E甲1304簡易數(shù)控充電電源(PWM)

1、2008山東省大學生電子設計大賽設計題目 : 簡易數(shù)控充電電源（e題）【本科組】編號： e 甲 13 04 參賽隊員：指導教師：參賽學校：2008 年 9 月1 摘要本系統(tǒng)采用了msp430 做主控芯片，實現(xiàn)數(shù)控充電電源。輸入交流200240v，50hz；輸出：當負載電壓小于10v 時為恒流充電狀態(tài)，當負載電壓為10v 時為恒壓充電狀態(tài)。用單片機片內(nèi)a/d 進行數(shù)模轉換，使用pmw 轉換成電壓值，再通過穩(wěn)流電路形成恒定的電流。具有功能較為齊全，操作使用方便、電流穩(wěn)定度高的優(yōu)點。系統(tǒng)使用鍵盤輸入，采用液晶進行漢字顯示。系統(tǒng)同時具有過熱保護和過流保護，通過對測試點的檢測可以判斷系統(tǒng)得工作狀態(tài)。 系

2、統(tǒng)設有通信接口可實現(xiàn)上下位機通信和聯(lián)網(wǎng)功能。本系統(tǒng)還附帶有環(huán)境溫度的測試的功能。關鍵字 ：msp430單片機， pmw ，充電電源1、系統(tǒng)簡介1 1 系統(tǒng)設計要求設計并制作簡易數(shù)控充電電源。輸入交流200240v，50hz；輸出：當負載電壓小于10v時為恒流充電狀態(tài)，當負載電壓為10v時為恒壓充電狀態(tài)。其原理示意圖如下所示。圖 1：原理示意圖基本要求（1）輸出恒流時：電流100ma （慢充）和200ma （快充）可設置；改變負載電阻，要求輸出電流變化的絕對值5ma ；紋波電流2ma 。（2）輸出恒壓時，改變負載電阻，輸出電壓波動小于0.5v ；輸出紋波電壓小于2。（3）具有輸出電壓、電流的測量

3、和數(shù)字顯示功能。發(fā)揮部分（1）輸出恒流時：改變負載電阻， 要求輸出電流變化的絕對值3ma ；紋波電流 1ma 。（2）輸出恒壓時：改變負載電阻，輸出電壓波動小于0.2v；輸出紋波電壓小于1。（3）具有過熱（60）保護功能，降溫后自動恢復工作。（4）其它。2、設計方案論證21 主控芯片選擇方案一、采用mc-51 單片機，內(nèi)部無信息存儲器，無波特率微調(diào)器。特別對外擴展內(nèi)鍵盤控制器充電電源負載電壓、電流等檢測顯示2 存非常方便，但內(nèi)存集成外設少，驅動能力差，體積較大，耗能多。方案二、 msp430 是 16 位單片機，在1.8-3.6v 電壓、 1mhz 的時鐘條件下運行，具有16 個中斷源，運算速

4、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，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)的復雜度，而且它使用電池作電源，體積小，耗能少，驅動能力也比較強，系統(tǒng)工作比較穩(wěn)定。比較符合當今綠色節(jié)能的設計理念。根據(jù)比較，我們選擇方案二，選擇msp430 單片機作主控芯片。2.2、模數(shù)轉換方案方案一、使用標準高頻時鐘脈沖來測定反向積分所花費的時間來得到輸出電壓的數(shù)字量，依次來實現(xiàn)a/d 轉換。它的精度高，干擾少，但運算速度比較慢。方案二、使用v/f 變換器來實現(xiàn)a/d 轉換。 v/f 變換器屬于模擬傳感器，雖然電路簡單體積小，但是受材料、器件的限制，仍只能輸出低幅值的模擬信號，而且輸出

5、幅值小，靈敏度低，不能與數(shù)字計算機直接通訊。方案三、利用逐次逼近的方法來實現(xiàn)a/d 轉換。其用d/a 轉換器的輸出電壓來驅動運算放大器的反向端，再用一個逐次逼近寄存器存放轉換好的數(shù)字量，轉換結束時將數(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，但速度慢。通過分析比較，采用片內(nèi)a/d 實現(xiàn)模數(shù)轉化。2.3、數(shù)模轉換方案方案一、 d/a 轉換。通過d/a 轉換芯片實現(xiàn)數(shù)字量到模擬量的轉換，電路簡單，但這種方案需要高精度的d/a 轉換芯片。方案二、 f/v 轉換。單片機輸出脈沖信號，經(jīng)轉換電路變成電壓信號輸出。方案三、脈沖寬度調(diào)制（pwm ）技術。 pwm 控制方式廣泛應用于各種控制系統(tǒng)中，

6、但對脈沖寬度的調(diào)節(jié)傳統(tǒng)方案一般采用硬件來實現(xiàn)，如使用 pwm 控制器或在系統(tǒng)中增加pwm 電路pwm 等，成本高，響應速度慢，而且pwm 控制器與系統(tǒng)之間存在兼容問題。本系統(tǒng)采用軟件方式實現(xiàn)脈寬調(diào)制。其特點是線性度高，可控性好，可靠性高，成本低，電路簡單，便于實現(xiàn)。根據(jù)分析比較，我們選擇了方案三，采用脈沖寬度調(diào)制（pwm ）技術進行模數(shù)轉換。2.4、顯示器件選擇方案一、采用led 數(shù)碼管，其體積小，壽命長，響應時間快，亮度高，能簡單的顯示數(shù)字；但是顯示單一，只可以顯示數(shù)值，多用于定點檢測。方案二、采用lcd 點陣形式，響應時間較led 慢，顯示內(nèi)容豐富，顯示界面友好，功耗低。通過分析比較，我們

7、選擇lcd 液晶模塊作為顯示器件。2.5、穩(wěn)流電路方案方案一、串聯(lián)式穩(wěn)流電路，其原理圖如圖1 所示：圖中 rq 為取樣電阻， t 的輸出電流io 的變化量 i o 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的壓降，以保持io 穩(wěn)定。3 錯誤 !567brlrqtvccvref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)定基準電壓，在rl 上獲得穩(wěn)定電流。rwlm371vcciovrefir1圖 2：并聯(lián)式穩(wěn)流電路原理圖方案三、 使用雙運放來實現(xiàn)穩(wěn)流電路，前一

8、運放為電壓跟隨器，后一運放組成反饋電路來進一步穩(wěn)定路。此種方法電路簡單，穩(wěn)定性效果比前兩個方案好。通過分析比較，選擇方案三，采用雙運放來實現(xiàn)穩(wěn)流電路。26 總體設計方案本系統(tǒng)使用鍵盤控制輸入，使用lcd 顯示， msp430 為主控制芯片。穩(wěn)流電路使用雙運放，模數(shù)轉換使用pwm 方案。系統(tǒng)框圖如下4 圖 3：系統(tǒng)原理框圖3、pwm 調(diào)控原理及實現(xiàn)pwm 控制技術以其控制簡單、靈活和動態(tài)響應好的優(yōu)點而成為電力電子技術最廣泛應用的控制方式， 也是人們研究的熱點。 由于當今科學技術的發(fā)展已經(jīng)沒有了學科之間的界限，結合現(xiàn)代控制理論思想或實現(xiàn)無諧振軟開關技術將會成為pwm 控制技術發(fā)展的主要方向之一。p

9、wm 控制方式廣泛應用于各種控制系統(tǒng)中，但對脈沖寬度的調(diào)節(jié)一般采用硬件來實現(xiàn)。如果使用 pwm 控制器或在系統(tǒng)中增加pwm電路等， 成本高， 響應速度慢， 而且 pwm 控制器與系統(tǒng)之間存在兼容問題。由于微機技術的發(fā)展使得用軟件生成spwm 波形變得比較容易， 因此，軟件生成法也就應運而生。軟件生成法其實就是用軟件來實現(xiàn)調(diào)制的方法。本系統(tǒng)利用ti公司生產(chǎn)的新型單片機msp430f1232 內(nèi)的定時器 ta，可以用時間量進行電流采樣以及實現(xiàn)pwm 電流調(diào)節(jié)。為了可在使用少量外圍電路的情況下實現(xiàn)系統(tǒng)的高精度測量和控制，一方面用時間量采樣，在省去 1片a/d 的情況下得到 12 位的高精度； 另一方

10、面在定時中斷內(nèi)完全用軟件實現(xiàn)pwm調(diào)節(jié) , 以易于進行數(shù)據(jù)的通信和顯示。該系統(tǒng)在中斷內(nèi)可以解決波形產(chǎn)生的實時在線計算和計算精度問題， 可精確實時地計算設定頻率下的脈沖寬度。msp系列的單片機msp430f1232 在超低功耗和功能集成上都有一定的特色，可大大減小外圍電路的復雜性。它的實時處理能力及各種外圍模塊使其可應用在多個低功耗領域。31、pwm信號生成原理利用 msp430單片機中的 16位定時器產(chǎn)生脈沖信號。msp430中通用 16 位定時器 ta ，有如下主要功能模塊：（1）一個可連續(xù)遞增計數(shù)至預定值并返回0 的計數(shù)器。（2）軟件可選擇時鐘源。（3）5個捕獲比較寄存器，每個有獨立的捕獲

11、事件。（4）5 個輸出模塊，支持脈寬調(diào)制的需要。負載lcd pc msp430 f1222 基本系統(tǒng)恒壓源選擇開關a/d 通信鍵盤pwm 控制恒流源5 定時器控制寄存器tactl 的各位可控制ta 的配置，并定義4 位定時器的基本操作?？蛇x擇原始頻率或分頻后的輸入時鐘源及4 種工作模式，另外還有清除功能和溢出中斷控制位。 5 個捕獲比較寄存器ccrx 的操作相同，它們通過各自的控制寄存器cctlx 進行配置。單片機 msp 430f1232 中用于測量和控制電流的主要i/o 口有：（1）p1.0 輸出 50hz 方波，用于產(chǎn)生三角波。（2）p1.2 驅動電流源控制執(zhí)行元件，2khz 方波 pw

12、m 輸出。（3）p2.0 脈寬捕捉。單片機端口的中斷設置。系統(tǒng)的50hz方波輸出、 pwm 輸出和輸入捕捉都是由定時中斷來實現(xiàn)。這 3 個中斷分別由 p0、p1、p2 和i/o 口的外圍模塊引起，屬于外部可屏蔽中斷。初始化時對這3 個 i/o 口進行中斷設置， 并對 ta控制寄存器 tactl 設置，包括輸入信號 2 分頻、選用輔助時鐘 aclk 等。當定義完捕獲比較寄存器后，重新賦值tactl 啟動定時器，開始連續(xù)遞增計數(shù)。將捕獲 /比較寄存器 ccr0和ccr1定義為比較模式，它們的輸出單元out0和out1分別對應單片機引腳p1.0(ta0) 、p1.2(ta1) 。進入比較模式后，如果

13、定時器ccrx的計數(shù)值等于比較寄存器中的值, 則比較信號 equx輸出到輸出單元outx 中，同時根據(jù)選定的模式對信號置位， equ0復位或翻轉。 其中，設置 out0 將p1.0信號翻轉， 信號時鐘與定時器時鐘同步，這樣就可以在p1.0引腳上得到 50hz的方波信號。根據(jù)設定的pwm 復位 /置位模式 , 若ccr1 計數(shù)器溢出 , 則equ1將out1復位； 若ccr0計數(shù)器溢出， 則equ0將out1置位。 利用 ccr0 和ccr1計數(shù)起始點的差值, 實現(xiàn)占空比的變化，從而在p1.2上完成 pwm 輸出。系統(tǒng)對占空比的調(diào)節(jié)是通過改變ccr1的基數(shù)來實現(xiàn)的。定時器時鐘為20hz ，ccr

14、1、ccr0的計數(shù)值為1000時，可獲得 2khz 的pwm 輸出頻率。32、pwm 變換器及其數(shù)模轉換原理pwm 信號是一種具有固定周期（t）不定占空比（）的數(shù)字信號。如果pwm 信號的占空比隨時間變化，那么通過濾波之后的輸出信號將是幅度變化的模擬信號。因此通過控制pwm信號的占空比， 就可以產(chǎn)生不同的模擬信號。在 msp430f449 中就是采用ccr0來控制周期t，而用與定時器對應的ccrx寄存器來控制可變占空比，進而實現(xiàn)d/a 轉換。1 0u10u1 0unpn+9v-9v567bl m35 832184al m35 8+18 v5 1k51k1 0k2 00rfz5210u10kp3

15、7圖 4：采用 pwm 控制穩(wěn)流源電路原理框圖6 4、系統(tǒng)硬件設計41、系統(tǒng)主控及 lcd液晶顯示電路t est1vcc2p2.5/rosc3vss4xout5xin6rst /nmi7p2.0/acl k/a08p2.1/incl k/a19p2.2/t a0/a210p3.0/st e0/a511p3.1/simo012p3.2/somi013p3.3/ucl k014p3.4/ut xd015p3.5/urxd016p3.6/a617p3.7/a718p2.3/t a1/a3 /vre f-19p2.4/t a2/a4 /vre f+20p1.0/t acl k/adc1 0cl k21

16、p1.1/t a022p1.2/t a123p1.3/t a224p1.4/smcl k/t ck25p1. 5/t a0/t ms26p1.6/t a1/t di27p1.7/t a2/t do/t di28u1msp430f12221234567891011121314151617181920lcdpa0pa2pa4pa6p30pa1pa3pa5pa7p33(busy)(re set )cx130pfcx230pfxt 14mhz3.3vp30p32p33p3134u8 b74hc1412u8 a74hc1 4p37p36p17p16p15p14p13p12p11p10a02a13a24a

17、35a46a57a68a79b018b117b216b315b414b513b612b711e19dir1u274hc245p17p16p15p14p13p12p11p10pa7pa6pa5pa4pa3pa2pa1pa0cr10. 1uf3.3vvcc1p2567p20p21p22p24p23p35p345rl cd10k-2 0kvccrl c210kre qcu133u1k100k圖 5：系統(tǒng)主控及l(fā)cd 電路原理圖42、串行通信口電路串口通信模塊采用分立元件電路實現(xiàn)單片機和微型機之間的電平轉化。txd指示燈可以指示數(shù)據(jù)發(fā)送狀態(tài)。通過rxd 指示燈可以檢驗通信電纜接線是否正確。a1k2c3

18、e4urs1opt oiso11122t xd1122rxdrrs222rrs51 00rrs12 krrs35. 1krrs42kcrs12 053. 3vvccaakkdrs1b2c3e1qrs1npn123jrs1p35p34圖 6：串口通信模塊電路原理圖43、電源模塊為了使系統(tǒng)正常高效的運行，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 pwm 模塊供電。7 p36vin3adj1+vout2up1l m317tvin1gnd2+5v3up2mc7805tcp4104cp2104cp6104cp1220u/10

19、vcp510ucp310urp12203. 3vvccdp1rp2330vin1rp53k1122pow er1234cp4104cp310u18vvin1gnd2+9v3mc7809dp1dp1cp4104cp5104cp6104cp7104vin1gnd2-9v3mc7809_2+9v-9vcp310ucp410ucp510ucp610urp310krp42kvinvinb2c3e1qrs1npnp20vin3adj1+vout2up1l m317tcp2104cp1220u/10vrp1rp2cp4104cp310u10v圖 7：電源模塊原理圖44、按鍵連接電路p21p20rk01 0k

20、rk11 0k3. 3vp22rk21 0k圖 8：按鍵連接電路45、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 通道是對片內(nèi)溫度二極管的輸出的測量。系統(tǒng)中， 就是用該溫度傳感器作為溫度的測量。使用鍵盤來設定報警溫度值，當實時溫度超出設定的報警值時，輸出報警，由p2.5 輸出通過三極管驅動揚聲器。5、 系統(tǒng)軟件設計流程圖？功能模塊如圖 5 所示。充電電源設計初始化模塊鍵盤處理模塊l c d 顯示電壓電流檢測溫度檢測通信模塊8 圖 5-1：軟件框圖基本要求部分模塊功能：（1）初始化模塊：包括各個端口的設置，時鐘源的選擇及設置，顯示緩沖區(qū)的初始化，各個中斷的設

21、置以及設置各個標志位的初始值等。（ 2）鍵盤處理模塊：主程序中對按鍵進行不斷地掃描，若有按鍵按下并經(jīng)過延時去抖動之后，轉入按鍵處理子程序。在按鍵處理子程序中，確定鍵值。（ 3） lcd顯示模塊：該模塊顯示被測電壓、a/d轉換結果、溫度、時間等，并給出漢字提示。其他發(fā)揮部分模塊功能：（1）通信模塊：實現(xiàn)雙機通信。（2）溫度監(jiān)測模塊（3）電子時鐘模塊。以下給出主要的程序流程圖。51 主程序流程圖圖 5-2：主程序流程框圖52、定時器中斷服務程序系統(tǒng)初始化顯示緩沖區(qū)初始化開中斷進入測試界面掃描按鍵i/o 模塊設置a/d 轉換模塊設置執(zhí)行顯示程序現(xiàn) 場 保 護取出 v/f 計數(shù)值9 圖 5-3：定時中

22、斷服務程序流程框圖53 pwm模數(shù)轉換模塊以比較器作為主要測試器件，采用改進的逐次逼近的對分試探法對被測模擬量進行測試。試探測試量的脈沖輸入是由定時器ta的pwm 輸出模式產(chǎn)生。系統(tǒng)初始化增大高電平寬度減小高電平寬度調(diào)用lcd顯示子程序ny檢測p2.4 為高電平 ?設置pwm高電平占空比設置ta為pwm輸出模式開始圖 5-4 pwm 模數(shù)轉換流程圖恢 復 現(xiàn) 場將測試值轉換成顯示字符送lcd 過載？從 中 斷 返 回關閉輸出y n 10 54 lcd 顯示子程序開始端口初始化清屏、lcd初始化選通信號req置0忙信號busy空閑嗎？發(fā)送數(shù)據(jù)選通信號req 置1，請求lcd處理數(shù)據(jù)忙信號busy

23、空閑？選通信號req置0返回ynyn圖 5-5： lcd 顯示子程序6、 測試方法與結果分析61 測試儀表萬用電表， 高精度電流表62 測試方法輸出電流可用高精度電流表測量；如果沒有高精度電流表，可在采樣電阻上測量電壓換算成電流；紋波電流的測量可用低頻毫伏表測量輸出紋波電壓，換算成紋波電流。6.3 測試數(shù)據(jù)及測試結果分析測試條件按照題目要求進行恒流和恒壓測試。11 測試數(shù)據(jù)表 1：恒流源負載測試數(shù)據(jù)表電流編號設定值 (ma) 測試值 (ma) 絕對誤差（ ma）1 10 10.08 0.010 2 14 13.35 0.009 3 27 27.36 0.038 4 50 48.65 0.051 5 120 118.95 0.096 6 135 137.23 0.122 7 142 143.34 0.123 8 197 196.42 0.979 9 202 203