简易数控充电电源VFE甲XX

1、参赛题目：简易数控充电电源（E题）编号：E甲13XX参赛学校：山东理工大学参赛队员： 指导教师： 简易数控充电电源（E题）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，控制恒流源。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得工作状态，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。关键词：MFS430；V/F转换器；LCD液晶显示；稳流电路 Abstract : In this system , MPS430, which uses F/V circuit to convert a

2、cquired signal, is used as the center control unit. Then the data is transported to the center after processing. As result of its high speed, close precision and great reliability. The dates are displayed on the LCD instead of the LED because the former has more advantages than the latter. Keyword:

3、MSP430；V/F；LCD；stabilizing- current circuit 系统设计要求设计并制作简易数控充电电源。输入交流200240V，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。电压、电流等检测负载充电电源控制器键盘图1：原理示意图基本要求（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（1）输出

4、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1.1 主控芯片 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

5、计理念。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

6、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、稳流电路方案一、串联式稳流电路，其原理图如下图中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

7、的压降，以保持Io稳定。 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。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、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3所示。键盘液晶显示液晶驱动接口74HC

8、 245MSP430F1222基本系统F/V转换控制稳流电路电源系统电流采样V/F转换输入输出串行通信模块串口通信图3：系统结构框图3、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 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。图4：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

9、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5：波形图图中矩形脉冲宽度为tos。 所以输出功率为：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V/F转换频率计数TABA BUS电源定时器基准频率图6：V/F

10、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 而 Ds是计数器计数初值；fs基准频率 因此 从而 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 输入的电压经过射随器UD1A从LM3317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

11、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。图7：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

12、所示。图8：F/V转换电路图3.4、主控单元及LCD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。图9：系统主控及LCD电路原理图3.5、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。图10：电源模块原理图3.6、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

13、发送状态。通过RXD指示灯可以检验通信电缆接线是否正确。图11：串口通信模块电路原理图3.7、按键连接电路图12：按键连接电路3.8、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、测量控制软件设计4.1、系统模块图 通 信LCD显示按键处理模块温度控制模块频率测量模块脉宽调制模块初始化模块下 位 机RTOS模块 图13：控制软件框图4.2、程序流程图减1键？系统初始化内部功能模块设置：包括定时器、并行I/O模块、A/D转换模块、系统时钟模块设置、关闭所有输出

14、 显示开机界面（延时大约15秒）显示测试界面开中断按键扫描是否有键按下?加1键？设置选择键？当前是否处在设置装态?指向设置位并加1当前是否处在设置装态?指向设置位并减1设置参数的个位加1设置参数的个位减1 Y N Y Y N N N Y设置千位？千位闪烁并进入设置状态 Y N设置百位设置十位设置个位 图14：主程序流程框图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采样中断服务程序现 场 保 护V/F计数单元加1恢 复 现 场从 中 断 返 回图15：V/F采样

15、中断服务程序4.4、定时器中断服务程序现 场 保 护取出V/F计数值过载？将测试值转换成显示字符送LCD恢 复 现 场从 中 断 返 回图16：定时中断服务程序流程框图5、测试方法与结果分析51 测试仪表万用电表52 测试方法5.3 测试数据及测试结果分析u 测试条件 按照题目给定的尺寸，在实验室自做场地，白天和晚上分别测试。测试数据 测试结果如下：表1：测试结果分析表 电流序号 设定值I(mA)测试值I(mA)绝对误差I（mA）12019.9900.01022120.9890.01137070.0680.06847574.9350.0655125124.8950.1056130130.1210.1217800799.1020.89881200 1198.8891.11191600 1601.5811.581102000 1998.1091.891误差平均值为 0.5861。6、设计总结 本系统实现了数字直流电流源的各项要求，并有所发挥。成功利用MPS430实现了键盘控制、液晶显示的功能。本系统内部具有过流保护，过热保护，和过压保护等保护电路电路，使用比较安全。 参考文献：1