基于单片机的漏电保护装置设计

1、题目：直流稳压电源及漏电保护装置（ L 题） 摘要 稳压电源是各种电子电路、 电子设备所必不可少的动力来源， 对于整个电路 的重要性是不言而喻的。 研究直流稳压电源， 就是为了提高电源的使用性能和提 高电源的电气性能。此直流稳压电源及漏电保护装置是基于升降压电路和 LDO 低压差稳压电路设计的线性直流稳压电源。 该控制器由两个独立的控制器和低压 差稳压电路组成。由于低压差线性稳压器 LDO 具有极低噪声、高稳压性能和低 成本等优点， 在便携式电子产品的低耗电源系统中得到广泛应用。 完善开关电源 的直流稳压电源应具有漏电保护装置， 漏电动作电流 30mA的漏电保护装置， 作 为防止人体直接或间接

2、保护。 矚慫润厲钐瘗睞枥庑赖。 关键字： LDO 线性直流稳压、漏电保护 目录 一、系统方案设计 1聞創沟燴鐺險爱氇谴净。 1.1 设计要求 1残骛楼諍锩瀨濟溆塹籟。 1.2 总体方案设计 1酽锕极額閉镇桧猪訣锥。 1.3 总体电路图设计 2彈贸摄尔霁毙攬砖卤庑。 1.4 方案论证与比较 3謀荞抟箧飆鐸怼类蒋薔。 1.4.1 主控芯片单片机（ MCU ）的设计方案论证与选择 3 厦礴恳蹒骈時盡继價骚。 1.4.2 稳压电源的设计 3茕桢广鳓鯡选块网羈泪。 1.4.3 漏电检测电路的设计 4鹅娅尽損鹌惨歷茏鴛賴。 1.4.4 关断保护电路的设计 4籟丛妈羥为贍偾蛏练淨。 二、主要单元电路的设计

3、5預頌圣鉉儐歲龈讶骅籴。 2.1 稳压电源电路的设计 5渗釤呛俨匀谔鱉调硯錦。 2.2 采样电路的设计 6铙誅卧泻噦圣骋贶頂廡。 2.3 漏电检测电路设计 7擁締凤袜备訊顎轮烂蔷。 2.4 放大电路的设计 8贓熱俣阃歲匱阊邺镓騷。 2.5 报警电路的设计 9坛摶乡囂忏蒌鍥铃氈淚。 三、程序设计 9蜡變黲癟報伥铉锚鈰赘。 四、测试方案与测试结果 10買鲷鴯譖昙膚遙闫撷凄。 4.1 测试仪器 10綾镝鯛駕櫬鹕踪韦辚糴。 4.2 指标测试和测试数据 11驅踬髏彦浃绥譎饴憂锦。 4.2.1 输出电压范围测试结果如表 1： 11猫虿驢绘燈鮒诛髅貺庑。 4.2.2 电压调整率测试结果如表2： 11锹籁饗迳

4、琐筆襖鸥娅薔。 4.2.3 负载调整率测试结果如表3： 11構氽頑黉碩饨荠龈话骛。 4.2.4 过流保护： 11輒峄陽檉簖疖網儂號泶。 4.3 系统对题目的完成情况： 12尧侧閆繭絳闕绚勵蜆贅。 4.4 结果分析： 12识饒鎂錕缢灩筧嚌俨淒。 五、结论 12凍鈹鋨劳臘锴痫婦胫籴。 参考文献： 13 恥諤銪灭萦欢煬鞏鹜錦 一、系统方案设计 1.1 设计要求 1、基本要求 设计一台额定电压为 5V ，额定输出电流为 1A 的直流稳压电源。 （1）转换开关 S接 1端，RL 阻值固定为 5。当直流输入电压在 725V变化时， 要求输出电压为 50.05V，电压调整率 SU1%。鯊腎鑰诎褳鉀沩懼統庫。

5、 （ 2）连接方式不变， RL 阻值固定为 5。当直流输入电压在 5.57V 变化时，要 求输出电压为 50.05V。硕癘鄴颃诌攆檸攜驤蔹。 （3）连接方式不变，直流输入电压固定在 7V ，当直流稳压电源输出电流由 1A 减小到 0.01A 时，要求负载调整率 SL1%。 阌擻輳嬪諫迁择楨秘騖。 （ 4）制作一个功率测量与显示电路，实时显示稳压电源的输出功率。 2、发挥部分 设计一个动作电流为 30mA 的漏电保护装置 （使用基本要求部分制作的直流稳压 电源供电，不得使用其他电源） 。氬嚕躑竄贸恳彈瀘颔澩。 （1）转换开关 S接 2端，将 RL 接到漏电保护装置的输出端，阻值固定为 20， R

6、 和电流表 A 组成模拟漏电支路（见图 1）。调节 R，将漏电动作电流设定为 30mA 。 将漏电保护装置动作后， RL 两端电压为 0V 并保持自锁。排除漏电故障后，按 下K 恢复输出。要求漏电保护装置没有动作时，输出电压4.6V。釷鹆資贏車贖孙滅 獅赘。 （ 2）要求漏电保护装置动作电流误差的绝对值 5%。 （3）尽量减少漏电保护装置的接入功耗。 （4）其他。 1.2 总体方案设计 系统框图如下图所示。其中主控部分由 STC89C58RD 及相关电路组成，它是整 个系统的核心。 电源部分由及相关电路组成， 为整个系统正常稳定地工作提供稳 定的电压。电压检测和引脚判定有康铜丝和 ADC080

7、4 组成，完成 AD 采样和芯 片引脚个数的判定。待测芯片部分的所有管脚都受 MCU 的控制， MCU 能够读 取它的所有信息。显示部分由 1602 液晶组成，方便显示相关信息。 怂阐譜鯪迳導嘯畫 長凉。 图 1 系统设计框架 1.3 总体电路图设计 当直流输入电压在 725V 变化时，通过一个 Buck-Boost 电路拓补结构让其 稳定输出 5V 的电压，再使用康铜丝链接一个放大电路，通过 ADC0804 采样获 得是是实时的电流、电压值并在 1602上显示，当检测电路电流超过 30mA 时， 漏电保护电路启动，断开电路并进行报警。最后可以通过键盘控制电路复位。 谚 辞調担鈧谄动禪泻類。

8、1.4 方案论证与比较 1.4.1 主控芯片单片机（ MCU ）的设计方案论证与选择 方案一：采用 Atmel 公司的 AT89S52。AT89S52 单片机是一种低功耗、高性能 CMOS 8 位微控制器，具有 8K 在系统可编程 Flash 存储器。此芯片价格比较便 宜，但抗干扰能力差。 嘰觐詿缧铴嗫偽純铪锩。 方案二：采用 STC89C58RD+。它也是基于 80C51 内核，管脚与 89S52完全兼容 不需要外围电路， 硬件和软件的开支比较小， 更重要的是他的抗干扰能力比较强， 但它的价格要比 AT89S52要高。 熒绐譏钲鏌觶鷹緇機库。 综合比较后，选择方案二 1.4.2 稳压电源的设

9、计 方案一：用固定式三端集成稳压电路 7805 设计制作连续可调直流稳压的实际电 路中两个电阻主要用来调整输出电压最高输出电压受稳压器最大输入电压及最 小输入输出压差的限制，该固定式三端集成稳压集成电路 7805 最大输入电压为 35V ，输入输出差要保持 2V 以上，因此该电路中由于稳压器的直流输入电压为 725V，所以该电路的输出最大值为 523V。优点：在稳压器的稳压范围内，其 稳压精度可达 0.03。缺点：在实际应用中，应在三端集成稳压电路上安装足够 大的散热器 （当然小功率的条件下不用） 。当稳压管温度过高时，稳压性能将变 差，甚至损坏。 鶼渍螻偉阅劍鲰腎邏蘞。 方案二：将 Buck

10、 与 Boost 两种形式的变换器结合起来，产生一种新的变换器， 叫做 BUCK-BOOST 变换器，也叫升降压式变换器。 既然我们不能直接把 725V 的输入电压变为固定的 5V 输出，那我们就先把 725V 降压，然后再升压，从而 达到题目要求的固定输出 5V 、1A 的要求。优点：效率高、电路简单、电压变比 可由零到无穷大，即可升压又可降压。 缺点：开关晶体管发射极不接地，使驱 动电路复杂化、成本高。 纣忧蔣氳頑莶驅藥悯骛。 方案三： LDO 基本工作原理是：系统加电，如果使能脚处于高电平时，电路开 始启动， 恒流源电路给整个电路提供偏置， 基准源电压快速建立， 输出随着输入 不断上升，

11、 当输出即将达到规定值时， 由反馈网络得到的输出反馈电压也接近于 基准电压值，此时误差放大器将输出反馈电压和基准电压之间的误差小信号进行 放大，再经调整管放大到输出， 从而形成负反馈， 保证了输出电压稳定在规定值 上，同理如果输入电压变化或输出电流变化， 这个闭环回路将使输出电压保持不 变，即： Vout=（R1+R2）R2 Vref。优点：压差小、静态电流小、外接元件小。 缺点：效率不高。 颖刍莖蛺饽亿顿裊赔泷。 方案四：先将电路的电压由 5.5V25V 通过降压变为 4V,再通过升压变为 5.5V， 最后再通过一个 LDO 直流稳压电路，具有较低的静态电流和压差，主要用于压 差较小的场合，

12、 可固定输出电压 5V 。如果输入电压和输出电压不是很接近， LDO 的输入电流基本上是等于输出电流的，如果压降太大，耗在 LDO 上能量太大， 效率不高。 由于此电路的低压差特性和升降压电路的高效性。 所以此电路具有效 率高、压差小、静态电流小、外接元件小的优势。这种设计方案简化了开关电源 的多路输出设计 ,减小了负载调整率 ,提高了电源抑制比 ,并加强了开关电源的过 流保护功能。 濫驂膽閉驟羥闈詔寢賻。 综合比较之后，选择方案四。 1.4.3 漏电检测电路的设计 方案一： 三相交流电电压电流漏电检测电路。 电流漏电检测电路实现对三相交流 电电压、电流和漏电的检测，以实现对过压、欠压、过流和

13、漏电的保护。电压检 测由三相交流变压器、 整流滤波电路和分压电路组成。 电流检测由三相交流互感 器、整流滤波电路和分压电路组成。 其中漏电电流互感器把电流转换为电压信号， 分压电路完成电压调整。此电路质量可靠，抗干扰性强。 銚銻縵哜鳗鸿锓謎諏涼。 方案二：利用欧姆定律，当电流通过康铜丝时，就会有电压降，电流越大，压降 就越大。选用 0.0022 的康铜丝，让 ADC0804 能测得康铜丝两端的电压差。由 于电压差实在太小，不利于检测，再用 INA128 对采集到的电压差值放大 1000 倍后将数据传给 A/D 。价格便宜、对电路影响可忽略不计、其阻值低、精度高、 温度系数低、具有无电感、高过载

14、能力。 挤貼綬电麥结鈺贖哓类。 方案三：康锰铜电阻丝是电流测量中很常用取样电阻， 其特点在于温度漂移量非 常小。经过测试，在 1 的康锰铜电阻丝上通过约 2A 电流，由于产生的热量引 起的升温，只会引起 0.02 左右的阻值变化，对电流的稳定起了很重要的作用。 赔荊紳谘侖驟辽輩袜錈。 综合考虑后，选择方案二。 1.4.4 关断保护电路的设计 方案一：漏电保护电路主要包括：检测元件（零序电流互感器） 、中间环节（放 大器、比较器、脱扣器） 、执行元件（主开关）等几个部分。没有发生漏电或触 电的情况下， 通过零序电流互感器一次测的电流相量和等于零。 塤礙籟馐决穩賽釙冊庫。 当发生漏电或者有人触电时

15、， 通过零序电流互感器一次测各相电流相量和不再等 于零，产生了漏电电流。 二次侧产生了感应电动势， 此漏电信号经过中间环节处 理和比较，当达到预定值时， 使主开关分励脱扣器线圈通电， 驱动主开关自动跳 闸，切断故障点，从而实现保护。 裊樣祕廬廂颤谚鍘羋蔺。 方案二：通过单片机 I/O 口控制，驱动电磁继电器。当输入高电平时，晶体管饱 和导通，继电器线圈通电，触点吸合。当输入低电平时，晶体管截止，继电器线 圈断电，触点断开。系自动断开电路，并且报警并显示，在实际中很实用。 仓嫗 盤紲嘱珑詁鍬齊驁。 方案三： IGBT （绝缘栅双极型晶体管）兼有场效应晶体管输入阻抗高、驱动功 率小和双极型晶体管电

16、压、电流容量大及管压降低的特点。当出现短路过流时， 必须采取有效的保护措施。为了实现 IGBT 的短路保护，则必须进行过流检测。 适用 IGBT 过流检测的方法，通常是采用霍尔电流传感器直接检测 IGBT 的电流 Ic，然后与设定的阈值比较，用比较器的输出去控制驱动信号的关断；或者采用 间接电压法，检测过流时 IGBT 的电压降 Vce，因为管压降含有短路电流信息， 过流时 Vce 增大，且基本上为线性关系，检测过流时的 Vce 并与设定的阈值进 行比较，比较器的输出控制驱动电路的关断。 绽萬璉轆娛閬蛏鬮绾瀧。 考虑到可行性，综合比较之后：选择方案二。 二、主要单元电路的设计 2.1 稳压电源

17、电路的设计 当输入电压在 725V 变化时，通过降压，然后再将降压后的电压通过升压， 从而达到实际所需的额定输出电压 5.5V，然后通过低压差稳压路固定输出一个 样 显示 5V 的值。公式： 正常工作 。骁顾燁鶚巯瀆蕪領鲡赙。 C LM25 96 3 R2 L1 C? Cout ON/OFF 图 3 降压电路 图 4 升压电路 Q3 MOSFET P 图 5 后接直流稳压电路原理 2.2 采样电路的设计 输出端串接选用温漂小的康铜丝， 保护电路选用的电流取样电阻要综合考虑 电流、功率及热稳定性三个因素。 电阻增大则电路效率下降， 而我们选用的康铜 丝电阻仅为 0.0022 ，所以康铜丝对电路的

18、影响可以完全忽略不计。接着用 ADC0804测康铜丝两端的电压差。因取样电压很小很小，故使用INA128 对它进 行放大 1000 倍，使它有一个稳定的电压值。电压信号需放大后送给单片机进行 R? +12 A/D 采样。 R? 2.3 漏电检测电路设计 30 mA保护电路 图7 30mA漏电检测电路 2.4 关断保护电路的设计 51 单片机控制继电器驱动原理： 1、当 51单片机引脚输出低电平时，三极管 2N3906饱和导通， 5V电源加到继 电器线圈两端，继电器吸合， 同时状态指示的发光二极管也点亮， 继电器的常开 触点闭合，相当于开关闭合。 2、当 51 单片机引脚输出高电平时， PNP三

19、极管 2N3906 截止，继电器线圈两端 没有电位差，继电器衔铁释放，继电器的常开触点释放，相当于开关断开。注： 在三极管截止的瞬间， 由于线圈中的电流不能突变为零， 继电器线圈两端会产生 一个较高电压的感应电动势，线圈产生的感应电动势则可以通过二极管 IN4148 释放，从而保护了三极管免被击穿，也消除了感应电动势对其他电路的干扰，这 就是二极管 D1的保护作用。 鎦诗涇艳损楼紲鯗餳類。 继电器保护电路 I/OPQN?P1 图 8 继电器保护电路 2.4 放大电路的设计 电路的电压信号由于太小所以需要用如图所示的放大电路予以放大之后才能够 被采集到电压信息。采用低噪声、高共模抑制、高输入阻抗

20、、低功耗的高性能仪 表放大器 INA128 。栉缏歐锄棗鈕种鵑瑶锬。 2.5 报警电路的设计 当电路中电流超过 30mA 时，进行报警 三、程序设计 主程序设计： 图 11 报警电路 报警电路 开始 结束 图 12 主程序流程图 25V 5.00V 10 四、测试方案与测试结果 4.1 测试仪器 UT39A数字万用表、 KXN-30400高精密数字万用表、 UT805微机电源 4.2 指标测试和测试数据 4.2.1 输出电压范围测试结果如表 1： 表1 输出电压范围测试 输入电压（V） 5.5V6.0V7V12V17V22V 输出电压（V） 4.99V4.99V4.99V5.00V5.00V5

21、.00V 4.2.2 电压调整率测试结果如表 2： 表 2 电压调整率测试 测试条件为输出电压 5V，输出电流为 1.00A U1 /V 输出电 压(V) U2(V) 输出电 压(V) U3/V 输出电 压(V) 4.991 4.992 4.998 4.994 4.997 4.994 4.995 4.996 4.991 4.998 4.992 4.991 4.997 4.997 4.996 4.997 4.992 4.998 电压调整率为： (4.991-4.999)/4.999*100%=0.16% 。 4.2.3 负载调整率测试结果如表 3： 表 3 负载调整率测试 输出电流( A) 111 输出电压( V) 5.024.995 负载调整率： (5.02-4.99 )/5*