电动车智能充电器定稿

精品文档 1欢迎下载 目录目录 前言 3 第一章 充电器原理 4 1 1 蓄电池与充电技术 4 1 2 密封铅酸蓄电池的充电特性 4 1 3 充电器充电原理 5 1 3 1 蓄电池充电理论基础 5 1 3 2 充电方法的研究 7 1 3 2 1 常规充电法 7 1 3 2 2 四阶段充电法 9 1 3 3 充电方法设计 10 1 3 3 1 预充电 11 1 3 3 2 脉冲快速充电 11 1 3 3 3 补足充电 11 1 3 3 4 浮充电 12 第二章 总体设计方案 12 2 1 系统设计 12 2 2 方案比较与方案选择 12 第三章 硬件电路设计 16 3 1 电路总体设计 16 3 2 芯片介绍 17 3 2 1 AT889S52 型单片机 17 3 2 1 1 功能特性描述 17 3 2 1 2 引脚结构 18 3 2 2 ADC0809 模数转换芯片 23 3 2 3 LM324 是四运放集成芯片 27 3 3 功能模块电路设计 29 3 3 1 交流 220V 整流滤波电路 29 3 3 2 充电主电路模块 31 3 3 3 单片机最小系统电路模块 33 3 3 4 信号采样与放大模块电路图 34 3 3 5 模数转换模块电路 39 3 3 6 电源模块电路 41 3 3 7 单片机 AT89S52 下载电路 43 第四章 软件设计 43 4 1 系统设计 43 4 2 ADC0809 模数转换启动与信号读取软件设计 45 4 3 采样电流数据转换为实际电流值软件设计 47 4 4 数据处理软件设计 48 4 5 电源通断控制软件设计 50 参考文献 51 谢辞 52 附录 53 精品文档 2欢迎下载 前言前言 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 基于此 本文提出了一种用于全密封免维护铅酸蓄 电池的智能充电器设计方案 采用先进的四段式慢脉冲充电控制方法 有效地 提高充电效率 延长电池寿命 精品文档 3欢迎下载 第一章第一章 充电器原理充电器原理 1 11 1 蓄电池与充电技术 蓄电池与充电技术 对于铅酸 镉镍 镍氢 3 类以水为溶剂的电解液蓄电池 为了使用上的安 全 方便 长寿命和免维护 在全世界化学电源工作者数代人不懈的努力下 终于从大量的实验中发现了 内部氧循环 的理论机制 使得该 3 类蓄电池所有 的充放电反应 能在一个设计完好的带阀控的密封容器中反复安全进行 即蓄 电池在充电和过充电期间 正电极析出的氧到达负电极后 能全部被负电极吸 收还原 关系为 i O2析出 i O2还原 因而 蓄电池在长期的充放电过 程中 不会造成电解液中水的损耗 以此来保证蓄电池的循环使用寿命与充电 的安全 1 21 2 密封铅酸蓄电池的充电特性 密封铅酸蓄电池的充电特性 电池充电通常要完成两个任务 首先是尽可能快地使电池恢复额定容量 另一是使用小电流充电 补充电池因自放电而损失的能量 以维持电池的额定 容量 在充电过程中 铅酸电池负极板上的硫酸铅逐渐析出铅 正极板上的硫 酸铅逐渐生成二氧化铅 当正负极板上的硫酸铅完全生成铅和二氧化铅后 电 池开始发生过充电反应 产生氢气和氧气 这样 在非密封电池中 电解液中 的水将逐渐减少 在密封铅酸蓄电池中 采用中等充电速率时 氢气和氧气能 够重新化合为水 过充电开始的时间与充电的速率有关 当充电速率大于 时 电池容量恢复到额定容量的 以前 即开始发生过充电反应 只有充电速率小于 才能使电池在容量恢复到 后 出现过 充电反应 为了使电池容量恢复到 必须允许一定的过充电反应 过 充电反应发生后 单格电池的电压迅速上升 达到一定数值后 上升速率减小 然后电池电压开始缓慢下降 由此可知 电池充足电后 维持电容容量的最佳 方法就是在电池组两端加入恒定的电压 浮充电压下 充入的电流应能补充电 池因自放电而失去的能量 浮充电压不能过高 以免因严重的过充电而缩短电 池寿命 采用适当的浮充电压 密封铅酸蓄电池的寿命可达 年以上 实践 精品文档 4欢迎下载 证明 实际的浮充电压与规定的浮充电压相差 时 免维护蓄电池的寿命将 缩短一半 铅酸电池的电压具有负温度系数 其单格值为 在环 境温度为 时工作很理想的普通 无温度补偿 充电器 当环境温度降到 时 电池就不能充足电 当环境温度上升到 时 电池将因严重的过 充电而缩短寿命 因此 为了保证在很宽的温度范围内 都能使电池刚好充足 电 充电器的各种转换电压必须随电池电压的温度系数而变 1 31 3 充电器充电原理 充电器充电原理 1 3 11 3 1 蓄电池充电理论基础蓄电池充电理论基础 理论和实践证明 蓄电池的充放电是一个复杂的电化学过程 一般地说 充电电流在充电过程中随时间呈指数规律下降 不可能自动按恒流或恒压充电 充电过程中影响充电的因素很多 诸如电解液的浓度 极板活性物的浓度 环境 温度等的不同 都会使充电产生很大的差异 随着放电状态 使用和保存期的不 同 即使是相同型号 相同容量的同类蓄电池的充电也大不一样 上世纪 60 年 代中期 美国科学家马斯对开口蓄电池的充电过程作了大量的试验研究 并提 出了以最低出气率为前提的 蓄电池可接受的充电曲线 如图 1 所示 实验表 明 如果充电电流按这条曲线变化 就可以大大缩短充电时间 并且对电池的 容量和寿命也没有影响 原则上把这条曲线称为最佳充电曲线 从而奠定了快 速充电方法的研究方向 图 1 1 最佳充电曲线 由图 1 1 可以看出 初始充电电流很大 但是衰减很快 主要原因是充电 精品文档 5欢迎下载 过程中产生了极化现象 在密封式蓄电池充电过程中 内部产生氧气和氢气 当氧气不能被及时吸收时 便堆积在正极板 正极板产生氧气 使电池内部 压力加大 电池温度上升 同时缩小了正极板的面积 表现为内阻上升 出现 所谓的极化现象 蓄电池是可逆的 其放电及充电的化学反应式如下 PbO2 Pb 2H2SO4 2PbSO4 2H2O 1 很显然 充电过程和放电过程互为逆反应 可逆过程就是热力学的平衡过 程 为保障电池能够始终维持在平衡状态之下充电 必须尽量使通过电池的电 流小一些 理想条件是外加电压等于电池本身的电动势 但是 实践表明 蓄 电池充电时 外加电压必须增大到一定数值才行 而这个数值又因为电极材料 溶液浓度等各种因素的差别而在不同程度上超过了蓄电池的平衡电动势值 在 化学反应中 这种电动势超过热力学平衡值的现象 就是极化现象 一般来说 产生极化现象有 3 个方面的原因 1 欧姆极化充电过程中 正负离子向两极迁移 在离子迁移过程中不可避 免地受到一定的阻力 称为欧姆内阻 为了克服这个内阻 外加电压就必须额 外施加一定的电压 以克服阻力推动离子迁移 该电压以热的方式转化给环境 出现所谓的欧姆极化 随着充电电流急剧加大 欧姆极化将造成蓄电池在充电 过程中的高温 2 浓度极化电流流过蓄电池时 为维持正常的反应 最理想的情况是电极 表面的反应物能及时得到补充 生成物能及时离去 实际上 生成物和反应物 的扩散速度远远比不上化学反应速度 从而造成极板附近电解质溶液浓度发生 变化 也就是说 从电极表面到中部溶液 电解液浓度分布不均匀 这种现象 称为浓度极化 3 电化学极化这种极化是由于电极上进行的电化学反应的速度 落后于电 极上电子运动的速度造成的 例如 电池的负极放电前 电极表面带有负电荷 其附近溶液带有正电荷 两者处于平衡状态 放电时 立即有电子释放给外电 路 电极表面负电荷减少 而金属溶解的氧化反应进行缓慢 Me e Me 不 能及时补充电极表面电子的减少 电极表面带电状态发生变化 这种表面负电 荷减少的状态促进金属中电子离开电极 金属离子 Me 转入溶液 加速 精品文档 6欢迎下载 Me e Me 反应进行 总有一个时刻 达到新的动态平衡 但与放电前相比 电极表面所带负电荷数目减少了 与此对应的电极电势变正 也就是电化学极 化电压变高 从而严重阻碍了正常的充电电流 同理 电池正极放电时 电极 表面所带正电荷数目减少 电极电势变负 这 3 种极化现象都是随着充电电流 的增大而严重 1 3 21 3 2 充电方法的研究充电方法的研究 1 3 2 11 3 2 1 常规充电法常规充电法 常规充电制度是依据 1940 年前国际公认的经验法则设计的 其中最著名的 就是 安培小时规则 充电电流安培数 不应超过蓄电池待充电的安培时数 实际上 常规充电的速度被蓄电池在充电过程中的温升和气体的产生所限制 这个现象对蓄电池充电所必须的最短时间具有重要意义 一般来说 常规充电 有以下 3 种 1 恒流充电法 恒流充电法是用调整充电装置输出电压或改变与蓄电池串联电阻的方法 保持充电电流强度不变的充电方法 如图 1 2 所示 控制方法简单 但由于电 池的可接受电流能力是随着充电过程的进行而逐渐下降的 到充电后期 充电 电流多于 电解水 产生气体 使出气过甚 因此 常选用阶段充电法 图 1 2 恒流充电曲线 2 阶段充电法 精品文档 7欢迎下载 此方法包括二阶段充电法和三阶段充电法 a 二阶段法采用恒电流和恒电压相结合的快速充电方法 如图 1 3 所示 首 先 以恒电流充电至预定的电压值 然后 改为恒电压完成剩余的充电 一般 两阶段之间的转换电压就是第二阶段的恒电压 图 1 3 二阶段法曲线 b 三阶段充电法在充电开始和结束时采用恒电流充电 中间用恒电压充电 当电流衰减到预定值时 由第二阶段转换到第三阶段 这种方法可以将出气量 减到最少 但作为一种快速充电方法使用 受到一定的限制 3 恒压充电法 充电电源的电压在全部充电时间里保持恒定的数值 随着蓄电池端电压的 逐渐升高 电流逐渐减少 与恒流充电法相比 其充电过程更接近于最佳充电 曲线 用恒定电压快速充电 如图 1 4 所示 由于充电初期蓄电池电动势较低 充电电流很大 随着充电的进行 电流将逐渐减少 因此 只需简易的控制系 统 图 1 4 恒压充电法曲线 精品文档 8欢迎下载 这种充电方法电解水很少 避免了蓄电池过充 但在充电初期电流过大 对蓄电池寿命造成很大影响 且容易使蓄电池极板弯曲 造成电池报废 鉴于 这种缺点 恒压充电很少使用 只有在充电电源电压低而电流大时采用 例如 汽车运行过程中 蓄电池就是以恒压充电法充电的 1 3 2 21 3 2 2 四阶段充电法四阶段充电法 1 四阶段充电的原理 1972 年 美国科学家马斯在第二届世界电动汽车年会上提出了著名的马斯 三定律 即 a 对于任何给定的放电电流 蓄电池充电时的电流接受比 a 与电池放出的 容量的平方根成反比 即 式中 K1为放电电流常数 视放电电流的大小而定 C 为蓄电池放出的容 量 由于蓄电池的初始接受电流 0 aC 所以 0 aC K1C1 2 2 b 对于任何给定的放电量 蓄电池充电电流接受比 a 与放电电流 d的对 数成正比 即 a K2logk d 3 式中 K2为放电量常数 视放电量的多少而定 k 为计算常数 c 蓄电池在以不同的放电率放电后 其最终的允许充电电流 t 接受能 力 是各个放电率下的允许充电电流的总和 即 t 1 2 3 4 4 式中 1 2 3 41 为各个放电率下的允许充电电流 综合马斯三定律 可以推出 蓄电池的总电流接受比可表示为 t Ct 5 式中 Ct C1 C2 C3 C4 为各次放电量的总和 即蓄电池放出的全部 电量 精品文档 9欢迎下载 马斯三定律说明 在充电过程中 当充电电流接近蓄电池固有的微量析气 充电曲线时 适时地对电池进行反向大电流瞬间放电 以消除电池的极化现象 可以提高蓄电池的充电接受能力 如图 1 5 所示 也就是说通过反向大电流放 电 可以使蓄电池的可接受电流曲线不断右移 同时其陡度不断增大 即 值 增大 从而大大提高充电速度 缩短充电时间 图 1 5 快速充电原理图 充电电流 大电流放电 固有充电曲线 大电流放电显著地提高 了蓄电池的充电接受力i 0t 精品文档 10欢迎下载 1 3 31 3 3 充电方法设计充电方法设计 基于上述理论 并考虑到铅酸蓄电池自身的一些特性 本文介绍的快速充 电装置所采用的充电方法将整个充电过程分为了预充电 脉冲快速充电 补足 充电 浮充电 4 个阶段 如图 1 6 所示 根据蓄电池充电前的残余电量 进入 不同的充电阶段 精品文档 11欢迎下载 图 1 6 铅酸蓄电池充电过程中的电压 电流原理示意图 1 3 3 11 3 3 1 预充电预充电 对长期不用的电池 新电池或在充电初期已处于深度放电状态的蓄电池充 电时 一开始就采用快速充电会影响电池的寿命 为了避免这一问题要先对蓄 电池实行稳定小电流充电 使电池电压上升 当电池电压上升到能接受大电流 充电的阈值时再进行大电流快速充电 1 3 3 21 3 3 2 脉冲快速充电脉冲快速充电 在快速充电过程中 采用分级定电流脉冲快速充电法 将充电电流分成三 级 如图 1 7 所示 开始充电时采用大电流 随着电池容量的增加 电压逐渐 升高 电流等级开始降低 使充电电流的脉冲幅度和宽度随蓄电池端电压的升 高而分级减小 采用这种方法可以消除充电接近充满时易出现的振荡现象及过 充电问题 图 1 7 分级定电流脉冲快速充电法原理示意图 在脉冲快速充电过程中 电池电压上升较快 当电压上升至补足充电电压 阈值时 转入补足充电阶段 1 3 3 31 3 3 3 补足充电补足充电 快速充电终止后 电池并不一定充足电 为了保证电池充入 100 的电量 对电池还要进行补足充电 此阶段充电采用恒压充电 可使电池容量快速恢复 精品文档 12欢迎下载 此时充电电流逐渐减小 当电流下降至某一阈值时 转入浮充阶段 1 3 3 41 3 3 4 浮充电浮充电 此阶段主要用来补充蓄电池自放电所消耗的能量 只要电池接在充电器上 并且充电器接通电源 充电器就会给电池不断补充电荷 这样可使电池总处于 充足电状态 此时也标志着充电过程已结束 第二章 总体设计方案 2 2 1 1 系统设计系统设计 根据题目的要求 系统采用开关电源 通过脉冲电流的方式来实现充电的 目的 由市电送来的 220V 交流电经整流 滤波后 经脉冲变压器降压送给蓄电 池进行充电 系统可以分为控制部分和信号检测部分 控制部分则包括单片机 模块 电源通断控制模块 开关管驱动模块三个基本部分 信号检测部分由充 电电流测量及充电电压测量模块组成 其中电流测量用以测量蓄电池充电时的 充电电流 电压测量模块模块测量蓄电池充电时蓄电池的实时电压 这两个实 时信号反馈给单片机 由单片机判断后 控制 PWM 波形的占空比 从而控制充 电电压和电流的大小 当蓄电池的电压达到额定值后 说明蓄电池已经充满电 单片机控制开关 断开电源 停止充电 2 2 2 2 方案比较与方案选择 方案比较与方案选择 对系统信号进行采样和控制 一般有两到三种方法 传统的方法多数是将 充电的电压和电流信号反馈回 PWM 信号发生器 由 PWM 信号发生器控制开关管 通断的占空比完成的 现在比较新的方法是单片机和用状态机来实现 方案一 用 PWM 信号发生器 比如 UC3842 实现的方案 蓄电池充电时 电 压 电流采样电路将蓄电池的电压 电流信号进行采样 采样的信号经过各种 处理后 分别送进 PWM 信号发生器的电压和电流反馈引脚 PWM 信号性器对反 馈回来的电压 电流信号进行分析 然后调整 PWM 输出信号的占空比 这个 精品文档 13欢迎下载 PWM 信号送给开关电源开关管 从而便调节的开关管在一个周期内关断和导通 的时间 也就是控制了高频变压器通断的时间 从而实现控制高频变压器输出 电压和电流的大小 这种方法是目前市场充电器流行使用的方法 也是一种很 技术非常成熟的方法 这种方案的优点是 技术简单 成熟 有多年的实用经 验 所需的元器件少 成本低 但其在没充满电的情况下就会产生过充电的现 象 增加蓄电池的损耗 使蓄电池的寿命减少 方案图如图 2 1 所示 高频变压器蓄电池 PWM 波形发生器电流电压反馈 图 2 1 方案一 方案二 用单片机实现的方案 由 51 系列单片机代替 PWM 信号发生器输出 PWM 波形控制开关管在一个周期内的导通与断开 电压 电流采样电路将蓄电 池的电压 电流信号进行采样 采样信号分别送进模数转换器 将电压和电流 的模拟信号转换为数字信号 数字信号送入单片机 MCU 由单片机对数字信 号进行分析和处理 然后单片机调整 PWM 输出信号的占空比 这个 PWM 信号送 给开关电源开关管 从而便调节的开关管在一个周期内关断和导通的时间 也 就是控制了高频变压器通断的时间 从而实现控制高频变压器输出电压和电流 的大小 当蓄电池充电满后 由单片机输出信号控制开关断开电源 充电器便 停止对蓄电池的充电 这是充电器目前比较新的一种方法 这种方案的特点是 技术比较复杂 没有什么实用经验 所需的元器件少 成本比方案一要高 单 片机使用软件来控制整个充电器 使得充电的过程易于控制 在充满电的情况 下才会产生过充电的现象 减少蓄电池的损耗 延长蓄电池的寿命 方案图如 图 2 2 所示 精品文档 14欢迎下载 继电器 蓄电池 采样电路 MCU 模数转换 开关管 高频变压器 指示电路 电源 图 2 2 方案二 方案三 用 VHDL 设计实现 用 VHDL 设计主要是利用有限状态机来实现 用状态机来控制 A D 采样 包括将采得的数据存入 RAM 整个采样周期需要 4 至 5 个状态即可完成 由 FPGA 代替 PWM 信号发生器输出 PWM 波形控制开关管在 一个周期内的导通与断开 电压 电流采样电路将蓄电池的电压 电流信号进 行采样 采样信号分别送进模数转换器 将电压和电流的模拟信号转换为数字 信号 数字信号送入 FPGA 由 FPGA 的有限状态机对数字信号进行分析和处理 然后 FPGA 调整 PWM 输出信号的占空比 这个 PWM 信号送给开关电源开关管 从 而便调节的开关管在一个周期内关断和导通的时间 也就是控制了高频变压器 通断的时间 从而实现控制高频变压器输出电压和电流的大小 当蓄电池充电 满后 由单片机输出信号控制开关断开电源 充电器便停止对蓄电池的充电 这是充电器目前比较新的一种方法 这种方案的特点是 技术是最复杂 使用 VHDL 语言编程比较复杂 没有实用经验 所需的元器件少 成本比上两个方案 都要高 但是由于 FPGA 能通过编程构造各种功能的模块 可以大大的减少外围 电路 增加电路的抗干扰的能力 FPGA 的晶振频率一般为几十 MHz 故信号的 采样频率高 在充满电的情况下才会产生过充电的现象 减少蓄电池的损耗 延长蓄电池的寿命 方案图如图 2 3 所示 精品文档 15欢迎下载 继电器 蓄电池 采样电路 FPGA 模数转换 开关管 高频变压器 指示电路 电源 图 2 3 方案三 综合以上三个方案 方案一虽然所需的成本是最低 技术简单 成熟 但 是与本次题目的要求不相符合 方案三需要的成本最高 编写 VHDL 程序复杂 在此不选用这种方案 方案二成本比方案一略高一点 易于接受 而且编程没 有那么的复杂 在本次设计选择此方案 精品文档 16欢迎下载 第三章第三章 硬件电路设计硬件电路设计 3 13 1 电路总体设计 电路总体设计 交流 220V继电器整流滤波高频变压器 蓄 电 池 电压 采样 电流 采样 A D 模 数转换 单片机 MCU 指 示 电 路 开关管 DC DC 整流直流 5V 电源 低通 滤波 低通 滤波 图 3 1 电路总体设计方框图 如图 3 1 所示 由市电送来的 220V 的交流电经继电器进行整流滤波 得 到太约 400V 的直流电送入给脉冲变压器 高频变压器的次级绕组输出电压为 48V 给蓄电池充电 在蓄电池的出口处分别的进行电压和电流的采样 采样信 号送入低通滤波器以滤掉谐波的干扰 低通滤波器输出的信号送入 A D 模数转 换器 将模拟信号转换为单片机可识别的数字信号送入单片机中 单片机通过 软件将送进来的电压和电流信号转换为实际值 并将它们与上一次的实际值进 行比较 然后再调节输出的 PWM 波形的频率和占空比 并控制指示灯的亮灭来 指示充电的过程 当单片机检测到蓄电池充满电时 控制继电器断开电源 停 止充电 同时蓄电池通过 DC DC 变换器经整流滤波后给单片机 A D 模数转换 器 指示电路和其它的电路提供电源 精品文档 17欢迎下载 3 23 2 芯片介绍 芯片介绍 3 2 13 2 1 AT889S52AT889S52 型单片机型单片机 3 2 1 13 2 1 1 功能特性描述 功能特性描述 AT89S52是一种低功耗 高性能CMOS8位微控制器 具有8K 在系统可编程 Flash 存储器 使用Atmel 公司高密度非易失性存储器技术制造 与工业80C51 产品指令和引脚完全兼容 片上Flash允许程序存储器在系统可编程 亦适于常 规编程器 在单芯片上 拥有灵巧的8 位CPU 和在系统可编程Flash 使得 AT89S52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 AT89S52 具有以下标准功能 8k字节Flash 256字节RAM 32 位I O 口线 看门狗定时 器 2 个数据指针 三个16 位定时器 计数器 一个6向量2级中断结构 全双 工串行口 片内晶振及时钟电路 另外 AT89S52 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 精品文档 18欢迎下载 3 2 1 23 2 1 2 引脚结构 引脚结构 图 3 2 PDIP 封装 图 3 3 PLCC 封装 图 3 4 TQFP 封装 精品文档 19欢迎下载 3 2 1 33 2 1 3 方框图 方框图 图3 5 单片机内部结构 P0 口 P2 口 P3 口与AT89S51单片机相兼容 既与8051单片机相兼容 与AT89S51单片机是没有区别 AT89S52单片机与AT89S51单片机有区别的是P1口 P1口除了作为单片机的并口外 它还具有第二功能 P1 0和P1 2分别作定时器 计数器2的外部计数输入 P1 0 T2 和时器 计 精品文档 20欢迎下载 数器2的触发输入 P1 1 T2EX 具体如下表所示 表3 1 P1口 第二功能 引脚号引脚号第二功能第二功能 P1 0 T2 定时器 计数器T2的外部计数输入 时钟输出 P1 1 T2EX 定时器 计数器T2的捕捉 重载触发信号和方向控制 P1 5 MOSI 在系统编程用 P1 6 MISO 在系统编程用 P1 7 SCK 在系统编程用 表 3 2 T2 定时 计数器控制寄存器 表3 3 T2CON 定时器 计数器2控制寄存器 T2CON 地址为 0C8H 复位值 0000 0000B TF2EXF2RLCLKTCLKEXEN2TR2C T2CP RL2 D7D6D5D4D3D2D1D0 符号功能 TF2 定时器2 溢出标志位 必须软件清 0 RCLK 1 或TCLK 1 时 TF2不用置位 EXF2 定时器2 外部标志位 EXEN2 1 时 T2EX 上的负跳变而出现捕捉或 重载时 EXF2 会被硬件置位 定时器2 打开 EXF2 1 时 将引导 CPU执行定时器2 中断程序 EXF2 必须如见清 0 在向下 向上 技术模式 DCEN 1 下EXF2不能引起中断 RCLK 串行口接收数据时钟标志位 若RCLK 1 串行口将使用定时器2 溢 出脉冲作为串行口工作模式1 和3 的串口接收时钟 RCLK 0 将使 用定时器1计数溢出作为串口接收时钟 TCLK 串行口发送数据时钟标志位 若TCLK 1 串行口将使用定时器2 溢 出脉冲作为串行口工作模式1 和3 的串口发送时钟 TCLK 0 将使 用定时器1计数溢出作为串口发送时钟 EXEN2 定时器2外部允许标志位 当EXEN2 1时 如果定时器2没有用作串行 时钟 T2EX P1 1 的负跳变见引起定时器2 捕捉和重载 若EXEN2 0 定时器2将视T2EX端的信号无效 TR2 开始 停止控制定时器2 TR2 1 定时器2开始工作 C T2 定时器 2 定时 计数选择标志位 0 定时 1 外部事 件计数 下降沿触发 CP RL2 捕捉 重载选择标志位 当EXEN2 1时 1 T2EX出现负脉冲 会引起捕捉操作 当定时器2溢出或EXEN2 1时T2EX出现负跳变 都 会出现自动重载操作 0 将引起T2EX 的负脉冲 当RCKL 1 或TCKL 1时 此标志位无效 定时器2溢出时 强制做自动重载操 作 精品文档 21欢迎下载 3 2 1 43 2 1 4 定时器定时器 2 2 定时器2是一个16位定时 计数器 它既可以做定时器 又可以做事件计数 器 其工作方式由特殊寄存器T2CON中的C T2位选择 如表3 2所示 定时器2 有三种工作模式 捕捉方式 自动重载 向下或向上计数 和波特率发生器 如表3 3 所示 工作模式由T2CON中的相关位选择 定时器2 有2 个8位寄存器 TH2和TL2 在定时工作方式中 每个机器周期 TL2 寄存器都会加1 由于一个 机器周期由12 个晶振周期构成 因此 计数频率就是晶振频率的1 12 表3 4 定时器2工作模式 RCLK TCLKRCLK TCLKCP RL2CP RL2TR2TR2MODEMODE 001 16位自动重载 011 16位捕捉 1X1 波特率发生器 XX0 不用 在计数工作方式下 寄存器在相关外部输入引脚T2 发生1 至0 的下降沿时 增加1 在这种方式下 每个机器周期的S5P2期间采样外部输入 一个机器周期 采样到高电平 而下一个周期采样到低电平 计数器将加1 在检测到跳变的这 个周期的S3P1 期间 新的计数值出现在寄存器中 因为识别1 0的跳变需要2 个机器周期 24个晶振期 所以 最大的计数频率不高于晶振频率的1 24 为了确保给定的电平在改变前采样到一次 电平应该至少在一个完整的机器周 期内保持不变 捕捉方式 在捕捉模式下 通过T2CON中的EXEN2来选择两种方式 如果EXEN2 0 定时 器2是一个16位定时 计数器 溢出时 对T2CON 的TF2标志置位 TF2引起中断 如果EXEN2 1 定时器2做相同的操作 除上述功能外 外部输入T2EX引脚 P1 1 1至0的下跳变也会使得TH2和TL2中的值分别捕捉到RCAP2H和RCAP2L中 除此之外 T2EX 的跳变会引起T2CON 中的EXF2 置位 像TF2 一样 T2EX 也会 引起中断 精品文档 22欢迎下载 自动重载 当定时器2 工作于16 位自动重载模式 可对其编程实现向上计数或向下计 数 这一功能可以通过特殊寄存器T2MOD 见表3 4 中的DCEN 向下计数允许 位 来实现 通过复位 DCEN 被置为0 因此 定时器2 默认为向上计数 DCEN 设置后 定时器2就可以取决于T2EX向上 向下计数 DCEN 0 时 定时器2 自动计数 通过T2CON 中的EXEN2 位可以选择两种方 式 如果EXEN2 0 定时器2计数 计到0FFFFH后置位TF2溢出标志 计数溢出也 使得定时器寄存器重新从RCAP2H 和RCAP2L 中加载16 位值 定时器工作于捕捉 模式 RCAP2H和RCAP2L的值可以由软件预设 如果EXEN2 1 计数溢出或在外部 T2EX P1 1 引脚上的1到0的下跳变都会触发16位重载 这个跳变也置位EXF2 中断标志位 置位DCEN 允许定时器2向上或向下计数 在这种模式下 T2EX引脚控制着 计数的方向 T2EX上的一个逻辑1使得定时器2向上计数 定时器计到0FFFFH溢 出 并置位TF2 定时器的溢出也使得RCAP2HRCAP2L中的16位值分别加载到定时 器存储器TH2和TL2中 T2EX 上的一个逻辑0 使得定时器2 向下计数 当TH2 和TL2 分别等于 RCAP2H 和RCAP2L中的值的时候 计数器下溢 计数器下溢 置位TF2 并将 0FFFFH加载到定时器存储器中 定时器2上溢或下溢 外部中断标志位EXF2 被 锁死 在这种工作模式下 EXF2不能触发中断 表3 5 T2MOD 定时器2控制寄存器 T2MOD 地址 0C9H 复位值 XXXXXX00B 不可位寻址 T2OEDCEN D7D6D5D4D3D2D1D0 表 3 6 T2MOD 定时器 2 控制 符号功能 无定义 预留扩展 T2OE 定时器2输出允许位 DCEN 置1后 定时器2可配置成向上 向下计数 精品文档 23欢迎下载 3 2 1 53 2 1 5 波特率发生器波特率发生器 通过设置T2CON 见表3 2 中的TCLK或RCLK可选择定时器2 作为波特率发 生器 如果定时器2作为发送或接收波特率发生器 定时器1可用作它用 发送 和接收的波特率可以不同 设置RCLK 和 或 TCLK 可以使定时器2 工作于波 特率产生模式 波特率产生工作模式与自动重载模式相似 因此 TH2 的翻转使得定时器2 寄存器重载被软件预置16位值的RCAP2H和RCAP2L中的值 模式1和模式3的波特率由定时器2溢出速率决定 具体如下公式 模式1和模式3波特率 定时器2溢出率 16 定时器可设置成定时器 也可为计数器 在多数应用情况下 一般配置成 定时方式 CP T2 0 定时器2 用于定时器操作与波特率发生器有所不同 它 在每一机器周期 1 12晶振周期 都会增加 然而 作为波特率发生器 它在 每一机器状态 1 2晶振周期 都会增加 波特率计算公式如下 模式1和模式3的波特率 晶振频率 32 65536 RCAP2H RCAP2L 其中 RCAP2H RCAP2L 是RCAP2H和RCAP2L组成的16位无符号整数 定时器2 作为波特率发生器 仅仅在T2CON 中RCLK 或TCL 1才有效 特别 强调 TH2的翻转并不置位TF2 也不产生中断 EXEN2置位后 T2EX引脚上 1 0的下跳变不会使 RCAP2H RCAP2L 重载到 TH2 TL2 中 因此 定时 器2作为波特率发生器 T2EX也还可以作为一个额外的外部中断 定时器2处于 波特率产生模式 TR2 1 定时器2正常工作 TH2或TL2不应该读写 在这种模 式下 定时器在每一状态都会增加 读或写就不会准确 寄存器RCAP2可以读 但不能写 因为写可能和重载交迭 造成写和重载错误 在读写定时器2 或 RCAP2寄存器时 应该关闭定时器 TR2清0 3 2 23 2 2 ADC0809ADC0809 模数转换芯片模数转换芯片 ADC0809 是带有 8 位 A D 转换器 8 路多路开关以及微处理机兼容的控制逻 辑的 CMOS 组件 它是逐次逼近式 A D 转换器 可以和单片机直接接口 1 主要特性 精品文档 24欢迎下载 1 8 路 8 位 A D 转换器 即分辨率 8 位 2 具有转换起停控制端 3 转换时间为 100 s 4 单个 5V 电源供电 5 模拟输入电压范围 0 5V 不需零点和满刻度校准 6 工作温度范围为 40 85 摄氏度 7 低功耗 约 15mW 2 内部结构 ADC0809 是 CMOS 单片型逐次逼近式 A D 转换器 内部结构如图 13 22 所 示 它由 8 路模拟开关 地址锁存与译码器 比较器 8 位开关树型 D A 转换 器 逐次逼近 图 3 6 ADC0809 内部结构 由上图可知 ADC0809 由一个 8 路模拟开关 一个地址锁存与译码器 一个 A D 转换器和一个三态输出锁存器组成 多路开关可选通 8 个模拟通道 允许 8 路模拟量分时输入 共用 A D 转换器进行转换 三态输出锁器用于锁存 A D 转换完的数字量 当 OE 端为高电平时 才可以从三态输出锁存器取走转换 完的数据 3 外部特性 引脚功能 精品文档 25欢迎下载 图 3 7 ADC0809 引脚 图 3 8 ADC0809 实物图 ADC0809 芯片有 28 条引脚 采用双列直插式封装 如图 13 23 所示 下 面说明各引脚功能 IN0 IN7 8 路模拟量输入端 2 1 2 8 8 位数字量输出端 ADDA ADDB ADDC 3 位地址输入线 用于选通 8 路模拟输入中的一路 ALE 地址锁存允许信号 输入 高电平有效 START A D 转换启动信号 输入 高电平有效 EOC A D 转换结束信号 输出 当 A D 转换结束时 此端输出一个高 电平 转换期间一直为低电平 OE 数据输出允许信号 输入 高电平有效 当 A D 转换结束时 此端输 入一个高电平 才能打开输出三态门 输出数字量 CLK 时钟脉冲输入端 要求时钟频率不高于 640KHZ REF REF 基准电压 精品文档 26欢迎下载 Vcc 电源 单一 5V GND 地 IN0 IN7 8 条模拟量输入通道 ADC0809 对输入模拟量要求 信号单极性 电压范围是 0 5V 若信号太小 必须进行放大 输入的模拟量在转换过程中应该保持不变 如若模拟量变化太 快 则需在输入前增加采样保持电路 地址输入和控制线 4 条 ALE 为地址锁存允许输入线 高电平有效 当 ALE 线为高电平时 地址锁 存与译码器将 A B C 三条地址线的地址信号进行锁存 经译码后被选中的通 道的模拟量进转换器进行转换 A B 和 C 为地址输入线 用于选通 IN0 IN7 上的一路模拟量输入 通道选择表如下表所示 表 3 7 A B 和 C 地址 CBA 选择的通 道 000IN0 001IN1 010IN2 011IN3 100IN4 101IN5 110IN6 111IN7 数字量输出及控制线 11 条 ST 为转换启动信号 当 ST 上跳沿时 所有内部寄存器清零 下跳沿时 开始进行 A D 转换 在转换期间 ST 应保持低电平 EOC 为转换结束信号 当 EOC 为高电平时 表明转换结束 否则 表明正在进行 A D 转换 OE 为输出允 许信号 用于控制三条输出锁存器向单片机输出转换得到的数据 OE 1 输出 转换得到的数据 OE 0 输出数据线呈高阻状态 D7 D0 为数字量输出线 CLK 为时钟输入信号线 因 ADC0809 的内部没有时钟电路 所需时钟信号必须 精品文档 27欢迎下载 由外界提供 通常使用频率为 500KHZ VREF VREF 为参考电压输入 4 ADC0809 应用说明 1 ADC0809 内部带有输出锁存器 可以与 AT89S51 单片机直接相连 2 初始化时 使 ST 和 OE 信号全为低电平 3 送要转换的哪一通道的地址到 A B C 端口上 4 在 ST 端给出一个至少有 100ns 宽的正脉冲信号 5 是否转换完毕 我们根据 EOC 信号来判断 6 当 EOC 变为高电平时 这时给 OE 为高电平 转换的数据就输出给 单片机了 ADC0809 的工作过程是 首先输入 3 位地址 并使 ALE 1 将地址存入地址 锁存器中 此地址经译码选通 8 路模拟输入之一到比较器 START 上升沿将逐 次逼近寄存器复位 下降沿启动 A D 转换 之后 EOC 输出信号变低 指示转 换正在进行 直到 A D 转换完成 EOC 变为高电平 指示 A D 转换结束 结 果数据已存入锁存器 这个信号可用作中断申请 当 OE 输入高电平 时 输出 三态门开 转换结果的数字量输出到数据总线上 3 2 33 2 3 LM324LM324 是四运放集成芯片是四运放集成芯片 LM324 是四运放集成电路 它采用 14 脚双列直插塑料封装 外形如图 3 9 所示 它的内部包含四组形式完全相同的运算放大器 除电源共用外 四组运放相互独立 每一组运算放大器可用图 1 所示的符 号来表示 它有 5 个引出脚 其中 为两个信号输入端 V V 为正 负电源端 Vo 为输出端 两个信号输入端中 Vi 为反 相输入端 表示运放输出端 Vo 的信号与该输入端的位相反 Vi 为同相输 入端 表示运放输出端 Vo 的信号与该输入端的相位相同 LM324 的引脚排列见 图 3 10 精品文档 28欢迎下载 图 3 9 图 3 10 精品文档 29欢迎下载 3 33 3 功能模块电路设计 功能模块电路设计 3 3 13 3 1 交流 交流 220V220V 整流滤波电路整流滤波电路 图 3 11 交流 220V 整流滤波电路 如图 3 11 所示 交流 220V 整流滤波电路由继电器电路 双向晶闸管电 路 桥形滤波整流电路和保护电路组成 其中继电器电路与双向晶闸管电路相 配合实现对交流 220V 电源接通和断开的控制 电源与继电器的常闭开关相接 在上电之后单片机给光电耦合器发送低电平 光电耦合器和三极管导通 直流 12V 电源加到双向晶闸管电路的门极 G 上 使双向晶闸管导通 当蓄电池充满 电时 单片机先停止向双向晶闸管的门极发出触发信号 此时双向晶闸管仍处 于导通的状态 接着向控制继电器的光电耦合器发出低电平 继电器的线圈导 通 继电器的常闭开关断开 交流 220V 电源无法送给双向晶闸管 从而使双向 晶闸管截止 充电器停止对蓄电池充电 桥形滤波整流电路将交流电转换为直 流电源 保护电路对电源过压和过流进行保护 继电器 J1 驱动电路由光电耦合 器 NEC2501 PNP 三极管 Q1 和续流电路构成 光电耦合器 NEC2501 能将强电与 精品文档 30欢迎下载 弱电进行电的隔离 防止现场强电磁干扰或工频电压通过输出通道反串到单片 机系统 它通过电 光 电这种转换 利用 光 这一环节完成隔离功能 因 为光信号的传送不受电场 磁场的干扰 可以有效地隔离电信号 提高电路的 抗干扰能力 三极管 Q1 用于将光电耦合器 NEC2501 的信号放大 以确保有效的 驱动继电器 其中 R1 R2 R3 和 R4 为限流电阻 二极管 D5 和电阻 R18 构成续 流电路 当继电器的线圈断电后 二极管 D5 和电阻 R1 为线圈产生的反向电压 提供续流通道 整流滤波电路由四个二极管 D1 D4 四个电容 C1 C4 和一个 滤波电容 C5 组成 电容 C1 C4 0 01UF 对交流 50Hz 阻抗很大 而对高频干扰 的阻抗很小 基本上可以通过它顺利入地 此外 电容对整流二极管也有保护 作用 在电路刚接通的瞬间 大电容 C1 的充电电流很大 在没有电容 C1 C4 的情况下 将全部通过二极管 由于电容两端的电压不能突变 电容 C1 C4 处 于短路状态 二极管上不流过很大的电流 从而保护了二极管 滤波电容 C5 为 耐压 450V 容量 100UF 的电解电容 它是将整流电路出来的脉动电流变为直流 电源 电压大小为 U 1 414 220 311V 保护电路的熔断器为电路过流的保护 压敏电阻 RT1 用于电路的过压保护 而热敏电阻 RT 为浪涌电流保护 在刚上电 的瞬间 电路会产生浪涌电流 此时执敏电阻的阻值就会迅速的增大 在浪涌 电路结束之后它的阻值几乎为零 精品文档 31欢迎下载 3 3 23 3 2 充电主电路模块 充电主电路模块 3 3 2 13 3 2 1 高频变压器初级绕组电路 高频变压器初级绕组电路 图 3 12 高频变压器初级绕组电路图 如图 3 12 所示 经整流滤波的 300V 直流电源送给高频变压器 T1 的初级 绕组 初级绕组的下端与开关管 DFF4N60 相连 光电耦合器 NEC2501 U3 和 PNP 三极管 Q3 控制和驱动开关管 DFF4N60 的通断 光电耦合器 NEC2501 U3 由单片 机控制 单片机给低电它就会导通 接着 PNP 三极管导通 从而使直流 12V 电 源加到开关管的栅极上 开关管导通高频变压器 T1 的初级绕组就有电流通过 单片机给高电平光耦就截止 开关管的栅源极之间没有电压降 开关管截止高 频变压器 T1 的初级绕组没有电流 单片机正是给光电耦合器 NEC2501 发送一定 频率的方波 使开关管工作在开关状态 从而使高频变压器能在电流电下工作 而调节方波的占空比则能控制流过变压器线圈电流的大小 其中 光电耦合器 NEC2501 起到隔离强电与弱电的作用 防止强电部分干扰单片机系统 使单片 机不能正常工作 PNP 三极管 Q3 用于驱动开关管 DFF4N60 确保开关管的导通 R9 R12 为限流电阻 R19 C6 D6 和 C35 R20 D7 构成开关管 DFF4N60 的保 护电路 在变压器的初级绕组上电的瞬间 如果没有 C6 R3 D7 则就会有一 个阶跃的电压加在开关管的漏源极之间 产生一个过高的 du dt 加在开关管的 两端 开关容易被击穿 而有了 C35 R20 D7 组成的缓冲电路 在变压器上电 一瞬间 由于电容 C6 两端的电压不能突变 有个上升的过程 它两端的电压随 精品文档 32欢迎下载 着电容的充电而升高 从而起到缓冲的作用 当开关管断开后 初级绕组将会 产生一个反向电压 此时 R19 C6 D6 为反向电压提供了一个通路 反向电 压返回到初级组 将能量消耗在 RC 回路上 3 3 2 23 3 2 2 充电电路 充电电路 图 3 13 充电电路图 次级绕组接 D8 D9 D10 和 D15 构成二次整流电路 470UF 的电解电容 C8 电行滤波电容 R23 R15 为蓄电池实际电压的采样电路 采样蓄电池电压的 1 12 蓄电池的负极经 0 1 欧姆的采样电阻接到地上构成电流采样电路 次级绕组的中间接线端经二极管 D15 限流电阻 R67 12V 稳压管 ZD1 电 解电容和