直流电源及漏电保护装置

1、2013年全国大学生电子设计竞赛2013年全国大学生电子设计竞赛直流稳压电源及漏电保护装置（L题）【专科组】2013年9月7日 摘 要 本直流稳压电源及漏电保护装置由直流稳压模块TPS5450模块、负载电阻RL和漏电保护装置电路组成。TPS5450电源模块主要任务是把输入5.5V-25V的电压稳定在5V±5%的输出范围内，使用拨动开关来选择电路，使之测算出电源输出功率，与电压调整率并使得电源调整率Su1%。本设计采用TI公司MSP430F5438A单片机为控制核心，利用内部自带的12位A/D转换器进行基准电压检测再计算出功率，并显示在2.4寸液晶屏上，漏电保护部分通过采样比较放大触发

2、可控硅来控制继电器动作，从而达到断开主电路进行保护。当漏电流小于30ma时，按下复位键时候复位，继电器复位接通主电路。关键词：MSP430F5438A,TPS5450，漏电保护，目录1系统方案11.1 主控模块的论证与选择11.2 电源稳压模块的论证与选择11.3显示模块的论证与选择12系统理论分析与计算121系统理论的分析12.11直流稳压电源分析12.1.2漏电检测电路分析22.1.3关断保护电路的分析22.2 系统理论的计算22.2.1漏电检测电路参数计算22.2.2关断保护电路参数计算23电路与程序设计23.1电路的设计23.1.1系统总体框图23.1.2 控制系统电路原理图33.1.

3、3 TFT彩屏显示电路原理图33.1.4直流稳压电源电路原理图43.1.5功率测量电路原理图43.1.6漏电保护电路原理图53.2程序的设计53.2.1程序功能描述与设计思路53.2.2程序流程图54测试方案与测试结果54.1测试方案54.2 测试仪器64.3 测试结果及分析64.3.1测试结果64.3.2测试分析与结论6附录1：电路原理图9附录2：实物效果图10附录3：PCB图11附录4：源程序12附录5：主要元器件清单373直流稳压电源及漏电保护装置（L题）【专科组】1系统方案本系统主要由MSP430F5438主控模块、电源稳压模块TPS5450模块、TFT彩屏显示模块、负载电阻模块和漏电

4、保护模块，下面分别论证这几个模块的选择。1.1 主控模块的论证与选择方案一：选用51单片机作为控制器。A/D芯片采集负载RL的电流经程序计算控制彩屏显示功率。但51单片机处理速度慢，内部无A/D需外加电路，电路复杂。方案二：选用凌阳公司的SPCE061A单片机作为控制器。SPCE061A是16位的处理器，单片机运算能力强，但该单片机的应用不是十分灵活，操作不熟练。方案三：选用TI公司 MSP430F5438A作为控制器。内部A/D采集负载RL的电流经程序计算控制彩屏显示功率，无外加A/D芯片电路简单，且处理速度快，功耗低。综合以上三种方案，选择方案三。1.2 电源稳压模块的论证与选择方案一：选

5、用LM2596开关电压调节器。它是降压型电源管理单片集成电路，能够输出3A的驱动电流，同时具有很好的线性和负载调节特性。方案二：选用L7805三端稳压芯片。它所需的外围元件极少，电路内部还有过流、过热及调整管的保护电路，但带负载能力不强。方案三：选用TPS5450稳压芯片。它有5.5V至36V宽输入电压范围，5A的输出电流，带负载能力强。综合以上三种方案，选择方案三。1.3显示模块的论证与选择方案一：采用数码管显示。数码管功耗较大，显示内容单一，不易控制。方案二：采用12864图形液晶显示屏。内部自带字库方便操作，但颜色单一无法显示出比较好看的界面。方案三：采用2.4寸TFT液晶彩屏。可以显示

6、任意颜色文字，或者彩色图片。综合以上三种方案，选择方案三。2系统理论分析与计算21系统理论的分析2.1.1直流稳压电源分析 此系统设计的直流稳压电源要求输入电压在5V25V范围内，稳压模块带负载电阻5欧输出电压为5V±0.05V，电压调整率为Su1%，连接方式不变，负载电阻值固定为5。当直流输入电压在5.57V 变化时，输出电压为5 V±0.05V 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S1%。选用TPS5450稳压芯片，制作稳压电源模块。2.1.2漏电检测电路分析漏电保护部分要求设计一个动作电流为30mA

7、的漏电保护装置，使用稳压电源进行供电，电路负载20，设计一条由毫安级电流表和可调电阻R构成的漏电支路，当调节电阻R使漏电支路电流为30mA时，漏电保护动作，切断主控电路并使得RL电阻两端电压为0V。比较运算放大器采集的电压值与计算设定的基准电压进行比较放大，利用输出电压控制晶闸管导通，使继电器吸合，从而断开主电路进行保护。2.1.3关断保护电路的分析要求检测到漏电后要使RL两端电压为0V并保持自锁，排除故障后按K键恢复输出。使用晶闸管控制继电器关断电路，正好利用晶闸管“触发导通，导通不触发”的这个特性，当晶闸管导通使继电器常闭触点断开电路之后。电路一直保持保护状态，只有按下K键让晶闸管关断，再

8、使继电器常闭触点闭合从而使电路恢复输出。2.2 系统理论的计算 2.2.1电源电路参数计算为了满足题目要求采用TPS5450模块作为电源稳压芯片。它输入电压5.5V-36V,最大工作电流5A 。通过在输出端并接一个固定电阻一个电位器，调节电位器就可以输出不同的电压。2.2.2漏电检测电路参数计算题目要求检测30mA的漏电流因为考虑到信号较小，所以先采用运放OPA335进行放大，在通过比较器进行比较，触发可控硅来达到控制漏电的动作。当输入漏电流高于30mA则触发可控硅，关断主回路，达到保护的作用。若输入漏电流小于30mA则可控硅不触发。2.2.3关断保护电路参数计算 在漏电保护中，由于可控硅的导

9、通保持特性，需要一个触发信号才能退出，所以，在按下复位键，就退出了漏电保护状态。3电路与程序设计3.1电路的设计3.1.1系统总体框图系统总体框图如图所示：图3.1.1 直流稳压电源电路原理图3.1.2 控制系统电路原理图图3.1.2 控制系统电路电路原理图3.1.3 TFT彩屏显示电路原理图图3.1.3 TFT彩屏显示电路原理图3.1.4直流稳压电源电路原理图调整R2和R3的阻值可以调整输出电压。输入输出用固态电容和独石电容有效出滤除干扰及纹波。图3.1.4 直流稳压电源电路原理图3.1.5功率测量电路原理图 采样电阻R6用康铜丝绕制，最大程度减小温差，经R6采样通过LM358放大输出让AD

10、芯片采集。然后再通过欧姆定律计算出电流值。图3.1.5 功率测量电路原理图3.1.6漏电保护电路原理图图3.1.6 漏电保护电路原理图3.2程序的设计3.2.1程序功能描述根据题目要求软件部分主要实现功率、电流的显示、电流采集。1）采集电压信号转化为电流信号并计算出功率。2）显示部分：显示功率、电流。3.2.2程序流程图4测试方案与测试结果4.1测试方案1、硬件测试焊接电路板之前认真检查每个元器件的质量好坏，焊接完成后检查有无虚焊、漏焊，确认板子供电正常再接入单片机系统。2、硬件软件联调 每次进行仿真烧写程序时注意单片机与仿真器的连接，程序调试中要一级一级由上而下，中断函数的写法一定要标准。并

11、多加一些注释增加程序的可读性。4.2 测试仪器测试用仪器与设备如表4.2所示。表4.2 测试用仪器与设备仪器名称型号指标数量双通道数字示波器LDS21005100MHz1函数信号发生器YB1615P20KHz1数字万用表UT20063位半1稳压电源YB1731A034V1高精度台式万用表UT805A6位14.3 测试结果及分析4.3.1测试结果 当开关接在1时接入5欧负载测试结果如下表所示：表4.31 数字式移相信号发生器测试数据表 （单位/V）输入电压5.486.998.0612.0418.1722.1524.95输出电压4.955.014.974.984.984.994.99直流稳压电源输

12、出电流：1A 负载两端电压：5V直流稳压电源输出电流：0.01A 负载两端电压：4.96V电压调整率： SL=0.8% 4.3.2测试分析与结论根据上述测试数据，由此可以得出以下结论：1、接入5欧负载时，输入电压7-25V，输出能稳定在5±0.05V。2、接入5欧负载时，输入电压5.5-7V，输出能稳定在5±0.05V。3、连接方式不变，直流稳压电源输出电流在1A减小到0.01A之间变化时，附在调整率SL1综上所述，本设计达到设计要求。35参考文献：1. 高吉祥，黄智伟，丁文霞. 数字电子技术M. 北京：电子工业出版社，2003年，第1版2. 邹其洪 黄智伟 高嵩.电工电子

13、实验与计算机仿真M.北京：电子工业出版社，2003年，第1版3. 张友汉.电子线路设计应用手册M.福建：福建科学技术出版社.2000.7，第一版.4. 谭浩强.C程序设计 北京：清华大学出版.2005年，第三版附录1：电路原理图附录2：实物效果图附录3：PCB图附录4：源程序#include<msp430x54xA.h>#include <stdio.h>#include <math.h>#include"GB3232.h "/32*32汉字字模#include"tupian.h"#include "16x8

14、.h"/#include"GB6464.h"unsigned int end,start;unsigned char overflow;unsigned long fre;#define WINDOW_XADDR_START0x0050 / Horizontal Start Address Set#define WINDOW_XADDR_END0x0051 / Horizontal End Address Set#define WINDOW_YADDR_START0x0052 / Vertical Start Address Set#define WINDOW_Y

15、ADDR_END0x0053 / Vertical End Address Set#define GRAM_XADDR 0x0020 / GRAM Horizontal Address Set#define GRAM_YADDR 0x0021 / GRAM Vertical Address Set#define GRAMWR 0x0022 / memory write/* LCD color */#define bai 0xFFFF#define hei 0x0000#define lan 0x001F#define lan2 0x051F#define hong 0xF800#define

16、Magenta 0xF81F#define lv 0x07E0#define Cyan 0x7FFF#define huang 0xFFE0#define CS1 P4OUT |= BIT3; /片选置1#define CS0 P4OUT &= BIT3;/片选置0#define RES1 P4OUT |= BIT4;/复位置1#define RES0 P4OUT &=BIT4;/复位置0#define RS1 P4OUT |= BIT0;/数据/命令选择 置1#define RS0 P4OUT &=BIT0;/数据/命令选择 置0#define RW1 P4OUT |

17、= BIT1;#define RW0 P4OUT &=BIT1;#define RD P4OUT |=BIT2;#define dinh P7OUT |= BIT4;#define dinl P7OUT &= BIT4; #define sckh P7OUT |= BIT5;#define sckl P7OUT &= BIT5;#define synh P7OUT |= BIT6;#define synl P7OUT &= BIT6;#define Num_of_Results 8volatile unsigned int A0resultsNum_of_Res

18、ults;volatile unsigned int A1resultsNum_of_Results;volatile unsigned int A2resultsNum_of_Results;volatile unsigned int A3resultsNum_of_Results;volatile unsigned int A4resultsNum_of_Results;/=/void baty( unsigned int z);void main (void);void ILI9325_Initial(void);void show_colour_bar (void);void Writ

19、e_Cmd_Data(unsigned int x, unsigned int y);void Write_Cmd(unsigned char DH,unsigned char DL);void Write_Data(unsigned char DH,unsigned char DL);void delayms(unsigned int tt);void show_photo(void);void Show_RGB (unsigned int x0,unsigned int x1,unsigned int y0,unsigned int y1,unsigned int Color);/cons

20、t unsigned char pic;void Write_Data_U16(unsigned int y);static void LCD_SetPos(unsigned int x0,unsigned int x1,unsigned int y0,unsigned int y1);void ClearScreen(unsigned int bColor);void LCD_PutChar8x16(unsigned short x, unsigned short y, char c, unsigned int fColor, unsigned int bColor);void LCD_Pu

21、tChar(unsigned short x, unsigned short y, char c, unsigned int fColor, unsigned int bColor);void LCD_PutString_1(unsigned short x, unsigned short y, char *s, unsigned int fColor, unsigned int bColor);void LCD_PutString(unsigned short x, unsigned short y, unsigned char *s, unsigned int fColor, unsign

22、ed int bColor);void LCD_PutChar8x8(unsigned short x, unsigned short y, char c, unsigned int fColor, unsigned int bColor);void PutGB1616(unsigned short x, unsigned short y, unsigned char c2, unsigned int fColor,unsigned int bColor);void PutGB3232(unsigned short x, unsigned short y, unsigned char c2,

23、unsigned int fColor,unsigned int bColor);void tu(unsigned int x, unsigned int y, unsigned int length, unsigned int high);void Put_pixel(unsigned char x,unsigned int y,unsigned int color);void Line(unsigned char X0,unsigned int Y0,unsigned char X1,unsigned int Y1,unsigned int color);void Rectangle( u

24、nsigned char left,unsigned int top,unsigned char right,unsigned int bottom,unsigned int color);void Bar(unsigned char left,unsigned char top,unsigned char right,unsigned char bottom,unsigned int color);void kuangjia();/=/void LCD_PutChar8x16(unsigned short x,unsigned short y,char c,unsigned int fCol

25、or,unsigned int bColor) unsigned int i,j; unsigned char m; LCD_SetPos(x,x+8-1,y,y+16-1); for(i=0;i<16;i+) m=font16x8c*16+i;for(j=0;j<8;j+) if(m&0x80)=0x80) Write_Data_U16(fColor);else Write_Data_U16(bColor);m<<=1;void LCD_PutChar(unsigned short x, unsigned short y, char c, unsigned i

26、nt fColor, unsigned int bColor) LCD_PutChar8x16( x, y, c, fColor, bColor );#include "GB1616.h"/16*16汉字字模void PutGB1616(unsigned short x, unsigned short y, unsigned char c2, unsigned int fColor,unsigned int bColor)unsigned int i,j,k;LCD_SetPos(x, x+16-1,y, y+16-1);for (k=0;k<30;k+) /64标示

27、自建汉字库中的个数，循环查询内码 if (codeGB_16k.Index0=c0)&&(codeGB_16k.Index1=c1) for(i=0;i<32;i+) unsigned short m=codeGB_16k.Mski; for(j=0;j<8;j+) if(m&0x80)=0x80) Write_Data_U16(fColor);else Write_Data_U16(bColor);m<<=1; /国标32X32汉字void PutGB3232(unsigned short x, unsigned short y, unsign

28、ed char c2, unsigned int fColor,unsigned int bColor)unsigned int i,j,k;LCD_SetPos(x, x+32-1,y, y+32-1);for (k=0;k<25;k+) /5标示自建汉字库中的个数，循环查询内码 if (codeGB_32k.Index0=c0)&&(codeGB_32k.Index1=c1) for(i=0;i<116;i+) unsigned short m=codeGB_32k.Mski; for(j=0;j<8;j+) if(m&0x80)=0x80) Wr

29、ite_Data_U16(fColor);else Write_Data_U16(bColor);m<<=1; void LCD_PutString(unsigned short x, unsigned short y, unsigned char *s, unsigned int fColor, unsigned int bColor) unsigned char l=0;while(*s) if( *s < 0x80) LCD_PutChar(x+l*8,y,*s,fColor,bColor);s+;l+;else PutGB1616(x+l*8,y,(unsigned

30、char*)s,fColor,bColor);s+=2;l+=2;/= 显示R G B 顔色 =/void Show_RGB (unsigned int x0,unsigned int x1,unsigned int y0,unsigned int y1,unsigned int Color)unsigned int i,j;/address_set();LCD_SetPos(x0,x1,y0,y1);for (i=y0;i<=y1;i+) for (j=x0;j<=x1;j+) Write_Data_U16(Color);/= 显示彩条 =/void show_colour_ba

31、r (void)unsigned int Vo,H;LCD_SetPos(0,240,0,320);/320x240for(H=0;H<240;H+)for(Vo=0;Vo<40;Vo+)Write_Data(0xf8,0x00);for(H=0;H<240;H+)for(Vo=40;Vo<80;Vo+)Write_Data(0x07,0xe0);for(H=0;H<240;H+)for(Vo=80;Vo<120;Vo+)Write_Data(0x00,0x1f);for(H=0;H<240;H+)for(Vo=120;Vo<160;Vo+)Wr

32、ite_Data(0xff,0xe0);for(H=0;H<240;H+)for(Vo=160;Vo<200;Vo+)Write_Data(0xf8,0x1f);for(H=0;H<240;H+)for(Vo=200;Vo<240;Vo+)Write_Data(0x07,0xff);for(H=0;H<240;H+)for(Vo=240;Vo<280;Vo+)Write_Data(0xff,0xff);for(H=0;H<240;H+)for(Vo=280;Vo<320;Vo+)Write_Data(0x00,0x00);void tu(unsi

33、gned int x, unsigned int y, unsigned int length, unsigned int high) unsigned int temp=0,tmp=0,num=0; LCD_SetPos(x,x+length-1,y,y+high-1); num=length*high*2; do /temp=pictmp|( pictmp+1<<8); temp=pictmp+1; temp=temp<<8; temp=temp|pictmp; Write_Data_U16(temp);/逐点显示 tmp+=2;while(tmp<num);

34、/=/void Write_Cmd_Data (unsigned int x,unsigned int y)unsigned char m,n;m=y>>8;n=y;Write_Cmd(0x00,x);Write_Data(m,n);void Write_Data_U16(unsigned int y)unsigned char m,n;m=y>>8;n=y;Write_Data(m,n);/= 写命令 =/void Write_Cmd(unsigned char DH,unsigned char DL) CS0;RS0;P8OUT=DH;RW0;RW1;P8OUT=D

35、L;RW0;RW1;CS1;/= 写数据 =/void Write_Data(unsigned char DH,unsigned char DL) CS0;RS1;P8OUT=DH;RW0; RW1;P8OUT=DL;RW0;RW1;CS1;/=void delayms(unsigned int count) int i,j; for(i=0;i<count;i+) for(j=0;j<260;j+); /for(j=0;j<260;j+); /= 初始化代码 =/void ILI9325_Initial(void) delayms(50); Write_Cmd_Data(0

36、x0001,0x0100); Write_Cmd_Data(0x0002,0x0700); Write_Cmd_Data(0x0003,0x1030); Write_Cmd_Data(0x0004,0x0000); Write_Cmd_Data(0x0008,0x0207); Write_Cmd_Data(0x0009,0x0000); Write_Cmd_Data(0x000A,0x0000); Write_Cmd_Data(0x000C,0x0000); Write_Cmd_Data(0x000D,0x0000); Write_Cmd_Data(0x000F,0x0000); Write_

37、Cmd_Data(0x0010,0x0000); Write_Cmd_Data(0x0011,0x0007); Write_Cmd_Data(0x0012,0x0000); Write_Cmd_Data(0x0013,0x0000); Write_Cmd_Data(0x0010,0x1290); Write_Cmd_Data(0x0011,0x0227); Write_Cmd_Data(0x0012,0x001d); /0x001b Write_Cmd_Data(0x0013,0x1500); Write_Cmd_Data(0x0029,0x0018); Write_Cmd_Data(0x00

38、2B,0x000D); Write_Cmd_Data(0x0030,0x0004); Write_Cmd_Data(0x0031,0x0307); Write_Cmd_Data(0x0032,0x0002);/ 0006 Write_Cmd_Data(0x0035,0x0206); Write_Cmd_Data(0x0036,0x0408); Write_Cmd_Data(0x0037,0x0507); Write_Cmd_Data(0x0038,0x0204);/0200 Write_Cmd_Data(0x0039,0x0707); Write_Cmd_Data(0x003C,0x0405)

39、;/ 0504 Write_Cmd_Data(0x003D,0x0F02); Write_Cmd_Data(0x0050,0x0000); Write_Cmd_Data(0x0051,0x00EF); Write_Cmd_Data(0x0052,0x0000); Write_Cmd_Data(0x0053,0x013F); Write_Cmd_Data(0x0060,0xA700); Write_Cmd_Data(0x0061,0x0001); Write_Cmd_Data(0x006A,0x0000); Write_Cmd_Data(0x0080,0x0000); Write_Cmd_Dat

40、a(0x0081,0x0000); Write_Cmd_Data(0x0082,0x0000); Write_Cmd_Data(0x0083,0x0000); Write_Cmd_Data(0x0084,0x0000); Write_Cmd_Data(0x0085,0x0000); Write_Cmd_Data(0x0090,0x0010); Write_Cmd_Data(0x0092,0x0600); Write_Cmd_Data(0x0093,0x0003); Write_Cmd_Data(0x0095,0x0110); Write_Cmd_Data(0x0097,0x0000); Wri

41、te_Cmd_Data(0x0098,0x0000); Write_Cmd_Data(0x0007,0x0133);/*=*/*函数名称:LCD_DefineDispWindow功 能:定义显示窗体参 数:x0: 窗体中X坐标中较小者 x1: 窗体中X坐标中较大者 y0: 窗体中Y坐标中较小者 y1: 窗体中Y坐标中较大者 返 回 值:无*/ static void LCD_SetPos(unsigned int x0,unsigned int x1,unsigned int y0,unsigned int y1) Write_Cmd_Data(WINDOW_XADDR_START,x0);

42、Write_Cmd_Data(WINDOW_XADDR_END,x1); Write_Cmd_Data(WINDOW_YADDR_START,y0); Write_Cmd_Data(WINDOW_YADDR_END,y1); Write_Cmd_Data(GRAM_XADDR,x0); Write_Cmd_Data(GRAM_YADDR,y0); Write_Cmd (0x00,0x22);/LCD_WriteCMD(GRAMWR);/*- 画点输入参数：x，y 需要画点坐标 color 点的颜色-*/void Put_pixel(unsigned char x,unsigned int y,

43、unsigned int color)LCD_SetPos(x,x,y,y);Write_Data_U16(color);/*- 在屏幕上画线输入参数： 起始坐标X0，Y0，终止坐标X1，Y1color 线颜色-*/void Line(unsigned char X0,unsigned int Y0,unsigned char X1,unsigned int Y1,unsigned int color)int dx = X1 - X0;int dy = Y1 - Y0;/int P = 2 * dy - dx;/int dobDy = 2 * dy;/int dobD = 2 * (dy -

44、dx);int PointX = 0,PointY = 0;int incx = 0,incy = 0;int distance = 0,xerr = 0,yerr = 0;unsigned int i = 0;if(dx = 0)/k=1斜率为1PointX = X0;if(Y0 < Y1)PointY = Y0;elsePointY = Y1;for(i = 0;i <= (Y0<Y1) ? (Y1-Y0) : (Y0-Y1);i+)Put_pixel(PointX,PointY,color);PointY+;return;if(dy = 0)/k=0斜率为0PointY

45、 = Y0;if(X0 < X1)PointX = X0;elsePointX = X1;for(i = 0;i <= (X0<X1) ? (X1-X0) : (X0-X1);i+)Put_pixel(PointX,PointY,color);PointX+;return;if(dx > 0)incx = 1;else if(dx = 0)incx = 0;elseincx = -1;if(dy > 0)incy = 1;else if(dy = 0)incy = 0;elseincy = -1; /dx = (X0>X1) ? (X0-X1) : (X1-X0); /dy = (Y0>Y1) ? (Y0-Y1) : (Y1-Y0); if(dx>dy) distance=dx; else distance=