电动自行车智能蓄电池充电器设计

内蒙古机电职业技术学院电气工程系毕业设计任务书题目电动自行车智能蓄电池充电器设计专业电气自动化技术学生姓名班级电气指导教师签字指导单位电气工程系日期设计题目电动自行车智能蓄电池充电器设计课题类型产品设计课题类别软件硬件结合设计目标与技术要求一、设计目标随着能源日益紧缺、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。二、设计要求1要求学生在充分调研电动自行车蓄电池的内部结构和充电特性的基础上，设计出基于微控制器的智能的充电器。2要求学生设计出智能充电器的电源回路、主控电路及信号控制三个部分。3设置电源回路提供电池充电工作时需要的各种电压；设计主控电路部分主要控制各个状态的充电过程，包括充电的过程控制、电压变化检测、电流检测、温度检测、充电保护和故障报警等。4硬件部分要求完成硬件原理图设计和硬件电路图设计；软件部分要求完成软件流程图设计，主程序设计，和部分子程序设计。5学生可以按要求自行选择微控制器，并在此基础上选择集成开发环境，软件编程选择C语言。三、培养能力1培养学生综合应用所学理论知识和基本技能、分析解决实际问题能力、独立工作能力和创新能力。2应学会根据题目的要求，进行调研、资料收集与处理；特别要注意收集国外该领域的最新研究进展，充分利用计算机、数字图书馆和工具书，训练迅速查找资料的能力。3应掌握有关工程设计程序、方法和技术规范，努力提高工程设计计算、理论分析、图表绘制、技术文件编写的能力。4应掌握实验、测试技能、提高对实验结果的分析能力和解决问题的能力。5通过毕业设计，树立正确设计思想，培养学生严肃认真的科学态度和严谨的科学作风，团结协作精神和敬业精神。设计进度201410月下201411月上研究毕设所要解决的问题，查阅资料，完成3000字的撰写。201411月上201412月中进行整体方案的上步设计，完成开题答辩准备。201412月中20151月上完成各模块的选型，完成总体方案的设计。20151月上20152月中完成硬件原理图的设计。20152月中20153月上完成系统软件的设计编程，准备中期答辩。20153月上20154月下调试软件程序。20154月下20155月中论文撰写，答辩准备。参考资料1何力民编MCS51系列单片机应用系统设计M北航出版社2吕波等注C语言应用教程M北京大学出版1997年5月3孙利民，李建中，陈渝，等无线传感器网络M北京清华大学出版社，20054胡汉才编单片机原理及其接口技术M清华大学出版社5陈张龙编实用单片机大全M黑龙江出版社6北京联合大学王研智能充电器的设计毕业论文7安徽工贸职业技术学院智能蓄电池充电器设计毕业论文8智能型铅酸蓄电池充电器的设计与现实彭和平江正战电子技术2001年12期（期刊）指导教师指导教师评语成绩指导教师签名年月日系部意见系复审意见成绩复审人签名职称公章年月日注毕业设计考核根据学院统一标准考核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目录摘要I引言11国内外发展现12电动自行车智能充电器充电模式分析221密封免维护铅酸蓄电池的结构和工作原理分析222充电模式及特性2221目前常用的充电模式3222充电模式的确定33电动自行车智能充电器的硬件设计与实现631PIC16F73单片机简介6311PIC16F73单片机的主要功能特点6312PIC16F73的结构6313PIC16F73单片机控制的智能充电器的工作原理732充电控制技术733智能充电器的主要参数934电动自行车智能充电器的硬件设计9341直流电源电路设计11342主控电路设计12343检测取样电路设计16344人机交互部分电路设计1835本电路设计的优点204电动自行车智能充电器的软件设计与实现2241软件开发环境简介2242软件总体设计2343充电终止控制设计2544充电控制模块设计275智能充电器可靠性分析28结论29致谢30参考文献31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国内外研究现状目前人们大多使用以常规充电法为原理的充电装置进行充电，其充电电流一般都较小，是为了防止采用大电流充电产生的过电压、温度上升太快、产生大量的气泡和消耗电量太大等问题所谓常规充电方法包括小电流充电、恒压充电和三阶段充电等。近年，在国家政策的大力支持下，蓄电池作为一种新能源以其具有大容量、性价比较高、工作温度范围大、工作安全可靠和制作原材料丰富等特点在电子电力系统中的应用越来越广泛。特别是在工业上自动引导车、电瓶车和电动汽车动力源等方面得到广泛的应用。铅酸蓄电池技术的进步促进了通信、信息及电动汽车等相关产业的蓬勃发展。随着铅酸蓄电池使用量的增大，不合理的充电方式造成了铅酸蓄电池容量快速下降，使用寿命缩短，使电池过早的废弃，产生了严重的资源浪费和环境污染。因此，高效、安全和可靠的蓄电池充电方法显得极为重要，这也极大推动了人们对智能快速充电理论的不断深入研究，随着电池使用量的增大，如果改进充电器实现对铅酸蓄电池的智能快速充电，将对节约充电时间和能源有重大意义。2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。21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2PBSO42H2OPBO2PB2H2SO4充电反应式PBO2PB2H2SO42PBSO42H2O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。22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。221目前常用的充电模式常规充电有以下四种恒流充电法，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；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。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；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。222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21所示是四模式充电状态曲线。图21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（IBULKC/10C/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8090。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1030MA（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。3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。31PIC16F73单片机简介311PIC16F73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DC20MHZ振荡时钟，是普通单片机执行速度的几倍9。312PIC16F73的结构1PIC16F73的管脚排列如图31所示图31PIC16F73的管脚排列图2PIC16F73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IK14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。313PIC16F73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。32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31。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1/20CC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03C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0V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0V控制法。其缺点是未充足电前，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0V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0V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。其缺点是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。33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VOC25VVOC为充满电的电压峰值VD17VVD为大电流充电时启动电压VF233VVF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31所示。表31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12VNC单格电池数量串联电池个数6C电池组容量2AHVD单格大电流充电电压25C，大电流充电状态17VVF单格浮充电压25C，满充状态233VVMAX单格最大电压25C，过充状态25VIBULK最大充电电流IBULKC/10C/2700MAITRICKLE涓流充电电流ITRICKLEC/2540MAIOCT过充电电流IOCTIBULK/5140MAIFLOAT浮充电电流IFLOAT1/20C20MATC单格电池温度系数温度上升1度，电压下降39MV39MVTMIN电池最低温度0CTMAX电池允许最高温度40CVBULK大电流充电电压VBULKVDNC102VVFLOAT浮充电压VFLOATVFNC135VVBATMIN电池最低电压VBATMINVDTMAX25TCNC98VVBATMAX电池最高电压VBATMAXVOCTMIN25TCNC156VPMAX最大输出功率PMAXIBULKVBATMAX1092W34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压；采集部分由电压采样、电流采样、温度检测模块组成；主控电路部分由电压检测取样电路将电池端电压的大小反馈回单片机系统内部，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，来控制和完成四个充电过程；人机交互部分由显示模块、声光报警和按键部分组成。主要功能是接收来自系统的电压、温度、电流大小、电池充满百分比以及故障信息，并按要求给予实时显示。当故障出现和充满电时要发出声光报警，该部分信息交换以中断方式进行。图32所示是智能充电器结构框图17。显示电池电压采样电流调节CPU声光报警交流220V输入电流采样AC/DC转换器温度检测图32智能充电器结构框图本文设计的电源实验装置的主要技术指标为输入电压交流220士10V，50HZ输出电压调节范围9616VDC输出电流额定20700MADC效率80最大输出功率POMAXUOMAXIOMAX156071092W31最大输入功率PIMAXPOMAX/MIN1092/081365W32开关频率FS20KHZ33最大占空比DMAX0934341直流电源电路设计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6。电路图见图33所示。直流电源部分的工作原理交流220V的市电经变压器T1降压、桥式整流电路进行整流，然后通过CL滤波，所得到的电压VIN14V同时提供给BUCK变换器和LM7805，LM7805三端稳压器稳压后的输出为单片机提供5V的直流工作电源。若电源准备就绪，发光二极管POWER亮，显示电源正常。图33直流电源电路1变压器的选用变压器要求选用高频变压器，该变压器对磁性材料的要求较高。本电路选用的是频率可达120KHZ，绕组耦合性能好、分布电容、电感不太大的变压器。2桥式整流电路中二极管的选用变压器二次侧电压有效值为24V，整流后输出电压平均值U2216V，整流二极管最大峰值电流IDP1414PIMAX/UOMIN2A，每只二极管承受的最大电压UDP14141217V。根据计算结果，考虑安全裕量，选择整流二极管模块为LSM345，最大允许电流为3A。3稳压电路中LM7805集成稳压器的选用LM7805是固定输出正电压的串联型三端集成稳压器，它把调整管、稳压管、比较放大器和多种保护电路集成到一块芯片上，具有体积小、可靠性高、使用简单等特点。尤其是集成稳压器内部具有多种保护功能，包括过流保护、过压保护和过热保护等。性能稳定，输出电流1A以上，无需外部元件，具有输出晶体管安全范围保护。4滤波电路中电容器的选用滤波电容CL选择100F/25V的电解电容C4选择100NF的小电容。在本电路中，因为电源的开关频率较高，一般的电容器的电容损耗较大，电感量较大，当频率增加时，衰减很大，无法满足要求。因此选用了专用的高频耐高温电容器，同时对电容容量和电容温度系数要求也较高，从而保证电路的稳定运行。342主控电路设计单片机内核集成的PWM脉宽调制电路和模数转换器（A/D）、BUCK变换器组成开关型电流控制回路，即为本设计的主控电路。主控电路图见图34所示。图34智能充电器主控电路图一、开关型电流控制回路（主控电路）1BUCK变换器的开关原理开关电源是电路中容易发生故障的部分，因此开关管的选择要十分谨慎。本电路选用型号为IRF630的高频率开关管，其最大电流为9A，耐压为200V，导通后的电阻只有04，线性转换特性好。该管是专用的开关管，防止二次击穿性能较好。BUCK变换器包括由NPN晶体管驱动的P沟道MOSFET开关管与电感、二极管和电容相连，工作原理图见图35。图35BUCK变换器开关原理当开关管接通时原理图中以一个开关表示，电流按图A所示方向流动，电容通过电感被充电电感也吸收了能量。当开关管打开时，如图B所示，电感试图保持电流，从而导致电流流过二极管、电感和电容，这是一个BUCK变换器的工作周期。如果减少占空比，开通时间减少，断开时间增加，则输出电压也将下降。反之输出电压增加。在占空比为50时，BUCK变换器的效率最高。图中二极管D是用来防止在断电时电池向微处理器供电。充电电流是由PWM脉宽调制电路单片机内核集成的输出调节的。当充电电流与给定值之间存在误差时，可通过改变微调电位器RP来调节该电源的输出电流，以获得所需要的充电电流。通用型三极管C1815是激励放大管或称末前级放大管，利用它将PWM输出信号进行电压放大，给功率放大输出级以足够的驱动电压。BUCK变换器的主要参数见表32。表32BUCK变换器主要参数参数名称计算公式取值VINMIN最小输入电压18VVINMAX最大输入电压30V开关频率20KHZVD1FD1压降大电流充电状态065VD2FD2压降大电流充电状态065ILIMAX电感纹波电流ILIMAX04IBULK028AL1变换器输出电感SMAXLINFV41054MH/15ADMAX最大占空比FDINBTAXD2090DMIN最小占空比FDMINBATMINV21036击穿电压AXBTR5234VD1额定电流ULKOMIN214A击穿电压AXIRV145VD2额定电流BULKOMIN14ABUCK主开关MOSFET晶体管IRF630Q1击穿电压AXIDSQV1545V额定电流BULKQI4128A输出电容额定电压MAXTCV51000UF/25VC6反向最大电流1683/FISINRMS108MAIOMAX开关管最大输出电流15A2输出电流由PWM脉宽调制作为占空比调节，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。在目前广泛采用的开关电源供电方式中，由PWM控制器提供脉宽调制，并发出脉冲信号，使MOSFET管导通。同时扼流线圈作为储能电感使用并与相接的电容组成LC滤波电路。PWM芯片包含内部和外部线路，当脉宽调制要做周期循环时将由它来决定这个频率的快慢，当一个信号要发送到每一个MOSFET用以接通这些MOSFET时它就可以直接控制进行速度调节。本设计中由于单片机内核中集成了PWM驱动单元，它能向系统提供更为准确的数字电压05V7。PWM输出频率设定为20KHZ。如图26所示图36PWM输出PWM电压输出计算公式VPWMVCCD25其中D为高电平的占空比四种充电状态对应的PWM电压输出计算结果见表23表33PWM输出电压充电状态VPWM电压输出充电电流涓流5V402VIA40MA大电流5V1005VIMAX700MA过充5V201VIMAX/5IA,IA140MA浮充5V201VIA20MA3模数转换器（A/D）模块8位模数（ANALOGTODIGITAL，A/D）转换器模块具有4路输入（RA0、RA1、RA2、RA3），A/D能将模拟输入信号转换为对应的8位数字量。采样电路的输出与转换器的输入相连，A/D转换器采用逐次逼近法产生转换结果。可通过软件选择模拟参考电压为器件的正电源电压（VDD）或RA3/AN3/VREF引脚上的电压。A/D模块具有三个寄存器。这些寄存器是A/D结果寄存器（ADRES）A/D控制寄存器0（ADCON0）A/D控制寄存器1（ADCON1）A/D模块的工作由ADCON0寄存器控制。端口引脚的功能由ADCON1寄存器配置。端口引脚可以被配置成模拟输入（RA3还可以作为参考电压）或者数字I/O。343检测取样电路设计一、电流检测电路电阻R5输出端接入单片机RA0管脚，RA0是充电时的电流取样输入端，该电路设置了过流保护，能达到恒流充电目的。电流取样放大电路，是把取样后的电流以电压形式送回到PWM比较器中去比较，从而决定输出的占空比。充电电流通过采用电流转换比为11000的霍尔传感器LA55P型获得。为了提高测量精度，取样得到的电压通过集成运算放大器LM324放大，然后再回馈到PIC中。根据集成运放的特点，可得到集成运放的输出电压计算公式为要想获得更高的电压，只要简单地加上分压电阻，使被测电压限制在单片机05V）（631I87URO电压范围内即可。电流检测取样电路见图37所示图37电流检测电路二、输入电压检测电路RA1用于检测充电时电池的端电压。当没有接入电池时，MOSFET没有电流输出，充电器不工作。当接入电池时，检测到电池两端有电压，充电器开始充电。电压检测电路见图38所示。图38输入电压检测电路为了监控电池端电压，采用R3和R4分压电阻来获得取样电压，由分压电阻的阻值确定浮充电压、过充电电压、涓流充电电压和大电流充电电压。由于RA0口的输入电压范围为05V，电池端电压的范围为015V，通过计算，可确定电阻的取值为R3150K，R450K，取样电压的计算公式37431URVE各转折点取样输入电压情况见表34。表34各转折点取样输入电压情况表各状态下电池端电压范围检测输入口U1的电压充电电流IA涓流102V34V以下40MA大电流10215V34V700MA过充15135V45V140MA浮充135V5V20MA在浮充过程中，充电器始终接在电池组上，并且电池输出电流非常小。图28所示电路中，在充电器串联调整管与输出端之间串入一只二极管DL，可以防止蓄电池输出电流流入充电器。为了避免电池通过充电器中的分压电阻放电，分压电阻R4不能直接接地，应当接到PIC16F73的RA4脚，这样，可避免当市电中断时，蓄电池通过分压电阻放电。三、温度取样电路RT为热敏电阻，在硬件电路中应与电池靠近焊接，输出端与单片机RA2管脚连接，以电压形式输入到单片机，RA2检测充电时电池的最高温度，当检测到高于额定温度后，停止充电，并进行声光报警。电池充电器是将电能传输到电池的过程，能量以化学反应的方式保存下来，但不是所有的能量都转化为电池中的化学能，一些电能转化为热能，对电池起到了加热的作用。当电池充满电后，若继续充电，所有的电能都将转化为电池的热能，在快速充电时这将使电池快速升温，若不及时停止充电，会造成电池损坏。因此设计电池充电器时，对温度进行监控和及时停止充电是非常重要的。温度取样电路见图39。图39温度取样电路计算公式38RTVUC102344人机交互部分电路设计人机交互部分由显示模块、声光报警与按键部分组成。主要功能是接收按键信息并传递给主控单片机，同时接收来自系统的电压、温度、电流大小、电池充满百分比以及故障信息，并按要求给予实时显示。当故障出现时还要控制蜂鸣器发出报警声。该部分信息交换以中断方式进行。一、数码管显示电路见图310所示。图310数码管显示电路图图中所示74LS595是双列直插式封装DIP的8位移位寄存器/锁存器，串行输入并行输出方式，利用其能够将数据锁存的功能来驱动LED显示管工作。电流显示和百分比显示部分分别用来显示充电过程中充电电流的大小和电池充满容量的百分比，从而使充电过程直观。二、声光报警电路见图311所示。在该设计中，还加入了电池充满电检测和指示电路。当控制器检测到电池己充足电，RC7脚变为高电平，使9014管导通，发光二极管LED亮，扬声器SP发出报警信号，同时充电控制器自动转入浮充电状态。图311声光报警电路三、按键电路见图312所示。图312按键电路按键DP和UN的作用用户可以通过按钮来切换充电状态并引发中断。在中断程序中，按照所按的不同按钮，系统可切换到不同的最大充电电流值。即用户可根据需要确定充电时的最大电流值。本设计确定了四种不同的最大充电电流，如表25所示。表35DN和UP确定的四种充电电流35本电路设计的优点本设计无须进行硬件修改，通过软件设计，电路可以容易的改变充电模式和各项充电参数，实现对不同容量电池的快速充电，和其它充电器相比，它进行了以下的改模式最大充电电流过充电电流MODE1700MA140MAMODE2500MA100MAMODE3300MA60MAMODE4100MA20MA进1与传统充电器相比，提高了充电性能。2可按用户需要修改程序、升级方便迅速。3独特的软、硬件设计，能精确的检测电池的四个充电状态涓流充电、大电流充电、过充电、浮充电避免误判断，保证电池100充足电。具有最高电压VMAX最高电流IMAX检测和最高温度TMAX检测，可避免在异常情况下发生过充电，保证最佳充电效果。4采用PWM脉宽调制输出控制功率管MOSFET的导通时间。达到对电池充电电流的控制。5充电过程中，能够显示充电电流的大小和充满电量的百分比。6充电时，可通过按键UP、DN调整充电电流的大小。7充满电量时，具有声光报警装置。8略为修改电路参数即可任意调整充电电流和浮充电压，以满足不同规格电池的需要。4电动自行车智能充电器的软件设计与实现41软件开发环境简介1MPLABIDE主窗MPLAB集成开发环境IDE是综合的编辑器、项目管理器和设计平台，适用于使用MICROCHIP的PICMICRO系列单片机进行嵌入式设计的应用开发。图41所示是MPLABIDE的主窗图。图41所示是MPLABIDE的主窗图2MPLABIDE功能MPLABIDE是适用于PICMICRO系列单片机和DSPICTM数字信号控制器，基于WINDOWS操作系统的集成开发环境。MPLABIDE提供以下功能使用内置编辑器创建和编辑源代码。汇编、编译和链接源代码。通过使用内置模拟器观察程序流程调试可执行逻辑；或者使用MPLABICE2000和MPLABICE4000仿真器或MPLABICD2在线调试器实时调试可执行逻辑。用模拟器或仿真器测量时间。在观察窗口中查看变量。使用MPLABICD2、PICSTARTPLUS或PROMATEII器件编程器烧写固件。使用MPLABIDE丰富的在线帮助快速找出问题的答案。注MPLAB也支持某些第三方工具。3调试项目为了生成可由目标PICMICRO单片机执行的代码，需将源文件放入同一个项目中，用所选择的语言工具汇编、编译器和链接器等编译代码。在MPLABIDE中，管理器负责管理这一过程。第一步是写一个非常短的源代码文件，然后创建一个项目，将源代码加入此项目，为此项目指定语言工具。最后，编译和测试代码。编译项目后，用户希望检查项目能否正常运行，则可以通过调试工具来实现。调试是在执行程序时用来检查代码的软件或硬件工具，本设计中使用了MPLABSIM模拟器。模拟器是运行在计算机上，模拟PICMICRO单片机指令的软件程序，因其运行速决于计算机的速度、代码的复杂程度、操作系统的开销及有多少任务在运行，所以不是实时运行的。然而，模拟器可以准确地测量在应用中实时运行这些代码所消耗间。其它调试器还包括MPLABICE2000、MPLABICE4000和MPLABICD2，这些都是应用在PCB上测试代码的可选硬件工具。这些工具大部分MPLABIDE调试操作拟器相同，但与模拟器不同的是，它们都允许目标PICMICRO单片机在实际目标应用中全速运行。4C语言编译器PICCMICROCHIP公司自己没有针对中低档系列PIC单片机的C语言编译器，但很多专业的第三方公司有众多支持PIC单片机的C语言编译器提供，HITECH公司的PICC编译器，它稳定可靠，编译生成的代码效率高，在用PIC单片机进行系统设计和开发的工程师群体中得到广泛认可。PICC编译器可以直接挂接在MPLABIDE集成开发平台下，实现一体化的编译连接和原代码调试。使用MPLABIDE内的调试工具ICE2000、ICD2和软件模拟器都可以实现原代码级的程序调试，非常方便。42软件总体设计软件设计在本系统中与硬件设计一样占十分重要的部分，基本充电功能大部分是由软件完成，功能发挥部分同样需要软件的密切配合才能顺利实现。下面将重点介绍软件结构和各功能模块的设计流程。具体软件程序见附件。该程序分为主程序和显示与按键部分程序组成，它们之间用串口通信。主程序根据系统所获得的相关电压、电流、温度等信息，确定具体的工作状态，从而采取相应的方式来控制程序的具体执行，达到控制合理进行四种模式充电过程的功能，并具有实时进行终止条件的检测，及时给显示与按键部分传递信息等功能。主程序软件流程图包括初始化模块、状态采集模块、状态判断模块、充电终止控制模块，主程序流程框图见图42。检测电池端电压是否等于15V上电检测电池端电压是否等于135V声音告知浮充电NY程序初始化检测电网电压是否正常检测是否接上电池检测电池端电压是否小于102V涓流充电检测电池端电压是否大于102V大电流充电过充电YNYYNN进入充电终止判别子程序图42主程序流程图系统上电后，程序初始化18，检测电网电压是否正常，电网电压正常后，则检测充电器输出端是否接入电池，如果没有接入电池，则系统不工作检测到接入电池后，系统开始工作，判断电池端电压的大小，由端电压的大小决定进入涓流充电还是大电流充电。如果检测到电池端电压小于阈值电压102V，则系统进入涓流充电状态，以40MA的小电流给电池进行涓流充电如果检测到电池端电压己经在102V以上时，则系统判断后跳过涓流充电状态，直接进入大电流充电状态，以700MA的最大允许电流给电池进行充电。同时系统继续检测电池端电压，当检测到电池端电压超过最大门限电压15V时，电池充电容量已经恢复到90左右，此时大电流充电状态结束，系统转入过充电状态，以140MA的过充电电流给电池充电。在过充电状态下，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135V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，系统则发出声光报警信号，表示充电过程结束，同时自动转入浮充电状态。在浮充电状态下，以20MA的较小电流给电池维持充电，保证电池容量保持在满充状态。43充电终止控制设计前面己经具体介绍了判断充电终止的几种方法，并提出了本设计中所采用的综合控制法。系统在充电过程中即时判断电池温度及电池端电压，是否己超过预定的阈值或保护值作为电池充满的检测手段。若发现温度和端电压已到达或超过了充电保护条件，系统会立即终止所进行的充电过程，进入浮充维护状态。充电终止判别流程框图见图43所示。T40度V15V关闭PWM声光报警显示高温进入浮充电声光报警YN充电判别图43充电终止判别框图系统在充电过程中，会不停地根据从系统中反馈回的电压值，判断下一步应该进入何种充电状态。若电池电压高于15V，系统就认为电池已充满电，即转入浮充维护状态。若此时电池电压低于15V，但系统检测到当前温度已经超过40，系统也会及时终止当前充电状态而进入浮充电维护状态。若系统未检测到任何满足终止充电的条件，则会随着充电的继续，重新开始充电终止控制法的判断。44充电控制模块设计NY开始根据状态判断模块的信息选择充电方式涓流充电大电流充电过充电浮充电调整PWM程序结束图44充电控制模块流程图5智能充电器可靠性分析老式充电器主要是限流限压式充电器，恒流限压式充电器，但是这些老式充电器设计并不理想，充电效率低，在充电过程中往往容易造成过充，这大大降低了电池的寿命。基于单片机控制的电动自行车充电器，以MICROCHIP美国微芯公司的PIC16F73单片机作为控制芯片，在电池充电过程中，运用四模式充电技术，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进行涓流充电、大电流充电、过充充电、浮充充电。本文是在以往研究成果的基础上进行进一步研究，在功能、性能上有新的进展，无需进行硬件修改，通过软件设计，本电路可以很容易的改变充电模式和各项充电参数，实现对不同容量电池的快速充电，实验方案是切实可行的。在其他充电器基础上，它进行了以下改进1与传统充电器相比，提高了充电性能。2可按用户需要修改程序，升级方便迅速。3独特的软件、硬件设计，能够精确的检测电池的四个充电状态避免错误判断，保证电池百分百充足电。具有最高电压VMAX、最高电流IMAX、和最高温度TMAX的检测，可以避免在异常情况下发生过充电，保证最佳充电效果。4采用PWM脉宽调制19输出控制功率管MOSFET的导通时间，达到对电池充电电流的控制。5充电过程中，能够显示充电电流的大小和充满电量的百分比。6充电时，可以通过按键调整充电电流的大小。7充满电量时，具有声光报警装置。8略微修改电路参数可任意调整充电电流和浮充电压，以满足不同规格电池需要。9基于单片机控制的电动自行车充电器，