簡易數(shù)控充電電源VFE甲XX

1、參賽題目：簡易數(shù)控充電電源（E題）編號(hào)：E甲13XX參賽學(xué)校：山東理工大學(xué)參賽隊(duì)員： 指導(dǎo)教師： 簡易數(shù)控充電電源（E題）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，控制恒流源。使用鍵盤控制輸入值，并通過液晶顯示。通過對(duì)測試點(diǎn)的檢測可以判斷系統(tǒng)得工作狀態(tài)，并具有上、下位機(jī)通訊及聯(lián)網(wǎng)功能。本系統(tǒng)還附帶有環(huán)境溫度的檢測的功能。關(guān)鍵詞：MFS430；V/F轉(zhuǎn)換器；LCD液晶顯示；穩(wěn)流電路 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 系統(tǒng)設(shè)計(jì)要求設(shè)計(jì)并制作簡易數(shù)控充電電源。輸入交流200240V，50Hz；輸出：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)。其原理示意圖如下所示。電壓、電流等檢測負(fù)載充電電源控制器鍵盤圖1：原理示意圖基本要求（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。（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2。（3）具有輸出電壓、電流的測量和數(shù)字顯示功能。 發(fā)揮部分（1）輸出

4、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。（2）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1。（3）具有過熱（60°）保護(hù)功能，降溫后自動(dòng)恢復(fù)工作。（4）其它。1、方案論證1.1 主控芯片 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。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，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)

5、計(jì)理念。通過比較，本系統(tǒng)采用此方案二，選擇MSP430作主控芯片。1.2、模數(shù)轉(zhuǎn)換方案一、使用標(biāo)準(zhǔn)高頻時(shí)鐘脈沖來測定反向積分所花費(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。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。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。由于其采用外部時(shí)

6、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。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。1.3、顯示方案一、采用LED數(shù)碼管，其體積小，壽命長，響應(yīng)時(shí)間快，亮度高，能簡單的顯示數(shù)字，效果比較好，但是顯示單一，只可以顯示一個(gè)數(shù)值，多用于定點(diǎn)檢測。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，漢字工作電壓低，耗能少。通過分析比較，我們選擇LCD作為顯示器件。1.4、穩(wěn)流電路方案一、串聯(lián)式穩(wěn)流電路，其原理圖如下圖中Rq為取樣電阻，T的輸出電流Io的變化量Io反映在Rq上壓降的變化量V上，V送入比較放大器中放大后用以控制調(diào)整管T

7、的壓降，以保持Io穩(wěn)定。 圖1：串聯(lián)式穩(wěn)流電路原理圖方案二、并聯(lián)式穩(wěn)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。圖2：并聯(lián)式穩(wěn)流電路原理圖方案三、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。此種方法電路簡單，穩(wěn)定性效果比前兩個(gè)方案好。通過分析比較，選擇方案三，采用雙運(yùn)放來實(shí)現(xiàn)穩(wěn)流電路。2、總體設(shè)計(jì)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3所示。鍵盤液晶顯示液晶驅(qū)動(dòng)接口74HC

8、 245MSP430F1222基本系統(tǒng)F/V轉(zhuǎn)換控制穩(wěn)流電路電源系統(tǒng)電流采樣V/F轉(zhuǎn)換輸入輸出串行通信模塊串口通信圖3：系統(tǒng)結(jié)構(gòu)框圖3、硬件電路設(shè)計(jì)與理論計(jì)算3.1、V/F變換器及其模數(shù)轉(zhuǎn)換原理 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。圖4：V/F轉(zhuǎn)換電路原理圖圖中U1A和RC組成一個(gè)積分器，U2A是零電壓比較器。恒流源和模擬開關(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

9、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。圖5：波形圖圖中矩形脈沖寬度為tos。 所以輸出功率為：依次得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。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V/F轉(zhuǎn)換頻率計(jì)數(shù)TABA BUS電源定時(shí)器基準(zhǔn)頻率圖6：V/F

10、轉(zhuǎn)換原理圖同時(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： D為計(jì)數(shù)值；T 為計(jì)數(shù)時(shí)間 而 Ds是計(jì)數(shù)器計(jì)數(shù)初值；fs基準(zhǔn)頻率 因此 從而 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。3.2、V/F轉(zhuǎn)換電路 輸入的電壓經(jīng)過射隨器UD1A從LM3317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51K

11、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。圖7：V/F轉(zhuǎn)換電路圖3.3、F/V轉(zhuǎn)換電路從單片機(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，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

12、所示。圖8：F/V轉(zhuǎn)換電路圖3.4、主控單元及LCD液晶顯示模塊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。圖9：系統(tǒng)主控及LCD電路原理圖3.5、電源電路 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。圖10：電源模塊原理圖3.6、串行通信口電路串行通信接口實(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指示燈可以指示數(shù)據(jù)

13、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。圖11：串口通信模塊電路原理圖3.7、按鍵連接電路圖12：按鍵連接電路3.8、溫度測量 本系統(tǒng)附帶有環(huán)境溫度檢測功能，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量，本系統(tǒng)用該溫度傳感器作為溫度的測量，測試所得溫度值通過液晶顯示器顯示。4、測量控制軟件設(shè)計(jì)4.1、系統(tǒng)模塊圖 通 信LCD顯示按鍵處理模塊溫度控制模塊頻率測量模塊脈寬調(diào)制模塊初始化模塊下 位 機(jī)RTOS模塊 圖13：控制軟件框圖4.2、程序流程圖減1鍵？系統(tǒng)初始化內(nèi)部功能模塊設(shè)置：包括定時(shí)器、并行I/O模塊、A/D轉(zhuǎn)換模塊、系統(tǒng)時(shí)鐘模塊設(shè)置、關(guān)閉所有輸出

14、 顯示開機(jī)界面（延時(shí)大約15秒）顯示測試界面開中斷按鍵掃描是否有鍵按下?加1鍵？設(shè)置選擇鍵？當(dāng)前是否處在設(shè)置裝態(tài)?指向設(shè)置位并加1當(dāng)前是否處在設(shè)置裝態(tài)?指向設(shè)置位并減1設(shè)置參數(shù)的個(gè)位加1設(shè)置參數(shù)的個(gè)位減1 Y N Y Y N N N Y設(shè)置千位？千位閃爍并進(jìn)入設(shè)置狀態(tài) Y N設(shè)置百位設(shè)置十位設(shè)置個(gè)位 圖14：主程序流程框圖電流采樣中斷服務(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。4.3、V/F采樣中斷服務(wù)程序現(xiàn) 場 保 護(hù)V/F計(jì)數(shù)單元加1恢 復(fù) 現(xiàn) 場從 中 斷 返 回圖15：V/F采樣

15、中斷服務(wù)程序4.4、定時(shí)器中斷服務(wù)程序現(xiàn) 場 保 護(hù)取出V/F計(jì)數(shù)值過載？將測試值轉(zhuǎn)換成顯示字符送LCD恢 復(fù) 現(xiàn) 場從 中 斷 返 回圖16：定時(shí)中斷服務(wù)程序流程框圖5、測試方法與結(jié)果分析51 測試儀表萬用電表52 測試方法5.3 測試數(shù)據(jù)及測試結(jié)果分析u 測試條件 按照題目給定的尺寸，在實(shí)驗(yàn)室自做場地，白天和晚上分別測試。測試數(shù)據(jù) 測試結(jié)果如下：表1：測試結(jié)果分析表 電流序號(hào) 設(shè)定值I(mA)測試值I(mA)絕對(duì)誤差I(lǐng)（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誤差平均值為 0.5861。6、設(shè)計(jì)總結(jié) 本系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)了數(shù)字直流電流源的各項(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。 參考文獻(xiàn)：1