簡(jiǎn)易數(shù)控充電電源系統(tǒng)設(shè)計(jì)書.doc

參賽編號(hào)：E甲1121簡(jiǎn)易數(shù)控充電電源（E題）參賽學(xué)生： 李海洋 劉婧瑀 馬力 參賽學(xué)校： 中國(guó)海洋大學(xué) 指導(dǎo)教師： 程 凱 2008-9-15目 錄摘 要1一、 系統(tǒng)設(shè)計(jì)11 設(shè)計(jì)思路12 方案論證與比較22.1 電路組成22.2 模數(shù)轉(zhuǎn)換32.3 充電電源的恒流、恒壓電路4二、 硬件設(shè)計(jì)51 控制器單元52 充電電源單元53 差分運(yùn)算放大電壓?jiǎn)卧?4 模數(shù)轉(zhuǎn)換單元65 溫度采集單元76 顯示單元7三、 軟件設(shè)計(jì)71 設(shè)計(jì)思路71.1 主程序71.2 溫度采集81.3 充電電源程序91.4 A/D轉(zhuǎn)換程序91.5 顯示程序101.6 中斷服務(wù)程序11四、 系統(tǒng)測(cè)試111 測(cè)試儀器112 測(cè)試方法113 測(cè)試結(jié)果113.1 輸出恒壓113.2 恒流輸出12五、 結(jié)束語(yǔ)14參考文獻(xiàn)14附錄15附錄1 元器件明細(xì)表15附錄2 程序清單15附錄3 印制板圖20附錄4 系統(tǒng)使用說(shuō)明21簡(jiǎn)易數(shù)控充電電源（E題）摘 要 本充電電源將LM317集成的恒流源與TL431集成的恒壓源相串聯(lián)，實(shí)現(xiàn)穩(wěn)壓和恒流充電。本電路設(shè)計(jì)簡(jiǎn)單，易于實(shí)現(xiàn)，采用AD626進(jìn)行高端電流檢測(cè)，將檢測(cè)所得數(shù)據(jù)通過(guò)TLC2543 A/D轉(zhuǎn)換器發(fā)送至單片機(jī)，同時(shí)采用DS18B20單總線數(shù)據(jù)溫度芯片實(shí)現(xiàn)溫度采樣及轉(zhuǎn)換，由LCD液晶顯示屏顯示電壓和電流以及溫度值，顯示清晰、人機(jī)界面友好。此外，本充電電源具有過(guò)熱保護(hù)功能，降溫后可自動(dòng)恢復(fù)工作。關(guān)鍵詞：ATmega16單片機(jī)；TL431；AD626；LM317；A/D轉(zhuǎn)換器；單總線AbstractThe rechargeable power to ATmega16 microcontroller as the core,LM317 3-Terminal Positive Adjustable Regulator voltage and current stability,DS18B20 Programmable Resolution 1-Write Digital Thermometer samples temperature data, analog-digital conversion come true through 2543 protected quad power driver, LCD display through LED voltage value and Current value. In addition, the charging power supply is overheating protection, cooling down automatically after the return to work. Key words : ATmega16; TL431; LM317; AD converter; DS18B20; 1-Write 一、 系統(tǒng)設(shè)計(jì)1 設(shè)計(jì)思路 本充電電源由LM317芯片集成的恒流源和TL431集成的恒壓源串聯(lián)而成，通過(guò)AD626高端電流檢測(cè)功能精確測(cè)量電流值，由A/D轉(zhuǎn)換器TLC2543將所得電壓值與電流值轉(zhuǎn)換成最高精度為12位的數(shù)字量，結(jié)果由LCD顯示。本充電電源不僅能實(shí)現(xiàn)基本功能，而且穩(wěn)電壓充電和恒電流充電精度可達(dá)到發(fā)揮部分要求。總體方案設(shè)計(jì)如圖1所示。圖1 總體設(shè)計(jì)方案2 方案論證與比較2.1 電路組成方案一：采用電壓源與電流源并聯(lián)方式，兩者可切換，輸入為電壓源的時(shí)候，輸出為恒壓，反之為恒流輸出。但此方案操作復(fù)雜，不容易實(shí)現(xiàn)。電路圖如圖2所示。圖2 方案一電路方案二：采用穩(wěn)流/穩(wěn)壓電源方式，如圖3所示。此方案理論上有較強(qiáng)的可行性，但是電路復(fù)雜，不易操作。圖3 方案二電路方案三：采用穩(wěn)流和穩(wěn)壓電路串聯(lián)方式，結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，易于操作，且能利用AD626的高端電流檢測(cè)功能和A/D轉(zhuǎn)換器TLC2543精確完成各項(xiàng)指標(biāo)。電路圖如圖4所示。圖4 方案三電路 因此，我們選擇方案三。2.2 模數(shù)轉(zhuǎn)換 題目要求輸出恒流時(shí)，輸出電流變化的絕對(duì)值3mA；紋波電流1mA；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。則應(yīng)選精度較高模數(shù)轉(zhuǎn)換器。備選方案如下：方案一：采用ATmega16單片機(jī)內(nèi)部10位逐次逼近模數(shù)轉(zhuǎn)化器，該轉(zhuǎn)換器最高采樣率分辨率可達(dá)15ksps，是8位復(fù)位單通道輸入，轉(zhuǎn)換速度達(dá)到60260s，同時(shí)支持16路差分放大組合，ADC與一個(gè)8通道的模擬多路復(fù)用器連接，能對(duì)來(lái)自端口 A的 8 路單端輸入電壓進(jìn)行采樣。單端電壓輸入以 0V (GND) 為基準(zhǔn)，兩路差分輸入 (ADC1、 ADC0 與 ADC3、 ADC2)有可編程增益級(jí)，在 A/D 轉(zhuǎn)換前給差分輸入電壓提供 0dB(1x)、20dB(10x)或 46dB(200x)的放大級(jí)。七路差分模擬輸入通道共享一個(gè)通用負(fù)端 (ADC1), 而其他任何 ADC 輸入可做為正輸入端。如果使用 1x 或 10x 增益，可得到 8 位分辨率。如果使用 200x 增益，可得到 7 位分辨率?？梢?jiàn)內(nèi)部模數(shù)轉(zhuǎn)換器ADC使用方便，成本小。方案二：A/D轉(zhuǎn)換器TLC2543具有轉(zhuǎn)換速度高，通用控制能力強(qiáng)，片內(nèi)有14通道多路器可以在11個(gè)輸入通道或3個(gè)內(nèi)部自測(cè)試（self-test）電壓中任意選擇一個(gè)，采樣-保持是自動(dòng)的。在轉(zhuǎn)換結(jié)束時(shí)，“轉(zhuǎn)換結(jié)束”（EOC）輸出端變高以指示轉(zhuǎn)換的完成。轉(zhuǎn)換器結(jié)合外部輸入的差分高阻抗的基準(zhǔn)電壓，具有簡(jiǎn)化比率轉(zhuǎn)換、刻度以及模擬電路與邏輯電路和電源噪聲隔離的特點(diǎn)。開(kāi)關(guān)電容的設(shè)計(jì)可以使在整個(gè)溫度范圍內(nèi)有較小的轉(zhuǎn)換誤差。 因此，我們選擇方案二。2.3 充電電源的恒流、恒壓電路方案一：采用LM317集成穩(wěn)壓電路作為恒流源輸出時(shí)，電路容易實(shí)現(xiàn)，輸出電流穩(wěn)定，且改變負(fù)載電阻時(shí)電流足夠穩(wěn)定。但作為恒壓源輸出時(shí)不能很好的穩(wěn)壓。電路如圖5所示。 方案二：采用TL431精密可調(diào)式分流調(diào)節(jié)器作為電壓源時(shí)，電路簡(jiǎn)單，實(shí)用方便，能很好的穩(wěn)定電壓，但改變負(fù)載電阻時(shí)電流不足夠穩(wěn)定。而LM317則可以實(shí)現(xiàn)穩(wěn)流。電路如圖6所示。因此，我們選擇方案二，即采用LM317作為恒流源，TL431恒壓源。圖5 LM317恒壓源圖6 TL431恒壓源二、 硬件設(shè)計(jì)1 控制器單元 ATmega16單片機(jī)獲取DS18B20芯片和A/D轉(zhuǎn)換器TLC2543傳輸?shù)臄?shù)據(jù)，將所得數(shù)據(jù)發(fā)送至LCD液晶屏實(shí)時(shí)顯示當(dāng)前溫度、電壓和電流。此外，溫度超過(guò)60度時(shí)，自動(dòng)停止充電，并發(fā)出報(bào)警信號(hào)。單片機(jī)是連接液晶屏和充電電源的樞紐，充分發(fā)揮了單片機(jī)讀寫功能。2 充電電源單元本充電電源將LM317集成的恒流源與TL431成的恒壓源相串聯(lián)，實(shí)現(xiàn)穩(wěn)壓和恒流充電。LM317集成穩(wěn)壓芯片為三端集成電路電壓可調(diào)節(jié)器，電壓在1.2V和37V之間，電流不超過(guò)1.2A，內(nèi)部有短路電流限制和過(guò)熱保護(hù)?？蓪?shí)現(xiàn)電源充電器輸出恒流時(shí)電流100mA（慢充）和200mA（快充）；改變負(fù)載電阻，輸出電流變化的絕對(duì)值3mA；紋波電流1mA。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10V。本機(jī)具有輸出電壓，電流的測(cè)量和數(shù)字顯示功能。3 差分運(yùn)算放大電壓?jiǎn)卧?AD626是一種價(jià)格低廉、真正單電源供電的差分運(yùn)算放大器，也是一種引腳可編程增益儀用放大器，主要用于對(duì)共模電壓源的小差分電壓進(jìn)行放大和低通濾波。AD626既能用單電源供電，也能用雙電源供電，本充電電源使用單電源充電。另外，該放大器輸入端具有保護(hù)措施，免遭高壓（50V）擊穿的損壞。利用AD626芯片的高端電流檢測(cè)功能將精確測(cè)得的電壓數(shù)據(jù)發(fā)送到TLC2543芯片。電路如圖8所示。圖8 AD626原理圖4 模數(shù)轉(zhuǎn)換單元 TLC2543是12位開(kāi)關(guān)電容逐次逼近模數(shù)轉(zhuǎn)換器。有三個(gè)控制輸入端：片選（CS），輸入/輸出時(shí)鐘（I/O CLOCK）以及地址輸入端（DATA INPUT）?？梢酝ㄟ^(guò)一個(gè)串行的3態(tài)輸出端（DATA OUT）與主處理器或其外圍的串行口通訊，將所獲的電壓值和電流值轉(zhuǎn)換成數(shù)字量，輸出轉(zhuǎn)換結(jié)果。電路如圖9所示。圖9 TLC2543電路圖5 溫度采集單元 采用DS18B20芯片采集溫度數(shù)據(jù)，特點(diǎn)是具有獨(dú)特的單線接口，只需要一個(gè)接口即可通信，可采用數(shù)據(jù)線供電。DS18B20芯片有三個(gè)主要數(shù)據(jù)部件：64位激光（LASERED）ROM、溫度靈敏元件、非易性溫度告警觸發(fā)器TH和TL。芯片從單線的通信線取得電源，在信號(hào)源為高電平的時(shí)間周期內(nèi)，把能源儲(chǔ)存在內(nèi)部電源中。另一種選擇方法，也可選擇外接5V電源。其電路圖如圖10所示。圖10 DS18B20芯片6 顯示單元 LCD液晶顯示屏可顯示字母、數(shù)字符號(hào)、中文字型及圖形，具有繪圖及文字畫面混合顯示功能，這里我們采用串行接口。三、 軟件設(shè)計(jì)1 設(shè)計(jì)思路1.1 主程序 LCD液晶屏顯示屏及各個(gè)芯片端口初始化，將所得的電壓值和電流值及溫度數(shù)據(jù)以浮點(diǎn)型數(shù)據(jù)發(fā)送并顯示。如圖11所示。圖11主程序流程1.2 溫度采集 DS18B20單總線數(shù)字溫度芯片采集溫度數(shù)據(jù)，并將9位溫度數(shù)據(jù)發(fā)送到A/D轉(zhuǎn)換器2543，并通過(guò)LCD顯示。操作命令指示其完成溫度的測(cè)量，該測(cè)量的結(jié)果放入DS18B20的高速暫存存貯器，通過(guò)發(fā)出讀暫存存儲(chǔ)器的存儲(chǔ)器內(nèi)部存儲(chǔ)操作命令可以讀出此結(jié)果。每一溫度告警觸發(fā)器TH和TL構(gòu)成的一個(gè)字節(jié)的EEPROM。使用存儲(chǔ)器操作命令可以寫TH和TL。所有數(shù)據(jù)均以最低有效位在前的方式讀寫。如圖12所示。 圖12 溫度采樣流程圖1.3 充電電源程序 LM317集成穩(wěn)壓芯片可組成產(chǎn)生恒定電壓和電流的電路，利用相關(guān)電路的設(shè)置得到恒定電流、穩(wěn)定電壓，又有負(fù)載電阻可進(jìn)行測(cè)試。如圖13。圖13充電電源程序1.4 A/D轉(zhuǎn)換程序 TLC2543 是12位開(kāi)關(guān)電容逐次逼近模數(shù)轉(zhuǎn)換器。有三個(gè)控制輸入端：片選（CS），輸入/輸出時(shí)鐘（I/O CLOCK）以及地址輸入端（DATA INPUT）。本器件可以將所得的模擬量轉(zhuǎn)換成數(shù)制量，并發(fā)送到單片機(jī)。一開(kāi)始，片選（CS）為高，I/O CLOCK和DATA INPUT被禁止以及DATA OUT為高阻抗?fàn)顟B(tài)。CS變低開(kāi)始轉(zhuǎn)換過(guò)程，I/O CLOCK和DATA INPUT使能，并使DATA OUT端脫離高阻抗?fàn)顟B(tài)。輸入/輸出時(shí)鐘系列是加在I/O CLOCK端，以傳送這個(gè)數(shù)據(jù)到輸入數(shù)據(jù)寄存器。 在這個(gè)傳送的同時(shí)， 輸入/輸出時(shí)鐘系列也將前一次轉(zhuǎn)換的結(jié)果從輸出數(shù)據(jù)寄存器移到DATA OUT端。模擬輸入的采樣開(kāi)始于輸入I/O CLOCK的第4個(gè)下降沿而保持則在I/O CLOCK的最后一個(gè)下降沿之后。I/O CLOCK的最后一個(gè)下降沿也使EOC變低并開(kāi)始轉(zhuǎn)換。程序如圖14所示。 圖14A/D轉(zhuǎn)換流程圖 1.5 顯示程序 本設(shè)計(jì)采用LCD進(jìn)行實(shí)時(shí)溫度、電壓值和電流值的顯示。LCD具有包含顯示RAM、字型產(chǎn)生器，都包含在一個(gè)芯片里面，只要一個(gè)最小的微處理系統(tǒng)，就可以方便操作模塊。本設(shè)計(jì)采用了顯示屏的部分功能，美觀實(shí)用。如圖15所示。圖15 LCD顯示設(shè)計(jì)1.6 中斷服務(wù)程序 采用ATmega16單片機(jī)內(nèi)部計(jì)數(shù)器1進(jìn)行計(jì)數(shù)，每隔500ms發(fā)送溫度數(shù)值，并在溢出中斷服務(wù)子程序判斷當(dāng)前溫度是否超過(guò)60攝氏度，若超過(guò)，則啟動(dòng)繼電器將充電電源斷開(kāi)，通過(guò)這個(gè)巧妙的設(shè)計(jì)使得充電時(shí)具有了過(guò)熱保護(hù)功能。四、 系統(tǒng)測(cè)試1 測(cè)試儀器 電壓表、電流表、電阻。2 測(cè)試方法 接通電源，將負(fù)載電阻加載輸出端，將電流表串聯(lián)到支路，將電壓表接到電阻兩端，讀取測(cè)得數(shù)據(jù)如表1，表2，表3所示。3 測(cè)試結(jié)果3.1 輸出恒壓 輸出恒壓，改變電阻，記錄電壓值變化，繪成表格和折線圖，討論電壓變化。經(jīng)測(cè)得電壓值如下表1所示。表1 電壓變化表次數(shù)電壓 電阻6.80013.600027.200054.400019.70009.75009.80009.920029.81009.76009.82009.940039.92009.76009.83009.910049.52009.77009.84009.9400平均值9.73759.76009.82259.9275變化值0.02250.06250.1050平均變化值0.0633圖16電壓變化圖 誤差分析X=1n(Xi-X)可算得X=0.O630.2V誤差在題目發(fā)揮部分要求之內(nèi)。結(jié)論由以上數(shù)據(jù)可分析得出，本充電電源可實(shí)現(xiàn)穩(wěn)壓充電，且電壓波動(dòng)明顯小于0.2V，效果十分明顯，恒壓充電實(shí)驗(yàn)成功。3.2 恒流輸出3.2.1 實(shí)驗(yàn)一電流I= 200mA 改變電阻，記錄電流值變化，繪成表格和折線圖，分析電流變化。經(jīng)測(cè)得電流值如表2所示。表2 電流變化表電阻電流次數(shù)6.8000 13.600027.200054.40001196.2000197.1000198.6000199.70002196.3000197.4000198.6000199.60003196.0000197.3000198.7000199.70004196.1000197.3000198.5000199.8000平均值196.1500197.2750198.6000199.7000變化值1.12501.32501.1000平均變化值1.1833圖17 電壓變化誤差分析 X=1n(Xi-X)可算得X=1.18333mA，誤差范圍在發(fā)揮部分以內(nèi)。結(jié)論 有以上數(shù)據(jù)分析可得，電流值為100mA時(shí)，本充電電源可實(shí)現(xiàn)改變恒流充電，且改變負(fù)載電阻，電流波動(dòng)明顯小于3mA，試驗(yàn)成功。3.2.2 實(shí)驗(yàn)二電流I= 100mA 改變電阻，記錄電流值變化，繪成表格和折線圖，討論電流變化。經(jīng)測(cè)得電流值如下表3所示。表3電流變化數(shù)次流電阻電6.8000 13.600027.200054.400196.100097.100098.400099.7000296.300097.800098.500099.8000396.700097.600098.500099.5000496.800097.400098.400099.3000 平均值96，475097.475098.450099.5750變化值1.00000.97501.1250平均變化值1，0333圖18 電流變化誤差分析 X=1n(Xi-X)可算得X=1.03333mA，誤差范圍在發(fā)揮部分以內(nèi)。結(jié)論 由以上數(shù)據(jù)分析可得，電流值為100mA時(shí)，本充電電源可實(shí)現(xiàn)改變恒流充電，且改變負(fù)載電阻，電流波動(dòng)明顯小于3mA，試驗(yàn)成功。五、 結(jié)束語(yǔ)經(jīng)過(guò)全體隊(duì)員的不懈努力，我們出色地完成了包括發(fā)揮部分在內(nèi)所有的題目要求。本充電電源即可實(shí)現(xiàn)恒流輸出和穩(wěn)壓輸出，且輸出恒流時(shí)，負(fù)載電阻變化，電流波動(dòng)小于3mA；輸出恒壓時(shí)，負(fù)載電阻變化，電壓波動(dòng)小于0.2V?？紤]到充電電源使用安全，本機(jī)又增加了過(guò)熱保護(hù)功能，溫度超過(guò)60，充電電源自動(dòng)斷開(kāi)停止充電；溫度降低至小于60，充電電源開(kāi)始充電，大大增加了可使用性。 在這次比賽中，我們充分發(fā)揮團(tuán)隊(duì)合作精神。我們既分工又合作，一個(gè)負(fù)責(zé)軟件，兩個(gè)負(fù)責(zé)硬件，每人負(fù)責(zé)完自己的部分，又繼續(xù)寫報(bào)告，大大提高了工作效率。當(dāng)調(diào)試過(guò)程中出現(xiàn)問(wèn)題時(shí)，又聚在一起討論，及時(shí)發(fā)現(xiàn)錯(cuò)誤所在，使得工作進(jìn)展順利。我們更深刻地體會(huì)到團(tuán)隊(duì)精神的重要性。我們?cè)诒荣愔凶龅骄媲缶?，在完成基本功能之后，又向發(fā)揮部分進(jìn)發(fā)，最后完成了所有的基本功能和部分發(fā)揮部分，并加入了自己的創(chuàng)新元素。最終出色的完成了本充電電源的制作。參考文獻(xiàn)1AVR單片機(jī)C語(yǔ)言開(kāi)發(fā)入門指導(dǎo) 沈文, Eagle Lee, 詹衛(wèi)前編著 北京：清華大學(xué)出版社，2003 .9.10. 2AVR單片機(jī)C語(yǔ)言開(kāi)發(fā)應(yīng)用實(shí)例：TCP/IP篇 沈文, 黃力岱, 吳宗鋒編著 北京：清華大學(xué)出版1987.9.63AVR單片機(jī)嵌入式系統(tǒng)原理與應(yīng)用實(shí)踐 馬潮編著 北京：北京航空航天大學(xué)出版社，2007.9.14AVR單片機(jī)入門與實(shí)踐 李泓等編著 北京：北京航空航天大學(xué)出版社，2008.8.6 5AVR單片機(jī)應(yīng)用設(shè)計(jì) 李長(zhǎng)林等編著 北京：電子工業(yè)出版社，2005 .7.86AVR單片機(jī)與CPLD/FPGA綜合應(yīng)用入門 黃任編著 北京：北京航空航天大學(xué)出版社，2004.8.87AVR單片機(jī)原理及應(yīng)用 宋建國(guó)主編 北京：北京航空航天大學(xué)出版社，1998 .12.248AVR系列單片機(jī)C語(yǔ)言編程與應(yīng)用實(shí)例 金春林, 邱慧芳, 張皆喜編著 北京：清華大學(xué)出版社，2000.10.8附錄附錄1 元器件明細(xì)表表4 器件明細(xì)表序號(hào)器件名稱型號(hào)數(shù)量備注1單片機(jī)ATmega1612溫度傳感器DS18B2013A/D轉(zhuǎn)換器TLC254314 顯示屏LCD15差分運(yùn)算放大器AD62616恒流電壓電流源LM31727繼電器SRS-02018電阻若干9電容2200uF310散熱片211滑動(dòng)變阻器5k2附錄2 程序清單#include#include#include ds18b20.h #include lcd.h#define uint unsigned int#define uchar unsigned charfloat Volt1,Volt2;float tmp;#define clk2543 (1PA3)#define input2543 (1PA2)#define output2543 (1PA1)#define cs2543 (1PC7)#define input2 (1PA4)#define output2 (1PA5)void TLC2543Init() DDRA |= input2543|clk2543; DDRA &= output2543; DDRC |= cs2543; PORTA &= clk2543 ; PORTC |= cs2543; unsigned int Read2543( unsigned char x ) unsigned char a = 0; unsigned int i ;unsigned int y = 0 ;PORTC &= cs2543;for( i = 0 ; i 12 ; i +) y = 1 ; if( PINA & 0x02 ) /*OUTPUT*/ y |= 0x01 ; if(x & 0x80)