直流穩壓電源及漏電保護裝置設計與實現

徐云龍，孫旭日，曾昭獻

（九江職業技術學院，江西九江 332007）

一、系統方案

總體框圖如圖1所示。初始直流輸入信號5.5～27V，經過直流穩壓電源調整模塊后穩壓輸出5V。手動轉換開關S不接漏電保護時，設計電壓提升、放大和穩壓調整電路，使輸出電流1A。帶負載的過程中輸出電壓不小于4.6V。采樣調后的模擬電壓，經過A／D模數轉換后由微控制器進行分析，處理的結果再通過D／A數模轉換反饋給放大電路去比較，顯示模塊實時顯示各項參數。S切換到漏電保護控制模塊時，接入20Ω負載，當漏電流大于30mA，漏電保護動作，切斷工作電路，等排除漏電故障后，電路重新開始工作。

圖1 系統總體框圖

采用單片開關電源進行電壓提升后，信號輸送到LM324運放電路同相比較、隔離、放大，再用7805穩壓。信號取樣采用STM32內置的模數轉換，外接電路簡單，信號不失真，處理后的數據經過STM32內置的數模轉換輸出，利用PID調整思路，軟件實現各種算法和邏輯控制，并實時顯示功率、電壓、電流參數。

采用處理功能更強大的32位微控制器STM32設計核心控制電路［1］，系統調試效率較高，失真度小，精度可以提高，甚至可以更方便實現顯示、打印、與微機通信等功能。

二、電路與程序設計

直流輸入信號是經過單片開關電源電壓提升后7805穩壓，提供放大電路中LM324所需的12V電壓和微控制器STM32的5V電壓。信號取樣模塊包括信號沒有漏電保護時的取樣和漏電保護工作時的取樣，采用STM32采樣后計算，再由STM32控制輸出調整電壓到LM324電路。顯示模塊為液晶顯示，由微控制器控制功率顯示，同時顯示電壓和電流。

1.電路總體設計

信號取樣分兩部分：電路沒有漏電保護時，直流穩壓帶5Ω負載時的取樣；電路有漏電保護時，在漏電保護支路100Ω取樣電阻上的取樣，采用STM32內置功能進行A／D、D／A轉換及顯示控制［2］，如圖3所示。

圖3 總電路設計

直流穩壓電源調整模塊利用單片開關電源將5V～25V的電壓降到12V，給LM324供電，再用三端穩壓器7805穩壓5V，給STM32供電。穩壓電路配備了必要的電阻、電容、晶體管來消除干擾，精確穩壓。電壓放大電路部分采用集成運放LM324，跟蹤電壓提升后的信號，再比較微控制器PA4輸出的反饋信號，調整穩壓輸出，實時液晶顯示功率、電壓、電流參數。

2.工作流程設計

圖4 直流穩壓部分和漏電保護部分程序流程設計

軟件設計采用了誤差補償和線性差補法，并對采樣后的信號進行分析，每部分完成兩路模數轉換控制，以及轉換后數字信號的處理，測量出系統參數并實時顯示功率、電壓、電流。測電壓AD0、測電流AD 1為穩壓模塊正常沒有漏電保護的情況下接5Ω的負載時的采樣信號，通過微控制器進行A／D轉換并處理［3］。測電壓AD 0、測電流AD 2為有漏電保護的情況下接20Ω的負載時的采樣信號，通過微控制器進行A／D轉換并處理。DAC輸出是微控制器處理后的數據再經過內部D／A轉換輸入到LM324放大電路進行同相比較的電壓信號，通過PID調整［4］確保穩壓輸出供電。程序流程圖設計如圖4所示。

三、系統實現與測試結果

測量的技術指標有：頻率P、電壓U、電流I，測量儀器如下：

雙蹤示波器DF1641B型函數信號發生器 APS3003S穩壓電源MS8050五位半萬用表 UT2062C

先調試單片機最小系統板、運算放大器、、顯示器件、小型繼、器、滑線變阻器 （50Ω／2A）、變容二極管 （30pF～100pF）、紅外收發管。各單元調通后，進行整機調試，將各模塊連接在一起，用直流電壓輸入，對每一芯片的片選、啟動進行檢測，并對數據線和地址線也進行檢測。調試成功后再將程序寫入微控制器內進行調試，調試結果顯示，整個系統能夠正常工作。

I.輸入電壓7V～25V，電阻5.1Ω，如表1所示。電壓調整率的定義為：

式中Uo1是直流輸入電壓為7V時的輸出電壓，Uo2是直流輸入電壓為25V時的電源輸出電壓。根據以上參數算出Su＝0.6＜1%。

II.輸入電壓5.5V～7V，電阻5Ω，如表2所示。III.輸入電壓5.5V～25V，電阻20Ω，如表3所示。

表1 輸入電壓7V～25V，電阻5.1Ω時的參數

表2 輸入電壓5.5V～7V，電阻5Ω時的參數

表3 輸入電壓5.5V～25V，電阻20Ω時的參數

動作電流30mA，固定電阻為20Ω，漏電流I，｜△I｜＝｜I－30｜，要求漏電保護裝置動作電流誤差的絕對值X＝｜I－30｜／30≯5%。輸出電壓始終為5V，大于4.6V；漏電動作電流誤差最大2.0%，小于5%。

3.測試結果分析及改善

電路信號處理部分的元器件雖然經過軟、硬件修正，在小幅值情況下，器件仍會有一定誤差。測量電壓由于誤差累計效應使測量值與理論值存在微小差異。本系統以STM32控制電路為核心，精確設計電路板，盡量做到減小電磁干擾；充分利用軟件編程，并采用軟件補償，彌補元器件精度不足。本設計模擬電路處理和微控制器軟件處理并重，得到了精度較高的各項參數，設計靈活較容易實現。

〔1〕倪志蓮 .單片機系統設計與制作 ［M］.北京：機械工業出版社，2012.

〔2〕陳海宴.51單片機原理與應用——基于Keil C與Proteus［M］.北京：北航出版社，2010.

〔3〕肖婧 .單片機系統設計與仿真－基于Proteus［M］.北京：北航出版社，2010.

〔4〕白志剛 .自動調節系統解析與PID整定 ［M］.北京：化學工業出版社，2012.