基于ATmega16的充电器设计

-154- 中国科技信息 2009年第 14期 CHINA SCIENCE AND TECHNOLOGY INFORMATION Jul.2009制 造 1、硬件设计 1.1微控制器模块 采用Atmel公司的ATmaga16L单片机 作为主控制器。ATmaga16L是一个低功 耗，高性能的8位单片机，片内含16k空间 的可反复擦写100,000次的Flash存储器，具 有 1 K b y t e s 的随机存取数据存储器 （RAM），32个 IO口，2个 8位可编程定时 计数器，1个 16位可编程定时计数器，四 通道PWM，内置8路10 位ADC，硬件SPI 和 TWI，可编程看门狗电路，抗干扰能力 强，可在电磁干扰环境下工作。 1.2电源模块 采用三端集成稳压器 78XX系列作稳 压器件组成稳压电路。三端式稳压器由启 动电路、基准电压电路、取样比较放大电 路、调整电路和保护电路等部分组成。其 内部基准电压不受输入电压波动的影响， 并且内部设计了减流式保护电路和过热保 护电路，能很好得保证稳压值的稳定。 1.3恒流源模块 微控制器控制由高精度运算放大器、 精密采样电阻等组成的恒定电流源。该电 流源电路结合微控制器构成数控电流源。 通过键盘预置电流值，单片机输出相应的 数字信号给D/A转换器，通过D/A转换 器输出的模拟信号送到运算放大器，控制 基于ATmega16的充电器设计 谢祎 唐璇 高绪阳 陈言俊 山东大学物理学院 250100 摘 要 本系统从使用简单、测试方便、功能完备、成 本低廉，用户界面友好出发，通过多级电容滤 除纹波干扰、高精度运算放大器反馈电路精 确输出设定电流和电压、D/A转换器和A/D转 换器调节输出电流，从而实现低纹波、高精度 的恒流源和恒压源输出。以ATmega16单片机 为控制核心，开发了全中文菜单操作环境，具 有全中文显示，通过键盘实现输出的调整，并 且有计时、温度显示和过热（≥60℃）保护 功能。 关键词 低纹波；恒流；恒压；单片机；过热保护 电路电流大小。实际输出的电流再通过精 密采样电阻采样变成电压信号，通过 A/ D采样转换后将信号反馈到单片机中。单 片机将反馈信号与预置值比较，根据两者 间的差值调整输出信号大小。这样就形成 了反馈调节，提高输出电流的精度。当负 载在一定范围内变化时具有良好的稳定 性，而且纹波电流较小、精度较高。 1.4 恒压源模块 采用AMS1117高效率线性稳压器和低 漂移、精密运算放大器 O P 0 7 构成恒压 源。AMS1117克服了 78XX系列的缺点， 能提供很好的基准电压，然后用OP07构 成电压跟随电路，将它与取样电阻进行隔 离，从而达到在一定范围内输出恒定电压 的目的。 1.5 A/D转换模块 采用 12位高速A/D转换器AD1674， 其内置采样保持电路、参考电压和时钟电 路。采样频率为 1 0 0 k H z，转换时间为 10s，具有土 1／ 2LSB的积分非线性(INL) 以及 12位无漏码的差分非线性(DNL)，满 量程校准误差为 0．125％，数据可并行 输出，采用 8/12位可选微处理器总线接 口，内带防静电保护装置（E S D），其 转换精度高。 1.6 D/A转换模块 采用位高精度 D/A 转换器 AD669。 片内集成了参考电压、数据缓冲锁存器、 输出运算放大器、双层数据寄存器等电 路，单极性或双极性输出。横拟输出信号 干扰极小，且可避免 输出产生毛刺干扰， 精度很高。使用时无 需任何外围接口电 路，使用方便可靠。 能满足系统所需要的 低纹波、高精度稳定 输出。 1.7键盘显示模块 采用LCD液晶显 示器显示和两个按键 输入。采用 128× 64 点阵 LCD液晶显示，可视面积大，画面 效果好，抗干扰能力强，内置中文字库，调 用方便简单，而且可以节省软件中断资源 和宝贵的 I/O口资源。两个按键简单方便， 可以很好的显示出需要表达的信息，人机 界面友好，可以得到很好的交互。此外，本 系统使用DS1302精确时钟芯片实现计时。 1.8过热保护模块 采用可编程单总线数字式温度传感器 18B20实现对负载温度信号的采集，用作 负载温度过热（≥ 60℃）保护。18B20 直接输出数字信号，省去了后继的信号放 大及模数转换部分，外围电路简单，只有 一根信号线作为单总线与 CPU连接，成 本低。18B20的测温范围为－ 55～125℃， 且在－ 10～85℃之间精度为± 0.5℃。 1.9系统总体 系统结构框图如图1所示。 2、软件设计 本系统的信号产生和反馈等都是通过 硬件电路实现的，单片机只是负责基准信 号的产生和人机交互，因此软件流程比较 简单，系统软件流程如图 2所示。 3、系统测试 3.1系统稳定测试 把精密可调电阻串联在系统恒流输出 端，改变其阻值，并使用台式多用表对其 进行电流大小测量。从测试数据看出，输 出电流变化绝对值变化最大为 2.74 mA， 纹波电流最大值为 0.832mA，输出电压变 化绝对值变化最大值为 0.16V，纹波电压 图 1 系统结构框图 -155- 最大值为 8 .2mV，系统恒流恒压效果很 好，可以作为理想的充电电源。 3.2过热保护测试 实际测试时，用一热源靠近负载，并 用温度计测量负载附近温度，当温度到 59 ℃时，系统停止工作；当负载温度回落到 参考文献 [1] 康华光，陈大钦.电子技术基础—— 模拟部分（第四版）.高等教育出版社 [2] 马潮.AVR单片机嵌入式系统原理与应 用实践.北京航空航天大学出版社 [3] 谭浩强.C程序设计.清华大学出版社 [4] 黄智伟.全国大学生电子设计竞赛训练 教程.电子工业出版社 [5] 余孟尝.数字电子技术基础简明教程 （第二版）.高等教育出版社图 2 软件流程图 5 0℃时，系统恢复工作。 3.3输入显示测试 系统上电后，在液晶上显示欢迎界 面，显示两秒后自动进入操作界面（该界 面为人性化动画界面），动态显示充电电 流、电压、当前室温，以及已充电时间。 按下 tab键在快充状态（200mA）和慢充 状态（100mA）间进行切 换，再按下确认键进行确 认，操作单片机进入相应 充电状态。 4、结束语 由于我们的电路全部 由手工焊接而成，对于高 频信号的屏蔽不是很理 想。当系统正常工作时， 实际输出电流和电压十分 接近给定值，且纹波较 小。总的看来，该简易数 控充电电源有较好的高精 度、低纹波特性。如果进 行 PCB制版，对于信号线 采取更有效的屏蔽，电源 采取更好的滤波措施，我们的系统将会更 加理想。 号出现必须立即检修： 1) 上限异常 说明判断：正常情况下第一上限位开 关先于第二上限开关动作，如在提升过程 中出现第二上限位开关先于第一上限开关 动作则判定为上限异常。 2) 回路故障 说明判断：系统发去上升或下降指令 但超过 2秒没有收到就地接触器反馈信号 则判定为回路故障。 3)电机故障 说明判断：在自动调节过程中系统发 出30次上升或下降指令但系统还没有达到 间隙正常的状态则判定为电机故障。 4) 紧急提升超时 说明判断：系统在人为触发紧急提升 指令后超过 700秒第一第二上限开关未动 作则判定为紧急提升超时。 2.6 系统调试 在就地对每套间隙控制装置进行单回 路操作测试，并且检查机构动方向、卡滞 现象。 在远方操作台上对每套间隙控制装置 进单回路操作测试，并且检查画面上机构 动状态、电流、间隙指示等。 3、改进效果 改造前后实际漏风率情况见下表。 从测试结果看出，漏风率得到明显改 善 。 4、工作中存在的问 4.1由于间隙探头保护套管应力过大， 在扇形板下降到一定程度时产生超过探头 支架在高温环境下的应力承受范围，使探 头不是紧跟扇形板上下动作，导致小间隙 情况下间隙值出现偏差，不过由于回路中 有过流保护功能，下限不准确不会给设备 带来太大影响，但应力大过探头支架焊接 力度时，可能会出现旱口断裂情况，严重 影响测量真实值。 4.2 在系统投入运行后，经常出现B1 扇形板信号叠加，提升指令超过设定的 10 秒时间，甚至将扇形板提升到上限开关动 作的情况，B1扇形板切手动，现还在进一 步检查中（注：其它五个扇形板没有此情况 出现）。 上接第149页