基于单片机的智能充电器设计毕业(论文)设计说明书.docx

中北大学2017届毕业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 2017年6月 中 北 大 学毕业设计任务书学 院 ：信息与通信工程学院专 业 ：电子信息工程学 生 姓 名 ：王世恩学 号：1305014341设 计 题 目 ：基于单片机的智能充电器设计起 迄 日 期 ：2016年12月20日 2017年6月10日设 计 地 点 ：主楼1403实验室指 导 教 师 ：徐美芳负 责 人 ：王浩全发任务书日期: 2016 年 12 月 16 日毕 业 设 计 任 务 书1毕业设计的任务和要求： 通过查阅资料了解智能充电器的应用背景和技术背景，理解选题意义；熟悉智能充电器的设计架构；理解智能充电器的实现原理；完成基于单片机的智能充电器的设计；通过实验验证设计的可行性；给出技术总结。2毕业设计的具体工作内容： 设计要求：（1）系统功能：适用于一般的镍镉电池、镍氢电池和锂离子电池等。（2）技术指标：对不同充电模式，应考虑充电电池电压水平、最高充电电压、电池温度、电池饱和充电条件、充电电流的稳定性、电流漂移范围等。工作要求：毕业设计的目的在于对学生综合素质的培养，要求学生做到：（1）根据题目要求查阅有关资料，确定方案，写出开题报告；（2）根据对选题的理解，消化查阅资料，给出相关设计的可行性方案；(3) 完成整个系统的电路设计和机械设计；(4) 对结果进行分析总结。毕 业 设 计 任 务 书3对毕业设计成果的要求：（1）毕业设计说明书；（2）软件及仿真（实验）结果；（3）翻译资料。4毕业设计工作进度计划：起 迄 日 期工 作 内 容2016年12月20日2017年1月10日2017年2月13日3月20日3月21日 5月15日5月16日 5月28日5月29日 6月18日了解课题背景，掌握基本技术，制定设计思路，完成开题报告。完成设计内容：包括整个设计的可行性报告；画原理电路图及PCB制板、焊接、实验验证；写出中期报告.调试软件、完成系统功能及技术改进。撰写设计说明书。翻译资料并完成设计说明书修改等。论文答辩。学生所在学院审查意见：负责人： 王浩泉 2017 年 12 月 12 日中 北 大 学 信 息 与 通 信 工 程 学院毕业设计中期报告学 生 姓 名：王世恩 学 号：1305014341 专 业：电子信息工程 题 目：基于单片机的智能充电器设计指导教师:徐美芳 2017 年 4 月 4日 中 北 大 学毕业设计开题报告学 生 姓 名：王世恩学 号：1305014341学 院：信息与通信工程学院专 业：电子信息工程设 计 题 目：基于单片机的智能充电器设计指导教师:徐美芳2017年3月8日毕 业 设 计 开 题 报 告1选题依据：一、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3C、电动车和储能系统领域占据巨大市场2。在国内3C和电动车领域，锂电池被广泛的应用。尤其是电动自行车领域。在2006年左右，中国自行车领域开始探索使用锂电池作为车载电池。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。目前有大量的企业在推广锂电池电动自行车4。然而不管锂电池在那个领域普及，锂电池的充放电次数也都变得越来越多。作为高密度的能源模块其安全性也备受考验，在日常的消费者使用过程中锂电池的发热、自燃、爆炸事件时有发生，并造成一定的人身伤害和巨大地财产损失，这给很多锂电池的用户带来了很大困惑及“锂电恐惧”心理。更为严重的是锂电池在生产、测试及运输等环节由于管理不善的原因发生火灾，而无法用一般的灭火方法扑灭，造成厂房或货船起火导致大额的经济损失和不良社会恐惧心理。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。而且市场上的电源充电器大多难以解决上述问题。很多外观相似，但内部线路不同导致性能大有差异。虽然都能实现充满自停，但其实现的方式不同就会导致充电效果不同。由于采用高电流快速充电，充满后不能及时停止，使电池由于过充而发热严重或者采用电压比较法致使每次充电不足，从而严重缩短电池的寿命6。随着技术的进步，人们对家用锂电池产品体验度的要求越来越高，有更复杂的充电算法以实现快速、安全充电。锂电池对于充电条件要求相对较高，如果电压过高就很容易造成电池损害，因此在充电过程中需要进行电路保护。智能化的实现锂电池高效充电可以有效减少充电时间并能很好的维护电池，最终实现锂电池的长久循环使用7。本设计提出一种采用智能充电芯片 MAX1501和单片机 STM32结合的锂电池自动自行车智能充电器设计方案。 MAX1501功能强大，内部电路包含输入电流调节器、充电电流检测器、电压检测器、温度检测器、定时器和主控器。它与STM32强大的控制功能配合使用，使锂离子电池充电电源更加智能化，通过改良外围电路可以大大提高电池充电的安全系数，同时延长锂电池的使用寿命。 2、 国内外研究现状随着智能充电器的需求日益增大，人们采用不同的解决方案实现充电器的智能化。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。美国、德国、韩国、日本、加拿大等一些发达国家，凭借着先进的科技水平和优秀的生产工艺，领先于我国。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。该系统不仅实现了20节电池的电压、温度、电流检测，实时数据的显示；还兼有与 PC 机进行数据交换与保存的通信机制，并实现了充电机充电电流的控制和单体电池的均衡。后续改进的系统增设了一个非线性电路(WLC)来测量电压，并将一个电池组的八个单元电压都通过一条信号线传递给BADICOACH 系统，并在那里解码：通过收集电池数据并装两条 PWM 信号输出线来控制充电电流和电压的大小。美国 GM 汽车公司研发的应用于型号为 EVl 纯电动汽车上的车载电池管理系统。美国通用汽车公司研制出电动汽车 EV1 上使用的电池管理系统。该管理系统包括动力电池组、电池组温度控制系统、电池组保护模块、软件模块等。软件模块实现的功能有：对电池组电压、电流、温度的采样，对充电电流进行控制和电池组剩余电量的检测等9。加拿大 Zader 研发的 Zader BMS系统10，日本青森工业研究中心11仍在继续进行 BMS 实际应用的系统，韩国 SAMSUNG公司设计的SDI BMS12和DEV5-5系统功能都比较完善。我国是锂离子电池的生产和消费大国，但在电池组电源管理方面起步较晚。近年来，随着消费升级，国内锂电池应用市场不断壮大。尤其近几年家用锂电池产品销量猛增，尤其电动自行车等家用产品。市场需求促进了国内更多的人去研究智能充电系统。目前国内，随着微处理器、无限传感技术的发展和传感器技术的不断推陈出新，锂电池智能充电系统也不断发展13。现在，有很多知名高校，如清华大学、北京航空航天大学、北京交通大学、北京理工大学和北方工业大学、湖南大学等等，利用自己在这方面的优势，和一些汽车生产商和电池生产商联合研究开发，都取得了丰硕的成果。如北京理工大学研发的 EQ7200HEV，湖南神舟公司研发的EQ6110HEV，以及宁波拜特科技有限公司，比亚迪，春兰等公司都有自主研发的电池管理系统。我国目前关于电池管理系统的研究重点主要集中在电池 SOC 估算、电池均衡策略控制、电池组运行过程中的行为控制以及电池管理系统生产测试标准的制定等领域14。基于52单片机开发智能充电器系统技术成熟、操作方便、成本较低，在单片机技术应用广泛的今天，开发产品更容易为人们所使用。王晔和马斋爱拜15将AT89C52、MAX1898、光耦6N137和LM7805联系在一起设计了锂电池智能充电器系统。实现了预充、快充、满充、断电和报警功能。充电器以快充电流的10给电池充电，使电池电压、温度恢复到正常状态。当电池电压实现快充电压时，开始启用快充功能。到达所设定的终止电压，便启用满充功能。充满电后，系统不仅断电还能报警，这双重功能很好的保证了充电的安全性。但是该系统的人机交互性还有待提高。王晓侃和苏全卫16设计了一种基于AT89C2051 单片机的电动自行车的蓄电池的声光监视、助力充电器、调速控制电路和防盗装置于一体的多功能保护仪。该系统将电动自行车使用过程易出现的问题进行了优化处理。较好的解决蓄电池的使用寿命、驱动调速控制系统、助力充电器设计等问题。其设计采用CAN总线通信，通过所涉及的电压检测电路以监视其端电压，以延长电池的寿命。该系统设计功能性强，人机交互性好，但是成本略好，有待进一步改善。张朋17选择了 BQ77910 芯片作为控制芯片，设计了基于智能芯片的电动自行车电池管理系统，包括硬件部分和软件监控部分；实现了电池欠压保护功能、放电过流保护功能、放电短路保护功能、充电短路保护功能、电池过压保护功能以及热管理功能；软件监控部分可以实现监视系统的实时工作状态，修改芯片内部的参数设置。该系统整体功能完善，不过集成化有待提高。杜江18采用两路CAN实现CECU与VMS和LECU的通讯；用TMS320F2808的片内AD模块实现高精度的数据采集，其中包括3路电池温度采集、2路电压采集、2路电池组电流采集及1路漏电检测；用GPIO实现低功耗电源管理、充电继电器控制及LECU电源控制；用PWM控制风扇实现电池组的热管理。该系统只是在理论上进行了验证，能否做出产品有待验证。贾小龙19设计的锂电池管理系统包括上位机应用软件和下位机管理系统两大部分。采用RS232或者RS485通信。上位机应用软件为用户提供当前电池组状态信息，并且可以配置参数。下位机管理系统是系统的核心，包括电池组电压采集模块、温度采集模块、电流采集模块、均衡控制模块、电池组保护模块、数据处理与剩余容量估算模块、显示与报警模块、通信模块。整个系统的设计功能完善。王凤波20设计的基于AD7280A的中型锂离子电池组管理系统利用扩展卡尔曼滤波在Thevenin电池模型上对SOC初值进行了修正，提高了SOC估算的精度，减少能量耗散的同时，大大提高了系统的安全性。但此系统可扩展性差，在减少电能损耗方面还有待进一步研究。吴迪21在锂电池充电控制与管理方法研究过程中重点解决了一下三个方面:单体锂电池主动充电控制方式、过热保护和过充保护。但是其系统基于遗传算法的运行机制比较复杂工作量较大，运行速度相对较慢。清华大学计算机科学与技术系智能技术与系统国家重点实验室杨元栋，孙晓明等22设计了基于以8xC749单片机为核心的的电动自行车智能充电器的方案。重点介绍了均衡充电和脉冲充电两种技术。综上所述，这些研究虽然都取得了一些成果，但是同样存在系统架构、电路庞大，成本高等特点。同时由于锂电池的区别和实验条件的欠缺，管理系统功能简单，技术方案也不成熟，尤其在均衡方式的选取上，普遍存在能量浪费的情况上。另外，这些虽是具备了基本的检测、监控、报警等功能，但在数据采集方面，其可靠性、准确性和抗干扰性等与国外仍有较大差距。因此还需要好长时间才能追上国外的技术水平。参考文献1中国储能网新闻中心.锂电池的分类及优缺点J.,2014, 5.2王福鸾，杜军，裴金海.全球锂电池市场状况和应用发展综述J.电源技术,2014, 38(3):564-568.3龚孝燕.锂电池在电动自行车行业的应用与发展趋势J.电动自行车,2013, 10):78-80.4马中超.全国锂电自行车产业发展现状与未来J.中国自行车,2012, (11):10-12.5赵飞.对锂电池安全问题的风险管理D.上海:华东理工大学,2013.6刘春娜.电动汽车电池应用与展望J.电源技术，2011,35（1）：12-14.7文得仲.锂电池智能充电过程及其发展分析J.科技创新与应用,2016, (20):47.8Yang H. Application research of intelligent electronic test systemJ. Journal of Central SouthUniversity, 2004, 3(2):37-39.9George Altermose, Peter Hellermann, Thomas Mazz, Aeroflex. active cell balancingSystem using an isolated share bus for li-ion battery managementJ. Conference Publications2011, 12(7):217-220.10PHL NottcnBoostcharging Liion batteries：A challenging new charging conceptJPower Sources2005, 14(10):89-94.11Affatmi A，Bellini A，Franceschini GBattery choice and management for new-generation electric vehiclesJIEEE Transactions on Industrial Electronics2005，52(5)：1343-1349.12Teofilo V.L.Merritt L.V.Hollandsworth R.P.IEEE Aerospace and Electronic Systems Magazine,SCI,1997 ,11.13吴鹏.我国铿电池及其配套产业发展现状与展望Jl.中国高新技术企业，2015, (35):3-4.14毛群辉. 基于TMS320F2812的电动汽车电池管理系统研究D. 长沙:湖南大学, 2010.15王晔，马斋爱拜.基于52单片机控制的锂电池充电器硬件设计J.无线互联科技,2011, (5):26-27.16王晓侃，苏全卫.基于单片机控制的多功能电动车自行车智能保护仪的设计与实现J.电子设计工程,2015, 23(7):107-110.17张朋.基于智能芯片的电动自行车电池管理系统的设计与实现D.南京:南京邮电大学,2013.18杜江.电池管理系统的标定及匹配技术研究D.上海:同济大学,2008.19贾小龙.锂电池管理系统的设计与实现D.苏州:苏州大学,2014.20王凤波.基于AD7280A的中型锂离子电池组管理系统研究D.上海:上海大学,2016.21吴迪.锂电池充电控制与管理方法研究D.北京:北京交通大学,2015.22杨元栋，孙晓明，慕强，齐国光.基于8xC749单片机的电动自行车智能充电器的设计与实现J.电子技术应用,2000, 10):9-10. 毕 业 设 计 开 题 报 告 研究方案：在研究目前智能充电器系统的现状基础上，针对当前锂电池智能充电器系统安全系数不高，通用性不高，不能很好的保持电池寿命等问题，拟设计一个基于单片机的智能充电器系统。在考虑充电电池电压水平、最高充电电压、电池温度、电池饱和充电条件、充电电流的稳定性、电流漂移范围等前提下，实现不同充电模式下的智能充电。整个系统由充/放电控制电路、电压检测电路、电流检测电路、温度检测电路、均衡控制电路、MAX1501、STM32、报警电路、LCD显示电路和串口电路组成。如图1所示： STM32控制器 锂电池 MAX1501充/放电控制报警电路电压检测电流检测LCD显示温度检测均衡控制串口图1 充电系统框图充/放电控制电路用于给充电电池充电和放电。锂离子电池对应不同的充/放电模式。由于电池大小、充/放电电压、充/放电电流不一样，要有不同的充/放电端口对应。电压检测电路实现的功能是通过检测到的电压与所设的标准值进行比较后做具体处理，从而控制充电过程。电流检测电路电路实现的功能与电压检测电路类似，即通过检测到的电流与所设的标准值进行比较后做具体处理，从而控制充电过程。温度检测电路实现的功能是通过温度传感器检测到的温度，判断温度数值是否处在安全范围内，如果超出范围，立即断开电源，从而控制充电过程，保证充电安全。均衡检测电路能根据算法智能调节充电电压、电流的值，从而保护电池，延长电池的寿命。 MAX1501用于检测电池的电压、电流。其功能强大，内部电路包含输入电流调节器、充电电流检测器、电压检测器、定时器和主控器。为了防止过充一般充电到90%就停止大电流快充，采用小电流涓流补充充电。一般的，为了使得电池充电充分，容易造成过充，表现为有些充电器在充电终了时电池经常发烫，电池在充电后期明显发烫一般说明电池已过充。采用此芯片与STM32配合使用，能达到很好的效果。STM32控制电路以STM32为核心组成。STM32是一款功能强大高性能、低成本、低功耗的嵌入式应用。STM32主控制电路作为整个智能充电器系统的中心，主要完成数据处理、数据分析和 A/D 转换等功能。其中A/D转换器将转换后的模拟信号转换为数字信号以完成数据的处理。报警电路由LED灯，蜂鸣器等组成。当电池充满后，MAX1501芯片本身会向外接的LED灯发出指令，LED灯会闪烁。但是，为了安全起见，单片机在检测到充满状态的脉冲后，不仅会自动切断MAX1501芯片的供电，而且会通过蜂鸣器报警，提醒用户及时取出电池。LCD显示电路即状态显示电路由LCD显示模块等组成，通过STM32将充电信息在LCD显示屏上显示出来。主要功能是展示数据、查询数据。LCD显示屏用于实时显示温度、充电量的百分比、电压、电流等数据。要求液晶显示缓存器各个位与液晶的段一一对应，存储位置位则可以点亮对应得液晶段，存储位复位液晶段变暗。段、公共极输出控制能够自动从显示缓存器读取数据，送出相应的信号到液晶屏幕上。，从而能让用户通过显示的数据直观的了解当前充电的状态，从而实现充电的智能化。本系统具有操作简单，功耗低，人机交互能力强，安全性能高，模式选择方便等优点。在锂离子电池充电领域能有广泛应用。 毕 业 设 计 开 题 报 告指导教师意见：该同学通过查阅相关资料，基本了解了选题的背景、目的和意义，针对当前锂电池智能充电器系统安全性能，对基于单片机的智能充电器的具体应用及实现进行了综述，重点探讨了基于单片机的智能充电器的设计与实现，为后续的设计奠定了基础。该同学的开题报告目的明确，设计思路比较清楚，研究方案较为合理，对要解决的问题基本理解。本课题难度适中，工作量符合本科毕业设计的要求。同意开题。 指导教师：徐美芳 17年 2 月 13日信息与通信工程学院毕业设计中期报告专业电子信息 工程学生姓名王世恩 班级13050143学号41题 目基于单片机的智能充电器设计课题要求的具体工作内容与相应时间节点2016年12月20日2017年1月10日：了解课题背景，掌握基本技术，制定设计思路，完成开题报告。2017年2月13日3月20日：完成设计内容：包括整个设计的可行性报告；画原理电路图及PCB制板、焊接、实验验证；写出中期报告。3月21日 5月15日：调试软件、完成系统功能及技术改进。5月16日 5月28日：撰写设计说明书。5月29日 6月18日：翻译资料并完成设计说明书修改和论文答辩。1、 前期工作进展与阶段性结果（1） 通过收集查阅相关文献，明确了本课题的研究背景，现状及研究意义。（2） 制定了设计思路，确定了整体的设计方案。（3） 比较了AD7280芯片和TL494芯片的优缺点，确定开关电路使用TL494芯片。（4） 设计整流电路，滤波电路和TL494芯片控制的升压控制电路，并进行了电路的焊接和调试，能将变压器提供的26V交流电压通过整流电路，滤波电路和升压控制电路后能转为18V的直流电压。（5） 所设计的电路经过调试后，用示波器检测得到的波形符合要求，同时用水泥电阻检测出所涉及的电路能通过1.8A电流。 2、 后期工作规划（包括具体工作内容、实施方案及进度安排）目前存在的问题：TL494芯片有的引脚电压超过5V，用单片机控制，容易烧单片机。同时所使用的变压器性能不佳，通电后输出的电压和电流不稳定，容易烧电桥，现有的方法还不能很好的解决这些问题，因此有待进一步深入研究。下一步的主要研究任务和计划如下：（1） 学习和使用TL494芯片串口通信协议，从而用单片机控制该芯片。同时研究STM32单片机控制TL494芯片模块电路的风险，做好模拟电路对数字电路损害的防护。（2） 查找资料，用性能好的变压器代替目前使用的变压器。保证调试过程中减少烧炸电桥的问题。（3） 用合适的水泥电阻检测开关电源电路能提供的最大电流。 （4）进行部分电路的原理图和PCB设计。（5）翻译外文文献。（6）撰写毕业论文。2、 指导教师意见 指导教师亲笔签字： 徐美芳 2017 年 4 月 6 日备注：1、本表由学生填写，指导教师亲笔签署意见。2、以上各项句间距可以根据实际内容需要调整。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 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19I3.4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37II1 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温度控制，电池组的电压、电流检测，电池的剩余容量估算和充电过程中的供电电源的电压电流控制等方面14。基于52单片机开发智能充电器系统技术成熟、操作方便、成本较低，在单片机技术应用广泛的今天，开发产品更容易为人们所使用。王晔和马斋爱拜15将AT89C52、MAX1898、光耦6N137和LM7805联系在一起设计了锂电池智能充电器系统。他们所设计的充电系统能先检测电池组的SOC，如果电池SOC过低，便能够预先低电流充电，在电池剩余容量在一定的SOC方位内，将实现高电流快速充电，当电池组的开路电压接近最高值时，便进行高电压低电流充电，在此过程中一直监控充电系统的温度和SOC值，如果出现异常，系统将自动断电、报警，保证了充电的安全性。他们所设计的充电系统较好的满足了人们对于充电产品的需求，但是该系统的人机交互性还有待提高。王晓侃和苏全卫16设计的系统是基于AT89C2051 单片机的。该系统在充电过程中能智能的显示电池的电压、SOC值、电流、电池组温度等状态数据。同时其系统还具有电池组管理功能，能合理的提高电池的使用寿命。该系统设计功能性强，人机交互性好，但将多项功能集中在一起，出现问题时，修复成本高。张朋17设计的电动自行车锂电池组充电管理系统，采用的控制芯片是 BQ77910 芯片，其系统在硬件的基础上还设计了监控软件用来管理整个系统。该系统能实时的检测和显示电池组的当前各类数据，在充电过程中，即时的通过单片机处理，然后优化充电方案，能有效的避免出现充电短路等问题。该系统整体功能完善，不过集成化有待提高。杜江18采用两路CAN实现CECU与VMS和LECU的通讯。其系统采用了性能较高的TMS320F2808芯片，在利用片内资源AD模块精准的采集数据，为了提高采集数据的精准度，在采集温度数据、电压数据、电流数据时，该系统都是多路采集，这充分的利用了单片机的片内资源。该设计还利用脉宽调制技术控制风扇，这保证充电系统的温度得到有效控制。该系统只是进行了仿真，在理论上进行了验证，能否做出产品有待验证。贾小龙19设计的锂电池充电监控管理系统，不仅有硬件设计还有软件设计。该系统的软件设计部分能实时的监控和显示电池组的状态信息。硬件设计部分是整个设计的关键，能实现电池组的电压、温度、电流的数据采集和数据处理，电池剩余容量的估算等功能。整个系统的设计功能很好的实时显示电池组的各种数据，但是在系统的稳定性方面还有待进一步完善。王凤波20设计的基于AD7280A的中型锂离子电池组管理系统利用扩展卡尔曼滤波在Thevenin电池模型上对SOC初值进行了修正，提高了SOC估算的精度，减少能量耗散的同时，大大提高了系统的安全性。但此系统可扩展性差，在减少电能损耗方面还有待进一步研究。吴迪21在锂电池充电控制与管理方法研究过程中重点解决了一下三个方面，单体锂电池主动充电控制方式、过热保护和过充保护。但是其系统基于遗传算法的运行机制比较复杂工作量较大，运行速度相对较慢。清华大学的杨元栋，孙晓明等22采用了8xC749单片机，设计了电动自行车智能充电器的方案，重点介绍了均衡充电和脉冲充电两种技术，该技术较为先进，具体的实用性，需要进一步研究。综上所述，这些研究虽然都取得了一些成果，但是同样存在系统架构、电路庞大，成本高等特点。与此同时由于各种电池的充放电特性有区别，再加上实验资源缺乏，具体的解决方案不完善，好多设计都存在充电效率低下的状况。另外，这些虽是具备了基本的检测、监控、报警等功能，但在数据采集方面，其可靠性、准确性和抗干扰性等与国外仍有较大差距。因此还需要好长时间才能追上国外的技术水平。1.3研究内容与章节安排为锂电池提供合适的充电电源和智能控制充电过程是一个相对复杂的过程，要针对所需的充电电池组进行设计对应的充电电源。同时还要选择单片机的类型，并设计单片机控制电路，从而实现对于充电过程的可靠、高效、智能控制。在整个设计的关键是在于充电电源、充电方式、电池电量显示、充电器温度预警机制和自动结束充电过程方面的研究。具体要设计的电路有电源模块电路、单片机控制模块电路、电压、温度采集电路等。本文主要内容是：第一章是绪论部分，这部分内容介绍了研究的背景和意义，国内外研究现状、本文的主要内容和章节安排。第二章介绍了总体设计框架，进行了电源类型、充电方法、SOC估算方法和通信方式方案的比较和选择。第三章分析了硬件部分中各模块电路的原理和具体实现。第四章详细的介绍了软件设计的思路和程序的逻辑，以及UI界面和通信流程图。第五章是整个设计的调试和结果分析。第六章是整个设计的总结和展望。2 方案比较和选择本章从基于单片机的智能充电器的功能需求和总体设计框架出发，介绍了总体设计框图、充电方法、SOC估算方法、通信方式等从而为基于单片机的智能充电器设计提供了具体的解决方案。2.1总体设计框图本设计框图由电池组、充电电源电路、报警电路、电压检测电路、温度检测电路、单片机、上位机和UI界面组成。如图2.1所示：报警电路电源电路电池组控制检测温度检测开关电压单片机 ( STM32 )通信上位机（PC机）UI 界 面图2.1 充电系统框图电池组是充电器实现其功能的基础。电源电路是由降压电路、整流线路、滤波电路和电压升降控制电路组成，该模块为电池组提供了充电电源。报警电路主要组成元器件是蜂鸣器，当电池充满或温度超过警戒值时，单片机会做出判断，从而是向报警电路发出指令，之后报警电路做出应答。此电路主要是提醒用户，充电温度过高或者是已经充满电了。电压检测电路实现的功能是通过检测到的电压与所设的标准值进行比较后进行一定的量化从而确定目前电池的电量。温度检测电路实现的功能是通过温度传感器检测到的温度，判断温度数值是否处在安全范围内，如果超出范围，立即断开电源，并进行报警，从而控制充电过程，保证充电安全。单片机STM32控制电路以STM32为核心组成。STM32是一款功能强大、高性能、低成本、低功耗并且片内资源非常丰富的嵌入式应用。STM32主控制电路作为整个智能充电器系统的中心，主要完成数据处理、数据分析和 A/D 转换等功能。其中A/D转换器将转换后的模拟信号转换为数字信号以完成数据的处理。上位机和UI界面模块主要是电脑通过串口通信，获取单片机采集的数据，在Qt工程中对数据进行处理和显示。本系统具有操作简单，功耗低，人机交互能力强，安全性能高等优点。本充电器的要实现的功能是，在对锂电池的充电过程中一直显示电池的动态电量