稳压电源及漏电保护装置的设计与制作毕业设计四川托普信息技术职业学院毕业设计题目：直流稳压电源及漏电保护装置的设计与制作系 部： 电子与通信系 专 业： 电子信息工程 指导单位： 电子与通信系 四川托普信息技术职业学院专科毕业设计（论文）诚信承诺书本人郑重声明：所呈交的毕业设计（论文）（题目：直流稳压电源及漏电保护装置）是本人在导师的指导下独立进行研究所取得的成果。尽本人所知，除了毕业设计（论文）中特别加以标注引用的内容外，本毕业设计（论文）不包含任何其他个人或集体已经发表或撰写的成果作品。作者签名： 杨志勇 2013年 9月 10 日 （学号）： 1102010237摘要直流稳压电源及漏电
2、保护装置是由MSP430单片机、LCD12864液晶显示屏、直流供电模块、电压取样模块、预稳压模块、高精度低压差稳压源模块、漏电保护装置模块等等组成。MSP430系列单片机是一个16位的单片机，采用了精简指令集（RISC）结构，具有丰富的寻址方式（7 种源操作数寻址、4 种目的操作数寻址）、简洁的 27 条内核指令以及大量的模拟指令。MSP430单片机的功能是用来控制题中要求的功率测试及显示等功能，液晶显示屏采用LCD12864显示，直流供电模块和预稳压模块、高精度低压模块在一起构成了直流稳压电源，电压取样模块的作用是用来取样输出电压的大小，再把电压信号反馈回单片机，通过程序控制显示出功率的大
3、小，漏电保护装置主要的作用是检测出漏电流的大小。预稳压和稳压模块的亮点在于稳压部分采用了沟道增强型场效应管IRF9640，而不是常用的N沟道场效应管，P沟道场效应管的内阻可降至毫欧以内，因此可以在极低的压差下正常工作。从而可以完成输入为5.5V时，输出为5V的功能。在稳压前级模块中，采用了预稳压电路，并实现了高电压与低电压的良好对接，同时能减轻了后级稳压电路的负担，保证了输出精度。在取样电路中，采用了高精度基准电压源，既保证了电路所要求的精准度又简化了电路。关键字：单片机、低压差线性稳压源、电压采样电路、显示模块、预稳压电路、漏电保护第一章 引言1.1关于直流稳压电源及漏电保护装置随着现代技术
4、的发展,精确大动态范围的电源得到了广泛的应用，精密的的电源在科研和工作中是不可或缺的。本题要求我们自制一个低压差直流稳压电源及漏电保护装置，当输入电压在5.5V25V变化时，要求输出电压为50.05V，当输入电压在5.5V7V变化时，要求输出电压为50.05V，并达到相应的电压调整率和负载调整率都要小于1%。同时制作功率显示装置与漏电保护装置。直流稳压电源是一种将220V工频交流电转换成稳压输出的直流电压的装置，它需要经过变压、整流、滤波、稳压四个环节才能完成。直流稳压电源是电子技术领域不可缺少的设备，常见的直流稳压电源，大都采用串联式反馈式稳压原理，通过调整输出端取样电阻支路中的电位器来调整
5、输出电压。由于电位器阻值变化的非线性和调整范围窄，使普通直流稳压电源难以实现输出电压的精确调整。本文主要分六大部分：引言、总体方案、硬件系统、软件系统，Proteus仿真波形截图，总结。引言，首先对课题研究背景和所涉及的相关技术领域进行了介绍；第一章对系统所要完成的功能和可扩展的功能进行描述，确定系统的设计方案主要参数计算，第二章对系统的硬件结构和各部分组成作了简要的介绍和讲解；第三章是硬件部分，主要介绍了MSP430单片机简介和供电模块、预稳压模块稳压模块、漏电保护模块液晶显示模块。第四章是显示功率、输入电压模块，这部分重点介绍了主程序的流程框图及各个子程序的流程框图。第五章是仿真的截图。最
6、后对整篇文章进行了总结。第二章 系统设计2.1系统结构模块整个直流稳压电源及漏电保护装置系统主要由单片机模块、直流输入供电模块（供电模块、预稳压模块、稳压模块）、漏电保护装置模块、显示模块构成。此装置主要是为了能检测出瞬间电流的大小，能适用于供电站，用来检测供电区域瞬间电流的大小，如果过大，就直接断开，能保护送电装置。如图2-1稳压模块供电模块预稳压模块 MSP430 漏电保护液晶显示图2-1 直流稳压电源及漏电保护装置系统框图2.2单片机模块方案一、如果利用LM324和P沟道的场效应管设计本体，单片机就可以直接选择89C51，其优点是电路成熟可靠，电路简单，易于设计。但是存在的缺点是 功耗较
7、大，运转速度较慢，功能不齐全，需要外加设计A/D转换。方案二、直接采用MSP430单片机，其优点是速度高，功耗低，节能环保，功能齐全，程序简明，自带A/D D/A PWM PID等功能。2.3直流输入供电模块方案一、利用LM324 和P沟道的场效应管IRF9640设计的线性直流电源，输出电流大，能满足额定输出电流为1A的直流稳压电源，其外围元器件较少，但是，精度不高，需要为电路外加一个电源，或者可以用一个稳压管来代替电源，但就不能精确的达到5V，那么对后面的输出电压就会产生影响，同时，纹波系数较大，可能对直流稳压电路产生不良影响，不能达到题目要求方案二、采用LT1083，其有结构简单、性能优良
8、、调试方便、价格便宜等显著优点，而且能提供的最大电流可达到7A，更重要的是，实验室存在大量LT1083拆机件，可以充分利用资源，达到节约的目的。2.4漏电保护装置模块方案一、利用一个RCV420电流环接收器芯片，用来检查R和Rl之间的电流差值是否达到30MA，在利用一个运放LM324做一个电压比较器，最后把比较器的输出端接入一个可控硅开关，让电路能自锁，满足电路的要求。方案二、利用一个继电器，和两个IAN194芯片，然后直接用软件来控制漏电保护装置的要求，同时也能达到自锁的要求。2.5方案选择 首先单片机选择，两个方案相之对比，方案一虽成熟、设计简单，但是速度较低，能耗高，精度较低，缺乏所需的
9、AD转换功能。方案二则能满足题目所需的功能，因此选择了MSP430单片机 然后，直流输入供电部分，两个方案相对比，因为方案二能完全满足题中的要求，所以我们选择了方案二。漏电保护装置模块，为了电路简单，容易控制，方便调制，所以我们选择了方案二。第三章 硬件设计3.1 MSP430单片机简介MSP430系列单片机是美国德州仪器（IT）1996年开始推向市场的一种16位超低功耗、具有精简指令集RISC的混合信号处理器（Mixed Signal Processor）。称之为混合信号处理器，是由于其针对实际应用需求，将多个不同功能的模拟电路、数字电路模块和微处理器集成在一个芯片上，以提供“单片机”解决方
10、案。该系列单片机多应用于需要电池供电的便携式仪器仪表中处理能力强：MSP430系列单片机是一个16位的单片机，采用了精简指令集（RISC）结构，具有丰富的寻址方式（7 种源操作数寻址、4 种目的操作数寻址）、简洁的 27 条内核指令以及大量的模拟指令；大量的寄存器以及片内数据存储器都可参加多种运算；还有高效的查表处理指令。这些特点保证了可编制出高效率的源程序。运算速度快：MSP430 系列单片机能在25MHz晶体的驱动下，实现40ns的指令周期。16位的数据宽度、40ns的指令周期以及多功能的硬件乘法器（能实现乘加运算）相配合，能实现数字信号处理的某些算法（如FFT等）。超低功耗：MSP430
11、 单片机之所以有超低的功耗，是因为其在降低芯片的电源电压和灵活而可控的运行时钟方面都有其独到之处。首先，MSP430 系列单片机的电源电压采用的是1.8-3.6V 电压。因而可使其在1MHz 的时钟条件下运行时，芯片的电流最低会在165A左右，RAM保持模式下的最低功耗只有0.1A。其次，独特的时钟系统设计。在 MSP430 系列中有两个不同的时钟系统：基本时钟系统、锁频环（FLL 和FLL+）时钟系统和DCO数字振荡器时钟系统。可以只使用一个晶体振荡器（32.768kHz）DT-26 OR DT-384，也可以使用两个晶体振荡器。由系统时钟系统产生 CPU 和各功能所需的时钟。并且这些时钟可
12、以在指令的控制下，打开和关闭，从而实现对总体功耗的控制。由于系统运行时开启的功能模块不同，即采用不同的工作模式，芯片的功耗有着显著的不同。在系统中共有一种活动模式（AM）和五种低功耗模式（LPM0LPM4）。在实时时钟模式下，可达2.5A ，在RAM 保持模式下，最低可达0.1A 。图3-1 MSP430芯片3.2 预稳压模块直流稳压电源的设计，只要是为了满足题中的电压调整率和负载调整率1%，然而在设计稳压电源的过程中最困难的地方在于低压差的控制，以及电压调整率和负载调整率要求的精度高。为了达到题中的要求，我们设计了一个两级电路，因为两级电路能达到低压差的控制，同时，满足精度高的要求。因此，我
13、们首先采用了一个预稳压电路，该电路先对高于7V的电压进行降压，使得后级电路可以稳定输出5V电压，此电路的特点在于电压调整率非常的好，在测量的过程中，基本上没有什么变化。同时，由于主要功耗都耗散在预稳压电路，所以精确稳压部分功耗较低，大大加强了电路的热稳定性，因此设计的这个直流稳压电源是完全满足这个题的要求的。图3-2 预稳压电路3.3 稳压模块为了达到电路中要求的低稳压，因此在精密低压差电路中使用了2只P沟道增强型场效应管IRF9640，而不是使用的N沟道的增强型效应管，因为N沟道的Ugs的启动电压过高，不能在电源电压为5.5V，漏极为5V的情况下进行工作，所以必须使用P沟道的增强型场效应管。
14、如图3-3 就是一个低压差的精确稳压电路，此电路性能优异，电路简单，可靠性高，成本低，精准度高。完全能满足题中所要求的精准度，有了预稳压模块和稳压模块，加上供电模块就直接构成了我们题中要求设计的直流稳压电源，因为我们在这一个模块的精准度是非常的高了，因此为后级电路做好了一个很好的准备。图3-3 低压差精确稳压电路3.4 漏电保护模块我们在设计漏电保护装置模块时，先是用高电压端和低电压端两端测量电流的方式。当高端电流值大于低端电流值时，那么就证明此时电路存在漏电电流。就直接检测出来了电路中是否存在漏电流的要求，然后在精确测得高端与低端的电流差，就可以精确直接的控制漏电保护系统的作用点。这样设计的
15、电路十分的简单就完成了题中漏电保护装置的要求，在漏电保护装置的后端采用了一个INA194做为电流取样，因为INA194芯片的精度高，不容易发热，设计的电路其特点是取样精度高，电路简单易用，体积小巧，完全能满足本题要求。在实际测量的过程中，漏电电流的精度在1mA内。当漏电电流差大于30mA时，继电器K1开始工作，K1继电器的触头自动断开，同时完成自锁，需要人为的按一下K1继电器，恢复到正常工作的状态，在进行之后的实验。图3-4漏电保护装置电路图3.5 液晶显示模块利用LCD12864液晶显示屏作为电压、功率、漏电流的显示设备，因为LCD12864比LCD1602能显示更多行和列，能完整的把输出功
16、率和电压值，以及漏电流完全显示在显示屏上。如图3-5 图3-5 LCD12864液晶显示屏3.6 系统功能综述当直流电源5.5V25V的电压输入直流稳压电源中，通过供电模块、预稳压模块、稳压模块之后，使输出电压为5V，误差1%。通过一个康铜丝电阻把采集的电压信号通过MSP430自带的A/D转换送入单片机内，再利用一个INA194电流采样芯片，同样通过A/D转换送入430单片，再通过程序计算出功率P的大小，P=I*U，在把计算出来的值显示在LCD12864的显示屏上面，而输出电压与漏电流的大小则直接显示在液晶屏上就可以了。漏电流的检测是再利用一个INA194芯片采集漏电流的大小，同样通过A/D转
17、换送入单片机，在单片机内部通过程序比较反馈回来的电流是否大于等于30MA，如果大于30MA，则通过程序直接控制继电器工作，断开触头，自锁，而液晶屏上则直接把漏电流的大小显示出来。第四章 软件设计4.1 功率/电压/漏电流显示 把输入的电压直接接入MSP430单片机，因为在MSP430单片机内部自带了A/D转化，然后在通过一个康铜丝的采样电阻，把电流信号转化为电压信号，也输入MSP430单片机，然后，通过程序实现功率的显示。图4-1 功率显示流程第五章 Proteus仿真及调试5.1关于ProteusProteus软件是由英国Lab Center Electronics公司开发的EDA工具软件。
18、Proteus软件已有近20年的历史，在全球已得到广泛使用。它除了具有和其他EDA工具一样的原理编辑、印制电路板（PCB）自动或人工布线及电路仿真功能外，最大的特色是其电路仿真是交互的、可视化的。通过Proteus软件的VSM（虚拟仿真技术），用户可以对基于微控制器的系统连同所有的外围接口电子器件一起仿真。针对微处理器的应用，可以直接在基于原理图的虚拟模型上进行编程，并实现软件源码级的实时调试；用户可以实时采用诸如引导LCD、键盘，RS232终端等动态外围设备模型来对设计进行交互可视化仿真，从而看到运行后输入输出的效果。配合系统配置的虚拟仪器如示波器、逻辑分析仪等可以测量方针的波形及记录仿真数
19、据。在不需要硬件设备投入的情况下，Proteus软件可以建立完整的电子学习设计开发环境，缩短研发周期，并降低开发成本。Proteus软件集成了高级原理布图、混合模式SPICE电路仿真、PCB设计以及自动布线来实现一个完整的电子设计系统。此系统的成型得益于多年来的持续开发，世界著名的电子杂志电子世界（EWW）在关于PCB设计系统的文章中将Proteus软件评为最好的产品“The Route to PCB CAD”。Proteus 产品系列也包含了我们革命性的VSM技术，用户可以对基于微控制器的设计连同所有的周围电子器件一起仿真。用户甚至可以实时采用诸如LED/LCD、键盘、RS232终端等动态外
20、设模型来对设计进行交互仿真。其功能模块:个易用而又功能强大的ISIS原理布图工具；PROSPICE混合模型SPICE仿真；ARES PCB设计。PROSPICE 仿真器的一个扩展PROTEUS VSM，便于包括所有相关的器件的基于微处理器设计的协同仿真。此外，还可以结合微控制器软件使用动态的键盘，开关，按钮，LEDs甚至LCD显示CPU模型。支持许多通用的微控制器，如PIC，AVR，HC11以及8051。交互的装置模型包括：LED和LCD显示，RS232终端，通用键盘。强大的调试工具，包括寄存器和存储器,断点和单步模式。IAR C-SPY 和Keil uVision2等开发工具的源层调试。应用
21、特殊模型的DLL界面提供有关元件库的全部文件。Proteus与其它单片机仿真软件不同的是，它不仅能仿真单片机CPU的工作情况，也能仿真单片机外围电路或没有单片机参与的其它电路的工作情况。因此在仿真和程序调试时，关心的不再是某些语句执行时单片机寄存器和存储器内容的改变，而是从工程的角度直接看程序运行和电路工作的过程和结果。对于这样的仿真实验，从某种意义上讲，是弥补了实验和工程应用间脱节的矛盾和现象。相比较其他EDA软件，Proteus具有以下特点：实现了单片机仿真和SPICE电路仿真相结合。具有模拟电路仿真、数字电路仿真、单片机及其外围电路组成的系统的仿真、RS232动态仿真、I2C调试器、SP
22、I调试器、键盘和LCD系统仿真的功能；有各种虚拟仪器，如示波器、逻辑分析仪、信号发生器等。支持主流单片机系统的仿真。目前支持的单片机类型有：ARM7(LPC21xx)、 8051/52系列、AVR系列、PIC10/12/16/18系列、HC11系列以及多种外围芯片。提供软件调试功能。在硬件仿真系统中具有全速、单步、设置断点等调试功能，同时可以观察各个变量、寄存器等的当前状态，因此在该软件仿真系统中，也必须具有这些功能；同时支持第三方的软件编译和调试环境，如Keil C51、uVision2、MPLAB等软件。具有强大的原理图绘制功能。总之，该软件是一款集单片机和SPICE分析于一身的仿真软件，
23、功能极其强大。5.2仿真图设计在这道题中，我们只需要设计一个显示装置就可以了，用一个MSP430单片机连接一个LCP12864液晶显示屏，设计一个控制显示电压、功率、漏电流大小的程序。5.3设计成品调试本设计的调试分为软件调试和硬件调试，对于软件调试主要应用单片机仿真软件（ProteusProfessional）和Keil软件；硬件调试则搭接实际电路加电进行调试5.3.1 软件调试在Keil软件中编写原程序代码，对代码进行格式语法调试，将其错误的进行纠正。本设计应用高级语言编写程序代码，编写时参考C语言语法格式编写。应用单片机仿真软件仿真部分电路，此电路包括，显示屏LCD12864 A/D转化
24、模块，采样模块。 在单片机仿真软件中装载原程序代码，并运行，LCD12864正常启动，通过反馈回来的电压和电流，成功的显示了功率的大小，以及输入电压的大小，漏电流的大小。5.3.2 硬件调试（1）在不通电的情况下，按照设计电路接线图检查安装电路，把安装的电路按电路图一一对照检查连线；（2）连线检查完毕后，直观检查电源、地线、元器件接线端之间有无短路，连线间有无连接不良，二极管及电解电容的引线端有无错接、反接，芯片是否安装错误；（3）把经过准确测量的电源电压接入电路，用电灯代替风机，首先观察有无异常现象，如 冒烟、异味、触摸器件有无过热，电源是否短路等，如有异常现象立即切断电源，排除故障后通电；
25、（4）在硬件调试测试中，最主要的是测量输出电压的大小，是否达到了题中所要求的精准度，当输入电压稳定在7V时，在把电流从1A降到0.01A是的电阻调整率是否能满足在1%。当输入电压在5.525V变化时，输入电压的调整率能否也满足1%。5.3.3 调试结果 通过我和队员的认真调试，最后能正常的显示出功率的大小，输入电压的大小，漏电流的大小，利用VICTOR4位半万用表测试在输入电压在5.5V25V变化时，输出电压在带载时间电压大小。5.3.3.1 输出电压测试测试条件：利用VICTOR4位半万用表按照基本要求第（1）、（2）项，对设计的电路进行检测，主要是检测直流稳压电源的输出端，负载为RL=5，
26、直流输入电压在5.5V7V 及 7V 25V变化，输出电压的大小。测得输出电压如表5-1所示。表5-1 输入/输出电压 对比应表输入电压输出电压5.434.9635.54.98765.0006.55.01175.01295.016115.016135.016155.016175.016195.016215.017235.017255.018结论：从表5-1测试结果可以看出，当输入为5.43V时，就已经能达到题中要求的4.955.05V的电压。在5.5V25V的变化时，同时带上负载电阻Rl=5欧，输出电压为5土0.037V，输出电压的调整率 SU1%，完全达到的此题中要求。5.3.3.2 电压调
27、整率Su=（5.018-4.987）/4.987=0.0062=0.62%结论：电压调整率完全满足题中第（1）项要求的Su1%5.3.3.3 负载调整率按题中第（3）项要求测试，1A、负载为5欧时，输出的电压为4.98V，当电流为0.01A、负载为500欧时，输出电压为5V。Sl=0.02/5*100%=0.4%同时，然后在不接负载的情况下，可测得5.01V的输出电压。结论：负载调整率也同样完全满足题中第（3）项要求的Sl1%。5.3.4 其他发挥部分测试5.3.4.1 漏电及保护测试（1）按要求连接电路，lcd12864能同步显示漏电流大小、输出功率大小、输入电压的大小，当漏电到达30MA时
28、，继电器启动保护并进行自锁，此时电路中的输出电压0V，漏极电路已经停止工作了，同时，在电源的部分，没有了负载，输出电压实测均在4.866V以上，达到了发挥部分第（1）项要求的4.6V 。5.3.4.2 30MA电流误差因为在设计电路中用的INA194芯片，电流的误差小于1MA，所以在实际测量的30MA电流误差绝对值1MA，Si=3.3%，满足了发挥部分的第（2）项要求的5%5.3.4.3 保护装置的接入功耗本系统设计采用取样电阻测电流，求漏电流差值的方式测量漏电流，取样电阻为0.01和0.02欧的康铜丝电阻，并采用小于10MA的微型继电器动作，以保证消耗很小的功耗，经实际测量输出电压在4.86
29、6V以上，能反映出此保护装置的接入功耗非常小。5.3.4.4 其他测试（1）、从表5.3.3.1的测试结果可以得出，当输入的电压为5.43V时，就已经能达到题中所要求的电压5V，完全超出了题中要求的5.5V输入电压范围。所以我们是超额的完成了要求。（2）、由单片机MSP430控制的lcd12864，除了显示题中所要求的输出功率大小的显示，还可以显示输入电压、及输出电流大小。比题中所要求的只显示功率的大小，多出来了几项。第六章 结论在这个直流稳压电源及漏电保护装置的系统中使用了MSP430单片机，因为此单片机自带了A/D、D/A、PWM、PID等功能软件，不需要在另外去设计一个A/D转换的电路，
30、减小了工作量。然后利用了P沟道IRF9640的场效应管，因为P沟道的场效应管能在低压差的情况下进行工作，设计了一个预稳压电路和稳压电路，这两个电路构成了直流稳压电源模块，在精度方面完全满足要求，又利用一个继电器设计了一个漏电流检测装置，正好满足了此题的要求。根据前面所测得的数据可以得出，本设计是完全的满足此题的要求，在一些地方还比题中所要求的精度更加的高。七 参考文献（1）.模拟电子技术 韦建英 徐安静编 华中科技大学出版社（2010.8） （2）.MSP430单片机常用模块与综合系统实例精讲 秦龙编 电子工业出版社（2007.7）（3）.全国大学生电子设计竞赛教程-基于TI器件设计方法 黄根
31、春 周立青 张望先编 电子工业出版社（211.4）致谢这次毕业设计可以圆满的完成，得益于老师的指导与自己团队的辛勤努力，通过在网络上搜索相关资料，老师的解答与队员之间的讨论交流解决了很多的问题，最后圆满完成了整个毕业设计。在整个设计过程中，我首先要感谢我的指导老师陈华丽老师，没有陈老师不辞辛苦的解答与帮助，仅凭我个人能力是很难圆满完成这次毕设的，在老师的帮助下，我弄懂了LM324、RCV420、IRF9640、ADC/DAC0832等芯片的连接方式与其实现的功能，学会了Proteus软件的使用以及如何利用VSM进行仿真与观察，最后生成PCB板。在论文撰写过程中，陈老师细致的检查帮我找出许多不当之处并提供解决方案，在老师一步一步的教导下完成了此次毕设，再次感谢陈老师的指导与帮助。另外还要我的队友，在这个过程中大家相互支持，遇到有问题就在一起相互讨论，在日常中通过讨论与讨教解决了不少的问题，此外，我仍需感谢网络论坛上的很多前辈帮忙解决问题出主意，十分感谢！附录附录1 C语言程序#include #include LCD12864.h#include LCD12864.c#include 12864bc.c#include
