【《电动自行车充电器控制系统的硬件和软件设计案例》4800字】

电动自行车充电器控制系统的硬件和软件设计案例目录TOC\o"1-3"\h\u21146电动自行车充电器控制系统的硬件和软件设计案例 1281871.电动自行车充电器控制系统的硬件设计 1103931.1系统硬件总体设计方案 196761.2主要元器件清单 2279341.3STC89C52单片机 3193521.4MAX1898充电控制芯片 4325861.5数字温度传感器DS18B20 5290621.6继电器和电压比较器LM393 6170962.系统硬件电路设计 6100632.1电压测量模块 6164512.2LCD显示模块 7295652.3单片机最小系统 9108792.2.1复位和时钟电路 9293432.4声光报警模块 10300132.5本章小结 10135904.系统软件设计 11215974.1主程序流程 11307884.2键盘程序 12278554.3中断服务程序 12322844.4本章小结 1336713.系统的仿真与实物调试 1377923.1基于Proteus的仿真 13174603.2实物调试 141.电动自行车充电器控制系统的硬件设计1.1系统硬件总体设计方案本文设计的电动自行车充电器的功能实现的过程：所测电池电压与设定电压经过电压比较器和单片机的处理实现各种功能。其中的充电模块控制充电过程是由预充电、快充电再到充满自动截至，可以有效的减少过度充电对于电池寿命的损害。设计所用的温度传感器与电池放置在一起，可以实时显示电池的温度。如果温度超过设定的温度上限，传感器把信号传输到单片机，随后继电器断开，控制蜂鸣器报警提醒使用者。设计以AT89C52单片机作为整个充电系统的控制核心，以数字电压表ADC0832为电压测量元件，加上一些基本的外接电路如液晶显示模块和温度采集模块等为基础，其中包括按键模块，电池温度检测模块，电压检测模块和声光报警模块。系统设计为USB供电，方便程序的修改，系统框图如图2-1所示。·单片机单片机STC89C52USB供电独立按键电压测量蜂鸣报警LCD显示温度测量继电器断电指示灯图2-1系统结构框图1.2主要元器件清单就本设计而言，系统主要由STC89C52单片机和DS18B20数字温度计、LM393电压比较器、LCD1602液晶显示器、MAX1898充电模块等组成。并且各个元器件之间要保证相互配合，相互协调才有可能实现目标功能。本设计所用到的主要元器件如表2-2所示。表2-2系统主要元器件元器件清单元器件清单STC89C52单片机2K电阻*1LM393芯片+DIP8底座12M晶振*1LCD1602液晶显示屏+16P排母座1KΩ电阻*3MAX1898芯片+AD0832传感器10uF电容*4轻触按键*4电源接口蜂鸣器*15V继电器3mmLED*2（1红1绿）10K排阻*11.3STC89C52单片机如今，单片机在嵌入式微控制系统中占据着主导地位，在许多通用和专用型单片机中应用最多的是51系列单片机。其中应用比较广泛的是Intel公司的AT89系列，其中STC系列单片机是我国具有自主知识产权的单片机，该系列单片机中有多种子系列，可以满足不同场合的需要[4]。此次设计主控制芯片使用STC89C52单片机，功能可以完全满足本设计的需要。其引脚图如图2-3所示。图2-3STC89C52单片机引脚图具体功能如下：拥有MCS-51内核与8K字节可编程的Flash储存器，可以反复擦写1000次；有传统单片机低功耗的优点，其程序代码可以与51系列完全兼容；2.本设计工作电压：3V~5V能正常运行；4.工业级工作温度范围在-35℃~70℃；3.有32个通用I/O口，可通过串口下载用户需要的程序。1.4MAX1898充电控制芯片MAX898是性价比非常高的集成充电芯片。电路模拟图如图2-4所示，内部的电路包括：电压检测器、充电电流检测器、主控制器等[5]。输入的电压可在4V~5V之间，具有内置检测电阻，精确度小于百分之一。在系统接通电源时可以自动检测LED充电状态的功能。其中该模块最大的特点是在不加任何电感情况下仍然拥有较低的功耗。该芯片可以实现预充电的功能，配合本设计的温度传感器可以为电池充电提供过热保护。MAX1898充电控制芯片每个引脚相应的功能如表2-5所示。图2-4MAX1898充电控制芯片引脚图其中MAX1898充电控制芯片各个引脚所对应的功能如表2-5所示。表2-5MAX1898充电芯片功能表各个引脚对应符号各自的功能1IN传感器输入，检测输入电压和电流2CHGLED驱动器3EN/OKEN/OK4GNDISET5CT充电时间设置6RSTRT启动控制引脚7BATT接单个Li+的正极8910GNDDRVCS接GND外接电阻驱动器电流传感器的输入1.5数字温度传感器DS18B20该温度计是一款数字温度传感器，输出的是数字信号。其工作原理是：内部的计数器对于高、低温系数晶振的振荡频率不同来计数，所产生的脉冲信号经计数器和寄存器运算得到数值温度之后传入单片机内[6]。其中DS18B20数字温度传感器的封装形式可以多样，本设计使用的是不锈钢封式。实物如图2-6所示。图2-6DS18B20温度传感器DS18B20温度传感器的主要特点：1.测量的温度比较宽而且精度比较高，在-55℃~+150℃时温度误差在±0.5°C

；1.可以不加外围电路使用；2.独特的单接口方式，使得系统结构简单，可靠性高；4.系统掉电后可以保持上一次设定的报警温度。其主要用途如表2-7所示。表2-7该温度传感器的主要用途主要性能主要用途体积小可在空调、纺机等狭小的空间的测温可以设计成防水型可在测量水温，在温室大棚中分辨率较高可以在工业机房和粮仓、储罐中实现温度检测抗干扰能力强可用于低温干燥箱和冷柜温差大的场合稳定使用1.6继电器和电压比较器LM393LM393是双电压比较器，它有两个输入端和两个输出端，一个基准电压端[7]。电压输入端低于基准电压时输出端为高电平，反之输出为低电平。这次设计选用的继电器的型号为HK4100F，额定电压为5V供电，配合电压比较器实现功能。本设计会根据电池的额定电压设定一个基准电压4.2V。当LM393接入电路时，会根据经过处理的电压的数字量比较，输出高低电平。当电量充满时候，电压比较器LM393会输出一个高电平信号给继电器使得电路断开，实现对于电池的保护。其中继电器的实物图为2-7。图2-7继电器的实物图2.系统硬件电路设计2.1电压测量模块在智能电动车充电器中系统中，对电池的电压测量是必要的,本设计用锂电池的电压来代表电量。通过单片机与数模转换芯片ADC0832，实现将锂电池电压大小转换成数字信号,运算后通过LCD1602显示屏显示出来数模转换芯片ADC0832是美国国家半导体公司生产一种8位分辨率、双通道的A/D。其中DO端与DI端在通信时候并没有同时使用，所以使用时可以为了减少I/O口将DO/DI并联在一起[8]。在芯片未工作时其CS输入端为高电平，此时芯片不工作。当进行数模转换时，CS端口需要一直为低电平直到转换完成。在第二个脉冲下沉之前DI端选择输入两位数据来选择需要实现的功能，本设计只需要转换电池的电压所以选择单端输入的方式。具体如下表2-8。2-8地址设置表地址通道通道工作方式SLG/DI0011ODD/SIGN010101+--++无无+差分式差分式单端输入单端输入类比同类型的A/D转换器，ADC0832处理数据的时间快，双通道转换，转换时间小于32us。由于体积小、输入输出电平与TTL兼容,其具有较高的性价比得到许多企业青睐，有很高的普及率。电路图如图3-1。图3-1数模转换芯片模拟电路图2.2LCD显示模块因为本设计需要显示电池电压、电池温度和充电百分比等数据。使用几个LED数码管显示这些数据的话显示效果并不理想。因此，用1602字符型LCD作为输出量的显示。相对于数码管，采用单片机对其控制使得接口更加简单，具有程序修改更方便、显示更加清楚的优点。其显示原理是通过液晶显示屏上的电极来控制液晶分子来显示，所以在相同的显示面积时LCD显示器更加清楚，质量也更加轻。字符型液晶显示器显示字符是通过5×7点阵图形来实现的[9]，系统的显示容量决定了字符型液晶显示器的行数及字符，此次设计采用2行16个字符的1602字符型LCD，其显示电路如图3-2所示。图3-2LCD1602液晶显示电路单片机AT89SC52的P0口接液晶显示器的8个数据端口，如果P0口作为通用的I/O口使用，由于漏极开路，需要加1K左右的上拉电阻。当LCD1602显示字符时，将需要显示字符的ASCII码写入内部的显示数据RAM，其内部控制电路就可将写入的字符在显示器上准确显示出来。如表3-3所示。通过单片机向模块写入命令，就可以控制显示方式和显示内容。表3-31602LCD引脚接口说明表引脚编号对应符号相应的引脚说明1Vss电源地2VDD+5V电源3VEE显示偏压（调节显示对比度）4RS寄存器选择，（1数据寄存器，0命令或状态寄存器）5RW高电平为读操作，低电平为写操作6E使能信号7～14D0～D7数据总线15BLA背光板电源，串联1个电位器16BLK背灯板的电源地2.3单片机最小系统单片机最小系统,是指用最少的元件组成的单片机可以工作的系统。对本设计的单片机来说,最小系统必须包括:单片机、5V电源、时钟电路、复位电路[10]。其原理图如图3-4。图3-4单片机最小系统原理图2.2.1复位和时钟电路查阅资料可以知道，ATS89C52单片机复位需要在RST引脚加上持续时间两个机器周期的高电平，就可以实现，复位电路通常采用上电自动复位和按键手动复位两种方式。本设计中的S1键就是手动复位按钮。上电自动复位是依靠外部复位电路的C1（电容10μF）充放电完成的。当刚通电时，电容C1开始充电，给单片机的复位引脚持续输入一段时间的高电平使单片机具有上电复位的功能。除此之外，本设计也可以在演示或者故障时添加手动复位的功能。例如本设计的手动复位按钮S2可以在按下复位按键使电路导通。本设计的单片机使用的是内部时钟方式，其内部的运算都以时钟控制为基准，一拍一拍工作。时钟电路的内部有一个用于构成振荡器的高增益的反向放大器，输入的引脚为XTAL1，输出的引脚是XTAL2，两引脚外部接石英晶体振荡器和两个30pF的电容[11]。2.4声光报警模块本设计声光报警模块使用蜂鸣器和指示灯来实现功能。在声光报警模块中，蜂鸣器和LED灯由单片机的I/O端口来控制是否工作[12]。当充电完成时蜂鸣器会提醒充电者充电已经完成，同时LED显示绿色，使用者可以直观的看到，可以选择拔掉充电器。蜂鸣器报警电路如图3-5所示。图3-5蜂鸣器的报警电路2.5本章小结本章主要介绍了51系列单片机的最小系统电路、报警电路、LCD1602液晶显示电路等一系列硬件电路的设计及各部分的工作原理。通过单片机实现对各个模块功能的整合，并对各个模块所要实现的功能进行了详细的介绍。4.系统软件设计4.1主程序流程STC89C52单片机是整个安全智能充电系统控制的核心，在单片机的控制下可以实现对电压的测量，而且还能显示充电的百分比并进行显示。在主程序运行过程中，各个模块都先初始化，接通电源后单片机开始工作。当接收到电压信号后系统进出中断服务程序，进行判断。若测量的电压值未超过设定值、会将已充电量的百分比显示在LCD液晶屏上。反之则通过由电压比较器发出信号，使得继电器工作断开电路。如果温度超过电池安全充电的上限（可设定），则切换指示灯且蜂鸣器开始报警，主程序流程图如图4-1所示。开始开始程序初始化达到温度上限进出中断场液晶显示达到电压上限结束报警YNYN图4-1主程序流程图4.2键盘程序单片机最小系统里有复位电路，系统中存在与之对应的复位键使电路可以恢复到起始状态。除此之外，系统还需要对温度的阈值进行设置，即充电的温度高于阈值就开始报警。设定S2和S3为增减温度阈值键，使用的温度传感器可以使设定的值具有掉电保持功能。遇到一些突发情况也能在供电恢复后保持之前的设置，在下次充电时可以不用更改继续使用。另外考虑到系统的稳定性，设置了启动/停止按键（S4）。程序运行时，如果电池的电量已经充满，报警装置触发后，可以按S1复位。调试时可以按S4测试报警模块是否能正常报警。按键程序框图如图4-2所示。程序初始化S2是否按下S3设定温度加程序初始化S2是否按下S3设定温度加S4设定温度减报警判断S1按下，停止按下S1，启动YNY图4-2按键程序框图4.3中断服务程序在中断服务程序中，系统在充电过程中如果电压大于设定的阈值或者电池温度超出设定的上限[13]，则通过数据处理使得继电器工作，后返回中断场，其主要流程图如图4-3所示。进入中断进入中断检测电压设定电压比较继电器是否工作结束中断图4-3中断服务程序流程图4.4本章小结本章主要对智能充