智能充电器业设计毕业设计Word文档下载推荐.docx
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2011.2月上——2011.2月中：
进行整体方案的上步设计，完成开题答辩准备。
2011.2月中——2011.3月上：
完成各模块的选型，完成总体方案的设计。
2011.3月上——2011.3月中：
完成硬件原理图的设计。
2011.3月中——2011.4月上：
完成系统软件的设计编程，准备中期答辩。
2011.4月上——2011.4月下：
调试软件程序。
2011.4月下——2011.5月中：
论文撰写，答辩准备。
指导教师：
（签字）
专业负责人／系主任：
（签字）
摘要
随着能源日益紧缺、大气污染加剧和人们环保意识的增强，以电动自行车作为交通工具，已成为人们的首选。
从我国国情和人们的消费水平出发，电动自行车具有广阔的发展前景。
作为电动自行车核心部件的电池及其充电器，其性能的优劣，直接影响电动自行车的质量状况，老式充电器主要是限流限压、恒流限压式充电器，这些充电器设计并不理想。
因此，研制性能良好的智能充电器，会带来显著的经济效益和良好的社会效益。
针对电动自行车充电技术的要求和电动自行车电池的特点，为了使电动自行车充电器获得良好的性能指标，必须寻找最佳的充电模式。
以Microchip（微芯）公司的PIC16F73单片机作为控制芯片，采用四模式充电技术：
涓流充电、大电流充电、过充电和浮充电组合起来的充电方式，设计了一种基于单片机控制的电动自行车充电器，电路简单可靠，参数调整方便，同传统充电器相比，具有充电时间短、能耗低、使用故障低等优点，使蓄电池具有较大的使用容量和较长的循环寿命。
关键词:
充电器PIC16F73单片机四模式充电技术蓄电池
Abstract
Asthesituationofthelackofenergy，environmentpollutiondeterioratesrapidlyandtheenhancementofenvironmentalawarenessamongthepeople,totakeelectricbicycleasameansoftransporthasbecomepeople'
firstchoice.Accordingtothesituationofournationandpeople'
consumptionlevel,theresearchanddevelopmentofelectricvehiclewouldhaveabrightfuture.Asthecorecomponentsofelectricvehicle,thebatteryandcharger’sperformanceplaysanimportantroleinthequalityofelectricvehicle,currentlimitedrestrictionsPressurechargerandtheconstantconstraintsPressurechargerarethemainchargersintheolddays,butthedesignofthesechargerisnotperfect.Therefore,researchonintelligentchargeringoodperformancewillbringnotableeconomicandsocialbenefit.
Inordertoobtainthegoodperformance,weshouldfindthebestchargingpattemforthedemandsofchargingtechniqueandthecharacteristicoftheelctricbicyclebatteris.PIC16F73microcontrollerisusedasthecontrollingchip,wedesignachagerwhichiscontrolledbySCM,usingfourmodleschargingtechnology.Thechargingpattem,whichiscomposedoftricklecurrentcharging,bulkcurrentcharging,overchargingandfloatcharging.Thecircuittopologyissimpleandreliable，theparametersareeasilytobeadjusted，comparedwitholdchargers,theperformancessuchastheshortchargingtime，lowenergylossesareeasilyobtained,thechargingbehavorsmakethebatteryhavegoodcapacitanceandalongcyclelife.
Keywords:
chargerPIC16F73SCMfour-modechargingtechnologyBattery
引言
由于电动自行车节能环保，已经成为人们重要的交通工具，目前限制电动自行车发展的主要因素是电动自行车的动力来源——电池，要想大力发展电动自行车，必须提高电池和充电器的质量[1].
铅酸蓄电池在100多年的历史中一直不断地在改进提高，特别是密封铅酸蓄电池因其成本低、适用性宽、可逆性好、技术和制造工艺较成熟、安全可靠、具有瞬间放电力强、大电流放电性能良好、使用温度范围广等综合因素，已成为商业化轻型电动自行车主要采用的电池。
充电器的发展经历了限流限压、恒流限压式充电器，而随着大规模集成电路的出现，充电设备进入了一个全新的自适应阶段，即自适应充电器。
充电系统由具有特殊功能的单片机控制，不断监测系统参数，同一充电器可适应不同种类电池的充电，充电器可以调整自己的输出电流，无需人工选择。
电动自行车的开发在全球范围内未能深入展开，其中，最重要也是最困难的一个问题是“充电”问题，主要是指充电模式和参数。
电动自行车动力电池与一般启动用电池不同，它以较长时间中等电流持续放电为主，间或以大电流放电，用于起动、加速或者爬波。
一般情况下电动自行车动力用电池多工作在深度放电工作状态，因此，对电动自行车动力电池的快速充电也提出了不同于常规电池的要求。
本课题就是要针对电动自行车动力电池的特点，以Microchip公司的PIC16F73单片机作为控制芯片，结合现行的各种充电技术和充电器设计方案，设计一款基于单片机控制的多模式智能充电器[2]，该充电器采用涓流充电、大电流充电、过充电和浮充电组合起来的充电模式，可达到最佳的充电效果，使智能充电器具有良好的性能指标，电路简单可靠，参数调整方便，使用故障率低，可有效延长电池的循环寿命，因此对环保、节能型电动自行车和充电器的设计和开发具有重要的意义。
1电动自行车智能充电器充电模式分析
由于目前铅酸蓄电池的使用仍占市场的95%，大量电动自行车仍然使用铅酸电池作为动力电池，因此本课题以密封免维护铅酸蓄电池作为研究对象，进行电动自行车动力电池智能充电器的设计和实现[3]。
1.1密封免维护铅酸蓄电池的结构和工作原理分析
密封免维护铅酸电池由正负极板、隔板、电解液、安全阀、气塞、外壳等部分组成[1],正极板采用铅钙合金或铅镉合金、低锑合金，提高了负极析氢过电位，从而抑制氢气的析出；
负极板采用铅钙合金，整个电池反应密封在塑料电池壳内，隔板采用超细玻璃纤维隔板[4]，电池顶部装有安全阀，当电池内部气压达到一定数值时，安全阀自动开启，排出多余气体；
电池内气压低于一定数值时，安全阀自动关闭。
顶盖上还有内装陶瓷过滤器的气塞，它可以防止酸雾从蓄电池中逸出。
正负极接线端子用铅合金制成，采用全密封结构，并用沥青封口。
电池充电是通过逆向化学反应将能量存储到化学系统里实现的，免维护蓄电池需要先用电源对其充电，将电能转化为化学能储存起来，蓄电池阳极的活性物质是二氧化铅（PbO2），阴极的活性物质是铅（Pb），电解液是稀硫酸（H2SO4），其化反应式为:
放电反应式:
2PbSO4+2H2O=PbO2+Pb+2H2SO4
充电反应式:
PbO2+Pb+2H2SO4=2PbSO4+2H2O
容量和寿命是蓄电池的重要参数。
蓄电池的容量（C）指的是它的蓄电能力。
定义为:
采用规定的放电速率（通常为10小时放电率），充足电的电池放电至规定的终止电压能够放出的安时数。
蓄电池的额定容量（C）通常作为电池充放电速率的单位。
例如，100Ah的蓄电池，采用20A电流充电，则其放电速率为C/5。
电池的寿命分为循环寿命和浮充寿命两种。
蓄电池的容量减小到规定值以前，蓄电池的充放电循环次数称为循环寿命。
在正常维护条件下，蓄电池浮充供电的时间，称为浮充寿命，通常免维护电池的浮寿命可达10年以上。
1.2充电模式及特性
充电器品质的高低、充电性能的好坏对蓄电池的使用寿命和使用性能起着举足轻重的作用，对电动自行车的续驶里程能否保持最佳状态，是否会损坏电池和减少电池寿命，使用者能否得到经济和实惠，有着极密切的关系，因此充电器性能必须完善，必须重视充电的方式。
1.2.1目前常用的充电模式
常规充电有以下四种：
①恒流充电法，其优点是控制方法简单，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，使出气太多；
②阶段充电法（此方法包括二阶段充电法和三阶段充电法），这种方法可以将出气量减少到最少，但作为一种快速充电方法受到一定的限制。
③恒压充电法，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；
④快速充电技术近年来得到了迅速发展，主要有以下4种：
脉冲式充电法，充电过程减少了析气量，提高了蓄电池的充电电流接受率；
ReflexTM快速充电法，它主要面对的充电对象是镍福电池，采用这种充电方法，解决了镍福电池的记忆效应，大大降低了蓄电池的快速充电的时间；
变电流间歇充电法，这种充电方法建立在恒流充电和脉冲充电的基础上，其特点是将恒流充电段改为限压变电流间歇充电段，使蓄电池可以吸收更多的电量；
变电压变电流波浪式间歇正负零脉冲快速充电法，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。
以上充电方式优点是充电方法简单，易于控制，充电快速而安全，可以及时补偿蓄电池电量。
缺点是容易造成过充、电解水、对蓄电池造成损害。
1.2.2充电模式的确定
随着各种蓄电池技术的发展，国内外电池充电技术也不断更新，目前多模式智能充电技术被认为是最佳充电技术。
它综合了常规充电法和快速充电技术的优点，使蓄电池保持较高的容量和较长的使用寿命。
图1-1所示是四模式充电状态曲线。
图1-1多模式充电状态曲线
多模式智能电池充电器的四种充电状态分别是涓流充电、大电流充电、过充电和浮充电。
假设一组完全放电的电池，充电器通常按如下规律对其充电：
状态1:
涓流充电
如果电池电压低于阈值电压，充电器将用预先设定的涓流充电电流（ITRICKLE）给电池充电。
随着涓流充电继续，电池电压逐渐升高，当电压升高到阈值电压时立即转入大电流快速充电。
如果电池电压在充电周期开始就高于其阈值电压时，则跳过涓流充电直接进入大电流快速充电模式。
状态2:
大电流快速充电
在这种模式下充电器以恒定的最大允许电流（IBULK）给电池充电。
最大电流与电池容量（C）有关，往往以电池容量的数值来表示（IBULK=C/10~C/2）。
在大电流快速充电这段时间里，电池电量迅速地恢复。
当电池电压上升到过充电压（Voc）时，大电流快速充电模式结束，充电器转入过充电状态。
状态3:
过充电
如果从大电流充电状态直接转入浮充状态，电池容量只能恢复到额定容量的80%—90%。
在过充电状态下，以过充电电流（IOCT）给电池充电，电池端电压随着过充电的进行有所下降，当系统检测到电池端电压下降到浮充电压（VFLOAT）时，电池容量已达到额定容量的100%（理想情况下），充电过程实质上已经完成，充电器转入浮充状态，过充电电流（IOCT）一般等于IBULK/5。
状态4:
浮充电
该状态主要用于补充电池自身放电所消耗的能量。
在浮充电模式下，充电器输出电压下降到较低的浮充电压值（VFLOAT），充电电流通常只有10—30mA（1/20C,C为蓄电池的容量），用以补偿电池因自身放电而损失的电量。
这种多模式充电法综合了恒流充电快速而安全、及时补偿蓄电池电量的优点，和恒压充电能够控制过充电以及在浮充状态保持电池100%电量的优点。
多模式智能电池充电器在满足这些要求的同时可提供尽可能多的功能和设计的灵活性，使之具有更多优点：
适时检测充电情况并按预定的充电方案对电池充电;
使用四种状态的充电规则使电池获得最好的特性;
充满电进行声光报警并自动转入浮充电状态，最大限度地保证电池的容量。
这款多模式充电电路，不仅可以实现恒定电压、恒定电流、脉冲和Reflex等几种基本充电模式，更可以实现多种混合的多阶段充电模式。
因此更能适应电压范围宽、适于恶劣环境的应用。
在运行中单片机会根据对被充电池的数据采样和事先设定的程序来决定何时加入涓流充电、大电流充电、过充充电、浮充充电并停止充电过程。
2电动自行车智能充电器的硬件设计与实现
一个安全可靠的充电器需要能够在电池充电过程中严格控制电池的充电电流、电压、温度等物理参数。
本文设计的智能充电器包括：
电源部分、采集部分、主控电路部分、人机交互部分。
本章首先对PIC16F73单片机的主要功能特点、结构进行简要叙述，然后介绍智能充电器的原理和控制技术，最后介绍电动自行车智能充电器的硬件设计与实现。
2.1PIC16F73单片机简介
2.1.1PIC16F73单片机的主要功能特点
主控电路图中的PIC16F73是Microchip（微芯）公司的芯片，它是一款高性能、低功耗、低价格的处理器。
具有可擦写FLASH存储器、高性能RISC结构，内部集成A/D模拟量转换器、PWM脉宽调制输出、SPI串行总线技术、定时器/计数器、串行通信（USART）接口。
采用CMOS工艺制造，全静态设计的8位单片机，内部带有4路A/D转换器。
执行速度:
DC—20MHz振荡时钟，是普通单片机执行速度的几倍[9]。
2.1.2PIC16F73的结构
1.PIC16F73的管脚排列如图2-1所示:
图2-1PIC16F73的管脚排列图
2.PIC16F73内部结构
PIC16F73内部结构采用精简指令集（RIAC）结构[1]。
它采用的总线结构比传统的总线结构优越，该总线配备独立的数据线和指令线，程序和数据存贮在不同的存贮器中，这样，使指令执行和取指操作可以同时进行，因而可达到很高的执行速度（20MHz振荡频率下指令周期仅为200ns）。
在PIC16F73中，指令线为14位，所有指令都可以是单字节，因此与其他8位单片机相比，它可节省一半程序空间，并且速度可提高五倍。
PIC16F73内带有IK×
14程序存储器，不需外接程序存储器，是一种真正的单片式微控制器，编程非常简单灵活而且效率高。
2.1.3PIC16F73单片机控制的智能充电器的工作原理
系统上电，检测电源正常、充电器正常工作后，由单片机的电压检测取样电路将电池端电压的大小反馈回系统内部，由单片机判断后确定应采用何种充电状态，PWM脉宽调制作为占空比调节输出电流，来控制涓流充电、大电流充电、过充电、浮充电，完成四个状态充电的过程。
若检测到电池端电压高于最大设定电压;
或温度检测电路检测到超出最高设定温度;
或出现负电压增量等，系统立即停止大电流充电，进入浮充维护状态，同时进行声光报警。
2.2充电控制技术
充电控制技术是智能充电器系统中软件设计的核心部分。
根据充电电池的原理，将动力电池的充电特性曲线分为四个阶段，具体见图2-1。
在进行大电流充电之前，由于电池电量已基本用完，若直接采用大电流恒流充电，电流过大会损坏电池，电流过小使充电时间过长，因此这一段时间要根据电池电压的具体情况控制充电电流，使充电过程按理想的充电模式变化，以达到最佳充电效果。
当检测到充电电流下降到足够小时，说明电池充电已满，此时若立即停止充电过程，电池会自放电。
为了防止自放电现象，必须对电池进行浮充维护，即用1/20C（C为电池的额定容量）左右的电流进行浮充充电。
电池充满电后，如果不能及时停止充电，电池的温度会迅速上升。
从前一章的分析可知，温度的升高将会加速蓄电池腐蚀速度及电解液的分解，从而使电池容量下降，缩短电池的使用寿命。
为保证电池充足电又不过充，可以采用定时控制、电压控制、温度控制和综合控制等多种方法来终止充电过程。
1.定时控制:
这种控制方法简单，适用于恒流充电法。
采用恒流充电法时，根据电池的容量和充电电流的大小，可以很容易的确定所需要的充电时间。
充电过程中，达到预定的充电时间后，定时器发出信号，使充电器迅速停止充电，或者将充电器迅速转为浮充维护状态，从而避免电池长时间大电流过充电。
定时控制法的缺点:
由于电池的容量在充电前无法准确知道，电池在充电过程中的发热会使电池电量有所损失，因此实际的充电时间很难确定。
且充电时间无法根据电池充电前的状态自动调整，结果会造成电池组中有的电池充电不足，有的电池可能过充电的情况，因此，这种方法只用于充电率小于0.3C的恒流充电。
2.电池电压控制:
在电压控制法中，最容易检测到的是电池的最高电压。
常用的电压控制法有最高电压、电压负增量、电压零增量三种。
（1）最高电压（VMAX）:
从充电特性曲线可以看出，电池电压达到最大值时，电池即充足，应立即停止快速充电。
这种方法的缺点是:
电池充足电的最高电压随环境温度、充电速率而变，而且电池组中各单体电池的最高充电电压也有差别，因此采用这种方法不可能非常准确地判断电池己充足电。
（2）电压负增量（-△V）:
电池电压的负增量与电池组的绝对电压无关，而且不受环境温度和充电率等的影响，因此这种方法可以很准确地判断电池是否已充足电。
其缺点是:
电池充足电前，也有可能出现局部电压下降的情况，使电池在未充足电之前，由于检测到电压负增量而停止快速充电。
（3）电压零增量（0△V）:
镍氢电池充电器中，为了避免等待出现电压负增量的时间过长而损坏电池，通常采用0△V控制法。
未充足电前，当电池电压在某一段时间内变化很小，会被系统误认为出现0△V而停止充电，造成误操作。
目前大多数镍氢电池快速充电器都采用高灵敏的-0△V检测，当电池电压略有下降时，立即停止快速充电。
3.电池温度控制:
电池温度上升到规定数值后，必须立即停止快速充电，以避免电池损坏。
电池温度控制主要有最高温度（TMAX）和温度变化率（?
T/?
t）两种。
（1）最高温度（TMAX）:
充电过程中，通常当电池温度达到40?
时，立即停止快速充电，否则会损坏电池。
电池的温度可通过与电池装在一起的热敏电阻来检测。
热敏电阻的响应时间较长，温度检测有一定滞后。
（2）温度变化率（△T/△t）:
镍氢和福镍电池充足电后，电池温度会迅速上升，且上升率△T/△t基本相同，当电池温度每分钟上升1℃时，应该立即终止快速充电。
由于热敏电阻与温度之间是非线性关系，因此为了提高检测精度，应设法减小热敏电阻非线性的影响。
采用温度控制法时，由于热敏电阻响应时间较长，再加上环境温度的影响，不能准确的检测电池是否充足电。
4.综合控制法:
以上三种方法各有优缺点，若只采用一种方法，则很难保证电池获得最好的充电性能。
为了保证在任何情况下均能可靠地检测到电池充足电的状态，可采用具有温度控制和电池电压控制功能的综合控制法。
2.3智能充电器的主要参数
以密封铅酸蓄电池为例，对于单体电池:
Voc=2.5V（Voc为充满电的电压峰值）
VD=1.7V（VD为大电流充电时启动电压）
VF=2.33V（VF为开始进入浮充电压值）
本文设计的智能充电器主要参数见表2-1所示。
表2-1智能充电器主要参数
电池参数
名称
定义及计算公式
取值
V
电池组电压
12V
NC
单格电池数量
串联电池个数
6
C
电池组容量
2Ah
VD
单格大电流充电电压
@25°
C，大电流充电状态
1.7V
VF
单格浮充电压
C，满充状态
2.33V
V.MAX
单格最大电压
C，过充状态
2.5V
IBULK
最大充电电流
IBULK=C/10~C/2
700mA
ITRICKLE
涓流充电电流
ITRICKLE=C/25
40mA
IOCT
过充电电流
IOCT=IBULK/5
140mA
IFLOAT
浮充电电流
IFLOAT=1/20C
20mA
TC
单格电池温度系数
温度上升1度，电压下降3.9mV
-3.9mV
TMIN
电池最低温度
0°
TMAX
电池允许最高温度
40°
VBULK
大电流充电电压
VBULK=VD×
10.2V
VFLOAT
浮充电压
VFLOAT=VF×
13.5V
VBAT.MIN
电池最低电压
VBAT.MIN=[VD+（TMAX-25）×
TC]×
9.8V
VBAT.MAX
电池最高电压
VBAT.MAX=[Voc+（TMIN-25）×
15.6V
PMAX
最大输出功率
PMAX=IBULKVBAT.MAX
10.92W
2.4电动自行车智能充电器的硬件设计
电动自行车智能充电器电路主要包括电源部分、采集部分、主控电路部分、人机交互部分。
电源部分：
由电源变压器、桥式整流电路、滤波电路和稳压电路组成。
电源部分为单片机提供电压以及电池充电工作时需要的各种电
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