2008年电赛山东E题_优秀论文简易数控充电电源.pdf

2008年E题简易数控充电电源时间:2009-04-24 14:44来源:竞赛组委会作者:青岛大学尹全磊点击:次基于反馈控制理论，设计并制作了一款简易数控充电电源该数控充电电源具有“慢充”或者“快充” 两个档位系统还具有充电完成自动断电、电池过热保护、芯片过热保护、液晶显示、语 简易数控充电电源青岛大学 尹全磊、郑阳阳、张秀磊专家点评:该作品采用凌阳16位单片机SPCE061A作为控制核心，基于反馈控制理论，设计并制作了一款简易数控充电电源该数控充电电源具有“慢充”或者“快充” 两个档位当电池电压小于10 V时，输出恒定的充电电流100mA±2%或者200mA±1%，纹波电流小于0.5mA；当电池电压为10V时，输出恒定的充电电压10V±2%，纹波电压﹤2mV系统还具有充电完成自动断电、电池过热保护、芯片过热保护、液晶显示、无线通信、上位机显示以及短信控制功能该作品功能齐全，报告格式完整，元器件选择合理，工作稳定，测量结果准确较好的实现了题目要求，显示出自己的特色缺点是输出恒定的充电电流与设定值有一定的差别烟台大学光电信息学院 王仲训教授2008/09/20摘 要基于反馈控制理论，设计并制作了一款简易数控充电电源。

该数控充电电源具有“慢充”或者“快充” 两个档位当电池电压小于10 V时，输出恒定的充电电流100mA±2%或者200mA±1%，纹波电流小于0.5mA；当电池电压为10 V时，输出恒定的充电电压10V±2%，纹波电压﹤2mV此外，系统还具有充电完成自动断电、电池过热保护、芯片过热保护、液晶显示、语音提示、无线通信、上位机显示以及短信控制功能关键词 数控 充电电源 恒压 恒流AbstructBased on the Theory of Feedback Control，we designed and fabricated a summary of the NCchargingpowersupply.TheNCchargingpowersupplyhas"slowlyfilling"or"fastcharge"twostallsWhenthebatteryvoltageislessthan10V，itsoutputconstantchargecurrent100mA±2%or200mA ± 12%, its ripple current of less than 0.5mA; When the battery voltage to 10 V, its outputconstant charging voltage 10 V ± 2 percent, its ripple voltage of less than 2 mV. In addition, thesystem also has completed automatically power off when changing completed, batteriesoverheating protection, the protection of overheating chips, liquid crystal display, voice prompts,PC display and GSM communication technology.Keyword numerical control；charging power supply；constant voltage；constant current目 录摘 要 IAbstruct I一 总体方案设计 11.1 系统供电电源的选择 11.1.1 芯片供电 11.1.2 恒流源和恒压源的供电 21.2 恒流源和恒压源的方案选择 21.2.1 恒流源方案 2目录2008年E题 简易数控充电电源........................................................................................................................................................................................11.2.2 恒压源方案 41.3 A/D和D/A转换器的选择 51.3.1 A/D的选择 51.3.2 D/A的选择 61.4 控制器的选择 61.5 充电模式切换开关的选择 71.6 温度传感器的选择 71.7 辅助功能组件 7二 系统电路设计 92.1 系统供电部分 92.1.1 芯片的供电 92.1.2 充电电源的供电 102.2 充电电源部分 112.2.1 恒流源 112.2.2 恒压源 112.3 信号的采集与放大部分 122.3.1 恒流源电路中的信号采样 122.3.2恒压源电路中的信号采样 132.4 控制部分 142.4.1 AD\DA转换 142.4.2 继电器控制 152.5 过热保护部分 162.6 外设部分 162.6.1 键盘输入液晶显示 162.6.2 语音提示 172.6.3 无线通信和上位机 17三 系统软件设计 183.1 控制算法的选取 183.2 程序流程图 193.2.1 预设阶段 193.2.2 恒流充电阶段 203.2.3 恒压充电阶段 213.2.4 温度检测 223.3 键盘和液晶程序流程图 22四 系统测试 234.1 测试仪器 234.2 测试方法 234.3 测试步骤及数据 244.3.1 测试步骤及数据 244.4 测试分析 26五 设计总结 27参考文献 28一 总体方案设计高精度充电电源，从控制论角度说，必须采用闭环控制。

题目要求采用数控方案，因此控制器及其编程，相应的电流电压采样信号的AD转换和控制信号的DA转换都是必不可少的充电电源要求在恒流充电模式和恒压充电模式之间自动切换，所以开关的可靠性非常重要无论是恒流输出还是恒压输出，对它们的纹波都有较严格的要求，因而系统供电部分需要特别设计，以控制纹波在允许范围内电池的过热保护则需引入温度传感器部分系统主要涉及以下几个方面的内容：（1）系统供电电源（2）恒流源和恒压源（3）各信号的AD及DA转换（4）控制器及其相应控制程序（5）充电模式的切换开关（6）温度传感及过热保护（7）辅助功能组件1.1 系统供电电源的选择1.1.1 芯片供电由于控制器，AD/DA转换器，各放大器的供电电压为+5V与±15V这部分供电无论是电压精度和纹波要求都相对较低，开关电源或是线性稳压电源均可满足要求这里我们选择采用78，79系列三端稳压管构成的成熟线性稳压电源来获取+5V与±15V电源如图1.1所示图1.1 三端稳压管构成的线性稳压电压1.1.2 恒流源和恒压源的供电恒压源和恒流源的纹波系数要求很高，必须在供电部分将纹波减小到可接受范围开关电源的纹波系数较大，无法满足上述要求，只能采用线性稳压电源方案。

78系列三端稳压管的稳压精度较低，抑制纹波需要大量电容或采取复杂的有源滤波电路LM338芯片是TO3封装的大电流高精度稳压芯片，电路简单，纹波和温漂非常小，加少量电容滤波即可达到系统对电源纹波的要求，如图1.2所示图1.2 LM338构成高精度稳压电源的典型电路图1.2 恒流源和恒压源的方案选择1.2.1 恒流源方案方案一：完全采用数字反馈控制的恒流源方案这种电路不以基本的恒流源电路为基础，而是完全通过数字反馈实时调整由于负载变化带来的电流变化原理图如图1.3所示图1.3 全数字反馈恒流源方案取样电阻R串入负载回路，放大取样电阻两端的电压，通过A/D转换可以得到负载回路的电流值，控制器采用一定的控制算法调节D/A输出的电压值，放大后直接作为负载的电源使用这种方案在控制原理上较简单，原则上可以用在任意控制要求中例如将采样电压接在负载两端，即可得到数字反馈的恒压源但是缺点也是很明显的，那就是电路本身不具备恒流特性，负载变化引起的电流变化完全依赖数字反馈来调整受控制器运算速度、模数/数模转换精度和速度影响，抗负载波动能力差由于本题目要求的恒流值为固定的100mA和200mA，而不需要步进调节恒流值，因此纯数字反馈带来的控制简单的优势不明显。

在这里，恒流设计重点应是对抗负载变化上，所以不采用图1.3所示全数字控制方案方案二：采用电压电流转换电路产生恒流如图1.4所示，R0为为采样电阻，负载电流I0=UI/R0由于题目要求的电流精度较高，所以需要采用精密运放来实现但是精密运放输出电流很小，在精密运放A1的后极需要加放大电路扩流，电路实现起来较复杂图1.4 电压电流转换电路方案三：压控恒流源电路该方案的基本思路是，模拟电路部分本身是恒流源电路，对负载变化能自动调节压控部分通过数字反馈控制，闭环控制作精确微调如图1.5所示，该方案采用场效应管和集成运放，组成电流串联负反馈电路，电路工作在深度负反馈状态下，具有良好的压控恒流特性Re为取样电阻，负载电流通过Re在运放的输入端形成负反馈，由运放的虚短虚断，则可得到输出电流IL的表达式：IL=Vi / Re此方案的调节速度快，系统的跟随性好，电流随负载变化动态性能优越并且由于题目仅要求100mA和200mA两个恒流值，控制器可将数字控制信号的输出范围限定很小值，负载的变化主要由模拟部分自适应，数字部分仅作很小范围的微调，速度快，控制精度高图1.5 压控恒流源电路综上考虑，恒流源电路采用方案三：压控恒流源电路方案。

1.2.2 恒压源方案方案一：类似恒流源方案一的全数字反馈方案图1.6 全数字反馈的电压源如图1.6所示，与全数字反馈的电流源电路情况类似，如果用于电压精确可调的可变电源源场合，全数字方案无疑可以带来极大方便但是题目仅要求恒定电压10V，带来电压不稳定的主要因素来自负载的变化，因此完全依靠数字反馈的方案不仅速度慢，而且频繁调整控制量会引入不必要的纹波方案二：采用稳压芯片进行开环的恒压输出该方案简单，仅用高精度的稳压芯片即可实现，对负载的变化电压有良好的应变能力若采用LM338等高精度稳压芯片纹波系数也可以很好的控制在要求范围但是此类芯片要达到电压波动范围的长时间稳定，必须匹配高精度低温漂电阻，且引线电阻也需要考虑，抗干扰能力差如图1.7所示，高精度稳压电路中R1和R2必须为高精度低温漂电阻，引线电阻Rp也必须要考虑图1.7 LM338的引线电阻误差方案三：稳压芯片加数字反馈控制方案该方案基本思路是将稳压芯片输出电压的控制端引入数字反馈负载变化引起的电压变化主要由稳压芯片自身模拟调节，数字反馈仅微调稳压芯片的控制端如图1.8所示原理图，采用稳压芯片7808获取2，3引脚之间的+8V恒压数字反馈将3引脚电压稳定在+2V，这样整个稳压电路输出电压将为+10V。

检测负载电压值并进向AD转换，控制器控制DA转换输出值，将负载电压稳定在+10V7808的+15伏供电采用LM338稳压过的精密电压，所以7808的输出纹波同样能控制在很小范围采用该方案既能保证负载变化时，稳压芯片大范围内自动稳压，又有数字反馈的作为精确的微调，因而稳压速度和精度都能得到满足图1.8 恒压控制原理图综上考虑，采用方案三：稳压芯片加数字反馈控制方案，能够满足题目要求1.3 A/D和D/A转换器的选择1.3.1 A/D的选择A/D转换器是将连续变化的模拟信号转换为离散的数字信号以便于数字系统进行处理，存储、控制和显示按A/D转换器的转换原理分，有积分型、逐次逼近型等题目要求的最大输出电流为200mA，电流变化小于3mA，所以A/D转换器精度最小为8位方案一：采用凌阳自带的10位A/D转换器凌阳自带的10位A/D转换器为逐次逼进型AD，虽然分辨率可以满足要求，但抗干扰能力较弱，充电器对电压、电流的波动范围限制很严格，因此不宜采用方案二：采用双积分式的11路独立输入的A/D转换器TLC。