直流稳压电源及漏电保护装置设计与实现

徐云龙，孙旭日，曾昭献

（九江职业技术学院，江西九江 332007）

一、系统方案

总体框图如图1所示。初始直流输入信号5.5～27V，经过直流稳压电源调整模块后稳压输出5V。手动转换开关S不接漏电保护时，设计电压提升、放大和稳压调整电路，使输出电流1A。带负载的过程中输出电压不小于4.6V。采样调后的模拟电压，经过A／D模数转换后由微控制器进行分析，处理的结果再通过D／A数模转换反馈给放大电路去比较，显示模块实时显示各项参数。S切换到漏电保护控制模块时，接入20Ω负载，当漏电流大于30mA，漏电保护动作，切断工作电路，等排除漏电故障后，电路重新开始工作。

图1 系统总体框图

采用单片开关电源进行电压提升后，信号输送到LM324运放电路同相比较、隔离、放大，再用7805稳压。信号取样采用STM32内置的模数转换，外接电路简单，信号不失真，处理后的数据经过STM32内置的数模转换输出，利用PID调整思路，软件实现各种算法和逻辑控制，并实时显示功率、电压、电流参数。

采用处理功能更强大的32位微控制器STM32设计核心控制电路［1］，系统调试效率较高，失真度小，精度可以提高，甚至可以更方便实现显示、打印、与微机通信等功能。

二、电路与程序设计

直流输入信号是经过单片开关电源电压提升后7805稳压，提供放大电路中LM324所需的12V电压和微控制器STM32的5V电压。信号取样模块包括信号没有漏电保护时的取样和漏电保护工作时的取样，采用STM32采样后计算，再由STM32控制输出调整电压到LM324电路。显示模块为液晶显示，由微控制器控制功率显示，同时显示电压和电流。

1.电路总体设计

信号取样分两部分：电路没有漏电保护时，直流稳压带5Ω负载时的取样；电路有漏电保护时，在漏电保护支路100Ω取样电阻上的取样，采用STM32内置功能进行A／D、D／A转换及显示控制［2］，如图3所示。

图3 总电路设计

直流稳压电源调整模块利用单片开关电源将5V～25V的电压降到12V，给LM324供电，再用三端稳压器7805稳压5V，给STM32供电。稳压电路配备了必要的电阻、电容、晶体管来消除干扰，精确稳压。电压放大电路部分采用集成运放LM324，跟踪电压提升后的信号，再比较微控制器PA4输出的反馈信号，调整稳压输出，实时液晶显示功率、电压、电流参数。

2.工作流程设计

图4 直流稳压部分和漏电保护部分程序流程设计

软件设计采用了误差补偿和线性差补法，并对采样后的信号进行分析，每部分完成两路模数转换控制，以及转换后数字信号的处理，测量出系统参数并实时显示功率、电压、电流。测电压AD0、测电流AD 1为稳压模块正常没有漏电保护的情况下接5Ω的负载时的采样信号，通过微控制器进行A／D转换并处理［3］。测电压AD 0、测电流AD 2为有漏电保护的情况下接20Ω的负载时的采样信号，通过微控制器进行A／D转换并处理。DAC输出是微控制器处理后的数据再经过内部D／A转换输入到LM324放大电路进行同相比较的电压信号，通过PID调整［4］确保稳压输出供电。程序流程图设计如图4所示。

三、系统实现与测试结果

测量的技术指标有：频率P、电压U、电流I，测量仪器如下：

双踪示波器DF1641B型函数信号发生器 APS3003S稳压电源MS8050五位半万用表 UT2062C

先调试单片机最小系统板、运算放大器、、显示器件、小型继、器、滑线变阻器 （50Ω／2A）、变容二极管 （30pF～100pF）、红外收发管。各单元调通后，进行整机调试，将各模块连接在一起，用直流电压输入，对每一芯片的片选、启动进行检测，并对数据线和地址线也进行检测。调试成功后再将程序写入微控制器内进行调试，调试结果显示，整个系统能够正常工作。

I.输入电压7V～25V，电阻5.1Ω，如表1所示。电压调整率的定义为：

式中Uo1是直流输入电压为7V时的输出电压，Uo2是直流输入电压为25V时的电源输出电压。根据以上参数算出Su＝0.6＜1%。

II.输入电压5.5V～7V，电阻5Ω，如表2所示。III.输入电压5.5V～25V，电阻20Ω，如表3所示。

表1 输入电压7V～25V，电阻5.1Ω时的参数

表2 输入电压5.5V～7V，电阻5Ω时的参数

表3 输入电压5.5V～25V，电阻20Ω时的参数

动作电流30mA，固定电阻为20Ω，漏电流I，｜△I｜＝｜I－30｜，要求漏电保护装置动作电流误差的绝对值X＝｜I－30｜／30≯5%。输出电压始终为5V，大于4.6V；漏电动作电流误差最大2.0%，小于5%。

3.测试结果分析及改善

电路信号处理部分的元器件虽然经过软、硬件修正，在小幅值情况下，器件仍会有一定误差。测量电压由于误差累计效应使测量值与理论值存在微小差异。本系统以STM32控制电路为核心，精确设计电路板，尽量做到减小电磁干扰；充分利用软件编程，并采用软件补偿，弥补元器件精度不足。本设计模拟电路处理和微控制器软件处理并重，得到了精度较高的各项参数，设计灵活较容易实现。

〔1〕倪志莲 .单片机系统设计与制作 ［M］.北京：机械工业出版社，2012.

〔2〕陈海宴.51单片机原理与应用——基于Keil C与Proteus［M］.北京：北航出版社，2010.

〔3〕肖婧 .单片机系统设计与仿真－基于Proteus［M］.北京：北航出版社，2010.

〔4〕白志刚 .自动调节系统解析与PID整定 ［M］.北京：化学工业出版社，2012.