基于单片机的铅酸蓄电池充电装置的设计

毕业设计毕业设计( (论文论文) ) 题题 目目 铅酸蓄电池充电装置的设计铅酸蓄电池充电装置的设计 学院名称学院名称 电电 气气 工工 程程 学学 院院 指导教师指导教师 职职 称称 班班 级级 学学 号号 学生姓名学生姓名 2013 年 06 月 03 日 南 华 大 学 毕业设计（论文）任务书毕业设计（论文）任务书 学学 院：院： 电气工程学院电气工程学院 题题 目：目： 铅酸蓄电池充电装置的设计铅酸蓄电池充电装置的设计 起 止 时 间：2012 年 12 月 20 日至 2013 年 06 月 日 学 生 姓 名： 专 业 班 级： 指 导 教 师： 教研室主 任： 院 长： 2012 年 12 月 20 日 论文 (设计) 内容及要求： 一一、毕业设计（论文）原始依据毕业设计（论文）原始依据 牵引式铅酸蓄电池是应用广泛的蓄电池之一，蓄电池放电后的充电问题一直 是一有争议的问题，目前很多所配的充电机由于性能技术不完善，常常导致蓄电 池提前损坏的现象，比如蓄电池生产厂家标明的蓄电池循环使用次数为750次，其 使用年限应该为23年左右，但统计表明，目前电池的的平均寿命仅为一年多， 这里面除了有蓄电池使用不当的因素外，另一主要原因就是充电机的原因。针对 牵引式铅酸蓄电池的特点，设计一个恒流-恒压-恒流的充电装置，自动完成充电 过程，减小对蓄电池的伤害，以延长电池的使用寿命。 二二、毕业设计（论文）主要内容毕业设计（论文）主要内容 利用单片机的软、硬件技术，设计一台具有 IUIa 特性的牵引式铅酸蓄电池智 能充电装置，该装置能够实现对蓄电池的电压进行检测、判别，按 IUIa 特性曲线 进行充电，对充电过程进行自动监控。学习设计利用计算机控制技术和 SCR 控制 方法，完成对蓄电池的恒流-恒压-恒流的充电过程的自动控制。设计出系统的总体 方案，设计数据采集、放大、转换电路，给出硬件电路和软件流程图。 1、设计单片机接口电路；设计充电控制电路； 2、设计蓄电池电压、充电电流、蓄电池温度等参数的测量转换电路； 3、设计电压、电流、温度等参数的显示电路； 4、设计充电过程的软件流程并调试程序； 5、绘制符合标准的设计图纸；编写设计资料、论文。 三三、毕业设计（论文）基本要求毕业设计（论文）基本要求 1、按设计任务、内容的要求完成充电装置的软、硬件设计工作。 2、毕业设计论文字数要求在 15000 字以上，论文格式规范，应包括目录、 摘要、关键词、正文、参考文献等。摘要和关键词译成英文。 3、画出电路原理图，原理框图及程序流程图，图文符合规范要求。 4、论文所有电路图要求全部打印装订。程序清单作为附录附在最后。 5、翻译一篇相关的英文专业论文，字数不少于 3000 单词。 四四、毕业设计（论文）进度安排毕业设计（论文）进度安排 设计的 第 1 周，下达设计任务书，理解相应的设计内容； 第 24 周，查阅资料阶段； 第 56 周，写文献综述，大致确定设计方案，在第六周完成开题报告； 利用寒假期间完成英文文献的翻译工作。 第 79 周，硬件电路设计阶段，包括各电路参数计算，元器件的选择，仪 表的选型，并绘制各单元电路和总电路图； 第 1012 周，软件设计和调试阶段； 第1315周，设计论文撰写阶段，在设计第十四周前完成论文初稿。 五、主要参考文献五、主要参考文献 1 高飞燕. 智能牵引式蓄电池 IUIa 特性充电机J.电子技术，30(7)， 1013，2003 2 黄俊、王兆安. 电力电子变流技术M. 北京：机械工业出版社，2005 3 贾英江、王立冬、王维斌. 铅酸蓄电池充电方法初探J.电源技术.2001 年 2 月:2728 4 郭亮.电动车用蓄电池充电技术的进展J.电池.2002 年 8 月：245246 5 郭鑫、袁海文、黄进文.电池充电控制技术的研究J.电力电子.2006 年 4 期： 2427 6 张幸、杨伟民 、李纲园.智能化电池充电装置的研究J.上海理工大学学报. 2004 年 11 月：381384 7 赵禹唐、王希业.铅酸电池充电技术J.电源技术.2001 年 10 月：375377 8 李学海PIC 单片机原理、PIC 单片机实践M北京：北京航空航天大学出 版社，2004 指导老师： （签 名） 年 月 日 南华大学本科生毕业设计（论文）开题报告南华大学本科生毕业设计（论文）开题报告 设计（论文）题目铅酸蓄电池充电装置的设计 设计（论文）题目来源自选课题 设计（论文）题目类型 工程设计类起止时间 2012.12.202013 .6 一、设计（论文）依据及研究意义： 中国在全球试铅酸蓄电池的产销大国，铅酸蓄电池已有 200 多年的历史， 是应用广泛的一种动力电源。具有价格低廉、原材料易得、可靠性好等优点， 目前约有 96的市场占有率。铅酸蓄电池作为稳定电源和直流电源，需求广泛， 用量巨大，与我们的社会生活息息相关。由于铅酸蓄电池维护简单、供电可靠、 价格低廉、使用寿命长，广泛作为飞机、汽车、轮船等机动车辆或发电机组的 启动电源，也在各类便携式仪器仪表和需要不间断供电的电子设备中用作一些 电器及控制回路的工作电源。 蓄电池放电后的充电问题一直是具有争议的问题，目前很多充电机由于性 能技术不完善，常常导致蓄电池损坏的现象。随着经济的发展，蓄电池的应用 迅速增加，人们希望能快捷、安全地对蓄电池进行充电。因此，为了适应市场 的需求，我们需要设计一种恒流-恒压-恒流铅酸蓄电池智能充电器。 二、设计（论文）主要研究的内容、预期目标：（技术方案、路线） 此次设计利用单片机的软、硬件技术，设计一台具有恒压-恒流特性的牵引 式铅酸蓄电池智能充电装置，该装置能够实现对蓄电池的电压进行检测、判别， 按 U-I 特性曲线进行充电，对充电过程进行自动监控。基本内容有： 1、有关铅蓄电池的电化学原理和充放电原理。 2、关于充电器对铅蓄电池充电的原理及其电路设计。 3、涓电流对电池充电的原理及其特点。 4、充电器对充电过程的检测及其自动转换。 5、充电器在充电过程中对电池的保护功能。 6、电路设计及其元件的选择调试等。 本次设计采用的方案是分阶段充电方法，充电曲线图如下： U(t) I(A)、U（V） 1C I（t） 0.09C 0t(h) 快快充充慢慢充充涓涓流流充充 t1t2t3 在快充阶段（0t1），充电器以恒定电流1C对蓄电池充电，由单片机控制 快充时间，避免过量充电；在慢充阶段（t1t2），单片机输出PWM控制信号， 控制斩波开关通断，以恒定电压对蓄电池进行充电，此时充电电流按指数规律 下降，当电池电压上升到规定值时，结束慢充，进入涓流充阶段；在涓流充阶 段（t2t3），单片机输出的PWM控制信号，使充电器以约0.09C的充电电流对 蓄电池充电，在这种状态下，可长时间对蓄电池充电，从而能最大限度地延长 蓄电池寿命。 系统的结构框图如下： 3、设计（论文）的研究重点及难点： 1、重点 （1） 、滤波电路中电容和电感的选择 （2） 、开关电源的设计 （3） 、单片机程序的设计 （4） 、恒流恒压闭环反馈回路的设计 2、难点 （1） 、电路图和 PCB 图的绘制 （2） 、仿真调试 （3） 、采样电路的设计 （4） 、控制程序的编写 四、设计（论文）研究方法及步骤（进度安排）： 1、第 1 周：选题，下达设计任务书，理解相应的设计内容； 2、第 2-6 周：查阅和收集资料，确定设计方案，完成开题报告； 220V 交 流电源 电源变 换电路 辅助电 源 斩波电 路 单片机 隔离、 驱动电 路 铅酸蓄电 池 电流、电 压检测电 路 3、第 7-8 周：根据设计方案设计硬件电路，选择合适的元件、仪器仪表，进行 电路参数计算，完成电路图的绘制； 4、第 9-12 周：进行软件系统的设计和调试，优化硬件及软件系统； 5、第 13-14 周：开始撰写论文，完成初稿并提交； 6、第 15 周：论文修改阶段； 说明：特殊情况下日程安排可作弹性调整。 五、进行设计（论文）所需条件： 1、参考文献 1 扬帮文.实用电池充电器与保护器电路集锦TM.北京：电子工业出版社. 2000. 2 王鸿钰.实用电源技术手册TM.上海：上海科学技术出版社.2002. 3 梁廷贵.现代集成电路实用手册（集成运算放大器 电压比较器分册）M. 北京：科学技术文献出版社.2002. 4 张占松，蔡宣三.开关电源的原理与设计TN.北京：电子工业出版社. 2004. 5 Marty Brown 著，徐德鸿，沈旭译.开关电源设计指南TN.北京：机械工 业出版社.2004. 6 王兆安,黄俊.电力电子TM.北京： 机械工业出版社,2000. 7 周志敏,周纪海,纪爱华.充电器电路设计与应用TM.北京：人民邮电出版 社,2005. 8 杨郑成.智能充电器的设计J.湖州职业技术学院学报,2004.(6): 120123. 9 丁志亮等.智能铅酸电池充电器的设计J.电源技术应用,2006.9(4): 1718. 10 胡湘娟,杨毅.多功能充电器的设计J.湖南技术学院学报,2005.26(11): 5354. 2、所需计算机软件有：protel99，keil，Proteus,altium designer 六、指导教师意见： 签名： 年 月 日 摘要摘要：铅酸蓄电池容量大、制造成本低、价格低廉，使用广泛。由于其固有的 特性，若使用不当，使用寿命将大大缩短。很多的因素都会影响铅酸蓄电池的 使用寿命，为延长蓄电池的使用寿命，必须采用正确的充电方式。因此，设计 一种全新的智能型铅酸蓄电池充电器是十分必要的。 设计的铅酸蓄电池智能充电器，包括对充电方法的选择和充电装置系统的 设计。根据对铅酸蓄电池的充电特性的分析，集合恒流、恒压、涓流三个充电 方式的优点，采用单片机 PIC16C54 控制，根据电流、电压的自动反馈，采用脉 宽调制技术来调节电压，分为快充、慢充、涓流充电三阶段。这种充电方法可 以使充电电流在总体上逼近蓄电池的可接受充电电流曲线。 实验证明，基于单片机 PIC16C54 控制的铅酸电池智能充电器，它能有效发 挥快速调整时间和充电的特性，可以提高电池的使用容量并延长电池的使用寿 命，它通过提供了一个全新的有效的方式来提高电池的性能和可靠性，将会有 一个好的应用前景。 关键词关键词：铅酸蓄电池；智能充电；单片机；脉冲宽度调制(PWM) i Abstract:Lead-acid battery has many advantages, such as large capacity, low manufacturing cost, low price and wide scope of application. Because of its inherent characteristics, if it used improperly, the service life will be greatly shortened. A lot of factors will affect the life of lead-acid batteries, to prolong the battery life, choosing a correct charging method is necessary. Therefore, it is necessary to design a new intelligent lead-acid battery charger. A intelligent lead-acid battery charger was designed, including the selection of the charging method and the charging device system. Gathering three charging ways advantages, three charging way includs constant current charging, constant voltage charging and trickle charging. According to automatical feedback of the current and voltage, the single chip microcomputer PIC16C54 is used to control and the pulse width modulation techniques are used to regulate the voltage, the whole charging process can be divided into three stages, they are quick charging, slow charging and trickle charging. This charging method can be made to approach the battery charging current on the overall acceptable charging current curve. Experiments show that the lead-acid battery smart charger which is based on single chip microcomputer PIC16C54s control can effectively adjust the time and charge fastly, as the same time, it can improve the capacity of the battery and prolong the service life of the battery. The smart charger provides a new effective way to improve performance and reliability of the battery, it will be a good application prospect. Key words: lead - acid batteries; intelligent-charging; single chip computer; pulse width modulation 目录目录 引言1 1 概述2 1.1 课题研究的背景 2 1.2 课题研究的意义 2 2 充电方案的选择及系统的整体结构3 2.1 课题的总体设计方案 3 2.2 充电方法的选择 3 2.2.1 恒流充电.3 2.2.2 恒压充电.3 2.2.3 浮充方式.4 2.2.4 涓充方式.4 2.2.5 分阶段充电方式.5 2.3 系统的整体结构 6 2.4 本章小结 6 3 充电器硬件部分的设计7 3.1 充电器的充电过程及工作原理 7 3.1.1 充电过程分析.7 3.1.2 充电器的工作原理.7 3.2 充电控制电路的设计 8 3.2.1 单片机的选择.9 3.2.2 控制电路的设计10 3.3 开关电源 PWM 控制电路的设计 .12 3.3.1 TL494 的简介 13 3.3.2 TL494 的工作原理 13 3.3.3 TL494 外围电路的设计 17 3.4 开关电源主回路设计 .19 3.4.1 功率开关元件的选用19 3.4.2 滤波电路的设计20 3.4.3 开关管驱动电路的设计22 3.5 辅助电源电路的设计 .24 3.6 显示电路的设计 .25 3.7 本章小结 .27 4 软件部分的设计.27 4.1 软件的功能 .28 4.2 PIC 系统指令设计28 4.2.1 指令系统基本说明28 4.2.2 指令寻址方式28 4.3 程序流程图 .29 5 总结.35 参考文献.36 谢辞.37 附录一 主电路图.38 附录二 程序清单.39 引言引言 电池是一种化学电源，是通过能量转换而获取电能的器件。化学电源是在 氧化还原的电化学过程中将化学能转化为电能的。一次电池是一次性使用的电 池，二次电池是可多次反复使用的电池。二次电池又称可充电电池或蓄电池， 能将化学能和直流电能相互转化且放电后能经充电复原重复使用的装置叫蓄电 池。常用的蓄电池有铅酸、福镍、氢镍和锉离子电池。目前所有二次电池中使 用最广泛、技术最成熟的是铅酸蓄电池。整个电池使用中铅酸蓄电池占有很大 的比重，据统计大约在 65%以上。铅酸蓄电池具有电动势高、能进行大电流放 电、使用温度范围宽、性能稳定、工作可靠、价格低廉、原材料来源丰富等优 点，因此广泛应用在国民经济的各个领域，尤其在电动汽车动力电源、工矿电 机车动力电源、汽车起动电源等方面。 铅酸蓄电池因其可循环再充电的特性，以及成本低廉、使用安全、无污染 等优点，在目前生活中的需求正日益增大。相应的，蓄电池的充电技术也引起 了普遍地关注。一方面，传统的充电方法正常充电时，以 10h 或 20h 率电流进 行充电。这时需要时间一般为 10 多个小时，甚至 20 多个小时，充电时间长， 而且使用不便。另一方面，充电技术不能适应铅酸蓄电池的特殊要求，会严重 影响蓄电池的寿命。国内外多年来的实践证明，铅酸蓄电池浮充电压偏差 5%， 电池的浮充寿命将减少一半。在其他方面，由于充电方法不正确，铅酸蓄电池 也很难达到规定的循环寿命。衡量蓄电池的性能指标，常常以工作电压;电 池容量;工作温区;循环寿命四方面的性能参数来表征。其中影响电池的循 环寿命最关键的有二点，一是使用时不过放不过充，二是蓄电池的充电机的性 能好坏，充电机的充电方法选择不当，会直接影响电池的循环寿命。目前很多 所配的充电机由于性能技术不完善，常常导致蓄电池提前损坏的现象。因此， 研究如何延长蓄电池的寿命，提高蓄电池的使用效率，设计一种全新的智能型 铅酸蓄电池充电器显得十分重要。针对铅酸蓄电池的特点，设计一个恒流-恒压 -恒流的充电装置，自动完成充电过程，减小对蓄电池的伤害，以延长电池的使 用寿命。 南华大学电气工程学院毕业设计 第 1 页 共 58 页 1 1 概述概述 1.11.1 课题研究的背景课题研究的背景 电池是一种化学电源，是通过能量转换而获得电能的设备。也被称为可再 充电电池或蓄电池被激活的充电电池的放电后的活性物质继续使用的二次电池。 当对电池充电时，电能转变为化学能，实现向负荷供电，伴随吸热过程。应用 过程中的可充电电池，充电器是使用的设备，是其成功的关键，可充电电池一 问世，充电器设计就是一个关键问题，因为直接影响充电电池的两个重要方面： 充电电池的使用容量及循环寿命。因此，直到二十世纪中叶，充电器的技术都 没有取得大的进展，常用的恒流或恒压充电方法，效果比较差。这种情况一直 持续，直到六十年代MASCC博士基于最低出气率曲线原理，发现可接受的电池充 电电流的大小随时间而减少这一规律，证实恒流或恒压充电是不是最合适的方 法。根据MASCC的曲线，提出了两阶段，三阶段的多段充电方式。所谓的两阶段 的第一阶段以恒定电流或恒定电压对电池进行充电，当电池电压达到一定的水 平，然后涓流充电；所谓的三阶段充电先以恒定电流充电，直到电池电压达到 一定值时，转入第二阶段，即恒定电压充电阶段，当电流降到某种程度时，进 入第三阶段涓流充电。 经过几十年的发展，铅酸蓄电池充电技术已较为成熟。由于使用这种电池 的性能接近镍镉电池，而且不需要维护，国内铅酸电池使用量逐渐增加。充电 器在近几年的进步已经取得明显进步的标志就是世界上最的半导体制造商纷纷 推出自己的充电芯片，其中一些还带有中央处理器。本文也将应用单片机 PIC16C54，设计一款智能型铅酸蓄电池充电器。 1.21.2 课题研究的意义课题研究的意义 由于铅酸电池有许多因素影响电池的寿命和容量，为了提高效率，消除偏 振，缩短充电时间，在分析铅酸电池的充电特性的基础上，集合涓流充电和恒 定电流，恒定电压充电，PIC16C54 微控制器，脉宽调制技术的优点，根据电压、 电流反馈自动调节充电脉冲宽度，设计一个可以在系统控制下进行三阶段充电 的铅酸蓄电池智能充电器。该充电器根据设计的充电方法对 12V、4AH 蓄电池充 电。该充电器的一些技术指标有：a）基本输入：单相 220VAC5%，50HZ2%；b）充电参数：快充时充电电流为 4A，慢充时充电电 压为 14.7V，涓充时充电电压为 14.1V；c）环境温度：-10到 50：空气相 对湿度不超过 85%。 2 2 充电方案的选择及系统的整体结构充电方案的选择及系统的整体结构 2.12.1 课题的总体设计方案课题的总体设计方案 该设计采用逐个功能模块分析再组合的方法来实现方案。分别对充电控制 电路，开关电源 PWM 控制电路，开关电源主回路中的滤波电路、开关管的驱动 电路以及辅助电源电路和显示电路进行了分析设计。然后对每一部分的具体电 路的特点进行组合。软件方面阐述了软件实现的功能，说明了 PIC 系统的指令， 绘制了程序流程图，分析和解释了程序。 2.22.2 充电方法的选择充电方法的选择 铅酸蓄电池充电方法的选择是至关重要的，不同的充电方法差别很大，充 电效果有很大的差距，对电池性能的影响也不相同。选择最合适的充电方法， 你应该考虑使用充电电池的频率，放点的放大倍率以及其他因素。下面是对不 同充电方法的简要概述： 2.2.12.2.1 恒流充电恒流充电 充电器的交流电源电压通常是波动的，充电需要的是直流恒流电源。当使 用恒定电流充电时，电池可以具有高充电效率，可以很容易地根据充电时间来 决定是否充电中止，并且还可以改变的电池的数目。恒流电源充电电路如图 2.1 所示。 图 2.1 恒流电源充电电路 南华大学电气工程学院毕业设计 第 3 页 共 58 页 2.2.22.2.2 恒压充电恒压充电 在该充电模式中，充电电路随电池两端的电压波动而变化，初始充电电流 比较大，到最后阶段，充电电流变小。充电电流中的最大充电电流应设置为最 高充电电压，以便将电池过度充电。 此外，在用恒压方式充电时，充电电压在充电末期达到峰值后会有所下降。 电池充电电流会加大，会导致电池温度上升。当电池温度上升时，电压下降将 导致热失控的电池，电池的性能损坏，因此，不建议使用恒压充电。如图 2.2 所示： 图 2.2 恒压充电电路 2.2.32.2.3 浮充方式浮充方式 在浮充模式下，电池以小电流（C/30号C/20）充电，以保持电池在完全充 电的状态。浮充法适用于电池作为应急电源或备用电源的电气设备。常规浮充 方式充电电路如图2.3所示。 图 2.3 浮充方式充电电路 2.2.42.2.4 涓充方式涓充方式 电池与负载并联，同时电池与直流电源（充电器）相连。一般情况下，作 为负载的工作电源，直流电源以涓流充电模式对电池进行充电，只有当负载变 大，在直流电源的端电压低于电池端电压或直流电源停止供电时，电池对负载 放电。在这种方式下，充电电流由使用模式决定。它通常使用在紧急电源、备 用电源或电子表等不允许断电的场合。如图2.4所示是简单的涓充方式示意图。 图 2.4 涓流方式的简单示意图 2.2.52.2.5 分阶段充电方式分阶段充电方式 在分阶段充电方式中，在电池充电的初始阶段充电电流较大。当电池电压 达到控制点时，电池转为以涓流方式充电。分阶段充电模式是最好的电池充电 模式，但缺点是，所述充电电路的复杂性和更高的成本。另外，需增设控制点 的电池电压的监测电图。如图 2.5 所示： 图 2.5 分阶段充电的简单示意图 铅酸蓄电池往往采用恒压充电或恒流充电。恒压充电的初始充电电流过大， 影响电池寿命铅酸电池，甚至可能导致极板弯曲，损坏电池。因此，大量的铅 酸蓄电池充电电路以恒流充电方式充电，恒流充电电路始终是一个恒定的充电 电流给电池充电，直到电池充满后关断电路，或进入浮充形式。相比而言，恒 流充电对蓄电池的寿命是有好处的。而且恒流充电具有较大的电流充放电，使 充放电的速度大大加快。 但是，如果恒定电流充电，充电电流，以保持原始值，大部分电流消耗在 南华大学电气工程学院毕业设计 第 5 页 共 58 页 分解水上，使冒气非常强大，电解液沸腾十分激烈，不仅消耗能量，而且容易 使极板活性脱落，对极板极其不利。 因此，对于铅酸蓄电池分阶段充电方法是一个更好的办法，因为在充电过 程中的，充电电流逐渐下降。使用这种方法中，充电结束的电解质沸腾现象减 弱，能量损失少，而且保护极板，以防止过度充电和水解带来的功率损耗。 分析几种充电方式，综合快充和慢充铅酸电池充电器设计的优势。使用微 控制器控制的充电器，充电过程分为快速充电，慢速充电，涓流充电三个阶段， 充电更好。 2.32.3 系统的整体结构系统的整体结构 图 2.6 系统的整体结构 充电系统的结构框图如图 2.6 所示。整个充电装置由单片机控制系统，斩 波电路，辅助电源电路，电流电压反馈电路，隔离驱动电路和电源变换电路组 成。 单片机控制系统由 PIC16C54 及其外围电路组成，单片机接收到电压电流检 测电路反馈的信号后，控制斩波电路的导通，使电压或电流稳定。 斩波电路由晶体管组成，主要作用是可以实现占空比的调节从而达到电流 电压稳定的效果。 辅助电源电路是将整流的电压降压，滤波，为单片机提供工作电压。 电流电压检测电路是检测蓄电池两端的充电电压或充电电流是否稳定的设 定值。 电源变换电路由滤波电路和整流电路组成，将市网电处理。 驱动隔离电路的主要作用是有基极驱动电路驱动变压器输出。 220V 交 流电源 电源变 换电路 辅助电 源 斩波电 路 单片机 隔离， 驱动电 路 铅酸蓄电 池 电流、电 压检测电 路 2.42.4 本章小结本章小结 本章着重对比各种充电方案，综合各种充电方案的优点，确定了充电器的 设计方案，以单片机为控制核心的恒流恒压恒流三阶段充电方式。搭建了 系统的总体框图，接下来就总体框图来进行各部分的硬件设计。 3 3 充电器硬件部分的设计充电器硬件部分的设计 3.13.1 充电器的充电过程及工作原理充电器的充电过程及工作原理 3.1.13.1.1 充电过程分析充电过程分析 图 3.1 所示为该充电器的充电电流、电压曲线。 U(t) I(A)、U（V） 1C I（t） 0.09C 0t(h) 快快充充慢慢充充涓涓流流充充 t1t2t3 图 3.1 充电器的充电电流、电压曲线 可以看出，在图3.1中：快充阶段（0至t1） ，充电器以恒定电流1C充电，由 单片机控制快速充电时间，避免充电过量，慢充阶段（t1至t2） ，单片机输出 PWM控制信号来控制斩波器开关通断，以一个恒定的电压，对电池进行充电时， 充电电流呈指数下降，当电池电压上升到规定值时，慢充结束；进入涓流充电 阶段（t2至t3） ，单片机输出的PWM控制信号，使充电器以约0.09C的充电电流充 电，在此状态下，很长一段时间，可以对电池进行充电，从而延长电池寿命。 3.1.23.1.2 充电器的工作原理充电器的工作原理 根据框图中所示的系统结构中，铅酸蓄电池的充电装置的原理图，主要包 括开关稳压器的，斩波器开关，控制器和辅助电源四个部分，并设有过电流保 护，过电压保护和过温保护。交流电流输入整流电路和辅助电源，辅助电源给 单片机提供工作电压，再输入半桥式转换器，然后通过使用TL494设计的电压控 南华大学电气工程学院毕业设计 第 7 页 共 58 页 制和电流监测，使用单片机控制半桥变换器斩波开关实现对蓄电池充电的智能 控制，单片机还可以控制灯运行和停止，可以看到现在处于那个阶段的充电状 态。在此示意图中，必须先设定值，然后由微控制器控制的每个阶段的充电。 具体的原理图如图3.2所示： 图 3.2 铅酸蓄电池充电器原理图 3.23.2 充电控制电路的设计充电控制电路的设计 根据本系统的特点，硬件电路采用单片机控制系统来实现。 3.2.13.2.1 单片机的选择单片机的选择 PIC16C54 单片机的介绍： PIC16C54 属 CMOS 单片机，是一个低价位高性能 8 位单片机，具有体积小， 功耗低，性能强，体密性高，价格低等特点。仅使用了 33 条精简指令集、单字 节单周期指令，每条指令的执行时间最快可达到 200ns。易于记忆和使用的指 令系统可大大减少产品的开发时间。它有两个双向 I/O 口线，其中 A 口用来检 测四种工作方式的按键情况，作为输入，B 口中除 RB0 作为输入，用来检测电 流强度控制键的按键情况外，其余都用作输出，RB1 用于输出脉冲信号，该信 号刺激隔离器，耦合到刺激电极上输出，它的振荡源有四种，晶体振荡（XT） ， 低功耗振荡（LP） ，高速振荡（HP）及 RC 振荡。多种时钟振荡电路低功耗睡眠 省电模式和 WDT（看门狗）代码保护功能，这些功能有更大的优势。RB2-RB7 是用来控制六档电流强度指示灯的开启和关闭；PIC16C54 系列单片机可广泛应 用于电机控制、汽车电路、家用电器等领域。 PIC16C54 单片机主要性能： RISC 精简指令集，指令仅有 33 条，指令长度为 12 位 绝大部分均为单机器周期指令。 工作速度高，最快可达 200ns（20MHz 时钟时） 数据长度为 8 位 片内程序存储器容量为 512-2kbyte 片内静态数据存储器(SRAM)为 25-73byte 硬件组成 7 个专用寄存器 两级硬件堆栈 有直接、间接、相对和位寻址功能 12-20 条 I/O 引脚，每条引脚均可设置为输入和输出态 多种时钟振荡电路及 WDT 定时器电路 宽工作电压范围和低功耗模式：工作电压为 2.5V-6.0V，典型工作电流为 南华大学电气工程学院毕业设计 第 9 页 共 58 页 2mA，睡眠状态仅为 3uA。 PIC16C54 单片机引脚图： 图 3.3 PIC16C54 单片机引脚图 PIC16C54 单片机的引脚功能为： RA0-RA3 I/O 输入和输出端口 A，与内部的 F5 对应，为一个 4 位 I/O 端口， 可进行位控。 RB0-RB7 I/O 输入和输出端口 B，与内部的 F6 对应，为一个 8 位 I/O 端口， 可进行位控。 RTCC 实时时钟/计数器输入计数在这个端口输入信号的上升沿或下降沿， 边缘可通过软件选择。 MCLR主复位端，当MCLR为低电平时对单片机复位。 OSC1振荡信号输入端。此端口用于外部振荡信号的输入，使用RC振荡，当 它连接到RC电路，使用石英晶体的一端连接到一个石英振荡电路。 OSC2振荡信号输出端。石英晶体谐振器或陶瓷谐振器通过一个串联电阻R连 接到晶体振荡器的一端，往往RC振荡器作为的CLKOUT输出（CLKOUT的1/4fosc） 的。 VDD电源电压。一般为5V，其范围在2.5-6.25V之间。Vss地端。 3.2.23.2.2 控制电路的设计控制电路的设计 电路包含控制主芯片PIC16C54、振荡电路、复位电路。振荡电路是由晶体 振 图 3.4 控制电路的电路图 荡器及电容构成；复位电路是由二极管、电阻及极性电容构成。 快速充电阶段，IC3的6脚输出高电平，通过一个电阻器R32的连接Q7的基极， 南华大学电气工程学院毕业设计 第 11 页 共 58 页 斩波器开关导通时，通过电流监测电路，以恒定电流对电池进行充电。达到快 速充电时间，IC3的6脚输出低电平，斩波开关关闭，停止充电，快速充电阶段 的结束。慢速充电阶段，IC3的6脚输出PWM控制信号，斩波开关到一个固定的导 通占空比，充电器恒压为电池充电，充电电流随电池电压上升指数下降。当电 池电压上升到一个预定值，电阻R33，R34，R35对电池的电压进行采样，并送到 比较器IC2的第3脚（同相输入端子） ，跟引脚2（反相输入端）的参考电压比较， 1脚输出高电平，IC3的17脚输出高电平，软件过滤和延迟后，以确定检测正确， 慢充结束。涓流充电阶段，IC3的6脚输出PWM控制信号到斩波切换到较小的占空 比导通，充电电流维持在约0.09C，为电池充电。 过热保护是通过外接电池的正温度特性热敏电阻RT2，R36，R37完成的。当 电池的温度升高，热敏电阻RT2阻值正在增大，IC2引脚5（同相输入端）电位升 高，电池温度上升到一个特定的值，5脚电位超6脚（反相输入端）的电位，7脚 高电平输出，IC3的18引脚输入高电平，IC3的6脚输出PWM信号，将充电器的浮 动电压给电池充电，有效地保护电池。 系统用发光二极管表示充电状态。即快充和慢充阶段，绿色发光二极管亮； 涓流充阶段，黄色发光二极管亮。 3.33.3 开关电源开关电源PWMPWM控制电路的设计控制电路的设计 采用脉冲宽度调制（PWM）技术，其特点是一个高频率，高效率，高功率密 度，高可靠性。脉冲宽度调制的开关电源一般是一个模拟的控制模式下，按照 与相应的改变负载，通过调节偏置的晶体管的栅极或基极来实现的开关电源输 出晶 1 2 3 4 5 6 7 8 IN+ IN- FB T Ct Rt GND C1 16 15 14 13 12 11 10 9 IN+ IN- COM Vcc C2 E2 E1 TL494 图 3.5 TL494 管脚分配图 体管或晶体管的导通时间，这种方式的变化，使得电源的输出电压在工作条件 的变化时保持恒定，是使用单片机的数字输出来控制模拟电路的一个非常有效 的方式。调节的开关电源的占空比，输出电压基本上不随负载的变化或输入电 压变化的方法称为脉冲宽度调制方法。 现在有许多的脉宽调制控制器，主要的生产厂家像美国德州的TI公司，其 生产的脉宽调制控制器有TL598，SG2524，TL494等，而本设计中选用的是TL494 型的脉宽调制器，其能够产生两路PWM输出，并且具有稳压、限流及保护功能。 3.3.13.3.1 TL494TL494 的简介的简介 TL494 是一款固定频率脉宽调制电路，它包含了开关电源控制所需的全部 功能，被广泛应用于单端正激双管式，半桥式，全桥式开关电源。 TL494 的 SO-16 PDIP-16 两种封装形式，以适应不同场合的要求，其主要特点如下： 集成了全部的脉宽调制电路； 芯片内置线性锯齿波振荡器，外接振荡器件只有两个（一个电阻和一个电 容） 内置误差放大器； 内置 5V 参考基准电压源； 可调整死区时间； 内置功率晶体管可提供 500mA 的驱动能力； 推或拉两种输出方式。 3.3.23.3.2 TL494TL494 的工作原理的工作原理 TL494 的内部器件是由锯齿波发生器、触发器、比较器、误差放大器 1 和 2、5V 基准电源与两个驱动晶体管等组成。它是一种脉宽调制型开关电源集成 控制器。管脚分配如图 3.6 所示。脚 1、2 和脚 15、16 分别为两个比较器输入 端；脚 3 为相位控制端；脚 4 为死区电平控制端；脚 5、6 为振荡器的 R、C 输 入端；8,9 脚 11,10 脚分别为两个内部驱动晶体管集电极 、 发射极。他们所 发出的脉冲，可控制转换器开关交替导电管。引脚 13 为输出控制端子，两个内 部驱动晶体管导通或关闭时，引脚 13 为低电平，转换器只能控制一个开关，以 形成一个单端输出;当脚 13 为高电平时，就可推挽输出。 南华大学电气工程学院毕业设计 第 13 页 共 58 页 达到输出的脉冲宽度调制，可以通过任何一个在电容器 CT 侧的正的锯齿波 形与两个控制信号来比较。仅当锯齿波电压时，NOR 门电路驱动的输出晶体管 Q1 和 Q2，只有当正反器的时钟输入信号是在低的水平，这个门会是在有效状态， 这种情况的发生是锯齿波信号电压大于控制信号电压的期间。当控制信号的振 幅增加时，此时也会一致引起输出脉波宽度的线性减少。如图 3.7 所示： 图 3.6 TL494 的内部结构图 南华大学电气工程学院毕业设计 第 15 页 共 58 页 图 3.7 TL494 控制器时序波形图 控制信号可以是外部输入端子输入在引脚 4 控制端子的截止时间，误差放 大器的输入端脚 1,2,15,16 与其输入端点的抵补电压为 120mV 时，限制输出截 止时间降至最低，约为最初锯齿波的周期时间约 4。当 13 脚输出模式控制接 地时，获得的最大占空比为 96，当 13 脚接系统的参考电压，最大占空比为 48。如果我们控制输入引脚 4 截止时间设定一个固定的电压范围从 0V 到 3.3V，一个额外的截止时间必须出现在输出。 PWM 比较器提供了一种方法，这是确定的最大百分比的时间做了调整输出 的脉冲宽度控制输入至零电位，但这次返回授予输入脚的电压的变化可以是 0.5V 到 3.5V，两个误差放大器的模态（共模）输入范围从-0.3V 到（工作电压） 2V，可以用来检测电源供给器的输出电压和电流。 误差放大器的输出是高主动的状态，并且它们的误差放大器的输出与 PWM 比较器的非反相输入为或（OR）运算，所以电路结构，放大器需要一个最小的 输出上的时间，控制抑制回路，通常第一个误差放大器的参考电压和稳定的输 出电压进行比较，可以依靠反馈控制环路增益。 3 脚通常用作频率补偿，其主 要目的是为整个环路的稳定性，特别注意的是必须避免使用反馈引脚 3 输入过 载电流大于 600uA，否则最大脉冲宽度是不正常的限制，两个误差放大器，都 可以利用正相或反相放大来稳压。第二误差放大器可以用来做电流检测电路， 检测电阻与参考电压元比较，回路电压在接近地时，该误差放大器的转换率在 7V 至 Vcc 时为 2V/s。但是，在任何情况下，在高频用途中。脉冲宽度比较 器和控制逻辑的传播延迟，使他不能用于动态电流限制器。它可以应用到恒定 电流限制电路或外部组件使电流回叠（电流反馈回路）限流装置，动态电流限 值优选为能够使用的控制输入端的截止时间引脚 4。 当电容 CT 放电，在截止时间比较器的输出将是正脉冲信号输出，该时钟脉 冲控制操作的触发器，抑制了输出晶体管 Q1 和 Q2，输出模式控制部分 13 脚的 位线连接到参考电压电平，此时为推挽操作，这两个输出的脉冲信号的调制晶 体管被交替地导通，那么每一个输出的开关频率为振荡器频率的一半。 当工作在单端模式，最大占空比不得低于 50，输出由驱动晶体管 Q1 或 Q2 取得，单端操作需要更高的输出电流，可把 Q1 和 Q2 晶体管连接并联，输出 模式控制脚 13 必须接地，触发器的失效状态（禁用） ，输出的开关频率等于振 荡器的频率。 TL494 约两个输出级可用于单端或推挽输出，两个输出之间的关 南华大学电气工程学院毕业设计 第 17 页 共 58 页 系是不具约束力，双方的集电极和发射极输出可以采用共发射极状态，基极和 发射极电流在 200mA，在 1.1V 的电压下的共基极结构基极极和发射极饱和电压 为 15V，输出设置下两个输出有一定的保护作用，一般两个共发射极输出转换 时间，因此，我们可以知道转换速度非常快，工作频率高达 300KHz，输出漏电 流在 25时一般小于 1uA。 3.3.33.3.3 TL494TL494 外围电路的设计外围电路的设计 图 3.8 TL494 外围电路设计 如图 3.8 所示，TL494 的外围电路的设计比较固定，这里分几个部分简单介 绍。 （1）软启动保护 由前面的介绍可知，TL494 的 4 脚是芯片的死区控制端。该脚的落地电阻 R13，以及跨接在 14 脚（内部参考电源端子）之间的电容 C19，在开机的时候， 落地电阻 R13 上没有电流流过，R13 上无电压。随着输入电源给电容 C19 充电， R13 上开始流过电流，即 4 脚上开始建立一定的电压，芯片开始工作。这就是 软启动。可见，充电电容 C19 的值决定了 软启动的快慢。C19 越大，软启动过 程越短。死区时间的大小，是由落地电阻 R13 的电压值决定，电压越高，死区 时间越长。 （2）恒流控制 开关电源输出电压电流稳定是一个很重要的要求。TL494 提供的内部基准 电源和两个误差放大器可以很方便的实现这些功能。在这个系统中，电阻 R28 串联连接在次级绕组 N2 和 N3 T1 之间的中间抽头和输出地之间，用来监测快速 充电电流和过电流保护。 当充电电流超过一个恒定值 1C，R28 两端的电压降增大，通过分流电阻 R24、R25 反馈到 IC1 的 15 脚，其电势变为负值，低于 IC1 的管脚 16，内部电 流误差放大器输出为高电平，IC1 的引脚 8 和引脚 11 的 PWM 信号的输出脉冲变 窄，从而使 Q1 和 Q2 的导通时间缩短，因此，当输出电压下降，以保持恒定的 充电电流；随着充电时间延长，电池电压逐渐上升，充电电流呈指数下降，IC1 的 15 脚电位指数增加，IC1 的引脚 8 和引脚 11 输出的 PWM 信号脉冲展宽，从 而延长 Q1 和 Q2 的导通时间，输出电压升高，充电电流保持恒定。 （3）恒压控制 同恒流控制类似，恒压控制也是利用了内部电压误差放大器和输出电压之 间构成的负反馈。如图 3.8 所示，电阻 R15、R16、R17、R18 及电容 C16、C17 组成电压取样电路，取样电压输入到 IC1 的 1 脚。当输出电压在允许范围内的 电压值，误差放大器的输出驱动晶体管输出一个固定占空比的脉冲信号;一旦输 出过电压，反馈到 1 脚的电压高于 2 脚的电压，则放大器输出高电平，降低驱 动晶体管输出脉冲的占空比，使 IC1 的 8 脚和 11 脚输出的 PWM 信号的脉宽改变， 从而使 Q1、Q2 的导通时间改变，维持输出电压恒定。 （4）其他 IC1 的 5、6 脚分别接定时元件 C13 和 R12，构成三角波震荡器，其中 R12=22，C13=1uF。三角波的振荡频率为：。3 脚和 15 脚，k1.2/()ZfRC KH 南华大学电气工程学院毕业设计 第 19 页 共 58 页 3 脚和 2 脚之间的 RC 网络滤波电路，根据电容电阻的设置值，滤除相应频段的 干扰。13 脚直接连接到 14 引脚（5V 参考电压） ，这两个驱动器晶体管工作方式 为推挽输出。芯片驱动晶体管的发射极 9,10 脚接地，集电极 8,11 脚输出驱动 外部电路晶体管 Q3，Q4，放大，然后输出驱动变压器，激励主开关 Q1，Q2。 3.43.4 开关电源主回路设计开关电源主回路设计 3.4.13.4.1 功率开关元件的选用功率开关元件的选用 目前在开关电源中用得比较多的开关器件主要有电力晶体管 GTR、门极