《2012年TI杯电子设计大赛C题论文正稿》由会员分享，可在线阅读，更多相关《2012年TI杯电子设计大赛C题论文正稿（11页珍藏版）》请在金锄头文库上搜索。
1、.word格式.摘 要本系统以MSP430F5438为主控芯片，设计了全桥电路、电压电流检测电路、驱动电路、LC滤波电路及液晶显示和键盘，通过运放对电压、电流做反馈，再经过MSP430的调节来改变开关管的导通与关断，即软、硬件的协调配合，从而达到预控制目的。本设计能实现电子负载的恒流控制，检测电子负载的电流、电压并由液晶显示，整个系统具有稳定性强、调节速度快、精确度高的特点，很好地满足了题目基本部分和发挥部分的全部要求。该设计的最大亮点在于能够将低压侧的功率传送到高压侧，实现废电回收再利用功能。 关键字：电子负载,全桥,PI调节,PWM一、 方案论证1、 系统框图：本系统主要由全桥电路、电压电
2、流检测电路、驱动电路、LC滤波电路及液晶显示和键盘等主要模块组成，其系统框图如图1所示。键盘430单片机控制器电流比较全桥电路隔离驱动LC滤波功率器件被测电源电流检测电流显示电压显示电压检测A/DA/D图1 系统框图2、恒流模式设计：方案一：采用电流互感器对电流回路上器件的磁场进行反馈，构成恒流模块。然而该电路的实现形式比较复杂，考虑到竞赛的时间限制，不采用此方案。方案二：采用恒流二极管构成恒流模块，简单易行。但恒流二极管的恒流特性并不是非常好且电流规格比较少，价格又比较昂贵。故此方案也不可行。方案三：采用以全桥电路为基础，增加电流反馈电路，将电流信号转化为电压信号给单片机处理，输出理想占空比
3、来控制MOSFET管的开通和关断，实现恒流模式。此方案简单，系统稳定性高，可实现性强。综上，选择方案三。3、主控模块设计方案一：采用ATMEL 公司的AT89C51作为控制芯片，51单片机价格便宜，应用广泛，但是使用AT89C51需外接两路AD转换电路，实现较为复杂，故不采用。方案二：采用高档系列AVR单片机ATmega8作为本系统的控制芯片，对系统的稳定性、功能的优越性都起到很大的作用。但是ATmega8价格昂贵，对于此题性价比不高，因此不采用。方案三：采用TI公司的MSP430F5438作为控制芯片。MSP430运算速度快，超低功耗，具有强大的处理能力，高性能模拟技术，MSP340F543
4、8提供了16位TIM，TIMA支持多重的捕获比较模式，能进行PWM的生成和内部定时，内部集成12位ADC，能够自动的进行采样并进行转换，可以顺利实现题目的各项要求 。综上所述，本系统选择方案三。4、电流采样设计 注意：MSP430智能识别正极性电压信号，桥式电路输出双极性，故在采样环节要对电平抬高。方案一：采用三个运算放大器，构成高端采样电路，从主电路中采集电流，与参考电压比较，比较结果反馈给主回路，实现稳流，但是该电路使用运放多，电路复杂，不容易设定参数，故不采用此方案。方案二：可以采用高端采样芯片直接对电流采样处理，INA114具有此功能。INA114是TI公司生产的一款具有精度高、失调电
5、压低、漂移小、共模抑制比高等优点的运算放大器，这样仅使用一个运放便可实现理想采样的要求，电路简单，成功率高。 综上所述，系统选择方案二。5、电压采样设计方案一：电阻分压法，将采样电压直接经过分压器，得到预定值电压，该方法使用简单，但是其精度受外界环境(主要是温度)影响较大，且不能实现隔离，作为模拟反馈量进行a/d转换，需要加入隔离放大器方案二：将采样值经过一个反相比例器和加法器，再由两个稳压管稳压限幅，这样输出的电压值可以保证在03.3V之间，单片机可以准确读取采样电压。综上，选择方案二。二、 理论分析与计算1、电子负载及恒流电路的分析直流电子负载，即在恒流（CC）模式下，不管电子负载两端电压
6、是否变化，流过电子负载的电流为一个设定的恒定值。如图1-1（见附录）所示，在左侧电源处并联一个电阻R与恒压源模拟蓄电池，从而可以吸收电源侧功率，实现电子负载。恒流电路就是利用高端采样芯片对电流采样电阻两端进行取样，经过PI调节，反馈回电路，从而实现电路恒流。2、电压、电流的测量及精度分析如图2-1（见附录）所示，在电路右侧进行电压采样，通过一个反相比例器和一个加法器，将采集到的电压调整在03.3V之间，然后送给单片机，经过A/D转换，与内部基准进行比较从而得出并显示电压值。如图2-2（见附录）电流值的测量借助采样电阻，将采集到的电流信号转换为电压信号，经过INA114放大 ，送入单片机，由A/
7、D转换模块测出并显示电流值。通过多次采样去峰值，然后再求平均值的方法，实现高精度测量。3、电源负载调整率的测试原理电源负载调整率是衡量电源好坏的指标，好的电源输出接负载时电压降小。当电源输出电流为零时，电源电压为U；电源输出电流为额定值时，电源电压变化了,则电源负载调整率为。更换串联在直流稳压电源输出端的电阻值,得出不同的负载调整率。比较不同的负载调整率发现，串联电阻越小，负载调整率就越小，等效被测电源的性能就越好。三、 电路与程序设计1、电路设计（1）全桥电路 采用INF540N MOS管，它的导通电压低，GS间内阻较小，很容易驱动上下两个桥臂互补导通，从而输出双极性电压。正因为此双极性所以
8、在实现恒流时具有过电压保护功能，即电子负载两端电压E。（2）电压电流检测电路电压检测电路选用TI公司的OP07，它是一种低噪声，非斩波稳零的双极性运算放大集成电路，它的低失调、高开环增益的特性在放大传感器的微弱信号方面非常适用，因此采集到的电压值非常理想。电流检测电路选用TI公司的INA114，进行低端采样，在地线回路中增加额外的电阻，借助采样电阻，将电流信号转换为电压信号，送给单片机，测出电流值。（3）隔离驱动电路 该系统的信号采集是模拟电路和数字电路的混合体，需要经过模数变换，采用6n137对不同的MOS管进行隔离，有效地抑制噪声对系统的干扰；采用TPS2811（内部稳压器的反向双路高速M
9、OSFET驱动器）驱动MOS管快速导通。（4）LC滤波电路采用大电容（20uF）、大电感(10mH),有效地滤去杂波，纹波电流大大减小，得到很强的直流信号。（5）液晶显示 考虑到本系统中显示的内容以及系统的实用性，采用液晶显示（LCD）。液晶显示具有功耗低、体积小、质量轻、无辐射危害、平面直角显示以及影响稳定不闪烁、画面效果好、分辨率高、抗干扰能力强等优点。点阵式LCD不仅可以显示字符、数字，并且可以实现屏幕上下左右滚动、闪烁等功能。本次设计中要测量实际的电压电流值，清晰得显示。2、程序设计本系统程序流程图如图2所示。开始初始化液晶点亮等待按键YN判断按钮停 止141311设定电流负载调整率退
10、出输入12任意键响应中断采集电流PI调节改变PWM图2 程序流程图四、测试方案与测试结果1、测量方案及测试条件本系统采用两台直流稳压电源，一台模拟双路稳压源，另一台作为被测的电源。常温实验室测试，将直流电源连接直流负载，在恒流模式下设定负载参数，分别测量计算负载电压、电流，与万用表测量值进行比较。电 子负 载直流稳压电 源VC31-AC31-V图3 测试框图A2、测试结果本系统测试结果如表1所示。表1 测试结果恒流模式按键电流示数（mA)标准电流（mA)电压示数（V)标准电压（V)100991028.5108.566991003.5563.5789910313.46413.5493003043
11、035.7865.7703043030.8470.77630430310.75510.7815005044963.6963.629504500-1.397-1.4445034978.7738.820800804811-0.887-1.041803806-5.593-6.0648038048.0308.04210001.0020.9971.5281.4151.0020.998-3.394-3.6491.0020.9936.4056.4083、测试结果分析 在不同电流等级下，稳定状态时测量电流明显趋于实际电流，测量电压明显趋近与实际电压，因为PI调节的限制，测量电压与实际电压会有一些偏差，但在要求范围内。五、总结经过审题选题、方案论证、设计实现、测试调整、结果分析等完整过程，最终完成了本套系统，测试结果表明：该系统运行稳定，操作性好，功能完善，达到基本部分和发挥部分的全部要求。六、参考文献【1】 王兆安，黄俊. 电力电子技术 . 第4版 . 机械工业出版社【2】 秦 龙 . MSP430单片机C语言应用程序设计实例精讲 .电子工业出版社附录：图1-1图2-1图2-2.专业.专注.
