劉斌濤-簡易數(shù)控充電電源

1、簡易數(shù)控充電電源B5B3C12C10A14A12A10A8C8GND; 參賽學校：青島理工大學 參賽隊員：劉斌濤 秦代平 段春輝指導老師：李虹 朱文杰 林旭梅 丁新平摘 要：系統(tǒng)是以單片機AT89C52為控制器設計的簡易數(shù)控充電電源，其中包括A/D轉(zhuǎn)換模塊，D/A轉(zhuǎn)換模塊，LCD顯示模塊，以及恒流、恒壓輸出電路。系統(tǒng)的中心設計思想是單片機對電流值預置，經(jīng)D/A轉(zhuǎn)換控制恒流恒壓模塊輸出電流，實際輸出電流經(jīng)A/D采樣，轉(zhuǎn)換送至單片機處理控制輸出，構成閉環(huán)控制。負載電壓小于10V時系統(tǒng)能夠?qū)崿F(xiàn)恒流輸出，有100 mA或200mA兩檔可選，當負載電壓為10V時改為恒壓輸出。 關鍵字： AT89C52單

2、片機 A/D D/A 恒流 恒壓Abstract: The system use AT89C52 as the central controller, including a total of A / D(ADCICL7135) converter module, D / A(AD7541) converter module, LCD module, constant voltage and constant current output circuit. The center idea of the system design is that the MCU control the outp

3、ut current . the output current is sampled by the A/D and sent to the MCU that control the output, using a closed-loop control. The system can output current whose value is 100 mA or 200 mA optional. When the load voltage is 10 V, the output is changed to constant voltage to charge the load .Keyword

4、s: AT89C52MCU A/D D/A Constant current Constant voltage 一、方案設計、論證與比較1.控制部分 方案一：采用中小規(guī)模集成電路構成的控制電路。 方案二：采用可編程邏輯器件或ARM等32位高端機構成的控制器。方案三：采用以單片機為核心的控制器最小系統(tǒng)。 比較：方案一外圍器件較多，實現(xiàn)較復雜，容易出故障，方案二價格較貴，而方案三具有價格便宜，容易掌握，可靠性高的等特點，所以采用方案三，即采用AT89C52為控制器。 最小系統(tǒng)原理框圖見附圖1-12. 恒流電路方案一:由三端可調(diào)式集成穩(wěn)壓器構成的恒流源以LM317為例，其最大輸出電流為1.5A，輸出

5、電壓1.2V25V。3端與1端之間固定壓降為1.25V，流經(jīng)固定電阻后產(chǎn)生恒定電流。原理圖1-2如右： 圖1-2 三端穩(wěn)壓可調(diào)恒流源此方案優(yōu)點是電路簡單實現(xiàn)較容易，但精度稍微差一點，適合工業(yè)級要求。未采用此方案。 方案二: 采用場效應管壓控電流源利用場效應管的恒流特性，單片機控制D/A輸出設定值，通過電流反饋自調(diào)整，反饋信號與設定值比較，根據(jù)兩者的偏差調(diào)整輸出電壓，控制IRF640的導通。此方法實現(xiàn)容易，精度很高。該電路可以提供高達1A的電流值，能很好的滿足需要，而且電路簡單容易實現(xiàn)。所以采用此方案。原理圖見圖1-3 3. 恒壓電路 方案一：恒壓電路采用三端可調(diào)穩(wěn)壓器單獨提供10V電壓，當恒流

6、充電電壓等于10V時，通過繼電器切換，實現(xiàn)恒壓充電。此方案所需硬件較多，但實現(xiàn)較簡單，在實際應用中，從恒壓到恒流切換時，軟件實現(xiàn)較麻煩，所以沒有采用此方案。電路圖見附圖1-4方案二：采用電壓串聯(lián)負反饋機理構成恒壓源，它由高精度穩(wěn)壓器MC1403，高精度運算放大器OP07和調(diào)整管等組成。1403為運放OP07提供參考電壓，輸出電壓反饋送至OP07負參考端，比較后控制調(diào)整管，可以實現(xiàn)電壓穩(wěn)定輸出。此方案經(jīng)過試驗證明，穩(wěn)定性非常好，可以實現(xiàn)負載變化范圍很大的要求，因此采用此方案。原理圖見圖1-5圖1-5 恒壓電路 圖1-3 恒流電路 4. A/D采集電路 方案一: ADC0809是常用的8位A/D轉(zhuǎn)

7、換器，屬逐次逼近型，ADC0809由單一+5V供電，可對0 +5V的8路模擬電壓信號分時進行轉(zhuǎn)換，完成一次轉(zhuǎn)換約需100s，所以速度較快，但是ADC0809芯片分辨率低，精度不夠，不能滿足本系統(tǒng)要求，不予采用。 方案二: ICL7135-BCD碼輸出、積分型A/D。其特點是：精度高、極性自動轉(zhuǎn)換輸出、自動校零、動態(tài)BCD碼輸出、對周期變化的干擾信號積分為零，抗干擾性能也比較好。在同等精度的情況下，其價格低于逐次逼近式A/D轉(zhuǎn)換器。本設計采用控制精度較高的ICL7135進行電流、電壓采樣。5. D/A轉(zhuǎn)換電路方案一:搭建模擬電路分壓，控制場效應管的通斷，此方法硬件簡單實現(xiàn)可靠，但通過實際測量溫漂

8、比較大，而且不能實現(xiàn)單片機控制調(diào)整。此方案不于考慮。 原理見附圖1-6方案二:選用一片12位的AD7541A轉(zhuǎn)換器芯片。此芯片轉(zhuǎn)換精度高，長期運行低漂移，雙極性輸入，具有較強的抗共模干擾能力，能很好的滿足題目要求，而且可以根據(jù)實際需要，擴展輸出功能，在負載電壓小于10V時，可預設0500mA任意值，方便系統(tǒng)升級。所以采用此方案。二系統(tǒng)實現(xiàn)方框圖、理論分析計算及特色設計1.系統(tǒng)實現(xiàn)方框圖本系統(tǒng)由單片機數(shù)據(jù)處理模塊、A/D數(shù)據(jù)采集模塊、D/A輸出模塊、恒流恒壓源模塊及鍵盤和顯示模塊(LCD)等幾部分組成。其中單片機最小系統(tǒng)實現(xiàn)了主要的數(shù)控功能，是本控制電路的核心，由它來控制輸出電流值?？刂齐娐纷鳛?/p>

9、采樣信號和控制信號傳輸通道，分別應用ADC7135和AD7541A來實現(xiàn)。如圖2-1所示：控制器顯示器鍵盤電源采樣輸入電壓電流源控制輸出負載 圖2-1 系統(tǒng)框圖2.理論分析、計算1.電流采樣采樣電阻用低溫漂康銅電阻，單片機設定電壓值為0.02V，經(jīng)D/A轉(zhuǎn)換器輸出的控制端加在運算放大器正輸入端，采樣值經(jīng)反饋加在運算放大器的負輸入端， 設定電流值 I=100mA 根據(jù)運放特性：電流采樣電壓U=0.02V 采樣電阻 R= U/ I=0.2 實際應用當中很難精確測得0.2的電阻，應在軟件 圖2-2 電流電壓采樣 部分進行修正，使輸出誤差達到0.1% 。 當電流值 I=200mA 電壓設定值為0.04

10、伏。 2.負載電壓采樣 采用電壓跟隨器減小負載干擾，電壓跟隨器輸出端經(jīng)分壓送至A/D轉(zhuǎn)換器，單片機內(nèi)運算負載電壓減去采樣電流電壓，為負載兩端實際壓降，此壓降很精確。用于顯示，比較。3.主電路設計恒流恒壓源電路是實現(xiàn)設計要求輸出電流值的最主要電路，由它實現(xiàn)恒定電流電壓的變化輸出。高精度穩(wěn)壓管1403輸出穩(wěn)定2.5V作為高精度低功耗OP07正端參考電壓，OP07負端接入負載采樣電壓，經(jīng)運算放大控制調(diào)整管TIP47，使輸出電壓穩(wěn)定在10V。DA轉(zhuǎn)換器輸出經(jīng)放大器反相，濾波電路濾波，（根據(jù)試驗總結，此處加濾波電路濾波，能有效消除負載紋波，電路輸出更穩(wěn)定。）送至另一OP07正相輸入端，負載電流采樣，轉(zhuǎn)換

11、為電壓值送至OP07負相輸入端，比較輸出控制場效應管IRF640，使輸出電流穩(wěn)定在設定值。 當負載電壓大于供電電壓10V時，電流自動下降，負載電壓就是供電電壓10V，很好的實現(xiàn)了題目要求，當負載電壓小于10V時為恒流充電狀態(tài)，當負載電壓為是10V時為恒壓充電狀態(tài)。原理圖見2-3如下圖2-3 恒壓、恒流電路以設定電流值I=200mA為例，當負載電阻小于50時，電流為恒流200mA充電，當負載電阻增大，大于50時，負載電壓就會等于10V，這時電流會自動下降，改為恒壓10V充電。負載重新變小小于50時，系統(tǒng)又自動改為恒流充電。三硬件電路設計1. 電源供電電路本板需外接一個AC220/15V的變壓器，

12、變壓器的二次側通過整流濾波后輸入CW7812、CW7912便可得到+12v電壓，+12V電壓輸入CW7805得到+5V電壓，此電壓做最小系統(tǒng)的電源，+5V電壓經(jīng)ICL7660得到-5V電壓，作為所需-5V電壓器件的電源。原理圖見附圖3-12.小系統(tǒng)版最小系統(tǒng)板以AT89C52單片機為內(nèi)核， 并且具有良好的擴展性。CPU接有12MHZ的晶振，74LS373鎖存電路，74LS138譯碼電路以及顯示器件、ADC7135、DAC7541電路板插槽接口。原理圖見附圖3-23.ADCICL7135信號采集電路本電路由一個小型集成電路來實現(xiàn)，4051的9、10管腳接地，用80C51的P2.4、P2.5、P2

13、.6接11、10、9管腳來選通X0或X1采樣電壓或電流信號，采樣后的信號經(jīng)過OP07送到ICL7135進行處理（在這里選用精度稍高的OP07），將處理后信號直接送到單片機最小系統(tǒng)。ICL7135量程為0-2V，基準電壓VREF由MC1403輸出（2.5V）分壓獲得1V電壓。它的BCD碼位選通輸出端D1-D4接在HC240上用于位選，因為萬位只能是0或1，所以D5同時用于位選和數(shù)據(jù)位的選擇，這也是本電路設計的一個亮點。原理圖見附圖3-3 可得放大倍數(shù)： 4.AD7541A 信號輸出AD7541A是采用CMOS工藝制成的單片直流輸出型12位數(shù)/模轉(zhuǎn)換器。其具有非線性誤差小，同頻帶寬，共模抑制比大等

14、優(yōu)點。且其范圍為14096，設計中要求控制只有100mA和200mA兩個狀態(tài)的電流值，因此可完全滿足設計要求。在AD7541A的IOUT1、IOUT2輸出端接了一個運算放大器OP07，將電流信號轉(zhuǎn)換成穩(wěn)定的負電壓信號，但為了控制的方便，又加了一個OP07使負電壓反相，得到穩(wěn)定的正電壓。 原理圖見附圖3-45.恒流恒壓電路恒流恒壓電路是一閉環(huán)控制電路，根據(jù)采樣信號與設定值的偏差放大處理實現(xiàn)自校正。高精度穩(wěn)壓管1403輸出穩(wěn)定2.5V可調(diào)作為高精度低功耗OP07正端參考電壓，OP07負端接入負載采樣電壓，經(jīng)運算放大控制調(diào)整管TIP47，使輸出電壓穩(wěn)定在10V。DA轉(zhuǎn)換器輸出經(jīng)放大器反相，濾波電路濾

15、波，（根據(jù)試驗總結，此處加濾波電路濾波，能有效消除負載紋波，電路輸出更穩(wěn)定。）送至OP07正相輸入端，負載電流采樣，轉(zhuǎn)換為電壓值送至OP07負相輸入端，比較輸出控制場效應管IRF640，使輸出電流穩(wěn)定在設定值。 原理圖見附圖3-56.顯示模塊和測溫報警電路 顯示采用帶中文字庫的液晶顯示器LCM128645ZK，液晶顯示器顯示的信息量大，可視性強，配合各種狀態(tài)指示燈，很好的實現(xiàn)人機對話。 測溫電路采用數(shù)字溫度傳感器DS18B20。DS18B20支持"一線總線"接口，體積更小，適用電壓更寬測量溫度范圍為 -55°C+125°C，在-10+85°C范

16、圍內(nèi),精度為±0.5°C。DS18B20的精度較差為± 2°C ?，F(xiàn)場溫度直接以"一線總線"的數(shù)字方式傳輸，大大提高了系統(tǒng)的抗干擾性。當測量溫度高于60時，采用聲光報警。 原理圖見附圖3-67.防干擾設計（1）電源隔離：采用完全的獨立電源供電，并在220V電源進線端設置電源濾波器，消除電網(wǎng)上的各種高頻干擾，防止電網(wǎng)電壓突變對系統(tǒng)造成沖擊。（2）濾波電路：在D/A電路輸出端加設濾波電路，能夠很好的抑制紋波電流。（3）模數(shù)隔離：合理布置系統(tǒng)中的數(shù)字地和模擬地，避免數(shù)字信號對模擬信號的干擾。四軟件流程設計軟件系統(tǒng)的主要任務由A/D轉(zhuǎn)換，D/

17、A轉(zhuǎn)換，鍵盤掃描，液晶顯示，溫度報警等功能。由于本系統(tǒng)硬件上設計較為合理，因此給軟件的編程帶來了極大的方便，省去了不少麻煩。 流程圖見附圖4-1，圖4-2.五系統(tǒng)測試1.應用Multisim 10.1軟件仿真主電路原理圖如下仿真測得部分數(shù)據(jù)：（1）恒流100mA慢充 負載電阻R=40時 （2）恒流200mA快充 負載電阻R=40時 （3）恒壓10V 負載電阻R=50 （4）恒壓10V 負載電阻R= 根據(jù)仿真結果，所設計主電路原理基本正確，滿足題目要求并能很好實現(xiàn)其功能。2.系統(tǒng)功能和指標的測試方法：將4位半高精度數(shù)字萬用表撥到測電流檔與變阻器串聯(lián)測電流值，同時通過電流表讀得電流值并測得電阻器兩

18、端電壓。交流毫伏表接負載兩端，測得紋波電壓，再除以電阻值得紋波電流。 各測試值如表1-13主要測試儀器PC機、偉福仿真器E6000/L、4位半高精度數(shù)字萬用表、交流毫伏表、滑動變阻器。4測試數(shù)據(jù)及結果分析測量值充電狀態(tài)電阻（）電壓（V）電流（mA）紋波電壓（mV）計算得紋波電流（mA）輸出狀態(tài)慢充（100mA）101.0011008.60.86恒流202.005100.37.00.35404.005100.24.20.11505.00099.93.40.068808.008100.120.0251009.98099.820.02恒壓1k9.9909.9920.0022k10.005.020.0

19、0110k10.001.0220.000210.000快充（200mA）102.004200.59.00.9恒流204.001200.17.50.375407.998199.85.00.125509.989199.720.04恒壓809.996124.820.0251009.99699.920.021k9.9989.9920.022k9.9994.9920.0110k10.000.9920.000210.000由以上數(shù)據(jù)可以看出，系統(tǒng)的測試數(shù)據(jù)精度較高。輸出恒流狀態(tài)時，改變負載電阻，輸出電流變化絕對值1mA；紋波電流1mA。輸出恒壓狀態(tài)時，改變負載電阻，輸出電壓波動0.1V，紋波電壓10mV。

20、系統(tǒng)實現(xiàn)了題目基本要求和發(fā)揮部分的要求，并且在負載較大時，各項指標遠好于要求的指標。整機指標：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)。系統(tǒng)對題目要求的完成情況：基本要求輸出恒流時：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。實現(xiàn)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20mV實現(xiàn)具有輸出電壓、電流的測量和數(shù)字顯示功能。LCD顯示發(fā)揮部分輸出恒流時： 改變負載電阻，要求輸出電流變化的絕對值3mA；紋波電流1mA。實現(xiàn)，電流變化絕

21、對值1mA，紋波電流1mA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。實現(xiàn)，輸出電壓波動小于0.1V；輸出紋波電壓小于10mV具有過熱（60°）保護功能，降溫后自動恢復工作。實現(xiàn)其他實現(xiàn)聲光報警功能六 . 總結 本系統(tǒng)完成了題目基本要求和發(fā)揮部分的全部內(nèi)容，完成的項目中大部分指標都優(yōu)于題目要求，而且增加聲光報警功能。系統(tǒng)經(jīng)測試運行效果良好，可實現(xiàn)短接輸出端子，而并沒有出現(xiàn)故障。在本次設計過程中，我們遇到了很多突發(fā)事件和各種困難，其中數(shù)字部分對模擬電路的影響，造成系統(tǒng)紋波很大，設計和調(diào)試曾一度陷入中斷，但通過團隊的仔細分析和自我調(diào)整狀態(tài)后我們終于解決了所有的問題。通過此次電子大賽使我們對模擬電路的設計、調(diào)試有了深刻的印象和理解。