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铅酸蓄电池智能充电器综述
2010届本科毕业论文（设计）
论文（设计）题目铅酸蓄电池智能充电器
学生姓名：
所在系别：
___新科学院
所学专业：
___电子信息工程
导师姓名：
__
完成时间：
2010年05月25日
铅酸蓄电池智能充电器
摘要：
本系统以AT8952单片机为核心，使用大功率开关电源，利用ＰＷＭ脉宽调制产生可用软件控制的充电电源，以适应不同阶段的充电电流的要求。
温度传感器对电池温度进行监测，并通过Ａ/Ｄ转换和实时采集电池的电压、电流，对充电过程进行智能控制，以判断电池到达哪个阶段，同时在适当时候对电池进行放电，并不断对电池的内阻进行实时监测，最后达到使用充电时间最短，对电池修复效果最好的目的。
本设计还具有液晶显示充电状态功能，还可以通过串口和上位机实现单片机与电脑通信，从而利用上位机对充电电流、电池电压、放电电流、以及充放电相关曲线等进行显示。
关键字：
开关电源，铅酸蓄电池，智能充电器
Abstract:
ThissystemAT8952microcontrollercore,usinghigh-powerswitchingpowersupply,useofavailablesoftwaregeneratedPWMpulsewidthmodulationcontrolofthechargingpowersupplytomeetthedifferentstagesofchargingcurrentrequirements.Temperaturesensortomonitorthebatterytemperature,andthroughA/Dconversionandreal-timeacquisitionbatteryvoltage,current,intelligentcontrolofthechargingprocess,todetermineatwhatstagethebatterytoreach,whileattheappropriatetimetodischargethebatteryandkeepthebatteryreal-timemonitoringofinternalresistance,andfinallyreachedtheshortestchargetime,batteryrepairbestpurpose.
ThedesignalsofeaturesaliquidcrystaldisplaychargestatuscanalsobeachievedthroughtheserialportandPCmicrocomputerandcomputercommunications,whichusePConthechargecurrent,batteryvoltage,dischargecurrent,andtherelatedchargeanddischargecurvestodisplay.
Keywords:
switchingpowersupply,lead-acidbatteries,smartcharger
目录
目录4
引言5
1.方案论证与比较5
1.1电源模块5
1.2充电方法5
3、工作原理6
2.1电源电路7
2.2延时与报警电路9
2.3充、放电与维护电路10
2.4数据采样与转换电路10
2.5温度传感电路12
2.6显示电路12
2.7上位机通信模块12
3、单片机软件设计13
3.1软件功能13
3.2流程图14
4、安装与调试14
5、结论14
参考文献16
附录1电路原理总图17
附录2（程序清单）：
18
附录3（元器件清单）：
27
引言
铅酸蓄电池是目前世界上广泛使用的一种化学电源，该产品具有良好的可逆性，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）及造价低廉等优点而得到了广泛的使用。
是社会生产经营活动中不可缺少的产品。
但是，若使用不当，其寿命将大大缩短。
影响铅酸蓄电池寿命的因素很多，而采用正确的充电方式，能有效延长蓄电池的使用寿命。
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寿命具有举足轻重的作用。
而且，传统充电器的充电策略比较单一，只能进行简单的恒压或者恒流充电，以致充电时间很长，充电效率降低。
另外，充电即将结束时，电池发热量很大，从而造成电池极化，影响电池寿命。
针对上述问题，设计了一种智能充电器，尽量延长铅酸蓄电池的使用寿命。
1.方案论证与比较
1.1电源模块
1.1.1方案一普通电源：
市电经过电源变压器将高压交流电转化成低压交流电，再通过整流滤波，将交流电转化为直流电，滤除整流输出的剩余交流成分，最后输出稳定的直流电压。
它具有输出电压稳定、波纹小等优点，但是电压范围小，效率低。
1.1.1方案二开关电源：
市电进入电源，首先要经过扼流圈和电容，滤除高频杂波和同相干扰信号。
然后再经过电感线圈和电容，进一步滤除高频杂波。
接下来再经过由4个二极管组成的全桥电路整流（也有半桥等其他电路），和大容量的滤波电容滤波后，电流才由高压交流电转换为高压直流电。
经过了交直转换后，电流就进入了整个电源最核心的部分：
开关电路。
开关电路主要由两个开关管组成，通过它们的轮流导通和截止，便将直流电转换为高频率的脉动直流电。
接下来，再送到高频开关变压器上进行降压。
经过高频开关变压器降压后的脉动电压，同样要使用二极管和滤波电容进行整流和滤波，此外还会有1、2个电感线圈与滤波电容一起滤除高频交流成分。
最后成为设备所需要的较为纯净的低压直流电。
它是近代普遍推广的稳压电源，具有效率高、电压范围宽，输出电压相对稳定等特点。
所以，本设计选取方案二。
1.2充电方法
1.2.1方案一恒流充电法：
电流维持在恒定值的充电。
是一种广泛采用的充电方法。
。
此法的优点是可以根据蓄电池的容量确定充电电流值，直接计算充电量并确定充电完成的时间。
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，充电电流多用于电解水，产生气体，使出气过甚。
1.2.2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。
用恒定电压快速充电，如图2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。
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。
1.2.3方案三变电压变电流波浪式间歇正负零脉冲快速充电法：
脉冲充电法充电电路的控制一般有两种：
1）脉冲电流的幅值可变，而PWM（驱动充放电开关管）信号的频率是固定的；2）脉冲电流幅值固定不变，PWM信号的频率可调。
变电压变电流波浪式正负零脉冲间歇快速充电法如图（3）所示采用了一种脉冲电流幅值和PWM信号的频率均固定，PWM占空比可调，在此基础上加入间歇停充阶段，能够在较短的时间内充进更多的电量，提高蓄电池的充电接受能力。
所以选择方案三。
3、工作原理
智能充电器系统工作原理如下所示。
主要包括电源变换电路、PWM控制器、电容电感储能电路、充电电路、电池组、放电电路、采样电路、上位机等，形成了一个闭环系统。
总体流程图
2.1电源电路
本设计中脉宽调制器（PWM）UC3842是开关电源的核心。
它能产生频率固定而占空比可调的控制电压,通过改变开关功率管的通断状态，来调节输出电压的高低，实现稳压目的。
例如由于某种原因V0升高时，就改变控制电压占空比，使斩波后的电压平均值下降，导致V0下降，使V0趋于稳定，反之亦然。
UC3842的工作温度是0~+70℃，最高输人电压为30V，最大输出电流为1A，能驱动双极型功率管或VMOS管。
（1）UC3842的结构、功能及工作原理
UC3842采用DIP—8封装，管脚排列如图（4）所示。
第脚1是补偿脚。
外接阻容元件以补偿误差放大器的频率特性。
第2脚是反馈端，将取样电压加至误差放大器的反相输入端，再与同相输入端的基准电压进行比较，产生误差电压。
第3脚接过流检测电阻，构成过流保护电路。
第4脚RT/CT为锯齿波振荡器外部定时电阻与定时电容公共端。
引脚8为内部基准电压VRET=5.0V。
引脚7为输入电压。
引脚6为输出电压v0则取决于高频变压器的变压比。
引脚5为接地端。
Uc3842
（2）主要参数的确定
由UC3842构成的开关电源属于单端反激变换器式。
其工作频率尽管可达500KHZ，但受制作工艺、开关功率管频率特性等因素的限制，通常将f0设计在几十千赫以下。
使VMOS管时，f0约等于40KHZ，用双极型开关功率管时，f0约等于20KHZ为宜，当电路起振后，用示波器从UC3842的第4脚可观察到幅度约为1.5V，周期为25us的锯齿波。
下图所示电路既是开关电源的整体电路图
图（5）开关电源
由上面的公式可以计算出N1为55匝，采用单股
0.5mm高强度漆包线；N2为7匝，采用单股
0.5mm高强度漆包线；N3为8匝，采用双股
0.5mm高强度漆包线并联后绕制而成，其输出电压为22V。
N4为6匝，采用五股
0.5mm高强度漆包线并联后绕制而成，其输出电压为16V。
N5为4匝，采用单股
0.5mm高强度漆包线，其输出电压为9V，经7805稳压后输出5V电压。
由UC3842构成的开关电源电路如图（5）所示。
其基本工作原理是：
交流输人电压经过整流滤波电路变成直流电压V1，再被开关功率管斩波和高频变压器降压，得到高频矩形波电压最后经过整流、滤波获得所需要的直流输出电压。
图中C1和L1为电源噪声滤波器，T为高频变压器，开关功率管选用IRFPG50型VMOS管。
刚开机时，220V交流电压首先经过C1和L1滤掉射频干扰，再经过桥式整流和滤波，产生约+300V的直流电压，然后经R1降压后向UC3842提供16V的启动电压。
C2是滤波电容。
进人正常状态后，自馈线圈N2上的高频电压经过D2、C4整流滤波，就作为UC3842的正常工作电压。
R14是斜坡补偿电阻。
取R15=10u、C15=4700PF时，开关频率50
1.8/R15C15_50KHZ、C14是消噪电容，R18为过流检测电阻。
R16是VMOS管的栅极限流电阻。
由D3、C5、R2构成吸收回路，用以吸收尖峰电压。
D2，D3选用快恢复二极管。
D4，D5，D8为输出级的整流管，采用肖特基二极管，以满足高频、大电流整流之需要。
2.2延时与报警电路
当单片机开始工作的一瞬间，各端口均输出高电平，此时充放电路中的场效应管Q2和Q4同时导通，此电路的电流将瞬间很大，容易使电路中的器件损坏，故添加如图（6）所示的延时电路，PWIN1由单片机的P1.5端口控制，当其输出为高电平时，Q9导通。
PWIN2由单片机的P1.6端口控制，当其输出为高电平时，Q10导通。
PWIN3由单片机的P1.7端口控制，当其输出为高电平时，Q12导通
图（6）延时与报警电路
输出电铃信号
2.3充、放电与维护电路
接TL431的1脚
图（7）充放电维护电路
如图（7）所示，单片机AT89S52的P1.5，P1.6，P1.7口经过延时电路后控制充电电池的3个阶段。
电路上电后，由软件控制检测电池内阻，并判断其在电池的哪个阶段。
确定后，例如在维护阶段，通过控制P3_4，来调节R26的变化，来调节TL431电流的变化。
通过光藕合器来反馈到芯片UC3842，如图（5）所示。
调节后，来控制输出的变化，由电压器来调节输出电压的变化，以此来调节电压的变化。
从而达到三个阶段的转换。
2.4数据采样与转换电路
ADC0809是CMOS单片型逐次逼近式A/D转换器，内部结构如图（8）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。
ADC0809芯片有28条引脚，采用双列直插式封装。
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。
Vcc：
电源，单一＋5V。
GND：
地。
数据采样与转换电路的工作过程如图（8）所示：
由于ADC0809的时钟频率不高于640KHZ，单片机的时钟频率为22.118MHZ，所以将单片机的时钟频率经74LS293八分频后再提供给ADC0809使用，由74LS293的8脚输出至ADC0809的10脚CLOCK。
数据采样是利用AD0809模数转换芯片，对所需的四个点IN_0、IN_1、IN_2、IN_3的电压值采样，对采样值分别经过26、27、28和1端口输入ADC0809进行A\D转换。
由于AD0809采样值不能超过5V，所以经过了电阻分压。
首先由单片机P2.6和P2.7输入2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4路模拟输入IN-0、IN-1、IN-2和IN-3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，输出三态门打开，转换结果的数字量输出到数据总线上。
。
当EOC变为高电平时，这时给OE为高电平，转换的数据就由D0～D7输出给单片机了。
2.5温度传感电路
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充电电压，使蓄电池不被损坏，并且能充满电。
所以，我们专门设计了一个数字温度传感电路，如图（9）所示。
DS18B20的温度检测与数字数据输出全集成于一个芯片之上，抗干扰力更强。
其一个工作周期可分为两个部分，即温度检测和数据处理，检测温度范围为–55°C~+125°C（–67°F~+257°F）。
它可以将感应到的温度数值直接传递给单片机，单片机接到信息后通过内部程序选择充电参数值。
2.6显示电路
显示电路比较简单，用单片机编程控制LCD1602的显示，使LCD1602按照我们的需要显示，编写程序时需要严格按照其工作时序编写。
其外围电路电路连接如图（10）所示。
D0~D7端口接单片机P0口，由于P0端口已用于控制AD0809，为了解决端口冲突，加入74HC573锁存器。
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。
2.7上位机通信模块
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（11）所示。
人可以直接发出操控命令的计算机，一般是PC，屏幕上显示各种信号变化（液压，水位，温度等）。
，发出的命令首先给上位机，上位机再根据此命令解释成相应时序信号直接控制相应设备。
上位机不时读取设备状态数据（一般模拟量），转化成数字信号反馈给。
简言之如此，真实情况千差万别不离其宗。
上位机需要编程，都有专门的开发系统
3、单片机软件设计
3.1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。
3.2流程图
4、安装与调试
将PCB布置好后，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，要安装一个插座。
C语言源程序用KEICL51编译成目标文件即HEX文件，再用下载器将HEX文件写入AT89S52芯片。
5、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，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。
但是在设计时由于考虑不够全面，使用锁存器74HC573不当，导致LCD1602的数据不能回送而不能使用。
在调试电路板时，硬件布局也出现一些问题。
参考文献
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高等教育出版社，1999，第四版，106-111。
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高等教育出版社，2000，第四版，40-57
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高等教育出版社，2004.1。
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高等教育出版社，2004。
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北京：
北京理工大学出版社，2004，12-50。
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[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电路原理总图
附录2（程序清单）：
#include
#include
#defineuintunsignedint
#defineucharunsignedchar
#defineNop（）_nop_（）
sbitlcd_rs_port=P2^1;/*定义LCD控制端口*/
sbitlcd_rw_port=P2^2;/*定义LCD控制端口*/
sbitlcd_en_port=P2^3;/*定义LCD控制端口*/
#definelcd_data_portP0/*定义LCD控制端口*/
sbitDQ=P1^3;//定义DS18B20通信端口
sbita=P2^5;
sbitb=P2^6;
sbitALE=P2^7;
sbitEOC=P3^2;
sbitST=P2^0;
sbitOE=P3^6;
uintinfo;
ucharda[]="000a000b000c000d000";
/*1MS为单位的延时程序*/
voidinit（）/*串口定时器外部中断初始化*/
{
//TMOD=0x21;
//TH1=0xfd;
//TL1=0xfd;/*9600*/
//TR1=1;
//SCON=0x50;/*工作在方式1*/
P0=0x00;
P1=0x00;
P2=0x00;
P3=0x00;
EOC=1;
ALE=0;
ST=0;
OE=0;
}
voiddelay_1ms（ucharx）
{
ucharj;
while（x--）{for（j=0;j<125;j++）;}
}
voidlcd_delay（ucharms）/*LCD1602延时*/
{
ucharj;
while（ms--）{
for（j=0;j<250;j++）
{;}
}
}
voidlcd_busy_wait（）/*LCD1602忙等待*/
{
lcd_rs_port=0;
lcd_rw_port=1;
lcd_en_port=1;
lcd_data_port=0xff;
while（lcd_data_port&0x80）;
lcd_en_port=0;
}
voidlcd_command_write（ucharcommand）/*LCD1602命令字写入*/
{
lcd_busy_wait（）;
lcd_rs_port=0;
lcd_rw_port=0;
lcd_en_port=0;
lcd_data_port=command;
lcd_en_port=1;
lcd_en_port=0;
}
voidlcd_system_reset（）/*LCD1602初始化*/
{
lcd_delay（20）;
lcd_command_write（0x38）;
lcd_delay（100）;
lcd_command_write（0x38）;
lcd_delay（50）;
lcd_command_write（0x38）;
lcd_delay（10）;
lcd_command_write（0x08）;
lcd_command_write（0x01）;
lcd_command_write（0x06）;
lcd_command_write（0x0c）;
lcd_data_port=0xff;/*释放数据端口*/
}
voidlcd_char_write（ucharx_pos,y_pos,lcd_dat）/*LCD1602字符写入*/
{
x_pos&=0x0f;/*X位置范围0~15*/
y_pos&=0x01;/*Y位置范围0~1*/
if（y_pos==1）x_pos+=0x40;
x_pos+=0x80;
lcd_command_write（x_pos）;
lcd_busy_wait（）;
lcd_rs_port=1;
lcd_rw_port=0;
lcd_en_port=0;
lcd_data_port=lcd_dat;
lcd_en_port=1;
lcd_en_port=0;
lcd_data_port=0xff;/*释放数据端口*/
}
voidlcd_bad_check（）/*LCD1602坏点检查*/
{
chari,j
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