电动自行车智能远距离自适应充电器 论文.doc

电动自行车智能远距离自适应充电器作者：* * * （南京*大学）赛前辅导及文稿整理辅导教师：* *摘 要本设计以MSP430F169超低功耗单片机作为系统控制器，通过其外围AD转换、串口通信等模块对信号进行处理发送接收。本设计发射端由单片机系统、AD采样电路和无线发射PTR2000协同工作完成其功能。接收端通过无线模块监控蓄电池端电压，选用数字电位器MCP42100对充电器进行增益控制，从而有效地对压降进行补偿，最大有效距离可大于20m。 一、 课题背景及方案设计与论证1. 课题背景 目前，电动自行车因其具有使用方便、省力、快速和环保等优点，已成为越来越多的上班族的交通工具。无疑，正确及时的充电很重要。但蓄电池携带很不方便，尤其是高层的用户。由于蓄电池是直流充电，如果直接进行远距离布线，会因为压降而导致不能进行正常充电。本系统通过一系列智能数据处理对其进行压降补偿使其能够正常充电。2系统方案 本设计要实现直流压降补偿，但由于运算放大器承载电流过小，不便于使用运算放大器进行电压叠加。故我们决定通过改变充电器内部结构来改变其输出电压。方案一：直接改变充电器内部的芯片电压，保持增益系数不变。输出端电压是芯片电压经过线性放大后的值。这样理论上可行，但考虑到充电器内部结构已经固定，要对其进行改变，无论硬件还是设计要求都很高，故我们不采用此方案。方案二：保持其芯片电压不变，通过改变充电器内部的电压增益系数以改变输出值。因为其增益系数是通过电阻分压实现的，无论技术还是硬件上都较为简单，故我们采用此方案。系统整体框图如图1、2所示。无线发送数据PTR2000AD转换模块单片机数据处理蓄电池端电压采集图1 发射端框图充电器内部电压增益部件无线接收据PTR2000数字电位器MCP42100单片机处理图2 接收端框图我们选用此方案，关键问题在于如何恰到好处的使用单片机的各个外围接口部件以及数据处理功能，尽量避免误差带来的不必要影响，同时数据的正确发送以及数字电位器的正确使用也是一难点。充电器内部电压增益端口结构以及方案示意图3： 蓄电池充电曲线如图4：图3充电器内部结构以及方案示意图 图4先恒流后恒压两段式充电曲线3单元电路方案（1）单片机及软件方案选用单片机系统我们选用杭州利尔达公司的LSD-TEST430F16X_V2.0A MSP430单片机学习板。软件方面考虑到C语言是一种高级语言，编程简单，通用性强，逻辑关系简单，可读性好，调试方便，可移植性也很好。故选用C语言作为系统的编程语言。（2）无线数据传输系统：方案一：选用常见无线模块。如nRF905，它提供强大的调频机制以及大量的频道支持，适合很多的特殊场合。但考虑到我们系统不需要太强大的功能，只需要保证数据的传输正确性，故不选用此方案。方案二：选用PTR2000作为发送接收芯片。该器件采用抗干扰能力较强的调制解调方式，工作频率稳定可靠、外围元件少、功耗低，便于设计生产，使用方便。广泛应用于遥控、遥测等无线系统。同时可与单片机配合使用，直接使用I/O或串口相连。考虑到以上特性以及我们系统的自身情况，故我们选用此方案，可达到满意的无线数据传输效果。PTR2000引脚以及接线示意图如图5；接收端类似，故省略，详见原理图。图5 PTR2000发送端接线示意图（3）数字电位器：由于需要改变充电器内部电压增益结构来改变输出电压，我们考虑使用数字电位器来完成数字量至电阻的转换。MCP42100是MICRICHIP公司推出的低功耗CMOS工艺的数字电位器。具有256个抽头，可用SPI接口实现数字量控制电阻值的连续调节。同时价格合理，我们采用此型号的数字电位器，可有效实现对电压增益的电阻控制。MCP42100引脚以及简单示意图如图6、图7图6 MCP42100引脚图7电阻示意图(4)电源供电及滤波系统的选用：考虑到系统的实际应用环境以及开关电源对信号源的干扰问题，我们选用两节1.5V干电池对整个系统供电。整个系统中需要考虑滤波问题有分别是：A防止单片机数字模拟地信号干扰的滤波设计B无线发射接收模块的防干扰滤波C数字电位器的数字信号的防干扰滤波滤波器设计有模拟和数字两种方法可选。考虑到系统是由干电池供电，整个电源信号的处理已经很纯净，所以我们采用简单的滤波电容以及电感即可，调试单片机系统在学习板上以及给出较为完善的设计，所以仅在无线模块处添加简单的滤波电容电感。(5)系统其它设计方案： 在AD采样时我们采取电阻分压的方法。此时需要注意的是在输出端放置一3V稳压管，用以防止电压超过单片机AD转换模块的上限值以及电压过高损坏单片机。同时通过运放OPA2335来实现电压跟随保持作用，稳定输入。AD采样电路 图8图8 端电压采集电路 由于430单片机集成的外围AD模块转换精度是12位，而无线模块UART接口是8位的，这里就存在一个近似忽略问题，我们采取的办法为：通过单片机将12位AD数据右移4位后转发给PTR2000，这样得到的是前八位的较为精确的数据。 运用无线模块传输数据时必然存在通信协议以及数据传输的正确性问题，这里我们解决的方法为通过单片机将其帧格式设置为起始位+数据位+结束验证位，这在程序中有具体体现。在此不多介绍。 数字电位器MCP42100的使用：数字电位器使用时主要需要解决的是时序问题。需要同步时钟以及片选信号，在此我们主要通过单片机I/O口来给出所需信号，详见源程序代码。 充电器内部具体设计：我们采取的方案是将其芯片外部的一可变电阻器的抽头并接数字电位器，通过改变其阻值大小来改变其电压增益。调试在数字电位器端口串接30K电阻，以防止数字电位器置零时增益太大烧毁充电器内部结构。二、 理论计算以及程序设计框架、1.理论计算以及理论误差 （1）：AD分压电路：通过计算我们选择20K可调电位器与490K电阻分压电路以保证采样的输入比为Uadin=0.022Uo。 （2）：AD转换：Nadc=4095*（VinVr-）/（Vr+Vr-）其中Vr+软设置为电源电压Vcc，Vr-为Vss。 （3）：数字电位器阻值计算：由数字电位器原理可知Rwb(Dn)=125+100K*Dn/256；由于在输出端串上了30K电阻，输出电阻应为：R=Rwb+30K。 （4）：理论误差分析： MSP430外围AD模块转换精度为12位，系统是通过右移四位来实现传输的； 无线传输的数字量误差是不可预算的，只能通过加校验位尽量减少； 数字电位器电阻测量以及其计算公式Raw=125+100K*D/256只是粗略计算得到阻值，不能精确确定输出阻值。（5）说明：因为系统的实际测试情况，少量的误差可以忽略，只需要保证其输出端电压变化幅度不超过0.2V即可。开 始初始化系统时钟UART初始化传送数字量至数字电位器看门狗中断接收数字量flag是否为0串口接收数据是否为0xAA串口接收数据是否为0x002.程序框架发送开 始启动A/D转换UART初始化存ADC数据,右移四位串口输出数据0xAA使能全局中断发送数字量串口输出数据0x00端图9 接收端图10 是 否 是 否三、 测试结果分析及总结 1.测试仪器及设备仪器名称型号用途数量计算机DELL调试程序，测试无线模块数据传输1双踪示波器TDS1002测试无线模块信号传输质量和单片机引脚信号以及纹波电压1电桥测试仪XJ2812C测试导线电阻1指针万用表MF 47T天宇仪表数字电位器测量以及电路检测1数字万用表UT-39E测试电瓶端电压和A/D/采集电压22.指标测试（1）充电距离测试 测试条件：电瓶的端电压为：50.1V 所用导线参数：20.5m，铜质,=0.445/m未加智能系统时：导线长度（/米）指示灯颜色是否正常充电3.0红是6.0红是9.0绿否注：系统空载电压：55.00.1V加上智能系统后：导线长度（/米）电池端电压（/V）指示灯颜色是否正常充电9.751.0红是12.751.1红是15.751.1红是18.751.1红是21.750.7绿否24.750.7绿否注：系统空载电压:600.1V说明：由于电瓶的非线性特性，最大充电长度可能会少有变化，即测试结果跟电瓶的使用情况有关。例如：当电瓶的端电压为51.0V，导线长度为21.7米时，随着电瓶端电压的缓慢提高，当达到51.1V的阈值时，电流产生突变，突然可以正常充电。（2）系统智能性测试：导线长度（/米）操作能否充电延长导线至（米）能否充电操作是否充电9.7锁存系统能18.7否解锁系统是3.结果分析：(1).最大充电距离指标：电瓶是非纯电阻性用电器，充电电流是非线性的，所以线损压降也不是线性变化的。要准确测出具体电压跟导线长度的线性关系，是几乎不可能的。考虑实际应用以楼层为单位，所以采集数据的时导线取3米为单位，已经能够满足设计要求。最大有效充电距离为18.7米，折合约六层楼。（2）.自适应性指标：由于充电过程的非线性和电瓶每次的使用状态不同，所以每次测试的数据不完全相同，但是整体趋势没有差别，时符合要求的，说明系统的自适应性良好。（3）.如果换成截面积更大的导线，则充电距离可有效延长。四、 小结 本系统以TI的MSP430低功耗系列单片机为数据处理控制核心，利用高性能无线收发PTR2000以及数字电位器MCP42100相配合，实现了蓄电池的智能远距离自适应充电。系统中MSP430单片机功耗低，环境要求不高。无线收发数传一体的MODEM模块PTR2000性能优越，外围元件少，设计方便，实测有效距离大于30M。