基于单片机的智能充电器设计毕业论文设计说明书

毕业设计说明书基于单片机的智能充电器设计学生姓名： 王世恩 学号： 1305014341 学 院： 信息与通信工程学院 专 业： 电子信息工程 指导教师： 徐美芳 中北大学 2017 届毕业设计说明书2017年 6月中北大学 2017 届毕业设计说明书基于单片机的智能充电器设计摘要随着全球经济的发展，锂电池对于人们生活的影响越来越大。锂电池具有储能密度高，寿命长等优点，在当前社会应用范围极广。目前锂电池应用的领域很广泛，尤其是电动自行车领域。随之，对于锂电池的充电方案的研究也越来越多。对于各种电子产品出现的电池充电爆炸事件，人们对于锂电池充电安全极其重视。针对人们对充电产品的需求，本说明文进行了相关的研究。本论文先介绍了课题研究的背景、目的及意义，之后介绍了国内外对于锂离子电池充电器的研究进展。介绍了充电器的重要组成模块，如充电电源模块、电压数据检测模块、温度数据检测模块和通信模块。介绍了设计所要实现的功能。提供了充电方案和充电方法的选择的依据。说明书对硬件设计的各个模块进行了阐述。分别论述了充电电源电路、报警电路、电压检测电路、温度检测电路和单片机电路的具体设计。同时详细的画出了单片机与上位的通信数据流向图。在软件程序设计部分，论文介绍了整个充电器设计的软件程序设计。包括单片机的程序设计和上位机中 Qt 软件程序设计。最后对整个系统进行了调试和实践。经过调试后，设计的电路能可靠工作、程序逻辑合理、上下位机能正常通信。关键字：STM32；TL494；Qt；SOC；串口通信中北大学 2017 届毕业设计说明书中北大学 2017 届毕业设计说明书The design of Intelligent charger based on MCUABSTRACTWith the development of the global economy, lithium battery is more and more important for peoples lives. Lithium batteries have some advantages like high energy storage density, long life etc, so they are widely applied. Lithium battery are widely used in the applications field, especially in the electric bicycles field. Subsequently, many countries have stepped up efforts to support the research.For a variety of battery explosion of electronic products happened, people pay great attention to the safety of lithium battery charging.In view of the demand for charging products, firstly, this article has carried out the related research. This paper introduces the background, purpose and significance of the research then analyzes the current research status of the lithium-ion battery charger. This paper introduces the important components of the charger. The function discussed is need to achieve. It provides the basis choices of charging scheme and charging method.Secondly, the paper describes the various modules of the hardware design. The design of charging circuit, alarm circuit, voltage detection circuit, temperature detection circuit and MCU circuit are discussed respectively. At the same time it introduces a detailed picture about the communication. The paper introduces the software design of the whole charger design. Including the programming of the MCU and the Qt software program design.Finally, The debugging and testing results show that the the design of the circuit can work reliably, and the program logic is reasonable. The PC and MCU can communicate normally.Keywords: STM32；TL494；Qt；SOC；Serial communication中北大学 2017 届毕业设计说明书I目 录1 绪论 .11.1 课题研究的背景、目的及意义 .11.2 国内外研究现状 .21.2.1 国外研究现状 .21.2.2 国内研究现状 .21.3 研究内容与章节安排 .52 方案比较和选择 .62.1 总体设计框图 .62.2 电源模块 .72.2.1 电源方案的选择 .72.3 充电方法 .82.3.1 锂电池的充电特性 .82.3.2 充电方案的选择 .92.4 SOC 估算方法 .102.4.1 SOC 估算方法的选择 .102.5 通信方式 .112.5.1 通信方式的选择 .112.6 本章小结 .123 硬件设计与实现 .133.1 单片机电路 .133.2 充电电源电路 .163.2.1 变压电路 .163.2.2 整流、滤波电路 .173.2.3 TL494 脉宽调制电路 .173.2.4 DC-DC 电路 .193.3 电压采集电路 .19中北大学 2017 届毕业设计说明书II3.4 温度采集电路 .213.5 报警电路 .213.6 本章小结 .224 软件设计与实现 .234.1 软件开发环境 .234.1.1 Qt5.4 集成开发环境 .234.2 单片机程序设计 .234.2.1 整体设计逻辑概述 .234.2.2 电压、温度数据采集 .244.3 上位机软件程序设计 .254.3.1 整体设计概述 .254.3.2 程序逻辑流程图 .254.3.3 UI 界面 .254.4 上下位机的通信设计 .274.4.1 通信协议概述 .274.4.2 上下位机通信流程图 .274.5 本章小结 .285 调试与分析 .295.1 充电电路检测 .295.2 温度电路检测 .305.3 电压电路检测 .315.4 充电器运行检测 .325.5 本章小结 .336 总结与展望 .34参考文献 .35致谢 .37中北大学 2017 届毕业设计说明书第 1 页 共 37 页1 绪论如今随着人们物质生活水平的提高，人们的出行越来越离不开电动交通工具，尤其是锂电池电动自行车。对于锂电池的充电方案的研究也越来越多。本章节从目前存在并应用的基于单片机的智能充电器的设计方案进行分析，集中分析锂电池充电器充电系统的研究背景、意义以及国内外在这个方面的研究，明确本课题研究的主要目标、内容及本论文的框架结构。1.1课题研究的背景、目的及意义随着全球经济的发展，锂电池对于人们生活的影响越来越大。锂电池具有储能密度高，寿命长等优点，在当前社会应用范围极广 1。如今锂电池在出行工具、娱乐工具等领域市场所占比重很大 2。目前锂电池应用的领域很广泛，尤其是电动自行车领域。2006 年前后，锂电池组开始出现在我国的电动自行车领域。到 2008 前后，以锂电池作为车载电池的电动自行车得以大范围推广 3。如今锂电池电动自行车在我国已经普及 4。然而随着人们对锂电池产品需求的发展，锂电池的频繁充放电已经成为常态。在三星手机出现爆炸事件发生后，人们对锂电池的安全性越来越重视，尤其是充电过程中，锂电池安全更为重要。所以锂电池的风险管理越来越重要 5。与此同时，频繁的使用电子设备，电源电池经常充放电，这对电池的寿命是极大地考验，再加上很多商用的的锂电池充电器不能很好的解决锂电池充电安全问题，所以需要更多的人去研究更安全的锂电池充电器。一些大众的电池充电器采用的事高电流快速充电技术，在电池满电后不能做出判断，终止重点，这导致所充的电池组温度会很高，这极大的影响了电池组的使用寿命 6。当今社会，科学技术快速进步，关于锂电池的充电技术也有了突飞猛进的质变。一些更为进准的充电控制算法开始出现，并被人们用在实际的充电器设计中。为了满足人们对家用锂电池产品的安全性、智能性、人机交互性等方面的要求，充电器设计要更加智能化。智能化的锂电池不仅能提高充电效率，使得资源高效利用还能减少充电时间，提高客户的体验度，并能保证锂电池的使中北大学 2017 届毕业设计说明书第 2 页 共 37 页用寿命 7。本设计采用的方案是用 TL494 芯片和单片机 STM32F103 组合，并用 Qt 开发控制软件的整体方案。TL494 芯片作为充电电源的主控芯片，能满足电动自行车锂电池组的充电需求。STM32 单片机内含资源很多，能很好的处理采集的数据和控制设计所需要的外设。再加上上位机的软件能使得所设计的充电器智能、安全，同时保护好电池，保证电池的使用次数。1.2国内外研究现状市场需求增加是科技投入的动力，在智能充电器市场也是如此，相关的工作人员采用更为先进的方案实现充电器安全，智能。在过去几十年里，由于锂电池技术的日益成熟以及锂电池相比较镍镉、镍氢电池具有极大的优势，所以对于镍镉、镍氢电池这类电池充电系统的研究越来越少，但在锂电池的研究上投入精力巨大。所以锂电池充电器的研究更加火热。1.2.1国外研究现状德国 Mentzer UlectronicGmbH 和 Wemer Retzlafr 8合作研发的 BADICHUQ 系统首次车载实验，并于 1992 年进行二次改进的 BADICOACH 系统。他们所设计的动力电池充电系统，在充电过程中能智能的显示电池组的充电状态，包括电池组内的电压、电流、温度。此外整套系统还能用 PC 机控制。其系统的一个特色便是测量电压的方案是用非线性电路来检测，并用脉宽信号控制充电过程中的电压和电流。美国科技在智能充电领域也有很先进的技术，如知名的通用公司，研发出了纯电动车动力锂电池的充电系统，并将该系统用在了其产品 EV1 电动汽车上。该公司的智能充电系统包括了温度检测控制模块、电量显示模块、软件控制模块等，其软件控制模块能智能的采集和显示温度和电压电流等数据 9。此外还有一些发达的国家也在积极的研发先进的电池组充电系统，如加拿中北大学 2017 届毕业设计说明书第 3 页 共 37 页大 Zader 研发的电池组充电管理系统 10，日本青森工业研究中心 11一直在研发的电池组智能充电系统，韩国 SAMSUNG 公司设计的 SDI BMS12和 DEV5-5 系统功能都比较完善。1.2.2国内研究现状我国作为一个电池的生产大国和消费大国，每年会生产和消费巨量的锂电池，但是在电池的充电技术方面投入的研发精力和资金相对于国外比较少。最近几年国家一直倡导中国要从制造到智造转型，并加上消费升级，我国的锂电池充电器市场越来越大。在电动自行车领域，随着轻捷、体积小的锂电子电池组代替原来笨重的铅蓄电池，该领域内对智能的锂电池充电器需求更多。如今在我国，随着单片机、传感器等技术的快速发展，智能的锂电池充电器充电和控制技术也在迅速发展 13。在我国，高校是很多先进科学技术研发的前沿阵地，在电池的充电技术方面也是如此。如今我国的好多工科专业强势的大学，如知名的清华、北理、北航、北交、湖南大学等，在原先研究的技术基础上通过和相关企业合作，将研发的技术转化为实际产品。其中高校中最为代表性的有，由北京理工大学研究所研发的智能锂电池组充电管理系统 EQ7200HEV。企业中研究成果最为突出的有比亚迪公司，其公司所研发的智能电池组充电管理系统已经具有国际科技水平。当前，在国内，对于锂电池组的充电系统的研究主要研究重点在充电