基于MSP430 單片機的帶漏電保護功能的直流穩(wěn)壓電源設計

付曉軍

（仙桃職業(yè)學院，湖北仙桃，433000）

1 系統(tǒng)方案

本系統(tǒng)是單片機控制的帶漏電保護裝置的直流穩(wěn)壓電源，主要由單片機控制模塊、穩(wěn)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(wěn)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(tǒng)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(wěn)壓電源模塊

TL431 是一個三端精密穩(wěn)壓源，內部有溫度補償?shù)母呔炔⒙?lián)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(wěn)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(wěn)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(tǒng)結合了TL431 和TL1963 的性能特點采用兩級穩(wěn)壓。輸入電壓小于10V 直接送入后級，經(jīng)TL1963 穩(wěn)壓后輸出，輸入電壓大于10V 通過切換電路送入前級由TL431 穩(wěn)壓，使輸出電壓不大于13V，再送入后能經(jīng)TL1963 穩(wěn)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(jù)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(shù)值，因此采用一個4 位7 段數(shù)碼管就可以滿足要求。

3 系統(tǒng)理論分析計算與電路設計

■3.1 由TL431 構成的前級穩(wěn)壓電路

如圖2 所示，前級穩(wěn)壓電路是由穩(wěn)壓電路和比較器電路構成，輸入電壓經(jīng)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(wěn)壓還是將輸入電壓經(jīng)過TL431 進行前級穩(wěn)壓后再送入TL1963 穩(wěn)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(wěn)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(wěn)定在5.5V～13V 左右。

圖2 前級穩(wěn)壓電路

■3.2 由TL1963 構成的后級穩(wěn)壓電路

TL1963 是一個高精度的穩(wěn)壓芯片，因為它的輸入電壓不能超過20V，所以在前級穩(wěn)壓電路將輸入電壓穩(wěn)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(wěn)定在5V，如圖3 所示。

圖3 后級穩(wěn)壓電路

TL1963 的輸入端接前級穩(wěn)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(jù)公式1 計算，則R2=2.59kΩ，通過調節(jié)R2可以得到穩(wěn)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(shù)值通過四位七段數(shù)碼管顯示，主要涉及到A/D 轉換和數(shù)碼管的動態(tài)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(wěn)壓電源，當輸入電壓在5～25V 間變化時，輸出電壓穩(wěn)定在5±0.05V，輸出電流最大能達到1A，并能實時顯示穩(wěn)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。