電子設(shè)計(jì)競(jìng)賽課程設(shè)計(jì)報(bào)告

1、 江蘇大學(xué)電子設(shè)計(jì)競(jìng)賽課程設(shè)計(jì)報(bào)告設(shè)計(jì)題目： 智能電能收集充電器 專業(yè)班級(jí)： 電氣卓越1202 學(xué)生姓名： 李 斌 學(xué)生學(xué)號(hào)： 3120502009 指導(dǎo)老師： 黃振躍 徐雷鈞 陳坤華 完成日期： 2015年1月4日 課題名稱：智能電能收集充電器一、設(shè)計(jì)任務(wù)與要求：設(shè)計(jì)并制作一個(gè)電能收集充電器，充電器及測(cè)試原理示意圖如圖1。該充電器的核心為直流電源變換器，它從一直流電源中吸收電能，以盡可能大的電流充入一個(gè)可充電池。直流電源的輸出功率有限，其電動(dòng)勢(shì)Es在一定范圍內(nèi)緩慢變化，當(dāng)Es為不同值時(shí)，直流電源變換器的電路結(jié)構(gòu)，參數(shù)可以不同。監(jiān)測(cè)和控制電路由直流電源變換器供電。由于Es的變化極慢，監(jiān)測(cè)和控制

2、電路應(yīng)該采用間歇工作方式，以降低其能耗?？沙潆姵氐碾妱?dòng)勢(shì)Ec=3.6V，內(nèi)阻Rc=0.1。 1、基本要求（1）在Rs=100，Es=10V20V時(shí)，充電電流Ic大于（Es-Ec）/（Rs+Rc）。（2）在Rs=100時(shí)，能向電池充電的Es盡可能低。（3）Es從0逐漸升高時(shí)，能自動(dòng)啟動(dòng)充電功能的Es盡可能低。（4）Es降低到不能向電池充電，最低至0時(shí)，盡量降低電池放電電流。（5）監(jiān)測(cè)和控制電路工作間歇設(shè)定范圍為 0.1 s5s。2、發(fā)揮部分（1）在Rs=1，Es=1.2V3.6V時(shí)，以盡可能大的電流向電池充電。（2）能向電池充電的Es盡可能低。當(dāng)Es1.1V時(shí)，取Rs =1；當(dāng)Es1.1V時(shí)，取

3、Rs =0.1。（3）電池完全放電，Es從0逐漸升高時(shí)，能自動(dòng)啟動(dòng)充電功能（充電輸出端開路電壓3.6V，短路電流0）的Es盡可能低。當(dāng)Es1.1V時(shí)，取Rs =1；當(dāng)Es1.1V時(shí)，取Rs=0.1。（4）降低成本。（5）其他。二、設(shè)計(jì)說(shuō)明：摘要：本設(shè)計(jì)包括MC34063構(gòu)成的Buck直流-直流轉(zhuǎn)換器(即DC-DC轉(zhuǎn)換器)電路，MC34063構(gòu)成的Boost型DC-DC電路，高側(cè)電流檢測(cè)電路以及由MSP430單片機(jī)構(gòu)成的監(jiān)控電路。當(dāng)直流供電電源Es低于3.6V時(shí)，用Boost電路升壓以便對(duì)電池充電；當(dāng)Es高于3.6V時(shí)，則用Buck電路降壓充電。充電電流大??；BUCK電路BOOST電路的切換均由

4、單片機(jī)進(jìn)行控制。關(guān)鍵字： MC34063 MSP430 DC-DC Buck Boost三、總體方案設(shè)計(jì)：3.1方案論證3.1.1總體方案論證當(dāng)直流供電電源Es>3.6V時(shí)，采用降壓模塊；Es<3.6V時(shí)，采用升壓模塊。將經(jīng)過(guò)升/降壓變換器后的充電電流采樣放大后送入比較器與基準(zhǔn)源比較。再將比較器的輸出信號(hào)反饋到Buck和Boost電路，調(diào)節(jié)Buck和Boost電路的PWM波，達(dá)到控制充電電流的目的。當(dāng)無(wú)法對(duì)目標(biāo)電池充電時(shí)，由單片機(jī)控制關(guān)斷變換器，盡可能地減小目標(biāo)電池的放電電流。整體結(jié)構(gòu)框圖如圖一?？沙潆婋姵谽c供電直流電源EsBuckBoost采樣基準(zhǔn)源誤差放大器單片機(jī)Ic圖一 整

5、體結(jié)構(gòu)框圖3.2單元模塊方案論證3.2.1降壓?jiǎn)卧痉桨敢弧拷祲盒碗姾杀檬阶儞Q器。降壓型電荷泵式變換器是近幾年新出現(xiàn)的電荷泵式變換器，具有轉(zhuǎn)換效率高，開關(guān)噪聲小，電路簡(jiǎn)單，耗電少等優(yōu)點(diǎn)，是比較理想的高效微功率DC-DC變換器?！痉桨付坑蒚L494構(gòu)建的Buck型DC-DC變換電路。TL494是常用的開關(guān)電源控制芯片，可以方便的構(gòu)建BUCK變換電路，且其內(nèi)部的兩個(gè)晶體管并聯(lián)后可以輸出500mA的電流，若用于本題則可省去外部開關(guān)管?！痉桨溉坎捎肕C34063集成型Buck型DC-DC變器構(gòu)建電路。MC34063是一種集成了開關(guān)管的高效Buck型變換器集成電路，其最大輸出電流為500mA，可以滿

6、足本題需要,且其工作電壓范圍為6.5V-45V，外部?jī)H需要一個(gè)電感兩個(gè)電阻三個(gè)電容和一個(gè)續(xù)流二極管即可正常工作?！痉桨副容^】由于大多數(shù)降壓式電荷泵IC最高工作電壓均為6V左右，且輸出電流大多數(shù)小于100mA，因此在本設(shè)計(jì)中沒(méi)有采納此方案。TL494要求電源電壓必須高于7.5V才能正常工作，可能對(duì)實(shí)現(xiàn)題目指標(biāo)產(chǎn)生不利影響，因此該方案也不被選擇。MC34063外圍電路簡(jiǎn)單，且在大多數(shù)情況下其轉(zhuǎn)換效率均可高于80%，因此最終采用這種方案。圖二 Buck電路基本結(jié)構(gòu)3.2.2 升壓電路單元【方案一】由TL494構(gòu)建的推挽式升壓變換器。TL494可以方便的構(gòu)建推挽式變換器，但因?yàn)橐肓俗儔浩?，必然?dǎo)致效

7、率不及非隔離式的升壓型變換器，且因?yàn)樵谏龎汗ぷ鲿r(shí)無(wú)論是Es還是Ec均不會(huì)高于3.6V，因此無(wú)法維持TL494的正常工作。故放棄此方案?！痉桨付坎捎肕C34063開關(guān)電源芯片制作BOOST升壓電路。MC34063是單片雙極型開關(guān)電源集成電路，可用于構(gòu)建BUCK、BUCK-BOOST、BOOST等多種結(jié)構(gòu)的DC-DC變換器，由于其內(nèi)部集成有功率開關(guān)管，使用很簡(jiǎn)單的外圍電路就能構(gòu)成Boost電路。且其控制器部分在3.0V就可正常工作，能滿足在3.6V供電條件下正常工作，因此最后選擇這種方案。3.2.3 控制單元【方案一】采用89C51系列單片機(jī)作為控制核心。由于51系列單片機(jī)面世時(shí)間較早，因此雖然

8、價(jià)格便宜易使用，但是有諸如功耗高、速度低、內(nèi)部集成的設(shè)備少等一系列的缺點(diǎn)?！痉桨付坎捎肕SP430F系列作為控制核心。MSP430系列單片機(jī)功耗很低，且集成的設(shè)備也很豐富，具有較強(qiáng)的數(shù)據(jù)處理能力。 【方案選擇】 51系列單片機(jī)雖然上手容易，且價(jià)格低廉，但性能低下；MSP430系列單片機(jī)功耗很低，且集成的設(shè)備也很豐富，具有較強(qiáng)的數(shù)據(jù)處理能力，且性能較強(qiáng)，故本設(shè)計(jì)采用MSP430F作為控制單元核心。3.2.4 提高效率的設(shè)計(jì)【方案一】采用新技術(shù)，如對(duì)MOSFET采用軟開關(guān)工作方式，避免開關(guān)管在硬開關(guān)條件下的較大開關(guān)損耗，從而可顯著提高轉(zhuǎn)換器的效率，或采用同步整流方式降低續(xù)流管上的損耗；可以采用交

9、錯(cuò)式開關(guān)對(duì)，因其工作相位恰互相相差180°，可以很好的抵消輸出紋波?！痉桨付吭谠O(shè)計(jì)諸如PCB板等部件時(shí)注意細(xì)節(jié)，如果采用70微米或105微米厚銅層電路板，走線時(shí)盡可能粗短，輸入濾波電容和輸出濾波電容盡可能靠近開關(guān)管和電感，以使三者環(huán)路面積最小，盡可能減小由紋波電流而產(chǎn)生的損耗；在制作電感時(shí)采用鐵硅鋁或鐵鎳鉬材料的磁環(huán)，相比26材鐵粉芯(即常用的黃白環(huán))能顯著減小電感線圈鐵損，繞線時(shí)采用多股漆包線或紗包線，以盡可能減小由趨膚效應(yīng)導(dǎo)致的銅損。3.3硬件系統(tǒng)設(shè)計(jì)3.3.1 Buck電路當(dāng)Es>3.6V時(shí)，需通過(guò)升壓電路將Es降低到稍大于3.6V，以實(shí)現(xiàn)能向電池充電的Es盡可能小。本

10、設(shè)計(jì)采用MC34063實(shí)現(xiàn)降壓過(guò)程。MC34063引腳圖及內(nèi)部結(jié)構(gòu)圖及Buck電路見(jiàn)附錄一。其輸出電壓為 OUTR1R2 圖五3.3.2 Boost電路當(dāng)Es<3.6V時(shí)，需通過(guò)升壓電路將Es升高到稍大于3.6V,否則無(wú)法實(shí)現(xiàn)充電過(guò)程。本設(shè)計(jì)采用MC34063控制芯片，可實(shí)現(xiàn)從0.8V升到3.6V。由電流檢測(cè)電路的比較輸出信號(hào)控制其PWM 波占空比。MC34063引腳圖和內(nèi)部結(jié)構(gòu)圖以及具體BOOST 電路見(jiàn)附件一。其輸出電壓為 （公式一）8 1MC340635 4RRROUT RaRb 圖四 3.3.4 啟動(dòng)電路設(shè)計(jì)由穩(wěn)壓管和1/4LM324組成一個(gè)鎖定電路。當(dāng)電壓低于2.1V時(shí)，將單片

11、機(jī)鎖定；當(dāng)高于2.1V時(shí)，解鎖單片機(jī)（單片機(jī)在電壓高于2.1V時(shí)才能正常工作）。單片機(jī)解鎖后，將按照程序設(shè)定啟動(dòng)相應(yīng)轉(zhuǎn)換模塊，待模塊穩(wěn)定后接通被充電電池，向其充電。3.4軟件系統(tǒng)設(shè)計(jì)系統(tǒng)選用的主控制器是MSP430F單片機(jī)，軟件設(shè)計(jì)包括主程序和A/D采樣子程序兩部分。3.4.1主程序主程序包含有A/D采樣子程序。在AD采樣讀取成功后對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行分析，并選擇合適的基準(zhǔn)源。該過(guò)程結(jié)束后進(jìn)入低功耗模式，等待下一個(gè)采樣周期的到來(lái)。3.4.2 A/D采樣子程序A/D使用通道0進(jìn)行電流檢測(cè)。單片機(jī)給A/D發(fā)出通道選擇信號(hào)，然后等待A/D芯片轉(zhuǎn)換數(shù)據(jù)，最后讀取其數(shù)據(jù)。開始清除低功耗標(biāo)志 使能A/DA/D單次采

12、樣并讀取樣值關(guān)閉A/D基準(zhǔn)選擇進(jìn)入低功耗狀態(tài)開始初始化程序轉(zhuǎn)換完？送轉(zhuǎn)換的地址通道讀A/D轉(zhuǎn)換器返回NY 主流程 A/D子程序圖3.5 PCB設(shè)計(jì)：Boost電路Buck電路控制電路MC34063引腳及內(nèi)部結(jié)構(gòu)圖電流檢測(cè)電路LM324引腳及內(nèi)部結(jié)構(gòu)四、調(diào)試、測(cè)試報(bào)告：各項(xiàng)功能是否成功，各項(xiàng)性能的實(shí)測(cè)結(jié)果。4.1測(cè)試方案測(cè)試方案見(jiàn)附錄四，測(cè)試所用儀器見(jiàn)附錄四4.2測(cè)試結(jié)果4.2.1充電電流Ic測(cè)試結(jié)果如表1： (Rs=0.1R,Es<1.1V) 表1 充電電流測(cè)試 Es/V 0.296 0.509 1.012 1.099 Ic/mA 88 145 302 335以上數(shù)據(jù)輸出電壓用四位半表測(cè)

13、得，輸出電流用五位半表測(cè)得；輸入電壓和輸入電流均用四位半表測(cè)得。4.2.2充電電流Ic測(cè)試結(jié)果如表2： （Rs=1，）表1 充電電流測(cè)試 Es/V12121.5152.4092.6943.004 Ic/A2833666497508584.2.3充電電流Ic測(cè)試結(jié)果如表3: （Rs=100） 表1 充電電流測(cè)試 Es/V1113151720 Ic/mA73.294.0115.2138.9177.2五、總結(jié)：由MC34063構(gòu)成的開關(guān)電源雖然價(jià)格便宜，應(yīng)用廣泛，但它的局限性也是明顯的。比如效率偏低，對(duì)于降壓的應(yīng)用一般只有70%左右輸出電壓低時(shí)效率更低這就使它不能用在某些對(duì)功耗要求嚴(yán)格的場(chǎng)合；其次，

14、由于占空比范圍偏小這就限制了它的動(dòng)態(tài)范圍，在某些輸入電壓變化較大的場(chǎng)合不適用；再次由于開環(huán)誤差放大，所以占空比不能鎖定，這就給電路參數(shù)的選擇帶來(lái)麻煩，電感量和電容量不得不數(shù)倍于理論計(jì)算值才能達(dá)到預(yù)期效果。由于芯片功能限制，升壓模塊完成效果不是很好，啟動(dòng)電壓比較高，大于1.1V。 鑒于這些缺陷我們可以做一些改進(jìn)，比如當(dāng)開關(guān)頻率很高時(shí)，電感可選用多線并繞，以降低趨膚效應(yīng)的影響，提高整體效率；管腳3處連接的電容選擇工業(yè)陶瓷電容改善電路的高頻特性；同時(shí)根據(jù)題目要求，采用間歇工作方式。六、參考文獻(xiàn)開關(guān)穩(wěn)壓器應(yīng)用技巧 沙占友，馬洪濤著；中國(guó)電力出版社，09.2開關(guān)電源技術(shù)與典型應(yīng)用 路秋生著；電

15、子工業(yè)出版社，09.3逆變技術(shù)基礎(chǔ)與應(yīng)用 曲學(xué)基等著；電子工業(yè)出版社，07.逆變電源設(shè)計(jì)與指導(dǎo) 陳賢忠著，機(jī)械工業(yè)出版社，08.7模擬電子技術(shù)基礎(chǔ)簡(jiǎn)明教程 楊素行主編；高等教育出版社，06.5全國(guó)大學(xué)生電子設(shè)計(jì)競(jìng)賽獲獎(jiǎng)作品匯編 北京理工大學(xué)出版社，04.8七、附件附件:源程序代碼#include <MSP430.h> #include<zhongduan.h>#include <digonghao.h>#include <macrose.h>#define uchar unsigned 

16、char #define uint  unsigned int#define OUT1_0  (PORTB=PORTB&0xfe) #define OUT1_1  (PORTB=PORTB|0x01) #define OUT2_0  (PORTB=PORTB&0xfd) #define OUT2_1  (PORTB=PORTB|0x02) uint value,dis_v

17、al; uchar i,flag; uchar CNT;unsigned int t=0;/*/void port_init(void)  PORTA = 0x7F;  DDRA  = 0x7F;  PORTB = 0xFF;  DDRB  = 0xFF; PORTC = 0xFF;   DDRC  = 0x

18、FF;  PORTD = 0xFF;  DDRD  = 0xFF; /*/void timer0_init(void) /定時(shí)器0初始化 TCNT0 = 0x83;  /1ms定時(shí)初值 OCR0  = 0x7D;  /定時(shí)器0的計(jì)數(shù)預(yù)分頻 TCCR0 = 0x03;  /*/#pragma interrupt_handler timer0_ovf_

19、isr:10 /T/C0中斷服務(wù)函數(shù)void timer0_ovf_isr(void) TCNT0 = 0x83;  /重裝1ms定時(shí)初值 if(+i>3)i=0;  switch(i)    /case 0:PORTA=SEG7dis_val%10;PORTC=ACT0;break; /case 1:PORTA=SEG7(dis_val/10)%10;PORTC=ACT1;break; /case 2:PORTA=SEG7(di

20、s_val/100)%10;PORTC=ACT2;break;/ case 3:PORTA=SEG7dis_val/1000;PORTC=ACT3;break; default:break; /*/void timer1_init(void)  / TCNT1H = 0xE7;  /50ms定時(shí)初值 TCNT1L = 0x96;/ TCCR1B = 0x03;  /定時(shí)器0的計(jì)數(shù)預(yù)分頻/*/#pragma 

21、interrupt_handler timer1_ovf_isr:9 /T/C1中斷服務(wù)子函數(shù)void timer1_ovf_isr(void) TCNT1H = 0xE7;  /重裝50ms定時(shí)初值  TCNT1L = 0x96;  /*/void adc_init(void)  ADMUX = 0xC0;/通道0 ACSR  = 0x80; /關(guān)掉模擬比較器 AD

22、CSR = 0xE3; /*/#pragma interrupt_handler adc_isr:15 /ADC中斷服務(wù)子函數(shù)void adc_isr(void) /conversion complete, read value (int) using.  value=ADCL;              v

23、alue|=(int)ADCH << 8;   flag=1; /*/void init_devices(void) /芯片初始化 port_init();  timer0_init();  timer1_init();  adc_init();  TIMSK = 0x05;  SREG=0x80; /*/void delay(uint k) /延時(shí)函數(shù)  

24、0;uint i,j; for(i=0;i<k;i+)     for(j=0;j<140;j+);  void delay_ms(unsigned int t) for(;t>0;t-);/*/uint conv(uint i) /數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換  long x;    uint y;   x=(5000*(long)i)/1023;

25、   y=(uint)x;    return y;   /*/void benchmark(void) unsigned char n=0; switch(n)     case 0:   DDRB=0x80;/B7腳設(shè)為輸出，其他較輸入   PORTB=0x00;/B7腳輸出低電平   DDRC=0x00

26、;/C端口設(shè)為輸入   PORTC=0x00;   DDRD=0x00;/D端口設(shè)為輸出   PORTD=0x00;   delay_ms(100000);   n=1;      case 1:      DDRB=0x00;       

27、0; DDRD=0x02;  /D0腳輸出低電平   PORTD=0x00;   DDRC=0x00;   delay_ms(100000);   n=2;  /;   case 2:      DDRB=0x00;   DDRD=0x01;  /D1  &#

28、160;PORTD=0x00;   DDRC=0x00;   delay_ms(100000);   n=3;         case 3:      DDRB=0x00;   DDRD=0x04;  /D2   PORTD=0x00;  

29、0;DDRC=0x00;   delay_ms(100000);   n=4;      case 4:   DDRB=0x00;   DDRD=0x08;  /D3   PORTD=0x00;   DDRC=0x00;   delay_ms(100000);   &#

30、160;n=5;      case 5:   DDRB=0x00;   DDRD=0x10;  /D4   PORTD=0x00;   DDRC=0x00;   delay_ms(100000);   n=6;      case 6:  

31、; DDRB=0x00;   DDRD=0x20;  /D5   PORTD=0x00;   DDRC=0x00;   delay_ms(100000);   n=7;      case 7:   DDRB=0x00;   DDRD=0x40;  /D6 &

32、#160; PORTD=0x00;   DDRC=0x00;   delay_ms(100000);   n=8;      case 8:   DDRB=0x00;   DDRD=0x80;  /D7   PORTD=0x00;   DDRC=0x00;   

33、;delay_ms(100000);   n=9;         /   case 9:   DDRB=0x00;   DDRD=0x00;   PORTC=0x00;   DDRC=0x01;  /C0   delay_ms(100000);  

34、 n=10;      case 10:   DDRB=0x00;   DDRD=0x00;   DDRC=0x02;  /C1   PORTC=0x00;   delay_ms(100000);   n=11;      case 11: 

35、;  DDRC=0x04;  /C2   PORTC=0x00;   DDRB=0x00;   DDRD=0x00;   delay_ms(100000);   n=12;  / break;   case 12:   DDRB=0x00;   DDRD=0x00; &

36、#160; DDRC=0x08;  /C3   PORTC=0x00;   delay_ms(100000);   n=13;      case 13:   DDRB=0x00;   DDRD=0x00;   DDRC=0x10;  /C4   PORTC=0x00;

37、   delay_ms(100000);   n=14;  / break;   case 14:   DDRB=0x00;   DDRD=0x00;   DDRC=0x20;  /C5   PORTC=0x00;   delay_ms(100000);   n=15;

38、  / break;   case 15:   DDRB=0x00;   DDRD=0x00;   DDRC=0x40;  /C6   PORTC=0x00;   delay_ms(100000);   n=16;  / break;   case 16:&#

39、160;  DDRB=0x00;   DDRD=0x00;   DDRC=0x80;  /c7   PORTC=0x00;   delay_ms(100000);   n=0;   default:;  / break;   /*主程序*/void main(void)    i

40、nit_devices();   while(1)     benchmark();    gongnen();   delay_ms(100);    shezhi ();   /#define uchar unsigned char #define uint  unsigned intvoid delay

41、_ms(unsigned int t) for(;t>0;t-);/啟動(dòng)AD子程序void ADC_start(void) delay_ms(70000); ADMUX = 0xC0;/選擇通道0 ADCSR = 0xE3; /模數(shù)轉(zhuǎn)換子程序uint ADC_convert(void) uint ADL;/ float ADH;/ ADL=ADCL; ADH=ADCH; ADH=ADH*25

42、6+ADL; ADH=ADH*0.025; return(ADH);/返回AD值/主函數(shù)子程序void shezhi (void) unsigned temp1,temp2;  PORTC=0x00;/設(shè)置寄存器 PORTD=0x00; PORTB=0x00; DDRB=0x07; while(1)  PORTB&=0xFC; delay_ms(70000);/長(zhǎng)延時(shí) ADC_start(); temp1=ADC_co

43、nvert();  if(temp1>=19)              /設(shè)定比較范圍  DDRB|=0x80;  DDRD=0x00;  DDRC=0x00;  PORTB|=0x02;  DDRB|=0X02;    else     i

44、f(temp1>=18) /設(shè)定比較范圍      DDRB&=0x7F;   DDRD=0x01;   DDRC=0x00;   PORTB|=0x02;   DDRB|=0X02;      else       if(temp1>=17) /設(shè)

45、定比較范圍        DDRB&=0x7F;    DDRD=0x02;    DDRC=0x00;PORTB|=0x02;DDRB|=0X02;        else         if(temp1>=16) /設(shè)定比較范圍          DDRB&=0x7F;     DDRD=0x04;     DDRC=0x00; PORTB|=0x02; DDRB|=0X02;