毕业设计-蓄电池智能均充系统设计

1、本本科毕业论文（设计）科毕业论文（设计） 论文（设计）题目：论文（设计）题目：蓄电池智能均充系统设计 学学 院：院：_机械工程学院 专专 业：业： 班班 级：级：_ 学学 号：号：_ _ 学生姓名：学生姓名： _ 指导教师：指导教师：_ _ _ _ 2011 年 5 月 5 日 贵州大学本科毕业论文（设计）贵州大学本科毕业论文（设计） 诚信责任书诚信责任书 本人郑重声明：本人所呈交的毕业论文（设计） ，是在导师的指导 下独立进行研究所完成。毕业论文（设计）中凡引用他人已经发表或 未发表的成果、数据、观点等，均已明确注明出处。 特此声明。 论文（设计）作者签名： 日 期： 目 录 摘要.IV 关

2、键词.IV 第一章 绪论 .1 1.1、蓄电池的介绍.1 1.1.1、蓄电池的现状与前景 .1 1.1.2、铅酸蓄电池的工作原理 .1 1.1.3、蓄电池的充电理论基础 .2 1.1.4、充电方法的研究 .3 1.2、课题的应用背景.4 1.3、课题的研究意义.5 第二章 串联蓄电池组均衡法 .6 2.1、引言.6 2.2、蓄电池的不一致性.6 2.3、蓄电池组中各蓄电池容量不一致的影响.6 2.4、各种均衡充电的方法.7 2.4.1、电池单体电压均衡法 .7 2.4.2、电容切换均衡法 .8 2.4.3、多绕组变压器均衡法 .8 第三章 总体设计 .9 3.1、系统的设计要求.9 3.1.1

3、、系统的基本功能 .9 3.1.2、系统的理想技术指标 .9 3.2、充电方法的选择.9 3.3、系统总体框图.10 第四章 各电路（元件）的设计 .11 4.1、单片机的选择.11 4.2、整流电路的设计.11 4.3、滤波器的选择.12 4.3.1、电容滤波器 .12 4.3.2、电感电容滤波器 .12 4.3.3、 形滤波器.12 4.3.4、滤波器的选定 .13 4.4、开关管的选择.13 4.5、放电电路的设计.13 4.6、采样电路.14 4.6.1、蓄电池端电压的采样电路 .14 4.6.2、蓄电池温度采样 .16 4.7、蓄电池电压均衡电路.17 4.8、A/D 转换器的选择

4、.18 4.9、显示电路.20 4.10、D/A 转换器的选择 .21 4.11、时钟电路.22 4.12、复位电路.23 4.13、报警电路.23 第五章 软件部分设计 .24 5.1、系统程序流程.24 5.2、显示子程序的设计.25 5.3、模/数转换子程序.28 5.4、数/模转换子程序.29 第六章 设计总结 .30 参考文献 .31 致谢 .32 基于单片机的蓄电池智能均充系统 摘摘 要要 随着电子技术的迅速发展,蓄电池正广泛运用于交通运输、电力、通信等领域的各 种设备中。它已经成为这些设备的最为重要的部件，其直接影响到设备的寿命和可靠 性。 本文介绍了蓄电池的工作原理及充电的特性

5、。由于充电方法的选择对蓄电池的性 能和寿命影响较大，因此本文还涉及到目前该领域中的充电方法。通过综合考虑各个 方面，我们选择了分阶段脉冲充/放电的充电方法。而实现脉冲充/放电的方法有很多， 这里主要利用了场效管作为开关管使用。通过 8051 单片机发出电压控制信号，来控制 开关管的导通与截止。另外，本设计中还提出了电压均衡的实现方法，从而保证了蓄 电池组串充时各节电池的充电状态基本上一致。而这里的一个亮点就是，该系统能根 据蓄电池组的周围环境温度变化而自动地调整其充电电压，使它们处于最佳的充电电 压上。本课题的研制，对蓄电池的大规模应用具有积极的促进作用，具有较强的实际 意义与应用价值。 关键

6、词：关键词：蓄电池 单片机 充/放电 Based on the SCM are fully intelligent battery system Abstract With rapid development of the electronic technology, batteries are widely used for transport, electric power, telecommunications and other fields of equipment. It becomes the key partial of these equipments, it directl

7、y affected the equipment life and the reliability. This paper introduces the principle of battery and charger features. As the charging method of choice for the performance and battery life of greater impact, this paper also relates to the current field of charging method. Comprehensive consideratio

8、n of all aspects, we have chosen a phased pulse charge / discharge charging method. And there are many ways of realizing a pulse charge / discharge charging, this is mainly used to market effectively manage as a switch to use. Through 8051SCM issued voltage control signals, it could control the swit

9、ch conduction or deadline. In addition, the design has also raised the voltage to achieve a balanced approach, thus ensuring the battery charge state when the battery charging series is basically consistent. And the one bright spot here is that the system according to the battery temperature of the

10、surrounding environment changes automatically adjust their charging voltage, at their best on the charge voltage. The research of this subject will play an active role, and produce significance and value on large-scale application of battery. Keywords : battery; SCM; charge / discharge 第一章第一章 绪论绪论 1

11、.1、蓄电池的介绍 1.1.1、蓄电池的现状与前景 在蓄电池问世一百余年的时间里，由于蓄电池作为一种能源变换器可以方便的存 储与提供电能，且具有可逆性好，电压特性平稳，使用寿命长，适用范围广，原材料 丰富且可再生，使用及造价低廉等优点，得到了越来越广泛的应用，是社会生产经营 活动中不可或缺的重要产品，在大力提倡环保节能、使用绿色能源的今天，蓄电池将 具有更加广阔的发展应用前景。 蓄电池按其采用原料分，目前主要应用的多为铅酸蓄电池、镍镉蓄电池、镍氢蓄 电池及锂离子电池。其中铅酸蓄电池由于具有能够储存大量的电能、提供电流范围宽 （从几安培到几百安培的电流）、价格低的特点，主要应用在工农生产中；而锂

12、离子 电池由于具有体积小、重量轻、安全可靠的特点，则广泛应用于各类小型设备、通讯 设备与日常生活中。 虽然蓄电池产品不断更新换代，但就其充电方法上来讲却基本上仍然采用较为老 套的常规方法，已经无法满足蓄电池生产企业对其产品质量检测控制、工农业生产和 国防建设发展的需要，严重的影响了蓄电池产品的应用质量和使用寿命，制约与阻碍 了蓄电池产品的发展。 1.1.2、铅酸蓄电池的工作原理 铅酸蓄电池由正极板(二氧化铅)、负极板(海棉状铅)以及电解液(硫酸)组成。充 电时，硫酸铅通过氧化还原反应分别恢复成二氧化铅和铅，电解液中的硫酸浓度增大。 放电时，正极板的二氧化铅和负极板的铅与电解液中的硫酸反应，生成

13、硫酸铅，电解 液中的浓度降低。 在充放电状态下，铅酸蓄电池的正、负极板上在进行不同的化学反应，产 生正负离子形成电流，称为成流反应。 正极的成流反应式： OHPbSOeHSOHPbO 2242 223 负极的成流反应式： 44 2PbHSOPbSOeH 电池的总反应式： OHPbSOSOHPbPbO 24422 222 反应的中间过程可以表示为： ePbPb2 2 HPbSOHSOPb 44 2 式中左方向为放电反应，右方向为充电反应。 研究发现:电池充电过程对电池寿命影响最大，放电过程的影响较少。也就是说， 绝大多数的蓄电池不是用坏的，而是“充坏”的。由此可见，一个好的充电器对蓄电 池的使用

14、寿命具有举足轻重的作用。 1.1.3、蓄电池的充电理论基础 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 1.1 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。 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

15、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。 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。 1.1.4、充电方法的研究 （1）、常规充电方法 a、恒流充电法： 恒流充电法是用调整充电装置输出电压或

16、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。该控制方法简单，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。 b、 阶段充电法： 此方法包括二阶段充电法和三阶段充电法。 二阶段充电法: 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。 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

17、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。 c、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。 （2）、快速充电方法 为了能够最大限度地加快蓄电池的化学反应速度，缩短

18、蓄电池达到满充状态的时 间，同时，保证蓄电池正负极板的极化现象尽量地少或轻，提高蓄电池使用效率。快 速充电技术近年来得到了迅速发展。下面介绍目前的其中一种快速充电方法：脉冲式 充电法，这种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，从而打破了蓄电池指数充电接受曲线的限制，这也是蓄电池充电理论的新发展。 脉冲充电方式首先是用脉冲电流对电池充电，然后让电池停充一段时间，如此循 环，如图 1.5 所示。充电脉冲使蓄电池充满电量，而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

19、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。间歇脉冲使蓄电池有较充分的反应时间，减少了析气量，提高 了蓄电池的充电电流接受率。 1.2、课题的应用背景 蓄电池因其可循环再充电的特性，以及成本低廉、使用安全、无污染等优点，在 目前的工农业生产中的需求正日益增大。相应的，免维护蓄电池的快速充电技术也引 起了普遍地关注。 一方面，传统的充电方法充电时间过长，远不能适应现代生产和生活的需要。资 料表明，使用传统的恒压或恒流充电方法一般需要大约 20 小时左右的时间才能充满。 另一方面，充电技术不能适应免维护蓄电池的特殊要求，会严重影响蓄电池的寿命。 国内外多年来的实践证明，免维护电池浮充电

20、压偏差 5%，电池的浮充寿命将减少一半。 统计数据表明，国内通信设备和 UPS 中的免维护电池很难达到规定的浮充寿命(1216 年)，大量的免维护电池在使用几年后即报废，造成巨大的经济损失。在其他方面，由 于充电方法不正确，免维护电池也很难达到规定的循环寿命。 1.3、课题的研究意义 蓄电池作为一种能源变换器，充电时将电能转变成化学能储存起来，而放电时将 化学能转变为电能。充电是放电的逆反应，充电的反应物就是放电的生成物，所以充/ 放电过程对于蓄电池来讲是十分重要的。但在以往的蓄电池实际使用中，往往过分强 调蓄电池的放电能力与使用寿命，常常忽略了蓄电池充/放电过程对其产生的严重影响。 研究与实

21、践表明，蓄电池组的寿命远远不及单体电池的寿命。蓄电池组的循环寿命往 往达不到厂商标称值。很大部分原因是由于蓄电池组中电池单体不均衡。对电池组充 电时，目前普遍采用单一电源对串联电池组进行充电，此时流过各单体电池的电流大 小相同，然而由于电池的化学，运行温度与湿度存在一定差异，可能导致电池的特性 有所不同，单个电池的容量就不一致。 研究蓄电池组均衡充电是一个非常重要的课题，充电不均衡是影响蓄电池组寿命 的主要因素之一。蓄电池在循环使用的条件下，对充电条件的要求更为严格，同样的 电池，在不同的充电条件下，会出现很大的差异，即所谓的电池的不一致性。蓄电池 的不一致性极大地降低了电池的使用水平，严重影

22、响了装置的寿命，危及系统的安全。 因此，研究一种有效的充电均衡方法，弥补蓄电池在使用过程中电池的不一致性，最 大限度地发挥电池的效用，延长电池的使用寿命，增加系统的安全性，是十分必要的。 第二章 串联蓄电池组均衡法 2.1、引言 由于单体蓄电池电压和容量有限，因此大部分蓄电池系统使用的都是电池组，这 些蓄电池组由单体蓄电池串联或并联而成。在循环充放电过程中，由于各蓄电池化学 组分的差异，蓄电池运行历史的不同，蓄电池的不一致性会不断扩大，导致在同一充 放电条件下蓄电池充电终止电压不同。若让电池系统在该情况下运行而不加以管理， 蓄电池的使用寿命以及系统的可靠性均会受到影响。为了延长电池组的使用寿命

23、，必 须使所有的蓄电池单体均保持在同样的放电深度，通过均衡充电的方法可加以解决。 2.2、蓄电池的不一致性 蓄电池的不一致性是指同一型号规格的电池的电压、内阻、容量等参数存在差异。 产生这种差别的主要原因有两个方面:一是在制造过程中，由于工艺和材料均匀性问题， 使得同批次出厂的同型号电池的容量、内阻等不完全一致;二是在电池装车使用时，由 于电池组中各个蓄电池电解液密度、温度和通风条件等的差别，增加了蓄电池的不一 致性。在使用过程中，造成蓄电池的不一致性扩大的原因有：蓄电池过充电、充电接 受能力的差异和过放电的影响。 2.3、蓄电池组中各蓄电池容量不一致的影响 如上所述，组成蓄电池组的各电池的内

24、阻、容量等参数的不一致性，会使电池组 中容量低的蓄电池更容易过充电和过放电，从而使蓄电池组陷于电池极板硫化加剧， 容量差距更进一步拉大的恶性循环中。这不仅缩短电池的使用寿命，而且还会因为蓄 电池极板硫化而内阻增大和有效活性物质减少，从而使蓄电池组充放电转换效率、输 出功率和装置性能下降。 2.4、各种均衡充电的方法 串联蓄电池组均衡是指对串联蓄电池组中不同的电池(或电池组)采用差分电流。 串联蓄电池组中每个蓄电池的电流通常是一样的，因此必须给蓄电池组增加额外的元 件和电路来实现蓄电池均衡。 电池组在串联充电过程中通过一定的装置和控制规则使每个电池单体都能充到自 己的最大电量而又不过充。如果没有

25、充电均衡，那么由于蓄电池单体状况不一致，而 流过其中的电流却是一样的。这样，若充电的控制规则以大容量电池的充电情况作为 判据，则小容量电池必定过充;相反，若以小容量电池的情况作为判据，则大容量电池 不能充满。目前国内外对于蓄电池的充电均衡方面做得比较成熟，有很多充电均衡的 资料和系统可供借鉴。大致而言，充电均衡电路可分为以下几类: 2.4.1、电池单体电压均衡法 如图 2.1 所示为蓄电池单体电压均衡法的拓扑结构。在每个单体蓄电池上附加一 个均衡电路，它可以起到分流作用。其中，最简单的方法就是在串联电池组中的每个 单体蓄电池都并联一个大电阻。电压较高的蓄电池将会在并联的电阻上消耗较多的能 量，

26、尽管这种方法简单，而且便于实施，但这种方法是以消耗大量能量为代价。而且， 电阻的大小难以确定，太大均衡效果不明显，太小功耗却较大。 另外，还可以利用三极管和电阻进行串联来实现 ICE，在这种模式下，当某个蓄电 池首先达到满充时，其均衡装置能阻止其过充并将多余的能量转化成热能，同时可以 对没有充好的蓄电池继续充电。虽然这种方法也会消耗大量能量，但与纯电阻实现 ICE 相比较要优越得多。 2.4.2、电容切换均衡法 如图 2.2 所示为电容切换均衡法，这种方法是利用电容在蓄电池组间来回切换实 现电压均衡充放电，通过单刀双掷的双向开关进行切换。每个电容都与相邻的两个蓄 电池相连。均衡充电时，电容通过

27、其控制开关交替地与相邻的两个蓄电池相连，接受 电压高的电池充电，并向电压低的电池放电，直到两电池电压趋于一致。 这种方法不用消耗能量，效率明显高于上种方法，因此实际应用中较为常见。但 是这种方法由于引进电容，所以均衡频率受到一定限制。 2.4.3、多绕组变压器均衡法 图 2.3 所示为多绕组变压器均衡法拓扑结构。理论上，如果变压器的副边绕组匝 数相等时，它们就能提供相同的电压对各单体蓄电池充电，由此达到电压均衡的目的。 然而实际上，任何相互耦合的绕组之间的耦合系数都不可能为 1，因此在实际应用中我 们必须考虑变压器的漏感，还有副边绕组之间的互感，在这种情况下，即使副边绕组 的匝数完全相同，它们

28、也未必提供相同的充电电压。所以，这种方法的重点是如何减 小绕组的漏感和互感的影响。 第三章 总体设计 3.1、系统的设计要求 3.1.1、系统的基本功能 1.充电过程可以在系统的控制下智能地快速地完成； 2.充电过程中，实时监测并显示电池的电压和温度； 3.电池充满电后，自动转入浮充状态。 3.1.2、系统的理想技术指标 根据实际需要，设计的充电系统应该满足对相应蓄电池进行理想的快速充电。因 此对本系统的电源提出下面的理想技术指标： 一、充电电源空载输出电压40V 蓄电池组由 8 节蓄电池构成，每节电池的充电极限状态或高阻抗电池的充电饱和 电压为 5V，则 8 节电池的极限端电压为 85V=4

29、0V，因此电源开路电压必须在 40V 以 上。 二、电源的充电电流可在 04A 范围内调整 在充电系统的工作中，应能够根据使用者的需要来改变充电电流的大小。根据实 际情况，我们要求充电电源可以输出的充电电流的大小可由程序控制，在 04A 范围 内调整。 3.2、充电方法的选择 充电方法的选择是非常重要的，不同的充电方法，其充电速度的差别可能很大， 导致的充电效果的差距也会很大。针对传统充电方法充电缓慢，安全性能不好等缺点， 本系统选择的快速充电方法，一方面要求能够最大程度地加快蓄电池的化学反应速度， 缩短蓄电池达到满充状态的时间，提高充电速度:另一方面，又要保证蓄电池负极的吸 收能力足以及时地

30、吸收正极所产生的氧气，以避免电池的极化现象。以这种标准为出 发点，选择了分级电流脉冲快速充电法。在快速充电过程中，采用定电压脉冲快速充 电法，将充电电流分为三级，如图 3.1 所示。开始充电时采用大电流，随着容量的增 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 压的升高而分级减少。采用这种方法可以消除充电接近充满时出现的振荡现象及过充 电问题。 3.3、系统总体框图 交流 220V 的电流，经变压器降压成 66V 的交流电，再通过桥式整流和滤波器后， 转换成较为平滑的直流量。而单片机通过发出脉冲控制信号，控制开关管的导通与截 止，从而对蓄电池组进行充/放电，如图

31、 3.2 所示。图中的电池端电压采样装置和电池 组温度检测装置，分别对蓄电池组中的每节电池的端电压和电池组的周围环境温度进 行实时检测，通过放大电路放大后，将检测的信号送 A/D 转换器转换成数字量，输入 到单片机上。单片机内部经过一系列运算，求出由于温度变化而引起的充电电压变化 量 U，将该值经 D/A 转换后转换成模拟量，输入到减法运算器上，使充电电压适应周 围环境温度的变化。这里还有一个均压装置，对串联蓄电池组进行电压均衡操作，使 各节蓄电池的充电状态尽量接近一致。 第四章 各电路（元件）的设计 4.1、单片机的选择 目前常用的单片机主要有 MCS-48、51、96 系列。其中，MCS-

32、96 系列是 16 位单 片机。而 MCS-51 系列单片机是目前 8 位微机中性能价格比最佳，应用较多的系列产 品。MCS-51 系列单片机包括 8051、8751、8031 三种产品。它们的功能相同，主要区 别在于： 8051 片内有 4KB 的 ROM； 8751 片内有 4KB 的 EPROM； 8031 片内无 ROM 或 EPROM，使用时必须配置外部的程序存储器 EPROM。 本系统的精度要求不高，8 位的单片机已经足够了，而且运行程序不多，可以直接 选用有 ROM 的 8051 单片机，无需另外扩展程序存储器。它有 4KB 的 ROM 和 128B 的 RAM，其管脚图见8所示

33、。 它有四个 8 位的并行 I/O 口，分别记作 P0、P1、P2、P3。其中 P0 是访问外存储器 的低位地址和数据总线。P2 口，在访问外存储器时，输出高位地址字节。P3 口具有第 二功能，它实现第二功能时，必须在相应的输出锁存器里写入“1” 。这四个 I/O 口的 输入低电平：-0.50.8V；输入高电平：2.0VCC+0.5V；输出低电平：0.45V；输 出高电平：2.4V。 4.2、整流电路的设计 整流电路是将交流电压变换为单向脉动电压。为了有效地利用交流电源的正负极 性，本设计选择了桥式整流电路。而其中的整流元件有晶体二极管、电子二极管或晶 闸管，这里选则最常用的晶体二极管作为整流

34、元件。 如图 4.2 所示，它利用了晶体二极管的单向导通性，在正电流时，晶体二极管 1 和 3 导通，而在负电流时，晶体二极管 2 和 4 导通，这样就使输出端输出单向的电流。 4.3、滤波器的选择 滤波器是减小整流电压的脉动程度，以适合负载的需要。目前，常用的滤波器有 电容滤波器、电感电容滤波器、 形滤波器等。 4.3.1、电容滤波器（C 滤波器） 如图 4.2 所示，它的电路简单，输出电压较高，脉动也较小；但是外特性较差， 且有电流冲击。因此，电容滤波器一般用于要求输出电压较高，负载电流较小并且变 化也较小的场合。 4.3.2、电感电容滤波器（LC 滤波器） 如图 4.3 所示，电感电容滤

35、波器比 C 滤波器能滤掉更多的交流分量，可以得到甚 为平直的直流输出电压。 但是，由于电感线圈的电感较大（一般在几亨到几十亨的范 围内） ，其匝数较多，电阻也较大，因而其上也有一定的直流压降，造成输出电压的下 降。具有 LC 滤波器的整流电路适用于电流较大、要求输出电压脉动很小的场合，用于 高频时更为适合。 4.3.3、 形滤波器 如图 4.4 所示， 形滤波器的滤波效果是三者中最好的，所以这种滤波电路主要 适用于负载电流较小而又要求输出电压脉动很小的场合。 4.3.4、滤波器的选定 由于蓄电池的充电电压对其寿命和容量的影响较大，若充电电压过大，则会造成 过充，严重地降低了蓄电池的实际寿命；反

36、之，若充电电压过小，则使蓄电池充不足。 因此，要选用脉动很少的 形滤波器。在选择器件时，选择低频电感，电感量为几十 微亨。因为电感量太大，相应的直流电阻大，负载电流流过电感时，电感上的压降也 大，使负载两端电压降低；若电感量太小，滤波效果差。而滤波电容可用两个容量相 同的铝电解电容，由于变压器次级电压为 60V，负载电流较大，故两个电容可选几千 微法的电容。 4.4、开关管的选择 考虑到功率器件的开关速度、价格成本和驱动电路的简洁，本设计中选用 MOSFET 作为主功率开关管。 开关管所需承受的最高电压 20V，考虑到电压裕量可以选用额定电压为 50V 左右 的开关管。考虑到电感有 10%的电

37、流波动，则通过它的最大电流为 5A。 综合考虑额定电压和额定电流的选取，设计中开关管选用 VN05M10，其额定电压 为 50V，额定电流在 25壳温时为 10A。 如图 4.5 所示，系统在对蓄电池进行充电操作时，由 MOS 型场效应管 VN05M10 构成的功率单元通过 60V 直流母线供电，源极通过均流电阻与串联蓄电池组构成串联 回路，通过改变栅极电压控制 VN05M10 输出电流的大小对充电电流进行控制，实现 对串联蓄电池组的可控充电。 4.5、放电电路的设计 为了实现蓄电池组的间歇性放电，可以利用单片机发出的电压控制信号，来控制 场效应开关管的状态。同时，以防放电电流倒流，这里使用二

38、极管来限制电流的流向， 如图 4.6 所示。 4.6、采样电路 蓄电池充/放电系统主要的测量是充/放电电流与蓄电池端口的电压，而这里我们 测量的是蓄电池的端电压以及蓄电池组的温度变化。对于电压量的测量在测量领域来 讲是较为常见的测量，但是由于本课题设计的蓄电池充/放电系统是针对多个蓄电池进 行充/放电测量与控制的系统，其电压的实际测量存在一些需要解决与克服的实际问题， 下面将对这些问题提出切合实际的解决办法。 4.6.1、蓄电池端电压的采样电路 a、端电压的采样 对蓄电池组进行测量要考虑的首要问题是每节蓄电池之间都有电位的联系，由于 蓄电池组中的蓄电池数量较多，整组电压很高，因此直接测量比较困

39、难。目前对蓄电 池组监测的采集方式都是采用双刀继电器进行切换，如图 4.7 所示。 由图 4.7 中可见，每一节蓄电池的两端都与一只双刀继电器的两对动合触点相连 接。这样，当继电器都不动作时，所有蓄电池均与测量回路断开。当需要测量某只蓄 电池时，所对应的那只继电器闭合，以使该蓄电池的负端接到测量电路的地端，蓄电 池的正端经缓冲器进入 A/D 转换器。此时其他蓄电池与测量电路仍处于隔离状态，因 而对测量没有影响。用此方法虽可完成对蓄电池组的测量，但需要的继电器太多，仪 器的体积大，功耗和成本及故障率也较高。 而本系统采用的是双单刀单掷模拟开关来完成对被测量的蓄电池的切换。如图 4.8 所示，通过

40、八路模拟开关 DG845 分时依次驱动模拟开关 AD7512DIKN，把每节蓄电池 电压选送到采样总线 V+与 V-上。例如：当单片机的 P2.0P2.2 分别为 000 时， DG845 的 A0、A1 和 A2 为 000，则 S1 被选通。驱动第一个模拟开关 AD7512DIKN 的 双单刀，使其接到第一节蓄电池的两端，这时蓄电池的端电压通过 OUT1 和 OUT2 输 出信号处理电路上。而此时其它蓄电池都与数据处理电路断开连接，不会对所输出的 电压产生影响。 （DG845 的真值如表 4.1） b、数据处理电路 由图 4.8 可知，OUT1 和 OUT2 输出的电压是蓄电池的端电压。由

41、于蓄电池端电 压在 25V 之间变化（当其低于 2V 时，就会自动启动均充器进行充电；当其高于 5V 时，就会触发报警电路并停止充电。 ） ，其电压值在 A/D 转换器的输入电压范围内，故 无需电压放大电路。但本设计中采用的蓄电池组串充，在某一节蓄电池的任何一端的 电位都可能高于 5V，而这里的采样电压是每一节蓄电池两端的电位差，这个值才在 25V 之间。因此，设计中采用了一个减法运算器，它是利用运算放大器的减法运算 功能，如图 4.9 所示。 减法运算器的输出电压 U= Uout1 (1+)-Uout2 32 3 RR R 1R Rf 1R Rf 为了式 U= Uout1- Uout2成立，

42、应使 R1=Rf，则 R2+R3=2,而这里使 R2= R3=1k，R1= Rf=2 k。 表 4.1 DG458 的真值表 4.6.2、蓄电池温度采样 温度对蓄电池的容量有一定的影响。当环境温度偏离标准温度而升高时，将使蓄 电池水分散失，加大了电液浓度；其次，蓄电池温度高会加速合金腐蚀速度，长期处 于这一环境中的蓄电池板栅可因之而穿孔损坏，易使活性物质附着减弱而脱落。由此 看出，环境温度的升高，虽使容量有所增加，但高温又使蓄电池板栅腐蚀剧增，严重 地阻碍着电极反应，降低了容量的增加。此外，蓄电池的充电电压要随环境温度的变 化而作出相应的调整。如果环境温度超出标准温度 25时，应将充电电压降低

43、，否则 必将引起蓄电池过充和过热，从而使其使用寿命降低、甚至损坏。若温度低时，由于 充电电压增大，同样会引起充电电流增大、板栅腐蚀加速、寿命提前终止等一系列的 问题。而在本系统中，对温度进行监控，以此作为温度补偿的一个参数。 目前国内常用的温度传感器是热敏电阻，该温度传感器是非线性传感器，在使用 过程中必须外加补偿电路，电路复杂，体积较大。在课题中，我们选用新型的 LM35 系列集成温度传感器。LM35 系列是精密集成温度传感器。它是直接以摄氏度为测量标 准，不是以绝对温度为标准。其线性比例系数为 10mV/。它的测量精度较高，在 25时的测量精度达到 0.5，非线性误差典型值为士 1/4.这

44、个测量精度满足系统 的要求。同时它还具有低输出电阻的特性，当负载电流为 1mA 时，输出电阻仅为 0.1。其工作电流范围从 400uAmA，工作温度范围在-55+150之间。 如图 4.10 所示为温度传感器接线图。我们设定的温度测量范围为 0100，则输 出电压 V1范围为: V1=0+10mV/100=1V 为了使 A/D 转换的输入统一到 05V，我们使用了比例放大器，通过比例放大， 使输出的 V2达到合适的范围，从而满足了系统的要求。 V2=(1+4/1)V1=5V1=5V 4.7、蓄电池电压均衡电路 前面已经提过，用电容与蓄电池并联可使每一节电池的电压趋于均衡。故这里在 此基础上，运

45、用模拟开关 AD7512DIKN 来达到所要的目的，如图 4.11 所示。 4.8、A/D 转换器的选择 本设计的采样电压最大为 5V，则一般的 8 位 A/D 转换器的分辨率为 mV 5 . 1910 2 1 5 3 8 而这里的采样电压精度在 50mV 左右(设计中，电池端电压的采样电压精度取 0.1V；而 温度采样精度取 1，由于温度传感器的线性比例系数为 10mV/，故有 110mV/ =10mV，经比例放大器放大后，精度为 510mV=50mV)，也就是说 8 位 A/D 转换器就可 以满足要求，故可采用较常用的 ADC0809 进行模数转换。其引脚图见10，它是带 有 8 位 A/

46、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；是逐 次逼近式 A/D 转换器，可以和单片机直接接口。它由一个 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。 ADC0809 对输入模拟量要求：信号单极性，电压范围是 05V，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

47、样保持电路。 ADC0809 应用说明如下 ： （1）ADC0809 内部带有输出锁存器，可以与 8051 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。 其主要技术指标和特性如下： 分辨率：8 位 转换时间：取决于芯片时钟频率，转换一次时间为 64 个时钟周期，当 CLK=500KHz 时，转换时间 T=128s，

48、最大允许值为 800KHz。 单一电源：+5V 模拟输入电压范围：单极性 0+5V；双极性5V，10V 具有可控三态输出锁存器 启动转换控制为脉冲式（正脉冲） ，上升沿使内部所有寄存器清零，下降沿使 A/D 转换开始 这里的采样电压和温度共用一个 A/D 转换器，因此它们要分时送入到 A/D 转换 器里，不能同时进行。对于外部环境来说，温度变化是非常缓慢的，而采样电压在任 一节蓄电池的端电压控制下，也是变化非常微小的，它们在 A/D 转换器转换期间可以 认为是不变的，故这里无需用采样保持电路。只要在单片机的控制下，对 A/D 转换器 中的 A、B 和 C 进行选择，即可实现分时采取电压和温度信

49、息。 4.9、显示电路 单片机应用系统中，常使用 LED（发光二极管） 、CRT 显示器和 LCD（液晶显示 器）等作为显示器件。其中 LED 和 LCD 成本低、配置灵活、与单片机接口方便，故 应用广泛。 数码显示器是单片机应用产品中常用的廉价输出设备。它是由若干个发光二极管 组成的。当发光二极管导通时，相应的一个点或一个笔画发亮。控制不同组合的二极 管导通，就能显示出各种字符。常用七段显示器的结构如图 4.12 所示，其中（a）为 共阴极， （b）为共阳极，(c)为管脚配置。发光二极管的阳极连在一起的称为共阳极显 示器，阴极连在一起的称为共阴极显示器。这种笔画式的七段显示器，能显示的字符

50、数量较少，但控制简单、使用方便。 实际使用的 LED 显示器都是多位的。对多位 LED 显示器，通常都是采用动态扫 描的方法进行显示，即逐个地循环地点亮各位显示器。这样虽然在任一时刻只有一位 显示器被点亮，但是由于人眼具有视觉残留效应，看起来与全部显示器持续点亮效果 完全一样。 为了实现 LED 显示器的动态扫描，除了要给显示器提供段（字形代码）的输入之 外，还要对显示器加位的控制，这就是通常所说的段控和位控。因此多位 LED 显示器 接口电路需要有二个输出口，其中一个用于输出 8 条段控线（有小数点显示） ；另一个 用于输出位控线，位控线的数目等于显示器的位数，如图 4.13 是使用 815

51、5 作四位 LED 显示器的接口电路。其中 C 口为输出口（位控口） ，以 PC0PC0输出位控线。由 于位控线的驱动电流较大，8 段全亮时约 4060mA，因此 PC 口输出加 74LS06 进行反 相和提高驱动能力，然后再接各 LED 显示器的位控端。A 口也为输出口（段控口） ，以 输出 8 位字形代码（段控线） 。段控线的负载电流约为 8mA，为提高显示亮度，通常加 74LS244 进行段控输出驱动。 4.10、D/A 转换器的选择 D/A 转换是将数字量信号转换成与此数值成正比的模拟量。对于蓄电池串充系统， 若温度变化，而蓄电池的温度系数为，则对于 8 节蓄电池来说，其总的充1mV

52、/4 电电压变化为。当 8 位 D/A 转换器输入的基准电压为-5V 时，mVmV321/48 它的分辨率为，即 8 位 D/A 转换器mVmVVVV REF 325 .1910 2 1 5 2 1 3 88 0 （ 的已经符合精度要求。故这里可以选用了 DAC0832 转换器，引脚图见10 。其主要 指标如下： 分辨率：8 位 电流稳定时间：1s 可单缓冲、双缓冲或直接输出 单电源供电 低功耗：200mW 此充电系统中的 D/A 转换器是用来将外部环境温度的变化反馈到充电电压上，以 此达到智能控制充电电压的变化，使蓄电池处于较好的充电电压下进行充电。 4.11、时钟电路 时钟电路用于产生单片机工作所需要的时钟信号。在 8051 单片机内部有一个高增 益反相放大器，其输入端为引脚 XTAL1，其输出端为引脚 XTAL2。而在单片机的外部， XTAL1 和 XTAL2 之间跨接晶体振荡器和微调电容，从而构成了一个稳定的自激振荡 器，这就是单片机的时钟电路。如图 4.14 所示。 时钟电路产生的振荡脉冲经过触发器进行二分频之后，才成为单片机的时钟脉冲 信号。一般电容 C1 和 C2 取 30pF 左右。晶体的振荡频率范围是 1.2MHz12MHz。晶 体振荡频率高，则系统的时钟频率也高，单片机运行速度也就快。但反过来运行速度 快对存储器的速度要求就高，对印刷电路