E甲1121 简易数控充电电源.docx

简易数控充电电源参赛编号：E甲1121简易数控充电电源（E题）参赛学生： 李海洋 刘婧瑀 马力 参赛学校： 中国海洋大学 指导教师： 程 凯 202008-9-15目 录摘 要1一、 系统设计11 设计思路12 方案论证与比较22.1 电路组成22.2 模数转换32.3 充电电源的恒流、恒压电路4二、 硬件设计51 控制器单元52 充电电源单元53 差分运算放大电压单元54 模数转换单元65 温度采集单元76 显示单元7三、 软件设计71 设计思路71.1 主程序71.2 温度采集81.3 充电电源程序91.4 A/D转换程序91.5 显示程序101.6 中断服务程序11四、 系统测试111 测试仪器112 测试方法113 测试结果113.1 输出恒压113.2 恒流输出12五、 结束语14参考文献14附录15附录1 元器件明细表15附录2 程序清单15附录3 印制板图20附录4 系统使用说明21简易数控充电电源（E题）摘 要 本充电电源将LM317集成的恒流源与TL431集成的恒压源相串联，实现稳压和恒流充电。本电路设计简单，易于实现，采用AD626进行高端电流检测，将检测所得数据通过TLC2543 A/D转换器发送至单片机，同时采用DS18B20单总线数据温度芯片实现温度采样及转换，由LCD液晶显示屏显示电压和电流以及温度值，显示清晰、人机界面友好。此外，本充电电源具有过热保护功能，降温后可自动恢复工作。关键词：ATmega16单片机；TL431；AD626；LM317；A/D转换器；单总线AbstractThe rechargeable power to ATmega16 microcontroller as the core,LM317 3-Terminal Positive Adjustable Regulator voltage and current stability,DS18B20 Programmable Resolution 1-Write Digital Thermometer samples temperature data, analog-digital conversion come true through 2543 protected quad power driver, LCD display through LED voltage value and Current value. In addition, the charging power supply is overheating protection, cooling down automatically after the return to work. Key words : ATmega16; TL431; LM317; AD converter; DS18B20; 1-Write 一、 系统设计1 设计思路 本充电电源由LM317芯片集成的恒流源和TL431集成的恒压源串联而成，通过AD626高端电流检测功能精确测量电流值，由A/D转换器TLC2543将所得电压值与电流值转换成最高精度为12位的数字量，结果由LCD显示。本充电电源不仅能实现基本功能，而且稳电压充电和恒电流充电精度可达到发挥部分要求。总体方案设计如图1所示。图1 总体设计方案2 方案论证与比较2.1 电路组成方案一：采用电压源与电流源并联方式，两者可切换，输入为电压源的时候，输出为恒压，反之为恒流输出。但此方案操作复杂，不容易实现。电路图如图2所示。图2 方案一电路方案二：采用稳流/稳压电源方式，如图3所示。此方案理论上有较强的可行性，但是电路复杂，不易操作。图3 方案二电路方案三：采用稳流和稳压电路串联方式，结构简单，易于操作，且能利用AD626的高端电流检测功能和A/D转换器TLC2543精确完成各项指标。电路图如图4所示。图4 方案三电路 因此，我们选择方案三。2.2 模数转换 题目要求输出恒流时，输出电流变化的绝对值3mA；纹波电流1mA；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。则应选精度较高模数转换器。备选方案如下：方案一：采用ATmega16单片机内部10位逐次逼近模数转化器，该转换器最高采样率分辨率可达15ksps，是8位复位单通道输入，转换速度达到60260µs，同时支持16路差分放大组合，ADC与一个8通道的模拟多路复用器连接，能对来自端口 A的 8 路单端输入电压进行采样。单端电压输入以 0V (GND) 为基准，两路差分输入 (ADC1、 ADC0 与 ADC3、 ADC2)有可编程增益级，在 A/D 转换前给差分输入电压提供 0dB(1x)、20dB(10x)或 46dB(200x)的放大级。七路差分模拟输入通道共享一个通用负端 (ADC1), 而其他任何 ADC 输入可做为正输入端。如果使用 1x 或 10x 增益，可得到 8 位分辨率。如果使用 200x 增益，可得到 7 位分辨率。可见内部模数转换器ADC使用方便，成本小。方案二：A/D转换器TLC2543具有转换速度高，通用控制能力强，片内有14通道多路器可以在11个输入通道或3个内部自测试（self-test）电压中任意选择一个，采样-保持是自动的。在转换结束时，“转换结束”（EOC）输出端变高以指示转换的完成。转换器结合外部输入的差分高阻抗的基准电压，具有简化比率转换、刻度以及模拟电路与逻辑电路和电源噪声隔离的特点。开关电容的设计可以使在整个温度范围内有较小的转换误差。 因此，我们选择方案二。2.3 充电电源的恒流、恒压电路方案一：采用LM317集成稳压电路作为恒流源输出时，电路容易实现，输出电流稳定，且改变负载电阻时电流足够稳定。但作为恒压源输出时不能很好的稳压。电路如图5所示。 方案二：采用TL431精密可调式分流调节器作为电压源时，电路简单，实用方便，能很好的稳定电压，但改变负载电阻时电流不足够稳定。而LM317则可以实现稳流。电路如图6所示。因此，我们选择方案二，即采用LM317作为恒流源，TL431恒压源。图5 LM317恒压源图6 TL431恒压源二、 硬件设计1 控制器单元 ATmega16单片机获取DS18B20芯片和A/D转换器TLC2543传输的数据，将所得数据发送至LCD液晶屏实时显示当前温度、电压和电流。此外，温度超过60度时，自动停止充电，并发出报警信号。单片机是连接液晶屏和充电电源的枢纽，充分发挥了单片机读写功能。2 充电电源单元本充电电源将LM317集成的恒流源与TL431成的恒压源相串联，实现稳压和恒流充电。LM317集成稳压芯片为三端集成电路电压可调节器，电压在1.2V和37V之间，电流不超过1.2A，内部有短路电流限制和过热保护。可实现电源充电器输出恒流时电流100mA（慢充）和200mA（快充）；改变负载电阻，输出电流变化的绝对值3mA；纹波电流1mA。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10V。本机具有输出电压，电流的测量和数字显示功能。3 差分运算放大电压单元 AD626是一种价格低廉、真正单电源供电的差分运算放大器，也是一种引脚可编程增益仪用放大器，主要用于对共模电压源的小差分电压进行放大和低通滤波。AD626既能用单电源供电，也能用双电源供电，本充电电源使用单电源充电。另外，该放大器输入端具有保护措施，免遭高压（50V）击穿的损坏。利用AD626芯片的高端电流检测功能将精确测得的电压数据发送到TLC2543芯片。电路如图8所示。图8 AD626原理图4 模数转换单元 TLC2543是12位开关电容逐次逼近模数转换器。有三个控制输入端：片选（CS），输入/输出时钟（I/O CLOCK）以及地址输入端（DATA INPUT）。可以通过一个串行的3态输出端（DATA OUT）与主处理器或其外围的串行口通讯，将所获的电压值和电流值转换成数字量，输出转换结果。电路如图9所示。图9 TLC2543电路图5 温度采集单元 采用DS18B20芯片采集温度数据，特点是具有独特的单线接口，只需要一个接口即可通信，可采用数据线供电。DS18B20芯片有三个主要数据部件：64位激光（LASERED）ROM、温度灵敏元件、非易性温度告警触发器TH和TL。芯片从单线的通信线取得电源，在信号源为高电平的时间周期内，把能源储存在内部电源中。另一种选择方法，也可选择外接5V电源。其电路图如图10所示。图10 DS18B20芯片6 显示单元 LCD液晶显示屏可显示字母、数字符号、中文字型及图形，具有绘图及文字画面混合显示功能，这里我们采用串行接口。三、 软件设计1 设计思路1.1 主程序 LCD液晶屏显示屏及各个芯片端口初始化，将所得的电压值和电流值及温度数据以浮点型数据发送并显示。如图11所示。图11主程序流程1.2 温度采集 DS18B20单总线数字温度芯片采集温度数据，并将9位温度数据发送到A/D转换器2543，并通过LCD显示。操作命令指示其完成温度的测量，该测量的结果放入DS18B20的高速暂存存贮器，通过发出读暂存存储器的存储器内部存储操作命令可以读出此结果。每一温度告警触发器TH和TL构成的一个字节的EEPROM。使用存储器操作命令可以写TH和TL。所有数据均以最低有效位在前的方式读写。如图12所示。 图12 温度采样流程图1.3 充电电源程序 LM317集成稳压芯片可组成产生恒定电压和电流的电路，利用相关电路的设置得到恒定电流、稳定电压，又有负载电阻可进行测试。如图13。图13充电电源程序1.4 A/D转换程序 TLC2543 是12位开关电容逐次逼近模数转换器。有三个控制输入端：片选（CS），输入/输出时钟（I/O CLOCK）以及地址输入端（DATA INPUT）。本器件可以将所得的模拟量转换成数制量，并发送到单片机。一开始，片选（CS）为高，I/O CLOCK和DATA INPUT被禁止以及DATA OUT为高阻抗状态。CS变低开始转换过程，I/O CLOCK和DATA INPUT使能，并使DATA OUT端脱离高阻抗状态。输入/输出时钟系列是加在I/O CLOCK端，以传送这个数据到输入数据寄存器。 在这个传送的同时， 输入/输出时钟系列也将前一次转换的结果从输出数据寄存器移到DATA OUT端。模拟输入的采样开始于输入I/O CLOCK的第4个下降沿而保持则在I/O CLOCK的最后一个下降沿之后。I/O CLOCK的最后一个下降沿也使EOC变低并开始转换。程序如图14所示。 图14A/D转换流程图 1.5 显示程序 本设计采用LCD进行实时温度、电压值和电流值的显示。LCD具有包含显示RAM、字型产生器，都包含在一个芯片里面，只要一个最小的微处理系统，就可以方便操作模块。本设计采用了显示屏的部分功能，美观实用。如图15所示。图15 LCD显示设计1.6 中断服务程序 采用ATmega16单片机内部计数器1进行计数，每隔500ms发送温度数值，并在溢出中断服务子程序判断当前温度是否超过60摄氏度，若超过，则启动继电器将充电电源断开，通过这个巧妙的设计使得充电时具有了过热保护功能。四、 系统测试1 测试仪器 电压表、电流表、电阻。2 测试方法 接通电源，将负载电阻加载输出端，将电流表串联到支路，将电压表接到电阻两端，读取测得数据如表1，表2，表3所示。3 测试结果3.1 输出恒压 输出恒压，改变电阻，记录电压值变化，绘成表格和折线图，讨论电压变化。经测得电压值如下表1所示。表1 电压变化表次数电压 电阻6.80013.600027.200054.400019.70009.75009.80009.920029.81009.76009.82009.940039.92009.76009.83009.910049.52009.77009.84009.9400平均值9.73759.76009.82259.9275变化值0.02250.06250.1050平均变化值0.0633图16电压变化图 误差分析X=1n(Xi-X)可算得X=0.O63<0.2V误差在题目发挥部分要求之内。结论由以上数据可分析得出，本充电电源可实现稳压充电，且电压波动明显小于0.2V，效果十分明显，恒压充电实验成功。3.2 恒流输出3.2.1 实验一电流I= 200mA 改变电阻，记录电流值变化，绘成表格和折线图，分析电流变化。经测得电流值如表2所示。表2 电流变化表电阻电流次数6.8000 13.600027.200054.40001196.2000197.1000198.6000199.70002196.3000197.4000198.6000199.60003196.0000197.3000198.7000199.70004196.1000197.3000198.5000199.8000平均值196.1500197.2750198.6000199.7000变化值1.12501.32501.1000平均变化值1.1833图17 电压变化误差分析 X=1n(Xi-X)可算得X=1.1833<3mA，误差范围在发挥部分以内。结论 有以上数据分析可得，电流值为100mA时，本充电电源可实现改变恒流充电，且改变负载电阻，电流波动明显小于3mA，试验成功。3.2.2 实验二电流I= 100mA 改变电阻，记录电流值变化，绘成表格和折线图，讨论电流变化。经测得电流值如下表3所示。表3电流变化数次流电阻电6.8000 13.600027.200054.400196.100097.100098.400099.7000296.300097.800098.500099.8000396.700097.600098.500099.5000496.800097.400098.400099.3000 平均值96，475097.475098.450099.5750变化值1.00000.97501.1250平均变化值1，0333图18 电流变化误差分析 X=1n(Xi-X)可算得X=1.0333<3mA，误差范围在发挥部分以内。结论 由以上数据分析可得，电流值为100mA时，本充电电源可实现改变恒流充电，且改变负载电阻，电流波动明显小于3mA，试验成功。五、 结束语经过全体队员的不懈努力，我们出色地完成了包括发挥部分在内所有的题目要求。本充电电源即可实现恒流输出和稳压输出，且输出恒流时，负载电阻变化，电流波动小于3mA；输出恒压时，负载电阻变化，电压波动小于0.2V。考虑到充电电源使用安全，本机又增加了过热保护功能，温度超过60°，充电电源自动断开停止充电；温度降低至小于60°，充电电源开始充电，大大增加了可使用性。 在这次比赛中，我们充分发挥团队合作精神。我们既分工又合作，一个负责软件，两个负责硬件，每人负责完自己的部分，又继续写报告，大大提高了工作效率。当调试过程中出现问题时，又聚在一起讨论，及时发现错误所在，使得工作进展顺利。我们更深刻地体会到团队精神的重要性。我们在比赛中做到精益求精，在完成基本功能之后，又向发挥部分进发，最后完成了所有的基本功能和部分发挥部分，并加入了自己的创新元素。最终出色的完成了本充电电源的制作。参考文献1AVR单片机C语言开发入门指导 沈文, Eagle Lee, 詹卫前编著 北京：清华大学出版社，2003 .9.10. 2AVR单片机C语言开发应用实例：TCP/IP篇 沈文, 黄力岱, 吴宗锋编著 北京：清华大学出版1987.9.63AVR单片机嵌入式系统原理与应用实践 马潮编著 北京：北京航空航天大学出版社，2007.9.14AVR单片机入门与实践 李泓等编著 北京：北京航空航天大学出版社，2008.8.6 5AVR单片机应用设计 李长林等编著 北京：电子工业出版社，2005 .7.86AVR单片机与CPLD/FPGA综合应用入门 黄任编著 北京：北京航空航天大学出版社，2004.8.87AVR单片机原理及应用 宋建国主编 北京：北京航空航天大学出版社，1998 .12.248AVR系列单片机C语言编程与应用实例 金春林, 邱慧芳, 张皆喜编著 北京：清华大学出版社，2000.10.8附录附录1 元器件明细表表4 器件明细表序号器件名称型号数量备注1单片机ATmega1612温度传感器DS18B2013A/D转换器TLC254314 显示屏LCD15差分运算放大器AD62616恒流电压电流源LM31727继电器SRS-02018电阻若干9电容2200uF310散热片211滑动变阻器5k2附录2 程序清单#include<iom16v.h>#include<macros.h>#include "ds18b20.h" #include "lcd.h"#define uint unsigned int#define uchar unsigned charfloat Volt1,Volt2;float tmp;#define clk2543 (1<<PA3)#define input2543 (1<<PA2)#define output2543 (1<<PA1)#define cs2543 (1<<PC7)#define input2 (1<<PA4)#define output2 (1<<PA5)void TLC2543Init() DDRA |= input2543|clk2543; DDRA &= output2543; DDRC |= cs2543; PORTA &= clk2543 ; PORTC |= cs2543; unsigned int Read2543( unsigned char x ) unsigned char a = 0; unsigned int i ;unsigned int y = 0 ;PORTC &= cs2543;for( i = 0 ; i < 12 ; i +) y <<= 1 ; if( PINA & 0x02 ) /*OUTPUT*/ y |= 0x01 ; if(x & 0x80) /*input = 1*/ PORTA |= input2543 ; else PORTA &= input2543 ;/*input = 0*/ PORTA |= clk2543; /* clk = 1 */ delayus(8); PORTA &= clk2543; /*clk = 0 */ delayus(8); x <<= 1 ; PORTC |= cs2543; return y ; float GetVolt( unsigned char ch) unsigned char i; unsigned long temp=0; for(i=0;i<128;i+) temp += Read2543( ch ); temp >>= 7; return (float)temp * 5.02 / 0x1000) ;void beep(void) DDRA |= 0x01; PORTA &=0xfe; delayms(500); PORTA |=0x01;#pragma interrupt_handler Int0: 2void Int0(void) unsigned int i,P = 0;beep();PORTB = (1 << 1);i = 1000;while (PIND & (1 << PD7) = 0);i = 1000;while (-i);DDRD |= (1 << PD5);PORTD &= (1 << PD5);DDRD |= (1 << PD1); void init_devices(void) CLI(); MCUCR = 0x00; GICR = 0x00; DDRD = 0xFF; PORTD = 0xFF; TIMSK = 0x00; /timer interrupt sources init_ds18b20(); /timer1_init(); SEI(); void main() int m = 0 ; init_devices(); init_lcd(); TLC2543Init(); lcd_display_string( 0x80,16,"*" ); lcd_display_string( 0x92,16,"欢迎使用" ); lcd_display_string( 0x88,16,"简易数控充电电源"); lcd_display_string( 0x98,16,"*"); delayms(1000); send_i(0x01); lcd_display_string( 0x80,16,"*" ); lcd_display_string(0x90,6,"电流："); lcd_display_string(0x97,2,"A"); lcd_display_string(0x88,6,"电压："); lcd_display_string(0x8F,2,"V"); lcd_display_string( 0x98,5,"*" ); while(1) Read2543( 0x20 ); Volt2 = GetVolt( 0x20 ); send_float(0x93,2,4,Volt2/10 );/电流 delayms(50); Read2543( 0x00 ); Volt1 = GetVolt( 0x00 ); send_float(0X8b,2,3,Volt1*2); lcd_display_string(0x9b,4,"T:"); lcd_display_string(0x9f,2,""); display_temperature(0x9c); if(complmenttofloat() > 29) DDRD |= (1 << PD6); PORTD &= (1 << PD6); if( m < 5) m+; beep(); PORTD &= (1 << PD0); lcd_display_string(0x9c,6," "); display_temperature(0x9c); delayms(500); PORTD |= 1 << PD0; 附录3 印制板图附录4 系统使用说明(1) 本充电电源使用时注意温度不应超过60°，以防损坏充电电源；(2) 使用前请仔细检查总电压和正负级的连接，注意使用安全。