E甲13XX 简易数控充电电源(PWM)

2008 山东省大学生电子设计大赛山东省大学生电子设计大赛 设计题目 简易数控充电电源简易数控充电电源 E E 题 题 本科组本科组 编号 E 甲 13 XX 参赛队员 指导教师 参赛学校 2008 年 9 月 1 摘摘 要要 本系统采用了 MSP430 做主控芯片 实现数控充电电源 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 用单片机片内 A D 进行数模转换 使用 PMW 转换成电压值 再通过稳 流电路形成恒定的电流 具有功能较为齐全 操作使用方便 电流稳定度高的优点 系统 使用键盘输入 采用液晶进行汉字显示 系统同时具有过热保护和过流保护 通过对测试 点的检测可以判断系统得工作状态 系统设有通信接口可实现上下位机通信和联网功能 本系统还附带有环境温度的测试的功能 关键字关键字 MSP430 单片机 PMW 充电电源 1 1 系统简介 系统简介 1 1 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 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 2 2 设计方案论证 设计方案论证 2 1 主控芯片选择主控芯片选择 键盘控制器充电电源负载 电压 电流等检测 显示 2 方案一 采用 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 体积脚大 耗能多 方案二 MSP430 是 16 位单片机 在 1 8 3 6V 电压 1MHz 的时钟条件下运行 具有 16 个中断源 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 系统工作比较稳定 比较符合当今绿色节能的设计理 念 根据比较 我们选择方案二 选择 MSP430 单片机作主控芯片 2 2 模数转换方案 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 使用 V F 变换器来实现 A D 转换 V F 变换器属于模拟传感器 虽然电路简 单体积小 但是受材料 器件的限制 仍只能输出低幅值的模拟信号 而且输出幅值小 灵敏度低 不能与数字计算机直接通讯 方案三 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 通过分析比较 采用片内 A D 实现模数转化 2 3 数模转换方案 方案一 D A 转换 通过 D A 转换芯片实现数字量到模拟量的转换 电路简单 但这 种方案需要高精度的 D A 转换芯片 方案二 F V 转换 单片机输出脉冲信号 经转换电路变成电压信号输出 方案三 脉冲宽度调制 PWM 技术 PWM 控制方式广泛应用于各种控制系统中 但对 脉冲宽度的调节传统方案一般采用硬件来实现 如使用 PWM 控制器或在系统中增加 PWM 电 路 PWM 等 成本高 响应速度慢 而且 PWM 控制器与系统之间存在兼容问题 本系统采用 软件方式实现脉宽调制 其特点是频率高 效率高 功率密度高 可靠性高 成本低 根据分析比较 我们选择了方案三 采用脉冲宽度调制 PWM 技术进行模数转换 2 4 显示器件选择 显示器件选择 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 但是显示单一 只可以显示数值 多用于定点检测 方案二 采用 LCD 点阵形式 响应时间较 LED 慢 但是它可以同时显示多行数值和 汉字 工作电压低 耗能少 通过分析比较 我们选择 LCD 液晶模块作为显示器件 2 5 稳流电路方案 方案一 串联式稳流电路 其原理图如图 1 所示 图中 Rq 为取样电阻 T 的输出电流 Io 的变化量 Io 反映在 Rq 上压降的变化量 V 上 V 送入比较放大器中放大后用以控制调整管 T 的压降 以保持 Io 稳定 3 5 6 7 B Rl Rq T VCC Vref 图 1 串联式稳流电路原理图 方案二 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 LM371 VCC Io Vref IR1 图 2 并联式稳流电路原理图 方案三 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 选择方案三 采用双运放来实现稳流电路 2 6 总体设计方案 本系统使用键盘控制输入 使用 LCD 显示 MSP430 为主控制芯片 稳流电路使用双 运放 模数转换使用 PWM 方案 系统框图如下 图 3 系统原理框图 改 键盘 液晶 显示 液晶驱动 接口 74HC 245 MSP430 F1222 基 本 系 统 PWM 控制稳流电路 电源系统 电流采样输入 输出 串行通信 模块 串口通信 4 3 PWM 调控原理及实现调控原理及实现 PWM控制技术以其控制简单 灵活和动态响应好的优点而成为电力电子技术最广泛应 用的控制方式 也是人们研究的热点 由于当今科学技术的发展已经没有了学科之间的界 限 结合现代控制理论思想或实现无谐振软开关技术将会成为PWM控制技术发展的主要方 向之一 PWM控制方式广泛应用于各种控制系统中 但对脉冲宽度的调节一般采用硬件来实现 如果使用PWM 控制器或在系统中增加PWM电路等 成本高 响应速度慢 而且PWM控制器与 系统之间存在兼容问题 由于微机技术的发展使得用软件生成SPWM波形变得比较容易 因此 软件生成法也就应运而生 软件生成法其实就是用软件来实现调制的方法 本系统 利用TI公司生产的新型单片机MSP430f1232 内的定时器TA 可以用时间量进行电流采样 以及实现PWM电流调节 为了可在使用少量外围电路的情况下实现系统的高精度测量和控制 一方面用时间量 采样 在省去1片A D的情况下得到12 位的高精度 另一方面在定时中断内完全用软件实 现PWM调节 以易于进行数据的通信和显示 该系统在中断内可以解决波形产生的实时在线 计算和计算精度问题 可精确实时地计算设定频率下的脉冲宽度 MSP系列的单片机 MSP430F1232 在超低功耗和功能集成上都有一定的特色 可大大减小外围电路的复杂性 它的实时处理能力及各种外围模块使其可应用在多个低功耗领域 3 3 1 1 PWMPWM信号生成原理信号生成原理 利用MSP430单片机中的16位定时器产生脉冲信号 MSP430中通用16 位定时器TA 有如下主要功能模块 1 一个可连续递增计数至预定值并返回0 的计数器 2 软件可选择时钟源 3 5个捕获比较寄存器 每个有独立的捕获事件 4 5 个输出模块 支持脉宽调制的需要 定时器控制寄存器 TACTL 的各位可控制 TA 的配置 并定义 4 位定时器的基本操作 可选择原始频率或分频后的输入时钟源及 4 种工作模式 另外还有清除功能和溢出中断控 制位 5 个捕获比较寄存器 CCRx 的操作相同 它们通过各自的控制寄存器 CCTLx 进行 配置 单片机MSP 430f1232 中用于测量和控制电流的主要I O 口有 1 P1 0 输出50HZ方波 用于产生三角波 2 P1 2 驱动电流源控制执行元件 2kHZ方波PWM 输出 3 P2 0 脉宽捕捉 单片机端口的中断设置 系统的50HZ方波输出 PWM 输出和输入捕捉都是由定时中 断来实现 这3 个中断分别由P0 P1 P2 和I O 口的外围模块引起 属于外部可屏蔽中断 初始化时对这3 个I O 口进行中断设置 并对TA控制寄存器TACTL设置 包括输入信号2 分频 选用辅助时钟ACLK等 当定义完捕获比较寄存器后 重新赋值TACTL启动定时器 开始连续递增计数 将捕获 比较寄存器CCR0和CCR1定义为比较模式 它们的输出单元OUT0和OUT1分别 对应单片机引脚P1 0 TA0 P1 2 TA1 进入比较模式后 如果定时器CCRx的计数值等于 比较寄存器中的值 则比较信号EQUx输出到输出单元OUTx 中 同时根据选定的模式对信 号置位 EQU0复位或翻转 其中 设置OUT0将P1 0信号翻转 信号时钟与定时器时钟同 步 这样就可以在P1 0引脚上得到50Hz的方波信号 根据设定的PWM复位 置位模式 若 CCR1 计数器溢出 则EQU1将OUT1复位 若CCR0计数器溢出 则EQU0将OUT1置位 利 5 用CCR0 和CCR1计数起始点的差值 实现占空比的变化 从而在P1 2上完成PWM输出 系 统对占空比的调节是通过改变CCR1的基数来实现的 定时器时钟为20HZ CCR1 CCR0 的计数值为1000时 可获得2KHZ的PWM输出频率 3 2 PWM 变换器及其数模转换原理变换器及其数模转换原理 PWM 信号是一种具有固定周期 T 不定占空比 的数字信号 如果 PWM 信号的占 空比随时间变化 那么通过滤波之后的输出信号将是幅度变化的模拟信号 因此通过控制 PWM 信号的占空比 就可以产生不同的模拟信号 在 MSP430F449 中就是采用 CCR0 来控制 周期 T 而用与定时器对应的 CCRx 寄存器来控制可变占空比 进而实现 D A 转换 10u10u 10u NPN 9v 9V 5 6 7 B LM358 3 2 1 84 A LM358 18V 51k51k 10k 200 Rfz 5 2 10u 10K P37 图 4 采用 PWM 控制稳流源电路原理框图 4 4 系统硬件设计 系统硬件设计 4 4 1 1 系统主控及 系统主控及 LCDLCD 液晶显示电路液晶显示电路 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 5 系统主控及 LCD 电路原理图 6 4 2 串行通信口电路 串行通信口电路 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 6 串口通信模块电路原理图 4 3 电源模块 电源模块 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 PWM 模块供电 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 MC7809 DP1 DP1 CP4 104 CP5 104 CP6 104 CP7 104 Vin 1 GND 2 9V 3 MC7809 2 9V 9V CP3 10u CP4 10u CP5 10u CP6 10u RP3 10K RP4 2K Vin Vin 图 7 电源模块原理图 4 4 按键连接电路 按键连接电路 7 P21 P20 RK0 10K RK1 10K 3 3V P22 RK2 10K 图 8 按键连接电路 4 5 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 系统中 就是用该温度传感器作为温度的测量 使用键盘来设定报警 温度值 当实时温度超出设定的报警值时 输出报警 由 P2 5 输出通过三极管驱动扬声器 5 5 系统软件设计系统软件设计 功能模块如图 5 所示 图 5 阅读器软件框图 基本要求部分模块功能 1 初始化模块 包括各个端口的设置 时钟源的选择及设置 显示缓冲 区的初始化 各个中断的设置以及设置各个标志位的初始值等 2 键盘处理模块 主程序中对按键进行不断地扫描 若有按键按下 并经过延时去抖动之后 转入按键处理子程序 在按键处理子程序中 确定 键值 3 LCD 显示模块 该模块显示被测电压 A D 转换结果 温度 时间等 并给出汉字提示 其他发挥部分模块功能 1 通信模块 实现双机通信 2 温度监测模块 3 电子时钟模块 充电电源设计 初 始 化 模 块 键 盘 处 理 模 块 L C D 显 示 电 子 时 钟 模 块 温 度 检 测 通 信 模 块 8 图 9 主程序流程框图 6 6 测试方法与结果分析测试方法与结果分析 6 1 测试仪表 万用电表 高精度电流表 6 2 测试方法 输出电流可用高精度电流表测量 如果没有高精度电流表 可在采样电阻上测量电压换算成电流 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 6 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 系统初始化 显示缓冲区初始化 开中断 进入测试界面扫描按键 I O 模块设置 A D 转换模块设置 执行显示程序 9 测试数据 表 1 测试数据分析表 电流 编号 设定值 mA 测试值 mA 绝对误差 mA 1109 990 010 21413 980 009 32726 960 038 45049 940 051 5120119 920 096 6135134 870 122 7700699 870 123 81100 1099 10 979 91300 1298 81 111 102020 2018 71 300 误差平均值为 0 5861 mA 表 1 恒压测试结果分析表 电流 序号 设定值 U mV 测试值 U mV 绝对误差 U mV 12019 9900 010 22120 9890 011 37070 0680 068 47574 9350 065 5125124 8950 105 6130130 1210 121 7800799 1020 898 81200 1198 8891 111 91600 1601 5811 581 102000 1998 1091 891 误差平均值为 mV 7 7 设计总结设计总结 利用单片机 MSP430F1232 内的定时器 TA 进行电流采样以及实现 PWM 调节的方法与传统 方法比较 它不仅可以简化量和控制电路的硬件结构 而且可以方便地建立人机接口 实 现用软件调整参数 使控制更精确 实时 可靠 经过实验 该方法应用于数控直流电源 系统中获得了预期测量精度 本系统实现了单片机与数控电流源的全部功能 达到了要求的技术指标 在此基础上进行了发挥和扩展 利用msp430单片机作为下位机 对200mA 2000mA电流的控制和显示功能 同时具有过热保护 过流保护和串口通信等方 面的功能 10 参考文献参考文献 1 2 邢增平编著 PROTEL 99SE设计专家指导 北京 中国铁道出版社出版 2004 3 3 秦龙 MSP430单片机C语言应用程序设计实例精讲 M 电子工业出版社 2006 5 4 5 魏小龙 MSP430 系列单片机接口技术及系统设计实例 M 北京航空航天大学出版社 2003 6 12345678 A B C D 87654321 D C B A Title NumberRevisionSize A3 Date 14 Sep 2008Sheet of File E pcb 200807 DdbDrawn By 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 U1 MSP430F12XX P37 RR2 100K CT1 30pF CT2 30pF XT1 4MHZ GND1 CP4 104 CP2 104 CP6 104 CP1 220uf CP5 10u CP3 10u 3 3V VCC 1 1 2 2 TXD 1 1 2 2 RXD RRS2 2K RRS5 100 RRS1 2K RRS3 5 1K RRS4 2K CRS1 205 3 3V VCC 3 3V GND1 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12 13 14 J6 GND1 P30 P32 P33 P31 P37 P36 P17 P16 P15 P14 P13 P12 P11 P10 P17 P16 P15 P14 A A K K DRS1 RR1 1K CR1 0 1uF 3 3V 1 2 3 4 JP1 RP310K RP4 3 3K 1 P25 6 7 P20 P21 P22 P24 P23 P35 P34 5 A A K K DP1 B 2 C 3 E 1 QRS1 NPN 3 3V 2 3 VIN1 VIN0 RP5 5 1K 1 1 2 2 POWER VIN1 CU1 33u GND1 3 3V 1 2 3 4 JRS1 VCC P35 P34 RK0 10K RK1 10K RK2 10K P30 P31 P32 A A K K DK1 A A K K DK2 A A K K DK3 E 1 C 3 B 2 QRS2 PNP9012 14 KK1 14 KK0 14 KK4 14 KR1 14 KK3 14 KK2 14 KK5 P10 P11 P12 P13 P14 P15 P16 P17 Y7 Y6 Y5 Y4 P10 P11 P12 P13 P14 P15 P16 P17 Y3 Y2 Y1 Y0 B1 6 a 11 f 10 B2 8 B