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智能充电器设计摘要：本设计是为12V、10-20AH的铅酸蓄电池充电的智能充电器，以单片机为核心，主要分为开关电源模块，充电与维护控制模块，充电状态检测与显示模块，并采用上位机可在与微机相连后观测充电状态曲线。该充电器通过检测的电池状态数据自动控制电池的充电与维护过程，并可感知温度的变化改变电池充电与维护电压参数，功能适用，设计简单。关键词:维护充电方式；电路切换；智能充电；抽样检测；Abstract: This design is for the 12V ,10-20AH rechargeable lead-acid battery smart charger, to single-chip microcomputer as the core, switching power supply is divided into modules, control modules and maintenance charge, state-of-charge detection and display module, using PC computer can be connected with the charge state after the observation curve. By detecting the battery charger status data automatic battery charging and maintenance process, and perceived changes in temperature changes and maintenance battery voltage parameters, the functional application of the design is simple.Key words: maintenance charge mode; circuit switching; smart charger; sampling detection;一、前沿随着信息技术的迅猛发展，信息化正以不可思议的速度渗透到各个领域，电池作为一项传统产业，正经历着前所未有的变革，特别是在通信、动力及军用领域，对电池均有新的要求，为了满足市场的需求，智能电池应运而生。蓄电池作为能量的转载装置或备用电源被广泛地应用与各种自动化设备中。目前流行的铅酸密封蓄电池充电器大多采用三段式（恒流、恒压、浮充）充电方法，充电时间长，效率低，对电池的保护差，容易发生过充电或者充电不足的现象。过充电，可使蓄电池发热，电解液失水；充电不足，可使蓄电池内化学反应不充分，并且长期充电不足会导致需点此容量下降。以上两种情况都会降低蓄电池的使用寿命。由此可见，充电器性能的好坏直接影响到蓄电池的使用效果和使用寿命，对电池的最好充电方法是采用脉冲充电。二、方案论证与选择:1.电源选择方案一：电源采用开关稳压器通过开关动作，使连续的直流电变成间断供电的脉冲，再通过储能滤波元件，将不连续的脉冲变成连续的直流电。只要控制开/关的时间比即可改变输电电压，再通过输出电压的变化控制开/关动作时间，即可使输出电压稳定。开关式稳压电源由于其稳压范围宽、稳定性能好、效率高、重量轻、功耗小、可有多组稳定直流电压输出、使用方便灵活等突出优点。方案二：电源采用传统耗能式稳压电源，其耗能是必须的、不可避免的，因为其稳压过程是通过耗能大小实现的。正因为如此，这种稳压器稳压范围越宽，输入/输出压差越大，耗能也就越大。耗能型低压输出稳压器必须与工频变压器配套使用，造成稳压器体积、重量增大，同时还增加了额外损耗（变压器的铜损和铁损）。基于上述考虑方案一更为合适。2.电池充电方式选择方案一：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。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，充电电流多用于电解水，产生气体，使出气过甚，因此，常选用阶段充电法。方案二：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。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，只需简易控制系统。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。方案三：脉冲式充电法脉冲充电方式首先是用脉冲电流对电池充电，反向瞬间放电脉冲，停充维持3个阶段。充电脉冲使电池快速充电，放电时可消除电池的硫化，间歇期使蓄电池经化学反应产生的氧气和氢气有时间重新化合而被吸收掉，使浓差极化和欧姆极化自然而然地得到消除，从而减轻了蓄电池的内压，使下一轮的恒流充电能够更加顺利地进行，使蓄电池可以吸收更多的电量。综上所述，脉冲充电法不仅遵循蓄电池固有的充电接受率，而且能够提高蓄电池充电接受率，更能消除电池硫化对电池的影响，所以我们选用方案三。三、系统框图系统分为电源部分、充电电路、抽样转换部分，主控器件、显示部分、温控电路、上位机连接电路。框图如图1所示。开关电源充电维护抽样转换电路主控器件显示部分温控电路上位机通信电路图1系统框图四、模块电路设计4.1开关电源电源设计采用TOP227芯片构成稳压电路，该电源电路的输入电压范围宽，输出三种电压值，由于电池充满电后其电压值为其额定电压的1.35倍，所以对于12V蓄电池其充满电后电池两端的电压值应为16.2V，而对电池进行维护时要求高脉冲，因此维护电压应更高。基于以上考虑，开关电源输出的三种电压值分别为30伏、20伏、5伏，39伏用于电池维护时输出高脉冲，20伏用于充电，5V用于给各种芯片供电。开关电源的电路图如图2，输入AC电网电压经过BR1和C6整流和滤波后得到的DC高压施加于初级绕组的一端，另一端则由芯片内部的高压MOSFET来驱动。VZ1与VD1组成钳位电路，将变压器的漏感所引起的前沿电压尖峰钳位到安全的程度。变压器的次级绕组输出由各抽头上的电感、电容及整流二极管整流滤波后得到，由于这里要求的频率高且要耐高压，因此二极管应选择耐高压的快恢复肖特基整流二极管。为了使次级输出电压都能准确输出我们所需要的电压要通过调节R14与R15的电阻值，U3两端电压保持一定，若输出电压与所需电压不一致则会引起光耦光强的改变，从而改变经过TOP227的C端的电流，控制输出端电压。当其准确后其后的输出电压只需计算其线圈匝数即可。开关电源电路图如图2所示。维护端充电端图2开关电源4.1.1TOP227的功能简介 在开关电源中主要事通过TOP227这个芯片来控制电压输出，根据流经电流调占空比来调节输出电压的大小，其电流与占空比的关系如图3。该芯片将开光模式控制系统汇集于具有三个引出端的IC中，内部集成了MOSFET功率开关、PWM控制器、高压启动电路、环路补偿和故障保护电路等。4.1.2主要性能它具有非常低的AC/DC变换损耗，转换效率可高达90%。芯片内部还具有一个触法式关断电路，可构成反激式、正激式、升压式和降压式结构的电源电路；可工作于初级反馈控制结构或光耦合器控制结构。芯片的SOURCE端被内部连接于自带的金属散热片上，既改善了散热效果又降低了EMI。4.1.3引脚功能CONTROL误差放大区或反馈电流的输入端。该端的输入电流可控制占空比，芯片内部连接于该端的分流式稳压器在正常工作期间能够为内部的电路提供偏置电流。该端也为关断触发器的输入端，另外还可以作为电源旁路、自动复位启动、补偿电容的外部链接端。SOURCE对于Y型封装为输出MOSFET功率开关源极引出端、高压电源的回零端。同时也为初级侧电路的公共地端或参考点。对于P/G型封装为初级侧电路的公共地端或参考点。DRAIN芯片内部输出端MOSFET高压功率开关的漏极引出端。在上电启动期间，该端通过内部一个高压开关电流源为其内部电路提供偏置电流，同时也为芯片内部电流采样点。4.2充电及维护电路图3充放电回路充电端维护端充电维护电路顾名思义有两个功能，由于维护电压要采用高脉冲电压，所以维护电路与充电电路我们分别设计了两个供电电源。我们可以根据需要选择进行充电还是维护，充电时我们采用脉冲式充电法，正脉冲使电池快速充电，负可消除电池的硫化，他们的占空比则有单片机程序控制三极管的开断来控制，由于单片机提供的最高电压为5V，远远小于充电电压，所以NPN管需要低电压导通，因此我们设计的如下电路（图3）来控制电池的充放电，维护时也和充电时的电路一样，只是其脉冲高而窄，由单片机另外控制其占空比。4.3抽样转换电路本次设计的智能充电器要求显示电池的充电状态（如充电电压、充电电流、电池内阻，放电电流等），因此需要对电路中的三处电压进行采样，得到我们需要显示的数据，抽样得到的数据经过单片机控制LCD1602显示出来。为了得到充电电压与充电电流，我们在充电电路中串联了一个较小的电阻R29，在其两端个取样一个电压值，因为ADC0809只能承受5伏以下的电压，而充电电路上的电压在20V左右，因此不能直接采样，要接2个电阻进行分压后再接入ADC0809。U1采样后的电压经过换算后可得到充电电压，如公式(1)。同样的计算方法U2采样后可算出电阻左边的电压V2，如公式(2)。充电电流由公式(3)算出。对于电池的内阻测量，我们做了一个专门用于放电的电路，并在旁边并联了一个降压电路用于采样电压V，其原因仍是ADC0809的承受电压低。这里的电压需要采两次，当放电电路未打开时，此时的V相当于电池电动势E。其后打开放电电路再抽样一次，有了这两个电压就可以根据公式(4)算出电池的内阻r，所用公式如下列出。 (1) (2) (3) (4)图4抽样转换电路分频器主要采样器件的外部电路连接电路图如图4所示。注：P1.0P1.7为数据输出端,V、U1、U2为采样电压输入4.3.1ADC0809介绍ADC0809是CMOS单片型逐次逼近型8位A/D转换器，模拟输入电压范围为0+5V，转换时间为100ms，IN0IN7为8位模拟量输入端，D0D7为8位数字量输出端，当START端加上正脉冲后，A/D开始转换。EOC端为转换结束信号，在START下降沿后10us左右，其为低电平，表示正在进行转换。转换结束后EOC返回高电平，表示转换结束。当转换结束后由ENABLE端控制信号的输出。由于ADC内部没有时钟电路，故需要外加时钟信号，其最大允许值为640KHz，在此设计中我们把单片机的ALE端的信号，分频后送给ADC0809，ALE的信号频率是晶振频率的1/6，我们采用的晶振是12MHz，所以需要4分频。分频器的连接方式比较固定，可直接参考，ADC0809的各控制端口则有单片机分配不同I/O口控制。4.4显示电路显示电路就比较简单了，主要就是用单片机控制LCD1602的显示，要LCD1602按照我们的需要显示，我们需要严格按照其工作时序编写程序。其外围电路电路连接参考典型电路。VO端接一个10K的电位器调整对比度，接正电源时对比度最弱，接地时对比度最高，对比度过高会产生“鬼影”。BGVCC和BGGND是背光灯电源。8个I/O端口接单片机P0口，另外的读写控制、使能端及数据、命令选择端也要单独分配单片机I/O端口控制。电路连接图如图5所示。图5显示部分注：D0D7是数据传输端，RW、E为控制总线。4.5主控器件这个设计的主控器件其实就是个单片机，它对应于智能要完成很多控制工作，例如程序控制充电及维护的电流的占空比，检测维护结束时刻、电池的充电状态采样后的控制显示、判断电池是否已经充满等工作。它的外围电路主要是I/O端口的分配，控制各个器件完成相应的功能。另外就是本设计还要求用上位机输出充电和放电过程曲线，因此P3.0口与P3.1口要单独留给上位机控件，不能随意分配。除此之外就是单片机的几个固定的外部连接：RST端接的复位电路和XTAL2、XTAL1端接的晶振电路。这两个电路在下面具体介绍，单片机的P0口与其他I/O端口还有一点不一样，就是它在做当其输出数据时必须外接上拉电阻。4.5.1晶振电路图6晶振电路XTAL2XTAL1单片机的时钟信号通常有两种产生方式：一是内部时钟方式，二是外部时钟方式。本设计采用的是内部时钟方式。在单片机的XTAL1和XTAL2引脚外接石英晶体（简称振），作为单片机内部振荡电路的负载，构成自激振荡器，可在单片机内部产生时钟脉冲信号。C13 和C14 可以稳定振荡频 率的快速起振。选用C13=C14=30PF，晶振频率选用12MHz，电路图如图6。4.5.2复位电路复位是使单片机处于某种确定的初始状态。单片机工作从复位开始。在单片机RST引脚引入高电平并保持2个机器周期，单片机就执行复位操作。复位操作有两种基本方式：一种是上电复位，另一种是上电与按键均有效的复位。本设计采用上电与按键复位电路，各参数取值有典型电路可供参考，电路图如图7。图7复位电路单片机复位端RET图8MAX232电路上位机单片机固定I/O口4.6上位机通讯电路该电路主要用于单片机与外部通信，输出电池的充电及放电参数，与外部电路通讯，在屏幕上显示出电池的充电与放电过程曲线。这一过程主要由上位机程序控制，MAX232的连接电路如图8。4.7温控电路铅酸蓄电池的容量与温度成正相关的方向，温度每上升1度，容量就上升原来的0.8%.铅酸蓄电池在大于40度，再升高10度，电池的寿命就降低一倍.寿命中止的主要原因:电解质干涸、热失控和内部短路等等。因此在为电池充电时要注意冬夏的温度差异，按环境温度调节充电的终止电压，保证蓄电池不被损坏，并且能充满电。为此，我们专门设计了一个数字温控电路，它将感应到的温度变化直接传递给单片机，单片机接到信息后通过内部程序选择充电参数值，再通过外部电路不停检测控制参数是否达到要求，达到标准后既图9 温控电路单片机I/O口停止充电。充电电路的连接图如图9所示。五、单片机软件设计5.1 软件功能该软件的目的是控制电池充电及维护终点及状态显示。当电池放入该智能充电器时，我们可以人为选择充电状态与维护状态，然后读入温度传感器环境温度，决定电池充电或维护状态的最终电压。再由程序控制充电及维护I/O口电平的高低，选择是对电池充电还是维护。在由ADC0809采样的电压判断电池维护或充电的终止时刻，并由内部程序计算出电池充电电流、充电电压、电池内阻等参数输出给LCD1602，由其显示电池状态。5.2 流程图程序初始化LCD显示读取温度向串口发送数据主程序脉冲充电T0中断是否在充电？是否在维护？高脉冲维护采样电压并计算电流和内阻判断和更新系统状态结束是否否是六、安装与调试将PCB布好后，我们就可以将其打出来制作印制电路板了。由于印制板是我们自己制作所以对孔十分重要，要是歪了，板子就要重新弄。印制板做好后就可以把对应元件安装上去了，但是对于单片机由于我们要调试程序所以不能直接焊接，而是安装一个插座代替。C语言源程序用KEIL51编译成目标文件即HEX文件，再用下载器将HEX文件写入AT89C2051芯片。由于这一次的电源也是我们自己制作的，所以调试时首先是要保证电源的输出稳定可靠。在通电前要先检查是否有短路的地方，在确保无误后再通电，如果还是不能正常工作就要检测元件是否有虚焊了。在实际检测中我们的5V电源及充电电源输出较稳定且达到我们需要的输出数字，但是维护电压却只有18伏多一点，离我们的预想差很多。我们改变了R15,把它换成了电位器来调整电压器输出电压，输出值仍然不理想。我们又改变了整流二极管及一些电阻和电容。另外的部分调试时则选用现有电源，只有AD采样部分不工作，最后检测出是有一小段导线不导通。七、结论我们这次设计程序比较有难度，要完成设计要求要求要考虑的东西很多，我们对开关电源输出电压、电池充电终止电压、充电曲线等进行了测试，各项指标都满足了题目的要求，同时我们还完成了一些发挥部分的设计，该智能充电器可以与电脑连接，显示输出充电、放电过程曲线。参考文献1康华光等，电子技术基础模拟部分，北京：高等教育出版社，1999，第四版，106-111。2康华光等，电子技术基础数字部分，北京：高等教育出版社，2000，第四版，40-573李全利，单片机原理及接口技术，北京：高等教育出版社，2004.1。4张毅刚等，单片机原理及应用，北京：高等教育出版社，2004。6 全国大学生电子设计竞赛组委会，全国大学生电子设计竞赛获奖作品汇编（第一届第五届），北京：北京理工大学出版社，2004，12-50。7龚运新，单片机C语言开发技术 北京：清华大学出版社2206.10。8唐颖，单片机原理与应用及C51程序设计，北京大学出版社，2008第一版。9王水平等，单片机开关电源集成电路应用设计实例，人民邮电出版社，2008第一版。10网络资料。附录1元件清单Part TypeDesignatorFootprintDescriptionnumeberK4按键开关1AT89S51U4DIP40U410.1uC2RAD0.2Capacitor31.0nC4RAD0.2Capacitor11KR22AXIAL0.432/5WR29AXIAL0.413.3uHL1AXIAL0.424.7KR24AXIAL0.416.2R18AXIAL0.4110R33AXIAL0.4310KRP1SIP3Potentiometer110kR21AXIAL0.4810uC17RB.4/.8Capacitor612MY1JZCrystal130kR19AXIAL0.4230pC14RAD0.2Capacitor233mHL2隔离变压器147KR27AXIAL0.4147u/50VC5RAD0.2Capacitor147uC8RB.4/.8Electrolytic Capacitor168u/400VC6RB.4/.8Electrolytic Capacitor1100/0.5WR16AXIAL0.41100R3AXIAL0.42100kR20AXIAL0.42100u/35VC9RB.4/.8Electrolytic Capacitor2400VBR1BRIDGE电桥1470u/35VC7RB.4/.8Electrolytic Capacitor11000u/35VC10RB.4/.8Electrolytic Capacitor1ADC0809U6DIP281BYV26CVD4DIODE0.4高压快恢复4CON2J1SIP2Connector2810KJ3SIP9排阻1DB9J2DB-9/M串口1DS18B20u8TO-92DS18B2013AF1保险丝1LCD1602LCDSIP161MAX232U5DIP161PC817U2光耦合1TIP142Q1TO-126NPN Transistor3P6KE200VZ1DIODEZener Diode1TIP147Q2TO-126PNP Transistor2SUN7474U7DIP141TL431U3TO-126TL?1TOP227YU1TO-2201变压器11N4148VD5DIODE0.4DIODE1附录2部分程序展示89C51#include /数据类型typedef unsigned char uchar;typedef unsigned int uint;typedef unsigned char BYTE;/中断函数#define TIMERBREAK0 interrupt 1#define TIMERBREAK1 interrupt 3#define OUTBREAK0 interrupt 0#define OUTBREAK1 interrupt 2#define COMMBREAK interrupt 4#define TRUE 1#define FALSE 0/开中断#define OpenBreak(b) EA=b#define OpenTimer0(b) ET0=b#define OpenTimer1(b) ET1=b#define OpenComm(b) ES=b#define OpenOut0(b) EX0=b#define OpenOut1(b) EX1=b/启动定时器#define StartTimer0(b) TR0=b#define StartTimer1(b) TR1=b/设置定时时间#define SetTimer0(t) TH0=(65536-t)8; TL0=(65536-t)&0xFF;#define SetTimer1(t) TH1=(65536-t)8; TL1=(65536-t)&0xFF;/设置定时器工作模式#define SetTimerMode(m) TMOD=m/门控位#define TM0_GATE 8#define TM1_GATE (84)/定时器模式#define TM0_TIMER 0#define TM1_TIMER 0/计数器模式#define TM0_COUNT 4#define TM1_COUNT (44)/13位计数器#define TM0_13 0#define TM1_13 0/16位计数器#define TM0_16 1#define TM1_16 (14)/自动重装8位计数器#define TM0_AUTO8 2#define TM1_AUTO8 (24)/两个8位计数器#define TM0_DB8 3#define TM1_DB8 (34)/设置定时器中断模式#define SetBreak0Mode(m) IT0=m#define SetBreak1Mode(m) IT1=m/跳变模式#define TBM_U 1/电平模式#define TBM_I 0/串口读写#define CommReadOK() RI=0#define CommSendOK() TI=0/死循环#define LOOP while(1)#define DONOTHING ;/等待#define WaitFor(b,t) if(b+t) return;b=0/串口收发数据void SendCharToComm(c)SBUF=c;while(!TI);TI = 0;#define RecvCharFromComm() SBUF; RI=0#define IsCommData() (RI)Main程序#include chong.h/*struct STAT_DATABYTE stat;BYTE R;BYTE U;BYTE I;BYTE TL;BYTE TH;*/BYTE U,R,I,stat;uchar U=0,I=0,R=0,stat=ST_READY,uir=0,maxU=162;uint T=0;uchar* code statstr=-ERROR-,-READY-,WORKING.,FANG.,-FULL-;uchar u_str=U:00.0 V;uchar i_str=I:0000mA;uchar r_str=R:00.0 r;uchar t_str=T:000.0C;void main()uchar t,f,tm=0,t0;OpenBreak(TRUE);OpenTimer0(TRUE);OpenTimer1(TRUE);SetTimerMode(TM0_TIMER|TM1_TIMER|TM0_16|TM1_AUTO8);SCON=0x50;SetTimer0(1000);SetTimer1(0xfdfd);StartTimer0(TRUE);StartTimer1(TRUE);LCDInit();for(;)/LCDClear();/清屏LCDGotoLine(0);LCDDisplay(statstrstat);LCDGotoLine(1);if(stat=ST_CHONG | stat=ST_FANG)/充电或维护时显示信息if(stat=ST