基于MSP430 單片機的帶漏電保護功能的直流穩壓電源設計

付曉軍

（仙桃職業學院，湖北仙桃，433000）

1 系統方案

本系統是單片機控制的帶漏電保護裝置的直流穩壓電源，主要由單片機控制模塊、穩壓電源模塊、漏電保護模塊和顯示模塊構成，原理框圖如圖1 所示。

圖1 直流穩壓電源及漏電保護裝置原理框圖

2 硬件選擇

■2.1 單片機控制模塊

本系統的控制部分相對簡單，主要涉及到電壓量的采集和控制輸出顯示，選用TI 公司的MSP430G2553 作為主要控制核心部件[1]。MSP430G2553 內部集成了AD 模塊，避免了外接AD 轉換電路，使電路更加簡化，同時MSP430G2553 體積小、運算速度較快、體格便宜、內部資源豐富[2]。

■2.2 穩壓電源模塊

TL431 是一個三端精密穩壓源，內部有溫度補償的高精度并聯放大器，基準電壓精度非常高，輸出電壓用兩個電阻就可以任意地設置到從Vre（f2.5V）到36V范圍內的任何值，但輸出電流最大只能達到100mA，不能達到要求。TL1963也是TI 公司的一款高精度的穩壓源，輸出電流最大可達到1.5A，但其輸入電壓最大不能超過20V，不能達到輸入電壓在5V～25V 變化的要求。為了能提高穩壓電源輸入電壓的調整范圍和輸出的功率以及控制電壓的調整率，本系統結合了TL431 和TL1963 的性能特點采用兩級穩壓。輸入電壓小于10V 直接送入后級，經TL1963 穩壓后輸出，輸入電壓大于10V 通過切換電路送入前級由TL431 穩壓，使輸出電壓不大于13V，再送入后能經TL1963 穩壓后輸出。

■2.3 漏電保護模塊

該裝置利用兩個專用的電流檢測芯片INA194 采集采樣電阻兩端的電壓，然后對采樣電阻兩端的電壓差進行放大，用LM317 做基準電壓，通過電壓的差值可以確定漏電流是否大于30mA，從而控制繼電器來保護負載。

■2.4 輸出顯示模塊

液晶顯示屏根據尺寸、色彩和字模的不同可以靈活的控制輸出的樣式、顏色、內容的多少，但其亮度低、編程復雜、成本高。本裝置只要求輸出功率，輸出內容為數值，因此采用一個4 位7 段數碼管就可以滿足要求。

3 系統理論分析計算與電路設計

■3.1 由TL431 構成的前級穩壓電路

如圖2 所示，前級穩壓電路是由穩壓電路和比較器電路構成，輸入電壓經過R2和R3分壓后輸入一雙運放比較器TLC372 同相端，TL431 和R6、R7、R8構成了一個單電源比較器，比較結果輸入TLC372 的反相端，比較的結果控制是將輸入電壓直接送入TL1963 穩壓還是將輸入電壓經過TL431 進行前級穩壓后再送入TL1963 穩壓模塊。對于整個電路而言，當輸入電壓小于10V 時，輸出電壓等于輸入電壓；當輸入電壓大于10V 時，輸入端通過分壓電阻分壓給運放正端，此電壓大于TL431 穩壓的電壓，運放輸出高電平，控制繼電器吸合，使輸入電壓通過降壓模塊后輸出，且輸出電壓不超過13V。所以當輸入電壓在5.5V～25V 之間變化時，輸出電壓穩定在5.5V～13V 左右。

圖2 前級穩壓電路

■3.2 由TL1963 構成的后級穩壓電路

TL1963 是一個高精度的穩壓芯片，因為它的輸入電壓不能超過20V，所以在前級穩壓電路將輸入電壓穩定在13V以下，TL1963 原理是其內部有一個1.21V 的電壓基準，基準端和地之間接一個精準的固定電阻，輸出端和基準端接一個可調的電位器，改變電位器的電阻值就可以改變輸出電壓，通過改變電位器將輸出電壓改變穩定在5V，如圖3 所示。

圖3 后級穩壓電路

TL1963 的輸入端接前級穩壓電源的輸出，R1=1k，R2 是一個滑動變阻器，VADJ=1.21V，IADJ=3μA，則輸出電壓公式為：

要Vout 輸出5V 電壓，根據公式1 計算，則R2=2.59kΩ，通過調節R2可以得到穩定的5V 輸出。

■3.3 漏電保護電路

如圖4 所示，利用兩個INA194 在取樣電阻R 兩端進行取樣，兩個INA194 取樣得到的電位差就是加載在取樣電阻R 兩端的電壓，對該電壓進行放大后與基準電壓進行比較，比較的結果來控制是否啟動保護電路。

圖4 電壓采樣電路

4 軟件設計

需要程序控制的是利用單片機內部的A/D 模塊采集電壓值從而計算功率，并把功率數值通過四位七段數碼管顯示，主要涉及到A/D 轉換和數碼管的動態掃描[3]。如圖5 所示為主程序流程圖，圖6 為A/D 轉換子程序流程圖。

圖5 主程序流程圖

圖6 A/D 轉換子程序

5 總結

本設計完成了由MSP430 單片機控制的具有漏電保護功能的直流穩壓電源，當輸入電壓在5～25V 間變化時，輸出電壓穩定在5±0.05V，輸出電流最大能達到1A，并能實時顯示穩壓電源的實時功率。同時，當漏電電流達到30mA 時能自動啟動電路保護裝置。