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简易数控充电电源
2008年E题简易数控充电电源
时间:
2009-04-2414:
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竞赛组委会作者:
大学全磊点击:
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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
大学全磊、阳阳、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10V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。
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10V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。
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
Abstruct
BasedontheTheoryofFeedbackControl，wedesignedandfabricatedasummaryoftheNCchargingpowersupply.TheNCchargingpowersupplyhas"slowlyfilling"or"fastcharge"twostalls。
Whenthebatteryvoltageislessthan10V，itsoutputconstantchargecurrent100mA±2%or200mA±12%,itsripplecurrentoflessthan0.5mA;Whenthebatteryvoltageto10V,itsoutputconstantchargingvoltage10V±2percent,itsripplevoltageoflessthan2mV.Inaddition,thesystemalsohascompletedautomaticallypoweroffwhenchangingcompleted,batteriesoverheatingprotection,theprotectionofoverheatingchips,liquidcrystaldisplay,voiceprompts,PCdisplayandGSMcommunicationtechnology.
Keywordnumericalcontrol；chargingpowersupply；constantvoltage；constantcurrent
目录
摘要I
AbstructI
一总体方案设计1
1.1系统供电电源的选择1
1.1.1芯片供电1
1.1.2恒流源和恒压源的供电2
1.2恒流源和恒压源的方案选择2
1.2.1恒流源方案2
1.2.2恒压源方案4
1.3A/D和D/A转换器的选择5
1.3.1A/D的选择5
1.3.2D/A的选择6
1.4控制器的选择6
1.5充电模式切换开关的选择7
1.6温度传感器的选择7
1.7辅助功能组件7
二系统电路设计9
2.1系统供电部分9
2.1.1芯片的供电9
2.1.2充电电源的供电10
2.2充电电源部分11
2.2.1恒流源11
2.2.2恒压源11
2.3信号的采集与放大部分12
2.3.1恒流源电路中的信号采样12
2.3.2恒压源电路中的信号采样13
2.4控制部分14
2.4.1AD\DA转换14
2.4.2继电器控制15
2.5过热保护部分16
2.6外设部分16
2.6.1键盘输入液晶显示16
2.6.2语音提示17
2.6.3无线通信和上位机17
三系统软件设计18
3.1控制算法的选取18
3.2程序流程图19
3.2.1预设阶段19
3.2.2恒流充电阶段20
3.2.3恒压充电阶段21
3.2.4温度检测22
3.3键盘和液晶程序流程图22
四系统测试23
4.1测试仪器23
4.2测试方法23
4.3测试步骤及数据24
4.3.1测试步骤及数据24
4.4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，以控制纹波在允许围。
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1.2LM338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围。
但是此类芯片要达到电压波动围的长时间稳定，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1.7LM338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+10V。
7808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围。
采用该方案既能保证负载变化时，稳压芯片大围自动稳压，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。
1.3A/D和D/A转换器的选择
1.3.1A/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TLC2543。
A/D的分辨率为12位，可实现精确到0.1毫安级精度的控制。
作为一款双积分式AD，其抑制高频噪声和固定低频干扰（50HZ或60HZ）的能力很强，us级的转换速率也完全满足系统要求，因此选用方案二。
1.3.2D/A的选择
D/A转换器是指将数字量转换成模拟量的集成电路，它的模拟量输出（电流或电压）与参考量（电流或电压）以及二进制数成比例，可方便实现数字量到模拟量的转化。
方案一：
用凌阳自带的DAC通道。
凌阳自带两路DAC通道，但由于本系统要求语音输出，DA通道已被占用，放弃此方案。
方案二：
采用D/A转换器AD7564。
AD7564为12位的数模转换芯片，转换速度快，精度高。
由于其线性度和稳定性都非常好，在硬件上保证了系统不会出现过大的震荡和超调，能显著提高充电器的品质。
1.4控制器的选择
方案一：
采用可编程逻辑器件CPLD作为控制器。
CPLD可以实现各种复杂的逻辑功能、IO资源丰富、系统处理速度快，适合作为大规模控制系统的控制核心。
但本系统不需要复杂的逻辑功能，对数据处理速度的要求也不高。
从器件功能利用率及经济的角度考虑，放弃此方案。
方案二：
采用AT89C51单片机进行控制。
本设计需要使用的软件资源比较简单，采用AT89C51进行控制也就比较简单，但是51单片机资源有限，集成度比较低，控制输入输出，需要外接8279之类的芯片进行I/O扩展，需要的外围电路比较多，实现起来就比较复杂。
方案三：
采用SPCE061A单片机进行控制。
SPCE061A凌阳单片机具有强大功能的16位微控制器，具有驱动能力强、集成度高、易扩展、可靠性高、功耗低、结构简单、中断处理能力强等特点且I/O口资源丰富。
采用SPCE061A单片机，能将相当一部分外围器件结合在一起，使用方便，抗干扰性能提高，故本系统采用了SPCE061A单片机。
1.5充电模式切换开关的选择
题目要求充电模式要能从恒流状态转为恒压状态，为了避免相互干扰，恒流电路和恒压充电电路分别独立设计。
要实现两个电路在电池上的切换，必须引入可靠的开关。
方案一：
采用CD4051COMS模拟开关
此方案的优点是开关速度快，缺点是引入该开关后，电池两端的地线选择困难。
实际应用中开关本身对模拟信号的支持不佳，极大影响充电电路整体精度。
由于恒流向恒压切换的频率要求很低（往往只有恒流向恒压的一次切换），模拟开关的开关速度优势在这里无法体现。
方案二：
继电器开关
继电器是最可靠的电气隔离方式，采用继电器开关后，电池充电电路的地线选择非常方便，切换和工作非常可靠，对模拟信号传递没有任何障碍。
在开关速度不高的场合，首选应是继电器开关。
综上考虑，充电模式的切换采用继电器作为开关。
1.6温度传感器的选择
为同时实现对系统部和电池的温度监控，需采用两点测温。
方案一：
采用PT100/PT1000或NTC热敏电阻进行温度测量。
PT100、NTC测温精度较高，且测温围很广。
但由于其输出为阻值信号，需通过电桥电路、信号放大电路、AD转换电路才能实现温度测量，硬件电路复杂，在需要两点测温时硬件开销较大。
且由于输出的是模方案。
方案二：
采用单总线数字传感器DS18B20。
DS18b20的测温精度可拟信号较易受干扰，因此不采用此以达到0.5度，分辨率可达0.0625度。
采用独特的单总线接口，仅需一条总线即可测量多点的温度，方便构成两点测温系统。
同时由于其为全数字量输出，可以方便的与单片机进行接口，并具有较强的抗干扰的能力。
综上考虑，采用方案二。
1.7辅助功能组件
辅助功能包括：
（1）键盘控制：
通过键盘选择电池容量（以判断充满条件），充电模式（快冲慢充等）。
（2）液晶显示：
显示键盘控制选项，实时显示充电状态，包括电流电压温度等。
（3）语音播报：
电池的过热警报，电池充满提示等
（4）上位机显示：
显示充电状态，描绘充电曲线等。
（5）GSM通信：
可通过普通GSM手机发送接受短信方式监视和控制充电器
（6）充满后自动断电：
以充电电流降为1/10电池容量为判断充满依据，自动停止充电。
二系统电路设计
参考图2.1所示系统结构框图，“充电电源”框图部分包括恒流源、恒压源。
“控制部分”框图包括单片机及外围的AD、DA转换电路和继电器开关部分。
“电压、电流以及温度检测”框图包括信号的采集和放大电路。
所有框图大都需要供电，未避免连线混乱，供电电路未在系统框图中画出。
图2.1系统框图
2.1系统供电部分
系统供电部分主要为单片机等芯片提供直流电源。
由于题目对纹波电压和纹波电流的要求比较高，故分别设计了芯片的供电和充电电源的供电。
2.1.1芯片的供电
单片机、继电器、LM338和其它芯片的供电，需要+5V和±15V电源。
我们选用78，79系列三端稳压管构成线性稳压电源，如图2.2-2.3所示。
变压器参数为30W，±18V。
图2.25V电源电路图
图2.3±15V电源电路图
2.1.2充电电源的供电
纹波电流要小于1mA，必须采用高精度大电流稳压电源，首先从源头上减小纹波电流。
因此，我们以稳压芯片LM338为核心，构成纹波电流极小的稳压电源，如图2.4所示。
图2.415V电源电路图
在方案选择中，已经详细描述了LM338的功能，这里不再赘述。
由于输出电流最大200mA，输出电压最大10V，负载消耗功率最大为2W。
2.2充电电源部分
充电电源部分包括压控恒流充电部分和恒压充电电路及两者的切换电路。
2.2.1恒流源
压控恒流充电部分采用以IRFP460NPN型场效应管为主的压控电流产生电路及相应的采样检测电路。
图2.5压控恒流产生电路
如图2.5所示，运放的反相端输入端与输出端同样采用负反馈电路，且运放的同相输入端的信号来自与数模转换模块的运放输出，稳定度很高，由于运放的虚短虚断使D/A输出与采样电压相同。
采样电阻的电流=UD/A/采样电阻。
由于场效应管的压控作用，使采样电阻的电流等于负载电流。
这样电路的输出电流直接取决于D/A输出电压和采样电阻的比值。
通过测定采样电压确定采样电阻的电流，即流过负载的电流，场效应管起到了控制电流和可变电阻的作用。
2.2.2恒压源
如图2.6所示，恒压充电电路采用LM7808输出加上D/A反馈电压实现，先由D/A输出2V的电压，再加上7808的输出，电压正好是10V。
单片机将负载电压A/D输入的采样信号经过处理后输出控制量反馈回电路中，实现闭环控制。
在程序设定当DA输出的数字量为2000时，通过调整反相比例电路的比例增益倍数，使负载两端的实际输出电压为10V。
保持DA输出不变，即保持输出电压为10V不便，调整AD采样器3通道前端的信号调理电路的增益，使AD转化后的数字量为2000。
这样，当AD转换后的结果为temp时,实际输出的电压值U为
U=temp*10/2000;
通过计算temp与2000的偏差，可以得到实际输出值与设定值的偏差e，从而利用软件控制算法进行修正，实现闭环控制。
在7808的输出端串联电阻RS，通过检测该电阻上的电压来间接得到负载上的电流值。
由于输出电压采样是在电阻RS的后端进行的，因此1欧姆电阻上的压降并不影响输出电压的准确性。
当检测到实际充电电流小于电池容量的10%时，系统认为电池已经充满，系统自动断电同时液晶显示充电结束。
图2.6恒压充电电路
2.3信号的采集与放大部分
2.3.1恒流源电路中的信号采样
如图2.5所示恒流源电路的采样信号为采样电阻上的电压，该电阻采用康铜丝材料。
因为它具有功率大，受热情况下其阻值改变不大的优点，采用电桥测定该电阻值为0.465Ω。
采样信号的放大主要是由仪用放大器AD620实现，AD620输入偏置60v，温漂0.6v，峰值噪声特性0.28v，高达120db的共模抑制比，输入阻抗1012，非常适合做前端放大器。
本题中所涉及的微弱电压信号放大都是由AD620实现的，一般的放大原理图2.7所示。
图2.7AD620仪表放大器电路
恒流源电路中还需要测量负载两端电压作为切换恒压充电的依据。
由于在图2.5电路中，负载两端均不接地，要测量负载电压只能采取测负载两端电压差。
这需要用到减法器。
用三个独立运放可构成减法器电路，如图2.8所示。
但采用该电路时，匹配精确电阻将是非常困难的。
而AD620可直接成比例放大差值信号，所以负载两端电压测量也采用AD620，如图2.5所示那样。
图2.8由独立运放构成的精密减法器电路
2.3.2恒压源电路中的信号采样
如图2.6所示，负载电压的采样与恒流电路中的负载电压采样为同一电路。
而采样电阻Rs作用是测量恒压充电时的电流，也需要采用AD620进行放大。
该电流大小将作为判断电池充满的依据。
该信号将提供给“辅助功能组件”的充满自动断电电路使用。
2.4控制部分
2.4.1AD\DA转换
1.A\D转换
该部分是将采样电压信号转换成数字信号输送给单片机。
题目要求最大输出200mA，精度是小于3mA，TLC2543是12位的，精度为0.0488mA完全满足要求。
如图2.9所示，利用TLC2543的0、3、5通道分别完成恒流充电阶段的电流采样信号转换、恒压阶段的电流采样信号转换和恒压阶段的电压采样信号转换。
图2.9A/D转换框图
2.D\A转换
该部分是将单片机输出的数字控制量转换成模拟量，即生成充电电源的控制电压。
对D/A的精度要求与A/D的一样，所以12位的D/A转换器AD7564也满足题目要求。
如图2.10所示，D/A的输出信号通过继电器选择输入恒流充电电路和恒压充电电路。
单极性电路的输出电压是负值，所以要加上电压反向电路。
图2.10控制器输出的数模转换部分
2.4.2继电器控制
由于题目要求先恒流充电，达到10V后恒压充电，且过热保护后能够自启动，所以需要控制切换电路适应不同的需要。
参考图2.11所示，通过控制继电器来实现电路的切换，本系统采用HK19F型的继电器，该继电器有两路常开、常闭触点，能够满足控制需要。
用单片机的四路I/O通过三极管控制四个继电器的通断
图2.11系统工作切换图
2.5过热保护部分
作为电源，保护是不可缺少的。
本系统能够实现对充电器部的功率器件以及电池的温度进行实时监测，当温度超过限定值时采取一定的措施防止温度进一步升高以免发生危险。
系统温度检测是由数字温度传感器ds18B20实现的。
Ds18b20具有测温系统简单、测温精度高、连接方便、占用口线少等优点，特别适用于多点测温。
硬件接口电路如图2.12所示。
图2.12数字测温的硬件接口电路
其中一号18B20实现对电池温度的测量，当电池温度高于60度时，IOA12变为高电平驱动三极管导通，从而接通继电器的线圈，切断15V供电和负载的联系。
同时将当前状态下的D/A输出值保存入record变量，然后将D/A输出置零，液晶屏同时显示暂停充电，并一直循环检测温度。
当温度低于58度时，认为故障已排除，重新接通电源继续充电。
二号18B20实现对功率器件温度的检测。
当检测到温度高于60度时，风扇工作；当温度小于55度时，风扇停转。
2.6外设部分
2.6.1键盘输入液晶显示
（1）键盘可输入：
慢充或快充，电池容量。
具
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