E题 简易数控充电电源乙组全国大学生竞赛山东赛区组委会.docx
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E题简易数控充电电源乙组全国大学生竞赛山东赛区组委会
简易数控充电电源
济南铁道职业技术学院万乐、秦同军、刘鹏
专家点评:
本设计采用NECupd78F0547单片机为主控制器,通过键盘来设置直流电源的输出电流,并可由液晶显示器显示输出的电压、电流值。
主电路采用运放LM324和达林顿管组成调节电路,电路设计合理,编程正确。
除了完成题目要求外,电路设计了步进设置功能,可设置不同的恒流和稳压值。
论文所附电路图不够清晰,主电路的设计缺少必要的计算。
青岛科技大学李进教授
2008/9/24
目录
摘要…………………………………………………………………………………1
第一章方案比较与设计……………………………………………………………1
1.1方案比较与选择……………………………………………………………1
1.1.1控制电路方案比较与选择……………………………………………1
1.1.2显示电路方案比较与选择……………………………………………1
1.1.3恒流(压)充电电路方案比较与选择………………………………1
1.2方案设计与论证……………………………………………………………2
1.2.1整体电路组成…………………………………………………………2
1.2.2总体电路组成框图……………………………………………………2
第二章电路设计、理论分析与计算……………………………………………2
2.1主要电路模块的分析计算与设计…………………………………………2
2.1.1恒流、恒压充电电路…………………………………………………2
2.1.2控制电路………………………………………………………………3
2.1.3显示电路………………………………………………………………4
2.1.4电源电路………………………………………………………………5
2.1.5创新部分………………………………………………………………5
2.2软件设计……………………………………………………………………6
2.2.1程序流程图……………………………………………………………6
2.2.2主要程序清单(见附录2)………………………………………………6
第三章测试数据与结果分析……………………………………………………6
3.1题目要求的测试……………………………………………………………6
3.1.1输出恒流状态的测试…………………………………………………6
3.1.2输出恒压状态的测试…………………………………………………7
3.1.3数字显示功能…………………………………………………………8
3.1.4过热保护功能的测试…………………………………………………8
3.2创新部分的测试……………………………………………………………8
3.3结果分析……………………………………………………………………9
第四章总结………………………………………………………………………9
参考资料…………………………………………………………………………10
附录………………………………………………………………………………11
附录1电路总图……………………………………………………………11
附录2主要程序清单………………………………………………………12
摘要
本系统以直流电源为核心,NECupd78F0547单片机为主控制器,通过键盘来设置直流电源的输出电流,并可由液晶显示器显示输出的电压、电流值。
本系统由单片机程控设定数字信号,经过D/A转换器输出模拟量,再经过运算放大器隔离放大,控制输出功率管的基极,随着功率管基极电压的变化而输出不同的电流(压)。
实际测试结果表明,本系统可稳定地实现恒压或恒流充电状态,并在恒流输出时可设置电流100mA慢充和200mA快充,电压(流)波动和纹波电压(流)小,并具有过热保护和自动恢复功能。
关键词:
恒压,恒流,电压(流)波动,纹波电压(流)小。
第一章方案比较与设计
1.1方案比较与选择
1.1.1控制电路方案比较与选择:
方案一:
采用通用的51单片机作为主控器,完成数据处理,键盘扫描,显示部分的控制等。
但51单片机没有AD转换,需要外接AD芯片来转换采集到的电压信号,使电路的硬件、软件变得复杂。
方案二:
采用NEC的upd78F0547单片机,该单片机在本设计方案中具有以下优点:
1:
内置上电复位清零电路,低电压侦测电路和独立源看门狗电路,不需要任何外围元件;
2:
64个I/O口,不需要外扩展;
3:
8路10bitA/D;
4:
低功耗,宽电压范围,抗干扰能力强;
5:
自带键盘中断;
比较上述2种方案,方案二电路简单、软件简洁、功能强,本课题中我们采用方案二。
1.1.2显示电路方案比较与选择:
方案一:
采用数码管显示,成本低,亮度高,醒目。
但在显示较多的项目时,硬件电路复杂,功耗大。
方案二:
采用肇庆金鹏OCMJ4X8C液晶屏,该屏自带字库,驱动程序简单,可以显示4行8列汉字(或4行16列字母,数字)。
显示信息量大,外形美观。
课题中需要同时显示电压,电流的设定值和输出值等,要求显示内容丰富。
比较上述2种方案,方案二电路简单、显示信息量大、能很好的满足题目要求,我们采用方案二。
1.1.3恒流(压)充电电路方案比较与选择:
方案一:
选用CPLD等可编程逻辑器件,电路结构简单,工艺上容易实工作稳定。
方案二:
采用运算放大器等通用电路实现恒流(压)的控制、调整,成本低、使用灵活、完全能满足题目对简易恒流(压)电源的要求。
比较上述两种方案,虽然方案一实现起来比较容易,而且可以很容易地满足各项指标要求,但是,我队参赛的选手是大二的学生,目前还没有学习有关可编程逻辑器件(CPLD)的课程,所以我们选择方案二。
1.2方案设计与论证
1.2.1整体电路组成
电路部分主要有:
恒流、恒压充电电路,检测电路,控制电路,显示电路,、键盘电路,创新部分电路等模块组成。
1.2.2总体电路组成框图
键盘
控制电路
D/A转换电路
充电电源调整电路
显示电路
电压、电流检测电路
负载
过热保护电路
图1.1总体电路组成框图
第二章电路设计、理论分析与计算
2.1主要电路模块的分析计算与设计
2.1.1恒流、恒压充电电路
这部分电路是整个电路的核心部分,主要由D/A转换电路,恒流、恒压调整电路,检测电路组成。
控制电路输送来的数字信号由D/A转换电路IC205转换成模拟信号作为基准电压,然后送到电压比较器IC201的正输入端。
输出端取样电阻上取得取样电压信号送到电压比较器IC201的负输入端,与基准电压比较,比较结果由IC201的输出端反馈到T202,控制T202的导通状态。
由D201、D202、R201、T203组成一个恒流源A,恒流值I=2Ud-Ube/R201。
T202的导通状态影响着对恒流源A的吸收电流,从而改变恒流源A对调整管T201基极的驱动电流,稳定调整管T201的输出值。
为减小输出纹波,调整管T201使用达林顿三极管。
调整管T201基极电流由一恒流源提供,进一步减小电源电压波动对调整管T201带来的影响。
电路采用悬浮驱动。
电位器W103以及单片机(内含A/D转换)组成电压检测电路。
W103将输出电压的取样信号送单片机内部的A/D电路进行转换,转换得到的数字信号由单片机处理,并由LCD显示器显示测量值。
取样电阻R202、IC202以及单片机(内含A/D转换)组成电流检测电路。
取样电阻R202上的取样信号送IC202处理、送单片机内部的A/D电路进行转换,转换得到的数字信号由单片机处理,并由LCD显示器显示测量值。
图2.1恒流、恒压充电电路原理图
图2.2D/A转换电路原理图
2.1.2控制电路
控制电路主要由NECupd78F0547单片机及外围电路、键盘电路等组成。
单片机接收检测电路传输来的信号,经过A/D转换后将电压和电流值显示到液晶上。
该电路能够通过按键设定电源的输出电压值和电流值,通过控制D/A芯片的设定值实现控制输出电压值和电流值。
并根据检测实际输出的电流(压)值与设定值比较后,调整D/A芯片的设定值,使得电源的输出稳定、可靠。
图2.3CPU电路原理图
图2.4键盘电路原理图
2.1.3显示电路
显示电路采用4行8列的汉字液晶屏显示实际的设定电流值、设定电压值、实际输出的电流值、实际输出电压值。
电压分辨率0.1V。
电流分辨率1mA。
液晶屏能够在设定时显示设定的电压和电流值。
图2.5LCD显示电路原理图
2.1.4电源电路
此电源电路具有2组输出直流输出,一组为主输出DC18V,作为充电电路的能源输入;另一组输出±DC12V和DC5V,给本电源中控制电路、恒流(压)调整电路、显示电路等部分提供工作电源。
图2.6电源电路原理图
2.1.5创新部分
1.恒流输出时,在100mA(慢充)和200mA(快充)可设置的基础上,增加了电流值从100MA---200MA可调功能,步进为20mA。
2.可设置多种恒压输出状态,恒压输出值:
10V,9V,12V。
2.2软件设计
2.2.1程序流程图
2.2.2主要程序清单(见附录2)
第三章测试数据与结果分析
本题目制作完成后,对整体电路的主要指标进行了实际测试。
测试情况如下:
3.1题目要求的测试
根据题目基本要求和发挥部分的要求,我们按要求条件反复作了多次测试,记录了测试结果,并对测试结果做了分析、对比。
3.1.1输出恒流状态的测试
我们将充电电源接上负载电阻,适当选择负载电阻值,使充电电源处于恒流充电状态,进行模拟充电测试。
这时可以方便设置100mA(慢充)和200mA(快充),并能通过操作键盘,在100MA---200MA之间方便可靠地调节电流值,步进为20mA。
我们在恒流输出状态允许条件下,多次反复更换不同负载电阻值,测试了更换不同负载电阻时,输出电流变化量的绝对值;在不同负载电阻条件下,实时检测输出的纹波电流值。
记录了其中10次测试数据,见表3-1,3-2。
表3-1输出恒流(100mA)状态的测试数据记录表
序号
负载电阻值(欧姆)
改变负载电阻时,测试电流变化绝对值
发挥部分要求的绝对值
测试的纹波电流值
发挥部分要求的纹波电流值
结果是否满足题目发挥部分要求
1
10
---
≤3mA
0.8mA
≤1mA
满足要求
2
15
1.8mA
≤3mA
0.7mA
≤1mA
满足要求
3
20
1.6mA
≤3mA
0.7mA
≤1mA
满足要求
4
30
1.3mA
≤3mA
0.6mA
≤1mA
满足要求
5
40
1.2mA
≤3mA
0.6mA
≤1mA
满足要求
6
50
1.1mA
≤3mA
0.5mA
≤1mA
满足要求
7
60
1.1mA
≤3mA
0.5mA
≤1mA
满足要求
8
70
1.1mA
≤3mA
0.5mA
≤1mA
满足要求
9
80
1.1mA
≤3mA
0.4mA
≤1mA
满足要求
10
90
1.0mA
≤3mA
0.4mA
≤1mA
满足要求
表3-2输出恒流(200mA)状态的测试数据记录表
序号
负载电阻值(欧姆)
改变负载电阻时,测试电流变化绝对值
发挥部分要求的绝对值
测试的纹波电流值
发挥部分要求的纹波电流值
结果是否满足题目发挥部分要求
1
10
---
≤3mA
0.7mA
≤1mA
满足要求
2
15
1.7mA
≤3mA
0.7mA
≤1mA
满足要求
3
20
1.7mA
≤3mA
0.6mA
≤1mA
满足要求
4
30
1.6mA
≤3mA
0.5mA
≤1mA
满足要求
5
40
1.6mA
≤3mA
0.3mA
≤1mA
满足要求
6
50
1.5mA
≤3mA
0.4mA
≤1mA
满足要求
7
60
1.5mA
≤3mA
0.3mA
≤1mA
满足要求
8
70
1.3mA
≤3mA
0.2mA
≤1mA
满足要求
9
80
1.1mA
≤3mA
0.2mA
≤1mA
满足要求
10
90
1.0mA
≤3mA
0.2mA
≤1mA
满足要求
3.1.2输出恒压状态的测试
我们将充电电源接上负载电阻,适当选择负载电阻值,使充电电源处于恒压充电状态,进行模拟充电测试。
我们在恒压输出状态允许条件下,多次反复更换不同负载电阻值,测试了更换不同负载电阻时,输出电压波动值;在不同负载电阻条件下,实时检测输出的纹波电压值。
记录了其中10次测试数据,见表3-3。
表3-3输出恒压状态的测试数据记录表
序号
负载电阻值(欧姆)
改变负载电阻时,测试电压波动值
发挥部分要求的电压波动值
测试的纹波电压值
发挥部分要求的纹波电压值
结果是否满足题目发挥部分要求
1
200
---
≤0.2V
7mV
≤10mV
满足要求
2
500
0.05V
≤0.2V
7mV
≤10mV
满足要求
3
1K
0.05V
≤0.2V
6mV
≤10mV
满足要求
4
2K
0.03V
≤0.2V
6mV
≤10mV
满足要求
5
4.7K
0.03V
≤0.2V
4mV
≤10mV
满足要求
6
5.6K
0.04V
≤0.2V
4mV
≤10mV
满足要求
7
6.8K
0.03V
≤0.2V
5mV
≤10mV
满足要求
8
8.2K
0.03V
≤0.2V
4mV
≤10mV
满足要求
9
9.1K
0.02V
≤0.2V
4mV
≤10mV
满足要求
10
10K
0.02V
≤0.2V
4mV
≤10mV
满足要求
3.1.3数字显示功能
充电电源输出电压值、输出电流值,均可在液晶显示屏上以汉字的形式显示。
3.1.4过热保护功能的测试
本充电电源具良好的过热保护功能。
模仿电源过热的工作环境,进行了多次测试,每次当电源温度上升到60oC(或者大于60oC)时,保护电路马上启动工作,电源停止输出,起到自动保护电源的作用。
当电源温度下降到正常状态后,电源自动恢复工作。
表3-4记录了其中10次测试情况。
表3-4过热保护测试情况记录表
序号
电源保护时的温度(oC)
电源温度每次≥60oC时,是否即时保护
每次降温后是否自动恢复
结果是否满足题目发挥部分要求
1
61.0
是
是
满足要求
2
60.8
是
是
满足要求
3
60.2
是
是
满足要求
4
60.9
是
是
满足要求
5
60.4
是
是
满足要求
6
60.7
是
是
满足要求
7
60.2
是
是
满足要求
8
60.6
是
是
满足要求
9
60.4
是
是
满足要求
10
60.5
是
是
满足要求
3.2创新部分的测试
1.恒流输出时,在电流值100MA---200MA之间,反复进行了很多次的调整测试,步进为20mA。
每次都能方便灵活地进行电流值调整。
2.恒压输出时,除了10V恒压充电状态之外,还可以方便设置9V,12V等恒压充电状态。
反复进行了很多次的调整测试,每次都能方便灵活地进行恒压值调整。
3.3结果分析
将上述测试结果与题目要求进行了比较、分析,见表3-5。
表3-5结果分析表
项目
题目要求
(发挥部分)
测试结果
结果分析
基
本
要
求
输出恒流状态
电流100mA(慢充)和200mA(快充)
可设置
可设置
满足要求
改变负载,输出电流变化
≤5mA
≤3mA
满足要求
纹波电流
≤2mA
≤1mA
满足要求
输出恒压状态
改变负载,输出电压波动
≤0.5V
≤0.2V
满足要求
纹波电压
≤20mV
≤10mV
满足要求
数字显示
数字显示功能
实现
实现
满足要求
发
挥
部
分
输出恒流状态
改变负载,输出电流变化
≤3mA
≤3mA
满足要求
纹波电流
≤1mA
≤1mA
满足要求
输出恒压状态
改变负载,输出电压波动
≤0.2V
≤0.2V
满足要求
纹波电压
≤10mV
≤10mV
满足要求
保护功能
电源温度≥60oC时,保护;降温后恢复
实现
实现
满足要求
其他
特
色
创
新
部
分
恒流输出时
电流值在100mA--200mA之间可调整,步进为20mA。
无
有,可实现
满足要求
恒压输出时
可设置多种恒压输出状态,恒压输出值:
10V,9V,12V。
无
有,可实现
满足要求
本作品设计、制作完成后,对其主要指标进行了实际测试,并将测试结果与题目要求进行了比较、分析。
测试、分析结果:
本设计主要指标全部满足了题目基本要求和发挥部分的要求。
第四章总结
在本次设计的过程中,我们遇到了各种困难和许多没有预想到情况,但通过团队的协作和努力,我们终于克服了困难、解决了问题。
由于我们自身水平有限和时间紧张等因素,本作品在设计上还存在许多值得改进的地方。
经过此次电子设计竞赛,我们在电路的设计、调试方面得到了很好锻炼,能力也有了很大的提高,同时也深刻的体会到:
实践是理论运用的最好检验,懂得了共同协作和团队精神的重要性,提高了我们分析问题、解决问题的能力。
参考资料:
[1]刘守义.单片机应用技术.西安:
西安电子科技大学出版社,2002
[2]王福瑞.单片微机测控系统设计大全.北京:
北京航空航天大学出版社,
1998
[3]曾波.数控恒流源.电子世界,第九期,2005
[4]何希才.电子电路.北京:
北京航空航天大学出版社,2003
[5]李义府.模拟电子技术基础.长沙:
国防科技大学出版社,2004
[6]李朝青.单片机原理及接口技术.北京:
北京航空航天大学出版社,
1994
[7]刘迎春.MCS-51单片机原理及应用教程.北京:
清华大学出版社,2005.5
[8]全国大学生电子设计竞赛组委会.全国大学生电子设计竞赛获奖作品汇编:
第一届~第五届.北京:
北京理工大学出版社,2004.8
[9]杨志忠.数字电子技术.北京:
高等教育出版社,2003.12
[10]胡晏如.模拟电子技术.北京:
高等教育出版社,2004.3
[11]罗亚非.凌阳16位单片机应用基础.北京:
北京航空航天大学出版社,
2003.12
[12]NEC78K0/KF28位单片机用户手册.2005.7
附录
附录1:
电路总图
附录2:
程序清单
/*-----------------------------------------------------------------------
智能直流电源控制程序
----------------------------------------------------------------------**/
#pragmasfr
#pragmaEI
#pragmaDI
#pragmaNOP
#pragmainterruptINTKRKEY_INT
#pragmainterruptINTTM50timer50
#pragmainterruptINTADAD_changor
/*--------------------------------------------------------------------*/
/*------tlc5615---------*/
/*---P5口用作TLC5615的通信口-----*/
/*---P5.0,P5.1,P5.2电压输出口-----*/
/*---P5.4,P5.5,P5.6电流输出口-----*/
#definedacsP5.0
#definedasclkP5.1
#definedinP5.2
#definedacs2P5.4
#definedasclk2P5.5
#definedin2P5.6
/*--------------------------------------------------------------------*/
#defineRSP6.4/*--H:
data,L:
instructionlcdselect--*/
#defineRWP6.5/*--H:
read,L:
writelcdRWsignal--*/
#defineEP6.6/*--H:
activelcdclk--*/
#defineLcd_BusP4/*--lcddata--*/
/*-----------------------------------------------------------------------*/
/*-----------------------------------------------------------------------*/
unsignedintad_v=0x0060;
/*--定义10V,和12V电压的TLC5615对应的值--*/
constunsignedintdav[3]={200,280,360};/*--10V,12V--*/
/*---定义100mA,120mA,140,160,180,200mA,对应的TLC设定值---*/
constunsignedintdai[6]={180,210,240,270,300,330};/*--100mA,120mA,140mA,160mA,180mA,200mA--*/
unsignedintsetv=0;/*设定的电压控制数值*/
unsignedintseta=0;/*设定的电流控制数值*/
unsignedintsetv_presently=1;/*当前的电压控制数值*/
unsignedintseta_presently=0;/*当前的电流控制数值*/
unsignedchariv_flag=0;/*--电压,电流设定标志。
0设定电压,1设定电流--*/
unsignedcharv_number=1;/*--定义当前设定的电压值0:
9V,1:
10V,2:
12V。
默认10v--*/
/*-------------------------------------------------------------------
定义当前设定的电流值
0:
100ma
1:
12