刘斌涛-简易数控充电电源

1、简易数控充电电源B5B3C12C10A14A12A10A8C8GND; 参赛学校：青岛理工大学 参赛队员：刘斌涛 秦代平 段春辉指导老师：李虹 朱文杰 林旭梅 丁新平摘 要：系统是以单片机AT89C52为控制器设计的简易数控充电电源，其中包括A/D转换模块，D/A转换模块，LCD显示模块，以及恒流、恒压输出电路。系统的中心设计思想是单片机对电流值预置，经D/A转换控制恒流恒压模块输出电流，实际输出电流经A/D采样，转换送至单片机处理控制输出，构成闭环控制。负载电压小于10V时系统能够实现恒流输出，有100 mA或200mA两档可选，当负载电压为10V时改为恒压输出。 关键字： AT89C52单

2、片机 A/D D/A 恒流 恒压Abstract: The system use AT89C52 as the central controller, including a total of A / D(ADCICL7135) converter module, D / A(AD7541) converter module, LCD module, constant voltage and constant current output circuit. The center idea of the system design is that the MCU control the outp

3、ut current . the output current is sampled by the A/D and sent to the MCU that control the output, using a closed-loop control. The system can output current whose value is 100 mA or 200 mA optional. When the load voltage is 10 V, the output is changed to constant voltage to charge the load .Keyword

4、s: AT89C52MCU A/D D/A Constant current Constant voltage 一、方案设计、论证与比较1.控制部分 方案一：采用中小规模集成电路构成的控制电路。 方案二：采用可编程逻辑器件或ARM等32位高端机构成的控制器。方案三：采用以单片机为核心的控制器最小系统。 比较：方案一外围器件较多，实现较复杂，容易出故障，方案二价格较贵，而方案三具有价格便宜，容易掌握，可靠性高的等特点，所以采用方案三，即采用AT89C52为控制器。 最小系统原理框图见附图1-12. 恒流电路方案一:由三端可调式集成稳压器构成的恒流源以LM317为例，其最大输出电流为1.5A，输出

5、电压1.2V25V。3端与1端之间固定压降为1.25V，流经固定电阻后产生恒定电流。原理图1-2如右： 图1-2 三端稳压可调恒流源此方案优点是电路简单实现较容易，但精度稍微差一点，适合工业级要求。未采用此方案。 方案二: 采用场效应管压控电流源利用场效应管的恒流特性，单片机控制D/A输出设定值，通过电流反馈自调整，反馈信号与设定值比较，根据两者的偏差调整输出电压，控制IRF640的导通。此方法实现容易，精度很高。该电路可以提供高达1A的电流值，能很好的满足需要，而且电路简单容易实现。所以采用此方案。原理图见图1-3 3. 恒压电路 方案一：恒压电路采用三端可调稳压器单独提供10V电压，当恒流

6、充电电压等于10V时，通过继电器切换，实现恒压充电。此方案所需硬件较多，但实现较简单，在实际应用中，从恒压到恒流切换时，软件实现较麻烦，所以没有采用此方案。电路图见附图1-4方案二：采用电压串联负反馈机理构成恒压源，它由高精度稳压器MC1403，高精度运算放大器OP07和调整管等组成。1403为运放OP07提供参考电压，输出电压反馈送至OP07负参考端，比较后控制调整管，可以实现电压稳定输出。此方案经过试验证明，稳定性非常好，可以实现负载变化范围很大的要求，因此采用此方案。原理图见图1-5图1-5 恒压电路 图1-3 恒流电路 4. A/D采集电路 方案一: ADC0809是常用的8位A/D转

7、换器，属逐次逼近型，ADC0809由单一+5V供电，可对0 +5V的8路模拟电压信号分时进行转换，完成一次转换约需100s，所以速度较快，但是ADC0809芯片分辨率低，精度不够，不能满足本系统要求，不予采用。 方案二: ICL7135-BCD码输出、积分型A/D。其特点是：精度高、极性自动转换输出、自动校零、动态BCD码输出、对周期变化的干扰信号积分为零，抗干扰性能也比较好。在同等精度的情况下，其价格低于逐次逼近式A/D转换器。本设计采用控制精度较高的ICL7135进行电流、电压采样。5. D/A转换电路方案一:搭建模拟电路分压，控制场效应管的通断，此方法硬件简单实现可靠，但通过实际测量温漂

8、比较大，而且不能实现单片机控制调整。此方案不于考虑。 原理见附图1-6方案二:选用一片12位的AD7541A转换器芯片。此芯片转换精度高，长期运行低漂移，双极性输入，具有较强的抗共模干扰能力，能很好的满足题目要求，而且可以根据实际需要，扩展输出功能，在负载电压小于10V时，可预设0500mA任意值，方便系统升级。所以采用此方案。二系统实现方框图、理论分析计算及特色设计1.系统实现方框图本系统由单片机数据处理模块、A/D数据采集模块、D/A输出模块、恒流恒压源模块及键盘和显示模块(LCD)等几部分组成。其中单片机最小系统实现了主要的数控功能，是本控制电路的核心，由它来控制输出电流值。控制电路作为

9、采样信号和控制信号传输通道，分别应用ADC7135和AD7541A来实现。如图2-1所示：控制器显示器键盘电源采样输入电压电流源控制输出负载 图2-1 系统框图2.理论分析、计算1.电流采样采样电阻用低温漂康铜电阻，单片机设定电压值为0.02V，经D/A转换器输出的控制端加在运算放大器正输入端，采样值经反馈加在运算放大器的负输入端， 设定电流值 I=100mA 根据运放特性：电流采样电压U=0.02V 采样电阻 R= U/ I=0.2 实际应用当中很难精确测得0.2的电阻，应在软件 图2-2 电流电压采样 部分进行修正，使输出误差达到0.1% 。 当电流值 I=200mA 电压设定值为0.04

10、伏。 2.负载电压采样 采用电压跟随器减小负载干扰，电压跟随器输出端经分压送至A/D转换器，单片机内运算负载电压减去采样电流电压，为负载两端实际压降，此压降很精确。用于显示，比较。3.主电路设计恒流恒压源电路是实现设计要求输出电流值的最主要电路，由它实现恒定电流电压的变化输出。高精度稳压管1403输出稳定2.5V作为高精度低功耗OP07正端参考电压，OP07负端接入负载采样电压，经运算放大控制调整管TIP47，使输出电压稳定在10V。DA转换器输出经放大器反相，滤波电路滤波，（根据试验总结，此处加滤波电路滤波，能有效消除负载纹波，电路输出更稳定。）送至另一OP07正相输入端，负载电流采样，转换

11、为电压值送至OP07负相输入端，比较输出控制场效应管IRF640，使输出电流稳定在设定值。 当负载电压大于供电电压10V时，电流自动下降，负载电压就是供电电压10V，很好的实现了题目要求，当负载电压小于10V时为恒流充电状态，当负载电压为是10V时为恒压充电状态。原理图见2-3如下图2-3 恒压、恒流电路以设定电流值I=200mA为例，当负载电阻小于50时，电流为恒流200mA充电，当负载电阻增大，大于50时，负载电压就会等于10V，这时电流会自动下降，改为恒压10V充电。负载重新变小小于50时，系统又自动改为恒流充电。三硬件电路设计1. 电源供电电路本板需外接一个AC220/15V的变压器，

12、变压器的二次侧通过整流滤波后输入CW7812、CW7912便可得到+12v电压，+12V电压输入CW7805得到+5V电压，此电压做最小系统的电源，+5V电压经ICL7660得到-5V电压，作为所需-5V电压器件的电源。原理图见附图3-12.小系统版最小系统板以AT89C52单片机为内核， 并且具有良好的扩展性。CPU接有12MHZ的晶振，74LS373锁存电路，74LS138译码电路以及显示器件、ADC7135、DAC7541电路板插槽接口。原理图见附图3-23.ADCICL7135信号采集电路本电路由一个小型集成电路来实现，4051的9、10管脚接地，用80C51的P2.4、P2.5、P2

13、.6接11、10、9管脚来选通X0或X1采样电压或电流信号，采样后的信号经过OP07送到ICL7135进行处理（在这里选用精度稍高的OP07），将处理后信号直接送到单片机最小系统。ICL7135量程为0-2V，基准电压VREF由MC1403输出（2.5V）分压获得1V电压。它的BCD码位选通输出端D1-D4接在HC240上用于位选，因为万位只能是0或1，所以D5同时用于位选和数据位的选择，这也是本电路设计的一个亮点。原理图见附图3-3 可得放大倍数： 4.AD7541A 信号输出AD7541A是采用CMOS工艺制成的单片直流输出型12位数/模转换器。其具有非线性误差小，同频带宽，共模抑制比大等

14、优点。且其范围为14096，设计中要求控制只有100mA和200mA两个状态的电流值，因此可完全满足设计要求。在AD7541A的IOUT1、IOUT2输出端接了一个运算放大器OP07，将电流信号转换成稳定的负电压信号，但为了控制的方便，又加了一个OP07使负电压反相，得到稳定的正电压。 原理图见附图3-45.恒流恒压电路恒流恒压电路是一闭环控制电路，根据采样信号与设定值的偏差放大处理实现自校正。高精度稳压管1403输出稳定2.5V可调作为高精度低功耗OP07正端参考电压，OP07负端接入负载采样电压，经运算放大控制调整管TIP47，使输出电压稳定在10V。DA转换器输出经放大器反相，滤波电路滤

15、波，（根据试验总结，此处加滤波电路滤波，能有效消除负载纹波，电路输出更稳定。）送至OP07正相输入端，负载电流采样，转换为电压值送至OP07负相输入端，比较输出控制场效应管IRF640，使输出电流稳定在设定值。 原理图见附图3-56.显示模块和测温报警电路 显示采用带中文字库的液晶显示器LCM128645ZK，液晶显示器显示的信息量大，可视性强，配合各种状态指示灯，很好的实现人机对话。 测温电路采用数字温度传感器DS18B20。DS18B20支持"一线总线"接口，体积更小，适用电压更宽测量温度范围为 -55°C+125°C，在-10+85°C范

16、围内,精度为±0.5°C。DS18B20的精度较差为± 2°C 。现场温度直接以"一线总线"的数字方式传输，大大提高了系统的抗干扰性。当测量温度高于60时，采用声光报警。 原理图见附图3-67.防干扰设计（1）电源隔离：采用完全的独立电源供电，并在220V电源进线端设置电源滤波器，消除电网上的各种高频干扰，防止电网电压突变对系统造成冲击。（2）滤波电路：在D/A电路输出端加设滤波电路，能够很好的抑制纹波电流。（3）模数隔离：合理布置系统中的数字地和模拟地，避免数字信号对模拟信号的干扰。四软件流程设计软件系统的主要任务由A/D转换，D/

17、A转换，键盘扫描，液晶显示，温度报警等功能。由于本系统硬件上设计较为合理，因此给软件的编程带来了极大的方便，省去了不少麻烦。 流程图见附图4-1，图4-2.五系统测试1.应用Multisim 10.1软件仿真主电路原理图如下仿真测得部分数据：（1）恒流100mA慢充 负载电阻R=40时 （2）恒流200mA快充 负载电阻R=40时 （3）恒压10V 负载电阻R=50 （4）恒压10V 负载电阻R= 根据仿真结果，所设计主电路原理基本正确，满足题目要求并能很好实现其功能。2.系统功能和指标的测试方法：将4位半高精度数字万用表拨到测电流档与变阻器串联测电流值，同时通过电流表读得电流值并测得电阻器两

18、端电压。交流毫伏表接负载两端，测得纹波电压，再除以电阻值得纹波电流。 各测试值如表1-13主要测试仪器PC机、伟福仿真器E6000/L、4位半高精度数字万用表、交流毫伏表、滑动变阻器。4测试数据及结果分析测量值充电状态电阻（）电压（V）电流（mA）纹波电压（mV）计算得纹波电流（mA）输出状态慢充（100mA）101.0011008.60.86恒流202.005100.37.00.35404.005100.24.20.11505.00099.93.40.068808.008100.120.0251009.98099.820.02恒压1k9.9909.9920.0022k10.005.020.0

19、0110k10.001.0220.000210.000快充（200mA）102.004200.59.00.9恒流204.001200.17.50.375407.998199.85.00.125509.989199.720.04恒压809.996124.820.0251009.99699.920.021k9.9989.9920.022k9.9994.9920.0110k10.000.9920.000210.000由以上数据可以看出，系统的测试数据精度较高。输出恒流状态时，改变负载电阻，输出电流变化绝对值1mA；纹波电流1mA。输出恒压状态时，改变负载电阻，输出电压波动0.1V，纹波电压10mV。

20、系统实现了题目基本要求和发挥部分的要求，并且在负载较大时，各项指标远好于要求的指标。整机指标：输入交流200240V，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。系统对题目要求的完成情况：基本要求输出恒流时：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。实现输出恒压时，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实现具有输出电压、电流的测量和数字显示功能。LCD显示发挥部分输出恒流时： 改变负载电阻，要求输出电流变化的绝对值3mA；纹波电流1mA。实现，电流变化绝

21、对值1mA，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1。实现，输出电压波动小于0.1V；输出纹波电压小于10mV具有过热（60°）保护功能，降温后自动恢复工作。实现其他实现声光报警功能六 . 总结 本系统完成了题目基本要求和发挥部分的全部内容，完成的项目中大部分指标都优于题目要求，而且增加声光报警功能。系统经测试运行效果良好，可实现短接输出端子，而并没有出现故障。在本次设计过程中，我们遇到了很多突发事件和各种困难，其中数字部分对模拟电路的影响，造成系统纹波很大，设计和调试曾一度陷入中断，但通过团队的仔细分析和自我调整状态后我们终于解决了所有的问题。通过此次电子大赛使我们对模拟电路的设计、调试有了深刻的印象和理解。