E甲1314 简易数控充电电源(VF).doc

参赛题目：简易数控充电电源（E题）

编号：E甲1314

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简易数控充电电源（E题）

摘要： 本系统使用MSP430做主控芯片，利用V/F转换器进行电流采样，由系统输出频率信号，采用F/V转换成电压值，控制充电器。当负载电压小于10V时为恒流充电状态，当负载电压为10V时为恒压充电状态。使用键盘控制输入值，并通过液晶显示。通过对测试点的检测可以判断系统的工作状态，并具有上、下位机通讯及联网功能。本系统还附带有环境温度的检测的功能。本文论述了系统设计原理，进行了理论分析和电路分析详细阐述了硬件和软件设计，并进行了系统测试和结果分析。
关键词：MSP430；V/F转换器；稳流电路
系统设计要求
设计并制作简易数控充电电源。输入交流200～240V，50Hz；输出：当负载电压小于10V时为恒流充电状态，当负载电压为10V时为恒压充电状态。其原理示意图如下所示。
显示
电压、电流等检测
负载
充电电源
控制器
键盘

图1-1：原理示意图
基本要求
（1）输出恒流时：电流100mA（慢充）和200mA（快充）可设置；改变负载电阻，要求输出电流变化的绝对值≤5mA；纹波电流≤2mA。
（2）输出恒压时，改变负载电阻，输出电压波动小于0.5V；输出纹波电压小于2０ｍＶ。
（3）具有输出电压、电流的测量和数字显示功能。
发挥部分
（1）输出恒流时： 改变负载电阻，要求输出电流变化的绝对值≤3mA；纹波电流≤1mA。
（2）输出恒压时：改变负载电阻，输出电压波动小于0.2V；输出纹波电压小于1０ｍＶ。
（3）具有过热（≥60°）保护功能，降温后自动恢复工作。
（4）其它。
1、方案论证
1.1 主控芯片选择
方案一、MC-51单片机，通讯口线多，特别对外扩展内存非常方便，但内存集成外设少，驱动能力差，体积较大，耗能多。
方案二、MSP430是16位机，运算速度快，与之配套的编程调试环境方便。内部集成了很多外设，可以根据不同的需要选择不同的组合，这样就降低了系统的复杂度，而且它使用电池作电源，体积小，耗能少，驱动能力也比较强。比较符合当今绿色节能的设计理念。
通过比较，本系统采用此方案二，选择MSP430作主控芯片。
1.2、模数转换方案
方案一、使用标准高频时钟脉冲来测定反向积分所花费的时间来得到输出电压的数字量，依次来实现A/D转换。它的精度高，干扰少，但运算速度比较慢。
方案二、利用逐次逼近的方法来实现A/D转换。其用D/A转换器的输出电压来驱动运算放大器的反向端，再用一个逐次逼近寄存器存放转换好的数字量，转换结束时将数字量送入缓冲寄存器，从而输出数字量。它抗干扰能力强，但速度慢。
方案三、使用V/F变换器来实现A/D转换。它采用外接时钟脉冲决定满量程频率，并允许电压获得电流的输入，单电源双电源均可，可与TTL和CMOS电平兼容。由于其采用外部时钟驱动和电荷平衡转换技术，该芯片分辨率高，稳定性高，转换时间最短。
根据分析比较，我们选择了方案三，采用V/F变换器来实现A/D转换。
1.3、显示方案
方案一、采用LED数码管，其体积小，寿命长，响应时间快，亮度高，能简单的显示数字，效果比较好，但是显示单一，只可以显示一个数值，多用于定点检测。
方案二、采用LCD点阵形式，相应时间较LED慢，可是它可以同时显示多个数值，汉字
工作电压低，耗能少。
通过分析比较，我们选择LCD作为显示器件。
1.4、稳流电路方案
方案一、并联式稳流电路，它是把稳定的电压加在电阻上以得到稳定电流。此种方法要先获得稳定电压如下图示采用LM317来获得稳定基准电压，在Rl上获得稳定电流。

图1-2：并联式稳流电路原理图
方案二、使用双运放来实现稳流电路，前一运放为电压跟随器，后一运放组成反馈电路来进一步稳定路。此种方法电路简单，稳定性效果比前两个方案好。
通过分析比较，选择方案二，采用双运放来实现稳流电路。
2、总体设计
本系统使用键盘控制输入，使用LCD液晶显示，MSP430为主控制芯片。稳流电路使用双运放，数模转换使用V/F转换器，系统框图如图1-3所示。

A/D

MSP430
F1222

基本
系统
PC机
LCD显示器
键盘
通信接口

复位

恒压源
恒流源

负载

+5V –5V 3.3V
电源

图1-3：系统结构框图
3、硬件电路设计与理论计算
3.1、V/F变换器及其模数转换原理
本系统使用电荷平衡式V/F转换器来实现A/D转换，V/F转换器电路结构图如图4所示。

图3-1：V/F转换电路原理图
图中U1A和RC组成一个积分器，U2A是零电压比较器。恒流源和模拟开关S构成积分器反充电回路。当单稳定时器产生一个tos的脉冲时，反充电回路对CAP反充电，冲入电荷为QC=R*tos。原理如下：当模拟开关S处于在左边时即与U1A输出端接通时，积分器处于充电过程，积分器的输出电压不断下降，当下降到零时，U2A跳变触发单稳定时器，使其产生一个脉宽为tos的脉冲，此脉冲使模拟开关置于U1A的反向端，对CAP反向充电，此过程使得U1A的输出电压不断增大，到tos结束时又使模拟开关置于U1A输出端，积分器再次充电，使得U1A输出电压不断减小，下至零时又使单稳定时器产生一个tos脉冲，依次反复形成频率输出波形如图5所示。

图3-2：波形图
图中矩形脉冲宽度为tos。

所以输出频率为：
依次得到输出频率与输入电压成正比，当Rin和C2A精度较高时，频率输出即可和输入电压严格的成正比。
用V/F转换器实现模数转换需要与频率计配合使用，电路框图如下
V/F转换
频率计数
TABA BUS

电源
定时器
基准频率

图3-3：V/F转换原理图
同时启动定时器和频率计，频率计用V/F输出的频率信号作为基数脉冲，定时器采用基准脉冲拍作为定时脉冲。当定时结束时，定时器产生输出信号使频率计停止计数，这样计数器的计数值和频率的关系是：
D为计数值；T 为计数时间
而 Ds是计数器计数初值；fs基准频率
因此
从而
由此得到只要知道了D 的值就可以通过计算求出V/F变换器的输出频率,并计算出输入电压值，这样就实现了模数转换。
3.2、V/F转换电路
输入的电压经过射随器UD1A从LM331的7引脚输入，电阻RD7 可以抵消6脚的偏流影响，从而减小频率误差，为了减少LM331的增益误差和由RD10、RD11、CD2引起的偏差RD13选用51K电阻CD1为滤波电容。当6脚和7脚的RC时间常数相匹配时输入电压的阶跃变化讲引起输出频率的阶跃变化，如果CD3比CD1大的多那么输入电压的阶跃变化可能引起输出频率的瞬间停止，6脚的电阻和电容可以差生滞后效应，以获得良好的线性度。V/F转换电路如图7所示。

图3-4：V/F转换电路图
3.3、F/V转换电路
从单片机输出的频率信号经过史密斯触发器进入F/V转换器形成的电压值通过电压跟随器，通过UA1A的放大后在三极管集射两端检测，当输入的频率值变化后，输入到UA1A的电压也随之变化三极管射极电压也增大，从而引起UA1A输出电压的减少，形成反馈，以保证输出电压的稳定，以得到恒定的电流。F/V转换电路如图8所示。

图3-5：F/V转换电路图
3.4、主控单元及LCD液晶显示模块
芯片和液晶显示器共用一个复位电路，以便于实现显示器和单片机的复位同步，并使用五个按键来实现输入值得设定，并且本单元具有自我保护电路，来防止电压或温度超过安全值时损害电路。

图3-6：系统主控及LCD电路原理图
3.5、电源电路
为了使系统正常高效的运行，我们制作了 +18V，+9V，-9V，+3.3V电压源，其中3.3V为430供电，+9V，-9V，18V为F/V模块供电，+9V为V/F模块供电。
对于MCU的3.3v的工作电压由三端可调集成稳压器LM317T提供，该器件的输出电压范围为1.25-30v，其输出电压由两个外部电阻的分压比确定，输出电流为100mA，完全可以满足F12X2 MCU芯片工作电压的要求。其输出电压与分压电阻的关系见下式；当取RP1为200Ω，RP2为330Ω时LM317L的输出电压约为3.3V。

图3-7： 电源模块电路图
3.6、串行通信口电路
串行通信接口实现上位机和下位机的通讯。串口通信模块采用分立元件电路实现单片机和微型机之间的电平转化。TXD指示灯可以指示数据发送状态。通过RXD指示灯可以检验通信电缆接线是否正确。

图3-8：串口通信模块电路原理图
3.7、按键连接电路

图3-9：按键连接电路
3.8、温度测量
本系统附带有环境温度检测功能，MSP430的ADC12模块的10通道是对片内温度二极管的输出的测量，本系统用该温度传感器作为温度的测量，测试所得温度值通过液晶显示器显示。
4、系统软件设计
4.1、系统模块图

通
信
模块

显示
模块
按键处理模块
温度控制模块
频率产生模块
电压电流采样
初始化模块
下 位 机

R
T
O
S
模块

图4-1：控制软件框图
4.2、主程序流程图
主流程图见附件。
电流采样中断服务程序：采用V/F转换方式进行电流采样：即先将电流转换成电压然后经V/F转换成频率后，作为MCU的中断信号，进行定时采样和转换，采样时间为0.25s。
4.3、V/F采样中断服务程序
现 场 保 护

V/F计数单元加1

恢 复 现 场

从 中 断 返 回

图4-2：V/F采样中断服务程序

4.4、定时器中断服务程序

现 场 保 护

取出V/F计数值

Y

关闭输出
过载？

N

将测试值转换成显示字符送LCD

恢 复 现 场

从 中 断 返 回

图4-3：定时中断服务程序流程框图
5、测试方法与结果分析
5．1 测试仪表
万用电表、高精度电流表测量
5．2 测试方法
输出电流可用高精度电流表测量；
纹波电流的测量可用低频毫伏表测量输出纹波电压，换算成纹波电流。
5.3 测试数据及测试结果分析
u 测试条件：按照题目要求进行恒流和恒压测试。
测试结果如下：
表5-1：恒流源负载测试数据表
电流
编号

设定值(mA)

测试值(mA)

绝对误差（mA）
1
10
10.12
0.120
2
14
14.35
0.350
3
27
26.35
0.650
4
50
49.56
0.440
5
120
119.65
0.350
6
135
137.23
2.230
7
139
138.56
0.440
8
148
150.47
1.530
9
194
195.67
1.670
10
210
210.54

误差平均值为 0.5753 mA。
表5-2：恒压源测试结果分析表
电流
序号

设定值：V
负载大小
测试结果

绝对误差△U（mV）
1
10
20
10.028
0.028
2
10
20989
10.035
0.035
3
10
70.068
10.045
0.045
4
10
74.935
10.065
0.065
5
10
124.895
10.178
0.178
6
10
130.121
10.182
0.121
7
10
799.102
10.198
0.898
8
10
1198.889
10.232
1.111
9
10
1601.581
10.248
1.581
10
10
1998.109
10.889
1.891
误差平均值为 0.590 mV。
6、设计总结
本系统实现了数控充电电源的各项要求，并有所发挥。成功利用MPS430实现了键盘控制、液晶显示的功能。本系统内部具有过流保护，过热保护，和过压保护等保护电路电路，使用比较安全。

参考文献：
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[2] 阎石． 数字电子技术基础[M] ． 北京：高等教育出版社.
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[7] 夏路易等．电路原理图与点路板设计教程[M] ．北京：希望电子出版社
[8] Dirk Jansen． 电子设计自动化[M] ．北京：电子工业出版社

附件：
减1键？
系统初始化
内部功能模块设置：包括定时器、并行
I/O模块、A/D转换模块、系统时钟模块设置、关闭所有输出

显示开机界面（延时大约15秒）
显示测试界面
开中断
按键扫描
是否有键按下?
加1键？
设置选择键？
当前是否处在设置装态?
指向设置位并加1
当前是否处在设置装态?
指向设置位并减1

设置参数的个位加1
设置参数的个位减1

Y
N

Y

Y

N

N

N

Y

设置千位？

千位闪烁并进入设置状态

Y

N
设置百位

设置十位

设置个位

图14：主程序流程框图
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