E甲1304 简易数控充电电源(PWM).doc

2008山东省大学生电子设计大赛

设计题目: 简易数控充电电源（E题）
【本科组】

编号：E甲13 04

参赛队员：
指导教师：
参赛学校：

2008年 9月
摘 要
本系统采用了MSP430做主控芯片，实现数控充电电源。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。用单片机片内A/D进行数模转换，使用PMW转换成电压值，再通过稳流电路形成恒定的电流。具有功能较为齐全，操作使用方便、电流稳定度高的优点。系统使用键盘输入，采用液晶进行汉字显示。系统同时具有过热保护和过流保护，通过对测试点的检测可以判断系统得工作状态。系统设有通信接口可实现上下位机通信和联网功能。本系统还附带有环境温度的测试的功能。
关键字：MSP430单片机，PMW，充电电源
1、系统简介
1． 1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：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。
2、设计方案论证
2．1 主控芯片选择
方案一、采用MC-51单片机，内部无信息存储器，无波特率微调器。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位单片机，在1.8-3.6V电压、1MHz的时钟条件下运行，具有16个中断源，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，系统工作比较稳定。比较符合当今绿色节能的设计理念。
根据比较，我们选择方案二，选择MSP430单片机作主控芯片。
2.2、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、使用V/F变换器来实现A/D转换。V/F变换器属于模拟传感器，虽然电路简单体积小，但是受材料、器件的限制，仍只能输出低幅值的模拟信号，而且输出幅值小，灵敏度低，不能与数字计算机直接通讯。
方案三、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。
通过分析比较，采用片内A/D实现模数转化。
2.3、数模转换方案
方案一、D/A转换。通过D/A转换芯片实现数字量到模拟量的转换，电路简单但这种方案需要高精度的D/A转换芯片。
方案二、F/V转换。单片机输出脉冲信号，经转换电路变成电压信号输出。
方案三、脉冲宽度调制（PWM）技术。PWM控制方式广泛应用于各种控制系统中，但对脉冲宽度的调节传统方案一般采用硬件来实现，如使用PWM控制器或在系统中增加PWM电路PWM等，成本高，响应速度慢，而且PWM控制器与系统之间存在兼容问题。本系统采用软件方式实现脉宽调制。其特点是线性度高，可控性好，可靠性高，成本低，电路简单，便于实现。
根据分析比较，我们选择了方案三，采用脉冲宽度调制（PWM）技术进行模数转换。
2.4、显示器件选择
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；但是显示单一，只可以显示数值，多用于定点检测。
方案二、采用LCD点阵形式，响应时间较LED慢，显示内容丰富，显示界面友好，功耗低。
通过分析比较，我们选择LCD液晶模块作为显示器件。
2.5、稳流电路方案
方案一、串联式稳流电路，其原理图如图1所示：
图中Rq为取样电阻，T的输出电流Io的变化量△Io反映在Rq上压降的变化量△V上，△V送入比较放大器中放大后用以控制调整管T的压降，以保持Io稳定。

图1：串联式稳流电路原理图
方案二、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2：并联式稳流电路原理图
方案三、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，选择方案三，采用双运放来实现稳流电路。
2．6 总体设计方案
本系统使用键盘控制输入，使用LCD显示，MSP430为主控制芯片。稳流电路使用双运放，模数转换使用PWM方案。系统框图如下

Pwm控制
恒流源

选择开关

A/D

MSP430
F1222
基本
系统
PC
通信

恒压源

负载

LCD

键盘

图3：系统原理框图
3、PWM调控原理及实现
PWM控制技术以其控制简单、灵活和动态响应好的优点而成为电力电子技术最广泛应用的控制方式，也是人们研究的热点。由于当今科学技术的发展已经没有了学科之间的界限，结合现代控制理论思想或实现无谐振软开关技术将会成为PWM控制技术发展的主要方向之一。
PWM控制方式广泛应用于各种控制系统中，但对脉冲宽度的调节一般采用硬件来实现。如果使用PWM 控制器或在系统中增加PWM电路等，成本高，响应速度慢，而且PWM控制器与系统之间存在兼容问题。由于微机技术的发展使得用软件生成SPWM波形变得比较容易，因此，软件生成法也就应运而生。软件生成法其实就是用软件来实现调制的方法。本系统利用TI公司生产的新型单片机MSP430f1232 内的定时器TA，可以用时间量进行电流采样以及实现PWM电流调节。
为了可在使用少量外围电路的情况下实现系统的高精度测量和控制，一方面用时间量采样，在省去1片A/D的情况下得到12 位的高精度；另一方面在定时中断内完全用软件实现PWM调节, 以易于进行数据的通信和显示。该系统在中断内可以解决波形产生的实时在线计算和计算精度问题，可精确实时地计算设定频率下的脉冲宽度。MSP系列的单片机MSP430F1232 在超低功耗和功能集成上都有一定的特色，可大大减小外围电路的复杂性。它的实时处理能力及各种外围模块使其可应用在多个低功耗领域。
3．1、PWM信号生成原理
利用MSP430单片机中的16位定时器产生脉冲信号。MSP430中通用16 位定时器TA，有如下主要功能模块：
（1）一个可连续递增计数至预定值并返回0 的计数器。
（2）软件可选择时钟源。
（3）5个捕获比较寄存器，每个有独立的捕获事件。
（4）5个输出模块，支持脉宽调制的需要。
定时器控制寄存器TACTL的各位可控制TA的配置，并定义4位定时器的基本操作。可选择原始频率或分频后的输入时钟源及4 种工作模式，另外还有清除功能和溢出中断控制位。5个捕获比较寄存器CCRx 的操作相同，它们通过各自的控制寄存器CCTLx 进行配置。
单片机MSP 430f1232 中用于测量和控制电流的主要I/O 口有：
（1）P1.0 输出50HZ方波，用于产生三角波。
（2）P1.2 驱动电流源控制执行元件，2kHZ方波PWM 输出。
（3）P2.0 脉宽捕捉。
单片机端口的中断设置。系统的50HZ方波输出、PWM 输出和输入捕捉都是由定时中断来实现。这3 个中断分别由P0、P1、P2 和I/O 口的外围模块引起，属于外部可屏蔽中断。初始化时对这3 个I/O 口进行中断设置，并对TA控制寄存器TACTL设置，包括输入信号2 分频、 选用辅助时钟ACLK等。当定义完捕获比较寄存器后，重新赋值TACTL启动定时器，开始连续递增计数。
将捕获/比较寄存器CCR0和CCR1定义为比较模式，它们的输出单元OUT0和OUT1分别对应单片机引脚P1.0(TA0)、P1.2(TA1)。进入比较模式后，如果定时器CCRx的计数值等于比较寄存器中的值, 则比较信号EQUx输出到输出单元OUTx 中，同时根据选定的模式对信号置位，EQU0复位或翻转。其中，设置OUT0将P1.0信号翻转，信号时钟与定时器时钟同步，这样就可以在P1.0引脚上得到50Hz的方波信号。根据设定的PWM复位/置位模式, 若CCR1 计数器溢出, 则EQU1将OUT1复位；若CCR0计数器溢出，则EQU0将OUT1置位。利用CCR0 和CCR1计数起始点的差值, 实现占空比的变化，从而在P1.2上完成PWM输出。系统对占空比的调节是通过改变CCR1的基数来实现的。定时器时钟为20HZ，CCR1、CCR0的计数值为1000时，可获得2KHZ的PWM输出频率。
3．2、PWM变换器及其数模转换原理
PWM信号是一种具有固定周期（T）不定占空比（ ）的数字信号。如果PWM信号的占空比随时间变化，那么通过滤波之后的输出信号将是幅度变化的模拟信号。因此通过控制PWM信号的占空比，就可以产生不同的模拟信号。在MSP430F449中就是采用CCR0来控制周期T，而用与定时器对应的CCRx寄存器来控制可变占空比，进而实现D/A转换。

图4：采用PWM控制稳流源电路原理框图
4、系统硬件设计
4．1、系统主控及LCD液晶显示电路

图5：系统主控及LCD电路原理图
4．2、串行通信口电路
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6：串口通信模块电路原理图
4．3、电源模块
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PWM模块供电。

图7：电源模块原理图
4．4、按键连接电路

图8：按键连接电路
4．5、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。系统中，就是用该温度传感器作为温度的测量。使用键盘来设定报警温度值，当实时温度超出设定的报警值时，输出报警，由P2.5输出通过三极管驱动扬声器。

5、 系统软件设计 流程图？？

功能模块如图5所示。
充电电源设计
初始化模块

键盘
处理模块
L
C
D
显示
电压电流检测

温度检测

通信模块

图5-1：软件框图
基本要求部分模块功能：
（1）初始化模块：包括各个端口的设置，时钟源的选择及设置，显示缓冲区的初始化，各个中断的设置以及设置各个标志位的初始值等。
（2）键盘处理模块：主程序中对按键进行不断地扫描，若有按键按下并经过延时去抖动之后，转入按键处理子程序。在按键处理子程序中，确定键值。
（3）LCD显示模块：该模块显示被测电压、A/D转换结果、温度、时间等，并给出汉字提示。
其他发挥部分模块功能：
（1）通信模块：实现双机通信。
（2）温度监测模块
（3）电子时钟模块。
以下给出主要的程序流程图。
5．1 主程序流程图
系统初始化
显示缓冲区初始化

开中断

进入测试界面扫描按键

I/O模块设置
A/D转换模块设置

执行显示程序

图5-2：主程序流程框图
5．2、定时器中断服务程序

现 场 保 护

取出V/F计数值

Y

过载？
关闭输出

N

将测试值转换成显示字符送LCD

恢 复 现 场

从 中 断 返 回

图5-3：定时中断服务程序流程框图
5．3 PWM模数转换模块
以比较器作为主要测试器件，采用改进的逐次逼近的对分试探法对被测模拟量进行测试。试探测试量的脉冲输入是由定时器TA的PWM输出模式产生。

图5-4 PWM 模数转换流程图
5．4 LCD显示子程序

图5-5： LCD显示子程序
6、 测试方法与结果分析
6．1 测试仪表
万用电表，高精度电流表
6．2 测试方法
输出电流可用高精度电流表测量；
如果没有高精度电流表，可在采样电阻上测量电压换算成电流；
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。
6.3 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。
u 测试数据
表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
10.08
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
203.67
1.111
10
210
211.6
1.300
误差平均值为 0.5861 mA。
表2：恒压测试结果分析表
电流
序号

设定值：V
负载大小：
欧
测试结果：
V

绝对误差△U（V）
1
10
20
10.032
0.0100
2
10
20.989
10.045
0.011
3
10
70.068
10.052
0.068
4
10
74.935
10.067
0.065
5
10
124.895
10.186
0.105
6
10
130.121
10.189
0.121
7
10
799.102
10.198
0.898
8
10
1198.889
10.245
1.111
9
10
1601.581
10.256
1.581
10
10
1998.109
10.889
1.891
误差平均值为 0.590 V。
7、 设计总结
利用单片机MSP430F1232内的定时器TA进行电流采样以及实现PWM调节的方法与传统方法比较，它不仅可以简化量和控制电路的硬件结构，而且可以方便地建立人机接口，实现用软件调整参数，使控制更精确、实时、可靠。经过实验，该方法应用于数控直流电源系统中获得了预期测量精度。
本系统实现了数控充电电源的全部功能，达到了要求的技术指标。在此基础上进行了发挥和扩展，利用msp430单片机作为下位机，对200mA-2000mA电流的控制和显示功能，同时具有过热保护、过流保护和串口通信等方面的功能。
参考文献
[1]邢增平编著.PROTEL 99SE设计专家指导.北京：中国铁道出版社出版，2004.3
[2]秦龙.MSP430单片机C语言应用程序设计实例精讲[M]．电子工业出版社,2006.5
[3] 魏小龙. MSP430系列单片机接口技术及系统设计实例[M].北京航空航天大学出版社, 2003.6
12