毕业设计（论文）-电动车智能充电器设计与实现 - 副本.doc

装订线电动车智能充电器设计与实现摘 要 本设计介绍了充电器对蓄电池充电的一般原理，研究各种充电方法对铅酸蓄电池寿命的影响。针对蓄电池充电过程中出现的种种问题，分析现有各种充电方法存在的问题，提出一种可对铅酸蓄电池实现三段式慢脉冲充电的智能充电器设计方案。控制开关电源的占空比，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。同时针对市场上充电器只能为一种车充电的现象，设计了24V、36V、48V自适应充电器。针对温度对电池充电的影响，设计了温补电路减少由于温度变化在充电过程中对电池的损害，延长电池使用寿命。针对开关电源工作工程中机箱温度变化，设计了以模糊控制为核心的智能温控风扇。采用PID算法控制，采样输出电压、电流，经过闭环反馈控制调整PWM波占空比，不断反馈调节使达到稳定。关键词：分段式充电，自适应，模糊控制，PID控制ABSTRACTThe design describes the charger to the battery charger of the general principles, studying a variety of charging methods for lead-acid battery life implications. For battery charging problems arising in the process, analysis of existing problems in a variety of charging methods, proposed a lead-acid batteries could achieve the Four-slow pulse charge of the intelligent charger design. Control the switching power supply pulse frequency and duty cycle, thus regulating charge current and voltage to achieve the classification of the battery charge with slow pulse. This program not only for fast charging, while reducing analysis of gas, to eliminate sulfide, a balanced charge, thus greatly extending the service life of lead-acid batteries. Meanwhile ,we designed 24V, 36V, 48V adaptive charger to overcome the phenomenon that a specific charger is designed for a special purpose.To overcome the battery temperature effects, temperature compensation circuit is designed to reduce the temperature of the battery during the charging process damage and prolong battery life. Engineering work for the switching power supply chassis temperature changes, designed to blur the core of the intelligent temperature control fan. Using PID control algorithm and sampling the output voltage, current,adjust the PWM duty cycle wave through closed-loop feedback control , until finally stable.Key words: segmented charge， adaptive;，fuzzy control;，PID control目录目录摘 要1关键词11 绪论11.1 课题研究的目的和意义11.1.1 本课题研究目的11.1.2 本课题研究的意义11.2 课题来源21.3 蓄电池充电技术研究的现状21.4 本课题的主要工作31.4.1 设计内容31.4.2 完成方法32 电动车智能充电器概述42.1 反激式开关电源设计42.1.2 非隔离Buck电路42.1.3隔离式反激电路52.2 电池充电方案选择62.2.1恒压充电62.2.2 恒流充电72.2.3三段式充电法72.3 恒压恒流控制82.3.1 恒压控制82.3.2 恒流控制82.4 智能温升控制部分83 电动车智能充电器系统设计方案的对比选择93.1 主控制器的选择93.1.1 MSP430单片机93.1.2 51单片机93.1.3 STM32系列ARM单片机103.1.4 比较选择103.2 恒流恒压控制策略选择113.2.1 电压电流检测113.2.2 电压检测113.2.3 充电电流检测123.2.4 PID算法133.3 智能温度控制选择134 硬件及软件设计174.1 硬件部分设计174.1.1 辅助电源设计174.1.2 主功率变换电路设计174.1.2.1 功率变换部分174.1.2.2 功率管驱动部分设计184.1.2.3 共模电感滤波部分184.1.3 单片机最小系统设计194.1.3.1 电源部分194.1.3.2 内部AD采集基准电压电路204.1.3.3晶振电路204.1.3.4复位电路214.1.3.5处理器连接部分224.2软件部分设计224.2.1 PID算法控制224.2.2模糊控制274.2.3软件总体流程图325 结果及分析33致 谢35参考文献36IV 装订线电动车智能充电器设计与实现1 绪论1.1 课题研究的目的和意义1.1.1 本课题研究目的 以动力蓄电池为能源的电动车被认为是21世纪的绿色工程，它的出现将汽车工业的发展带入了一个全新的领域。目前，电动车核心部件中的电动机、控制器和车体三大部件在理论和技术上已较为成熟，而另两大部件蓄电池、充电器的发展还不能满足电动车的要求，有一些理论和技术问题还有待攻关，现已成为影响电动交通工具发展的瓶颈。目前，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。当然，也有一些高性能电池，比如锂电池、燃料电池等。锂离子电池电动车在深圳已投入试运营，由上海研制的第二代燃料电池轿车“超越二号”也于2004年5月在北京的国际氢能大会上露面，但都还未能得到广泛的推广应用。铅酸蓄电池具有价格低廉、供电可靠、电压稳定等优点，因此广泛应用于国防、通信、铁路、交通、工农业生产部门。近年来全密封免维护铅酸蓄电池其密封好、无泄漏、无污染等优点，能够保证人体和各种用电设备的安全，而且在整个寿命期间，无需任何维护，从而揭开了铅酸蓄电池发展历程新的一页。众所周知，通信设备一般都采用免维护电池作为备用电源，许多电子设备必须的不间断电源系统（UPS）也离不开免维护电池，此外在应急灯、汽车、游艇中也越来越多的选用免维护电池。然而，由于充电方法不正确，充电技术不能适应免维护电池的特殊需求，造成电池很难达到规定的循环寿命。虽然近年来蓄电池自身的技术有了不小的进步，但作为其能量再次补充的充电器的发展非常缓慢，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。所以根据时代的发展及要求设计了一款目前市场充电器流行使用的方法，也是技术成熟的一种设计，采用处理器配合驱动场效应管的单管反激式开关电源的智能充电器。1.1.2 本课题研究的意义随着公众环保意识的加强，电动自行车以其绿色环保、价格适中、舒适便捷、操作方面等优点，在各大城市得到快速的普及。评价电动自行车质量好坏的重要参数之一是其蓄电池的使用寿命。电动车电池的使用寿命，首先取决于电池的设计和制造水平，然而使用维护和充电方法也会起到很关键性的作用。而蓄电池的充电过程对其寿命影响最大。研究表明：过充电，可使蓄电池发热，电解液失水：而充电不足，则可使蓄电池内化学反应不充分，长期充电不足会导致蓄电池容量下降。由此可见，充电器性能的好坏直接影响着蓄电池的使用效果和使用寿命。为此,开发一种具有自主知识产权,具备适用功率大(100500W)、性能可靠等特点的电动车用24V、36V、48V自适应蓄电池充电器以满足电动自行车发展的迫切需要。近年来充电器技术来发展非常迅速，它的发展经历了在研究充电方法对蓄电池寿命影响的基础上，选择合适的控制参数和充电策略，并在硬件上低成本地实现，是电动自行车智能充电器要实现的设计目标.电力电子技术就是应用于电力领域的电子技术。电力电子技术包括信息电子技术和电力电子技术两大分支。通常所说的模拟电子技术和数字电子技术都属于信息电子技术。电力电子技术就是使用电力电子器件对电能进行变化和控制的技术，目前所使用的电力电子器件均由半导体制成，故也称为电力半导体器件。电力电子所变化的“电力”，功率可以达到数百兆，也可以小到数瓦甚至毫瓦级。通常所用的电力电子器件有交流和直流两种。从公用电网直接得到的电力是交流，从蓄电池得到的电力是直流。从这些电源得到的电力往往不能直接满足需求，需要进行电力变化。电力变换通常有四大类，即交流变直流（AC-DC）、直流变交流（DC-AC）、直流变直流（DC-DC）、和交流变交流（AC-AC）。交流变直流称为整流，直流变交流称为逆变，直流变直流是指一种电压（或电流）的直流变为另一种电压（或电流）的直流，可用斩波电路进行实现。交流变交流又可以称为交流电力控制，还多了一些其他的如频率或者相数的变换。本课题综合应用所学的电力电子技术、电路、模拟电子线路的理论知识，深入学习，设计出一种智能控制电路。通过对充电器工作原理的分析和电路的设计并实际调试，来加强对开关电源产品的认识和接受，在研究电动自行行车的基础上，开发了一款基于微处理器和反激式开关电源配合的智能充电器，该充电器能够对蓄电池进行很好的监测于控制，从而在达到快速充电的同时又能够有效的对蓄电池起到保护作用。电力电子技术对于节省电能有很重要的意义。特别在大型风机、水泵采用变频调速方面，在使用量特别庞大的照明电源等方面，电力电子技术的节能效果十分显著，因此也被称为节能技术。总之，电力电子技术的应用十分广泛。从人类对宇宙和大自然的探索，到国民经济的各个领域，再到我们的衣食住行，到处都能感受到电力电子技术的存在和巨大魅力。这也激发了一代又一代的学者和工程技术人员学习、研究电力电力电子技术并使其飞速发展。1.2 课题来源 本课题是根据老师一科研项目相关部分，拿过来做毕业设计用，难度适宜且应用价值大有推广空间。1.3 蓄电池充电技术研究的现状上20世纪60年代中期，美国蓄电池专家马斯对蓄电池最佳充电技术的研究成果，他提出了以最低析气率为前提的蓄电池可接受的充电电流曲线，是一条按指数规律充电电流逐步下降的曲线 。人们以这条曲线为基础，提出了恒压式充电，恒流式充电等等。恒压充电开始至后期，电源电压始终保持一定，所以在充电开始时充电电流相当大，大大超过正常充电电流值。但随着充电的进行，蓄电池端电压逐渐升高，充电电流逐渐减小。当蓄电池端电压和充电电压相等时，充电电流减至最小甚至为零。由此可见，采用恒压充电法的优点在于，可以避免充电后期充电电流过大而造成极板活性物质脱落和电能的损失。但其缺点是，在刚开始充电时，充电电流过大，电极活性物质体积变化收缩太快，影响活性物质的机械强度，致使其脱落。恒流充电法在充电过程中由于蓄电池电压逐渐升高，充电电流逐渐下降，为保持充电电流不致因蓄电池端电压升高而减小，充电过程必须逐渐升高电源电压，以维持充电电流始终不变，这对于充电设备的自动化程度要求较高，一般简陋的充电设备是不能满足恒流充电要求的。恒流充电法，在蓄电池最大允许的充电电流情况下，充电电流越大，充电时间就可以缩短。若从时间上考虑，采用此法有利的。但在充电后期若充电电流仍不变，这时由于大部分电流用电解水上，电解液出气泡过多而显沸腾状，这不仅消耗电能，而且容易使极板上活性物质大量脱落，温升过高，造成极板弯曲，容量迅速下降而提前报废。所以，这种充电方法很少采用。综合恒流和恒压充电法的特点，蓄电池在充电初期用较大的电流，经过一段时间改用较小的电流，至充电后期改用更小的电流，即不同阶段内以不同的电流进行恒流充电的方法，叫做阶段恒流充电法。阶段恒流充电法，一般可分为三个阶段进行，也可分为多个阶段进行。阶段等流充电法所需充电时间短，充电效果也好。由于充电后期改用较小电流充电，这样减少了气泡对极板活性物质的冲刷，减少了活性物质的脱落。这种充电法能延长蓄电池使用寿命，并节省电能，充电又彻底，所以是当前常用的一种充电方法。一般蓄电池第一阶段以10h率电流进行充电，第二阶段以20h率电流进行充电。各阶段充电时间的长短，各种蓄电池的具体要求和标准不一样。 1.4 本课题的主要工作1.4.1 设计内容设计并制作一套基于STM32ARM内核的电动车智能充电系统，使其能够对24V、36V、48V蓄电池自适应性充电。采集输出电压、电流，运用PID算法闭环反馈控制达到三阶段充电目的，验证三阶段充电具有充电时间断、充电效率高的优点。设计开关电源机箱智能温控系统，使用模糊控制理论对机箱温度进行控制，并能根据外界环境电压对电池进行温度补偿。根据课题内容完成相应的论文。1.4.2 完成方法将课题研究内容分解成为主要的三部分：反激式开关电源设计、PID恒流恒压控制部分、模糊智能温控部分。一、反激式开关电源设计 反激式开关电源具有拓扑简单，调试方便，是150W左右开关电源拓扑的理想选择，开关电源的难点是磁性元器件的设计，电路拓扑固定，需要做的就是学习如何设计变压器，实际制作变压器。二、PID恒流恒压控制 这部分主要是软件的功能，在设计好电压、电流采集电路后，对采样电压、电流进行PID控制处理，反馈调整PWM波的占空比，硬件部分完成电流电压调整，不断反馈调整最终稳定输出。三、模糊智能温控部分这部分里面主要包含两个方面，一个是蓄电池温度补偿电路，另一个是机箱温度控制。蓄电池温度补偿需要根据经验值调整充电器的充电电压从而对蓄电池进行保护，机箱温度需要模糊闭合反馈通知。这个地方设计的难点是模糊控制理论，以及编程实现。2 电动车智能充电器概述2.1 反激式开关电源设计2.1.1 开关电源常见拓扑开关电源有多重结构，包括非隔离式和隔离式，非隔离式的有降压型的Buck电路，升压式Boost电路，升降压的Buck-Boost。隔离式常见的有反激式，正激式，全桥以及半桥等。不同的拓扑结构有不同的特点，下面以非隔离式Buck电路和隔离式的反激电路分析。2.1.2 非隔离Buck电路降压斩波电路(Buck Chopper)是一种最基本，应用最广泛的直流斩波电路。通常用于输出电压小于或者等于输入电压的 DC-DC 变换器中，下面就对其工作原理做出简单的介绍。图2-1-1 Buck DC/DC 电路拓扑结构Buck DC/DC 电路拓扑结构如图 2-1-1 所示，S 为功率晶体管的简化模型，D 为续流二极管，L 为储能电感，C 为输出滤波电容，直流输入电源为 Vs，输出电压为Vo，负载为蓄电池。实际中，功率开关器件大多选用 IGBT，MOSFET 等。 假设在电路中，所有的元器件均为理想元件，从输入到输出的过程当中，没有功率的损耗。那么功率器件 S 的导通和关断的等效电路图则如图2-2-2和2-2-3所示，图2-1-2导通时 Buck 电路等效电路图图2-1-3关断时 Buck 电路等效电路图假设 Buck 的开关周期为 T，占空比为 。在(0T) 时间内，PWM 为高电平，则开关管 D 导通，此时电源向负载供电，同时也对电容 C 充电，这时 V0Vs，负载电流 I0呈指数曲线上升；在(TT) 时间内，PWM 为低电平，则开关管 D 关断，此时电容 C 放电，经续流二极管 D1 续流，这时 V00，负载电流 I0呈指数曲线下降。为了使负载电流连续且波动小，通常串接较大电感。电路在稳定工作过程中，Buck 电路存在着滤波电感电流连续模式(CCM)和电感电流断续模式(DCM)。电感电流连续模式是指滤波电感 L 电流 iL总是大于 0，而电感电流断续模式是指在开关管关断期间，有一段时间 iL=0。2.1.3隔离式反激电路反激式变压器基本结构如图2-1-4所示：图2-1-4 反激开关电源基本结构反激开关电源电路简单，输出电压U0即可高于输入电压Ui又可低于输入电压Ui，一般适用于在输出功率在200W以下的开关电源中。在VT导通时，输入侧变压器存储能量，由变压器同名端定义易知V1不导通输出为电容电压，当VT截止时由于变压器的感应电动势作用使得V1导通，变压器输出侧上正下负给电容和负载充电。输出电压和输入信号占空比有关，也和变压器输入输出参数及V1压降有关，因开关电源每一步设计都是一个极其复杂的步骤，因此这里不过多的叙述这方面内容，详细设计方法参考相关设计手册或辅助软件。2.2 电池充电方案选择2.2.1恒压充电在充电过程中，充电电压始终保持不变，叫做恒定电压充电法，简称恒压充电法或等压充电法。由于恒压充电开始至后期，电源电压始终保持一定，所以在充电开始时充电电流相当大，大大超过正常充电电流值。但随着充电的进行，蓄电池端电压逐渐升高，充电电流逐渐减小。当蓄电池端电压和充电电压相等时，充电电流减至最小甚至为零。由此可见，采用恒压充电法的优点在于，可以避免充电后期充电电流过大而造成极板活性物质脱落和电能的损失。但其缺点是，在刚开始充电时，充电电流过大，电极活性物质体积变化收缩太快，影响活性物质的机械强度，致使其脱落。而在充电后期充电电流又过小，使极板深处的活性物质得不到充电反应，形成长期充电不足，影响蓄电池的使用寿命。所以这种充电方法一般只适用于无配电设备或充电设备较简陋的特殊场合，如汽车上蓄电池的充电，1号至5号干电池式的小蓄电池的充电均采用等压充电法。采用等压充电法给蓄电池充电时，所需电源电压：酸性蓄电池每个单体电池为2428V左右，碱性蓄电池每个单体电池为1620V左右。2.2.2 恒流充电在充电过程中充电电流始终保持不变，叫做恒定电流充电法，简称恒流充电法或等流充电法。在充电过程中由于蓄电池电压逐渐升高，充电电流逐渐下降，为保持充电电流不致因蓄电池端电压升高而减小，充电过程必须逐渐升高电源电压，以维持充电电流始终不变，这对于充电设备的自动化程度要求较高，一般简陋的充电设备是不能满足恒流充电要求的。恒流充电法，在蓄电池最大允许的充电电流情况下，充电电流越大，充电时间就可以缩短。若从时间上考虑，采用此法有利的。但在充电后期若充电电流仍不变，这时由于大部分电流用于电解水上，电解液出气泡过多而显沸腾状，这不仅消耗电能，而且容易使极板上活性物质大量脱落，温升过高，造成极板弯曲，容量迅速下降而提前报废。所以，这种充电方法很少采用。2.2.3三段式充电法目前的航空蓄电池充电均采用阶段恒流充电法。一般酸性航空蓄电池采用恒流两阶段充电法。碱性航空蓄电池采用恒流两阶段充电法或恒流一阶段充电法。但这种充电法在充电中间阶段远离了充电电流接受率曲线，所以三阶段充电法更好一点。三阶段充电法是两阶段等流充电法和恒定等压充电法相结合的方式。充电开始和结束时采用恒定电流，中间阶段为恒定电压充电。蓄电池在充电初期用较大的电流，经过一段时间改为恒定电压充电，当电流衰减到预定值时，由第二阶段转到第三阶段。采用三阶段充电法的优点是：避免了恒定电压充电法开始充电电流过大，而后期电流又过小的情况，比二阶段等流充电在中间阶段更接近充电电流接受率曲线。这种充电法减少了充电出气量，充电又彻底，延长了蓄电池使用寿命。三阶段充电法充电电流和充电电压变化曲线如图2-2-1所示。图2-2-1三段式充电法综合考虑充电效率以及最大程度保护电池，我们选择三段式充电法。 2.3 恒压恒流控制2.3.1 恒压控制在变压器已经做好了的情况下，输出负载确定，经电阻分压后检测输出端电压，如果输出端电压比预定值大，经过PID算法计算后可以得到新的占空比值，通过改变PWM波形占空比调整输出电压值，不断反馈调整最终稳定在一个可以允许的电压误差范围内，从而实现恒压控制。这里一定要注意分压电阻要选择精度较高，温漂系数较小的高精度电阻，否则会大大影响测量精度进而影响反馈调节。同时也要注意ADC电路得设计，参考电源的温漂要小，稳定度要高，分压电阻不宜取得过小否则会影响参考电压输出也不宜取得过大会影响ADC采样。2.3.2 恒流控制用一个精密的小电阻作为采样电阻，再经过LM324放大器放大后测量电压再站换为电流值，经过PID算法计算后可以得到新的占空比值，通过改变PWM波形占空比调整输出电流值，不断反馈调整最终稳定在一个可以允许的电流误差范围内，从而实现恒流控制。这里要注意采样电阻要合适，太小测量小电流时困难，太大热损耗太大会影响总体效率。采样电阻要与地接触的尽可能近一些减小采样电阻与地的电阻。放大器的设计时要注意补偿和消除零点漂移。从上面的分析可知，恒压恒流的实现是通过改变不同的反馈量然后通过PID算法计算得出新的占空比，进而反馈调节输出电压或者电流，不断反复快速进行从而达到恒流恒压控制的目的，在这个过程中ADC的采样精度会决定采样误差，所以ADC的位数要尽可能的选高一些。2.4 智能温升控制部分由铅蓄电池的特性可知，其充电电压、电流、饱和程度受环境温度的影响，充电时需根据环境温度适当修正最大充电电压和充电电流。基本步骤是测得环境温度，再测得负载电池属于24V还是36V或者48V电瓶，根据经验值室温下温度每升高1电池电压下降0.014到0.018V。用NTC温度传感器测得阻值，然后再查询温度阻值表，得到环境温度再设定充电阈值。机箱温度控制部分采用模糊控制，模糊控制适用于不易获得精确数学模型的被控对象，是一种语言变量控制器，从属于智能控制的范畴，该系统尤其适于非线性，时变，滞后系统的控制，抗干扰能力强，响应速度快，并对系统参数的变化有较强的鲁棒性。机箱温度测量特别适合这种工作环境，通过模糊控制来调整风扇转速达到控制机箱温度的目的。3 电动车智能充电器系统设计方案的对比选择3.1 主控制器的选择主控制器作为系统的核心，负责处理各项数据并按照系统设计发出和执行相应的指令。在温度遥测系统的设计前提下选择单片机作为主控制器，单片机运行简单可靠，适合于终端和简单功能的控制。而本课题中预计使用的单片机类型有MSP430单片机和51单片机和STM32系列ARM内核单片机。3.1.1 MSP430单片机MSP430系列单片机是美国德州仪器（TI）1996年开始推向市场的一种16位超低功耗、具有精简指令集（RISC）的混合信号处理器。1、处理能力强；MSP430系列单片机是一个16位的单片机，采用了精简指令集（RISC）结构，具有丰富的寻址方式（7 种源操作数寻址、4 种目的操作数寻址）、简洁的 27 条内核指令以及大量的模拟指令；大量的寄存器以及片内数据存储器都可参加多种运算；2、运算速度快；MSP430系列单片机能在25MHz晶体的驱动下，实现40ns的指令周期。16位的数据宽度、40ns的指令周期以及多功能的硬件乘法器（能实现乘加运算）相配合，能实现数字信号处理的某些算法；3、超低功耗；MSP430 单片机之所以有超低的功耗，是因为其在降低芯片的电源电压和灵活而可控的运行时钟方面都有其独到之处；4、片内资源丰富；MSP430 系列单片机的各系列都集成了较丰富的片内外设；MSP430 系列单片机的中断源较多，并且可以任意嵌套，使用时灵活方便；当系统处于省电的低功耗状态时，中断唤醒只需5s；5、方便高效的开发环境；MSP430 系列有 OTP 型、 FLASH 型和 ROM 型三种类型的器件，这些器件的开发手段不同。3.1.2 51单片机STC89C52是STC公司生产的一种低功耗、高性能CMOS8位微控制器，具有8K在系统可编程Flash存储器。STC89C52使用经典的MCS-51内核，但做了很多的改进使得芯片具有传统51单片机不具备的功能。在单芯片上，拥有灵巧的8位CPU和在系统可编程Flash，使得STC89C52为众多嵌入式控制应用系统提供高灵活、超有效的解决方案。具有以下标准功能：8k字节Flash，512字节RAM，32位I/O口线，看门狗定时器，内置4KBEEPROM，MAX810复位电路，3个16位定时器/计数器，4个外部中断，一个7向量4级中断结构（兼容传统51的5向量2级中断结构），全双工串行口。另外STC89C52可降至0Hz静态逻辑操作，支持2种软件可选择节电模式。空闲模式下，CPU停止工作，允许RAM、定时器/计数器、串口、中断继续工作。掉电保护方式下，RAM内容被保存，振荡器被冻结，单片机一切工作停止，直到下一个中断或硬件复位为止。3.1.3 STM32系列ARM单片机STM32系列基于专为要求高性能、低成本、低功耗的嵌入式应用专门设计的ARM Cortex-M3内核。按性能分成两个不同的系列：STM32F103“增强型”系列和STM32F101“基本型”系列。增强型系列时钟频率达到72MHz，是同类产品中性能最高的产品；基本型时钟频率为36MHz，以16位产品的价格得到比16位产品大幅提升的性能，是16位产品用户的最佳选择。两个系列都内置32K到128K的闪存，不同的是SRAM的最大容量和外设接口的组合。时钟频率72MHz时，从闪存执行代码，STM32功耗36mA，是32位市场上功耗最低的产品，相当于0.5mA/MHz。全新STM32互连型（Connectivity）系列微控制器增加一个全速USB（OTG）接口，使终端产品在连接另一个USB设备时既可以充当USB主机又可充当USB从机；还增加一个硬件支持IEEE1588精确时间协议(PTP)的以太网接口，用硬件实现这个协议可降低CPU开销，提高实时应用和联网设备同步通信的响应速度。全新互连型系列还是STM32家族中首款集成两个CAN2.0B控制器的产品，让开发人员能够研制可连接两条工业标准CAN（控制器区域网）总线的网关设备。此外，新系列微控制器还支持以太网、USB OTG和CAN2.0B外设接口同时工作，因此，开发人员只需一颗芯片就能设计整合所有这些外设接口的网关设备。STM32互连型系列产品强化了音频性能，采用一个先进的锁相环机制，实现音频级别的I2S通信。结合USB主机或从机功能，STM32可以从外部存储器（U盘或MP3播放器）读取、解码和输出音频信号。设计人员还可以在新系列微控制器上开发人机界面（HMI）功能，如播放和停止按键，以及显示器界面。这个功能使其可用于各种家庭音响设备，如音响底座系统、闹钟/音乐播放器和家庭影院。新系列产品整合先进的面向连接的外设，标准的STM32外设（包括一个PWM定时器），高性能的32位ARM Cortex-M3 CPU，这些特性使开发人员可以在设备上（如家电、楼宇或工业自动化）整合多种功能，如马达控制、用户界面控制和设备互连功能。其它目标应用包括需要联网、数据记录或USB外设扩展功能的系统，如病患监视、销售终端机、自动售货机和保安系统。包括新的互连型系列在内的STM32系列微控制器具有多种配套软件和开发工具，其中包括意法半导体免费提供的软件库以及第三方工具厂商的广泛支持。意法半导体还将推出一个新的评估板，目前正在向大客户提供STM32F105和STM32F107互连型系列的样片STM32 的运算速度大约是51单片机的几十倍而且外围接口功能比51强大太多。3.1.4 比较选择 STC89C52单片机是8位且采用复杂指令集而MSP430是16位采用精简指令集，STM32则采用32位ARM指令集，相对来说STM32运行速度比430和51单片机快，功能更强。51单片机虽然上手学习容易，设计使用简单，程序设计通俗易懂，但功能不够强大，速度不够快。430单片机外设资源很丰富，但受限于处理速度，不适合做数字电源的处理器。STM32 ARM内核单片机不但外设丰富，而且处理速度快，且有官方开发函数库开发难度降低，STM32F4 Cortex-M4系列单片机支持浮点数运算可以替代DSP完成算法处理，综合选择STM32F4系列单片机作为主控制器。3.2 恒流恒压控制策略选择3.2.1 电压电流检测本课题中的电流电压检测电路包含了对太阳能电池组件和蓄电池的电压采集检测，和对充放电环路的电流采集检测。在放电电路这部分，主要包括对蓄电池的电压采集和对充电环路的电流采集。虽然外部模拟信号形式各异，但是单片机STM32F407 内部 ADC 所能接受输入信号却是有严格的限制，必须将待检测的模拟信号调整为单片机内部AD能够接受的信号，然后送入微控制器相应AD通道中。 STM32F407 内部集成了24通道的单斜率 ADC 转换内核，3个ADC，每组ADC共有8通道输入。普通IO设置后都可作为外部 AD 的输入，AD 转换时钟频率、参考电压和转换模式都可以寄存器的设置来进行选择，在本论文的设计中选择内部标准电压作为 AD 的参考电压，外部模拟信号都必须经过调理才能送入单片机 AD 通道，然后单片机对经过 A/D 转换后的数据进行分析处理，并产生相应的控制作用。系统中各待测物理量的 ADC 采集通道分配如下表 3-1 所示。被测物理量选用ADC及通道号蓄电池电压ADC1，channel0充电电流ADC1，channel1机箱内部温度ADC1，channel2外部环境温度ADC1，channel3表3-2-13.2.2 电压检测蓄电池的电压要远大于 AD 的参考电压，因此，在本系统中采用了精密电阻分压的方式来调节被测信号。实际电路中电阻值根据被测目标电压范围而有所不同，蓄电池电压检测如图 3-1所示。图3-2-1系统通过对蓄电池电压大小的判断，就可以实行控制器的充电控制，通过反馈蓄电池电压值调整PWM波占空比进而调整输出电压，不断反馈调整直到输出电压稳定。3.2.3 充电电流检测在功率电路设计当中，电压的检测和控制相比较电流的检测和控制要简单很多。电压检测几乎可在电路的任何地方进行，而且不会对电路性能产生明显的影响。但是，电流的检测却要复杂得多，因为，电流检测必须要引入测量传感器，传感器的应用会对电路性能产生影响。根据具体的电路，选择合适的电流检测方案，并且进行正确的电路设计，是功率电路设计成败关键之一。目前，功率电路中常用的有电阻检测、磁检测、MOSFET 检测等电流检测的方法。在电流较大的场合，多采用磁性器件检测，用以避免电阻检测造成的损耗。同时，磁性器件的检测还可方便地获得电气隔离。最常用的电流磁检测器件是电流互感器，但是，电流互感器电路设计相对较为复杂，而且占用的基板面积也很大，不利于电路小型化，采用的元件数量较多(磁性器件) ，成本就会增加。另外，电流互感器的加工比较复杂，不利于批量性生产，这也是影响成本的一个重要因素。除电流互感器以外，磁检测的方式还有采用霍尔效应制作的传感器。霍尔传感器主要应用在有特殊要求的场合。霍尔传感器与电流互感器相比，检测精度高，但却存在价格高、体积大的缺点。 MOSFET 导通电阻具有较大的正温度系数，而且导通电阻的大小与驱动电压也有很大关系，由于分立器件的离散性，最终获得的信号电压将会存在很大的误差。为了克服这些因素产生的影响，电路的设计将变得十分复杂，这就限制了单个的 MOSFET 作为电流检测器件的应用。 电阻电流检测电路通常利用测量电流通路中采样电阻两端压降以间接测量电流。按照采样电阻与电源之间连接位置的不同，可分为电压低端电流检测和电压高端电流检测两类，其基本测量原理图如下图 3-2-2 和 3-2-3 所示。虽然电阻检测的缺点是损耗大，但是电路设计简单，成本低廉，易于实现，本论文采用电阻检测方法来测量充放电回路电流。 图3-2-2电压低端电流检测原理图3-2-3电压高端电流检测原理图在本设计中分别采用电压高端和电压低端测量方式来实现对充电回路电流和放电回路电流的测量。放电回路中的电流测量采用了电压低端电阻检测方案，因为在放电回路中电路简单，器件数量少，这种方案相对安全，也利于节省成本。实际电路中加了一级运放将检测电阻上的电压信号调整为 AD 理想的输入范围值，有助于提高测量精度，提高系统控制性能。系统通过对充电电流压大小的判断，就可以实行控制器的充电控制，通过反馈蓄电池充电电流值调整PWM波占空比进而调整充电电流，不断反馈调整直到充电电流稳定。检流电阻应根据以下几条原则进行选择 1.检流电阻阻值过大会引起电源电压以 IR 的数值降低。为了减少电压损耗应选用小阻值的检流电阻。 2.效率和功耗当电流较大时，检流电阻上的功耗就不能忽略。在考虑检流电阻和功耗时，需要注意这一点。如果允许检流电阻发热, 则电阻阻值可大一些。 3.电路如果包含大量高频成分，则检流电阻的电感量要很小。线绕电阻的电感最大，金属膜电阻比较好。本课题电流采样电路中采样电阻选用 0.05W/2W 的金属膜电阻。3.2.4 PID算法在过程控制中，按偏差的比例（P）、积分（I）和微分（D）进行控制的PID控制器（亦称PID调节器）是应用最为广泛的一种自动控制器。它具有原理简单，易于实现，适用面广，控制参数相互独立，参数的选定比较简单等优点；而且在理论上可以证明，对于过程控制的典型对象“一阶滞后+纯滞后”与“二阶滞后+纯滞后”的控制对象，PID控制器是一种最优控制。PID调节规律是连续系统动态品质校正的一种有效方法，它的参数整定方式简便，结构改变灵活（PI、PD、）。具体算法在软件设计里再提及。3.3 智能温度控制选择温度传感器的种类众多，在应用与高精度、高可靠性的场合时DALLAS（达拉斯）公司生产的DS18B20温度传感器当仁不让。超小的体积，超低的硬件开消，抗干扰能力强，精度高，附加功能强，使得DS18B20更受欢迎。 DS18B20数字温度传感器接线方便，封装成后可应用于多种场合，如管道式，螺纹式，磁铁吸附式，不锈钢封装式，型号多种多样，有LTM8877，LTM8874等等。主要根据应用场合的不同而改变其外观。封装后的DS18B20可用于电缆沟测温，高炉水循环测温，锅炉测温，机房测温，农业大棚测温，洁净室测温，弹药库测温等各种非极限温度场合。耐磨耐碰，体积小，使用方便，封装形式多样，适用于各种狭小空间设备数字测温和控制领域。 如图 3-3-1 所示为DS18B20 的两种封装类型的实物图示：图 3-3-1(a)防水封装图 3-3-1(b)一般封装1、 DS18B20的性能特点1、全数字温度转换及输出；2、先进的单总线数据通信；3、最高12位分辨率，精度可达土0.5摄氏度；4、12位分辨率时的最大工作周期为750毫秒；5、可选择寄生工作方式；6、检测温度范围为（-55 ）（+125 ）；7、内置EEPROM，限温报警功能；8、64位光刻ROM，内置产品序列号，方便多机挂接；9、 多样封装形式，适应不同硬件系统；10、 独特的一线接口，只需要一条口线通信 多点能力，简化了分布式温度传感应用 无需外部元件 可用数据总线供电，电压范围为3.0 V至5.5 V无需备用电源。尽管DS18B20有如此多的优点，但是设计电源时我们更多的考虑是成本因素，且本设计并不需要如此高精度的传感器，市场上一片DS18B20达6元钱，本设计需两处采集温度，则在温度传感器上话费12元，这是非常不划算的。从成本角度考虑我们不使用该数字传感器，选择NTC系列热敏电阻温度传感器。热敏电阻是一种阻值随温度变化而变化的电阻随温度升高阻值升高的电阻叫PTC电阻，阻值随温度升高而降低的电阻叫NTC电阻。热敏电阻随温度变化曲线一般都是非线性的，PTC变化的非线性要比NTC更恶劣一些，因此我们选择NTC热敏电阻作为温度传感器元件，NTC电阻阻值随温度变化曲线如图3-3-2，温度测量电路如图3-3-3：图3-3-2 NTC电阻阻值随温度变化曲线图3-3-3 温度测量电路实际的测量中我们采用查表法，通过ADC测得Rm两端电压，再抓换为Rv阻值，通过查找表格找到对应温度即为当前温度，如果表格中查找不到该温度值需要进行插值处理，具体处理参见软件部分。4 硬件及软件设计4.1 硬件部分设计4.1.1 辅助电源设计系统中我们需要提供12V电压给风扇供电，3.3V电压给处理器供电，2.5V基准电压给ADC采集用，辅助电源功率较低，风扇1W，处理器0.5W，其它外围电路0.5W，变压器设计时选择3W变压器，220V转为12V后，桥式整流、滤波经过开关电源Buck芯片LM259612V后变为12V直流输出，再经过LM2596-3.3V后得到3.3V电，电路图如图4-1-1所示。 图4-1-1(a)220转为12V后整流滤波图4-1-1(b)整流滤波后的电压经过稳压得到12V图4-1-1(c)12V得到3.3V4.1.2 主功率变换电路设计4.1.2.1 功率变换部分功率变换的核心部分是反激拓扑的设计，其中尤为关键得是反激变压器的设计，这部分占设计的一大半内容，变压器具体参数设计详见附录部分。主功率变换如图4-1-2所示 图4-1-2主功率变换部分4.1.2.2 功率管驱动部分设计处理器输出的PWM波无法驱动MOS管，因此需要增大驱动能力，常用方法是图腾柱推挽法，可使用分立元件搭建图腾柱但是有反应速度慢难以控制死区时间等问题。因此采用集成MOS管驱动芯片IR2302，IR2302可输出2A的峰值电流驱动频率可达到300KHz，具有死区时间补偿的特性。MOS管驱动部分如图4-1-3 图4-1-3 MOS管驱动部分4.1.2.3 共模电感滤波部分共模电感（CommonmodeChoke），也叫共模扼流圈，常用于开关电源中过滤共模的电磁干扰信号。在开关电源设计中，共模电感也是起EMI（ElectroMagneticInterference电磁干扰）滤波的作用，用于抑制高速信号线产生的电磁波向外辐射发射。开关电源中的芯片在工作过程中既是一个电磁干扰对象，也是一个电磁干扰源。为减小体积、降低成本,单片开关电源一般采用简易式单级EMI滤波器,典型电路图4.1.4所示。图中的L3、C7和C8用来滤除共模干扰,C10和C11滤除串模干扰。图4-1-4单级 EMI滤波器EMI滤波器能有效抑制单片开关电源的电磁干扰。图4.1.5中曲线a为加EMI滤波器时开关电源上0.15MHz30MHz传导噪声的波形（即电磁干扰峰值包络线）。曲线b是插入如图4-1-5所示EMI滤波器后的波形,能将电磁干扰衰减50dBV70dBV。图4-1-5滤波器的效果波形图4.1.3 单片机最小系统设计4.1.3.1 电源部分电源部分由3.3V稳压器供电，由于单片机部分对电源要求比较高，电流瞬态变化率很大，所以需要并联多个电容满足电流要求，如图4-1-6所示。图4-1-6单片机供电4.1.3.2 内部AD采集基准电压电路单片机内部稳压源需要一个精准的参考源供ADC使用，所以对参考源要求比较高不能直接拿