E甲1314 简易数控充电电源(VF)

1 参赛题目 简易数控充电电源 E 题 编号 E 甲 1314 参赛学校 参赛队员 指导教师 2 简易数控充电电源 简易数控充电电源 E E 题 题 摘要 摘要 本系统使用 MSP430 做主控芯片 利用 V F 转换器进行电流采样 由系统输出频率信号 采 用 F V 转换成电压值 控制充电器 当负载电压小于 10V 时为恒流充电状态 当负载电压为 10V 时 为恒压充电状态 使用键盘控制输入值 并通过液晶显示 通过对测试点的检测可以判断系统的工 作状态 并具有上 下位机通讯及联网功能 本系统还附带有环境温度的检测的功能 本文论述了 系统设计原理 进行了理论分析和电路分析 详细阐述了硬件和软件设计 并进行了系统测试和结 果分析 关键词 关键词 MSP430 V F 转换器 稳流电路 系统设计要求 设计并制作简易数控充电电源 输入交流 200 240V 50Hz 输出 当负载电压小于 10V 时为 恒流充电状态 当负载电压为 10V 时为恒压充电状态 其原理示意图如下所示 图 1 1 原理示意图 基本基本要求要求 1 输出恒流时 电流 100mA 慢充 和 200mA 快充 可设置 改变负载电阻 要求输出电 流变化的绝对值 5mA 纹波电流 2mA 2 输出恒压时 改变负载电阻 输出电压波动小于 0 5V 输出纹波电压小于 2 3 具有输出电压 电流的测量和数字显示功能 发挥部分发挥部分 1 输出恒流时 改变负载电阻 要求输出电流变化的绝对值 3mA 纹波电流 1mA 2 输出恒压时 改变负载电阻 输出电压波动小于 0 2V 输出纹波电压小于 1 3 具有过热 60 保护功能 降温后自动恢复工作 4 其它 1 方案论证 方案论证 1 1 主控芯片选择主控芯片选择 方案一 MC 51 单片机 通讯口线多 特别对外扩展内存非常方便 但内存集成外设少 驱动 能力差 体积较大 耗能多 方案二 MSP430 是 16 位机 运算速度快 与之配套的编程调试环境方便 内部集成了很多外 设 可以根据不同的需要选择不同的组合 这样就降低了系统的复杂度 而且它使用电池作电源 体积小 耗能少 驱动能力也比较强 比较符合当今绿色节能的设计理念 键盘控制器充电电源负载 电压 电流等检测 显示 3 通过比较 本系统采用此方案二 选择 MSP430 作主控芯片 1 2 模数转换方案 方案一 使用标准高频时钟脉冲来测定反向积分所花费的时间来得到输出电压的数字量 依次 来实现 A D 转换 它的精度高 干扰少 但运算速度比较慢 方案二 利用逐次逼近的方法来实现 A D 转换 其用 D A 转换器的输出电压来驱动运算放大器 的反向端 再用一个逐次逼近寄存器存放转换好的数字量 转换结束时将数字量送入缓冲寄存器 从而输出数字量 它抗干扰能力强 但速度慢 方案三 使用 V F 变换器来实现 A D 转换 它采用外接时钟脉冲决定满量程频率 并允许电压 获得电流的输入 单电源双电源均可 可与 TTL 和 CMOS 电平兼容 由于其采用外部时钟驱动和电 荷平衡转换技术 该芯片分辨率高 稳定性高 转换时间最短 根据分析比较 我们选择了方案三 采用 V F 变换器来实现 A D 转换 1 3 显示方案 显示方案 方案一 采用 LED 数码管 其体积小 寿命长 响应时间快 亮度高 能简单的显示数字 效 果比较好 但是显示单一 只可以显示一个数值 多用于定点检测 方案二 采用 LCD 点阵形式 相应时间较 LED 慢 可是它可以同时显示多个数值 汉字 工作电压低 耗能少 通过分析比较 我们选择 LCD 作为显示器件 1 4 稳流电路方案 方案一 并联式稳流电路 它是把稳定的电压加在电阻上以得到稳定电流 此种方法要先获 得稳定电压如下图示采用 LM317 来获得稳定基准电压 在 Rl 上获得稳定电流 Rw LM317 VC Io Vre I R1 图 1 2 并联式稳流电路原理图 方案二 使用双运放来实现稳流电路 前一运放为电压跟随器 后一运放组成反馈电路来进一 步稳定路 此种方法电路简单 稳定性效果比前两个方案好 通过分析比较 选择方案二 采用双运放来实现稳流电路 2 总体设计 总体设计 本系统使用键盘控制输入 使用 LCD 液晶显示 MSP430 为主控制芯片 稳流电路使用双运放 数模转换使用 V F 转换器 系统框图如图 1 3 所示 4 图 1 3 系统结构框图 3 硬件电路设计与理论计算 硬件电路设计与理论计算 3 1 V F 变换器及其模数转换原理变换器及其模数转换原理 本系统使用电荷平衡式 V F 转换器来实现 A D 转换 V F 转换器电路结构图如图 4 所示 Cin Cos Q PNP VCC GND 5 6 7 B5 6 7 B Rin 20K GND Rin 20K 图 3 1 V F 转换电路原理图 图中 U1A 和 RC 组成一个积分器 U2A 是零电压比较器 恒流源和模拟开关 S 构成积分器反充 电回路 当单稳定时器产生一个 tos 的脉冲时 反充电回路对 CAP 反充电 冲入电荷为 QC R tos 原理如下 当模拟开关 S 处于在左边时即与 U1A 输出端接通时 积分器处于充电过程 积分器的输 出电压不断下降 当下降到零时 U2A 跳变触发单稳定时器 使其产生一个脉宽为 tos 的脉冲 此 脉冲使模拟开关置于 U1A 的反向端 对 CAP 反向充电 此过程使得 U1A 的输出电压不断增大 到 MSP430 F1222 基本 系统 复位 5V 5V 3 3V 电源 LCD 显示器 键盘 通信接口 恒压源 恒流源 PC 机 A D 负 载 5 tos 结束时又使模拟开关置于 U1A 输出端 积分器再次充电 使得 U1A 输出电压不断减小 下至零 时又使单稳定时器产生一个 tos 脉冲 依次反复形成频率输出波形如图 5 所示 图 3 2 波形图 图中矩形脉冲宽度为 tos TinIr Cint tos dt dx tosT CAP Iin IinIr CAP tos dt dv V T1 所以输出频率为 tosIrRin Vin Iintos Rin Vin Irtos Iin T1tos 1 f 依次得到输出频率与输入电压成正比 当 Rin 和 C2A 精度较高时 频率输出即可和输入电压严 格的成正比 用 V F 转换器实现模数转换需要与频率计配合使用 电路框图如下 图 3 3 V F 转换原理图 同时启动定时器和频率计 频率计用 V F 输出的频率信号作为基数脉冲 定时器采用基准脉冲 拍作为定时脉冲 当定时结束时 定时器产生输出信号使频率计停止计数 这样计数器的计数值和 频率的关系是 D 为计数值 T 为计数时间 T D F 而 Ds 是计数器计数初值 fs 基准频率 Fs Ds T 因此 fs Ds D f V F 转换频率计数TABA BUS 电源 定时器 基准频率 6 从而 Ds tosRinIrfsD Vin 由此得到只要知道了 D 的值就可以通过计算求出 V F 变换器的输出频率 并计算出输入电压值 这样就实现了模数转换 3 2 V F 转换电路转换电路 输入的电压经过射随器 UD1A 从 LM331 的 7 引脚输入 电阻 RD7 可以抵消 6 脚的偏流影响 从而减小频率误差 为了减少 LM331 的增益误差和由 RD10 RD11 CD2 引起的偏差 RD13 选用 51K 电阻 CD1 为滤波电容 当 6 脚和 7 脚的 RC 时间常数相匹配时 输入电压的阶跃变化讲引起输 出频率的阶跃变化 如果 CD3 比 CD1 大的多那么输入电压的阶跃变化可能引起输出频率的瞬间停 止 6 脚的电阻和电容可以差生滞后效应 以获得良好的线性度 V F 转换电路如图 7 所示 RD12 3K RD11 51K RD10 100K RD9 10K RD8 2K RD1 10K RD2 10K RD7510 RD620K CD3 104 CD4 103 CD1 105 CD2 10u 3 2 1 84 UD1A LM358 6 6 7 7 1 1 4 4 2 2 3 3 5 5 8 8 UD2LM331 P24 CD5104 RD5 20K RD410K RD310K JA D1 9V 1 2 3 JD 1 RD13 51K 9V 图 3 4 V F 转换电路图 3 3 F V 转换电路 从单片机输出的频率信号经过史密斯触发器进入 F V 转换器形成的电压值通过电压跟随器 通 过 UA1A 的放大后在三极管集射两端检测 当输入的频率值变化后 输入到 UA1A 的电压也随之变 化三极管射极电压也增大 从而引起 UA1A 输出电压的减少 形成反馈 以保证输出电压的稳定 以得到恒定的电流 F V 转换电路如图 8 所示 105 CAP 103 CAP 102 CAP 105 CAP 1 2348 9 1211 5 10 Q NPN 20K POT2 9v 9V 5 6 7 UA1B LM358 3 2 1 84 UA1A LM358 15V RP2 10k RP8 51k RP9 3k RP11 200 RP12 5 RP14 330 1213 U8F 74HC14 P31 LM2917 图 3 5 F V 转换电路图 3 4 主控单元及 主控单元及 LCD 液晶显示模块液晶显示模块 芯片和液晶显示器共用一个复位电路 以便于实现显示器和单片机的复位同步 并使用五个按 键来实现输入值得设定 并且本单元具有自我保护电路 来防止电压或温度超过安全值时损害电路 7 TEST 1 VCC 2 P2 5 ROSC 3 VSS 4 XOUT 5 XIN 6 RST NMI 7 P2 0 ACLK A0 8 P2 1 INCLK A1 9 P2 2 TA0 A2 10 P3 0 STE0 A5 11 P3 1 SIMO0 12 P3 2 SOMI0 13 P3 3 UCLK0 14 P3 4 UTXD0 15 P3 5 URXD0 16 P3 6 A6 17 P3 7 A7 18 P2 3 TA1 A3 VREF 19 P2 4 TA2 A4 VREF 20 P1 0 TACLK ADC10CLK 21 P1 1 TA0 22 P1 2 TA1 23 P1 3 TA2 24 P1 4 SMCLK TCK 25 P1 5 TA0 TMS 26 P1 6 TA1 TDI 27 P1 7 TA2 TDO TDI 28 U1MSP430F1222 12 34 56 78 910 1112 1314 1516 1718 1920 LCD PA0 PA2 PA4 PA6 P30 PA1 PA3 PA5 PA7 P33 BUSY RESET CX1 30pF CX2 30pF XT1 4MHZ 3 3V P30 P32 P33 P31 34 U8B 74HC14 12 U8A 74HC14 P37 P36 P17 P16 P15 P14 P13 P12 P11 P10 A0 2 A1 3 A2 4 A3 5 A4 6 A5 7 A6 8 A7 9 B0 18 B1 17 B2 16 B3 15 B4 14 B5 13 B6 12 B7 11 E 19 DIR 1 U2 74HC245 P17 P16 P15 P14 P13 P12 P11 P10 PA7 PA6 PA5 PA4 PA3 PA2 PA1 PA0 CR1 0 1uF 3 3V VCC 1 P25 6 7 P20 P21 P22 P24 P23 P35 P34 5 RLCD 10K 20K VCC RLC2 10K REQ CU1 33u 1K 100K 图 3 6 系统主控及 LCD 电路原理图 3 5 电源电路 电源电路 为了使系统正常高效的运行 我们制作了 18V 9V 9V 3 3V 电压源 其中 3 3V 为 430 供电 9V 9V 18V 为 F V 模块供电 9V 为 V F 模块供电 对于 MCU 的 3 3v 的工作电压由三端可调集成稳压器 LM317T 提供 该器件的输出 电压范围为 1 25 30v 其输出电压由两个外部电阻的分压比确定 输出电流为 100mA 完全可以满足 F12X2 MCU 芯片工作电压的要求 其输出电压与分压电阻的关系见下式 当取 RP1 为 200 RP2 为 330 时 LM317L 的输出电压约为 3 3V P36 Vin 3 ADJ 1 Vout 2 UP1LM317T Vin 1 GND 2 5V 3 UP2MC7805T CP4 104 CP2 104 CP6 104 CP1 220u 10v CP5 10u CP3 10u RP1 220 3 3V VCC DP1 RP2 330 VIN1 RP5 3K 1 1 2 2 POWER 1 2 3 4 CP4 104 CP3 10u 18V Vin 1 GND 2 9V 3 MC7809DP1 DP1 CP4 104 CP5 104 CP6 104 CP7 104 Vin 1 GND 2 9V 3 MC7909 9V 9V CP3 10u CP4 10u CP5 10u CP6 10u RP3 10K RP4 2K Vin Vin B 2 C 3 E 1 QRS1 NPN P20 CP2 104 CP1 220u 10v RP1 RP2 CP4 104 CP3 10u 10VVin 1 GND 2 Vout 3 MC7810 8 图 3 7 电源模块电路图 3 6 串行通信口电路 串行通信口电路 串行通信接口实现上位机和下位机的通讯 串口通信模块采用分立元件电路实现单片机和微型 机之间的电平转化 TXD 指示灯可以指示数据发送状态 通过 RXD 指示灯可以检验通信电缆接线 是否正确 A 1 K 2 C 3 E 4 URS1 OPTOISO1 1 1 2 2 TXD 1 1 2 2 RXD RRS2 22 RRS5 100 RRS1 2K RRS3 5 1K RRS4 2K CRS1 205 3 3VVCC A A K K DRS1 B 2 C 3 E 1 QRS1 NPN 1 2 3 JRS1 P35 P34 图 3 8 串口通信模块电路原理图 3 7 按键连接电路 按键连接电路 P21 P20 RK0 10K RK1 10K 3 3V P22 RK2 10K 图 3 9 按键连接电路 3 8 温度测量 温度测量 本系统附带有环境温度检测功能 MSP430 的 ADC12 模块的 10 通道是对片内温度二极管的输 出的测量 本系统用该温度传感器作为温度的测量 测试所得温度值通过液晶显示器显示 4 系统软件设计 系统软件设计 4 1 系统模块图 9 图 4 1 控制软件框图 4 2 主程序流程图 主流程图见附件 电流采样中断服务程序 采用 V F 转换方式进行电流采样 即先将电流转换成电压然后经 V F 转换成频率后 作为 MCU 的中断信号 进行定时采样和转换 采样时间为 0 25s 4 3 V F 采样中断服务程序 图 4 2 V F 采样中断服务程序 4 4 定时器中断服务程序 下 位 机 初 始 化 模 块 R T O S 模 块 电 压 电 流 采 样 频 率 产 生 模 块 按 键 处 理 模 块 通 信 模 块 显 示 模 块 温 度 控 制 模 块 现 场 保 护 V F 计数单元加 1 恢 复 现 场 从 中 断 返 回 现 场 保 护 取出 V F 计数值 10 图 4 3 定时中断服务程序流程框图 5 测试方法与结果分析测试方法与结果分析 5 1 测试仪表 万用电表 高精度电流表测量 5 2 测试方法 输出电流可用高精度电流表测量 纹波电流的测量可用低频毫伏表测量输出纹波电压 换算成纹波电流 5 3 测试数据及测试结果分析 测试条件 按照题目要求进行恒流和恒压测试 测试结果如下 表 5 1 恒流源负载测试数据表 电流 编号 设定值 mA 测试值 mA 绝对误差 mA 11010 120 120 21414 350 350 32726 350 650 45049 560 440 5120119 650 350 6135137 232 230 7139138 560 440 8148150 471 530 9194195 671 670 恢 复 现 场 将测试值转换成显示字 符送 LCD 过载 从 中 断 返 回 关闭输出 Y N 11 10210210 54 误差平均值为 0 5753 mA 表 5 2 恒压源测试结果分析表 电流 序号 设定值 V 负载大小 测试结果 绝对误差 U mV 1102010 0280 028 21020 98910 0350 035 31070 06810 0450 045 41074 93510 0650 065 510124 8951