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数控充电电源

参赛队员：

指导教师：

段晨旭姚庆梅杨修文李明

学院名称：

山东建筑大学·信息与电气工程学院

山东建筑大学

信息与电气工程学院

摘要

本设计采用单片机（STC89C51）作为核心器件控制四个继电闭合与开启来实现恒压、恒流充电。

本系统是由温度传感器DS18B20实现温度采集,且具有过热（≥60°）保护功能，降温后自动恢复工作。

同时通过128×64点阵的LCD汉字图形型液晶显示模块来显示输出的电压和电流及温度。

采用TLC1549A/D转换器来实现电压电流的自动采集，采集速度可达100KHZ。

该系统能够实现当负载电压小于10V时为恒流充电状态，改变负载电阻，输出电流变化的绝对值≤5mA;纹波电流≤2mA；当负载电压为10V时为恒压充电状态，改变负载电阻，输出电压波动小于0.5V，输出纹波电压小于20mV的功能。

在恒流充电状态时，可实现快充（电流200mA）慢充（电流100mA）设置。

关键词：

STC89c51；DS18b20；12864LCD液晶显示模块；TLC1549

Abstract：

Thedesignisthatweuseamicrocontroller（STC89C51）asacoredevicetocontrolfourrelayedclosingandopeningtoachieveconstantpressureandconstantcurrentcharging.DS18B20realizestemperaturecollection,andhasoverheating（≥60°）protectionfunction,automaticallyreturnstoworkaftercoolingdown.Atthesametime,liquidcrystaldisplayLCDdisplaystheoutputvoltage,currentandtemperature.whentheloadvoltageislessthan10V,thesystemcanreachtheconstantcurrentchargingstateandchangetheloadresistance,enablingthechangesoftheabsolutevalueoftheoutputcurrent≤5mA;ripplecurrent≤2mA;Whentheloadvoltageis10V,reachtheconstantpressurechargingstateandchangetheloadresistance,makingtheoutputvoltagefluctuationslessthan0.5V,theoutputripplevoltagelessthan20mV.Inconstantcurrentchargingcondition,itcanachievefastcharging（current200mA）andslowcharging（current100mA）.

Keywords：

STC89c51；DS18b20；liquidcrystaldisplayLCD；TLC1549

目录

第一章系统分析4

1.1系统设计4

1.1.1设计任务4

1.1.2设计要求5

1.2设计方案的比较、论证和选择5

1.2.1控制核心模块6

1.2.2整流稳压模块6

1.2.3数据输入模块7

1.2.4温度采集模块7

1.2.5液晶显示模块8

第二章系统硬件的设计与实现9

2.1系统硬件方框图9

2.2控制核心STC89C5110

2.3整流稳压电源11

2.4键盘控制模块13

2.5输出控制13

2.6温度检测模块14

2.7电压电流采集15

2.8液晶显示17

第三章系统的软件设计与实现18

3.1系统程序总体框图18

第四章系统调试与检测20

4.1操作调试20

4.2电路调试20

4.2.1恒压充电电路检测：

20

4.2.2恒流充电电路检测：

20

4.2.3过热保护电路检测：

21

第五章总结与致谢24

第一章系统分析

1.1系统设计

1.1.1设计任务

设计并制作简易数控充电电源。

输入交流200～240V，50Hz；输出：

当负载电压小于10V时为恒流充电状态，当负载电压为10V时为恒压充电状态。

其原理示意图如下所示。

1.1.2设计要求

1、基本要求

（1）输出恒流时：

电流100mA（慢充）和200mA（快充）可设置；改变负载电阻，要求输出电流变化的绝对值≤5mA；纹波电流≤2mA。

（2）输出恒压时，改变负载电阻，输出电压波动小于0.5V；输出纹波电压小于20ｍＶ。

（3）具有输出电压、电流的测量和数字显示功能。

2、发挥部分

（1）输出恒流时：

改变负载电阻，要求输出电流变化的绝对值≤3mA；纹波电流≤1mA。

（2）输出恒压时：

改变负载电阻，输出电压波动小于0.2V；输出纹波电压小于10ｍＶ。

（3）设置过压保护，过流保护。

（4）其他。

1.2设计方案的比较、论证和选择

本设计采用单片机（STC89C51）作为核心器件控制四个继电闭合与开启来实现恒压、恒流充电。

由温度传感器DS18B20实现温度采集,且具有过热（≥60°）保护功能，降温后自动恢复工作。

同时通过128×64点阵的LCD汉字图形型液晶显示模块来显示输出的电压和电流及温度。

采用TLC1549A/D转换器来实现电压电流的自动采集，采集速度可达100KHZ。

根据设计方案可得出系统框图：

图1：

系统框图

1.2.1控制核心模块

方案一：

采用可编程逻辑器件CPLD作为控制器。

CPLD可以实现各种复杂的逻辑功能、IO资源丰富、系统处理速度快，适合作为大规模控制系统的控制核心。

但本系统不需要复杂的逻辑功能，对数据处理速度的要求也不高。

从器件功能利用率及经济的角度考虑，放弃此方案。

方案二：

采用AT公司的单片机。

该公司的单片机，在一般性能上都可以达到要求，例如AT89C51、AT89C52等都可以用于简易充电电源的控制，唯一缺点在于不能在线下载，造成了不便。

另外AT系列单片机价钱比较贵，不利于小资本实验。

方案三：

采用stc89c51单片机作为控制核心。

STC89C51是40引脚的集成芯片，可以在线下载，下载器也比较容易购买到，方便携带应用。

减少了插拔芯片的工作且系统硬件构架完整、价格低廉，自带A/D转换，高速、低能耗、超强抗干扰，指令代码完全兼容传统51系列。

通过以上方案比较可以看出STC系列单片机价格低廉，可以在线下载，高抗静电（ESD），6KV静电可直接打在芯片管脚上，8KV/15KV超低功耗，PowerDown<0.1uA,可外部中断唤醒，中断优先级可设置成4级,增加了2个外部中断，6时钟/机器周期，12时钟/机器周期任意设置，超强加密。

在性能上要比AT系列突出，所以我们选择STC89C51作为控制核心器件。

1.2.2整流稳压模块

采用额定输出电流为5A的三端稳压器LM338做成大电流可调稳压电源。

其特点是：

（1）输出电流大。

额定电流为5A，最大允许峰值电流为7A。

（2）电路简单。

（3）电压调整率可达到0.012％N，漂移仅有0.0005V／H。

（4）输出电压在1.25～32V之间可调。

1.2.3数据输入模块

方案一：

采用独立式键盘输入。

即各按键相互独立，每个按键各接一个输入线，一根输入线上的案件是否被按下，不会影响其他输入线上的工作状态。

因此，通过检测输入线的电平状态就可以很容易判断哪个按键被按下了。

独立式键盘电路配置灵活，软件结构简单。

但每个按键需要占用一根输入口线，在按键数量较多时，输入口浪费较大，故此键盘适用于按键较少的场合。

方案二：

采用矩阵式键盘。

此类键盘适用于按键较多的场合，它由行线和列线组成，也称行列式键盘，按键位于行列的交叉点上，通过键盘扫描函数实现输入信息识别，与独立式键盘相比，要节省很多的I/O口。

比较上述理论分析并结合本次设计只需两个按键，按键较少，所以选择方案一。

1.2.4温度采集模块

能进行温度测量是本设计的重要组成部分，由于现在产品追求多样化，多功能化，所以加上温度测量显示模块，方便人们的生活，使该设计具有人性化。

方案一：

采用PT100/PT1000或NTC热敏电阻，可满足40摄氏度至90摄氏度测量范围。

虽然PT100、NTC测温精度较高，且测温范围很广，但由于其输出为阻值信号，需通过电桥电路、信号放大电路、AD转换电路才能实现温度测量，硬件电路复杂，并且对于检测小于1摄氏度的信号是不适用的。

方案二：

采用温度传感器DS18B20。

DS18B20可以满足从-55摄氏度到+125摄氏度测量范围，且DS18B20测量精度高，增值量为0.5摄氏度，在一秒内把温度转化成数字，测得的温度值的存储在两个八位的RAM中，单片机直接从中读出数据转换成十进制就是温度，使用方便。

基于DS18b20测量范围广且精度高的优点，我们定选取DS18b20来测量温度。

1.2.5液晶显示模块

系统要求对操作提示、输入数据、运算结果进行显示。

考虑有以下两种显示方案。

方案一：

使用液晶显示屏显示。

液晶显示屏（OCMJ4×8C）具有轻薄短小、低耗电量、无辐射危险，平面直角显示以及影像稳定不闪烁等优势，可视面积大，画面效果好，分辨率高，抗干扰能力强等特点。

方案二：

使用传统的数码管显示。

数码管具有：

低能耗、低压、对外界环境要求低，易于维护。

此方案控制简单，但只能显示非常有限的符号和数字，且模块较大。

比较二者，因为OCMJ4×8C显示更逼真形象，能够显示更多复杂的文字、字符及图像，拥有友好的人机界面及强大的显示功能。

特别适用于智能控制的可编程人性化显示。

故拟选择方案一。

综上所述,经过仔细分析和论证,决定了系统各模块的最终方案如下:

①控制模块：

采用STC89C51单片机

②整流稳压模块：

采用三端稳压器LM338、7805

③数据输入模块：

采用独立式键盘。

④温度采集模块：

采用温度传感器DS18B20。

⑤显示模块：

采用OCMJ4×8C液晶显示屏显示。

第二章系统硬件的设计与实现

2.1系统硬件方框图

图2：

系统硬件框图

充电装置硬件总体结构设计框图如图2所示，由主电路和控制回路两部分组成。

其结构原理的核心实质上是一数字充电电源，主电路的功能是将输入的交流电转变成蓄电池负载需要的直流电；控制回路的功能是实现对电压电流信号的采集和显示。

2.2控制核心STC89C51

STC89C51是40脚的集成芯片，可以在线下载，减少了插拔芯片的工作。

根据我们设计的电路的要求，为了保证芯片和电路能正常的工作，选择了12.0000MHz晶振，和两个30pF的电容作为中央处理器的时间标准，这样就保证了正常的工作时序。

如图3本芯片的40和20脚分别是接五伏电源的正负极，在接入电源之前，40脚处并接了103和10微法的电容以保证电路能正常工作，防止从电源外界来的干扰，以免造成死机。

这样芯片就能正常地工作了。

图3:

单片机STC89C51最小系统图

本系统所选STC89C51单片机作为控制核心能很好得实现键盘输入、液晶显示、电流电压检测以及通过OCMJ4×8C液晶显示完成与用户的交互等功能。

2.3整流稳压电源

本系统采用7805来构成5V和10V稳压电源，LM338来构成10V和15V的稳压电源，该电源效率高，从电路的结构可以容易得看到，它是集中了自动稳压器的优点。

而且反映速度快，这又是自动稳压器所无法比拟的。

由于工作效率高，损耗小，使机内温度不高，提高了机器的可靠性。

纹波电流要小于1mA，必须采用高精度大电流稳压电源，首先从源头上减小纹波电流。

因此，我们以稳压芯片LM338为核心，构成纹波电流极小的稳压电源。

图4：

整流稳压电源原理图

2.4键盘控制模块

本系统采用独立式键盘。

其结构如图5所示。

其工作原理：

按键S1和S2分别来控制实现恒压和恒流充电两种充电模式。

当按下按键S1时，相应的输入口P1.0变为低电平，传入STC89C51芯片，通过内部编程控制实现恒流充电，当按下按键S2时，输入口P1.1变为低电平，使STC89C51控制实现恒压充电模式。

图5：

键盘控制原理图

2.5输出控制

由于题目要求先恒流充电，达到10V后恒压充电，且过热保护后能够自启动，所以需要控制切换电路适应不同的需要。

本设计通过控制继电器来实现电路的切换，本系统采用HK4100F型的继电器，该继电器有两路常开、常闭触点，能够满足控制需要。

用单片机的四路I/O通过三极管控制四个继电器的通断。

图6是STC89C51增强型单片机实验板上HK4100F继电器驱动电路原理图，三极管的基极B通过一个电阻接到单片机的P1口，三极管的发射极C接到继电器线圈的一端，线圈的另一端接到＋12V电源VCC上。

驱动原理：

1、当STC89C51单片机的相应引脚输出低电平，三极管饱和导通，＋12V电源加到继电器线圈两端，继电器吸合，继电器的常开触点闭合，相当于开关闭合。

2、当STC89C51单片机的相应引脚输出高电平时，三极管截止，继电器线圈两端没有电位差，继电器衔铁释放，继电器的常开触点释放，相当于开关断开。

图6：

HK4100F继电器驱动电路原理图

2.6温度检测模块

作为电源，保护是不可缺少的。

本系统能够实现对充电器内部的功率器件以及电池的温度进行实时监测，当温度超过限定值时采取一定的措施防止温度进一步升高以免发生危险。

系统温度检测是由数字温度传感器ds18B20实现。

Ds18b20测温系统简单、测温精度高、连接方便、特别适用于多点测温，测温范围为-55℃～125℃，可编程为9位～12位A/D转换精度，测温分辨率达到0.0625℃，采用寄生电源工作方式，CPU只需一根口线便能与DS18B20通信，占用CPU口线少，可节省大量引线和逻辑电路。

接口电路原理图如图7。

图7：

温度采集电路

2.7电压电流采集

数据采集系统硬件设计要求经济合理、安全可靠，并具有足够的抗干扰能力。

本系统是采用TLC1549A/D转换器来实现电压电流的自动采集，采集速度可达100KHZ。

TLC1549系列是美国德州仪器公司生产的具有串行控制、连续逐次逼近型的模数转换器，它采用两个差分基准电压高阻输入和一个三态输出构成三线接口，其中三态输出分别为片选（CS低电平有效），输入／输出时钟（I／OCLOCK），数据输出（DATAOUT）。

TLC1549引脚排列如图1所示。

TLC1549能以串行方式送给单片机，其功能结构如图2所示。

由于TLC1549采用CMOS工艺。

内部具有自动采样保持、可按比例量程校准转换范围、抗噪声干扰功能，而且开关电容设计使在满刻度时总误差最大仅为±1LSB（4.8mV），因此可广泛应用于模拟量和数字量的转换电路。

工作原理：

在芯片选择（

）无效（高电平）的情况下，I/OCLOCK最初被禁止且DATAOUT处于高阻状态。

当串行接口把

拉至有效（低电平）时，转换时序开始允许I/OCLOCK工作并使DATAOUT脱离高阻状态。

串行接口然后把I/OCLOCK序列提供给I/OCLOCK并从DATOUT接收前次转换结果。

I/OCLOCK从主机串行接口收长度在10～16个时钟之间的输人序列。

开始10个I/O时钟提供采样模拟输人的控制时序。

图8为电压电流采集原理图，图9为A/D转换模块原理图。

图8：

电压电流采集

图9：

A/D转换图

2.8液晶显示

本设计选用的是128x64点阵的OCMJ4x8C中文液晶图形显示模块。

C系列中文模块可以显示字母、数字符号、中文字型及图形，具有绘图及文字画面混合显示功能。

与传统的图形点阵液晶显示模块相比，单片机硬件接口电路以及软件编程都比较简单，内置2M位中文字型ROM（CGROM），总共可提供8192个中文字型，可大量节省单片机设计的ROM空间以显示更多的汉字字符，更加发挥了液晶显示技术在单片机系统中的应用。

OCMJ4x8C模块非常适用于显示汉字信息量较大的智能仪器仪表系统及家用电器，可采用8位并列接口传输讯号及串行接口与串行传输资料两种资料传输方式。

接口电路如图10所示（J1用于连接液晶显示器）。

图10：

液晶显示电路

第三章系统的软件设计与实现

系统的软件设计采用C语言在uv2平台上调试完成，对单片机进行编程实现各项功能。

并使用Proteus软件进行模拟仿真。

3.1系统程序总体框图

图11：

系统程序总体框图

具体实现如下：

开始进行程序初始化，接入负载。

首先用DS18B20来进行温度采集，如果温度超过60°则断电保护。

如温度不超过60°则继续,然后进行过压过流检测，如果过压或过流则断电保护，若正常则继续运行TLC1549检测电压，当电压等于10V时，通过芯片STC89C51控制继电器1，继电器1吸合，同时它控制的开关K1-1和K1-2闭合，进行恒压充电，充电结束后反馈给系统进行初始化，为下一次检测做准备。

当电压小于10V时控制继电器K2吸合，同时它控制的开关2-1和2-2同时闭合，进行恒流充电。

其中恒流充电又可分为慢充（100mA）和快充（200mA），当开关K4闭合时实现慢充，K3闭合时实现快充。

图12：

键盘扫描程序框图图13：

液晶显示程序框图

第四章系统调试与检测

4.1操作调试

1.连接好电路后，需要对系统进行操作测试，检验其是否具有题目所要求的功能，首先负载电压采用10V（等于10V），可以发现指示灯亮证明温度没有超过60°并且是控制电压的灯亮证明是恒压充电状态，通过显示器显示电压值，电源充电结束后，通过芯片控制反馈给系统进行状态初始化。

2.改变负载的电压值为8V（小于10V）系统自动切换为恒流充电状态，闭合开关K4,通过显示器可知为恒流充电状态且为慢充，断开K4，闭合K3，再次通过显示器可以看到充电状态变为快充，充电结束后，芯片控制反馈给系统进行初始化为下一次充电做准备。

经上述操作测试知，本系统操作部分完全符合题目所说设计要求。

4.2电路调试

4.2.1恒压充电电路检测：

①先选取一电压为10V的负载，用万用表测其输出端的电压在9.890V和9.902V之间变动，，纹波幅度为0.012V，小于20mV，满足恒压充电的要求。

②首先选取负载的电压为10V（等于10V），内阻为100欧,连接好电路，把万用表打到电压档，并在输出端。

经测量得到输出电压为10.2V，再断开电路，保持负载的电压为10V不变，只把负载的内阻改为50欧，把万用表并在输出端，可得到此时万用表的读数为9.95V，可知负载的内阻改变时，输出端电压的波动为10.20V-9.95V=0.25V（小于0.5V）恒压充电满足设计要求。

4.2.2恒流充电电路检测：

①把万用表打到mA档串接在输出端，负载电阻电压选取一小于10V的例8V。

然后闭合按键K4，可得电流表的示数为100.8mA（纹波电流为100.8mA-100mA=0.08mA小于1mA），断开K4，闭合K3，此时电流表的示数为200.7mA，纹波电流也小于1mA，满足设计要求。

②选取负载电压为8V，内阻为100欧，串在输出端，按下按键K4，得到电流表的示数为98.5mA，断开电路，保持负载电压不变，内阻改为50欧，再接到输出端，闭合K4，此时电流表的读数为100.7mA，可知改变负载的电阻时电流变化为100.7mA-98.5mA=2.2mA（小于5mA）,改变负载时，恒流充电也满足设计要求。

4.2.3过热保护电路检测：

首先给电路加入一个负载，闭合按键K3，采用快充模式。

此时DS18B20检测到的温度没有超过60°，然后用一只发热的灯泡给负载电源加热，直到温度超过60°。

此时充电电源断电。

可知电路具有过热保护功能，满足设计要求。

开始充电时，首先由用户选择充电模式，并输入电池容量值（停止充电电流为该设定值的1/10）。

充电时，界面依次显示“充电状态”、“充电电压”、“充电电流”、“电池温度”。

图15：

充电模式选择界面

图16：

电池容量输入界面

图16：

恒流充电显示

图17：

恒压充电显示

图18：

高温保护图

图19：

温度恢复重新充电

充满电自动断电：

增大电阻箱电阻，充电电流小于预设电池容量1/10后，自动断电，显示充电结束。

图4.8充电结束显示

第五章总结与致谢

本设计采用一片单片机STC89C51作为核心器件实现了恒压恒流充电、过热保护、数字显示等功能。

整个系统的电路结构简单，可靠性高，节约能源,达到了题目要求的基本部分。

由于时间原因，部分发挥部分没有实现。

在本次作品制作中，我们体会到了制作并实现一个课题的艰难，需要我们对相关专业知识有很深的理解，并且动手搭接电路和程序设计部分也需要很强的动手能力。

在本次设计过程中我们对将简单的控制理论用于实际工程有了经验，对A/D转换等数字控制手段有了更深的了解，在电源电路的设计和调试方面也积累了很多经验，受益匪浅。

在此，我要特别感谢给与我们帮助的领导和指导老师。

参考文献

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