电动自行车智能充电器的设计

1、河南经贸职业学院 毕业论文电动自行车智能充电器的设计与实现论文作者： 专 业： 学 号： 班 级： 指导老师： 答辩委员会主席 评阅人 论文答辩日期 独创性声明本人声明所呈交的毕业论文是我个人在导师指导下进行的研究工作及取得的成果。尽我所知，除文中已经标明引用的内容外，本论文不包含任何其他个人或集体已经发表或撰写过的研究成果。对本文的研究做出贡献的个人和集体，均已在文中以明确方式标明。本人完全意识到本声明的法律结果由本人承担。 论文作者签名： 日期： 年 月 日毕业论文版权使用授权书 本毕业论文作者完全了解学校有关保留、使用毕业论文的规定，即：学校有权保留并向有关部门或机构送交论文的复印件和电

2、子版，允许论文被查阅和借阅。本人授权河南经贸职业学院要以将本论文的全部或部分内容编入有关数据库进行检索，可以采用影印、缩印或扫描等复制手段保存和汇编本论文。 保密，在_年解密后适用本授权书. 本论文属于 不保密。（请在以上方框内打“”）毕业论文作者签名： 指导教师签名：日期： 年 月 日 日期： 年 月 日河南经贸职业学院毕业论文摘 要本论文主要介绍以电动直行车智能充电器实现原理与控制原理为基础，讨论充电器的硬件结构和个主要组成部件的设计思想，以及对蓄电池充电的一般原理。如何设计充电器才延长蓄电池的使用寿命，克服充电器的一些弊端。采用单片机实时检测充电电流和蓄电池电压的实际值，分级控制开关电源

3、的脉冲频率和实时调节脉冲占空比，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，同时消除硫化，进行均衡充电，从而大大地延长了蓄电池的使用寿命。优化充电器的元件结构，更大限度地提高充电器的各种性能。关键词：单片机 ，蓄电池，充电器目 录1第一章绪论11.1引言11.2研究的内容和意义12第二章 充电器的设计理论.22.1充电器的方法设计22.2控电路的设计42.3充电器的软件设计62.4充电器的硬件设计232.5充电器的特点与测试251 第一章绪论1.1 引言随着油价的不断上涨和人们对环保的需求增大，使用高效，清洁的能源来取代以油的领导地位已成为社会发展的必然趋势。电动自行车以其价格低，绿

4、色环保，使用安全方便等优势受到广大消费群众的喜爱。但当今电动车却有一大缺点便是蓄电池寿命短，容量小，导致电动车行程短，频繁更换蓄电池，造成不必要的消费。电动车的好坏与质量的评价标准之一便是蓄电池的使用寿命与蓄电程度。由于蓄电池充电方法不合理，使蓄电池寿命大大缩短。电池充电过程对电池寿命影响较大，也就是说，绝大多数的电池不是用坏的，而是充坏的。由此可见，一个性能良好的充电器对 电池的使用寿命具有举足轻重的作用它不仅可以延长蓄电池的使用寿命，节约有限的资源，同时也能够降低电动 自行车用户的经济投入。研究表明：过充电，可使蓄电池发热，电解液失水；而充电不足，可是蓄电池内化学反应不充分，长期充电会导致

5、蓄电池的容量下降。由此可见，充电器性能的好坏对蓄电池的使用寿命起着重要的影响。目前市场上好多充电器稳压效果不明显，对电流，电压的调节范围窄，不能很好地保护蓄电池的性能。1.2 研究的内容和意义 本文从充电过程进行恒压，恒流，温控等设计理念出发，研究各种充电器对铅蓄电池寿命的影响。针对蓄电池充电过程中出现的各种弊端，进行可行安全的部分改进，采用三段式充电理论为基础，有恒流限压、恒压限流、浮充三阶段，同时利用温度传感器将采集到的信号送给 a d转换器。a d 转换器再将模拟信号转换成数字信号后送单片机进行处理，最后确定所在的温度挡。通过多路模，拟开关实现温度补偿，大大提高电池的充电效率 ，缩短充电

6、时间 ，并能有效延长电池的寿命。适用于电动自行车常用的36v/12a.h铅酸电池充电。这种充电方法不会引起高温，过充所导致的活性物质的脱落，使极板过早损坏，对延长蓄电池的寿命有重大意义。且可以充分利用蓄电池的容量，最大限度地发挥蓄电池的潜力，对今后电动自行车的发展起着很大影响。2 第二章 充电器的设计理论.2.1 充电器的方法设计 一该充电器以at89c2051单片机为核心，利用uc3886芯片实现平均电流模式pwm控制，并且通过一定的控制电路实现智能化充电。对于铅酸蓄电池，若采用恒压充电方法进行充电，则在充电开始充电电流很大，会引起高温，且恒压充电不能调整充电电流的大小，不宜于蓄电池的初期充

7、电。若采用恒流充电，充电时间太长，很容易导致过冲，损害蓄电池，过量充电由于剧烈的放出气泡，会在极板内部造成压力，加剧活性物质的脱落，使极板过早损坏，不宜于蓄电池后期充电。由此，充电器采用先恒流后恒压的充电方式，如图2-1所示： 图2-1充电器的电压与的曲线电流充电初期，充电电流较大，电流限制在0.10.2c，取1.8a，对蓄电池进行恒流充电确保蓄电池充电式安全快速。当蓄电池容量达到80%左右时，电压达到27.6v时，充电器保持该电压对蓄电池进行恒压充电，充电电流减小，直到接近c/50即0.24a左右，认为充电结束，通过一定的方法控制蓄电池停止充电，这样可以尽可能的使电池充足充电。二铅酸蓄电池的

8、三段式充电采用先恒流充电再恒压充电，最后采用浮充进行维护充电。一般分为快速充电、补足充电、涓流充电三个阶段快速充电阶段 ，用大电流对电池进行充电以迅速恢复电池电能，充电速率可以达 1 c以上 ，此时充电电压较低 ，会随着时间而逐渐上升 ，但会限制充 电电流在一定数值范围之内以恒定的电流进行快速充电。当电池电流经过快速充电阶段后有所升高，所以补足充电阶段的充电电压也应该有所提升，并且恒定在一定范围之内。2.2 控电路的设计 监控电路的核心是 p i c1 6 c7 3 ， 它是一种低功耗 8位微处理器， 内部带有程序存储器( e p romotp ) 数据存储器( ram) ， 程序运行速度快(

9、 晶振为 2 0 mhz时， 指令执行周期为 2 0 0 n s ) 。 pi c1 6 c7 3 芯 片对外 有 3个 i o 口( 共 2 2位 ) ， 5路 8位高速 a d通道 ， 3个定时器 计数器 ， 2 个 捕捉 比较 p wm模块， 2个串行通讯口。 芯片具有看门狗功能， 并提供对软件运行出错的保护 。 充电器监控电路具有以下功能 ： ( 1 )p i c1 6 c7 3的4路 a d通道完成对 2路蓄电池的充电电流和充电电压的检测 ( 2 )通过 p i c 1 6 c 7 3的i c串行通讯接口于 ma x1 6 6 8 相连， 并对 4 8 v、 1 2v蓄电池的温度、

10、功率，变换器的温度及环境温度进行检测 ， 如 图2-2所示 ： 图2-2 温度检测电路 max 1 6 6 8 温度传感器可同时监视4 路温度且无须校准。 通过串行接口i z c进行编程。 它是一种新颖、 灵巧、 易用的传感器 当pi c1 6 c 7 3经maxl 1 6 8检测到4 8 v或 1 2 v蓄电池温度5 o时，即终 i e对蓄电池的充电， 以避免继续充电导致电池过热损坏 当检测到环境温度2 5时，蓄电池的给定浮充电压以一3 mv c ， 进行温度补偿 当功率变换器的温度8 5 时，则控制 电路关闭主 电路的输出， 进入保护状态 。 ( 3 )根据充电的不同阶段和具体要求， pi

11、 c1 6 c7 3的2路p wm 输出固定频率不同占空比的信号，经外部滤波器滤波， 给调节器送出所需的给定值，在给定精度要求不高的场合， 此法比较简单实用。( 4 )由p i c1 6 c7 3的pb口与 mc4 0 6 6模拟电子开关组成的逻辑电路实现恒流与恒压调节控制之间的转换， 以满足充电不同阶段的需要， 如图 2-3所示。 图 2-3所示 恒流与恒压调节控制电路( 5 ) p i c 1 6 c 7 3 的 i o口有 2 5 ma的驱动能力， 由p b口输出直接驱动 l e d发光管，显示指示 充电、 充电完毕及电池故障等状态。2.3 充电器的软件设计 好的充电器必须由一个好的软件

12、支撑，软件设计主要是温度信息的采集与电压值的补偿选择功能 ，软件设计主要包括主程序和子程 序的设计 而子程序的设计又包括定时器中断子程序、外部中断子程序等设计。( 1) 主程序设计 初始化主要是完成以下工作： 定时器 计数器0 、1的初始化。 外部中断0的初始化。 外部中断 1触发 时，启动定 时器 0 ，开始计时：外部中断 0触发时，表示 ad0 8 0 9转换结束，准备读入数据。定时器计数器 0设置成定时模式 ，设为工作方式 0，当定时时间到，在 p 1 .0口产生一个计数脉冲。定时器 计数器 1也设置成计数模式 ，工作 方式 0 通过检测 p 1 0口的计数脉冲，当总定时时间到时检测充电

13、状态，进而启动保护功能，即当定时时间到判断是否出现异常情况。 内部 ram设置 ： 3 0 h 3 9 h单元 ：用于暂时存储采样到的1 0个数据。4 0 h 4 9 h单元 ：用于存储排序后的采样值 。4 a h单元 ：用于存储中间 8个采样值的累加和的低字节 。4 b h单元 ：用于存储中间 8个采样值的累加和的高字节 。4 c h单元 ：用于存储平均值即经数字滤波后的值 ( 十六进制 ) 。 2 5 h单元 ：用于存储采样值的个数。 主程序流程图如图 2-4所示。 图2-4 主程序流程 主程序流程简单介绍 ：初始化结束后 会有一段等待时间，时间到，主机执行启动 a d。当 a d转换结束

14、 时 ，会触发外部中断 0 ，单片机则开始采集数据 ，判断采样个数是否够 l 0个 ，若已采样够10个，则程序顺序执行，即进行数字滤波和数据刷新程序；若采样个数不够 ，则继续循环等待，直到采样值达到要求。 ( 2 )子程序的设计 子程序设计主要包括中断子程序的设计(定时器中断和外部中断)，滤波子程序的设计。 外部中断的程序设计 当 a d转换结束时，会触发外部中断 i n t 0 ，此时单片机读人数据 ：而当充电进入恒压充电阶段时采集到电压会触发外部 中断 i n t1 ，响应此中断，则控制定时器 0开始计时。其具体的工作过程如图 2-5所示： 图2-5 a.外部中断0子程序 b.外部中断1子

15、程 定时器计数器中断子程序设计定时器计数器0和定时器计数器l共同来实现一段时间的定时，对恒压阶段进行监控 ，进行安全保护。其中定时器 o中断子程序主要是从p1 0日产生一个计数脉冲，定义为定 时工作方式0，由图 2-6流程图可知其工作过程 。9图2-6 t0中断子程序 t1中断子程序定时器 计数器 1中断子程序主要 是判断处于的状态 ，设为计数工作方式 1 ，其工作过程可由图 8右侧流程图得到。其中 p 3 0输出 1时可以强行将充电状态拉为浮充状态。避免因为其他原因造成的充电失效，有效地解决了状态不翻转情况的出现，保护了充电器和电池 。2.4 充电器软件汇编程序第一步： 变量定义与初始化程序

16、模块一：系统变量定义单片机的外部信号和相应的外部参数均需要在单片机内部存放，同时内部寄存器也需要定义。9（1） 外部信号变量。red =4 ；红色led指示灯green =2 ；绿色led指示灯ctrl =1 ；控制信号i_ad =0x10 ；充电电流u_ad = 0x11 ；电池电压t_ad =0x12 ；环境温度p_ad =0x13 ；充电电压flag =0x14 ；标志信号（2） 内部状态标志变量。内部状态标志变量将根据外部信号的采样数据，通过逻辑判断或组合判断得到系统的动作指示标志。_60mflag = 1 ；延时标志_180mfalag =3 ；无电池标志ftime = 4 ；时间超

17、出异常fabnormalt = 5 ；温度异常fabnormalp = 6 ；电源异常fabnormalb = 7 ；电池异常(3)系统状态变量及其他。在进入各充电阶段的子程序时，系统需要根据各种状态寄存器的值来判定下一步的动作，本节定义了这些状态寄存器。另外，本节代码还包括其他可用局部变量，多数用于进行比较或作为状态常量。s_nobatt = 0 ；无电池状态s_pre = 1 ；与充电阶段s_rap = 2 ；快速充电阶段s_full = 3 ；涓流充电阶段s_errore = 4 ；充电阶段出错系统以4.5v为参考电压，计算下面对应的数值_3v0 = 161 ；3v电压的参数值_4v2

18、= 215 ；4.2v电压的参数值，以下类推_4v4 = 236 ；4.4v参数值_2v0 = 107 ；环境温度参数化_43c = 87 ；43参数值_0c = 186 ；0参数值三：主程序模块主程序模块本应由main开始，但是系统再上电时由start开始，因此将start作为系统的主程序模块起始点。再系统上电后，首先调用init完成系统初始化；然后完成电源电压、温度的4次连续采样，确认是否进入充电模式。器具体实现代码如下：start： call init call ad_pt ；连续采样4次，电源电压，和温度main： call ad_b ；连续4次采样电池电压 mov a，u_ad ；读

19、入电池电压 sub a，_3v0 ；同3v电压比较 jbs r3，c jmp m_rap ；大于3v则快充m_pre： call pre_charge ；小于3v则慢充m_rap： call pap_charge ；快速充电阶段m_full： call full_charge ；涓流充电阶段 jmp main ；回到充电主模块过程由上面的代码可以看到，再进入main之前，系统将首先调用ad_pt模块进行检测，以判断是否开始充电。四： ad_pt模块ad_pt模块时充电前的准备过程，ad_tp模块通过a/d采样对电源电压（充电电压）和环境温度连续4次采样，然后计算平均值，得到一个采样均值，该均值

20、用来判断是否进入main模块进行充电。具体的实现代码如下：ad_pt： mov a，4mov r7，a ；充电电压连续4次检测ap： mov a，0b00001110iow ioca0mov a，3 mov adcon，a ；选择a/d转换通道，采集电源电压clraiow ioc90 ；不增益call delay1ms ；延时1msbs adcon，adpd ；取样充电电压call delay1ms ；延时1msbs adcon，adrun ；继续采样jbc adcon，adrunjmp $-1 ；重新开始，检测不成功bc rf，adifbc adcon，adpd ；停止采样；构建一个fifo

21、结构，将采样时间存储mov a，p_ad3mov p_ad4，amov a，p_ad2mov p_ad3，amov a，p_ad1mov p_ad2，amov a，addatamov p_ad1，adjz r7jmp ap ；进行下一次采样；温度连续4次采样，这部分的思路同电压采样相同，只是寄存器发生了变化at： mov a，0b00001110iow ioca0mov a，2mov adcon，aclraiow ioc90 ；不增益call delay1ms ；延时1msbs adcon，adpd ；取样充电call delay1ms ；延时1msbs adcon，adrunjbc adco

22、n，adrun jmp $-1 ；检测不成功，重新开始bc rf，adifbc adcon，adpd ；停止采样；重建fifo结构，存储温度采样值mov a，t_ad3mov t_ad4，amov a，t_ad2mov t_ad3，amov a，t_ad1mov t_ad2，amov a，addatamov t_ad1，adjz r7jmp at；平均值计算mov a，t_ad1mov r4，acall averagemov a，r_adlmov t_ad，a；完成退出ret五： 充电阶段子程序模块系统完成了预期的检测后，进入相应的充电阶段进行充电。六： 预充电阶段完成系统检测后，若电池电压小

23、于3v，系统将进入预充电阶段。（1） 程序模块功能描述本阶段将对电池进行较短时间的充电，只要是将电池电压充至大于3v的水平同时对系统和电池进行检测，给出下一个阶段的指令。（2） 程序输出程序结束表示电池即将完成预充电，进入快速充电阶段；或者是表示电池被人为拿走，置标志信号f_nobatt为true。代码如下：fre_charge: jbc flag，fnobatt ；若没有电池，退出系统 retrepeda_pre： bs p5，ctrl ；控制高电平，电池恒流调整系统给出高电平，开始充电，采集充电电流数据，下面是状态信号为0时的汇编程序代码：pe_pc： mov a，cnt ；3个通道轮流采

24、样 xor a，0 jbs r3，z jmp pc_1 mov a，0b00001110iow ioca0mov a，0 ；采集0.25电阻上的电压mov adcon，a ；选择a/d转换通道，采集电源电压clraiow ioc90 ；不增益call delay1ms ；延时1msbs adcon，adpd ；取样充电call delay2ms ；延时2msbs adcon，adrunjbc adcon，adrunjmp $-1 ；不成功，重新开始bc rf，adifbc adcon，adpd ；停止采样；构建一个fifo结构，将电流采样值保存mov a，i_ad3mov i_ad4，amov

25、 a，i_ad2mov i_ad3，amov a，i_ad1mov i_ad2，amov a，addatamov i_ad1，a；保存采样值，准备计算其平均值mov a，addatamov i_ad，amov a，1mov cnt，ajmp pc_islow ；是否给低电平完成电流的采样后，进入状态1，采样环境温度数据： pci; call delay1ms ；低电平时间 djz d_cnt jmp pci ；继续延时 ；延时3秒时间到 mov 0b00001110 ；取电池电压 iow ca0 mov a，1 mov adcon，a ；选择a/d转换通道，采集电源电压 clra iow io

26、c90 ；不增益 bs adcon，adpd ；取样充电 bs adcon，adrun jbc adcon，adrun jmp $-1 bc rf，adif bc adcon，adpd ；停止采样；构建一个fifo结构，将电池电压采样值保存 mov a，u-ad3 mov u-ad4，a mov a，u-ad2 jbc r3，c jmp pabnormalt ；温度高于43度 mov a，t_ad sub a，_0c jbs r3，c jmp pabnormalt ；小于186，即大于0度则返回；下面做电池电压的判断 bc flag，fabnormalt mov a，u_ad1 mov r4，

27、a call average ；计算电池电压平均值 mov r，r_adl mov u_ad，a；同4.2v进行比较 sub a，_4v2 jbs r3，c ret ；大于4.2v则表示充好，退出这是预充电阶段的最后一部分，它实现了红色/绿色led指示灯的功能。 sub a，_5v4 jbc r3，c jmp pre_normal系统判断电源电压和环境温度是否正常，如果正常，循环执行预充电阶段的操作。如果不正常，系统进入pre_normal子块操作。 pabnormalp： bs flag，fabnormalp jmp re_pc pabnormalt： bs flag，fabnormalt

28、jmp re_pc接下来系统将做进一步检测处理，如果满足条件将退出预充电阶段并给出充电正常的绿色led知识；如果不满足条件将发出错误警告，红色led指示。 pre_normal: bc flag，fabnormalp ；清异常标 志 mov a，t_ad1 ；电压正常 mov r4，a call average ；计算温度 采样平均值 mov a，r_adl mov t_ad，a sub a，_43c ；87（_43c）t3.0，快充结束 jbc flag，_60mflga ；3.0v ret jmp repead_pre ；时间没到，重新充电2.4 充电器的硬件设计硬件设计包含总体设计思路，

29、产品总的结构框图。硬件电路设计等。 ( 1)总体设计思路 设计拥有温度补偿的三阶段充电器，需要考虑下面几个方面的内容 ： 选择合适的单片机包含的定时器。 选择合适的温度传感器芯片，要根据实际 需要以及各种温度传感器的性能参数来决定。 选择合适的a d转换器件，它主要是实现 温度传感器输出的模拟信号转换成数字信号。 进行 p i d调节，设计开关电源，并能进行 反馈调节。( 2 )系统总体结构框图开关稳压电源由调谐脉冲变压器、输出整流滤波、光耦反馈，开关脉冲控制共同构成。并且根据反馈信号调整开关脉冲占空比，进而调整稳压电源的直流输出电压的大小。再通过外围电路进行充电状态调节，实现恒流、恒压、浮充三阶段充电模式转换如图2-7所示为系统总体结构图：图2-7 充电器系统总体结构图而环境温度经过温度传感器进行采样经过a d转换为数字信号送人单片机进行处理，单片机则控制模拟开关 ，对充电状态调节这一部分相应的电阻参数进行调整，从而实现对不同温度下的充电的温度补偿 。( 3)硬件电路设计 硬件电路的设计包括单片机系统的设计、a d转换电路的设计电源设计等 。 单片机的