電動(dòng)車充電站充電電路設(shè)計(jì).doc

南 陽(yáng) 理 工 學(xué) 院 本科生畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文） 學(xué)院（系）：電子與電氣工程學(xué)院專 業(yè)： 電子信息工程 學(xué) 生： 指導(dǎo) 教師： 完成日期 2012 年 5 月 南陽(yáng)理工學(xué)院本科生畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文） 電動(dòng)車充電站充電電路設(shè)計(jì)Charging Circuit Design of Electric Vehicle Charging Station總 計(jì)： 27 頁(yè)表 格： 2 個(gè)插 圖： 22 幅南 陽(yáng) 理 工 學(xué) 院 本 科 畢 業(yè) 設(shè) 計(jì)（論文）電動(dòng)車充電站充電電路設(shè)計(jì)Charging Circuit Design of Electric Vehicle Charging Station 學(xué) 院（系）： 電子與電氣工程學(xué)院 專 業(yè)： 電子信息工程 學(xué) 生 姓 名： 學(xué) 號(hào)： 指 導(dǎo) 教 師（職稱）： 評(píng) 閱 教 師： 完 成 日 期： 南陽(yáng)理工學(xué)院 Nanyang Institute of Technology電動(dòng)車充電站充電電路設(shè)計(jì)電動(dòng)車充電站充電電路設(shè)計(jì)電子信息工程專業(yè) XXX摘 要 隨著電動(dòng)車的普及，電動(dòng)車充電技術(shù)也受到人們的關(guān)注。我國(guó)的電動(dòng)車用動(dòng)力蓄電池大多為鉛酸蓄電池，這主要是由于鉛酸蓄電池具有技術(shù)成熟、成本低、電池容量大、跟隨負(fù)荷輸出特性好、無(wú)記憶效應(yīng)等優(yōu)點(diǎn)。但傳統(tǒng)的常規(guī)充電時(shí)間過(guò)長(zhǎng)，快速充電技術(shù)至今仍未能完全解決，嚴(yán)重地制約著電動(dòng)車的發(fā)展?；诖耍疚奶岢隽艘环N用于全密封免維護(hù)鉛酸蓄電池的智能充電設(shè)計(jì)方案，針對(duì)蓄電池充電過(guò)程中出現(xiàn)的種種問(wèn)題，分析解決方法，提出一種可對(duì)鉛酸蓄電池實(shí)現(xiàn)四段式慢脈沖充電的智能充電設(shè)計(jì)方案?？刂崎_(kāi)關(guān)電源的脈沖頻率和占空比，從而調(diào)節(jié)充電電流和電壓，實(shí)現(xiàn)對(duì)蓄電池的分級(jí)慢脈沖充電。這個(gè)方案不僅可實(shí)現(xiàn)快速充電，同時(shí)可以減少析氣，消除硫化，進(jìn)行均衡充電，從而大大地延長(zhǎng)了鉛酸蓄電池的使用壽命。關(guān)鍵詞 慢脈沖充電；蓄電池；單片機(jī)；智能 Charging Circuit Design of Electric Vehicle Charging Station Electronic Information Engineering Speciality XXXAbstract:With the popularity of the electric car,Electric vehicle charging technology is also got the concern of the public.In our courtry, lead acid battery which is used as electric vehicle power battery occupied a very big market.This is mainly due to the lead-acid battery has mature technology, low cost, battery capacity, with load output characteristics and no memory effects, etc.But the traditional conventional charging time is too long,fast charging technology is still not fully resolved, seriously restricted the development of the electric car. Based on this status, it puts forward a kind of seal free maintenance lead-acid battery used for intelligence charge design scheme in this thesis.With regard to all sorts of problems for battery charging appeared in the process, analyzes the existing solutions, and put forward a kind of lead acid battery to realize four stages of intelligent charging slow pulse charger design scheme. Control of switch power pulse frequency and duty cycle, which regulates charging electric current and voltage, and to realize the classification battery charging with slow pulse. The scheme not only make rapid charging,at the same time could reduce gas chromatography, eliminate vulcanization, charging for equilibrium, thus greatly extended the lead acid battery service life.Key words: Slow pulse charging;storagebattery;single-chip microcomputer;intelligent目 錄1 引言11.1 課題研究背景及意義11.2 課題研究的內(nèi)容22 充電原理22.1 蓄電池與充電技術(shù)22.2 蓄電池的充電原理32.3 充電方法研究42.3.1 恒流充電法42.3.2 恒壓充電法42.3.3 階段充電法52.3.4 四階段充電法63 總體設(shè)計(jì)方案63.1 系統(tǒng)設(shè)計(jì)63.2 方案比較與選擇74 充電電路的硬件設(shè)計(jì)94.1 電路總體設(shè)計(jì)94.2 芯片選擇94.2.1 AT89C51型單片機(jī)94.2.2 ADC0809模數(shù)轉(zhuǎn)換芯片114.2.3 LM324是四運(yùn)放集成芯片134.3 功能模塊電路設(shè)計(jì)134.3.1 整流濾波電路設(shè)計(jì)134.3.2 充電主電路設(shè)計(jì)144.3.3 單片機(jī)電路設(shè)計(jì)154.3.4 信號(hào)采樣與放大電路設(shè)計(jì)164.3.5 模數(shù)轉(zhuǎn)換電路設(shè)計(jì)184.3.6 電源電路設(shè)計(jì)195 充電電路的軟件設(shè)計(jì)215.1 主程序設(shè)計(jì)215.2 充電電路軟件設(shè)計(jì)215.3 ADC0809軟件設(shè)計(jì)225.4 電源通斷控制軟件設(shè)計(jì)23結(jié)束語(yǔ)24參考文獻(xiàn)25附錄25致謝27III電動(dòng)車充電站充電電路設(shè)計(jì)1 引言1.1 課題研究背景及意義電動(dòng)車是一種非常理想的中短途日常交通工具，電動(dòng)車的應(yīng)用有效地解決了能源和環(huán)境兩大難題，因此，在我國(guó)有著得天獨(dú)厚的發(fā)展條件和廣闊的應(yīng)用前景。目前,RFID作為一種非接觸式的自動(dòng)識(shí)別通信技術(shù)，可通過(guò)無(wú)線電訊號(hào)識(shí)別特定目標(biāo)并讀寫相關(guān)數(shù)據(jù)，而無(wú)需識(shí)別系統(tǒng)特定目標(biāo)之間建立機(jī)械或光學(xué)接觸。RFID的研究和應(yīng)用都得到了前所未有的發(fā)展，本課題設(shè)計(jì)內(nèi)容把射頻識(shí)別技術(shù)與電動(dòng)車充電站結(jié)合起來(lái)，以AT89C51單片機(jī)為核心，利用RFID技術(shù)電子錢包功能實(shí)現(xiàn)用戶身份識(shí)別和電子支付充電費(fèi)用功能，防盜報(bào)警，安全可靠；充滿自停，來(lái)電續(xù)充，付費(fèi)合理，并加上LCD顯示費(fèi)用余額方便簡(jiǎn)單。電動(dòng)車蓄電池按電極材料和工作原理的不同，應(yīng)用最廣泛的包括鉛酸蓄電池、鎳鎘電池、鎳氫電池、鋰離子電池等四類。這四類電池的性能和優(yōu)缺點(diǎn)如表1所示：表1 各材料電池性能比較性能等指標(biāo)鉛酸蓄電池鎳鎘電池鎳氫電池鋰離子電池電池容量3Ah-3000Ah100mAh-7Ah10mAh-3Ah50mAh-50Ah重量比能量35Wh/Kg50Wh/Kg70Wh/Kg120Wh/Kg體積比能量90Wh/L100Wh/L140Wh/L360Wh/L工作溫度-4060-4050-4050-2060大電流放電性能高較高較低較低充放電壽命較低一般高高記憶效應(yīng)無(wú)有略有無(wú)安全性高較高較高較低回收循環(huán)利用高低低低技術(shù)成熟度高較高較高一般成本低較低較高高鉛酸蓄電池的主要優(yōu)點(diǎn)是技術(shù)成熟、成本低、容量大、大電流放電性能好、使用溫度范圍廣、安全性高，并且能夠做到完全回收和再生利用，缺點(diǎn)是重量大、比能量低。而鎳鎘電池、鎳氫電池、鋰離子電池等目前都存在大容量制造技術(shù)不成熟的問(wèn)題，只能實(shí)現(xiàn)中小容量電池的規(guī)?；a(chǎn)，不能滿足大功率動(dòng)力的需求。鉛酸蓄電池自發(fā)明以來(lái)，至今已有150年的歷史，技術(shù)十分成熟。在現(xiàn)階段，以電動(dòng)助力車為主的小型電動(dòng)車輛目前也主要以鉛酸蓄電池作為動(dòng)力電源，在這一市場(chǎng)上，鉛酸蓄電池由于具備突出的性價(jià)比優(yōu)勢(shì)，占據(jù)了95%以上的市場(chǎng)份額。1.2 課題研究的內(nèi)容本課題通過(guò)采用單片機(jī)技術(shù)和RFID技術(shù)實(shí)現(xiàn)電動(dòng)車充電站設(shè)計(jì),主要有三個(gè)功能，電量檢測(cè)功能、RFID電子錢包功能和充電功能。如圖1所示：電量測(cè)量模塊電源模塊鍵盤模塊單片機(jī)小系統(tǒng)RFID模塊顯示模塊充電接口圖1 基于RFID的電動(dòng)車充電站示意圖此設(shè)計(jì)的內(nèi)容是將220V市電通過(guò)一系列的轉(zhuǎn)換與控制輸出穩(wěn)定的48V電壓對(duì)電動(dòng)車進(jìn)行充電。本文通過(guò)六部分電路的設(shè)計(jì)來(lái)實(shí)現(xiàn)充電的功能，即交流220V整流濾波電路、充電主電路、單片機(jī)電路、信號(hào)采樣與放大電路、模數(shù)轉(zhuǎn)換電路、電源模塊電路。該電路能夠采用單片機(jī)(MCU)實(shí)時(shí)檢測(cè)充電電流和蓄電池電壓的實(shí)際值，分級(jí)控制開(kāi)關(guān)電源的脈沖頻率和實(shí)時(shí)調(diào)節(jié)脈沖占空比，從而調(diào)節(jié)充電電流和電壓，實(shí)現(xiàn)對(duì)蓄電池的分級(jí)慢脈沖充電。設(shè)計(jì)中系統(tǒng)可以分為控制部分和信號(hào)檢測(cè)部分。用橋式整流、濾波將220V交流電轉(zhuǎn)換成311V直流電，經(jīng)變壓器反饋振蕩得到48V充電電壓，在設(shè)計(jì)過(guò)程方面，從總體方案、單元電路、元器件選擇和設(shè)計(jì)等都進(jìn)行了細(xì)致的介紹。2 充電原理2.1 蓄電池與充電技術(shù)蓄電池通常是指鉛酸蓄電池，屬于二次電池。它的工作原理：充電時(shí)利用外部的電能使內(nèi)部活性物質(zhì)再生，把電能儲(chǔ)存為化學(xué)能，需要放電時(shí)再次把化學(xué)能轉(zhuǎn)換為電能輸出。電化學(xué)反應(yīng)方程式如下： PbO2 + 2H2SO4 + Pb PbSO4 + 2H2O2 + PbSO4 (放電反應(yīng)) （1） PbSO4 + 2H2O2 + PbSO4 PbO2 + 2H2SO4 + Pb (充電反應(yīng)) （2）電池充電通常要完成兩個(gè)任務(wù)，首先是盡可能快地使電池恢復(fù)額定容量，另一是使用小電流充電，補(bǔ)充電池因自放電而損失的能量，以維持電池的額定容量1。在充電過(guò)程中，鉛酸電池負(fù)極板上的硫酸鉛逐漸析出鉛，正極板上的硫酸鉛逐漸生成二氧化鉛。當(dāng)正負(fù)極板上的硫酸鉛完全生成鉛和二氧化鉛后，電池開(kāi)始發(fā)生過(guò)充電反應(yīng)，產(chǎn)生氫氣和氧氣。這樣，在密封鉛酸蓄電池中，采用中等充電速率時(shí)，氫氣和氧氣能夠重新化合為水。過(guò)充電開(kāi)始的時(shí)間與充電的速率有關(guān)。當(dāng)充電速率大于C/5時(shí)，電池容量恢復(fù)到額定容量的80%以前，即開(kāi)始發(fā)生過(guò)充電反應(yīng)。只有充電速率小于C/100，才能使電池在容量恢復(fù)到100%后，出現(xiàn)過(guò)充電反應(yīng)。為了使電池容量恢復(fù)到100%，必須允許一定的過(guò)充電反應(yīng)。過(guò)充電反應(yīng)發(fā)生后，單格電池的電壓迅速上升，達(dá)到一定數(shù)值后，上升速率減小，然后電池電壓開(kāi)始緩慢下降。由此可知，電池充足電后，維持電容容量的最佳方法就是在電池組兩端加入恒定的電壓。浮充電壓下，充入的電流應(yīng)能補(bǔ)充電池因自放電而失去的能量。浮充電壓不能過(guò)高，以免因嚴(yán)重的過(guò)充電而縮短電池壽命。采用適當(dāng)?shù)母〕潆妷海芊忏U酸蓄電池的壽命可達(dá)10年以上。實(shí)踐證明，實(shí)際的浮充電壓與規(guī)定的浮充電壓相差5%時(shí)，免維護(hù)蓄電池的壽命將縮短一半。鉛酸電池在環(huán)境溫度為25時(shí)工作在理想狀態(tài)，當(dāng)環(huán)境溫度降到0時(shí)，電池就不能充足電，當(dāng)環(huán)境溫度上升到50時(shí)，電池將因嚴(yán)重的過(guò)充電而縮短壽命。因此，為了保證在很寬的溫度范圍內(nèi)，都能使電池剛好充足電，充電器的各種轉(zhuǎn)換電壓必須隨電池電壓的溫度系數(shù)而變。2.2 蓄電池的充電原理理論和實(shí)踐證明，蓄電池的充放電是一個(gè)復(fù)雜的電化學(xué)過(guò)程。一般地說(shuō),充電電流在充電過(guò)程中隨時(shí)間呈指數(shù)規(guī)律下降,不可能自動(dòng)按恒流或恒壓充電。充電過(guò)程中影響充電的因素很多,諸如電解液的濃度、極板活性物的濃度、環(huán)境溫度等的不同,都會(huì)使充電產(chǎn)生很大的差異。隨著放電狀態(tài)、使用和保存期的不同,即使是相同型號(hào)、相同容量的同類蓄電池的充電也大不一樣。 上世紀(jì)60年代中期，美國(guó)科學(xué)家馬斯對(duì)開(kāi)口蓄電池的充電過(guò)程作了大量的試驗(yàn)研究，并提出了以最低出氣率為前提的，蓄電池可接受的充電曲線，如圖2所示。實(shí)驗(yàn)表明，如果充電電流按這條曲線變化，就可以大大縮短充電時(shí)間，并且對(duì)電池的容量和壽命也沒(méi)有影響。原則上把這條曲線稱為最佳充電曲線，從而奠定了快速充電方法的研究方向2。ti0圖2 最佳充電曲線由圖2可以看出：初始充電電流很大，但是衰減很快。主要原因是充電過(guò)程中產(chǎn)生了極化現(xiàn)象。在密封式蓄電池充電過(guò)程中，內(nèi)部產(chǎn)生氧氣和氫氣，當(dāng)氧氣不能被及時(shí)吸收時(shí)，便堆積在正極板（正極板產(chǎn)生氧氣），使電池內(nèi)部壓力加大，電池溫度上升，同時(shí)縮小了正極板的面積，表現(xiàn)為內(nèi)阻上升，出現(xiàn)所謂的極化現(xiàn)象。2.3 充電方法研究常規(guī)充電制度是依據(jù)1940年前國(guó)際公認(rèn)的經(jīng)驗(yàn)法則設(shè)計(jì)的。其中最著名的就是“安培小時(shí)規(guī)則”：充電電流安培數(shù)，不應(yīng)超過(guò)蓄電池待充電的安培時(shí)數(shù)。實(shí)際上，常規(guī)充電的速度被蓄電池在充電過(guò)程中的溫升和氣體的產(chǎn)生所限制。這個(gè)現(xiàn)象對(duì)蓄電池充電所必須的最短時(shí)間具有重要意義。一般來(lái)說(shuō)，常規(guī)充電有恒流充電、恒壓充電法、階段充電法。2.3.1 恒流充電法恒流充電，又叫定電流充電法，恒流充電法是用調(diào)整充電裝置輸出電壓或改變與蓄電池串聯(lián)電阻的方法，保持充電電流強(qiáng)度不變的充電方法，如圖3所示。而電池的可接受電流能力是隨著充電過(guò)程的進(jìn)行而逐漸下降的。在充電過(guò)程中，由于蓄電池的段電壓逐漸升高，為了保持充電電流的恒定，必須相應(yīng)提高充電電壓。采用恒流充電法，可以將不同容量的蓄電池串聯(lián)在一起進(jìn)行充電。但是各個(gè)蓄電池的容量應(yīng)當(dāng)盡可能相同，否則應(yīng)當(dāng)以容量最小的蓄電池計(jì)算充電電流。恒流充電法的優(yōu)點(diǎn)是可以任意選擇充電電流，有益于延長(zhǎng)蓄電池的使用壽命。缺點(diǎn)是充電時(shí)間長(zhǎng)，并且需要經(jīng)常調(diào)整充電電流。充電曲線如下圖所示：充電電壓充電電流tu,i0圖3 恒流充電曲線2.3.2 恒壓充電法恒壓充電又叫定電壓充電法，在充電過(guò)程中，始終保持一個(gè)恒定的充電電壓，絕大多數(shù)汽車都采用這種充電方法對(duì)車載蓄電池進(jìn)行充電。充電初期，由于蓄電池的端電壓較低，充電電路輸出電壓與蓄電池的電壓差較大，所以充電電流也大。隨著充電的進(jìn)行，蓄電池端電壓逐漸上升，充電電路輸出電壓與蓄電池的電壓差也減小，所以充電電流減小。如果充電電路輸出電壓不足，則充電很短時(shí)間就導(dǎo)致充電電流下降為零，過(guò)早地結(jié)束了充電，長(zhǎng)期如此，勢(shì)必導(dǎo)致蓄電池長(zhǎng)期充電不足，容量下降，壽命縮短。如果充電電路輸出電壓過(guò)高，充電電流將顯著增大，即使蓄電池已經(jīng)充足電，但端電壓仍然低于充電器的輸出電壓，充電電流仍然純?cè)?，充電始終在進(jìn)行，勢(shì)必導(dǎo)致蓄電池過(guò)充電，加快電解液的消耗，使用壽命縮短。與恒流充電法相比，其充電過(guò)程更接近于最佳充電曲線。用恒定電壓快速充電，如圖4所示： 充電電壓充電電流u,it0 圖4 恒壓充電法曲線2.3.3 階段充電法此方法包括二階段充電法和三階段充電法。二階段法采用恒電流和恒電壓相結(jié)合的快速充電方法，如圖3所示。首先，以恒電流充電至預(yù)定的電壓值，然后，改為恒電壓完成剩余的充電。一般兩階段之間的轉(zhuǎn)換電壓就是第二階段的恒電壓。如圖5所示：充電電流充電電壓0恒流恒壓tu,i 圖5 二階段法曲線三階段充電法在充電開(kāi)始和結(jié)束時(shí)采用恒電流充電，中間用恒電壓充電。當(dāng)電流衰減到預(yù)定值時(shí)，由第二階段轉(zhuǎn)換到第三階段。這種方法可以將出氣量減到最少，但作為一種快速充電方法使用，受到一定的限制。2.3.4 四階段充電法目前，電動(dòng)自行車主要以鉛酸蓄電池為動(dòng)力。鉛酸蓄電池的主要優(yōu)點(diǎn)是： 電池容量大、價(jià)格便宜并具有無(wú)記憶效應(yīng);但存在的缺點(diǎn)是： 體積大、重量重和不能過(guò)充或過(guò)放。根據(jù)鉛酸蓄電池的上述特點(diǎn)， 鉛酸蓄電池的充電過(guò)程一般分為四個(gè)階段：預(yù)充電、脈沖快速充電、補(bǔ)足充電、浮充電。（1）預(yù)充電對(duì)長(zhǎng)期不用的電池、新電池或在充電初期已處于深度放電狀態(tài)的蓄電池充電時(shí)，一開(kāi)始就采用快速充電會(huì)影響電池的壽命。為了避免這一問(wèn)題要先對(duì)蓄電池實(shí)行穩(wěn)定小電流充電，使電池電壓上升，當(dāng)電池電壓上升到能接受大電流充電的閾值時(shí)再進(jìn)行大電流快速充電。（2）脈沖快速充電 在快速充電過(guò)程中，采用分級(jí)定電流脈沖快速充電法，將充電電流分成三級(jí)，開(kāi)始充電時(shí)采用大電流，隨著電池容量的增加，電壓逐漸升高，電流等級(jí)開(kāi)始降低，使充電電流的脈沖幅度和寬度隨蓄電池端電壓的升高而分級(jí)減小。采用這種方法可以消除充電接近充滿時(shí)易出現(xiàn)的振蕩現(xiàn)象及過(guò)充電問(wèn)題。（3）補(bǔ)足充電快速充電終止后，電池并不一定充足電，為了保證電池充入100的電量，對(duì)電池還要進(jìn)行補(bǔ)足充電。此階段充電采用恒壓充電，可使電池容量快速恢復(fù)。此時(shí)充電電流逐漸減小，當(dāng)電流下降至某一閾值時(shí)，轉(zhuǎn)入浮充階段。（4）浮充電此階段主要用來(lái)補(bǔ)充蓄電池自放電所消耗的能量，只要電池接在充電電路上并且接通電源，充電電路就會(huì)給電池不斷補(bǔ)充電荷，這樣可使電池總處于充足電狀態(tài)。此時(shí)也標(biāo)志著充電過(guò)程已結(jié)束。3 總體設(shè)計(jì)方案3.1 系統(tǒng)設(shè)計(jì)根據(jù)題目的要求，系統(tǒng)采用開(kāi)關(guān)電源，通過(guò)脈沖電流的方式來(lái)實(shí)現(xiàn)充電的目的。由市電送來(lái)的220V交流電經(jīng)整流、濾波后，經(jīng)脈沖變壓器降壓送給蓄電池進(jìn)行充電。系統(tǒng)可以分為控制部分和信號(hào)檢測(cè)部分。 控制部分則包括單片機(jī)模塊、電源通斷控制模塊、開(kāi)關(guān)管驅(qū)動(dòng)模塊三個(gè)基本部分。信號(hào)檢測(cè)部分由充電電流測(cè)量及充電電壓測(cè)量模塊組成，其中電流測(cè)量用以測(cè)量蓄電池充電時(shí)的充電電流，電壓測(cè)量模塊模塊測(cè)量蓄電池充電時(shí)蓄電池的實(shí)時(shí)電壓。這兩個(gè)實(shí)時(shí)信號(hào)反饋給單片機(jī)，由單片機(jī)判斷后，控制PWM波形的占空比。從而控制充電電壓和電流的大小。當(dāng)蓄電池的電壓達(dá)到額定值后，說(shuō)明蓄電池已經(jīng)充滿電，單片機(jī)控制開(kāi)關(guān)，斷開(kāi)電源，停止充電。3.2 方案比較與選擇對(duì)系統(tǒng)信號(hào)進(jìn)行采樣和控制，一般有兩到三種方法，傳統(tǒng)的方法多數(shù)是將充電的電壓和電流信號(hào)反饋回PWM信號(hào)發(fā)生器，由PWM信號(hào)發(fā)生器控制開(kāi)關(guān)管通斷的占空比完成的，現(xiàn)在比較新的方法是單片機(jī)和用狀態(tài)機(jī)來(lái)實(shí)現(xiàn)。（1）方案一：用PWM信號(hào)發(fā)生器(比如UC3842)實(shí)現(xiàn)的方案。蓄電池充電時(shí)，電壓、電流采樣電路將蓄電池的電壓、電流信號(hào)進(jìn)行采樣，采樣的信號(hào)經(jīng)過(guò)各種處理后，分別送進(jìn)PWM信號(hào)發(fā)生器的電壓和電流反饋引腳。PWM信號(hào)發(fā)生器對(duì)反饋回來(lái)的電壓、電流信號(hào)進(jìn)行分析，然后調(diào)整PWM輸出信號(hào)的占空比。這個(gè)PWM信號(hào)送給開(kāi)關(guān)電源開(kāi)關(guān)管，從而調(diào)節(jié)開(kāi)關(guān)管在一個(gè)周期內(nèi)關(guān)斷和導(dǎo)通的時(shí)間，也就是控制了高頻變壓器通斷的時(shí)間，從而實(shí)現(xiàn)控制高頻變壓器輸出電壓和電流的大小。這種方法是目前市場(chǎng)充電器流行使用的方法，也是一種很技術(shù)非常成熟的方法。這種方案的優(yōu)點(diǎn)是，技術(shù)簡(jiǎn)單、成熟、有多年的實(shí)用經(jīng)驗(yàn)、所需的元器件少、成本低，但其在沒(méi)充滿電的情況下就會(huì)產(chǎn)生過(guò)充電的現(xiàn)象，增加蓄電池的損耗，使蓄電池的壽命減少，方案圖如圖6所示：蓄電池PWM波形發(fā)生器電流電壓反饋高頻變壓器圖6 方案一（2）方案二：用單片機(jī)實(shí)現(xiàn)的方案。由AT89C51系列單片機(jī)代替PWM信號(hào)發(fā)生器輸出PWM波形控制開(kāi)關(guān)管在一個(gè)周期內(nèi)的導(dǎo)通與斷開(kāi)。電壓、電流采樣電路將蓄電池的電壓、電流信號(hào)進(jìn)行采樣，采樣信號(hào)分別送進(jìn)模數(shù)轉(zhuǎn)換器，將電壓和電流的模擬信號(hào)轉(zhuǎn)換為數(shù)字信號(hào)。數(shù)字信號(hào)送入單片機(jī)（MCU），由單片機(jī)對(duì)數(shù)字信號(hào)進(jìn)行分析和處理。然后單片機(jī)調(diào)整PWM輸出信號(hào)的占空比。這個(gè)脈沖寬度調(diào)制（PWM）信號(hào)送給開(kāi)關(guān)電源開(kāi)關(guān)管，從而調(diào)節(jié)開(kāi)關(guān)管在一個(gè)周期內(nèi)關(guān)斷和導(dǎo)通的時(shí)間，也就是控制了高頻變壓器通斷的時(shí)間，從而實(shí)現(xiàn)控制高頻變壓器輸出電壓和電流的大小。當(dāng)蓄電池充電滿后，由單片機(jī)輸出信號(hào)控制開(kāi)關(guān)斷開(kāi)電源，充電器便停止對(duì)蓄電池的充電。這是充電器目前比較新的一種方法，這種方案的特點(diǎn)是，技術(shù)比較復(fù)雜，單片機(jī)使用軟件來(lái)控制整個(gè)充電過(guò)程，使得充電的過(guò)程易于控制。方案圖如圖7所示：電源高頻變壓器繼電器開(kāi)關(guān)管指示電路MCU蓄電池模數(shù)轉(zhuǎn)換采樣電路 圖7 方案二（3）方案三：用VHDL設(shè)計(jì)實(shí)現(xiàn)。用VHDL設(shè)計(jì)主要是利用有限狀態(tài)機(jī)來(lái)實(shí)現(xiàn)。用狀態(tài)機(jī)來(lái)控制A/D采樣，包括將采得的數(shù)據(jù)存入RAM，整個(gè)采樣周期需要4至5個(gè)狀態(tài)即可完成。由FPGA代替PWM信號(hào)發(fā)生器輸出PWM波形控制開(kāi)關(guān)管在一個(gè)周期內(nèi)的導(dǎo)通與斷開(kāi)。電壓、電流采樣電路將蓄電池的電壓、電流信號(hào)進(jìn)行采樣，采樣信號(hào)分別送進(jìn)模數(shù)轉(zhuǎn)換器，將電壓和電流的模擬信號(hào)轉(zhuǎn)換為數(shù)字信號(hào)。數(shù)字信號(hào)送入FPGA，由FPGA的有限狀態(tài)機(jī)對(duì)數(shù)字信號(hào)進(jìn)行分析和處理。然后FPGA調(diào)整PWM輸出信號(hào)的占空比。這個(gè)PWM信號(hào)送給開(kāi)關(guān)電源開(kāi)關(guān)管，從而便調(diào)節(jié)的開(kāi)關(guān)管在一個(gè)周期內(nèi)關(guān)斷和導(dǎo)通的時(shí)間，也就是控制了高頻變壓器通斷的時(shí)間，從而實(shí)現(xiàn)控制高頻變壓器輸出電壓和電流的大小。當(dāng)蓄電池充電滿后，由單片機(jī)輸出信號(hào)控制開(kāi)關(guān)斷開(kāi)電源，充電電路便停止對(duì)蓄電池的充電。這是充電電路目前比較新的一種方法，這種方案的特點(diǎn)是，技術(shù)最復(fù)雜、使用VHDL編程較復(fù)雜，成本比上兩個(gè)方案都要高。FPGA的晶振頻率一般為幾十兆赫茲，故信號(hào)的采樣頻率高。在充滿電的情況下才會(huì)產(chǎn)生過(guò)充電的現(xiàn)象，減少蓄電池的損耗，延長(zhǎng)蓄電池的壽命，方案圖如圖8所示：電源高頻變壓器開(kāi)關(guān)管指示電路FPGA蓄電池模數(shù)轉(zhuǎn)換采樣電路繼電器圖8 方案三綜合以上三個(gè)方案，方案一雖然所需的成本是最低，技術(shù)簡(jiǎn)單、成熟，但是與本次題目的要求不甚相符。，并不是理想的設(shè)計(jì)方案。方案三需要的成本最高，技術(shù)復(fù)雜，編寫VHDL語(yǔ)言程序復(fù)雜，在此不選用這種方案。方案二成本比方案一略高一點(diǎn)，易于接受，而且編程沒(méi)有那么的復(fù)雜，在本次設(shè)計(jì)選擇此方案。4 充電電路的硬件設(shè)計(jì)4.1 電路總體設(shè)計(jì)由市電送來(lái)的220V的交流電經(jīng)繼電器進(jìn)行整流濾波，得到大約300V的直流電送入給脈沖變壓器，高頻變壓器的次級(jí)繞組輸出電壓為48V給蓄電池充電。在蓄電池的出口處分別的進(jìn)行電壓和電流的采樣，采樣信號(hào)送入低通濾波器以濾掉諧波的干擾。低通濾波器輸出的信號(hào)送入A/D模數(shù)轉(zhuǎn)換器，將模擬信號(hào)轉(zhuǎn)換為單片機(jī)可識(shí)別的數(shù)字信號(hào)送入單片機(jī)中。單片機(jī)通過(guò)軟件將送進(jìn)來(lái)的電壓和電流信號(hào)轉(zhuǎn)換為實(shí)際值，并將它們與上一次的實(shí)際值進(jìn)行比較，然后再調(diào)節(jié)輸出的PWM波形的頻率和占空比，并控制指示燈的亮滅來(lái)指示充電的過(guò)程。當(dāng)單片機(jī)檢測(cè)到蓄電池充滿電時(shí)，控制繼電器斷開(kāi)電源，停止充電。同時(shí)蓄電池通過(guò)DC-DC變換器經(jīng)整流濾波后給單片機(jī)、A/D模數(shù)轉(zhuǎn)換器、指示電路和其它的電路提供電源。如圖9所示：交流220V繼電器A/D模數(shù)轉(zhuǎn)換單片機(jī)（MCU）指示電路開(kāi)關(guān)管DCDC整流濾波直流5V電源高頻變壓器整流濾波電壓采樣低通濾波低通濾波蓄電池電流采樣圖9 電路總體設(shè)計(jì)方框圖4.2 芯片選擇4.2.1 AT89C51型單片機(jī)在本設(shè)計(jì)中控制部分的單片機(jī)是核心，它作為本系統(tǒng)的微控制器，負(fù)責(zé)整個(gè)系統(tǒng)的控制和監(jiān)控任務(wù). ATMEL公司生產(chǎn)的89系列單片機(jī)是市場(chǎng)上比較常見(jiàn)，也是比較具有代表性的MCS-51單片機(jī)。其中AT89C51是我們?cè)趯W(xué)習(xí)生活中常常用到或見(jiàn)到的，它的功能非常強(qiáng)大，在許多方面都得到應(yīng)用。（1）功能特性描述AT89C51是一種帶4K字節(jié)FLASH存儲(chǔ)器的低電壓、高性能CMOS 8位微處理器，俗稱單片機(jī)。AT89C51 提供以下標(biāo)準(zhǔn)功能：4k 字節(jié)Flash 閃速存儲(chǔ)器，128字節(jié)內(nèi)部RAM，32 個(gè)I/O 口線，兩個(gè)16位定時(shí)/計(jì)數(shù)器，一個(gè)5向量?jī)杉?jí)中斷結(jié)構(gòu)，一個(gè)全雙工串行通信口，片內(nèi)振蕩器及時(shí)鐘電路。同時(shí)，AT89C51可降至0Hz的靜態(tài)邏輯操作，并支持兩種軟件可選的節(jié)電工作模式?？臻e方式停止CPU的工作，但允許RAM，定時(shí)/計(jì)數(shù)器，串行通信口及中斷系統(tǒng)繼續(xù)工作。掉電方式保存RAM中的內(nèi)容，但振蕩器停止工作并禁止其它所有部件工作直到下一個(gè)硬件復(fù)位3。（2）管腳說(shuō)明AT89C51有兩種通用的封裝方式，一種是40腳的雙列直插（DIP）方式，另一種是44腳的PLCC方形貼片封裝方式。在本設(shè)計(jì)中采用DIP方式，其引腳功能如表2所示： 表2 AT89C51的引腳功能符號(hào)引腳功能P0口3932P0口為一個(gè)8位漏級(jí)開(kāi)路雙向I/O口，每位能驅(qū)動(dòng)8個(gè)LS型TTL負(fù)載P1口18P1口是一個(gè)內(nèi)部有上拉電阻的8位準(zhǔn)雙向I/O口，可驅(qū)動(dòng)4個(gè)LS型TTL負(fù)載，T2（P1.1），T2EX（P1.1）P2口2128P2口為一個(gè)內(nèi)部有上拉電阻的8位I/O口。當(dāng)CPU以總線方式訪問(wèn)片外存儲(chǔ)器時(shí)，P2輸出高8位地址。作為一般I/O口使用時(shí)，為準(zhǔn)雙向I/O口可驅(qū)動(dòng)4個(gè)LS型TTL負(fù)載P3口1017P3口內(nèi)部有上拉電阻的8位I/O口，還有一個(gè)全雙功能口。作為一般I/O口使用時(shí)，為準(zhǔn)雙向I/O口可驅(qū)動(dòng)4個(gè)LS型TTL負(fù)載RST9復(fù)位輸入，高電平有效。當(dāng)振蕩器復(fù)位器件時(shí)，要保持RST腳兩個(gè)機(jī)器周期的高電平時(shí)間ALE30當(dāng)訪問(wèn)外部存儲(chǔ)器時(shí)，地址鎖存允許的輸出電平用于鎖存地址的地位字節(jié)29外部程序存儲(chǔ)器的選通信號(hào)31當(dāng)保持低電平時(shí)，則在此期間外部程序存儲(chǔ)器（0000HFFFFH），不管是否有內(nèi)部程序存儲(chǔ)器XTAL119反向振蕩放大器的輸入及內(nèi)部時(shí)鐘工作電路的輸入XTAL218來(lái)自反向振蕩器的輸出VCC：40該引腳接5V電源正端VSS20該引腳接5V電源地端4.2.2 ADC0809模數(shù)轉(zhuǎn)換芯片ADC0809是美國(guó)國(guó)家半導(dǎo)體公司生產(chǎn)的CMOS工藝8通道，8位逐次逼近式A/D模數(shù)轉(zhuǎn)換器。其內(nèi)部有一個(gè)8通道多路開(kāi)關(guān)，它可以根據(jù)地址碼鎖存譯碼后的信號(hào)，只選通8路模擬輸入信號(hào)中的一個(gè)進(jìn)行A/D轉(zhuǎn)換。是目前國(guó)內(nèi)應(yīng)用最廣泛的8位通用A/D芯片。（1）主要特性l 輸入通道，8位A/D轉(zhuǎn)換器，即分辨率為8位l 具有轉(zhuǎn)換起停控制端l 轉(zhuǎn)換時(shí)間為100sl 單個(gè)5V電源供電l 模擬輸入電壓范圍05V，不需零點(diǎn)和滿刻度校準(zhǔn)l 工作溫度范圍為-4085攝氏度l 低功耗，約15mW（2）內(nèi)部結(jié)構(gòu)ADC0809是CMOS單片型逐次逼近式A/D轉(zhuǎn)換器，內(nèi)部結(jié)構(gòu)如圖所示，它由8路模擬開(kāi)關(guān)、地址鎖存與譯碼器、比較器、8位開(kāi)關(guān)型A/D轉(zhuǎn)換器、逐次逼近寄存器、邏輯控制和定時(shí)電路組成。如下圖所示： 圖10 ADC0809內(nèi)部結(jié)構(gòu)（3）外部特性ADC0809芯片有28條引腳，采用雙列直插式封裝，下面說(shuō)明各引腳功能：l IN0IN7：8路模擬量輸入端 l 2-12-8：8位數(shù)字量輸出端 l ADDA、ADDB、ADDC：3位地址輸入線，用于選通8路模擬輸入中的一路 l ALE：地址鎖存允許信號(hào)，輸入，高電平有效 l START： A/D轉(zhuǎn)換啟動(dòng)脈沖輸入端，輸入一個(gè)正脈沖（至少100ns寬）使其啟動(dòng)（脈沖上升沿使0809復(fù)位，下降沿啟動(dòng)A/D轉(zhuǎn)換） l EOC： A/D轉(zhuǎn)換結(jié)束信號(hào)，輸出，當(dāng)A/D轉(zhuǎn)換結(jié)束時(shí)，此端輸出一個(gè)高電平（轉(zhuǎn)換期間一直為低電平）l OE：數(shù)據(jù)輸出允許信號(hào)，輸入，高電平有效。當(dāng)A/D轉(zhuǎn)換結(jié)束時(shí)，此端輸入一個(gè)高電平，才能打開(kāi)輸出三態(tài)門，輸出數(shù)字量l CLK：時(shí)鐘脈沖輸入端。要求時(shí)鐘頻率不高于640KHZ l REF（+）、REF（-）：基準(zhǔn)電壓l Vcc：電源，+5Vl GND：地（4）ADC0809的工作過(guò)程首先輸入3位地址，并使ALE=1，將地址存入地址鎖存器中。此地址經(jīng)譯碼選通8路模擬輸入之一到比較器。START上升沿將逐次逼近寄存器復(fù)位。下降沿啟動(dòng) A/D轉(zhuǎn)換，之后EOC輸出信號(hào)變低，指示轉(zhuǎn)換正在進(jìn)行。直到A/D轉(zhuǎn)換完成，EOC變?yōu)楦唠娖?，指示A/D轉(zhuǎn)換結(jié)束，結(jié)果數(shù)據(jù)已存入鎖存器，這個(gè)信號(hào)可用作中斷申請(qǐng)。當(dāng)OE輸入高電平 時(shí)，輸出三態(tài)門打開(kāi)，轉(zhuǎn)換結(jié)果的數(shù)字量輸出到數(shù)據(jù)總線上。 轉(zhuǎn)換數(shù)據(jù)的傳送 A/D轉(zhuǎn)換后得到的數(shù)據(jù)應(yīng)及時(shí)傳送給單片機(jī)進(jìn)行處理。數(shù)據(jù)傳送的關(guān)鍵問(wèn)題是如何確認(rèn)A/D轉(zhuǎn)換的完成，因?yàn)橹挥写_認(rèn)完成后，才能進(jìn)行傳送。為此可采用下述三種方式。 l 定時(shí)傳送方式 ：對(duì)于一種A/D轉(zhuǎn)換器來(lái)說(shuō)，轉(zhuǎn)換時(shí)間作為一項(xiàng)技術(shù)指標(biāo)是已知的和固定的。例如ADC0809轉(zhuǎn)換時(shí)間為128s，相當(dāng)于6MHz的MCS-51單片機(jī)共64個(gè)機(jī)器周期?？蓳?jù)此設(shè)計(jì)一個(gè)延時(shí)子程序，A/D轉(zhuǎn)換啟動(dòng)后即調(diào)用此子程序，延遲時(shí)間一到，轉(zhuǎn)換肯定已經(jīng)完成了，接著就可進(jìn)行數(shù)據(jù)傳送。 l 查詢方式 ：A/D轉(zhuǎn)換芯片由表明轉(zhuǎn)換完成的狀態(tài)信號(hào)，例如ADC0809的EOC端。因此可以用查詢方式，測(cè)試EOC的狀態(tài)，即可確認(rèn)轉(zhuǎn)換是否完成，并接著進(jìn)行數(shù)據(jù)傳送。 l 中斷方式：把表明轉(zhuǎn)換完成的狀態(tài)信號(hào)（EOC）作為中斷請(qǐng)求信號(hào)，以中斷方式進(jìn)行數(shù)據(jù)傳送。 不管使用上述哪種方式，只要一旦確定轉(zhuǎn)換完成，即可通過(guò)指令進(jìn)行數(shù)據(jù)傳送。首先送出口地址并以信號(hào)有效時(shí)，OE信號(hào)即有效，把轉(zhuǎn)換數(shù)據(jù)送上數(shù)據(jù)總線，供單片機(jī)接收。4.2.3 LM324是四運(yùn)放集成芯片LM324系列器件帶有真差動(dòng)輸入的四運(yùn)算放大器。與單電源應(yīng)用場(chǎng)合的標(biāo)準(zhǔn)運(yùn)算放大器相比，它們有一些顯著優(yōu)點(diǎn)。該四放大器可以工作在低到3.0伏或者高到32伏的電源下。共模輸入范圍包括負(fù)電源，因而消除了在許多應(yīng)用場(chǎng)合中采用外部偏置元件的必要性4。它有5個(gè)引出腳，其中“+”、“-”為兩個(gè)信號(hào)輸入端，“V+”、“V-”為正、負(fù)電源端，“Vo”為輸出端。兩個(gè)信號(hào)輸入端中，Vi-為反相輸入端，表示運(yùn)放輸出端Vo的信號(hào)與該輸入端的位相反；Vi+為同相輸入端，表示運(yùn)放輸出端Vo的信號(hào)與該輸入端的相位相同。LM324本身具有許多特點(diǎn)，比如：一是具有短路保護(hù)輸出；二是真差動(dòng)輸入級(jí)；三是可單電源工作；四是低偏置電流，最大為100nA；五是每個(gè)封裝含有四個(gè)運(yùn)算放大器；六是具有內(nèi)部補(bǔ)償?shù)墓δ?；七是共模范圍擴(kuò)展到負(fù)電源；八是行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)的引腳排列；九是輸入端具有靜電保護(hù)功能。LM324系列由四個(gè)獨(dú)立的，高增益，內(nèi)部頻率補(bǔ)償運(yùn)算放大器。 由于LM324四運(yùn)放電路具有電源電壓范圍寬，靜態(tài)功耗小，可單電源使用，價(jià)格低廉等優(yōu)點(diǎn)，因此被廣泛用在各種電路中。應(yīng)用領(lǐng)域包括傳感器放大器，有源帶通濾波器，測(cè)溫電路，單穩(wěn)態(tài)觸發(fā)器，直流增益模塊和所有傳統(tǒng)的運(yùn)算放大器。4.3 功能模塊電路設(shè)計(jì)4.3.1 整流濾波電路設(shè)計(jì)交流220V整流濾波電路由繼電器電路、橋形濾波整流電路和保護(hù)電路組成。其中繼電器電路用于接通和斷開(kāi)電源，橋形濾波整流電路用于將交流電轉(zhuǎn)換為直流電源，保護(hù)電路用于過(guò)壓和過(guò)流保護(hù)。繼電器J1驅(qū)動(dòng)電路由光電耦合器NEC2501、PNP三極管Q3和續(xù)流電路構(gòu)成，光電耦合器NEC2501為了防止現(xiàn)場(chǎng)強(qiáng)電磁干擾或工頻電壓通過(guò)輸出通道反串到單片機(jī)系統(tǒng)。它通過(guò)電光電這種轉(zhuǎn)換，利用“光”這一環(huán)節(jié)完成隔離功能，因?yàn)楣庑盘?hào)的傳送不受電場(chǎng)、磁場(chǎng)的干擾，可以有效地隔離電信號(hào)，提高電路的抗干擾能力。三極管Q3用于將光電耦合器NEC2501的信號(hào)放大，以確保有效的驅(qū)動(dòng)繼電器，其中R16、R17和R18為限流電阻。二極管D5和電阻R1構(gòu)成續(xù)流電路，當(dāng)繼電器的線圈斷電后，二極管D5和電阻R1為線圈產(chǎn)生的反向電壓提供續(xù)流通道。整流濾波電路由四個(gè)二極管D1D4、四個(gè)電容C31C34和一個(gè)濾波電容C1組成，電容C31C34(0.01UF)對(duì)交流50Hz阻抗很大，而對(duì)高頻干擾的阻抗很小，基本上可以通過(guò)它順利入地。此外，C31C34對(duì)整流二極管也有保護(hù)作用，在電路剛接通的瞬間，大電容C1的充電電流很大，在沒(méi)有C31C34的情況下，將全部通過(guò)二極管。由于C31C34兩端的電壓不能突變，C31C34處于短路狀態(tài)，二極管上不全流過(guò)很大的電流，從而保護(hù)了二極管。濾波電容C1將整流電路出來(lái)的脈動(dòng)電流變?yōu)橹绷麟娫矗妷捍笮閁=1.414220=311V。保護(hù)電路的熔斷器用保護(hù)電路過(guò)流，壓敏電阻RT1用于保護(hù)電路的過(guò)壓。如圖11所示： 圖11 交流220V整流濾波電路4.3.2 充電主電路設(shè)計(jì)本課題是基于單片機(jī)技術(shù)和RFID技術(shù)的電動(dòng)車充電站設(shè)計(jì)，設(shè)計(jì)內(nèi)容把射頻識(shí)別技術(shù)與電動(dòng)車充電站結(jié)合起來(lái)，以AT89C51單片機(jī)為核心進(jìn)行控制，主要包括電量檢測(cè)功能、RFID電子錢包功能以及充電功能三部分，各部分功能模塊及外圍接口模塊連接成了一個(gè)功能齊全的電動(dòng)車充電站系統(tǒng)。充電電路部分是電動(dòng)車充電站三大功能的一部分，主要實(shí)現(xiàn)智能充電功能。本課題經(jīng)整流濾波的300V直流電源送給脈沖變壓器T1的初級(jí)繞組，初級(jí)繞組的下端與開(kāi)關(guān)管DFF4N60相連，開(kāi)關(guān)管DFF4N60由光電耦合器NEC2501(U11)和PNP三極管Q2來(lái)控制和驅(qū)動(dòng)。其中，光電耦合器NEC2501(U11)用于隔離強(qiáng)電與弱電，防止強(qiáng)電部分干擾單片機(jī)系統(tǒng)，PNP三極管Q2用于驅(qū)動(dòng)開(kāi)關(guān)管DFF4N60，確保開(kāi)關(guān)管的導(dǎo)通，R8R11為限流電阻。R2、C2、D6和C6、R3、D7構(gòu)成開(kāi)關(guān)管DFF4N60的保護(hù)電路，在變壓器的初級(jí)繞組上電的瞬間，如果沒(méi)有C6、R3、D7，則就會(huì)有一個(gè)階躍的電壓加在開(kāi)關(guān)管的漏源極，產(chǎn)生一個(gè)過(guò)高的du/dt加在開(kāi)關(guān)管的兩端，使開(kāi)關(guān)容易被擊穿。而有了C6、R3、D7組成的緩沖電路，在變壓器上電一瞬間，由于電容C6兩端的電壓不能突變，有個(gè)上升的過(guò)程，它兩端的電壓隨著電容的充電而升高，從而起到緩沖的作用。當(dāng)開(kāi)關(guān)管斷開(kāi)后，初級(jí)繞組將會(huì)產(chǎn)生一個(gè)反向電壓，此時(shí)， R2、C2、D6為反向電壓提供了一個(gè)通路，反向電壓返回到初級(jí)組，將能量消耗在RC回路上。次級(jí)繞組接D8、D9、D10和D15構(gòu)成二次整流電路，然后用一個(gè)470UF的大電容進(jìn)行濾波。J2為繼電器用于在充滿電時(shí)斷開(kāi)電源，R4和D12為繼電器線圈的吸收電路，光電耦合器NEC2501(U10)和PNP三極管Q4來(lái)控制和驅(qū)動(dòng)繼電器。R15R17構(gòu)成蓄電池實(shí)際電壓的采樣電路，在本電路采樣蓄電池的1/10的電壓。蓄電池的負(fù)極經(jīng)0.1歐姆的采樣電阻接到地上構(gòu)成電流采樣電路。如圖12所示：圖12 充電主電路模塊4.3.3 單片機(jī)電路設(shè)計(jì)單片機(jī)小系統(tǒng)電路如圖13所示：圖13 單片機(jī)電路模塊單片機(jī)采用的是AT89C51型芯片，在18和19腳上接一個(gè)12MHz晶振，并聯(lián)兩個(gè)30PF的瓷介電容，為單片機(jī)提供時(shí)鐘基準(zhǔn)。單片機(jī)的復(fù)位電路為上電復(fù)位，電源通過(guò)22UF的電解電容加到單片機(jī)的復(fù)位腳9腳上一個(gè)高電平復(fù)位信號(hào)，RC常數(shù)t為t=2210-610103=0.022S=220mS,因此，上電復(fù)位電路能給單片機(jī)提供高電平的時(shí)間遠(yuǎn)大于2個(gè)機(jī)械周期的時(shí)間(即2mS),即單片機(jī)在加電后，單片機(jī)能完成復(fù)位。單片機(jī)的P0口通過(guò)排阻RR5與電源相連，為P0口的每個(gè)引腳接了一個(gè)10K的上拉電阻。P0口與ADC0809的數(shù)據(jù)口相連，用于讀取取樣的電壓和電流信號(hào)。單片機(jī)的地址鎖存輸出引腳經(jīng)過(guò)四分頻后為ADC0809提供時(shí)鐘信號(hào)，P2.7為ADC0809的地址線，P2.4P2.6用于控制光電耦合器，P3.6(WR)和P3.7(RD)為ADC0809的讀寫控制引腳，P3.2(INT0)用于接收來(lái)自ADC0809模數(shù)轉(zhuǎn)換結(jié)束的中斷5。4.3.4 信號(hào)采樣與放大電路設(shè)計(jì)整體信號(hào)采樣與放大模塊電路圖如下所示:圖14 信號(hào)采樣與放大模塊電路圖（1）電壓采樣信號(hào)處理電路如圖14所示，信號(hào)采樣與放大模塊由電流和電壓信號(hào)的采樣電路和放大電路組成。其中，電流采樣信號(hào)經(jīng)過(guò)兩級(jí)放大和量程自動(dòng)轉(zhuǎn)換電路調(diào)整后級(jí)放大電路的放大倍數(shù)。由電壓采樣電路出來(lái)的電壓信號(hào)送入由R15和C24組成的低通濾波器，其截止頻率為fH=1/23.14R15C24=1/23.141.510310-810.6KHz。對(duì)于頻率大于10.6KHz的干擾信號(hào)經(jīng)電容C24流入地，而對(duì)頻率小于10.6KHz的有用信號(hào)進(jìn)入電壓跟隨器電路中，再將信號(hào)送進(jìn)模數(shù)轉(zhuǎn)換芯片中。電壓跟隨器具有電壓隔離的作用，也稱為電壓隔離器，電壓隔離器輸出電壓近似輸入電壓幅度，并對(duì)前級(jí)電路呈高阻狀態(tài)，對(duì)后級(jí)電路呈低阻狀態(tài)，因而對(duì)前后級(jí)電路起到“隔離”作用。電壓跟隨器的電壓放大倍數(shù)恒小于且接近1，具有輸入阻抗高、輸出阻抗低的特點(diǎn)，極端一點(diǎn)去理解，當(dāng)輸入阻抗很高時(shí)，就相當(dāng)于對(duì)前級(jí)電路開(kāi)路，當(dāng)輸出阻抗很低時(shí)，對(duì)后級(jí)電路就相當(dāng)于一個(gè)恒壓源，即輸出電壓不受后級(jí)電路阻抗影響。一個(gè)對(duì)前級(jí)電路相當(dāng)于開(kāi)路，輸出電壓又不受后級(jí)阻抗影響的電路當(dāng)然具備隔離作用，即使前、后級(jí)電路之間互不影響。（2）前置放大電路 對(duì)電流信號(hào)的處理經(jīng)過(guò)一個(gè)低通濾波器和兩級(jí)電路放大電路。由于蓄電池充電時(shí)電流的信號(hào)從20mA3A，范圍很大，它有一段的信號(hào)是很小，并且經(jīng)過(guò)0.1電阻的采樣電路的后，采樣電流信號(hào)幅值變?yōu)?mA0.3A，為此在本設(shè)計(jì)中對(duì)采樣電流信號(hào)進(jìn)行兩級(jí)放大，既前置放大電路和后級(jí)放大電路6。如圖14所示，采樣電流經(jīng)過(guò)由R15和C6組成的低通濾波器，讓10 KHz的有用信號(hào)能進(jìn)入到前置放大器中，而10 KHz以上的諧波信號(hào)則從電容C24流入地中，提高了電路的搞干擾能力。為了提高對(duì)充電采樣電流測(cè)量的精度，利用放大器AD620對(duì)采樣電流進(jìn)行精確的放大10倍，其中電阻R44的阻值為：R44=49.4K/(A-1)=49.4K/(10-1)=5.5K。（3）高精度自動(dòng)換擋比例運(yùn)放電路從前置放大電路輸出電流信號(hào)的幅值為20mA3A，變化的范圍很大，為了方便對(duì)電流信號(hào)的處理，在本設(shè)計(jì)中采用了高精度自動(dòng)換擋比例運(yùn)放電路，將前置放大電路輸出電流信號(hào)分成了四個(gè)量程:第一檔為20mA100mA；第二檔為100mA500mA；第三檔為500mA1000mA；第四檔為1A5A，在這范圍內(nèi)的電流信號(hào)放大1倍，放大后的信號(hào)幅值為1V5V；高精度自動(dòng)換擋比例運(yùn)放電路分為電壓比較電路。由四電壓比較器LM339構(gòu)成的電壓比較電路組成，在電壓比較器的同相輸入端接一個(gè)基準(zhǔn)電壓，在反相輸入端輸入采樣的電流信號(hào)7。這四個(gè)基淮電壓信號(hào)分別為1V、0.5V、0.1V和0.02V,當(dāng)采樣信號(hào)大于基準(zhǔn)電壓時(shí)，電壓比較器LM339輸出低電平，當(dāng)采樣信號(hào)小于基準(zhǔn)電壓時(shí)，電壓比較器LM339輸出高電平。采樣信號(hào)在不同的范圍時(shí)，就會(huì)對(duì)應(yīng)一個(gè)或幾個(gè)電壓比較器輸出低電平，再由譯碼器74HC154進(jìn)行譯碼使對(duì)應(yīng)的引腳輸出低電平，以便用于分析電流信號(hào)的范圍和實(shí)現(xiàn)放大倍數(shù)自動(dòng)轉(zhuǎn)換。（4）繼電器陣列驅(qū)動(dòng)電路在后級(jí)放大電路中采用了由繼電器陣列組成的放大倍數(shù)自動(dòng)轉(zhuǎn)換電路，由于譯碼器74HC154引腳最大的輸出電流只有幾十毫安，不足以驅(qū)動(dòng)繼電器，所以需要一個(gè)繼電器陣列驅(qū)動(dòng)電路，以驅(qū)動(dòng)繼電器實(shí)現(xiàn)放大倍數(shù)的自動(dòng)轉(zhuǎn)換。繼電器陣列驅(qū)動(dòng)由PNP三極管A1015所構(gòu)成的放大電路，其中5V直流繼電器，線圈額定電壓為3.75V，額定功率為0.2W，由此可算出限流電阻R的阻值為：R=U2/P=(5V-3.75V)2/0.27.8。在這用的是4.7的電阻。三極管A1015的放大倍數(shù)為200倍，故流入基極的電流I為：I=U/AR=(5V-3.75V)/2007.8=0.8mA所以基極的限流電阻R為：R=UEB/I=(5V-0.7V)/ 0.8mA=5.4K,在本電路中用4.7 K的電阻。其電路如圖15所示：圖15 繼電器陣列驅(qū)動(dòng)電路（5）后級(jí)放大電路后級(jí)放大電路由低噪聲高精度運(yùn)放OP07對(duì)前置放大電路輸出的信號(hào)進(jìn)行放大，而放大倍數(shù)自動(dòng)轉(zhuǎn)換則由繼電器陣列所構(gòu)成 。其中電位器RTR2用于調(diào)零，以提高運(yùn)放的精度，R45為限流電阻，電容C28為濾波電容，用于濾去諧波信號(hào)提高電路的抗干擾能力。繼電器陣列用于實(shí)現(xiàn)放大倍數(shù)的自動(dòng)轉(zhuǎn)換，當(dāng)充電電流為20mA100mA時(shí)，引腳15和16所接的線圈通電，使最左邊的繼電器導(dǎo)通。此時(shí)，由R46和R56構(gòu)成運(yùn)放OP07的反饋電路，放大51倍。當(dāng)充電電流為100mA500mA時(shí)，引腳13和14所接的線圈通電，從左邊數(shù)第二個(gè)繼電器導(dǎo)通。此時(shí)，由R47和R56構(gòu)成運(yùn)放OP07的反饋電路，放大11倍。當(dāng)充電電流為500mA1000mA時(shí)，引腳11和12所接的線圈通電，從左邊數(shù)第三個(gè)繼電器導(dǎo)通。此時(shí)，由R48和R56構(gòu)成運(yùn)放OP07的反饋電路，放大6倍8。當(dāng)充電電流為1000mA2250mA時(shí)，引腳9和10所接的線圈通電，最右邊的繼電器導(dǎo)通。此時(shí)，由R49和R56構(gòu)成運(yùn)放OP07的反饋電路，放大兩倍。4.3.5 模數(shù)轉(zhuǎn)換電路設(shè)計(jì)模數(shù)轉(zhuǎn)換芯片為8通道模擬輸入