本科毕业设计说明书(论文)第1页共36页
1 绪论
直流继电器广泛运用于电动汽车,近年面对日益加剧的能源和生态危机,电动汽车成为汽车行业发展的主要方向。电动汽车在充电及运行过程中,直流继电器可能出现意外事故,造成动力系统的窜动、挤压、短路、开裂、漏电、热冲击、爆炸、燃烧等,由此对乘员产生机械伤害、电伤害、化学伤害、电池爆炸伤害以及燃烧伤害等,并可能引发更大的连发性事故以及二次伤害。为了减小事故的发生,对直流继电器性能测试是非常重要的,为了测试直流继电器的性能,测试仪器研发显得非常重要。
1.1 课题研究背景及意义
本课题来源于企业产品设计,根据要求,利用微控制器以及信号调理电路为特殊设备提供程序化控制试验电源。需要分段设定施加电压的时间及电压升降的变化速度,重复次数及周期,并对试验过程进行过压、过流、过温、短路等保护。通过微控制器输出控制信号,利用控制信号控制试验电源的电流、电压,继而测试电器的性能。微控制器A/D端检测两路信号,测量试验电源实际输出。
图1 系统简图
通过研发测量仪器,可以测量到特殊设备的一些重要运行参数,为产品的安全性提供保障。随着经济活动在转入高新技术产业迅猛发展时期。程控电源控制器是电子技术常用的仪器设备之一,广泛的应用于教学、科研等领域,是电子实验员、电子设计人员及电路开发部门进行实验作和科学研究所不可缺少的电子仪器。
1.2 本课题的主要工作
(1)硬件设计:信号调理电路设计,电源电路设计、通信电路设计等。
(2)软件设计:串口接收、发送,信号的A/D检测等。
(3)系统的综合调试。
2 程控电源控制器的系统组成
2.1 程控电源控制器的参数
实现功能:
输出一组0~50V,3A直流电源,提供试验继电器线圈工作电压。
输出电压值由触摸屏设置,并有对应的显示。
输出电压可程控,在每个运行周期的高电流阶段可以切断,接通。
具体切断,接通的时间可设置。
具有过压、过流保护功能。
工作形式:
对电源输出电流的控制过程为:
图2 控制波形图
其中:
I1为低档电流值,设置范围1~1000A,设置分辨率1A。
I2为高档电流值,设置范围100~3000A,设置分辨率1A。
T1为低档电流的起始维持时间,设置范围1~1000S设置分辨率1S。
T2为电流上升的时间,设置范围100~1000mS,设置分辨率1mS。
Ta为T3开始后到关断V2输出的时间,设置范围1~1000ms,设置分辨率1mS。
Tb为关断V2输出的时间,设置范围1~1000ms,设置分辨率1mS。
T3为高档电流的维持时间,设置范围1~2000mS,设置分辨率1mS。
T4为电流下降的时间,设置范围100~2000mS,设置分辨率1mS。
T5为低档电流的后期维持时间,设置范围1~1000S,设置分辨率1S。
周期数:从T1~T5完成为一个周期,可设置运行周期数,设置范围1~9999。
可设置任意电流值时的连续工作。
2.2 程控电源控制器总体
方案
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图3 程控直流恒流源控制器的系统框图
STM32利用IO口驱动外部D/A芯片,输出控制信号,由于D/A芯片参考内部电压为2.5V,不能满足为试验电源提供控制信号的要求,利用信号调理电路,使得控制信号达到0~5V,用来驱动试验电源。
为了测量试验电源输出信号大小,由于STM32不能直接检测外部信号,将外部信号经过输入信号调理电路,转换成STM32 A/D可以检测的信号,如果检测到信号过压,过流,那么启动保护电路。
触摸屏用来设置参数(I1、I2、T1、T2、T3、T4、T5、V2),如图2所示。
为了方便客户,设置的参数都会由存储器保存,以便下次直接使用。
2.3 微控制器
由于程控电源控制器对时间要求很高,一般的单片机运行速度不够,例如处理通信
协议
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、D/A转换、A/D转换、存储、计算波形数据(浮点数)等其他中断资源消耗的时间,难以让时间精度控制在1ms。所以选用STM32F103ZET6单片机。
内核:ARM32位Cortex-M3 CPU,最高工作频率72MHz,1.25DMIPS/MHz。单周期乘法和硬件除法。
存储器:片上集成32-512KB的Flash存储器。6-64KB的SRAM存储器。
时钟、复位和电源管理:2.0-3.6V的电源供电和I/O接口的驱动电压。上电复位(POR)、掉电复位(PDR)和可编程的电压探测器(PVD)。4-16MHz的晶振。内嵌出厂前调校的8MHz RC振荡电路。内部40 kHz的RC振荡电路。用于CPU时钟的PLL。带校准用于RTC的32kHz的晶振。
低功耗:3种低功耗模式:休眠,停止,待机模式。为RTC和备份寄存器供电的VBAT。
调试模式:串行调试(SWD)和JTAG接口。
DMA:12通道DMA控制器。
支持的外设:定时器,ADC,DAC,SPI,IIC和UART。
3个12位的us级的A/D转换器(16通道):
A/D测量范围:0-3.6V。双采样和保持能力,片上集成一个温度传感器。
2通道12位D/A转换器:STM32F103xC,STM32F103xD,STM32F103xE独有。
最多高达112个的快速I/O端口:根据型号的不同,有26,37,51,80,和112的I/O端口,所有的端口都可以映射到16个外部中断向量。除了模拟输入,所有的都可以接受5V以内的输入。
最多多达11个定时器:4个16位定时器,每个定时器有4个IC/OC/PWM或者脉冲计数器。
2个16位的6通道高级控制定时器:最多6个通道可用于PWM输出。
2个看门狗定时器(独立看门狗和窗口看门狗)。
Systick定时器:24位倒计数器。
2个16位基本定时器用于驱动DAC。
2.4 DGUS触摸屏
传统的自动化控制系统通常采用键盘、开关作为控制输入设备,采用液晶、数码管作为显示输出设备,这样的人际界面操作复杂、方式笨重。而通常的TFT触摸屏GUI界面集成在操作系统内。由于其界面都有代码绘制而成集成在系统内无疑增加变量设置、增加系统复杂程度同时浪费了芯片资源,并且还增加了系统的不稳定性,也降低了显示的实时性。DGUS屏是TFT触摸屏的开发应用,将键盘与界面集成为一体,结构更加紧密对系统资源的利用率更高,同时也能更好地满足实时性需求。
DGUS触摸屏优点:
借助PC软件进行设计,实现丰富功能;
简化CPU代码量,5条指令实现人机交互;
在实际的应用中,针对DGUS的通信机制,控制系统与触摸屏之间不能进行直接通讯,而需要根据DGUS所使用的协议对通讯程序进行开发。采用编程实现DGUS 屏幕与STM32F103芯片的通讯。
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