e甲1314簡(jiǎn)易數(shù)控充電電源vf

1、<p>　　參賽題目：簡(jiǎn)易數(shù)控充電電源（E題）</p><p><b>　　編號(hào)：E甲1314</b></p><p><b>　　參賽學(xué)校：</b></p><p><b>　　參賽隊(duì)員：</b></p><p><b>　　指導(dǎo)教師： </b>

2、;</p><p>　　簡(jiǎn)易數(shù)控充電電源（E題）</p><p>　　摘要： 本系統(tǒng)使用MSP430做主控芯片，利用V/F轉(zhuǎn)換器進(jìn)行電流采樣，由系統(tǒng)輸出頻率信號(hào)，采用F/V轉(zhuǎn)換成電壓值，控制充電器。當(dāng)負(fù)載電壓小于10V時(shí)為恒流充電狀態(tài)，當(dāng)負(fù)載電壓為10V時(shí)為恒壓充電狀態(tài)。使用鍵盤控制輸入值，并通過液晶顯示。通過對(duì)測(cè)試點(diǎn)的檢測(cè)可以判斷系統(tǒng)的工作狀態(tài)，并具有上、下位機(jī)通訊及聯(lián)網(wǎng)功能。本系統(tǒng)還附

3、帶有環(huán)境溫度的檢測(cè)的功能。本文論述了系統(tǒng)設(shè)計(jì)原理，進(jìn)行了理論分析和電路分析，詳細(xì)闡述了硬件和軟件設(shè)計(jì)，并進(jìn)行了系統(tǒng)測(cè)試和結(jié)果分析。</p><p>　　關(guān)鍵詞：MSP430；V/F轉(zhuǎn)換器；穩(wěn)流電路 </p><p><b>　　系統(tǒng)設(shè)計(jì)要求</b></p><p>　　設(shè)計(jì)并制作簡(jiǎn)易數(shù)控充電電源。輸入交流200～240V，50Hz；輸出：當(dāng)負(fù)載

4、電壓小于10V時(shí)為恒流充電狀態(tài)，當(dāng)負(fù)載電壓為10V時(shí)為恒壓充電狀態(tài)。其原理示意圖如下所示。</p><p>　　圖1-1：原理示意圖</p><p><b>　　基本要求</b></p><p>　　（1）輸出恒流時(shí)：電流100mA（慢充）和200mA（快充）可設(shè)置；改變負(fù)載電阻，要求輸出電流變化的絕對(duì)值≤5mA；紋波電流≤2mA。</p

5、><p>　　（2）輸出恒壓時(shí)，改變負(fù)載電阻，輸出電壓波動(dòng)小于0.5V；輸出紋波電壓小于2０ｍＶ。</p><p>　?。?）具有輸出電壓、電流的測(cè)量和數(shù)字顯示功能。</p><p><b>　　發(fā)揮部分</b></p><p>　?。?）輸出恒流時(shí)： 改變負(fù)載電阻，要求輸出電流變化的絕對(duì)值≤3mA；紋波電流≤1mA。<

6、;/p><p>　?。?）輸出恒壓時(shí)：改變負(fù)載電阻，輸出電壓波動(dòng)小于0.2V；輸出紋波電壓小于1０ｍＶ。</p><p>　?。?）具有過熱（≥60°）保護(hù)功能，降溫后自動(dòng)恢復(fù)工作。</p><p><b>　?。?）其它。</b></p><p><b>　　1、方案論證</b></p

7、><p>　　1.1 主控芯片選擇</p><p>　　方案一、MC-51單片機(jī)，通訊口線多，特別對(duì)外擴(kuò)展內(nèi)存非常方便，但內(nèi)存集成外設(shè)少，驅(qū)動(dòng)能力差，體積較大，耗能多。</p><p>　　方案二、MSP430是16位機(jī)，運(yùn)算速度快，與之配套的編程調(diào)試環(huán)境方便。內(nèi)部集成了很多外設(shè)，可以根據(jù)不同的需要選擇不同的組合，這樣就降低了系統(tǒng)的復(fù)雜度，而且它使用電池作電源，體積小，

8、耗能少，驅(qū)動(dòng)能力也比較強(qiáng)。比較符合當(dāng)今綠色節(jié)能的設(shè)計(jì)理念。</p><p>　　通過比較，本系統(tǒng)采用此方案二，選擇MSP430作主控芯片。</p><p>　　1.2、模數(shù)轉(zhuǎn)換方案</p><p>　　方案一、使用標(biāo)準(zhǔn)高頻時(shí)鐘脈沖來測(cè)定反向積分所花費(fèi)的時(shí)間來得到輸出電壓的數(shù)字量，依次來實(shí)現(xiàn)A/D轉(zhuǎn)換。它的精度高，干擾少，但運(yùn)算速度比較慢。</p>&l

9、t;p>　　方案二、利用逐次逼近的方法來實(shí)現(xiàn)A/D轉(zhuǎn)換。其用D/A轉(zhuǎn)換器的輸出電壓來驅(qū)動(dòng)運(yùn)算放大器的反向端，再用一個(gè)逐次逼近寄存器存放轉(zhuǎn)換好的數(shù)字量，轉(zhuǎn)換結(jié)束時(shí)將數(shù)字量送入緩沖寄存器，從而輸出數(shù)字量。它抗干擾能力強(qiáng)，但速度慢。</p><p>　　方案三、使用V/F變換器來實(shí)現(xiàn)A/D轉(zhuǎn)換。它采用外接時(shí)鐘脈沖決定滿量程頻率，并允許電壓獲得電流的輸入，單電源雙電源均可，可與TTL和CMOS電平兼容。由于其采用外

10、部時(shí)鐘驅(qū)動(dòng)和電荷平衡轉(zhuǎn)換技術(shù)，該芯片分辨率高，穩(wěn)定性高，轉(zhuǎn)換時(shí)間最短。</p><p>　　根據(jù)分析比較，我們選擇了方案三，采用V/F變換器來實(shí)現(xiàn)A/D轉(zhuǎn)換。</p><p><b>　　1.3、顯示方案</b></p><p>　　方案一、采用LED數(shù)碼管，其體積小，壽命長，響應(yīng)時(shí)間快，亮度高，能簡(jiǎn)單的顯示數(shù)字，效果比較好，但是顯示單一，只可

11、以顯示一個(gè)數(shù)值，多用于定點(diǎn)檢測(cè)。</p><p>　　方案二、采用LCD點(diǎn)陣形式，相應(yīng)時(shí)間較LED慢，可是它可以同時(shí)顯示多個(gè)數(shù)值，漢字</p><p>　　工作電壓低，耗能少。</p><p>　　通過分析比較，我們選擇LCD作為顯示器件。</p><p>　　1.4、穩(wěn)流電路方案</p><p>　　方案一、并聯(lián)式穩(wěn)

12、流電路，它是把穩(wěn)定的電壓加在電阻上以得到穩(wěn)定電流。此種方法要先獲得穩(wěn)定電壓如下圖示采用LM317來獲得穩(wěn)定基準(zhǔn)電壓，在Rl上獲得穩(wěn)定電流。</p><p>　　圖1-2：并聯(lián)式穩(wěn)流電路原理圖</p><p>　　方案二、使用雙運(yùn)放來實(shí)現(xiàn)穩(wěn)流電路，前一運(yùn)放為電壓跟隨器，后一運(yùn)放組成反饋電路來進(jìn)一步穩(wěn)定路。此種方法電路簡(jiǎn)單，穩(wěn)定性效果比前兩個(gè)方案好。</p><p>　

13、　通過分析比較，選擇方案二，采用雙運(yùn)放來實(shí)現(xiàn)穩(wěn)流電路。</p><p><b>　　2、總體設(shè)計(jì)</b></p><p>　　本系統(tǒng)使用鍵盤控制輸入，使用LCD液晶顯示，MSP430為主控制芯片。穩(wěn)流電路使用雙運(yùn)放，數(shù)模轉(zhuǎn)換使用V/F轉(zhuǎn)換器，系統(tǒng)框圖如圖1-3所示。</p><p>　　圖1-3：系統(tǒng)結(jié)構(gòu)框圖 </p><

14、p>　　3、硬件電路設(shè)計(jì)與理論計(jì)算</p><p>　　3.1、V/F變換器及其模數(shù)轉(zhuǎn)換原理</p><p>　　本系統(tǒng)使用電荷平衡式V/F轉(zhuǎn)換器來實(shí)現(xiàn)A/D轉(zhuǎn)換，V/F轉(zhuǎn)換器電路結(jié)構(gòu)圖如圖4所示。</p><p>　　圖3-1：V/F轉(zhuǎn)換電路原理圖 </p><p>　　圖中U1A和RC組成一個(gè)積分器，U2A是零電壓比較器。恒流源

15、和模擬開關(guān)S構(gòu)成積分器反充電回路。當(dāng)單穩(wěn)定時(shí)器產(chǎn)生一個(gè)tos的脈沖時(shí)，反充電回路對(duì)CAP反充電，沖入電荷為QC=R*tos。原理如下：當(dāng)模擬開關(guān)S處于在左邊時(shí)即與U1A輸出端接通時(shí)，積分器處于充電過程，積分器的輸出電壓不斷下降，當(dāng)下降到零時(shí)，U2A跳變觸發(fā)單穩(wěn)定時(shí)器，使其產(chǎn)生一個(gè)脈寬為tos的脈沖，此脈沖使模擬開關(guān)置于U1A的反向端，對(duì)CAP反向充電，此過程使得U1A的輸出電壓不斷增大，到tos結(jié)束時(shí)又使模擬開關(guān)置于U1A輸出端，積分器

16、再次充電，使得U1A輸出電壓不斷減小，下至零時(shí)又使單穩(wěn)定時(shí)器產(chǎn)生一個(gè)tos脈沖，依次反復(fù)形成頻率輸出波形如圖5所示。</p><p><b>　　圖3-2：波形圖</b></p><p>　　圖中矩形脈沖寬度為tos。</p><p><b>　　所以輸出頻率為：</b></p><p>　　依次得

17、到輸出頻率與輸入電壓成正比，當(dāng)Rin和C2A精度較高時(shí)，頻率輸出即可和輸入電壓嚴(yán)格的成正比。</p><p>　　用V/F轉(zhuǎn)換器實(shí)現(xiàn)模數(shù)轉(zhuǎn)換需要與頻率計(jì)配合使用，電路框圖如下</p><p>　　圖3-3：V/F轉(zhuǎn)換原理圖</p><p>　　同時(shí)啟動(dòng)定時(shí)器和頻率計(jì)，頻率計(jì)用V/F輸出的頻率信號(hào)作為基數(shù)脈沖，定時(shí)器采用基準(zhǔn)脈沖拍作為定時(shí)脈沖。當(dāng)定時(shí)結(jié)束時(shí)，定時(shí)器產(chǎn)生

18、輸出信號(hào)使頻率計(jì)停止計(jì)數(shù)，這樣計(jì)數(shù)器的計(jì)數(shù)值和頻率的關(guān)系是：</p><p>　　D為計(jì)數(shù)值；T 為計(jì)數(shù)時(shí)間</p><p>　　而 Ds是計(jì)數(shù)器計(jì)數(shù)初值；fs基準(zhǔn)頻率</p><p><b>　　因此 </b></p><p><b>　　從而</b></p>

19、<p>　　由此得到只要知道了D 的值就可以通過計(jì)算求出V/F變換器的輸出頻率,并計(jì)算出輸入電壓值，這樣就實(shí)現(xiàn)了模數(shù)轉(zhuǎn)換。</p><p>　　3.2、V/F轉(zhuǎn)換電路</p><p>　　輸入的電壓經(jīng)過射隨器UD1A從LM331的7引腳輸入，電阻RD7 可以抵消6腳的偏流影響，從而減小頻率誤差，為了減少LM331的增益誤差和由RD10、RD11、CD2引起的偏差RD13選用51

20、K電阻CD1為濾波電容。當(dāng)6腳和7腳的RC時(shí)間常數(shù)相匹配時(shí)，輸入電壓的階躍變化講引起輸出頻率的階躍變化，如果CD3比CD1大的多那么輸入電壓的階躍變化可能引起輸出頻率的瞬間停止，6腳的電阻和電容可以差生滯后效應(yīng)，以獲得良好的線性度。V/F轉(zhuǎn)換電路如圖7所示。</p><p>　　圖3-4：V/F轉(zhuǎn)換電路圖</p><p>　　3.3、F/V轉(zhuǎn)換電路</p><p>

21、　　從單片機(jī)輸出的頻率信號(hào)經(jīng)過史密斯觸發(fā)器進(jìn)入F/V轉(zhuǎn)換器形成的電壓值通過電壓跟隨器，通過UA1A的放大后在三極管集射兩端檢測(cè)，當(dāng)輸入的頻率值變化后，輸入到UA1A的電壓也隨之變化三極管射極電壓也增大，從而引起UA1A輸出電壓的減少，形成反饋，以保證輸出電壓的穩(wěn)定，以得到恒定的電流。F/V轉(zhuǎn)換電路如圖8所示。</p><p>　　圖3-5：F/V轉(zhuǎn)換電路圖</p><p>　　3.4、主控

22、單元及LCD液晶顯示模塊</p><p>　　芯片和液晶顯示器共用一個(gè)復(fù)位電路，以便于實(shí)現(xiàn)顯示器和單片機(jī)的復(fù)位同步，并使用五個(gè)按鍵來實(shí)現(xiàn)輸入值得設(shè)定，并且本單元具有自我保護(hù)電路，來防止電壓或溫度超過安全值時(shí)損害電路。</p><p>　　圖3-6：系統(tǒng)主控及LCD電路原理圖</p><p><b>　　3.5、電源電路</b></p>

23、;<p>　　為了使系統(tǒng)正常高效的運(yùn)行，我們制作了 +18V，+9V，-9V，+3.3V電壓源，其中3.3V為430供電，+9V，-9V，18V為F/V模塊供電，+9V為V/F模塊供電。</p><p>　　對(duì)于MCU的3.3v的工作電壓由三端可調(diào)集成穩(wěn)壓器LM317T提供，該器件的輸出電壓范圍為1.25-30v，其輸出電壓由兩個(gè)外部電阻的分壓比確定，輸出電流為100mA，完全可以滿足F12X2 M

24、CU芯片工作電壓的要求。其輸出電壓與分壓電阻的關(guān)系見下式；當(dāng)取RP1為200Ω，RP2為330Ω時(shí)LM317L的輸出電壓約為3.3V。</p><p>　　圖3-7： 電源模塊電路圖</p><p>　　3.6、串行通信口電路</p><p>　　串行通信接口實(shí)現(xiàn)上位機(jī)和下位機(jī)的通訊。串口通信模塊采用分立元件電路實(shí)現(xiàn)單片機(jī)和微型機(jī)之間的電平轉(zhuǎn)化。TXD指示燈可以指示

25、數(shù)據(jù)發(fā)送狀態(tài)。通過RXD指示燈可以檢驗(yàn)通信電纜接線是否正確。</p><p>　　圖3-8：串口通信模塊電路原理圖</p><p>　　3.7、按鍵連接電路</p><p>　　圖3-9：按鍵連接電路</p><p><b>　　3.8、溫度測(cè)量</b></p><p>　　本系統(tǒng)附帶有環(huán)境溫度檢

26、測(cè)功能，MSP430的ADC12模塊的10通道是對(duì)片內(nèi)溫度二極管的輸出的測(cè)量，本系統(tǒng)用該溫度傳感器作為溫度的測(cè)量，測(cè)試所得溫度值通過液晶顯示器顯示。</p><p><b>　　4、系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)</b></p><p><b>　　4.1、系統(tǒng)模塊圖</b></p><p>　　圖4-1：控制軟件框圖</p>

27、<p>　　4.2、主程序流程圖</p><p><b>　　主流程圖見附件。</b></p><p>　　電流采樣中斷服務(wù)程序：采用V/F轉(zhuǎn)換方式進(jìn)行電流采樣：即先將電流轉(zhuǎn)換成電壓然后經(jīng)V/F轉(zhuǎn)換成頻率后，作為MCU的中斷信號(hào)，進(jìn)行定時(shí)采樣和轉(zhuǎn)換，采樣時(shí)間為0.25s。</p><p>　　4.3、V/F采樣中斷服務(wù)程序</

28、p><p>　　圖4-2：V/F采樣中斷服務(wù)程序</p><p>　　4.4、定時(shí)器中斷服務(wù)程序</p><p>　　圖4-3：定時(shí)中斷服務(wù)程序流程框圖</p><p>　　5、測(cè)試方法與結(jié)果分析</p><p><b>　　5．1 測(cè)試儀表</b></p><p>　　萬用電

29、表、高精度電流表測(cè)量</p><p><b>　　5．2 測(cè)試方法</b></p><p>　　輸出電流可用高精度電流表測(cè)量；</p><p>　　紋波電流的測(cè)量可用低頻毫伏表測(cè)量輸出紋波電壓，換算成紋波電流。</p><p>　　5.3 測(cè)試數(shù)據(jù)及測(cè)試結(jié)果分析</p><p>　　測(cè)試條件：按照

30、題目要求進(jìn)行恒流和恒壓測(cè)試。</p><p><b>　　測(cè)試結(jié)果如下：</b></p><p>　　表5-1：恒流源負(fù)載測(cè)試數(shù)據(jù)表</p><p>　　誤差平均值為 0.5753 mA。</p><p>　　表5-2：恒壓源測(cè)試結(jié)果分析表</p><p>　　誤差平均值為 0.590 mV。

31、 </p><p><b>　　6、設(shè)計(jì)總結(jié)</b></p><p>　　本系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)了數(shù)控充電電源的各項(xiàng)要求，并有所發(fā)揮。成功利用MPS430實(shí)現(xiàn)了鍵盤控制、液晶顯示的功能。本系統(tǒng)內(nèi)部具有過流保護(hù)，過熱保護(hù)，和過壓保護(hù)等保護(hù)電路電路，使用比較安全。</p><p><b>　　參考文獻(xiàn)：</b></p>&l

32、t;p>　　[1] 魏小龍．單片機(jī)接口技術(shù)及系統(tǒng)設(shè)計(jì)實(shí)例[M]．北京：北京航空航天大學(xué)出版社</p><p>　　[2] 閻石． 數(shù)字電子技術(shù)基礎(chǔ)[M] ． 北京：高等教育出版社.</p><p>　　[3] 孫燕． PROTEL99設(shè)計(jì)與實(shí)例[M] ． 北京：機(jī)械工業(yè)出版社.</p><p>　　[4] 張順興． 數(shù)字電路與系統(tǒng)設(shè)計(jì)[M] ．東南大學(xué)出

33、版社.</p><p>　　[5] 路而紅． 電子設(shè)計(jì)自動(dòng)化應(yīng)用技術(shù)[M] ． 北京：北京希望電子出版社.</p><p>　　[6] 胡大可． 超級(jí)功耗16位單片機(jī)原理與應(yīng)用[M] ． 北京：北京航空航天大學(xué)出版社</p><p>　　[7] 夏路易等．電路原理圖與點(diǎn)路板設(shè)計(jì)教程[M] ．北京：希望電子出版社</p><p>　　[8] D

34、irk Jansen． 電子設(shè)計(jì)自動(dòng)化[M] ．北京：電子工業(yè)出版社</p><p><b>　　附件：</b></p><p><b>　　Y</b></p><p><b>　　N</b></p><p><b>　　Y</b></p>

35、<p><b>　　Y</b></p><p><b>　　N</b></p><p><b>　　N</b></p><p><b>　　N </b></p><p><b>　　Y</b></p><