直流稳压电源及漏电保护装置课程设计 精品Word文档格式.docx
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功率测量电路用已知电阻测电压,经AD0809芯片采样输入单片机进行分析,回显到LCD1602,实现功率实时显示。
漏电保护装置由单品单片机,ULN2003、继电器组成,首先霍尔电流传感器采样电路电流信号送至单片机,在电流值达到30mA阈值时有单片机通过ULN2003驱动继电器,形成断路以保护电路及人身安全。
排除危险后,按下继电器复位开关电路正常工作。
关键芯片:
LM317AD809LCD1602ULN2003MCULM2940DC-DC稳压
目录
1系统方案1
1.1整流模块的论证与选择1
1.2滤波电路的论证与选择2
1.3DC-DC稳压模块的论证与选择3
1.4模数转换的论证与选择4
1.5显示模块的论证与选择5
1.6控制模块的论证与选择5
2系统理论分析与计算6
2.1稳压电源分析计算6
2.1.1稳压芯片甄选6
2.1.2有关参数的计算7
2.2漏电检测分析计算8
2.2.1漏电检测分析8
2.2.2漏电检测计算9
2.3关断保护分析计算9
2.3.1关断保护分析9
2.3.2关断保护计算9
3电路与程序设计9
3.1电路的设计9
3.1.1系统总体框图9
3.2程序的设计11
3.2.1程序流程图11
4测试方案与测试结果12
4.1调试的方法12
值4.2测试条件与仪器12
4.3测试结果及分析12
4.3.1测试结果(数据)12
4.3.2测试分析与结论13
附录1:
电路原理图14
附录2:
源程序15
1系统方案
本系统所需要有整流模块、滤波模块,DC-DC稳压模块,模数转换模块、显示模块、控制模块、漏电保护模块、组成,下面分别论证这几个模块的选择。
1.1整流模块的论证与选择
题目所需电压为5.5到25V,最大电流为1A所以最大功率为25W,根据变压器功率守恒的原则,我们选用的是220V-30V,50W的普通变压器符合要求,稳压电源模块分为整流模块,稳压模块两部分。
现论证如下
1.1.1整流模块
方案一:
半波整流电路。
电路图如图1.1所示,
图1.1.1
半波整流电路是一种最简单的整流电路。
它由电源变压器、整流二极管D和负载电阻Rfz,组成。
变压器把市电电压变换为所需要的交变电压E2,再把交流电变换为脉动直流电。
该电路联接简单,但输出脉动大。
方案选择:
通过比较可知,半波整流电路简单,易于联接,但输出脉动大。
而桥式整流电路在实际中应用较多,变压器负极线圈在一周内均有电流通过。
采用桥式整流电路比较好。
方案二:
桥式整流电路。
电路图如1.1.2所示
图1.1.2
桥式整流电路是使用最多的一种整流电路。
这种电路,只要增加两只二极管口连接成"
桥"
式结构,便具有全波整流电路的优点,而同时在一定程度上克服了它的缺点。
桥式整流电路是利用四个二极管制作成一个整体,引出四个脚,两个作为交流电源输入端,另两个作为输出端。
所以选择方案二。
1.2滤波电路的论证与选择
滤波电路常用于滤去整流输出电压中的纹波,一般由电抗元件组成,如在负载电阻两端并联电容器C,或与负载串联电感器L,以及由电容,电感组成而成的各种复式滤波电路。
由于电抗元件在电路中有储能作用,并联的电容器C在电源供给的电压升高时,能把部分能量储存起来,而当电源电压降低时,就把能量释放出来,使负载电压比较平滑,即电容C具有平波的作用;
与负载串联的电感L,当电源供给的电流增加时,它把能量储存起来,而当电流减小时,又把能量释放出来,使负载电流比较平滑,即电感L也有平波作用。
电感滤波输出电流较为平滑,同时电感负载有延长整流二极管导通角的趋势,因此输出电流比较平滑,避免了过大的冲击电流。
但电感滤波后输出电压较低。
滤波电路结合了电容滤波和电感滤波的优点,但电路较复杂,参数选择比较困难。
电容滤波电路输出电压与时间常数的大小有关,因此电容滤波电路适合在大负载场合下运用。
在滤波电容的容量较大的情况下,电路刚接通的瞬间,整流二极管将承受很大的浪涌电流,很可能因过流而烧毁,因此,在选用二极管时,应注意挑选电流大一点的,最好采用比锗管更经得起电流冲击的硅管。
还可以采取一些保护整流二极管的措施,使通过整流二极管的最大电流不超过规定的浪涌电流。
同时,电容滤波电路的外特性比较软。
综合分析此次设计采用图1.2的电容滤波电路。
图1.2
1.3DC-DC稳压模块的论证与选择
采用LM7085三端稳压器来稳定电压,这也是脑子中最先出现的稳压芯片,7805是最常用到的稳压芯片,它的使用方便,用很简单的电路即可以输入一个直流稳压电源,它的输出电压恰好为5V,刚好是51系列单片机运行所需的电压,它有很多系列,如KA7805,ADS7805,CW7805等,性能有微小的差别,用的最多的是LM7805。
但查询LM7805手册得知。
LM7805的压差最小2V,既要得到题目最小电压5V最少需要7V,不符合题目要求的5.5V到25V的要求,
采用LM2940三端稳压器来稳定电压,国产的LM2940CJ-5.0P+以更大的输入范围,完美的解决压差问题,其优越的性能,超高的性价比完全替代进口LM290-5.0CJP+,其手册芯片说明其最大压差0.5V,算是解决的低压差的问题。
其电路实现模块如图4所示
图1.3
综合考虑采用方案二。
经济适用,适合题目要求
1.4模数转换的论证与选择
采用ADC0809将模拟电压信号转换成数字信号。
ADC0809是采样频率为8位的、以逐次逼近原理进行模—数转换的器件。
其内部有一个8通道多路开关,它可以根据地址码锁存译码后的信号,只选通8个单断模拟输入信号中的一个进行A/D转换。
题目中电流从1A变化到0.01A正好相当于模拟输出电压连续变化,ADC0809对输入模拟量要求为信号单极性,电压范围是0-5V正符合题目要求,其单片机应用电路简单实用,经典,使用广泛,是AD转换中的常客,为此我们经过考量选用ADC0809作为我们此次比赛中功率实时显示的信号采集模块使用,其在电路如图5所示
图1.4
1.5显示模块的论证与选择
采用七段数码管,将单片机得到的数据通过数码管显示出来。
该方案简单
易行,但所需的元件较多,且不容易进行操作,可读性差,一旦设定后,很难再加入其他的功能,显示格式受限制且耗电量大,不宜用电池给系统供电
采用LCD1602显示,LCD显示器显示平稳、省电、美观,更容易实现题目要求,
后续的功能兼容性高,只需将软件作修改即可,可操作性强,也易于读数其中、也是市场上经典的显示器,大众化普及率高。
且满足题目要求。
其电路如图1.5所示
图1.5
1.6控制模块的论证与选择
选用一片CPLD(如EPM7128LC84-15)作为系统的核心部件,实现控制与处理的功能。
CPLD具有速度快、编程容易、资源丰富、开发周期短等优点,可利用VHDL语言进行编写开发。
但CPLD在控制上较单片机有较大的劣势。
同时,CPLD的处理速度非常快,而手动调节电位器的频率不会太高,那么对系统处理信息的要求也就不会太高,在这一点上,MCU就已经可以胜任了。
若采用该方案,必将在控制上遇到许许多多不必要增加的难题。
为此,我们不采用该种方案,进而提出了第二种设想。
采用STC89C52单片机作为主控制器。
如图1.6所示STC89C52是一个超低功耗,
和标准51系列单片机相比较具有运算速度快,抗干扰能力强,片内含8k空间的可反复擦写1000次的Flash只读存储器,具有512
bytes的随机存取数据存储器(RAM),32个I/O口,2个16位可编程定时计数器。
其指令系统和传统的8051系列单片机指令系统兼容,降低了系统软件设计的难度,电路设计简单、价格低廉。
图1.6
综合以上方案我们选择比较普通的更为熟悉的方案二使用STC89C52单片机为我们整个系统的控制模块电路
2系统理论分析与计算
2.1稳压电源分析计算
2.1.1稳压芯片甄选
鉴于赛题要求的5.5V-25V输入范围,5V输出,这样的芯片必须满足宽输入,低压差稳定输出的特点,各据其手册表2.1.1提供的数据显示,其压差为2V,若要输出5V稳定电压,临界值必须达到7V,显然7085不符合要求,为此我们多方查询资料,终于找到了适合我们的稳压芯片LM2940,其电气参数如表2.1.1.1所示,其100mA是压差为0.3,1A是的压差为0.5刚好为赛题需要的临界值,所以我们选中此芯片来作为我们所需的稳压电源做最大贡献。
表2.1.1.LM7805电气参数
表2.1.1.1LM2940电气参数
2.1.2有关参数的计算
稳压电源的技术指标可以分为两大类:
一类是特性指标,如输出电压、输出
电滤及电压调节范围;
另一类是质量指标,反映一个稳压电源的优劣,包括稳定度、等效内阻(输出电阻)、纹波电压及温度系数等。
对稳压电源的性能,主要有以下四个万面的要求:
1.稳定性好
当输入电压Usr(整流、滤波的输出电压)在规定范围内变动时,输出电压
Usc的变化应该很小一般要求
由于输入电压变化而引起输出电压变化的程度,称为稳定度指标,常用稳压
系数S
来表示:
S的大小,反映一个稳压电源克服输
入电压变化的能力。
在同样的输入电压变化条件下,S越小,输出电压的变化越小,电源的稳定度越高。
通常S约为
。
2.输出电阻小
负载变化时(从空载到满载),输出电压Usc,应基本保持不变。
稳压电源
这方面的性能可用输出电阻表征。
输出电阻(又叫等效内阻)用rn
表示,它等于输出电压变化量和负载电流变化量之比。
rn
反映负载变动时,输出电压维持恒定的能力,rn
越小,则Ifz
变化时输出电压的变化也越小。
性能优良的稳压电源,输出电阻可小到1欧,甚至0.01欧。
3.电压温度系数小
当环境温度变化时,会引起输出电压的漂移。
良好的稳压电源,应在环境温度变化时,有效地抑制输出电压的漂移,保持输出电压稳定,输出电压的漂移用温度系数KT来表示:
4.输出电压纹波小
所谓纹波电压,是指输出电压中50赫或100赫的交流分量,通常用有效值
或峰值表示。
经过稳压作用,可以使整流滤波后的纹波电压大大降低,降低的倍数反比于稳压系数S
2.2漏电检测分析计算
2.2.1漏电检测分析
根据题目要求,漏电装置的动作电流为30mA,我们在负载与漏电模拟装置后面接入阻值10欧的电阻,漏电模拟部分的变化30mA,由于负载电阻与漏电保护电路为并联关系,那么必然会在回流负极的干路接入的10欧电阻会有0.3V的电压的变化,此变化信号有ADC0809实时采样,正好与前面的功率显示交相呼应,然后单片机控制继电器进行断开电源供电,至此
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