数字化智能充电器的设计.docx

数字化智能充电器的设计.docx

《数字化智能充电器的设计.docx》由会员分享，可在线阅读，更多相关《数字化智能充电器的设计.docx（22页珍藏版）》请在冰豆网上搜索。

数字化智能充电器的设计

声明

我声明，本毕业设计说明书及其研究工作和所取得的成果是本人在导师的指导下独立完成的。

研究过程中利用的所有资料均已在参考文献中列出，其他人员或机构对本毕业设计工作做出的贡献也已在致谢部分说明。

本毕业设计说明书不涉及任何秘密，南京理工大学有权保存其电子和纸质文档，可以借阅或网上公布其部分或全部内容，可以向有关部门或机构送交并授权保存、借阅或网上公布其部分或全部内容。

学生签名：

年月日

指导教师签名：

年月日

毕业设计说明书中文摘要

摘要:

本文介绍了一种基于51单片机的应用于电动自行车铅酸蓄电池的数字化智能充电器。

主要内容包括：

充电主回路硬件设计、控制器选择及其电源电路设计以及充电电压电流检测电路。

其中充电主回路采用对市电变压器降压整流滤波最后再由Buck降压斩波电路得到充电电压的思路进行设计。

控制器选择从成本及应用场合综合考虑，选用STC公司的STC12C5A60S2，能够满足本次设计所需要的功能。

控制器电源设计采用降压整流滤波并由专用稳压芯片得到控制器所需电压的方式设计。

由于该系统电压及电流均很大，因此需对电压电流信号进行信号转换使其达到A/D转换接口允许的范围，因此设计中使用运算放大器对电压电流信号进行转换并使用光耦进行信号隔离。

关键词铅酸蓄电池智能充电器Buck降压斩波电路A/D转换STC12C5A60S2

毕业设计说明书外文摘要

TitleTheDesignofDigitalSmartCharger

Abstract

AdigitalsmartchargerapplytoLead-acidbatteriesbasedon51MCUisintroduceinthisarticle.Itmainlyincludes:

thehardwaredesignofmainChargingcircuit,theselectionofcontrollerandpowersupplycircuitdesignandthechargingvoltageandcurrentdetectioncircuit.Atransformerisusedtoreducethevoltage,adioderectifierbridgeisusedforrectification,capacitancesareusedforfilteringandfinallyabuckconverterisusedtogetrightchargingvoltageinthemainchargingcircuit.Consideringthecostandapplicationsituations,wechooseaSTC12C5A60S2ascontroller.Anditcanmeettherequirementsinthisdesign.Voltageregulatorchipsareusedinthepowersourceofcontroller.Asthevoltageandcurrentareveryhigh,weuseoperationalamplifierstoconvertthemtoaproperrangesoastomatchtheA/Dconverter.Andinordertoreduceinterference,optocouplersareusedforsignalisolation.

KeywordsLead-acidbatteriesSmartchargerBuckconverterA/Dconverter

STC12C5A60S2

目次

1引言

1.1选题背景和意义

随着科学技术的进步及社会经济的发展，环境问题日益成为全球共同关注的焦点，化石能源的大量使用造成的环境污染问题不容小觑。

因此，开发以太阳能、风能、电能等清洁能源为主的可替代能源已成为重要课题。

在交通领域，以前酸性蓄电池为动力的交通工具正在兴起，而铅酸蓄电池的寿命成为制约电动交通工具发展的重要因素。

并有研究表明，铅酸蓄电池报废多数不是因达到使用寿命而是因充电不当造成的。

因此，研究一款适合铅酸蓄电池的充电器显得尤为重要，这不仅关系到电动汽车行业的发展，同时对环境污染的治理也有极其重要的意义。

1.2两种充电技术

1.2.1恒流充电

在充电过程中电流保持在一定值的充电方法。

是一种应用广泛的蓄电池充电方式。

蓄电池充电的起始阶段，运行中的电动汽车蓄电池的充电以及蓄电池两个极板的化成充电，多采用恒流充电的方式。

这种充电方式的优点是可以依据蓄电池的容量大小确定充电电流的大小，从而直接获得充电量并得到充电所需时间。

其缺点是充电电流在充电前期小而后期大，充电过程中会造成气体析出，可能导致蓄电池的损坏，且充电效率普遍不高。

此方法不宜用于铅酸蓄电池[1]。

1.2.2恒压充电

充电过程中蓄电池正负极间的电压保持不变的充电方法。

此方法也是一种应用广泛的充电方法。

电信装置、UPS等装置的蓄电池的浮充充电和涓流充电都采用恒压充电的方式。

起动用蓄电池在车辆运行时也近似处于恒压充电状态。

其优点是充电电流随着蓄电池的荷电量变化可以自动调整，如果设定的电压定值合适，就能在对蓄电池完全充电的基础上尽最大可能减少气体析出和蓄电池失水。

但是这种充电方式在初期具有很大的充电电流，会对蓄电池使用寿命产生不利影响，且很容易引起极板弯曲，使蓄电池报废。

鉴于以上应用中暴露出的缺点，恒压充电方式使用于大电流低电压的情况。

1.3蓄电池充电技术发展概述

传统的蓄电池充电器结构简单，采用模拟控制方式实现对充电过程的控制，因而控制精度较差且充电方法单一，无法根据蓄电池的荷电状态对充电方式进行调整，而且由于缺乏对蓄电池充电过程的监测和保护而无法应用于蓄电池智能化的充电。

近年来，随着日益完善成熟的数字信号处理技术以及不断提高的MCU性价比，充电控制也渐渐使用数字化的控制方法，由此可提高系统性能，蓄电池的使用寿命在更加高效充电的同时被延长。

在技术不断成熟的今天，更加先进的充电控制方法被运用到蓄电池充电系统中，比如模糊控制充电法，其利用模糊控制本身所具有的对于非线性系统的处理优势，借助于MCU得以实现对充电过程的控制，可以更好地实现普通方法所无法达到的对充电过程中的时变性和干扰的控制[2]。

1.4论文章节安排

本文介绍了一种针对铅酸蓄电池的高智能化免维护的智能充电器。

主要内容及篇章安排如下：

第1章引言

介绍本次设计的研究背景及智能充电器的发展趋势。

第2章数字化智能充电器设计方案

介绍系统的基本功能、设计目标以及模块化硬件电路设计方案。

第3章智能充电器硬件电路设计

介绍充电主回路、控制电路、检测电路的设计方法。

第4章系统抗干扰设计

详细叙述智能充电器设计中的干扰源以及如何消除干扰。

2数字化智能充电器设计方案

2.1系统基本功能

基本功能：

（1）能根据蓄电池所处不同状态自动改变电压和电流；

（2）对充电过程实时监控，通过指示灯指示当前状态；

（3）能够对电压、电流以及温度异常进行处理，对充电器和蓄电池进行智能保护。

系统基本参数：

输入电压：

220V±15％，50Hz

充电回路电压输出：

0～60V

充电回路电流输出：

0～7A

充电回路最大输出功率：

420W

控制器辅助直流电源输出电压：

12V以及5V

铅酸蓄电池额定容量：

30Ah/48V

2.2系统设计方法

硬件电路采用分模块的设计方法，分为充电回路、控制回路、信号检测电路三部分，其硬件电路设计框图如图2.1所示[3]。

图2.1数字化智能充电器系统框图

充电主回路先对市电经变压器变压后由桥式整流电路整流并进行滤波后送至Buck降压斩波电路。

因为变压器降压以及全桥整流电路的应用相当广泛，设计的难度及工作量并不大，为简化设计采用此种设计方法。

同时直接使用变压器降压的方式与移相式整流电路相比可以减少来自移相电路的高频干扰。

控制电路采用STC公司的STC12C5A60S2单片机为主控芯片，其自带的多路A/D转换器以及PWM输出可以满足此次设计的需要，并且其成本相比于其他芯片也具有较大的优势，同时由于此芯片是基于8051内核的，其应用也已经比较成熟，因此对本次设计来说是比较好的选择。

电力开关器件驱动电路采用IR公司的生产的专用开关器件驱动芯片IR2118[4]在单片机PWM输出口与IR2118之间进行了光耦隔离以保证单片机稳定工作。

电力开关器件采用N-MOSFET，相比于IGBT其具有更高的开关频率，且关断不需要其他辅助电路，设计较为简单。

检测电路采用放大器LM324对电压电流信号进行变换[4]，使其范围符合单片机A/D转换接口输入信号的范围。

变换过程中考虑到强电信号可能会进入到单片机，因此使用光耦对电压电流信号进行了隔离处理。

2.3A/D接口以及PWM输出

2.3.1A/D转换接口

STC12C5A60S2单片机自带的8路10位精度的逐次逼近型A/D转换接口位于P1口上，最大转换速率高达每秒25万次。

其工作时通过对输入电压的逐次比较，从最高位开始由内部D/A转换电路进行多次比较，使转换后的数字量逐次逼近输入的电压值，具有高速、低功耗的优点，可以用来检测电压、温度以及按键扫描等可以以电压信号输入的模拟量。

复位后P1口处于弱上拉状态，可通过软件配置P1ASF寄存器，使P0~P7中某一个处于A/D转换输入状态，其他可继续当做普通I/O口使用。

STC12C5A60S2单片机内部A/D的参考电压由VCC提供，可通过对相应寄存器的设置来控制转换的精度，考虑到A/D转换的速度以及此次设计的应用场合，可设置寄存器使其达到8位精度即可，这样可在保证控制精度的前提下提高A/D转换的速度，其控制软件的编写需要充分考虑时序问题。

转换完成后单片机会将转换结果存放于相应寄存器，需要使用转换结果时只需对相应寄存器进行读操作读出存放的数据，同时转换完成后会将转换完成标志位ADC_FLAG自动置1，因此在读转换结果时需先通过查询ADC_FLAG位，当其为1时方可读出寄存器的数据。

此外值得注意的是，ADC_FLAG并不会自动清零，因此在每次读完数据后均需在软件中对其清零，以保证下次软件读出结的果的正确性。

对于转换完成的结果，其保存在寄存器中数据并不能直接使用，需要乘上相应的权值。

当转换精度为8位时，应采用如下计算公式：

（2.1）

同时转换结果还应考虑测量电路对强电信号进行转换的同时所产生的放大作用，对转换结果除以放大倍数才是真实的结果。

A/D转换接口应用电路如图2.2所示：

图2.2A/D转换应用电路

此次设计中使用100pF的无极性电容，可以滤除信号源中可能的高频分量以避免对单片机的干扰以及损坏。

2.3.2单片机PWM接口

PWM（脉冲宽度调制）是指对脉冲信号宽度进行调制，等效的得到所需波形的技术。

其理论基础为面积等效原理，在逆变型电路中PWM技术具有广阔的应用前景，最常见的应用为电力开关器件的开通与关断控制。

此次设计中将PWM技术应用于直流斩波电路当中，通过对电力开关器件开通与关断的控制，得到幅值相同占空比不同的脉冲信号，并通过电感和电容滤波得到较为平滑的直流输出[5]。

STC12C5A60S2单片机片上集成的两路PWM输出分别位于P1.3和P1.4口，可通过软件设置相应寄存器将输出切换到其他引脚。

此次设计中使用PWM0并使其输出位于默认引脚，以尽量较少代码长度。

PWM的应用相对于A/D转换较为简单，只需对输入信号做出反应，改变输出的方波占空比即可达到控制效果。

在使用中需要注意的是需对所使用的引脚进行配置，以保证其当前不是开漏输出模式，这是因为该型号单片机PWM信号输出在开漏输出模式下无效。

由此可以通过软件控制当电路中出现异常情况时，例如过电流、温度过高时可以通过配置PWM0输出引脚为开漏输出模式，使PWM输出信号无效，及时停止对蓄电池充电，以达到保护电路以及蓄电池的目的，避免不必要的损失以及蓄电池爆炸的发生。

使用时还需注意对输入输出信号进行隔离，保证单片机正常工作。

PWM输出常用的连接电路如图2.3所示：

图2.3PWM输出电路

此电路中电阻的作用是对输出信号进行限流，考虑到单片机带负载的能力，此次设计选取10KΩ的电阻限流，以免输出电流过大导致单片机被烧毁。

3系统硬件电路设计

图3.1系统硬件原理图

本系统主要由充电主回路、控制回路和检测电路组成，如图3.1所示。

下面详细介绍每一部分组成以及参数的选择。

3.1充电主回路的设计

图3.2充电主回路原理图

充电主回路主要采取降压整流的原理进行设计，如图3.2所示。

3.1.1整流二极管参数选择

二极管的参数可以由电源降压输出的平均值确定[6]。

在本电路中，副边输出60V/50Hz的交流电。

一般情况下，允许电网电压在220V±10%的的范围内波动波动，故二极管承受的最大反压为：

（3.1）

考虑到充电主回路输出功率为420W，因此考虑±10%的波动，其承受的最大整流平均电流为：

（3.2）

设计中考虑导通时的尖峰电压，反向尖峰电流以及设计裕量，可选择耐压150V，最大整流电流12A的快恢复肖特基二极管。

3.1.2滤波稳压电容的选择

经过整流电路的直流电波动较大，因而需要对其整流，图3.2中由大电容C1和C2进行低频滤波稳压，同时用小电容C3来抑制高频干扰。

由（3.1）式知滤波电容耐压值应大于92V。

同时考虑到充电回路阻值很小，由经验公式知滤波电容容量应满足：

RLC=（3~5）T/2。

综上使用两个470uF/100V的电解电容，高频滤波电容选用0.47uF/100V的电解电容。

3.1.3Buck降压斩波电路参数选择

图3.2中的Q1、D4、L1、C4构成了Buck降压斩波电路[5]，考虑到导通时MOSFET漏极与源极之间的电压应大于92V且自身损耗较小应较小，因此选用IR公司生产的IRF540N作为斩波电路的开关器件。

其能接受的最大漏源电压为100V,允许的栅漏电压为范围±20V。

当MOSFET开通时，为保证二极管不会反向击穿，同时考虑到二级管开关速度，应选择耐压92V以上的快恢复二级管（FRD）。

根据Buck斩波电路的组成原理，L1应极大，取L1电感值10mH，C4电容使用470uF/100V的电解电容。

3.2控制回路的设计

如图3.3为控制回路的原理图，主要包括电源电路、控制器电路以及MOSFET开关电路。

此部分电路以STC公司的STC12C5A60S2芯片为核心器件，通过其PWM信号控制电力开关器件驱动芯片IR2118的HO引脚输出电平控制MOSFET的开通和关断。

图3.3控制回路原理图

电源电路变压整流电路参数计算可参考主充电回路部分。

在本电路中，变压器副边输出为24V/50Hz的交流电。

考虑电网有±10%的波动，故二级管承受的最大反压为：

（3.3）

考虑到12V的稳压芯片允许的最大电流约3A，其功率最大功率约为36W，考虑电网有±10%的波动，其承受的最大整流平均电流为：

（3.4）

设计中考虑二级管导通时的尖峰电压以及反向尖峰电流以及裕量，可选择耐压100V，最大整流电流6A的的快恢复肖特基二极管

此次设计中需使用到12V和5V直流电源，均采用稳压芯片得到。

其中12V稳压芯片采用LM7812，5V稳压芯片采用LM2595。

下面对上述几种芯片做简单介绍：

3.2.1LM7812芯片简介及应用

图3.4LM7812外观

图3.5LM7812典型应用电路

封装样式：

TO-220；

最大允许输入电压：

35V；

输出电压范围：

11.5V~12.5V；

峰值电流：

2.2A；

静态电流：

8mA；

工作温度范围：

0~+125℃；

本次设计中使用LM7812将约24V的直流电稳压至12V供IR2118、LM324以及光耦使用，电路参考上述典型应用电路设计，由于输入电压与输出电压压差较大，为保证芯片正常工作不致过热应加装散热片[7]。

3.2.2LM2595芯片及应用

图3.6LM2595封装样式

图3.7LM2595典型应用电路

最大输入电压：

45V

ON/OFF脚输入电压：

-0.3V~+25V

反馈引脚电压：

-0.3V~+25V

输出电压对地（稳态）：

-1V

输入电压范围：

4.5V~40V

本次设计中使用LM2595将12V的直流电稳压至5V供单片机使用，电路参考典型应用电路设计，因LM2595是开关型稳压器件，与LM7812相比具有功耗低的特点。

考虑到系统能稳定工作，需对LM2595加装散热片保证其不被烧毁。

3.2.3STC12C5A60S2芯片

图3.8STC12C5A60S2外观

图3.9STC12C5A60S2外观

如图3.8所示为STC12C5A60S2外观图。

STC12C5A60S2单片机是STC公司生产的单时钟/机器周期，并可通过设置相应寄存器控制其机器周期的单片机系列之一。

其指令系统兼容8051系列单片机，运行速度与传统的8051相比可以达到后者的8~12倍，且具有较强的带负载能力。

具有2路PWM输出，输出引脚可通过寄存器设置。

此次设计中使用其中的1路，且管脚使用默认的P1.3口。

其具有分时复用的A/D接口，接口与P1口复用，使用时需设置相应的寄存器选中其中的1路。

此次设计中使用其中的2路。

与早期的12分频的8051系列单片机相比具有以下优点[8]：

（1）同频率时钟周期下速度是普通51的8~12倍；

（2）有8路分时复用的10位AD；

（3）具有四个定时器，具备PWM输出功能；

（4）有SPI接口；

（5）有EEPROM；

（6）有1K片上RAM；

（7）有看门狗功能；

（8）具有两个串口；

（9）IO口有四种可通过程序控制的状态；

（10）中断优先级有四种状态可定义。

3.2.4IR2118芯片简介

图3.10IR2118外观

图3.11IR2118引脚图

图3.12IR2118典型应用电路

IR2118是IR公司生产的电力开关器件驱动器，如电力场效应晶体管和绝缘栅双极晶体管，具有高开关速率，逻辑输入与标准CMOS电路兼容。

浮动通道可用来驱动一个N沟道MOSFET或一个IGBT。

其典型应用电路如图3.8所示。

此次设计中使用一片IR2118驱动一个N沟道MOSFET，电路参考典型应用电路设计。

取Vcc与COM脚之间的滤波电容规格为0.1uF/25V。

位于VB与VS间的自举电容选择100pF/25V的极性电容。

3.2.5光电耦合器件TPL521简介

图3.13TPL521封装样式

图3.14TPL521典型应用电路

TPL521是常用的光电隔离器件[9]，其工作原理类似于三极管，不同之处在于其输入与输出之间并无电气连接，而是采用光信号来控制其开通与关断，在使用中可以达到信号隔离与电平转换的作用。

一般在使用中，两侧地线应分开，以更好的达到对信号进行隔离的目的。

此次设计中考虑到单片机具有较强的驱动能力，因此电路参照上述典型应用电路进行设计，输入端电阻阻值为1K，输出端电阻阻值10K。

这样可保证TPL521中发光器件不会由于电流过大而损坏，同时也能减小单片机负载，减少单片机发热，避免不必要的故障。

3.3检测电路设计

3.3.1电压检测电路

电压检测电路主要考虑两个问题：

（1）在充电过程中，蓄电池两端电压变化范围约为30V~50V，而A/D最大输入为5V直流电，因此需要将蓄电池两极间的高电压转换为单片机可接受的低电压；

（2）充电回路为高电压大电流输出，而单片机在测量时允许的输入为小电压弱电流，因此需要对模拟量与数字量进行电气隔离，以免损坏单片机。

本次设计采用放大器电路进行信号转换[10]，使用精密电阻调节输出信号范围，使其在A/D转换接口输入信号范围内[11~13]。

使用光耦实现输入输出端的信号隔离，光耦具有输出跟随输入，且线性度较好。

电压检测电路如图3.15所示：

图3.15电压检测电路原理图

输入电压等于蓄电池两端电压，即：

（4.1）

经电阻R1、R2分压后得到Vi：

（4.2）

由虚地可得，V3=V2=Vi，因此第一个光耦U2的输出：

（4.3）

选择制造工艺相同的两个光耦U2和U3，可以认为其具有相同的电流放大能力[14]。

由于其原边电流相同，故其输入输出电流之比为：

（4.4）

因为A/D转换接口的输入阻抗很高，因此：

（4.5）

把R6，R2，R4和R1阻值代入（4.5）得：

（4.6）

调节R6，使得最终得输出电压为：

（4.7）

由（4.7）可知输入的30V~50V电压被转换成了3V~5V电压。

3.3.2电流检测电路

在进行电流检测时，电流通过阻值为0.1Ω的取样电阻测量[15]。

电流检测同样要解决信号转换以及隔离的问题，电路类似于电压检测电路，原理图如图3.16所示：

图3.16电流检测电路原理图

输入电压：

（4.8）

由虚地的V6=V5，所以有：

（4.9）

选择制造工艺相同的两个光耦U2和U3，可以认为其具有相同的电流放大能力。

由于其原边电流相同，故其输入输出电流之比为：

（4.10）

因为A/D转换接口的输入阻抗很高，因此：

（4.11）

把R6，R4阻值代入（4.11）得：

（4.12）

为了便于采样，调节使电压在0V~5V之间。

3.3.4温度检测电路

对温度的检测使用DS18B20芯片完成[16]。

DS18B20是单总线温度检测设备，常见的采用TO-92封装形式，测温范围-51℃~+125℃，因采用单总线的数据传输方式，其占用单片机硬件资源少。

此外还具有测温精度高，抗干扰能力强的优点，因而应用广泛。

图3.17DS18B20常见封装

图3.18测温电路原理图

此次设计的温度检测电路如图3.18所示。

图中略去了单片机的其他外部元件。

DS18B20数据口与单片机P2.3口相连将采集到的温度数据送至单片机。

考虑到实际使用中需将DS18B20引出至蓄电池组，因此在原理图中仅留出引线端。

同时，使用一个蜂鸣器对异常情况，如温度过高以及过电压过电流等情况进行报警处理。

当温度超过预设值时启动蜂鸣器报警，同时PWM输出端停止工作，以保证蓄电池组的安全。

实际应用中应充分考虑操作时序，由于其只有一个数据接口，对控制字的写入以及数据的读写只需对该接口进行相应操作，但同时硬件开销的减小造成了其软件复杂度的增加，为保证其正常采集温度数据，软件的编写需严格按照时序进行并预留足够的反应时间，例如，在读取温度数据时应考虑温度转换时间以及温度转换精度所产生的时间开销，同时应注意DS18B20的GND端必须接地，否则无法进行测量。

考虑到使用过程中现场复杂的电磁环境，BS18B20的接线宜采用屏蔽线PCB上的接口相连，这样可保证传输结果不会被干扰而使测量结果产生偏差。

同时，考虑到数据传输过程中的衰减，接线不宜过长。

4抗干扰设计以及PCB制作

此次设计中既有强电又有弱电，既有模拟信号又有数字信号。

为保证系统正常工作而不致因信号