基于MSP430 单片机的带漏电保护功能的直流稳压电源设计

时间：2024-05-04

付晓军

（仙桃职业学院，湖北仙桃，433000）

1 系统方案

本系统是单片机控制的带漏电保护装置的直流稳压电源，主要由单片机控制模块、稳压电源模块、漏电保护模块和显示模块构成，原理框图如图1 所示。

图1 直流稳压电源及漏电保护装置原理框图

2 硬件选择

■2.1 单片机控制模块

本系统的控制部分相对简单，主要涉及到电压量的采集和控制输出显示，选用TI 公司的MSP430G2553 作为主要控制核心部件[1]。MSP430G2553 内部集成了AD 模块，避免了外接AD 转换电路，使电路更加简化，同时MSP430G2553 体积小、运算速度较快、体格便宜、内部资源丰富[2]。

■2.2 稳压电源模块

TL431 是一个三端精密稳压源，内部有温度补偿的高精度并联放大器，基准电压精度非常高，输出电压用两个电阻就可以任意地设置到从Vre（f2.5V）到36V范围内的任何值，但输出电流最大只能达到100mA，不能达到要求。TL1963也是TI 公司的一款高精度的稳压源，输出电流最大可达到1.5A，但其输入电压最大不能超过20V，不能达到输入电压在5V～25V 变化的要求。为了能提高稳压电源输入电压的调整范围和输出的功率以及控制电压的调整率，本系统结合了TL431 和TL1963 的性能特点采用两级稳压。输入电压小于10V 直接送入后级，经TL1963 稳压后输出，输入电压大于10V 通过切换电路送入前级由TL431 稳压，使输出电压不大于13V，再送入后能经TL1963 稳压后输出。

■2.3 漏电保护模块

该装置利用两个专用的电流检测芯片INA194 采集采样电阻两端的电压，然后对采样电阻两端的电压差进行放大，用LM317 做基准电压，通过电压的差值可以确定漏电流是否大于30mA，从而控制继电器来保护负载。

■2.4 输出显示模块

液晶显示屏根据尺寸、色彩和字模的不同可以灵活的控制输出的样式、颜色、内容的多少，但其亮度低、编程复杂、成本高。本装置只要求输出功率，输出内容为数值，因此采用一个4 位7 段数码管就可以满足要求。

3 系统理论分析计算与电路设计

■3.1 由TL431 构成的前级稳压电路

如图2 所示，前级稳压电路是由稳压电路和比较器电路构成，输入电压经过R2和R3分压后输入一双运放比较器TLC372 同相端，TL431 和R6、R7、R8构成了一个单电源比较器，比较结果输入TLC372 的反相端，比较的结果控制是将输入电压直接送入TL1963 稳压还是将输入电压经过TL431 进行前级稳压后再送入TL1963 稳压模块。对于整个电路而言，当输入电压小于10V 时，输出电压等于输入电压；当输入电压大于10V 时，输入端通过分压电阻分压给运放正端，此电压大于TL431 稳压的电压，运放输出高电平，控制继电器吸合，使输入电压通过降压模块后输出，且输出电压不超过13V。所以当输入电压在5.5V～25V 之间变化时，输出电压稳定在5.5V～13V 左右。

图2 前级稳压电路

■3.2 由TL1963 构成的后级稳压电路

TL1963 是一个高精度的稳压芯片，因为它的输入电压不能超过20V，所以在前级稳压电路将输入电压稳定在13V以下，TL1963 原理是其内部有一个1.21V 的电压基准，基准端和地之间接一个精准的固定电阻，输出端和基准端接一个可调的电位器，改变电位器的电阻值就可以改变输出电压，通过改变电位器将输出电压改变稳定在5V，如图3 所示。

图3 后级稳压电路

TL1963 的输入端接前级稳压电源的输出，R1=1k，R2 是一个滑动变阻器，VADJ=1.21V，IADJ=3µA，则输出电压公式为：

要Vout 输出5V 电压，根据公式1 计算，则R2=2.59kΩ，通过调节R2可以得到稳定的5V 输出。