电动自行车智能远距离自适应充电器论文.doc

电动自行车智能远距离自适应充电器 作者：* * * （南京**大学） 赛前辅导及文稿整理辅导教师：* * 摘 要 本设计以MSP430F169超低功耗单片机作为系统控制器，通过其外围AD转换、串口通信等模块对信号进行处理发送接收。 本设计发射端由单片机系统、AD采样电路和无线发射PTR2000协同工作完成其功能。接收端通过无线模块监控蓄电池端电压，选用数字电位器MCP42100对充电器进行增益控制，从而有效地对压降进行补偿，最大有效距离可大于20m。 课题背景及方案设计与论证 1. 课题背景 目前，电动自行车因其具有使用方便、省力、快速和环保等优点，已成为越来越多的上班族的交通工具。无疑，正确及时的充电很重要。但蓄电池携带很不方便，尤其是高层的用户。由于蓄电池是直流充电，如果直接进行远距离布线，会因为压降而导致不能进行正常充电。 本系统通过一系列智能数据处理对其进行压降补偿使其能够正常充电。 2．系统方案 本设计要实现直流压降补偿，但由于运算放大器承载电流过小，不便于使用运算放大器进行电压叠加。故我们决定通过改变充电器内部结构来改变其输出电压。 方案一：直接改变充电器内部的芯片电压，保持增益系数不变。输出端电压是芯片电压经过线性放大后的值。这样理论上可行，但考虑到充电器内部结构已经固定，要对其进行改变，无论硬件还是设计要求都很高，故我们不采用此方案。 方案二：保持其芯片电压不变，通过改变充电器内部的电压增益系数以改变输出值。因为其增益系数是通过电阻分压实现的，无论技术还是硬件上都较为简单，故我们采用此方案。 系统整体框图如图1、2所示。 图1 发射端框图 图2 接收端框图 我们选用此方案，关键问题在于如何恰到好处的使用单片机的各个外围接口部件以及数据处理功能，尽量避免误差带来的不必要影响，同时数据的正确发送以及数字电位器的正确使用也是一难点。 ①充电器内部电压增益端口结构以及方案示意图3： ②蓄电池充电曲线如图4： 图3充电器内部结构以及方案示意图 图4先恒流后恒压两段式充电曲线 3．单元电路方案 （1）单片机及软件方案选用 ①单片机系统我们选用杭州利尔达公司的LSD-TEST430F16X_V2.0A MSP430单片机学习板。②软件方面考虑到C语言是一种高级语言，编程简单，通用性强，逻辑关系简单，可读性好，调试方便，可移植性也很好。该器件采用抗干扰能力较强的调制解调方式，工作频率稳定可靠、外围元件少、功耗低，便于设计生产图6 MCP42100引脚图7电阻示意图 (4)电源供电及滤波系统的选用：①考虑到系统的实际应用环境以及开关电源对信号源的干扰问题，我们选用两节1.5V干电池对整个系统供电。②整个系统中需要考虑滤波问题有分别是： A防止单片机数字模拟地信号干扰的滤波设计 B无线发射接收模块的防干扰滤波 C数字电位器的数字信号的防干扰滤波 滤波器设计有模拟和数字两种方法可选。考虑到系统是由干电池供电，整个电源信号的处理已经很纯净，所以我们采用简单的滤波电容以及电感即可，调试单片机系统在学习板上以及给出较为完善的设计，所以仅在无线模块处添加简单的滤波电容电感。 (5)系统其它设计方案： ① 在AD采样时我们采取电阻分压的方法。此时需要注意的是在输出端放置一3V稳压管，用以防止电压超过单片机AD转换模块的上限值以及电压过高损坏单片机。同时通过运放OPA2335来实现电压跟随保持作用，稳定输入。 AD采样电路 图8 图8 端电压采集电路 ② 由于430单片机集成的外围AD模块转换精度是12位，而无线模块UART接口是8位的，这里就存在一个近似忽略问题，我们采取的办法为：通过单片机将12位AD数据右移4位后转发给PTR2000，这样得到的是前八位的较为精确的数据。 ③ 运用无线模块传输数据时必然存在通信协议以及数据传输的正确性问题，这里我们解决的方法为通过单片机将其帧格式设置为起始位+数据位+结束验证位，这在程序中有具体体现。在此不多介绍。 ④ 数字电位器MCP42100的使用：数字电位器使用时主要需要解决的是时序问题。需要同步时钟以及片选信号，在此我们主要通过单片机I/O口来给出所需信号，详见源程序代码。 ⑤ 充电器内部具体设计：我们采取的方案是将其芯片外部的一可变电阻器的抽头并接数字电位器，通过改变其阻值大小来改变其电压增益。调试在数字电位器端口串接30KΩ电阻，以防止数字电位器置零时增益太大烧毁充电器内部结构。 理论计算以及程序设计框架、 1.理论计算以及理论误差 （1）：AD分压电路：通过计算我们选择20K可调电位器与490K电阻分压电路以保证采样的输入比为Uadin=0.022Uo。 （2）：AD转换：Nadc=4095*（Vin—Vr-）/（Vr+