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毕业设计（论文）数字快速充电器设计前言电池分为一次电池和二次电池，所谓二次电池就是反复充放电使用的电池，称为充电电池或蓄电池。要使蓄电池通常为最佳的充电状态，需要充电器，如何充电，或者如何使充电结束，这对维持蓄电池的性能极其重要。根据蓄电池的容量不同分为大容量电池用充电器和小容量电池用充电器。不同用途要采用不同的充电器，从而获得最佳充电效果，现将需要的充电器说明如下。(1)非常用途电源用充电器变电所和工厂等自备电源、非常用途的照明灯、不间断交流电源设备等用的蓄电池，采用直流电源装置，即充电器进行充电。充电方式一般采用浮充方式，若长时间处于浮充状态，则单节电池间的电压、电解液的比重就会偏移原来值，为此，每隔一定时间或每隔一定的充电次数提高充电器的输出设定电压，自动或手动设定充电定时时间，从而进行均衡充电。为了防止温度升高引起蓄电池功能降低，还需要增设充电保护功能、温度补偿功能等。(2)通信设备电源用充电器这时也多采用浮充方式。对于市电频率来说，蓄电池可以看作是大容量的电容器，它与充电器并联进行浮充充电时可大幅度的降低充电器的噪声电压。(3)周期性充电蓄电池用充电器工厂、仓库、港口和车站等处使用的运载车及升降叉车，或者矿山、土木建筑工地等处使用的机车、无人驾驶车和电车等中都使用蓄电池，这些蓄电池是作为动力源，需要用具用温度补偿功能、与放电量相应的充电控制功能的充电器进行充电。为了避免蓄电池温度升高，还需要具有控制充电终期电流的功能。另外，要根据充电允许时间及放电量等决定充电器的额定值与充放次数。有足够时间充电时采用普通充电方式，而充电时间不能保证时采用快速充电方式。一般用途使用准恒压充电方式的充电器，升降叉车等处采用车载式充电器，装高尔夫球棒的小推车等多采用小型的另置式充电器，尤其是要求快速充电时，经常采用另置式恒流恒压充电器。 本课题快速充电器是基于对汽车、摩托车用蓄电池充电而设计的。这样一款充电器在人们的日常生活中应用广泛，而一款安全快速、价格低廉、使用方便的充电器更有广大的市场，这也是本课题的研究所在。快速充电是以大电流对蓄电池进行充电，以迅速恢复其电能。充足电后如果不及时停止，电池的温度和压力将迅速上升，这将是很不安全的。因而，为了保证电池充足电而又不过充，需要一定的控制方法来控制充电过程，使其不过充，通常有电压控制方法、温度控制方法和时间控制方法。(1)充电时间控制:该方法适用于恒流充电。采用恒流充电法时，根据电池的容量和充电电流，可以很容易的确定所需的充电时间。充电的过程中，达到预定的充电时间后，定时器发出信号，使充电器迅速停止充电或者将充电电流迅速调至浮充方式以维护充电电流，这样可以避免电池长时间大电流过充电。这种控制方法较简单，但有其缺点:充电前，电池的容量无法准确知道，而且电池和一些元器件的发热使充电电能有一定的损失，实际的充电时间很难确定。而该方法充电时间是固定的，不能根据电池充电前的状态而自动调整，结果使有的电池可能充不足电，有的电池可能过充电，因此.只有充电速率小于0.3C时，才采用这种方法。(2)电池温度控制:为了避免损坏电池，电池温度上升到规定数值后，必须立即停快速充电。常用的温度控制方法有:最高温度:充电过程中，通常当电池温度达到40时，应立即停止快速充电，否则会损害电池。电池的温度可通过与电池装在一起的热敏电阻来检测。这种方法的缺点是热敏电阻的响应时间较长，温度检测有一定滞后。应当说明，由于热敏电阻的阻值与温度关系是非线性的，因此，为了提高检测精度应设法减小热敏电阻非线性的影响。采用温度控制法时，由于热敏电阻响应时间较长，再加上环境温度的影响，因此，不能准确的检测电池的充足电状态。(3)电池电压控制:在电压控制法中，最容易检测的是电池的最高电压。常用的电压控制法有:最高电压(VMAX ):从充电特性曲线可以看出，电池电压达到最大值时，电池即充足电。充电过程中，当电池电压达到规定值后，应立即停止快速充电。这种控制方法的缺点是:电池充足电的最高电压随环境温度、充电速率而变，而且电池组中各单体电池的最高充电压也有差别，因此采用这种方法不可能非常准确地判断电池是否己充足电。 综合以上各控制方法实现的难易与性价比，本设计采用了常用的电压控制方法即检测充电电池两端的最高电压来停止快速充电。本设计要求达到以下技术指标：（1） 该充电器可对容量为624V蓄电池进行快速充电。（2） 充电最大电流为20A 。（3） 充电电压要求能连续可调，以满足对不同容量蓄电池的充电。（4） 充电器要求有过流、过压保护装置。 （5） 能实时显示蓄电池的电压（用数字电压表显示）。（6） 能显示充电电流。纵观全篇，本设计实现对蓄电池两端电压的检测、显示将是本课题主要解决的问题。1 数字快速充电器设计的基本理论与原理 充电器在人们的日常生活中应用广泛，移动电话、蓄电池、摄像机等电子设备均需要充电。而充电器根据充电对象的不同，因而对充电器的性能要求也不一样，本设计是要求设计一款蓄电池快速充电器。下面将对蓄电池主要参数及数字快速充电器设计原理作简单论述。1.1 蓄电池主要参数及充电特性蓄电池主要有以下五个参数：电池容量、标称电压、内阻、放电终止电压和充电终止电压。电池的容量通常用Ah表示，1Ah就是能在1A的电流下放电1h。单元电池内活性物质的数量决定单元电池含有的电荷量，而活性物质的含量则由电池使用的材料和体积决定。因此，通常电池体积越大，容量越高。与电池容量相关的一个参数是蓄电池的充电电流。蓄电池的充电电流通常用充电速率C表示，C为蓄电池的额定容量，例如：用2A电流对1Ah电池充电，充电速率就是2C，用2A电流对500mA电池充电，充电速率就是4C。 电池出厂时，正负极板之间的电势差称为电池的标称电压。标称电压由极板材料的电极电位和内部电解液的浓度决定，当环境温度，使用时间和工作状态变化时，单元电池的输出电压略有变化。电池的内阻决定于极板的电阻和离子流的阻抗，在充放电过程中极板的电阻是不变的，但是离子流的阻抗将随电解液浓度的变化和带电离子的增减而变化。蓄电池充足电时极板上的活性物质已达到饱和状态，再继续充电，蓄电池的电压也不会上升，此时的电压称为充电终止电压。 放电终止电压指蓄电池放电是时允许的最低电压。如果电压低于放电终止电压后蓄电池继续放电，这样极板上形成的生成物在正常充电时就不易再恢复，从而会影响蓄电池的寿命。蓄电池充电特性曲线大致可分为两段：随充电时间电压上升和过充时电压下降。 蓄电池充电是一种电化学反应，充电过程中将会以一定的速率产生氧气，同时氧气与氢气化合，产生的氧气高于化合的氧气时电池内的压力上升，同时电池温度也将升高。前一阶段电压随时间而上升，到充足电后如果不及时停止，电池温度和内部压力将迅速上升，内部压力过大时，密封电池将打开放气孔，从而使电解液逸散造成电解液的粘稠性增大，电池的内阻增大，容量下降，此时不但电压不会上升，还会下降。所以需要一定的控制方法防止电池过充电。 下面介绍几种常见的充电方式及其充电特性如表1.1所示：充电方 式充电方法与特性铅蓄电池碱蓄电池恒流方式充 电与蓄电池的电压无关以衡定电流充电。需要过充电保护。充电终期效率降低。评价蓄电池性能时，实际上不大使用。充电终期电压升高，温度上升。用电压检测与定时器进行控制。选定的电流值一般为0.1-0.3CA。设定电流为0.2-0.5CA。由蓄电池温度或定时器进行控制。恒流恒压充电方 式蓄电池电压为恒压设定值，以恒定电流充电，其后维持恒压充电。最常用的充电方式。适用于周期性充电与另置充电器方式。周期性充电方式时，以恒流充电到设定电压，再以恒压充电到充电结束。另置充电方式时，充电到电池的恢复电压，其后维持浮充电压。分段恒流恒压充电方 式第一阶段：以恒流充电到设定电压，其后进行恒压充电。第二阶段：若充电电流降到一定值，则以其涓流继续充电，再次使电压升高。可短时间进行完全充电。适用于周期性充电方式。第二阶段恒流范围电池能完全充电。适用的例子较少准恒压充电方式电压低时以大电流充电，电池电压升高的同时电流减小。很多情况下用做廉价充电器。适用于周期性充电方式，但需要较长充电时间。不适用于对密封电池进行充电。适用的例子较少连续补充充电方 式平时不给负载供电，而以涓流对蓄电池充电。适用于停电时的非常负载。通常采用恒压控制方式。适用于对密封电池充电。通常进行涓流控制。1.2 数字快速充电器设计原理数字快速充电就是用大电流对蓄电池充电，以迅速恢复电池电能。采用快速充电法充电时需要采取一定的控制方法以防止电池过充，通常有电压控制、定时控制和温度控制。本设计采用电压控制方法，设计数字电压表显示充电器两端电压，当电池电压达到规定值时，立即停止充电，同时采用电流表显示充电电流。本设计任务及要求如下：（1）设计一款可对容量为624V蓄电池进行充电的数字快速充电器。（2）充电最大电流为20A 。（3）充电电压要求能连续可调，以满足对不同容量蓄电池的充电。（4）充电器要求有过流、过压保护装置。 （5）能实时显示蓄电池的电压（用数字电压表显示）。（6）能显示充电电流。由设计的任务及要求可画出快速充电器原理框图如图1.1所示： 图1.1 充电器系统框图各个部分的功能简述如下：市电：提供电源电压。主回路：即充电回路，为蓄电池提供充电电压。控制电路：为主电路晶闸管提供触发脉冲，控制电压输出。显示电路：显示充电电流和电压。1.3 数字快速充电器设计总体思路 根据设计充电器系统的框图，本充电器设计思路如下：电源电路、主电路（充电电路）、控制电路（触发电路）、显示电路。电源电路由220V市电经电源开关SS、电源变压器T降压后，经单相桥式半波整流电路整流，变为脉动直流电压。主回路由熔断器FU、电流表、直流数字电压表、可控硅等元器件组成。控制回路即触发电路由单结晶体管V、C、RP、及脉冲变压器T组成。显示电路主要由电流表和数字电压表构成，其中数字电压表的实现必须用到模数转换器即A/D转换器，一般A/D转换器的模拟电压转换范围都在-10V到10V左右，而此数字电压表要求的最高输入模拟电压为24V，所以设计此数字电压表时需要先对要输入的模拟电压用分压器处理，再经过A/D转换器转换输出。2 数字快速充电器硬件设计2.1主电路部分设计充电器系统主电路采用常用的单相桥式半控整流电路，单相桥式半控整流电路由晶闸管VT1，VT2构成共阴极组两个桥臂；整流管VD3，VD4构成共阳极组两个桥臂；其电源电压为u2=Usin。电路中共阴极组接法的晶闸管VT1，VT2为控制换相，用于切换电路和实现对输出电压的控制；共阳极组接法的整流管VD3，VD4为自然换相，用于按电源电压变化规律切换电路。有两条对充电器供电的整流回路，由VT1，VD4构成一个整流回路，电源电压为，由VT2，VD3构成另一个整流回路，电源电压为。由于整流桥在运行时可能产生过电压和过电流，因而需要对整流元件进行过电压和过电流保护，这将在后面做详细讨论。单相桥式半控整流主电路及电压波形图如图2.1和图2.2所示： 图2.1 充电系统主电路图2.2 电压波形图由图可见是一个不完整的全波整流电压（阴影部分）。同单相半波可控整流电路一样，只要改变控制角 的大小，便可调节输出直流电压的大小。显然，它的输出电压的平均值为： （21） 主电路各参数计算如下：主电路由单相桥式半控整流电路实现整流，根据设计要求能对624V的蓄电池进行充电，所以可以设整流电路的输出为624V。由单相桥式半控整流电路： （22）当，时，则，考虑晶闸管通态平均线路电压损失，取，设时，则由上式有得： （23）由最高输出电流Id=20A和最小控制角，可确定变压器次级电流定额： （24）由要求最高输出电流和最小控制角，可以确定晶闸管、整流二极管的电流定额。通过晶闸管、整流二极管的电流有效值为： （25）则晶闸管、整流二极管的电流定额应为： （26）又晶闸管、整流二极管两端重复峰值电压为U=42.4V所以电压定额： （27）根据上述计算可选用KP20-2型晶闸管和KP20-2型二极管。2.2 控制电路部分设计可控整流电路要求同步触发控制，触发脉冲要求应与主电路电源电压同步和相位配合关系。因而触发电路能否提供准确可靠的触发脉冲给主电路的晶闸管对整个系统的性能有重大影响。本次设计的触发电路采用单结晶体管同步振荡电路触发：由同步变压器次级输出与主电路同频率的30V同步电压经VD桥式电路整流C电容滤波后得到直流电压，这个电压由三端集成稳压器7824稳压输出，为脉冲形成电路提供稳定的直流电源，脉冲形成电路是一个弛张振荡器，它由单结晶体管VT，电容C，多圈电位器RP，电阻R及脉冲变压器T组成。2.2.1 三端集成稳压器原理及选择三端固定输出集成稳压器是一种串联调整式稳压器。它将全部电路集成在单块硅片上，整个集成只有输入、输出和公共（接地）三个引出端，使用非常方便，典型产品有78XX正电压输出序列和79XX负电压输出序列，其内部电路由恒流源、基准电压源、取样电阻、比较放大管、调整管、保护电路温度补偿电路等组成。输出电压大小取决于内部取样电阻的数值。每类稳压器电路输出电压有5V、6V、7V、8V、9V、10V、12V、15V、18V、24V等多种，输出电流一般为100mA和500mA，最大输入电压为40V。本设计选用三端集成稳压器7824作为控制电路中为脉冲形成电路提供稳定的24V直流电压。下面简单介绍一下三端集成稳压器7824的工作原理，电路原理图如图2.3所示。图2.3 三端稳压器原理图（1）启动电路在集成稳压器中，常常采用许多恒流源，当输入电压接通后，这些恒流源难以自行导通，以致输出电压较难建立。因此，必须用启动电路给恒流源的BJT 、提供基极电流。启动电路由、组成。当输入电压高于稳压管的稳定电压时，有电流通过、，使基极电位上升而导通，同时恒流源、也工作。的集电极电流通过以建立起正常工作电压，当达到和相等的稳压值，整个电路进入正常工作状态，电路启动完毕。与此同时，因发射结电压为零而截止，切断了启动电路与放大电路的联系，从而保证左边出现的纹波与噪声不致影响基准电压源。（2）基准电压电路基准电压电路由、及、组成，电路中的基准电压为 （28）式中为的稳定电压，为、发射结（、为由发射结构成的二极管）的正向电压值。在电路设计和工艺上使具有正温度系数的、与具有负温度系数的、发射结互相补偿，可使基准电压基本上不随温度变化。同时，对稳压管采用恒流源供电，从而保证基准电压不受输入电压波动的影响。（3）取样比较放大电路和调整电路这部分电路由组成，其中、组成复合调整管；、组成取样电路；、和组成带恒流源的差分式放大电路；、组成的电流源作为它的有源负载。、的作用说明如下：如果没有、，恒流源管的电流，当调整管满载时最大，而最小；而当负载开路时，也趋于零，这时几乎全部流入，使得的变化范围大，这对比较放大电路来说是不允许的，为此接入由、级成的缓冲电路。当减小时，减小，增大，待增大到V时，则导通起分流作用。这样就减轻了的过多负担，使的变化范围缩小。 （4）保护电路减流式保护电路 减流式保护电路由、和、组成，为检流电阻。保护的目的主要是使调整管（主要是）能在安全区以内工作，特别要注意使它的功耗不超过额定值。首先考虑一种简单的情况。假设图中的、和不存在，两端短路。这时，如果稳压电路工作正常，即并且输出电流在额定值以内，流过的电流使，截止。当输出电流急剧增加，例如输出端短路时，输出电流超过极限值时，即当V时，使管导通。由于它的分流作用，减小了的基极电流，从而限制了输出电流。这种简单限流保护电路的不足之处是只能将输出电流限制在额定值以内。由于调整管的耗散功率，只有既考虑通过它的电流和它的管压降值，又使，才能全面地进行保护。图中、和、所构成的支路就是为实现上述保护目的而设置的。电路中如果，则、击穿，导致管发射结承受正向电压而导通。的值为 （29）经整理后得： （210）显然，（）越大，即调整管的值越大，则越小，从而使调整管的功耗限制在允许范围内。由于的减小，故上述保护称为减流式保护。过热保护电路 电路由、和组成。在常温时，上的压降仅为0.4V左右，、是截止的，对电路工作没有影响。当某种原因（过载或环境温升）使芯片温度上升到某一极限值时，上的压降随的工作电压升高而升高，而的发射结电压下降，导致导通，也随之导通。调整管的基极电流被分流，输出电流下降，从而达到过热保护的目的。电路中的作用是给管的和管的一条分流通路，以改善温度稳定性。2.2.2 脉冲输出方式及选择单结晶体管移相触发电路脉冲的输出通常有两种方式：直接输出方式和脉冲变压器输出方式。在这里选用脉冲变压器输出方式而不采用直接输出方式是因为：可利用变压器初级与次级之间的绝缘能力，使晶闸管门级电路与单结晶体管之间隔离，故电路的机动性较大：另外脉冲变压器能隔断直流及低频交流，使单结晶体管的漏电流 只通过变压器初级，而不会感应到变压器次级的晶闸管门极回路，不再造成门极干扰电压。电路中脉冲变压器T2可采用EI型芯片绕制，窗口面积为1cm用直径为0.3mm漆包线，初次级绕组各绕70匝。2.2.3 单结晶体管触发电路及其工作原理图2.4单结晶体管振荡电路单结晶体管振荡电路如图2.4(a)所示，这是一种应用广泛的自激振荡电路。通常和的阻值远小于单结晶体管两基极间的电阻，所以单结晶体管两基极间的电压。当单结晶体管截止时，电源经R对C充电，电容器C两端的电压(等于)按指数规律升高，如图2.4（b）所示。当上升到单结晶体管的峰点电压向上时，单结管突然导通，电容C经对单结管放电，升高。因为不能突变，所以放电开始时不变。随着电容C不断放电， ()逐渐降至谷点电压，也逐渐减小到谷点电流。 当 ()时，由谷点电流突然减至反向饱和电流，单结晶体管越过负阻区，加入截止区，电容C将继续充电。此后，重复上述过程。这样在两端得到一系列前沿很陡的周期性尖顶脉冲，如图2.4(b)所示。改变RP的阻值，即可改变上升到放电所需的时间，因此可以调整输出脉冲的周期T或频率f。 图中二极管和三极管是为产生宽脉冲而设计的,当电容C经RP和充电止点结晶体管的峰点电压后，单结晶体管导通，这时第二基极电位降低，使三极管由截止状态变为导通，这样就加大了单结晶体管的发射极电位，使其大于谷点电流，维持了单极为晶体管继续导通，使晶闸管门极上电流继续流通，实现了宽脉冲控制，2.2.3 触发电路原理图及工作原理图2.5 单结晶体管触发电路原理图 图2.6 单结晶体管触发电路波形图中脉冲输出电路由脉冲变压器T、二极管VD5、VD6和电阻R3组成。脉冲变压器次级输出的触发脉冲由VD5、VD5二极管整流，R3的作用是防止送往晶闸管的触发脉冲电流过大，造成晶闸管控制级过载，破坏晶闸管的稳定性。调节电位器RP即可改变弛张振荡器的频率，从而改变晶闸管触发脉冲的相位，也就改变了充电输出电压电流。在图所示的电路中，人工调整R，即可改变第一个触发脉冲的相位。R减小，产生脉冲的数目增多，则第一个脉冲发出的时刻往前移，波形上的角减小，增大，整流电压平均值升高，达到调节的目的，其移相范围主要取决于经削波后梯形波平顶段的电压，而且电容C充电也必须占有一定的时间，所以移相小于180，移相范围约为140。所选元件清单如下表2-1所示：表2-1 元件清单 编 号名 称 型 号 数 量 VD1 VD4 整流二极管 IN4004 4 C1电解电容 470u/50V 1 C2电解电容 100u/32V 1 C3涤纶电容 0.22u 1 RP多圈电位器 22k 1 R1金属膜电阻 8.6k 1 R2金属膜电阻 390 1 R3可变电阻 200 1 VD5 整流二极管2CP12 1 VD6整流二极管2CP12 12.3 整流设备的保护 晶闸管、整流二极管是整流设备的主要元件，由于原理和结构等特点，其承受过电压、过电流的能力较差，短时间的过电压和过电流都会造成其永久损坏。因此，为使充电器长期可靠的工作，除充分考虑整流设备的裕量外，还必须采用各种保护措施：过电压和过电流保护。2.3.1过电压保护：过电压主要是指电气系统内部合闸、分闸和电力电子器件的关端等原因造成的操作过电压。例如，降压变压器初级合闸时，初级施加的高压会通过初、次绕组间的分布电容耦合到次级，使之出现感应过电压；交、直流侧的分闸操作切断电感回路电流时，会因电感释放磁场储能而形成数倍额定电压的过电压；在晶闸管关断的过程中，因反向电流迅速减小，回路电感中会产生很高的过电压。这类过电压均是由电气系统操作引起，称为操作过电压，除操作过电压外，还有由于雷击等外部因素侵入电网的偶然性的涌浪过电压，过电压倍数会更高。采取过电压保护后，应使经常发生的操作过电压限制在器件额定电压以下，偶然性的涌浪电压限制在器件断态和反向不重复峰值电压数值以下。过电压保护措施有基于吸收原理的阻容保护和基于泄放原理的非线性元件保护两种，这里选用常用的阻容保护来防止过电压。为吸收变压器释放出来的磁场能量，可在变压器二次侧并联电阻和电容吸收保护，由于电容两端的电压部能突变，可以快速吸收造成过电压的磁场能量；电阻可以起阻尼作用，并可在电磁过程中消耗造成过电压的能量。主回路和控制回路均为单相变压器，阻容保护电路连接方式如图2.7所示。以下各电阻、电容参数的计算需用到本章第二节的相关数据。图2.7 RC阻容保护电路 Ra、Ca由下式计算： （2-11）式中为整流变压器的等值容量，VA；为臂反向峰值电压，V； 为计算系数；由于=VA，故查表可得=400；=U=42.4V 将各系数代入式 可得Ca=124.1uF。 (2-12)由A，V，为电源频率取60Hz，代入式得：Ra=4另外，整流元件在反向阻断能力恢复前，将在反向电压作用下流过相当大的反向恢复电流。当阻断能力恢复时，因反向恢复电流很快截至，通过恢复电流的电感会因高电流变化率产生过电压。为使元件免受换相过电压的危害，在元件两端并联RC电路，其连接方式如图2.8 所示图2.8 RC阻容保护电路、由下式计算： （2-13）式中为整流元件的电流定额取15A，取0.045uF ，通常取10-30这里取20。2.3.2过流保护：由于整流元件在运行时有可能产生过电流现象。产生过电流的原因可能是负载侧短路或器件因性能变坏而损坏等。因晶闸管、整流二极管器件的热容量很小，承受过电流的能力比其他电力装置小得多，如果过电流数值过大而切断稍慢，就会使其结温超过允许值而损坏。因此，在故障状态下保护晶闸管、整流二极管装置的安全，必须采用适当的过流保护措施，在发生过载或短路时快速切断电路或使电流迅速下降，保证晶闸管免受损坏。实际可用作晶闸管装置的过流保护的器件有快速熔断器，过电流继电器，快速开关，电子过电流保护等。本系统晶闸管、整流二极管器件的过流保护采用快速熔断器就可以了。快速熔断器与整流元件的连接方法有多种在此其连接方法如图2.9所示：图2.9 快速熔断器连接方法快速熔断器的参数计算： V （2-14） 工作回路电压有效值为 U=42.4V ，故应选额定电流为25A，额定电压为45V熔断器。2.4显示电路部分显示电路主要实现对充电电流和蓄电池两端的电压的显示，对充电电流的显示可以串联一个量程为25A的电流表即可，而对蓄电池两端电压的显示，要求要数字显示，所以首先要将要转换的模拟电压先经A/D转换器转换为数字量，送入单片机作相应处理再经译码器译码送往LED显示器。 此数字电压表只要求显示三位数字即可满足显示要求，数字电压表由以下几部分组成：单片机，A/D转换器，译码驱动器，LED显示器，分压电路等。2.4.1单片机原理及选择单片机是一种特殊的计算机，它是在一块半导体芯片上集成了CPU、存储器RAM、ROM以及输入输出接口电路。其集成度高、功能强、通用性好、可靠性高、抗干扰能力强、使用方便，本设计采用单片机将A/D转换输出的数字量经过适当处理送显示器显示。本设计选用英特尔公司生产的8位单片机8051即可。此单片机内部有4kB ROM ，有4个I/O端口，共32根I/O线，四个端口都是准双向口。每个口都包含一个锁存器，即专用寄存器P0P3，一个输出驱动器和一个输入缓冲器。各端口功能简述如下： P0口：可作一般I/O口用，但当应用系统采用外部总线结构时，它要分时作为低8位地址线和8位双向数据总线用。 P1口：每一位均可独立作为I/O口用。 P2口：可作一般I/O口用，但当应用系统采用外部总线结构时，它仅能作为高8位地址线。 P3口：为双功能口。 8051单片机的外部时钟源的接法有内部方式和外部方式两种，本设计采用内部方式。2.4.2 A/D转换器原理及选择A/D转换是模拟量输入通道的核心部件。它是一个把模拟量转换成数字量的装置。A /D转换器的品种很多，其分类方法也很多，下面介绍常用的几种类型的基本原理及特点：积分型、逐次逼近型、并行比较型/串并行型。（1）积分型（如TLC7135） 积分型A/D工作原理是将输入电压转换成时间(脉冲宽度信号)或频率(脉冲频率)，然后由定时器/计数器获得数字值。其优点是用简单电路就能获得高分辨率，但缺点是由于转换精度依赖于积分时间，因此转换速率极低。初期的单片广告转换器大多采用积分型，现在逐次比较型已逐步成为主流。（2）逐次比较型（如TLC0831） 逐次比较型A/D由一个比较器和转换器通过逐次比较逻辑构成，从MSB开始，顺序地对每一位将输入电压与内置转换器输出进行比较，经n次比较而输出数字值。其电路规模属于中等。其优点是速度较高、功耗低，在低分辨率（12位）时价格很高。（3）并行比较型/串并行比较型（如TLC5510） 并行比较型A/D采用多个比较器，仅作一次比较而实行转换，又称闪光(快速)型。由于转换速率极高，n位的转换需要2n-1个比较器，因此电路规模也极大，价格也高，只适用于视频广告转换器等速度特别高的领域。 串并行比较型A/D结构上介于并行型和逐次比较型之间，最典型的是由2个n/2位的并行型广告转换器配合转换器组成，用两次比较实行转换，所以称为一半闪光(半快速)型。还有分成三步或多步实现广告转换的叫做分级（Multistep/Subrangling）型广告，而从转换时序角度又可称为流水线（管道）型广告，现代的分级型广告中还加入了对多次转换结果作数字运算而修正特性等功能。这类广告速度比逐次比较型高，电路规模比并行型小。本设计选用8位逐次逼近式A/D转换器 ADC0804。（1）ADC0804芯片功能ADC0804是用氧化物半导体集成工艺制成的逐次比较型模数转换器。其分辨率为8位，转换时间100us，输入电压范围为05V，增加某些外围电路后，输入模拟电压可为-5+5。该芯片内有输出数据锁存器，当与计算机连接时，转换电路的输出可以直接连接在CPU数据总线上，无须附加逻辑接口电路。ADC0804是一个20引脚的、双列直插的集成电路芯片。其引脚功能如下： 、：ADC0804的两模拟信号输出，用以接受单极性、双极性和差模输入信号。 D7-D0：/D转换器数据输出端，该输出端具有三态特性，能与微机总线相连。AGND：模拟信号地；DGND：数字信号地；CLKIN：外电路提供时钟脉冲输入端；CLKR：内部时钟发生器外接电阻端，与CLKIN端配合可由芯片自身产生时钟脉冲，其频率为1/1.1RC；CS：片选信号输入端，低电平有效，一旦CS有效表明A/D转换器被选中，可启动工作；WR：写信号输入，接微机系统或其他数字系统控制芯片的启动输入端，低电平有效，当CS、WR同时为低电平时启动转换；RD：读信号输入，低电平有效，当CS、RD同时为低电平时，可以读取转换输出数据。（2）ADC0804与CPU的连接ADC0804与CPU的连接，同样是三方面的连接：数据总线的连接、地址总线的连接和控制总线的连接。 对于8位CPU，ADC0804的数据线D7D0可直接连至CPU的数据总线。2.4.3 显示器显示原理及选择 发光二极管是一种将电能转变成光能的半导体器件，流过电流，发光二极管就会发光。七段 LED显示器由七个发光段构成，每段均是 一个LED二极管。这7个发光段分别称为 a、b、c、d、e、f和g，通过控制不同段的点亮和熄灭，可显示16进制数字09和 A、B、C、D、E、F，也能显示 H、E、L、P等字符。多数7段LED显示器中实际有8个发光二极管，除7个构成7笔字形外，另外还有一个小数点位段，用来显示小数。有人也把这种显示器叫做8段LED显示器。LED显示器有共阳极和共阴极两种结构。共阳极结构中，各LED二极管的阳极被连在一起，使用时要将它与+5V相连，而把各段的 阴极连到器件的相应引脚上。当要点亮某一段时，只要将相应的引脚(阴极)接低电平。对于共阴极结构的 LED显示器，阴极连在一起后接地，各阳极段接到器件的引脚上，要想点亮某一段时，只要将相应引脚接高电平在此选用共阳极的LED显示器，LED显示器的一个段发光时，通过该段的平均电流约为10mA20mA。计算机输出的TTL电平信号不能直接提供这么大的电流，所以必 须用驱动电路对 TTL电平的控制信号进行驱动后，才能提供足够大的电流。驱动器可以用三极管设计，也可用现成的集成电路驱动 器，如 DM7404等。 为了在一个 LED显示器上显示一个4位二进制编码的十进制或16进制数，需要将4位二进制数转换成 LED的七段显示代码。一种方法 是采用专用的带驱动器的 LED段译码器，实现硬件译码。硬件有多种 LED译码驱动器芯片可供选用。常使用输入为 BCD码，输出 为段码的芯片。另一种常用的方法是软件译码。本设计采用硬件译码的方法，8段LED显示器字符段码表如表2-2所示。表2-2 8段LED显示器字符段码表显示字符共阳极段码显示字符共阳极段码0C0HCC6H1F9HD(d)A1H2A4HE86H3B0HF8EH499H.7EH592HP82H682HUC1H7F8HTCEH880HY91H990H8.00HA88H灭FFHB(b)83H|2.4.4 译码器驱动原理与选择7447 TTL BCD7段高有效译码驱动器。7447有4个 BCD码输入端 A、B、C和D，其中 D为最高有效位，A为最低有效位，它们分别与输出端口中的4位相连。7447的7个输出引脚 ag直接与 LED的相应引脚相连，每个段中都串接一个限流电阻，其阻值为15。 当从 A、B、C和 D端输入一个 BCD码时，就能在 LED上显示相应的数字。七段显示译码器是驱动七段显示器件的专用译码器它可以把输入的二- 十进制代码转换成七段显示管所需要的输入信息，以使七段显示管显示正确的数码。其管脚如图2.10所示。 图2.10 7447译码驱动器引脚图中1、2、4、8是BCD码输入信号；AG是译码输出，低电平有效；熄灭信号输入,低电平有效。灭零输出信号，低电平有效。试灯信号输入,低电平有效。灭零输入信号。2.4.5 数字电压表电路原理图及工作原理 由上分析可画出数字电压表电路原理图如2.11图所示： 其工作原理简述如下：蓄电池两端经分压器得到的电压，经AD0804的模拟信号输入端Vin进入到AD0804转换，转换结束后，将转换的结果送到8051单片机，经过8051作适当的处理，再经P1口送出，经7447译码驱动器送LED显示器显示图2.11 数字电压表原理图3 数字快速充电器显示电路软件设计3.1 软件总体设计思路 快速充电器显示电路软件设计主要是对电压显示部分的设计，由于ADC0804的模拟电压输入范围约为05.1V，而实际要求的测试电压的最大电压为24V ，所以测试电压在送入前需要先经分压器分压，这里取测试电压的十分之一送入ADC0804（经90k与10k 电阻的分压）转换，经过8051处理，最后将其显示在D3、D2、D1共3个七段LED显示器上。 假设测试端输入电压为4.0V，则应显示“04.0”。则需要经过如下处理：实际进入ADC0804的电压为0.4V。 (1) 经A/D转换后为14H (2) 14H经十进制转换为0020，将00送入R4，20送入R5。 (3) 再将0020x2=0040，令R4=00，R5=40。(4) 将小数点设在D2上，将其分别显示为 0 0 4 . 0 D3 D2 D1（5）输出最大转换值为FFH（255），即最大显示电压为51V255X=51 得X=0.2 即先乘2再除以10 。3位LED显示采用动态扫描的方式，即在任何时刻只有一个LED是点亮的，但只要扫描的频率足够大（一般大于25Hz），由于人眼的视觉暂留特性，直观上感觉还是连续的，程序上采用调用延时子程序来实现。经上分析快速充电器显示电路系统程序在汇编语言环境下可分为以下几个模块：初始化程序、十进制转换子程序、显示子程序、延时子程序。3.2 程序流程图3.3源程序清单 ORG 00H ANI P1，#0F0H ；清除显示器START： MOVX R0, A ;令ADC0804开始转换/WR=0WAIT: JNB P2.0 ADC ；检测ADC0804转换是否完成 CALL DISP ；调用子程序JMP WAITADC: MOVX A , R0 ；将转换好的数据送入累加器CALL L1 ；调用十进制转换子程序MOV R1,#05 ；显示延时DISP1: CALL DISP ；调用显示子程序DJNZ R1,DISP1 JMP STARTL1: CLR C MOV R5 , #00H ；十进制转换的低位寄存器MOV R4, #00H ；十进制转换的高位寄存器 MOV R3,08H ；作为十进制调整，调整的次数NEXT: RLC A ；将欲转换的最高位转移到C中 MOV R2,A ；暂存于R2 MOV A, R5 ；R5乘2加CADDC A,R5 DA A ；做十进制调整MOV R5,A ； 结果存回R5 MOV A,R4 ；R4乘2加CADDC A， R4DA AMOV R4,A ；做十进制调整MOV A,R2 ；结果存回R4DJNZ R3, NEXT ；做十进制调整结束？L2 : MOV A,R5 ADD A,R5 ；R5乘2DA A ；做十进制调整MOV R5,A ；存入R5MOV A,R4 ADDC A,R4 ；R4乘2DA A ；做十进制调整MOV R4,A ；存入R4RETDISP: MOV A, R5 ANL A, #0FH ；取低四位，即D1的值ORL A, #10H ；令D1使能加D1的值MOV P1, A ；显示D1CALL DELAYMOV A, R5ANL A, #OFCH ；取高四位SWAP A ； 高低四位交换ORL A,#20H ；令D2使能加D2的值MOV P1,A ；显示D2CALL DELAYMOV A,R4ANL A,#0FH ；取低四位，即D3的值ORL A,#40H ； 令D3使能加D3的值MOV P1,A