基于单片机控制的锂电池充电模块毕业论文.doc

目目 录录 Abstract II 引 言 1 1 概述 2 1 1 课题研究的背景 2 1 2 锂电池充电特性 2 2 理论计算 3 2 1 方案论证与比较 3 2 1 1 BUCK 降压电路选择 3 2 1 2 电流控制 3 2 1 3 总体方案设计 4 2 2 理论分析与计算 5 2 2 1 输出电流分析与计算 5 2 2 2 BUCK 电路元件参数分析与计算 6 2 2 3 BUCK 电路输出效率分析计算 8 2 2 4 NTC 负温度系数电阻计算 9 3 电路工作原理 12 3 1 系统供电部分 12 3 2 BUCK 降压电路 12 3 3 恒流控制 14 3 4 输出电压 电流采集显示 17 3 5 过压 过温保护 20 3 6 PI 控制原理 22 4 系统设计 26 4 1 供电电源设计 26 4 2 BUCK 降压电路设计 27 4 3 控制显示电路设计 28 4 4 输出电压 电流检测电路设计 29 4 5 输出恒定电流电路设计 29 4 6 过温 过压保护电路设计 30 5 软件设计 32 5 1 软件设计原理及设计所用工具 32 5 2 软件设计结构图 32 6 系统测试 33 6 1 主要测试仪器 仪表 33 6 2 系统测试 33 6 2 1 测试方法 33 6 2 2 测试参数记录表及测试数据 33 6 3 测试结果分析 34 7 结论 35 总结与体会 36 谢 辞 36 参考文献 37 附录 38 程序源代码如下 38 电路原理图 48 PCB 设计图 49 实物图 49 I 摘摘 要要 电子技术的飞速发展使得各种各样的电子产品都朝着便携式和小型轻量化的 方向发展 也使得更多的电子产品采用基于电池的供电系统 目前 较多使用的 电池有镍镉 镍氢 铅蓄电池和锂电池 它们的各自特点决定了它们将在相当长 的时期内共存与发展 由于不同类型电池的充电特性不同 通常对不同类型 甚 至不同电压 容量等级的电池使用不同的充电器 但这在实际使用中有许多不便 本设计以单片机 STC89C52 为控制核心 系统由指示灯电路 液晶显示电路 保护电路 精确基准电压产生电路 环境温度采样电路和开关控制电路组成 实 现了电池充电 LED 指示 液晶显示 保护机制及异常处理等充电器所需要的基 本功能 本文对锂离子电池的参数特性 充电原理与充电方法进行了详尽的描述 并提出了充电模块的设计思想和系统结构 该电路具有安全快速充电功能 可以 广泛应用于室内外锂离子电池的充电 如手机 数码产品电池等 关键词 锂电池 STC89C52 指示灯电路 液晶显示电路 保护电路 精确基准电压产生电路 环境温度采样电路 II Abstract Electronic technology s fast development causes that various electronic products towards portable type and the small lightweight direction It also causes the more electrification products to use power supply system which is based on battery At present a lot of used batteries contain the nickel cadmium the nickel hydrogen the lead accumulator and the lithium battery Their respective characteristics have decided that they will coexist in a long time development Due to different types of batteries charge characteristic differently In general to different type even different voltage capacity rank battery use different battery chargers but it leads some inconveniences in the actual use The control core of the design is the single chip STC89C52 The system is composed of the indicator light circuit liquid crystal display circuit protection circuit precision reference voltage generating circuit ambient temperature sampling circuit and a switch control circuit The basic function of achieving the battery charging LED indicator liquid crystal display protection mechanism and exception handling charger is realized In this paper the charging parameter characteristics of lithium ion battery principle and charging method is not only described in detail but also putting forward the design idea and system structure of the charging module The circuit provides safe and fast charging function which can be widely used in indoor and outdoor lithium ion batteries such as mobile phone digital products and so on Key words Lithium ion battery STC89C52 The indicator light circuit The liquid crystal display circuit Protection circuit The precision reference voltage generating circuit Environmental temperature sampling circuit 1 引引 言言 随着社会的快速发展 电子产品小型化 便携化也使得充电电池越来越重要 锂离子电池有较高的比能量 放电曲线平稳 自放电率低 循环寿命长 具有良 好的充放电性能 可随充随放 快充深放 无记忆效应 不含镉 铅 汞等有害 物质 对环境无污染 被称为绿色电池 基于这些特性 所以锂电池得到了迅速 的发展和广泛的应用 锂电池充电器是为锂离子充电电池补充能源的静止变流装 置 其性能的优劣直接关系到整个用电系统的安全性和可靠性指标 本文在综合考虑电池安全充电及成本的基础上 设计了一种基于 STC89C52 单片机 PWM 控制的单片开关电源式锂电池充电模块 有效地克服了一般充电器过 充电 充电不足 效率低等缺点 实现了对锂电池组的智能充电 达到了预期效 果 该方案设计灵活 可满足多种型号的锂电池充电需求 2 1 概述概述 1 1 课题研究的背景课题研究的背景 充电器是为化学电池设计的理想产品 它们使电池的三项关键指标达到最 优化 即容量 寿命和安全性 正是锂离子电池在各个领域越来越广泛的应用 推动了对锂离子电池充电器的研究 目前一些大的厂家生产的充电器都具有以下特点 具备限流保护 电流短 路与反充保护线路设计 自动 快速充电 充满电后自动关断等等 有的还具 有 LED 充电状态显示 低噪声 模拟微电脑控制系统等特点 由于锂离子的 特点使得其对充电器的要求比较苛刻 其要求的充电方式是恒流恒压方式 为 有效利用电池容量 需将锂离子电池充电至最大电压 但是过压充电会造成电 池损坏 这就要求较高的控制精度 精度高于 1 另外 对于电压过低的电池除了需要进行预充 充电终止检测 电压检测 外 还需采用其他的辅助方法 作为防止过充的后备措施 如检测电池温度 限制充电时间 为电池提供附加保护 由此可见实现安全高效的充电控制已成 为锂离子电池推广应用的目标 1 2 锂电池充电特性锂电池充电特性 锂电池充电需要控制它的充电电压 限制其充电电流 锂电池通常都采用 三段充电法 即预充电 恒流充电和恒压充电 锂电池的充电电流通常应限制 在 1C C 为锂电池的容量 以下 单体充电电压一般为 4 2V 否则可能由于电 压过高造成锂电池永久性损坏 预充电主要是完成对过放的锂电池进行修复 若电池电压低于 3V 则必须 进行预充电 否则可省略该阶段 这也是最普遍的情况 在恒流阶段 充电器 先给电池提供大的恒定电流 同时电池电压上升 当电池电压达到饱和电压时 则转入恒压充电 充电电压波动应控制在 50mv 以内 同时充电电流降低 当 电流逐渐减小到规定的值时 可结束充电过程 电池的大部分电能在恒流及恒 压阶段从充电器流入电池 由此可知 充电器实际上是一个精密电源 其电流 电压都被限制在所要求的范围之内 3 2 理论计算理论计算 2 1 方案论证与比较方案论证与比较 基于单片机控制的锂电池充电模块 选择 LM2576 ADJ 集成电源芯片基于 BUCK 降压电路原理构成 BUCK 降压电路 系统输入电压为 9V 20V 输出电 流为 2A 微处理器选择 STC8952 单片机 电流检测由 INA168 集成电流检测芯 片完成 并将检测结果送到微处理器 IO 口 通过 PI 算法程序控制反馈电路使 得输出电路电流维持在 2A LCD1602 液晶显示电路电流大小 输出电压检测 经过分压电阻送到 STC8952 单片机自带的 10 位 AD 转换 IO 口 经 AD 转换将 数据送到 P0 口 并在液晶上显示电压大小 电路过温 过流保护均由 LM339 比较器完成 过压保护是在锂电池电量充满 电池两端电压超过额定电压时控 制电源芯片 0N 0FF 引脚使电源停止工作 进而实现停止充电 过温保护由 NTC 负温度系数 温度传感器执行 电池温度超过 60 时停止充 2 1 1 BUCK 降压电路选择降压电路选择 方案一 采用 LM2576 ADJ 集成电源芯片构成 BUCK 电路的恒流源控制系 统 LM2576 ADJ 输入电压在 7 V 40 V FeedBack 引脚电压恒定 1 23 V 输 出电压稳定可调 电路设计和控制简单 方案二 选用 MOSFET 场效应管构成 BUCK 降压电路 处理器产生 PWM 调节 PWM 占空比控制电源输出电流大小 方案比较 方案一 LM2576 ADJ 集成电源芯片 可直接构成 BUCK 电路 电路设计简单 输出电流容易控制 工作稳定 可实现普通 BUCK 电路参数 方案二 MOSFET 构成的 BUCK 电路对场效应管选择范围广 不同场管由于性 能不同外围辅助电路要求也不一样 大多数场效应管需要外加驱动电路 PWM 输入要求有稳定的占空比 最终设计参数的实现对电路各个反面设计都有一定 的要求 结合以上分析 系统 BUCK 降压电路设计最终选择方案一 2 1 2 电流控制电流控制 方案一 用 STC12C5A60S2 两路 AD 转换器采集采样电阻两端电压值 最 终得到采样电阻两端电压 利用公式 I U R 计算得到电路中电流大小 通过计 算测得的电流值与设定电流值大小比较 判断比较结果由程序控制完成对电路 4 电流控制参数补偿使电流输出恒定为 2A 方案二 使用集成电流检测芯片 INA168 检测流过采样电阻的电流大小 输出端由 STC12C5A60S2 单片机转换器完成转换 测得的电流值通过 PI 控制 算法程序调节电流控制电路实现电流输出 1 5 A 方案比较 方案一 采样电阻两端电压太小 AD 采样最终得到的检测电 流不理想 普通的补偿控制达不到系统设计要求 方案二 INA168 为电流检测 专用芯片 检测精确度高 能准确检测电路中电流的大小 使用 PI 控制算法 控制电流 使得系统响应速度和质量都得到了提高 是一种比较常用且择优的 控制选择方法 因此系统中电流控制选择方 案二 2 1 3 总体方案设计总体方案设计 由上述方案论证及方案选择可知 其总体方案框架如图 1 1 1 2 所示 是 由场效应管构成 BUCK 降压电路 微处理器 STC89C52 过充保护 LCD1602 液晶显示 AD 装换器对电 压采样 完成 AD 转换 24V 36V 直流电 源 5 V 电源 图 1 1 方案一总体方案框架图 5 是 否 由 LM2576 ADJ 集成元件 构成 BUCK 降压电路 微处理器 STC8952 过压检测 LCD1602 液晶显示 输出电压电流检测 0 V 36V 直流电源 5 V 电源 开启保护电路断开保护电路 结合方案比较综合考虑最终选选择方案二 2 2 理论分析与计算理论分析与计算 2 2 1 输出电流分析与计算输出电流分析与计算 LM2576 ADJ 能构成易于调节和控制的 BUCK 电路 LM2576 ADJ 引脚 4 为 FeedBack 该引脚感知调整输出电压进行反馈回路 由该引脚和运算放大器 构成的反馈回路能通过编程实现电路恒定电流输出 同相放大器同相端输入电 压大小为采样电阻上的分压大小 即 V Is Rs 根据同相放大器 图 2 1 原 理可列出计算式 图 1 2 方案二总体方案框架图 6 公式 1 Rav VVbf V V 由设计电路关系计算可得 Is Rs 1 23 Rav 设计中 Rs 大小为 0 1 欧姆 精 度 1 的采样电阻 因此可得 Is 12 3 Rav 在公式 1 中电阻单位为 K 通 过调节 Rav 的值可实现对输出电流的控制 系统要求输出电流大小为 1 5 A 计 算可得 Rav 的取值为 8 2 K 选择合适的编程求出电阻 R1 和 R2 的值 输出电压为 Vout Vref 1 0 R2 R1 Verf 1 23V 2 2 2 BUCK 电路元件参数分析与计算电路元件参数分析与计算 经典 BUCK 电路如图 2 2 所示 电路主要组成部分有 场效应管 开关元 件 电感 储能元件 电容 续流二极管 通过开关管的开通和断开 在储 能元件的作用下实现降压 控制开关时间的比例可实现对输出电压和电流的控 制 电路设计中开关元件的通断控制通常以 PWM 控制为主要选择方法 微处理 器可产生占空比可调的 PWM 波形 图 2 2 7 在系统设计中 BUCK 降压电路由集成芯片 LM2576 ADJ 电感 电容构成 电路结构如图 2 3 所示 输入电容 C5 分析 计算与选择 1 防止电压瞬变在输入中影响转换器稳定运行 铝或钽电解电容之间需要输 入引脚 VIN 和接地引脚 GND 该电容应位于靠近 IC 且使用短引线 电路设 计中考虑输入电压大小为 10 V 25 V 之间 结合安全裕量最后选择 1000 uF 50 V 的点检电容 续流二极管 D3 的分析 计算与选择 2 由于二极管的最大峰值电流超过最大负荷调节电流 钳位二极管电流等级 必须为至少 1 2 倍的最大负载电流 一个强大的二极管设计 应该有一个额定 电流相等的最大电流限制 LM2576 能够经受连续输出短路 二极管的反向电 压等级应至少 1 25 倍的最大输入电压 系统设计负载输出电流为 1 5A 最大输 出电压为 8 4 V 因此设计中续流二极管选择 INA5822 电感 L1 的分析 计算与选择 3 由以下公式可计算电感 公式 2 E X T Vin Vout Vout Vin x 106 F Hz 计算出的 E X T 值与相应的匹配对电感值的选择垂直轴数如图 2 4 所示 这个 E X T 常数是一个能量处理能力和测量电感都取决于类型的核心 核心区 匝数和占空比 图 2 3 VinOUT GND FB ON OFF LM 2576 U2 1000uF C5 1000uF C6D3 1N5822 150uH L1 GND Vin FB c co on ns st ta an nt t c cu ur rr re en nt t p po ow we er r ON OFF 470 R13 3 3K R14 Q0 8050 8 下一步是确定区域分割的电感 E X T 值和对负载电流最大值 从电感的电 感值的代码及识别 然后从表 1 中选择一个合适的电感 电感的选择必须额定 的开关 52 kHz 和 1 15 倍负载电流的额定电流 电感电流额定值可计算电感的 峰值电流 公式 3 Ip max ILode max Vin Vout ton 2L Ton 为电源开关时间 公式 4 Ton Vout Vin 1 fosc Inductor Code Inductor Value The 39Shott CorpPulse EngRenco L4747 uH77 212671 26980PE 53112RL2442 L6868 uH77 262671 26990PE 92114RL2443 L100100 uH77 312671 27000PE 92108RL2444 L150150 uH77 360671 27010PE 53113RL1954 L220220 uH77 408671 27020PE 52626RL1953 最后分析计算电路中取 150 uH 的工字形电感 2 2 3 BUCK 电路输出效率分析计算电路输出效率分析计算 输出电流 1 5 A 电压为 8 4 V 输出功率 P I U 1 5 8 4 11 6 W 电路中有电感 续流二极管 电容和 LM2576 ADJ 造成以发热的形式为主的功 率损耗 电路设计要求充电电源效率不得低于 70 图 2 4 表 1 电感的电感值代码 9 2 2 4 NTC 负温度系数电阻计算负温度系数电阻计算 热敏电阻的电阻 温度特性可近似地用公式 5 表示 公式5 R Ro exp B I T I To 表 2 热敏电阻的电阻 温度特性 但实际上 热敏电阻的 B 值并非是恒定的 其变化大小因材料构成而异 最大甚至可达 5 K C 因此在较大的温度范围内应用公式 5 时 将与实测值之 间存在一定误差 此处 若将公式 5 中的 B 值用公式 6 所示的作为温度的函数 计算时 则可降低与实测值之间的误差 可认为近似相等 公式 6 BT CT2 DT E 上式中 C D E 为常数 另外 因生产条件不同造成的 B 值的波动会引 起常数 E 发生变化 但常数 C D 不变 因此 在探讨 B 值的波动量时 只需 考虑常数 E 即可 常数 C D E 的计算 公式 7 ToTn RoRnIn Bn 11 公式 8 31 32 21 21 32 32 21 TTTTTT TTBBTTBB C 公式 9 21 21 21 21 TT TTTTCBB D 公式 10 1111TCTDTDE 常数 C D E 可由图 2 5 的 温度 电阻值 数据 T0 R0 T1 R1 T2 R2 and T3 R3 通过式 7 10 计算 首先由式 7 根据 T0 和 T1 T2 T3 的电阻值求出 B1 B2 B3 然后代入以下各式 电阻值计算实例 试根据电阻 温度特性表 求 25 C 时的电阻值为 5 k B 值偏差为 R温度 T K 时的电阻值 Ro温度 T0 K 时的电阻值 B温度 T0 K 时的电阻值 T K t C 273 15 10 50 K 的热敏电阻在 10 C 30 C 的电阻值 步骤 根据电阻 温度特性表 求常数 C D E 1 To 25 273 15 T1 10 273 15 T2 20 273 15 T3 30 273 15 代入 BT CT2 DT E 50 求 BT 2 将数值代入 R 5exp BTI T I 298 15 求 R 3 T 10 273 15 30 273 15 电阻 温度特性图如图 2 5 所示 电阻温度系数 所谓电阻温度系数 是指在任意温度下温度变化 1 C K 时的零负载电阻 变化率 电阻温度系数 与 B 值的关系 可将式 11 微分得到 公式 11 100 2 100 1 T B dT dR R 这里 前的负号 表示当温度上升时零负载电阻降低 经过时间与热 敏电阻温度变化率的关系如下表所示 表 3 热敏电阻温度变化率 t 12 1 TT TT t63 2 2t86 5 3t95 0 4t98 2 5t99 4 图 2 5 11 目录记录值为下列测定条件下的典型值 表 4 热敏电阻典型值 另外应注意 散热系数 热响应时间常数随环境温度 组装条件而变化 1 静止空气中环境温度从 50 C 至 25 C 变化时 热敏电阻的温度变 化至 34 2 C 所需时间 2 轴向引脚 径向引脚型在出厂状态下测定 12 3 电路工作原理电路工作原理 3 1 系统供电部分系统供电部分 系统 BUCK 降压电路输入电压为 10 V 25 V STC12C5A60S2 单片机 LCD1602 液晶显示等部分使用 5 V 电压供电 5 V 供电电源产生采用 LM7805 稳压芯片 系统中 LM7805 输入电压直接由 BUCK 输入电压端输入 LM7805 是常用的三端稳压器 一般使用的是 TO 220 封装 能提供 5 V 的 输出电压 内含过流和过载保护电路 带散热芯片时能持续提供 1 A 的电流 如果使用外围器件 它还能提供不同的电压和电流 3 2 BUCK 降压电路降压电路 BUCK 电路基本结构如下 主要组成元件包括开关元件 储能元件 续流二极管 通过控制场效应管 的开通和关断 在开通时输入电源直接对负载供电 关断后储能元件中储存电 能对负载供电 开关导通时等效电路如图 3 2 所示 开关关断时等效电路如图 3 3 所示 从电路可以看出 电感 L 和电容 C 组成低通滤波器 使 us t 的直流分 1 13 2 VV GND INOUT LM 7805 U1 0 1uF C2 D11N4007 GND Vin 5V 5 5V V P Po ow we er r 10uF C4 图3 1 13 量可以通过 而抑制 us t 的谐波分量通过 电容上输出电压 uo t 就是 us t 的直流分量再附加微小纹波 ur t 电路工作频率高 一个开关周期内电容充放电引起的纹波 ur t 很小 2 相对于电容上输出的直流电压 Uo 有 ur t 0 电容上电压可以看作恒定 电路稳态工作时 输出电容上电压由微小的纹波和较大的直流分量组成 可以 看作是恒定直流 一个周期内电容充电电荷高于放电电荷时 电容电压升高 导致后面周 3 期内充电电荷减小 放电电荷增加 使电容电压上升速度减慢 这种过程的延 续直至达到充 放电平衡 此时电压维持不变 反之 如果一个周期内放电电 荷高于充电电荷 将导致后面周期内充电电荷增加 放电电荷减小 使电容电 压下降速度减慢 这种过程的延续直至达到充 放电平衡 最终维持电压不变 这种过程是电容上电压调整的过渡过程 在电路稳态工作时 电路达到稳定平 衡 电容上充 放电也达到平衡 这是电路稳态工作时的一个普遍规律 开关开通时 电感电流增加 电感储能 而当开关关断时 电感电流减 4 小 电感释能 假定电流增加量大于电流减小量 则一个开关周期内电感上磁 链增量为 L t 0 此增量将产生一个平均感应电势 u t 0 此 电势将减小电感电流的上升速度并同时降低电感电流的下降速度 最终将导致 一个周期内电感电流平均增量为零 一个开关周期内电感上磁链增量小于零的 状况也一样 这种在稳态状况下一个周期内电感电流平均增量 磁链平均增量 为零的现象称为 电感伏秒平衡 这也是电力电子电路稳态运行时的又一个普 遍规律 系统设计中选用 LM2576 ADJ 集成芯片构成 BUCK 电路 稳压器 LM2576 ADJ 是单片集成电路的理想适合于开关稳压器的简单方便的设计 Buck 变换器 使用 LM2576 ADJ 集成芯片组成 BUCK 电路使整个电路设计更加简单 输出电流电压易于控制 系统设计中利用 LM2576 ADJ FeedBack 引脚实现对恒 定电流输出的控制 续流二极管 IN5822 具有正向电流大 反向电压高等特点 IN5822 14 LM2576 ADJ 引脚图如图 3 4 LM2576 内部结构图如图 3 5 3 3 恒流控制恒流控制 系统恒定电流输出控制原理 LM2576 ADJ FeedBack 引脚电压为 1 23V 通过运放组成同相放大器和该引脚构成反馈回路 可实现恒流输出 运 算放大器同相端电压为采样电阻上的分压 反相端反馈电阻采用可编程数字电 位器 数字电位器选择 TPL0501 封装为 SOT 23 TPL0501 是一个单通道 具 有 256 个雨刷器位置的线性电阻分布的数字电位器 可被用作 3 终端电位器或 作为 2 终端可变电阻器 TPL0501 目前提供 100 k 的端电阻 TPL0501 使用 三线 SPI 兼容的串行数据接口 三个输入接口 芯片选择 CS 数据时钟 图 3 4 图 3 5 15 SCLK 数据输入 DIN 驱动器 CS 为低电平串行接口 时钟数据同步到 SCLK 的上升沿移位寄存器 再将数据加载到移位寄存器 驱动 CS 高存到适当 的电位器控制寄存器和禁用串行接口 把 CS 低在整个串行数据流 以避免数 据损坏 TPL 阻值与对应数据表 表 5 TPL 阻值与对应数据 100k StepBinary RHW k RWL k RHW RWL 000 00100 000 00 110 3999 610 00 2100 7899 220 01 3111 1798 830 01 41001 5698 440 02 51011 9598 050 02 61102 3497 660 02 71112 7397 270 03 810003 1396 880 03 910013 5296 480 04 1010103 9196 090 04 1110114 3095 700 04 1211004 6995 310 05 1311015 0894 920 05 1411105 4794 530 06 1511115 8694 140 06 16100006 2593 750 07 17100016 6493 360 07 18100107 0392 970 08 19100117 4292 580 08 20101007 8192 190 08 21101018 2091 800 09 22101108 5991 400 09 23101118 9891 020 01 24110009 3890 630 10 25110019 7790 230 11 261101010 1889 840 11 271101110 5589 450 12 281110010 9489 060 12 291110111 3388 670 13 301111011 7288 280 13 311111112 1187 890 14 3210000012 5087 500 14 3310000112 8989 110 15 16 3410001013 2886 720 15 3510001113 6788 330 16 3610010014 0685 940 16 3710010114 4585 550 17 3810011014 8484 770 17 3910011115 2384 380 18 4010100015 6383 980 19 4110100116 0283 590 19 4210101016 4183 200 20 4310101116 8082 810 20 4410110017 1982 420 21 4510110117 5682 030 21 4610111017 9781 640 22 4710111118 3681 250 22 4811000018 7580 860 23 4911000119 1480 470 24 5011001019 5380 060 24 5111001119 9279 690 25 5211010020 3179 300 25 5311010120 7078 910 26 5411011021 0978 520 27 5511011121 4678 130 27 5611100021 8677 730 28 5711100122 2777 340 29 5811101022 6676 950 29 5911101123 0576 560 30 6011110023 4476 170 31 6111110123 8375 780 31 6211111024 2275 390 32 6311111124 6175 000 33 64100000025 0074 610 33 65100000125 3974 220 34 66100001025 7673 830 35 67100001126 1773 440 35 68100010026 6672 660 36 69100010126 9572 270 37 70100011027 3471 880 38 17 TPL0501 SPI 时序如图 3 6 图 3 6 TPL0501 数字电位器引脚如图 3 7 图 3 7 3 4 输出电压 电流采集显示输出电压 电流采集显示 输出电压经过两个 100K 电阻分压后直接送进 STC12C5A60S2 单片机一路 IO 口完成 AD 转换 AD 转换后将数据送到 P0 口 编程控制 LCD1602 显示出 对应的电压值 输出端与负载串联了一个 0 1 误差 0 1 采样电阻 输出电 流就是流过采样电阻的电流 设计中选用专门的电流检测芯片 INA168 对电流 完成检测 INA168 将待检测电流转换成电压输出 其关系为 VO ISRSRL 5k 将得到的电压 VO送进单片机另一路 IO 口完成 AD 转换 控制 LCD1602 液晶显 2501111101097 662 3441 57 2511111101198 051 9550 20 2521111110098 441 5563 00 2531111110198 631 1784 33 2541111111099 220 78127 00 2551111111199 610 39255 00 18 示对应电流大小 STC12C5A60S2 单片机的 AD 转换口在 P1 口 有 8 路 10 位高速 A D 转换 器 速度可达到 250 KHz 8 路电压型输入 A D 可做温度检测 电池电压检测 按键扫描等 上电复位后 P1 口为弱上拉型 IO 口 STC12C5A60S2 单片机 A D 转换原理如图 3 8 所示 图 3 8 STC12C5A602 单片机 ADC 由多路选择器 比较器 逐次逼近寄存器 10DAC 转换结果寄存器以及 ADC CONTR 构成 STC12C5A602 单片机的 ADC 是逐次比较型 ADC 逐次比较型 ADC 由一 个比较器和 D A 转换器构成 通过逐次比较逻辑 从最高位 MSB 开始 顺 序的对每一输入电压与内置的 DA 转换器输出进行比较 经过多次比较 使转 换所得的数字量逐次逼近输入模拟量的对应值 从图 3 8 可以看出 通过多路模拟开关 将通过 ADC0 7 的模拟量输入送 给比较器 用 D A 转换的模拟量与本次输入的模拟量通过比较器进行比较 将 比较结果保存到逐次比较器 并通过逐次比较器输出转换结果 A D 转换结束 后 最终的结果保存到 ADC 转换结果寄存器 ADC FLASH 同时 置位 ADC CONTR 中的 AD 转换结果标志位 ADC FLASH 以供程序查询或发出中 断申请 INA168 和电流监测高侧 单极电流并联监视器 输入共模电压范围宽 输 19 入共模和电源电压是独立的可以从 2 7 V 至 36 V 的 INA168 范围 2 7 V 60 V 的电流监测 静态电流仅为 25 A 这允许连接电源的任何一侧具有最小误差 的分流电流测量 在图 3 9 的电路 输入电压 VIN VIN 等于 RS 和输出电 压 输出电压 等于 IO RL的跨导 INA168 是 200 V 的完整的传递函数为本 设计的应用测量放大器 最大差分输入电压的精确测量为 0 5 V 产生一个 100 A 输出电流多达 2 V 的差分输入电压不会造成损害 差分测量 引脚 3 和 4 必须是单极应用到引脚 3 正向的电压 如果一个无效电压应用到引脚 3 输出 电流 IO将是零 但不会造成损害 INA168 检测原理电路如下 图 3 9 已知系统中 Is 1 5 A Rs 0 1 STC12C5A60S2 单片机 A D 转换参考电 压为供电电压 Vcc 采样电阻上的电压 Vs Is Rs 0 1 1 5 0 15 V 为了 能满足输入电压要求取 RL 100 K 采样电压达到 3 V 才能满足采样要求 该电 压送到单片机 A D 转换 I O 口 编程控制完成 ADC 过程 INA168 管脚如图 3 10 图 3 10 20 3 5 过压 过温保护过压 过温保护 系统设计要求充电电压超过 8 4 V 充电温度超过 60 时 关断充电电路 保护电路主要又 LM339N 比较器和逻辑或非门组成 在比较器同相端电压超过 设定值时电路产生控制信号 并传送到控制电路输入端 控制电路由 8050NPN 三极管组成共射极开关电路 可以完成对 LM2576 ADJ 开通和关断控制 LM339N 包括四个独立工作电压比较器 从一个单一的电源很宽的范围内 电压 这两者之间的分别供应 2 V 至 36 V VCC 至少是 1 5 V 输入共模电压 漏极电流是独立的电源电压 输出可以连接到其他的集电极开路输出实现 LM339 和 LM339N 的操作特点是从 0 C 70 C LM339N 内部结构图 3 10 图 3 10 LM339N 管脚图 3 11 图 3 11 设计中过压 过温保护分别使用 LM339N 比较器 通过外围电路的辅助电 气关系完成在输出电压和温度达到门限时电路停止工作 一般三极管都是正向导通 反向截止 加在二极管上的反向电压如果超过 21 二极管的承受能力 二极管就被要击穿损毁 但是有一种二极管 它的正向特 性与普通二极管相同 而反向特性却比较特殊 当反向电压加到一定程度时 虽然管子呈现击穿状态 通过较大电流却不损毁 并且这种现象的重复性很好 相反 只要管子处在击穿状态 尽管流过管子的电流变化很大 而管子两端的 电压却变化极小 起到稳压作用 这种特殊的二极管叫稳压管 稳压管是利用 反向击穿区的稳压特性进行工作的 因此 稳压管在电路中要反向连接 稳压 管的反向击穿电压称为稳定电压 不同类型稳压管的稳定电压也不一样 某一 型号的稳压管的稳压值固定在一定范围 实际应用中 如果选择不到稳压值符 合需要的稳压 管 可以选用稳压值较低的稳压管 然后串联一只或几只硅二极 管 枕垫 把稳定电压提高到所需数值 这是利用硅二极管的正向压降为 0 6 0 7V 的特点来进行稳压 因此 二极管在电路中必须正向连接 这与 稳压管不同 图 3 12 NTC 负温度系数传感器是 Negative Temperature Coefficient 的缩写 意思 是负温度系数 泛指负温度系数很大的半导体材料或元器件 所谓 NTC 温度传 感器就是负温度系数温度传感器 它是以锰 钴 镍和铜等金属氧化物为主要 材料 采用陶瓷工艺制造而成的 这些金属氧化物材料都具有半导体性质 因 为在导电方式上完全类似锗 硅等半导体材料 温度低时 这些氧化物材料的 载流子 电子和空穴 数目少 所以其电阻值较高 随着温度的升高 载流子 数目增加 所以电阻值降低 NTC 温度传感器在室温下的变化范围在 100 1000000 温度系数 2 6 5 NTC 温度传感器可广泛应用于温度测量 温度补偿 抑制浪涌电流等场合 NTC 热敏电阻的温度特性可用下式近似表示 T B AeRT 式中 22 RT 温度 T 时零功率电阻值 A 与热敏电阻器材料物理特性及几何尺寸有关的系数 B B 值 T 温度 k 更精确的表达式为 公式 12 32 exp T D T C T B ART 式中 RT 热敏电阻器在温度 T 时的零功率电阻值 T 为绝对温度值 K A B C D 为特定的常数 3 6 PI 控制原理控制原理 PI 设计过程部分包括检测比较 控制器 执行器 通过比较测量值与给定 值产生偏差信号 控制器 对偏差信号修正处理 执行器对输出部分调整并控制 使系统实现自我调整 稳定工作 图 6 1 比例 P 控制 公式 13 tKpetU 比例控制能迅速反应误差 从而减少稳态误差 除了系统控制输入为 0 和 系统过程值等于期望值这两种情况 比例控制都能给出稳态误差 当期望值有 一个变化时 系统过程值将产生一个稳态误差 但是比例控制不能消除稳态误 差 比例放大系数的加大会引起系统的不稳定 23 响应曲线图如图 6 2 所示 图 6 2 比例 P 控制阶跃响应 积分 I 控制 在积分控制中 控制器的输出与输入误差信号的积分成正比关系 为了减小稳态误差 在控制器中加入积分项 积分项的误差取决于时间的 积分 随着时间的增加积分项会增大 这样 即使误差很小 积分项也会随着 时间的增加而加大 它推动控制器的输出增大使稳态误差进一步减少 直到等 于零 积分 I 和比例 P 通常一起使用 称为比例 积分 PI 控制器 可以使系统在 进入稳态后无稳态误差 如果单独用积分 I 的话 由于积分输出随时间积累而 逐渐增大 故调节动作缓慢 这样会造成调节不及时 使系统稳定裕下降 响应曲线图如图 6 3 图 6 3 积分 I 控制和比例积分 PI 控制阶跃相应 24 比例 积分 PI 控制器 公式 1 t 0 dt t 1 1 e T teKptU 比较 PI 比 P 少了稳态误差 PID 比 PI 反应速度更快并且没有了过冲 PID 比 PI 有更快的响应和没有了过冲 自动测试方法 为了确定过程的临界周期 Pc 和临界增益 Kc 控制器会临时使它的 PI 算法 失效 取而代之的是一个 ON OFF 的继电器来让过程变为振荡 这两个参数很 好的将过程行为进行了量化以决定 PID 控制器应该如何调整来得到理想的闭合 回路性能 由 STC12C5A60S2 单片机组成的数字控制系统控制中 PI 控制器是通过 PI 控制算法实现的 STC12C5A60S2 单片机 A D 对信号进行采集 变成数字信号 再在单片机中通过算法实现 PI 运算 再把控制量反馈回控制源 PI 调节程序如下 ypedef struct PI double SetPoint 设定目标 Desired value double Proportion 比例常数 Proportional Const double Integral 积分常数 Integral Const double LastError Error 1 double PrevError Error 2 double SumError Sums of Errors PI PI 计算部分 double PICalc PI pp double NextPoint double dError Error Error pp SetPoint NextPoint 偏差 25 pp SumError Error 积分 pp PrevError pp LastError pp LastError Error return pp Proportion Error 比例项 pp Integral pp SumError 积分项 Initialize PI Structure PI 参数初始化 void PIInit PI pp memset pp 0 sizeof PI 26 4 系统设计系统设计 4 1 供电电源设计供电电源设计 BUCK 电路输入直流电源电压为 10 V 25 V 系统中 STC12C5A60S2 LCD1602 液晶显示 TPL0501 等供电由 LM7805 将 10 V 25 V 的输入电压稳定后提供 用 78 79 系列三端稳压 IC 来组成稳压电源所需的外围元件极少 电路内 部还有过流 过热及调整管的保护电路 使用起来可靠 方便 而且价格便宜 该系列集成稳压 IC 型号中的 78 或 79 后面的数字代表该三端集成稳压电路的输 出电压 如 7806 表示输出电压为正 6 V 7909 表示输出电压为负 9 V 因为三 端固定集成稳压电路的使用方便 电子制作中经常采用 LM7805 的内部框图 为图 4 1 其电参数如表 6 图 4 1 27 表 6 LM7805 的电参数 参数符号测试条件最小值典型值最大值单位 Tj 25 4 85 05 2V 50mA I0 1 0A P0 15W输出电压V0 Vi 7 5V to 20V 4 755 00 5 25 V Tj 25 Vi 7 5V to 25V 4 0100mV 线性调整率 V0 Tj 25 Vi 8V to 12V 1 650mV Tj 25 I0 5 0mA to 1 5A 9100mV 负载调整率 V0Tj 25 I0 250mA to 750mA 450mV 静态电流IQ Tj 25 5 08mV I0 5 0mA to 1 0A0 030 5mV 静态电流变化率 IQ Vi 8V to 25V0 30 8mV 输出电压温漂 V0 T I0 5 0mA0 8 mV 输出噪音电压VN f 10HZ to 100kHZ Ta 25 42uV 纹波抑制比RRf 120HZ Vi 8V to 18V6273dB 输入输出电压差V0 I0 T1 0A j 25 2V 输出阻抗R0f 1kHZ15 m 短路电流Isc Vi 35V Ta 25 230mA 峰值电流Ipk Tj 25 2 2A 系统设计原理图如图 4 2 图 4 2 4 2 BUCK 降压电路设计降压电路设计 BUCK 电路输入电压为 10 V 25 V 使用主要元件有 输入电容 LM2576 ADJ 电感 输出电容 续流二极管 IN5822 电路设计原理图如图 4 3 28 VinOUT GND FB ON OFF LM2576 U2 1000uF C5 1000uF C6D3 1N5822 150uH L1 GND Vin 0 05 R1 O