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电动车充电站毕业论文 电动车充电站毕业论文 电动车充电站充电电路设计学 院： 电子与电气工程学院 专 业： 电子信息工程 电动车充电站充电电路设计电动车充电站充电电路设计摘 要 随着电动车的普及，电动车充电技术也受到人们的关注。我国的电动车用动力蓄电池大多为铅酸蓄电池，这主要是由于铅酸蓄电池具有技术成熟、成本低、电池容量大、跟随负荷输出特性好、无记忆效应等优点。但传统的常规充电时间过长，快速充电技术至今仍未能完全解决，严重地制约着电动车的发展。基于此，本文提出了一种用于全密封免维护铅酸蓄电池的智能充电设计方案，针对蓄电池充电过程中出现的种种问题，分析解决方法，提出一种可对铅酸蓄电池实现四段式慢脉冲充电的智能充电设计方案。控制开关电源的脉冲频率和占空比，从而调节充电电流和电压，实现对蓄电池的分级慢脉冲充电。这个方案不仅可实现快速充电，同时可以减少析气，消除硫化，进行均衡充电，从而大大地延长了铅酸蓄电池的使用寿命。关键词 慢脉冲充电；蓄电池；单片机；智能 Charging Circuit Design of Electric Vehicle Charging Station Abstract:With the popularity of the electric car,Electric vehicle charging technology is also got the concern of the public.In our courtry, lead acid battery which is used as electric vehicle power battery occupied a very big market.This is mainly due to the lead-acid battery has mature technology, low cost, battery capacity, with load output characteristics and no memory effects, etc.But the traditional conventional charging time is too long,fast charging technology is still not fully resolved, seriously restricted the development of the electric car. Based on this status, it puts forward a kind of seal free maintenance lead-acid battery used for intelligence charge design scheme in this thesis.With regard to all sorts of problems for battery charging appeared in the process, analyzes the existing solutions, and put forward a kind of lead acid battery to realize four stages of intelligent charging slow pulse charger design scheme. Control of switch power pulse frequency and duty cycle, which regulates charging electric current and voltage, and to realize the classification battery charging with slow pulse. The scheme not only make rapid charging,at the same time could reduce gas chromatography, eliminate vulcanization, charging for equilibrium, thus greatly extended the lead acid battery service life.Key words: Slow pulse charging;storagebattery;single-chip microcomputer;intelligent目 录1 引言11.1 课题研究背景及意义11.2 课题研究的内容22 充电原理22.1 蓄电池与充电技术22.2 蓄电池的充电原理32.3 充电方法研究42.3.1 恒流充电法42.3.2 恒压充电法42.3.3 阶段充电法52.3.4 四阶段充电法63 总体设计方案63.1 系统设计63.2 方案比较与选择74 充电电路的硬件设计94.1 电路总体设计94.2 芯片选择94.2.1 AT89C51型单片机94.2.2 ADC0809模数转换芯片114.2.3 LM324是四运放集成芯片134.3 功能模块电路设计134.3.1 整流滤波电路设计134.3.2 充电主电路设计144.3.3 单片机电路设计154.3.4 信号采样与放大电路设计164.3.5 模数转换电路设计184.3.6 电源电路设计195 充电电路的软件设计215.1 主程序设计215.2 充电电路软件设计215.3 ADC0809软件设计225.4 电源通断控制软件设计23结束语24参考文献25致谢26II电动车充电站充电电路设计1 引言1.1 课题研究背景及意义电动车是一种非常理想的中短途日常交通工具，电动车的应用有效地解决了能源和环境两大难题，因此，在我国有着得天独厚的发展条件和广阔的应用前景。目前,RFID作为一种非接触式的自动识别通信技术，可通过无线电讯号识别特定目标并读写相关数据，而无需识别系统特定目标之间建立机械或光学接触。RFID的研究和应用都得到了前所未有的发展，本课题设计内容把射频识别技术与电动车充电站结合起来，以AT89C51单片机为核心，利用RFID技术电子钱包功能实现用户身份识别和电子支付充电费用功能，防盗报警，安全可靠；充满自停，来电续充，付费合理，并加上LCD显示费用余额方便简单。电动车蓄电池按电极材料和工作原理的不同，应用最广泛的包括铅酸蓄电池、镍镉电池、镍氢电池、锂离子电池等四类。这四类电池的性能和优缺点如表1所示：表1 各材料电池性能比较性能等指标铅酸蓄电池镍镉电池镍氢电池锂离子电池电池容量3Ah-3000Ah100mAh-7Ah10mAh-3Ah50mAh-50Ah重量比能量35Wh/Kg50Wh/Kg70Wh/Kg120Wh/Kg体积比能量90Wh/L100Wh/L140Wh/L360Wh/L工作温度-4060-4050-4050-2060大电流放电性能高较高较低较低充放电寿命较低一般高高记忆效应无有略有无安全性高较高较高较低回收循环利用高低低低技术成熟度高较高较高一般成本低较低较高高铅酸蓄电池的主要优点是技术成熟、成本低、容量大、大电流放电性能好、使用温度范围广、安全性高，并且能够做到完全回收和再生利用，缺点是重量大、比能量低。而镍镉电池、镍氢电池、锂离子电池等目前都存在大容量制造技术不成熟的问题，只能实现中小容量电池的规模化生产，不能满足大功率动力的需求。铅酸蓄电池自发明以来，至今已有150年的历史，技术十分成熟。在现阶段，以电动助力车为主的小型电动车辆目前也主要以铅酸蓄电池作为动力电源，在这一市场上，铅酸蓄电池由于具备突出的性价比优势，占据了95%以上的市场份额。1.2 课题研究的内容本课题通过采用单片机技术和RFID技术实现电动车充电站设计,主要有三个功能，电量检测功能、RFID电子钱包功能和充电功能。如图1所示：电量测量模块电源模块键盘模块单片机小系统RFID模块显示模块充电接口图1 基于RFID的电动车充电站示意图此设计的内容是将220V市电通过一系列的转换与控制输出稳定的48V电压对电动车进行充电。本文通过六部分电路的设计来实现充电的功能，即交流220V整流滤波电路、充电主电路、单片机电路、信号采样与放大电路、模数转换电路、电源模块电路。该电路能够采用单片机(MCU)实时检测充电电流和蓄电池电压的实际值，分级控制开关电源的脉冲频率和实时调节脉冲占空比，从而调节充电电流和电压，实现对蓄电池的分级慢脉冲充电。设计中系统可以分为控制部分和信号检测部分。用桥式整流、滤波将220V交流电转换成311V直流电，经变压器反馈振荡得到48V充电电压，在设计过程方面，从总体方案、单元电路、元器件选择和设计等都进行了细致的介绍。2 充电原理2.1 蓄电池与充电技术蓄电池通常是指铅酸蓄电池，属于二次电池。它的工作原理：充电时利用外部的电能使内部活性物质再生，把电能储存为化学能，需要放电时再次把化学能转换为电能输出。电化学反应方程式如下： PbO2 + 2H2SO4 + Pb PbSO4 + 2H2O2 + PbSO4 (放电反应) （1） PbSO4 + 2H2O2 + PbSO4 PbO2 + 2H2SO4 + Pb (充电反应) （2）电池充电通常要完成两个任务，首先是尽可能快地使电池恢复额定容量，另一是使用小电流充电，补充电池因自放电而损失的能量，以维持电池的额定容量1。在充电过程中，铅酸电池负极板上的硫酸铅逐渐析出铅，正极板上的硫酸铅逐渐生成二氧化铅。当正负极板上的硫酸铅完全生成铅和二氧化铅后，电池开始发生过充电反应，产生氢气和氧气。这样，在密封铅酸蓄电池中，采用中等充电速率时，氢气和氧气能够重新化合为水。过充电开始的时间与充电的速率有关。当充电速率大于C/5时，电池容量恢复到额定容量的80%以前，即开始发生过充电反应。只有充电速率小于C/100，才能使电池在容量恢复到100%后，出现过充电反应。为了使电池容量恢复到100%，必须允许一定的过充电反应。过充电反应发生后，单格电池的电压迅速上升，达到一定数值后，上升速率减小，然后电池电压开始缓慢下降。由此可知，电池充足电后，维持电容容量的最佳方法就是在电池组两端加入恒定的电压。浮充电压下，充入的电流应能补充电池因自放电而失去的能量。浮充电压不能过高，以免因严重的过充电而缩短电池寿命。采用适当的浮充电压，密封铅酸蓄电池的寿命可达10年以上。实践证明，实际的浮充电压与规定的浮充电压相差5%时，免维护蓄电池的寿命将缩短一半。铅酸电池在环境温度为25时工作在理想状态，当环境温度降到0时，电池就不能充足电，当环境温度上升到50时，电池将因严重的过充电而缩短寿命。因此，为了保证在很宽的温度范围内，都能使电池刚好充足电，充电器的各种转换电压必须随电池电压的温度系数而变。2.2 蓄电池的充电原理理论和实践证明，蓄电池的充放电是一个复杂的电化学过程。一般地说,充电电流在充电过程中随时间呈指数规律下降,不可能自动按恒流或恒压充电。充电过程中影响充电的因素很多,诸如电解液的浓度、极板活性物的浓度、环境温度等的不同,都会使充电产生很大的差异。随着放电状态、使用和保存期的不同,即使是相同型号、相同容量的同类蓄电池的充电也大不一样。 上世纪60年代中期，美国科学家马斯对开口蓄电池的充电过程作了大量的试验研究，并提出了以最低出气率为前提的，蓄电池可接受的充电曲线，如图2所示。实验表明，如果充电电流按这条曲线变化，就可以大大缩短充电时间，并且对电池的容量和寿命也没有影响。原则上把这条曲线称为最佳充电曲线，从而奠定了快速充电方法的研究方向2。ti0图2 最佳充电曲线由图2可以看出：初始充电电流很大，但是衰减很快。主要原因是充电过程中产生了极化现象。在密封式蓄电池充电过程中，内部产生氧气和氢气，当氧气不能被及时吸收时，便堆积在正极板（正极板产生氧气），使电池内部压力加大，电池温度上升，同时缩小了正极板的面积，表现为内阻上升，出现所谓的极化现象。2.3 充电方法研究常规充电制度是依据1940年前国际公认的经验法则设计的。其中最著名的就是“安培小时规则”：充电电流安培数，不应超过蓄电池待充电的安培时数。实际上，常规充电的速度被蓄电池在充电过程中的温升和气体的产生所限制。这个现象对蓄电池充电所必须的最短时间具有重要意义。一般来说，常规充电有恒流充电、恒压充电法、阶段充电法。2.3.1 恒流充电法恒流充电，又叫定电流充电法，恒流充电法是用调整充电装置输出电压或改变与蓄电池串联电阻的方法，保持充电电流强度不变的充电方法，如图3所示。而电池的可接受电流能力是随着充电过程的进行而逐渐下降的。在充电过程中，由于蓄电池的段电压逐渐升高，为了保持充电电流的恒定，必须相应提高充电电压。采用恒流充电法，可以将不同容量的蓄电池串联在一起进行充电。但是各个蓄电池的容量应当尽可能相同，否则应当以容量最小的蓄电池计算充电电流。恒流充电法的优点是可以任意选择充电电流，有益于延长蓄电池的使用寿命。缺点是充电时间长，并且需要经常调整充电电流。充电曲线如下图所示：充电电压充电电流tu,i0图3 恒流充电曲线2.3.2 恒压充电法恒压充电又叫定电压充电法，在充电过程中，始终保持一个恒定的充电电压，绝大多数汽车都采用这种充电方法对车载蓄电池进行充电。充电初期，由于蓄电池的端电压较低，充电电路输出电压与蓄电池的电压差较大，所以充电电流也大。随着充电的进行，蓄电池端电压逐渐上升，充电电路输出电压与蓄电池的电压差也减小，所以充电电流减小。如果充电电路输出电压不足，则充电很短时间就导致充电电流下降为零，过早地结束了充电，长期如此，势必导致蓄电池长期充电不足，容量下降，寿命缩短。如果充电电路输出电压过高，充电电流将显著增大，即使蓄电池已经充足电，但端电压仍然低于充电器的输出电压，充电电流仍然纯在，充电始终在进行，势必导致蓄电池过充电，加快电解液的消耗，使用寿命缩短。与恒流充电法相比，其充电过程更接近于最佳充电曲线。用恒定电压快速充电，如图4所示： 充电电压充电电流u,it0 图4 恒压充电法曲线2.3.3 阶段充电法此方法包括二阶段充电法和三阶段充电法。二阶段法采用恒电流和恒电压相结合的快速充电方法，如图3所示。首先，以恒电流充电至预定的电压值，然后，改为恒电压完成剩余的充电。一般两阶段之间的转换电压就是第二阶段的恒电压。如图5所示：充电电流充电电压0恒流恒压tu,i 图5 二阶段法曲线三阶段充电法在充电开始和结束时采用恒电流充电，中间用恒电压充电。当电流衰减到预定值时，由第二阶段转换到第三阶段。这种方法可以将出气量减到最少，但作为一种快速充电方法使用，受到一定的限制。2.3.4 四阶段充电法目前，电动自行车主要以铅酸蓄电池为动力。铅酸蓄电池的主要优点是： 电池容量大、价格便宜并具有无记忆效应;但存在的缺点是： 体积大、重量重和不能过充或过放。根据铅酸蓄电池的上述特点， 铅酸蓄电池的充电过程一般分为四个阶段：预充电、脉冲快速充电、补足充电、浮充电。（1）预充电对长期不用的电池、新电池或在充电初期已处于深度放电状态的蓄电池充电时，一开始就采用快速充电会影响电池的寿命。为了避免这一问题要先对蓄电池实行稳定小电流充电，使电池电压上升，当电池电压上升到能接受大电流充电的阈值时再进行大电流快速充电。（2）脉冲快速充电 在快速充电过程中，采用分级定电流脉冲快速充电法，将充电电流分成三级，开始充电时采用大电流，随着电池容量的增加，电压逐渐升高，电流等级开始降低，使充电电流的脉冲幅度和宽度随蓄电池端电压的升高而分级减小。采用这种方法可以消除充电接近充满时易出现的振荡现象及过充电问题。（3）补足充电快速充电终止后，电池并不一定充足电，为了保证电池充入100的电量，对电池还要进行补足充电。此阶段充电采用恒压充电，可使电池容量快速恢复。此时充电电流逐渐减小，当电流下降至某一阈值时，转入浮充阶段。（4）浮充电此阶段主要用来补充蓄电池自放电所消耗的能量，只要电池接在充电电路上并且接通电源，充电电路就会给电池不断补充电荷，这样可使电池总处于充足电状态。此时也标志着充电过程已结束。3 总体设计方案3.1 系统设计根据题目的要求，系统采用开关电源，通过脉冲电流的方式来实现充电的目的。由市电送来的220V交流电经整流、滤波后，经脉冲变压器降压送给蓄电池进行充电。系统可以分为控制部分和信号检测部分。 控制部分则包括单片机模块、电源通断控制模块、开关管驱动模块三个基本部分。信号检测部分由充电电流测量及充电电压测量模块组成，其中电流测量用以测量蓄电池充电时的充电电流，电压测量模块模块测量蓄电池充电时蓄电池的实时电压。这两个实时信号反馈给单片机，由单片机判断后，控制PWM波形的占空比。从而控制充电电压和电流的大小。当蓄电池的电压达到额定值后，说明蓄电池已经充满电，单片机控制开关，断开电源，停止充电。3.2 方案比较与选择对系统信号进行采样和控制，一般有两到三种方法，传统的方法多数是将充电的电压和电流信号反馈回PWM信号发生器，由PWM信号发生器控制开关管通断的占空比完成的，现在比较新的方法是单片机和用状态机来实现。（1）方案一：用PWM信号发生器(比如UC3842)实现的方案。蓄电池充电时，电压、电流采样电路将蓄电池的电压、电流信号进行采样，采样的信号经过各种处理后，分别送进PWM信号发生器的电压和电流反馈引脚。PWM信号发生器对反馈回来的电压、电流信号进行分析，然后调整PWM输出信号的占空比。这个PWM信号送给开关电源开关管，从而调节开关管在一个周期内关断和导通的时间，也就是控制了高频变压器通断的时间，从而实现控制高频变压器输出电压和电流的大小。这种方法是目前市场充电器流行使用的方法，也是一种很技术非常成熟的方法。这种方案的优点是，技术简单、成熟、有多年的实用经验、所需的元器件少、成本低，但其在没充满电的情况下就会产生过充电的现象，增加蓄电池的损耗，使蓄电池的寿命减少，方案图如图6所示：蓄电池PWM波形发生器电流电压反馈高频变压器图6 方案一（2）方案二：用单片机实现的方案。由AT89C51系列单片机代替PWM信号发生器输出PWM波形控制开关管在一个周期内的导通与断开。电压、电流采样电路将蓄电池的电压、电流信号进行采样，采样信号分别送进模数转换器，将电压和电流的模拟信号转换为数字信号。数字信号送入单片机（MCU），由单片机对数字信号进行分析和处理。然后单片机调整PWM输出信号的占空比。这个脉冲宽度调制（PWM）信号送给开关电源开关管，从而调节开关管在一个周期内关断和导通的时间，也就是控制了高频变压器通断的时间，从而实现控制高频变压器输出电压和电流的大小。当蓄电池充电满后，由单片机输出信号控制开关断开电源，充电器便停止对蓄电池的充电。这是充电器目前比较新的一种方法，这种方案的特点是，技术比较复杂，单片机使用软件来控制整个充电过程，使得充电的过程易于控制。方案图如图7所示：电源高频变压器继电器开关管指示电路MCU蓄电池模数转换采样电路 图7 方案二（3）方案三：用VHDL设计实现。用VHDL设计主要是利用有限状态机来实现。用状态机来控制A/D采样，包括将采得的数据存入RAM，整个采样周期需要4至5个状态即可完成。由FPGA代替PWM信号发生器输出PWM波形控制开关管在一个周期内的导通与断开。电压、电流采样电路将蓄电池的电压、电流信号进行采样，采样信号分别送进模数转换器，将电压和电流的模拟信号转换为数字信号。数字信号送入FPGA，由FPGA的有限状态机对数字信号进行分析和处理。然后FPGA调整PWM输出信号的占空比。这个PWM信号送给开关电源开关管，从而便调节的开关管在一个周期内关断和导通的时间，也就是控制了高频变压器通断的时间，从而实现控制高频变压器输出电压和电流的大小。当蓄电池充电满后，由单片机输出信号控制开关断开电源，充电电路便停止对蓄电池的充电。这是充电电路目前比较新的一种方法，这种方案的特点是，技术最复杂、使用VHDL编程较复杂，成本比上两个方案都要高。FPGA的晶振频率一般为几十兆赫兹，故信号的采样频率高。在充满电的情况下才会产生过充电的现象，减少蓄电池的损耗，延长蓄电池的寿命，方案图如图8所示：电源高频变压器开关管指示电路FPGA蓄电池模数转换采样电路继电器图8 方案三综合以上三个方案，方案一虽然所需的成本是最低，技术简单、成熟，但是与本次题目的要求不甚相符。，并不是理想的设计方案。方案三需要的成本最高，技术复杂，编写VHDL语言程序复杂，在此不选用这种方案。方案二成本比方案一略高一点，易于接受，而且编程没有那么的复杂，在本次设计选择此方案。4 充电电路的硬件设计4.1 电路总体设计由市电送来的220V的交流电经继电器进行整流滤波，得到大约300V的直流电送入给脉冲变压器，高频变压器的次级绕组输出电压为48V给蓄电池充电。在蓄电池的出口处分别的进行电压和电流的采样，采样信号送入低通滤波器以滤掉谐波的干扰。低通滤波器输出的信号送入A/D模数转换器，将模拟信号转换为单片机可识别的数字信号送入单片机中。单片机通过软件将送进来的电压和电流信号转换为实际值，并将它们与上一次的实际值进行比较，然后再调节输出的PWM波形的频率和占空比，并控制指示灯的亮灭来指示充电的过程。当单片机检测到蓄电池充满电时，控制继电器断开电源，停止充电。同时蓄电池通过DC-DC变换器经整流滤波后给单片机、A/D模数转换器、指示电路和其它的电路提供电源。如图9所示：交流220V继电器A/D模数转换单片机（MCU）指示电路开关管DCDC整流滤波直流5V电源高频变压器整流滤波电压采样低通滤波低通滤波蓄电池电流采样图9 电路总体设计方框图4.2 芯片选择4.2.1 AT89C51型单片机在本设计中控制部分的单片机是核心，它作为本系统的微控制器，负责整个系统的控制和监控任务. ATMEL公司生产的89系列单片机是市场上比较常见，也是比较具有代表性的MCS-51单片机。其中AT89C51是我们在学习生活中常常用到或见到的，它的功能非常强大，在许多方面都得到应用。（1）功能特性描述AT89C51是一种带4K字节FLASH存储器的低电压、高性能CMOS 8位微处理器，俗称单片机。AT89C51 提供以下标准功能：4k 字节Flash 闪速存储器，128字节内部RAM，32 个I/O 口线，两个16位定时/计数器，一个5向量两级中断结构，一个全双工串行通信口，片内振荡器及时钟电路。同时，AT89C51可降至0Hz的静态逻辑操作，并支持两种软件可选的节电工作模式。空闲方式停止CPU的工作，但允许RAM，定时/计数器，串行通信口及中断系统继续工作。掉电方式保存RAM中的内容，但振荡器停止工作并禁止其它所有部件工作直到下一个硬件复位3。（2）管脚说明AT89C51有两种通用的封装方式，一种是40脚的双列直插（DIP）方式，另一种是44脚的PLCC方形贴片封装方式。在本设计中采用DIP方式，其引脚功能如表2所示： 表2 AT89C51的引脚功能符号引脚功能P0口3932P0口为一个8位漏级开路双向I/O口，每位能驱动8个LS型TTL负载P1口18P1口是一个内部有上拉电阻的8位准双向I/O口，可驱动4个LS型TTL负载，T2（P1.1），T2EX（P1.1）P2口2128P2口为一个内部有上拉电阻的8位I/O口。当CPU以总线方式访问片外存储器时，P2输出高8位地址。作为一般I/O口使用时，为准双向I/O口可驱动4个LS型TTL负载P3口1017P3口内部有上拉电阻的8位I/O口，还有一个全双功能口。作为一般I/O口使用时，为准双向I/O口可驱动4个LS型TTL负载RST9复位输入，高电平有效。当振荡器复位器件时，要保持RST脚两个机器周期的高电平时间ALE30当访问外部存储器时，地址锁存允许的输出电平用于锁存地址的地位字节29外部程序存储器的选通信号31当保持低电平时，则在此期间外部程序存储器（0000HFFFFH），不管是否有内部程序存储器XTAL119反向振荡放大器的输入及内部时钟工作电路的输入XTAL218来自反向振荡器的输出VCC：40该引脚接5V电源正端VSS20该引脚接5V电源地端4.2.2 ADC0809模数转换芯片ADC0809是美国国家半导体公司生产的CMOS工艺8通道，8位逐次逼近式A/D模数转换器。其内部有一个8通道多路开关，它可以根据地址码锁存译码后的信号，只选通8路模拟输入信号中的一个进行A/D转换。是目前国内应用最广泛的8位通用A/D芯片。（1）主要特性l 输入通道，8位A/D转换器，即分辨率为8位l 具有转换起停控制端l 转换时间为100sl 单个5V电源供电l 模拟输入电压范围05V，不需零点和满刻度校准l 工作温度范围为-4085摄氏度l 低功耗，约15mW（2）内部结构ADC0809是CMOS单片型逐次逼近式A/D转换器，内部结构如图所示，它由8路模拟开关、地址锁存与译码器、比较器、8位开关型A/D转换器、逐次逼近寄存器、逻辑控制和定时电路组成。如下图所示： 图10 ADC0809内部结构（3）外部特性ADC0809芯片有28条引脚，采用双列直插式封装，下面说明各引脚功能：l IN0IN7：8路模拟量输入端 l 2-12-8：8位数字量输出端 l ADDA、ADDB、ADDC：3位地址输入线，用于选通8路模拟输入中的一路 l ALE：地址锁存允许信号，输入，高电平有效 l START： A/D转换启动脉冲输入端，输入一个正脉冲（至少100ns宽）使其启动（脉冲上升沿使0809复位，下降沿启动A/D转换） l EOC： A/D转换结束信号，输出，当A/D转换结束时，此端输出一个高电平（转换期间一直为低电平）l OE：数据输出允许信号，输入，高电平有效。当A/D转换结束时，此端输入一个高电平，才能打开输出三态门，输出数字量l CLK：时钟脉冲输入端。要求时钟频率不高于640KHZ l REF（+）、REF（-）：基准电压l Vcc：电源，+5Vl GND：地（4）ADC0809的工作过程首先输入3位地址，并使ALE=1，将地址存入地址锁存器中。此地址经译码选通8路模拟输入之一到比较器。START上升沿将逐次逼近寄存器复位。下降沿启动 A/D转换，之后EOC输出信号变低，指示转换正在进行。直到A/D转换完成，EOC变为高电平，指示A/D转换结束，结果数据已存入锁存器，这个信号可用作中断申请。当OE输入高电平 时，输出三态门打开，转换结果的数字量输出到数据总线上。 转换数据的传送 A/D转换后得到的数据应及时传送给单片机进行处理。数据传送的关键问题是如何确认A/D转换的完成，因为只有确认完成后，才能进行传送。为此可采用下述三种方式。 l 定时传送方式 ：对于一种A/D转换器来说，转换时间作为一项技术指标是已知的和固定的。例如ADC0809转换时间为128s，相当于6MHz的MCS-51单片机共64个机器周期。可据此设计一个延时子程序，A/D转换启动后即调用此子程序，延迟时间一到，转换肯定已经完成了，接着就可进行数据传送。 l 查询方式 ：A/D转换芯片由表明转换完成的状态信号，例如ADC0809的EOC端。因此可以用查询方式，测试EOC的状态，即可确认转换是否完成，并接着进行数据传送。 l 中断方式：把表明转换完成的状态信号（EOC）作为中断请求信号，以中断方式进行数据传送。 不管使用上述哪种方式，只要一旦确定转换完成，即可通过指令进行数据传送。首先送出口地址并以信号有效时，OE信号即有效，把转换数据送上数据总线，供单片机接收。4.2.3 LM324是四运放集成芯片LM324系列器件带有真差动输入的四运算放大器。与单电源应用场合的标准运算放大器相比，它们有一些显著优点。该四放大器可以工作在低到3.0伏或者高到32伏的电源下。共模输入范围包括负电源，因而消除了在许多应用场合中采用外部偏置元件的必要性4。它有5个引出脚，其中“+”、“-”为两个信号输入端，“V+”、“V-”为正、负电源端，“Vo”为输出端。两个信号输入端中，Vi-为反相输入端，表示运放输出端Vo的信号与该输入端的位相反；Vi+为同相输入端，表示运放输出端Vo的信号与该输入端的相位相同。LM324本身具有许多特点，比如：一是具有短路保护输出；二是真差动输入级；三是可单电源工作；四是低偏置电流，最大为100nA；五是每个封装含有四个运算放大器；六是具有内部补偿的功能；七是共模范围扩展到负电源；八是行业标准的引脚排列；九是输入端具有静电保护功能。LM324系列由四个独立的，高增益，内部频率补偿运算放大器。 由于LM324四运放电路具有电源电压范围宽，静态功耗小，可单电源使用，价格低廉等优点，因此被广泛用在各种电路中。应用领域包括传感器放大器，有源带通滤波器，测温电路，单稳态触发器，直流增益模块和所有传统的运算放大器。4.3 功能模块电路设计4.3.1 整流滤波电路设计交流220V整流滤波电路由继电器电路、桥形滤波整流电路和保护电路组成。其中继电器电路用于接通和断开电源，桥形滤波整流电路用于将交流电转换为直流电源，保护电路用于过压和过流保护。继电器J1驱动电路由光电耦合器NEC2501、PNP三极管Q3和续流电路构成，光电耦合器NEC2501为了防止现场强电磁干扰或工频电压通过输出通道反串到单片机系统。它通过电光电这种转换，利用“光”这一环节完成隔离功能，因为光信号的传送不受电场、磁场的干扰，可以有效地隔离电信号，提高电路的抗干扰能力。三极管Q3用于将光电耦合器NEC2501的信号放大，以确保有效的驱动继电器，其中R16、R17和R18为限流电阻。二极管D5和电阻R1构成续流电路，当继电器的线圈断电后，二极管D5和电阻R1为线圈产生的反向电压提供续流通道。整流滤波电路由四个二极管D1D4、四个电容C31C34和一个滤波电容C1组成，电容C31C34(0.01UF)对交流50Hz阻抗很大，而对高频干扰的阻抗很小，基本上可以通过它顺利入地。此外，C31C34对整流二极管也有保护作用，在电路刚接通的瞬间，大电容C1的充电电流很大，在没有C31C34的情况下，将全部通过二极管。由于C31C34两端的电压不能突变，C31C34处于短路状态，二极管上不全流过很大的电流，从而保护了二极管。滤波电容C1将整流电路出来的脉动电流变为直流电源，电压大小为U=1.414220=311V。保护电路的熔断器用保护电路过流，压敏电阻RT1用于保护电路的过压。如图11所示： 图11 交流220V整流滤波电路4.3.2 充电主电路设计本课题是基于单片机技术和RFID技术的电动车充电站设计，设计内容把射频识别技术与电动车充电站结合起来，以AT89C51单片机为核心进行控制，主要包括电量检测功能、RFID电子钱包功能以及充电功能三部分，各部分功能模块及外围接口模块连接成了一个功能齐全的电动车充电站系统。充电电路部分是电动车充电站三大功能的一部分，主要实现智能充电功能。本课题经整流滤波的300V直流电源送给脉冲变压器T1的初级绕组，初级绕组的下端与开关管DFF4N60相连，开关管DFF4N60由光电耦合器NEC2501(U11)和PNP三极管Q2来控制和驱动。其中，光电耦合器NEC2501(U11)用于隔离强电与弱电，防止强电部分干扰单片机系统，PNP三极管Q2用于驱动开关管DFF4N60，确保开关管的导通，R8R11为限流电阻。R2、C2、D6和C6、R3、D7构成开关管DFF4N60的保护电路，在变压器的初级绕组上电的瞬间，如果没有C6、R3、D7，则就会有一个阶跃的电压加在开关管的漏源极，产生一个过高的du/dt加在开关管的两端，使开关容易被击穿。而有了C6、R3、D7组成的缓冲电路，在变压器上电一瞬间，由于电容C6两端的电压不能突变，有个上升的过程，它两端的电压随着电容的充电而升高，从而起到缓冲的作用。当开关管断开后，初级绕组将会产生一个反向电压，此时， R2、C2、D6为反向电压提供了一个通路，反向电压返回到初级组，将能量消耗在RC回路上。次级绕组接D8、D9、D10和D15构成二次整流电路，然后用一个470UF的大电容进行滤波。J2为继电器用于在充满电时断开电源，R4和D12为继电器线圈的吸收电路，光电耦合器NEC2501(U10)和PNP三极管Q4来控制和驱动继电器。R15R17构成蓄电池实际电压的采样电路，在本电路采样蓄电池的1/10的电压。蓄电池的负极经0.1欧姆的采样电阻接到地上构成电流采样电路。如图12所示：图12 充电主电路模块4.3.3 单片机电路设计单片机小系统电路如图13所示：图13 单片机电路模块单片机采用的是AT89C51型芯片，在18和19脚上接一个12MHz晶振，并联两个30PF的瓷介电容，为单片机提供时钟基准。单片机的复位电路为上电复位，电源通过22UF的电解电容加到单片机的复位脚9脚上一个高电平复位信号，RC常数t为t=2210-610103=0.022S=220mS,因此，上电复位电路能给单片机提供高电平的时间远大于2个机械周期的时间(即2mS),即单片机在加电后，单片机能完成复位。单片机的P0口通过排阻RR5与电源相连，为P0口的每个引脚接了一个10K的上拉电阻。P0口与ADC0809的数据口相连，用于读取取样的电压和电流信号。单片机的地址锁存输出引脚经过四分频后为ADC0809提供时钟信号，P2.7为ADC0809的地址线，P2.4P2.6用于控制光电耦合器，P3.6(WR)和P3.7(RD)为ADC0809的读写控制引脚，P3.2(INT0)用于接收来自ADC0809模数转换结束的中断5。4.3.4 信号采样与放大电路设计整体信号采样与放大模块电路图如下所示:图14 信号采样与放大模块电路图（1）电压采样信号处理电路如图14所示，信号采样与放大模块由电流和电压信号的采样电路和放大电路组成。其中，电流采样信号经过两级放大和量程自动转换电路调整后级放大电路的放大倍数。由电压采样电路出来的电压信号送入由R15和C24组成的低通滤波器，其截止频率为fH=1/23.14R15C24=1/23.141.510310-810.6KHz。对于频率大于10.6KHz的干扰信号经电容C24流入地，而对频率小于10.6KHz的有用信号进入电压跟随器电路中，再将信号送进模数转换芯片中。电压跟随器具有电压隔离的作用，也称为电压隔离器，电压隔离器输出电压近似输入电压幅度，并对前级电路呈高阻状态，对后级电路呈低阻状态，因而对前后级电路起到“隔离”作用。电压跟随器的电压放大倍数恒小于且接近1，具有输入阻抗高、输出阻抗低的特点，极端一点去理解，当输入阻抗很高时，就相当于对前级电路开路，当输出阻抗很低时，对后级电路就相当于一个恒压源，即输出电压不受后级电路阻抗影响。一个对前级电路相当于开路，输出电压又不受后级阻抗影响的电路当然具备隔离作用，即使前、后级电路之间互不影响。（2）前置放大电路 对电流信号的处理经过一个低通滤波器和两级电路放大电路。由于蓄电池充电时电流的信号从20mA3A，范围很大，它有一段的信号是很小，并且经过0.1电阻的采样电路的后，采样电流信号幅值变为2mA0.3A，为此在本设计中对采样电流信号进行两级放大，既前置放大电路和后级放大电路6。如图14所示，采样电流经过由R15和C6组成的低通滤波器，让10 KHz的有用信号能进入到前置放大器中，而10 KHz以上的谐波信号则从电容C24流入地中，提高了电路的搞干扰能力。为了提高对充电采样电流测量的精度，利用放大器AD620对采样电流进行精确的放大10倍，其中电阻R44的阻值为：R44=49.4K/(A-1)=49.4K/(10-1)=5.5K。（3）高精度自动换挡比例运放电路从前置放大电路输出电流信号的幅值为20mA3A，变化的范围很大，为了方便对电流信号的处理，在本设计中采用了高精度自动换挡比例运放电路，将前置放大电路输出电流信号分成了四个量程:第一档为20mA100mA；第二档为100mA500mA；第三档为500mA1000mA；第四档为1A5A，在这范围内的电流信号放大1倍，放大后的信号幅值为1V5V；高精度自动换挡比例运放电路分为电压比较电路。由四电压比较器LM339构成的电压比较电路组成，在电压比较器的同相输入端接一个基准电压，在反相输入端输入采样的电流信号7。这四个基淮电压信号分别为1V、0.5V、0.1V和0.02V,当采样信号大于基准电压时，电压比较器LM339输出低电平，当采样信号小于基准电压时，电压比较器LM339输出高电平。采样信号在不同的范围时，就会对应一个或几个电压比较器输出低电平，再由译码器74HC154进行译码使对应的引脚输出低电平，以便用于分析电流信号的范围和实现放大倍数自动转换。（4）继电器阵列驱动电路在后级放大电路中采用了由继电器阵列组成的放大倍数自动转换电路，由于译码器74HC154引脚最大的输出电流只有几十毫安，不足以驱动继电器，所以需要一个继电器阵列驱动电路，以驱动继电器实现放大倍数的自动转换。继电器阵列驱动由PNP三极管A1015所构成的放大电路，其中5V直流继电器，线圈额定电压为3.75V，额定功率为0.2W，由此可算出限流电阻R的阻值为：R=U2/P=(5V-3.75V)2/0.27.8。在这用的是4.7的电阻。三极管A1015的放大倍数为200倍，故流入基极的电流I为：I=U/AR=(5V-3.75V)/2007.8=0.8mA所以基极的限流电阻R为：R=UEB/I=(5V-0.7V)/ 0.8mA=5.4K,在本电路中用4.7 K的电阻。其电路如图15所示：图15 继电器阵列驱动电路（5）后级放大电路后级放大电路由低噪声高精度运放OP07对前置放大电路输出的信号进行放大，而放大倍数自动转换则由继电器阵列所构成 。其中电位器RTR2用于调零，以提高运放的精度，R45为限流电阻，电容C28为滤波电容，用于滤去谐波信号提高电路的抗干扰能力。继电器阵列用于实现放大倍数的自动转换，当充电电流为20mA100mA时，引脚15和16所接的线圈通电，使最左边的继电器导通。此时，由R46和R56构成运放OP07的反馈电路，放大51倍。当充电电流为100mA500mA时，引脚13和14所接的线圈通电，从左边数第二个继电器导通。此时，由R47和R56构成运放OP07的反馈电路，放大11倍。当充电电流为500mA1000mA时，引脚11和12所接的线圈通电，从左边数第三个继电器导通。此时，由R48和R56构成运放OP07的反馈电路，放大6倍8。当充电电流为1000mA2250mA时，引脚9和10所接的线圈通电，最右边的继电器导通。此时，由R49和R56构成运放OP07的反馈电路，放大两倍。4.3.5 模数转换电路设计模数转换芯片为8通道模拟输入的ADC0809，由于在本设计中只用了两个模拟通道，所以模拟通道选择信号地址A由单片机通过锁存器74HC573来控制，而B、C接低电平。由P2.7控制，则8路模拟通道的地址为0FEFEH0FEFFH。CLK(10脚)时钟信号。ADC0809的内部没有时钟电路，所需时钟信号由外界提供，因此有时钟信号引脚。通常使用频率为500KHz的时钟信号，ADC0809的时钟信号由单片机的地址锁存允许信号引脚ALE输出1MHZ的方波，经两个D触发器组成的四分频电路后得到500KHZ的方波时钟信号。EOC(7脚)转换结束信号。EOC=0,正在进行转换；EOC=1,转换结束。在本设计中将该引脚经反相后作为中断请求信号送给单片机的外部中断0(即INT0，12引脚)，用于触发单片机的中断。D0D7数据输出线。为三态缓冲输出形式，直接和单片机的数据线直接相连，在本设计与单片机的P0相连。Vref(12、16脚)参考电源参考电压用来与输入的模拟信号进行比较，作为逐次逼近的基准。其典型值为+5V(Vref(+)=+5V, Vref(-)=-5V，在本电路中接的是Vref(+)=+5V, Vref(-)=0V的电压。ALE(22脚)地址锁存允许信号。对应ALE上跳沿，A、B、C地址状态送入地址锁存器中。START(6脚)转换启动信号。START上升沿时，复位ADC0809；START下降沿时启动芯片，开始进行A/D转换；在A/D转换期间，START应保持 低电平。在本电路中，将ALE和START进行线与，由单片机的WR和P2.7引脚通过与非门和反相器来控制ADC0809的地址锁存和模数转换的启动。OE(9脚)输出允许信号。用于控制三态输出锁存器向单片机