數(shù)字化智能充電器的設(shè)計(jì)

1、聲 明我聲明，本畢業(yè)設(shè)計(jì)說(shuō)明書及其研究工作和所取得的成果是本人在導(dǎo)師的指導(dǎo)下獨(dú)立完成的。研究過(guò)程中利用的所有資料均已在參考文獻(xiàn)中列出，其他人員或機(jī)構(gòu)對(duì)本畢業(yè)設(shè)計(jì)工作做出的貢獻(xiàn)也已在致謝部分說(shuō)明。本畢業(yè)設(shè)計(jì)說(shuō)明書不涉及任何秘密，南京理工大學(xué)有權(quán)保存其電子和紙質(zhì)文檔，可以借閱或網(wǎng)上公布其部分或全部?jī)?nèi)容，可以向有關(guān)部門或機(jī)構(gòu)送交并授權(quán)保存、借閱或網(wǎng)上公布其部分或全部?jī)?nèi)容。學(xué)生簽名：年 月 日 指導(dǎo)教師簽名：年 月 日畢業(yè)設(shè)計(jì)說(shuō)明書中文摘要摘要:本文介紹了一種基于51單片機(jī)的應(yīng)用于電動(dòng)自行車鉛酸蓄電池的數(shù)字化智能充電器。主要內(nèi)容包括：充電主回路硬件設(shè)計(jì)、控制器選擇及其電源電路設(shè)計(jì)以及充電電壓電流檢測(cè)電

2、路。其中充電主回路采用對(duì)市電變壓器降壓整流濾波最后再由Buck降壓斬波電路得到充電電壓的思路進(jìn)行設(shè)計(jì)?？刂破鬟x擇從成本及應(yīng)用場(chǎng)合綜合考慮，選用STC公司的STC12C5A60S2，能夠滿足本次設(shè)計(jì)所需要的功能?？刂破麟娫丛O(shè)計(jì)采用降壓整流濾波并由專用穩(wěn)壓芯片得到控制器所需電壓的方式設(shè)計(jì)。由于該系統(tǒng)電壓及電流均很大，因此需對(duì)電壓電流信號(hào)進(jìn)行信號(hào)轉(zhuǎn)換使其達(dá)到A/D轉(zhuǎn)換接口允許的范圍，因此設(shè)計(jì)中使用運(yùn)算放大器對(duì)電壓電流信號(hào)進(jìn)行轉(zhuǎn)換并使用光耦進(jìn)行信號(hào)隔離。關(guān)鍵詞 鉛酸蓄電池 智能充電器 Buck降壓斬波電路 A/D轉(zhuǎn)換 STC12C5A60S2畢業(yè)設(shè)計(jì)說(shuō)明書外文摘要Title The Design of

3、 Digital Smart Charger AbstractA digital smart charger apply to Lead-acid batteries based on 51 MCU is introduce in this article. It mainly includes: the hardware design of main Charging circuit, the selection of controller and power supply circuit design and the charging voltage and current detecti

4、on circuit. A transformer is used to reduce the voltage, a diode rectifier bridge is used for rectification, capacitances are used for filtering and finally a buck converter is used to get right charging voltage in the main charging circuit. Considering the cost and application situations,we choose

5、a STC12C5A60S2 as controller. And it can meet the requirements in this design. Voltage regulator chips are used in the power source of controller. As the voltage and current are very high, we use operational amplifiers to convert them to a proper range so as to match the A/D converter. And in order

6、to reduce interference, optocouplers are used for signal isolation.Keywords Lead-acid batteries Smart charger Buck converter A/D converter STC12C5A60S2 本科畢業(yè)設(shè)計(jì)說(shuō)明書 第 I 頁(yè) 目 次1 引言11.1 選題背景和意義11.2 兩種充電技術(shù)11.3 蓄電池充電技術(shù)發(fā)展概述21.4 論文章節(jié)安排22 數(shù)字化智能充電器設(shè)計(jì)方案32.1 系統(tǒng)基本功能32.2 系統(tǒng)設(shè)計(jì)方法32.3 A/D接口以及PWM輸出43 系統(tǒng)硬件電路設(shè)計(jì)73.1 充電主回路

7、的設(shè)計(jì)73.2 控制回路的設(shè)計(jì)及相關(guān)芯片介紹83.3 檢測(cè)電路設(shè)計(jì)144 抗干擾設(shè)計(jì)以及PCB制作184.1 系統(tǒng)內(nèi)部干擾源及處理措施184.2 PCB制作及其抗干擾處理19結(jié) 論23致 謝24參 考 文 獻(xiàn)25本科畢業(yè)設(shè)計(jì)說(shuō)明書 第 25 頁(yè) 1 引言1.1 選題背景和意義隨著科學(xué)技術(shù)的進(jìn)步及社會(huì)經(jīng)濟(jì)的發(fā)展，環(huán)境問(wèn)題日益成為全球共同關(guān)注的焦點(diǎn)，化石能源的大量使用造成的環(huán)境污染問(wèn)題不容小覷。因此，開發(fā)以太陽(yáng)能、風(fēng)能、電能等清潔能源為主的可替代能源已成為重要課題。在交通領(lǐng)域，以前酸性蓄電池為動(dòng)力的交通工具正在興起，而鉛酸蓄電池的壽命成為制約電動(dòng)交通工具發(fā)展的重要因素。并有研究表明，鉛酸蓄電池報(bào)廢

8、多數(shù)不是因達(dá)到使用壽命而是因充電不當(dāng)造成的。因此，研究一款適合鉛酸蓄電池的充電器顯得尤為重要，這不僅關(guān)系到電動(dòng)汽車行業(yè)的發(fā)展，同時(shí)對(duì)環(huán)境污染的治理也有極其重要的意義。1.2 兩種充電技術(shù)1.2.1 恒流充電在充電過(guò)程中電流保持在一定值的充電方法。是一種應(yīng)用廣泛的蓄電池充電方式。蓄電池充電的起始階段，運(yùn)行中的電動(dòng)汽車蓄電池的充電以及蓄電池兩個(gè)極板的化成充電，多采用恒流充電的方式。這種充電方式的優(yōu)點(diǎn)是可以依據(jù)蓄電池的容量大小確定充電電流的大小，從而直接獲得充電量并得到充電所需時(shí)間。其缺點(diǎn)是充電電流在充電前期小而后期大，充電過(guò)程中會(huì)造成氣體析出，可能導(dǎo)致蓄電池的損壞，且充電效率普遍不高。此方法不宜用

9、于鉛酸蓄電池1。1.2.2 恒壓充電充電過(guò)程中蓄電池正負(fù)極間的電壓保持不變的充電方法。此方法也是一種應(yīng)用廣泛的充電方法。電信裝置、UPS等裝置的蓄電池的浮充充電和涓流充電都采用恒壓充電的方式。起動(dòng)用蓄電池在車輛運(yùn)行時(shí)也近似處于恒壓充電狀態(tài)。其優(yōu)點(diǎn)是充電電流隨著蓄電池的荷電量變化可以自動(dòng)調(diào)整，如果設(shè)定的電壓定值合適，就能在對(duì)蓄電池完全充電的基礎(chǔ)上盡最大可能減少氣體析出和蓄電池失水。但是這種充電方式在初期具有很大的充電電流，會(huì)對(duì)蓄電池使用壽命產(chǎn)生不利影響，且很容易引起極板彎曲，使蓄電池報(bào)廢。鑒于以上應(yīng)用中暴露出的缺點(diǎn)，恒壓充電方式使用于大電流低電壓的情況。1.3 蓄電池充電技術(shù)發(fā)展概述傳統(tǒng)的蓄電池

10、充電器結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，采用模擬控制方式實(shí)現(xiàn)對(duì)充電過(guò)程的控制，因而控制精度較差且充電方法單一，無(wú)法根據(jù)蓄電池的荷電狀態(tài)對(duì)充電方式進(jìn)行調(diào)整，而且由于缺乏對(duì)蓄電池充電過(guò)程的監(jiān)測(cè)和保護(hù)而無(wú)法應(yīng)用于蓄電池智能化的充電。近年來(lái)，隨著日益完善成熟的數(shù)字信號(hào)處理技術(shù)以及不斷提高的MCU性價(jià)比，充電控制也漸漸使用數(shù)字化的控制方法，由此可提高系統(tǒng)性能，蓄電池的使用壽命在更加高效充電的同時(shí)被延長(zhǎng)。在技術(shù)不斷成熟的今天，更加先進(jìn)的充電控制方法被運(yùn)用到蓄電池充電系統(tǒng)中，比如模糊控制充電法，其利用模糊控制本身所具有的對(duì)于非線性系統(tǒng)的處理優(yōu)勢(shì)，借助于MCU得以實(shí)現(xiàn)對(duì)充電過(guò)程的控制，可以更好地實(shí)現(xiàn)普通方法所無(wú)法達(dá)到的對(duì)充電過(guò)程中的

11、時(shí)變性和干擾的控制2。1.4 論文章節(jié)安排本文介紹了一種針對(duì)鉛酸蓄電池的高智能化免維護(hù)的智能充電器。主要內(nèi)容及篇章安排如下：第1章 引言介紹本次設(shè)計(jì)的研究背景及智能充電器的發(fā)展趨勢(shì)。第2章 數(shù)字化智能充電器設(shè)計(jì)方案介紹系統(tǒng)的基本功能、設(shè)計(jì)目標(biāo)以及模塊化硬件電路設(shè)計(jì)方案。第3章 智能充電器硬件電路設(shè)計(jì)介紹充電主回路、控制電路、檢測(cè)電路的設(shè)計(jì)方法。第4章 系統(tǒng)抗干擾設(shè)計(jì)詳細(xì)敘述智能充電器設(shè)計(jì)中的干擾源以及如何消除干擾。2 數(shù)字化智能充電器設(shè)計(jì)方案2.1 系統(tǒng)基本功能基本功能：(1) 能根據(jù)蓄電池所處不同狀態(tài)自動(dòng)改變電壓和電流；(2) 對(duì)充電過(guò)程實(shí)時(shí)監(jiān)控，通過(guò)指示燈指示當(dāng)前狀態(tài)；(3) 能夠?qū)﹄妷骸?/p>

12、電流以及溫度異常進(jìn)行處理，對(duì)充電器和蓄電池進(jìn)行智能保護(hù)。系統(tǒng)基本參數(shù)：輸入電壓：220V15，50Hz充電回路電壓輸出：060V充電回路電流輸出：07A充電回路最大輸出功率：420W控制器輔助直流電源輸出電壓：12V以及5V鉛酸蓄電池額定容量：30Ah/48V2.2 系統(tǒng)設(shè)計(jì)方法硬件電路采用分模塊的設(shè)計(jì)方法，分為充電回路、控制回路、信號(hào)檢測(cè)電路三部分，其硬件電路設(shè)計(jì)框圖如圖2.1所示3。圖2.1 數(shù)字化智能充電器系統(tǒng)框圖充電主回路先對(duì)市電經(jīng)變壓器變壓后由橋式整流電路整流并進(jìn)行濾波后送至Buck降壓斬波電路。因?yàn)樽儔浩鹘祲阂约叭珮蛘麟娐返膽?yīng)用相當(dāng)廣泛，設(shè)計(jì)的難度及工作量并不大，為簡(jiǎn)化設(shè)計(jì)采用此

13、種設(shè)計(jì)方法。同時(shí)直接使用變壓器降壓的方式與移相式整流電路相比可以減少來(lái)自移相電路的高頻干擾?？刂齐娐凡捎肧TC公司的STC12C5A60S2單片機(jī)為主控芯片，其自帶的多路A/D轉(zhuǎn)換器以及PWM輸出可以滿足此次設(shè)計(jì)的需要，并且其成本相比于其他芯片也具有較大的優(yōu)勢(shì)，同時(shí)由于此芯片是基于8051內(nèi)核的，其應(yīng)用也已經(jīng)比較成熟，因此對(duì)本次設(shè)計(jì)來(lái)說(shuō)是比較好的選擇。電力開關(guān)器件驅(qū)動(dòng)電路采用IR公司的生產(chǎn)的專用開關(guān)器件驅(qū)動(dòng)芯片IR21184在單片機(jī)PWM輸出口與IR2118之間進(jìn)行了光耦隔離以保證單片機(jī)穩(wěn)定工作。電力開關(guān)器件采用N-MOSFET，相比于IGBT其具有更高的開關(guān)頻率，且關(guān)斷不需要其他輔助電路，設(shè)

14、計(jì)較為簡(jiǎn)單。檢測(cè)電路采用放大器LM324對(duì)電壓電流信號(hào)進(jìn)行變換4，使其范圍符合單片機(jī)A/D轉(zhuǎn)換接口輸入信號(hào)的范圍。變換過(guò)程中考慮到強(qiáng)電信號(hào)可能會(huì)進(jìn)入到單片機(jī)，因此使用光耦對(duì)電壓電流信號(hào)進(jìn)行了隔離處理。2.3 A/D接口以及PWM輸出2.3.1 A/D轉(zhuǎn)換接口STC12C5A60S2單片機(jī)自帶的8路10位精度的逐次逼近型A/D轉(zhuǎn)換接口位于P1口上，最大轉(zhuǎn)換速率高達(dá)每秒25萬(wàn)次。其工作時(shí)通過(guò)對(duì)輸入電壓的逐次比較，從最高位開始由內(nèi)部D/A轉(zhuǎn)換電路進(jìn)行多次比較，使轉(zhuǎn)換后的數(shù)字量逐次逼近輸入的電壓值，具有高速、低功耗的優(yōu)點(diǎn)，可以用來(lái)檢測(cè)電壓、溫度以及按鍵掃描等可以以電壓信號(hào)輸入的模擬量。復(fù)位后P1口處于

15、弱上拉狀態(tài)，可通過(guò)軟件配置P1ASF寄存器，使P0P7中某一個(gè)處于A/D轉(zhuǎn)換輸入狀態(tài)，其他可繼續(xù)當(dāng)做普通I/O口使用。STC12C5A60S2單片機(jī)內(nèi)部A/D的參考電壓由VCC提供，可通過(guò)對(duì)相應(yīng)寄存器的設(shè)置來(lái)控制轉(zhuǎn)換的精度，考慮到A/D轉(zhuǎn)換的速度以及此次設(shè)計(jì)的應(yīng)用場(chǎng)合，可設(shè)置寄存器使其達(dá)到8位精度即可，這樣可在保證控制精度的前提下提高A/D轉(zhuǎn)換的速度，其控制軟件的編寫需要充分考慮時(shí)序問(wèn)題。轉(zhuǎn)換完成后單片機(jī)會(huì)將轉(zhuǎn)換結(jié)果存放于相應(yīng)寄存器，需要使用轉(zhuǎn)換結(jié)果時(shí)只需對(duì)相應(yīng)寄存器進(jìn)行讀操作讀出存放的數(shù)據(jù)，同時(shí)轉(zhuǎn)換完成后會(huì)將轉(zhuǎn)換完成標(biāo)志位ADC_FLAG自動(dòng)置1，因此在讀轉(zhuǎn)換結(jié)果時(shí)需先通過(guò)查詢ADC_FLA

16、G位，當(dāng)其為1時(shí)方可讀出寄存器的數(shù)據(jù)。此外值得注意的是，ADC_FLAG并不會(huì)自動(dòng)清零，因此在每次讀完數(shù)據(jù)后均需在軟件中對(duì)其清零，以保證下次軟件讀出結(jié)的果的正確性。對(duì)于轉(zhuǎn)換完成的結(jié)果，其保存在寄存器中數(shù)據(jù)并不能直接使用，需要乘上相應(yīng)的權(quán)值。當(dāng)轉(zhuǎn)換精度為8位時(shí)，應(yīng)采用如下計(jì)算公式：8位轉(zhuǎn)換結(jié)果=256VinVcc (2.1)同時(shí)轉(zhuǎn)換結(jié)果還應(yīng)考慮測(cè)量電路對(duì)強(qiáng)電信號(hào)進(jìn)行轉(zhuǎn)換的同時(shí)所產(chǎn)生的放大作用，對(duì)轉(zhuǎn)換結(jié)果除以放大倍數(shù)才是真實(shí)的結(jié)果。A/D轉(zhuǎn)換接口應(yīng)用電路如圖2.2所示：圖2.2 A/D轉(zhuǎn)換應(yīng)用電路此次設(shè)計(jì)中使用100pF的無(wú)極性電容，可以濾除信號(hào)源中可能的高頻分量以避免對(duì)單片機(jī)的干擾以及損壞。2.

17、3.2 單片機(jī)PWM接口 PWM（脈沖寬度調(diào)制）是指對(duì)脈沖信號(hào)寬度進(jìn)行調(diào)制，等效的得到所需波形的技術(shù)。其理論基礎(chǔ)為面積等效原理，在逆變型電路中PWM技術(shù)具有廣闊的應(yīng)用前景，最常見(jiàn)的應(yīng)用為電力開關(guān)器件的開通與關(guān)斷控制。此次設(shè)計(jì)中將PWM技術(shù)應(yīng)用于直流斬波電路當(dāng)中，通過(guò)對(duì)電力開關(guān)器件開通與關(guān)斷的控制，得到幅值相同占空比不同的脈沖信號(hào)，并通過(guò)電感和電容濾波得到較為平滑的直流輸出5。STC12C5A60S2單片機(jī)片上集成的兩路PWM輸出分別位于P1.3和P1.4口，可通過(guò)軟件設(shè)置相應(yīng)寄存器將輸出切換到其他引腳。此次設(shè)計(jì)中使用PWM0并使其輸出位于默認(rèn)引腳，以盡量較少代碼長(zhǎng)度。PWM的應(yīng)用相對(duì)于A/D轉(zhuǎn)

18、換較為簡(jiǎn)單，只需對(duì)輸入信號(hào)做出反應(yīng)，改變輸出的方波占空比即可達(dá)到控制效果。在使用中需要注意的是需對(duì)所使用的引腳進(jìn)行配置，以保證其當(dāng)前不是開漏輸出模式，這是因?yàn)樵撔吞?hào)單片機(jī)PWM信號(hào)輸出在開漏輸出模式下無(wú)效。由此可以通過(guò)軟件控制當(dāng)電路中出現(xiàn)異常情況時(shí)，例如過(guò)電流、溫度過(guò)高時(shí)可以通過(guò)配置PWM0輸出引腳為開漏輸出模式，使PWM輸出信號(hào)無(wú)效，及時(shí)停止對(duì)蓄電池充電，以達(dá)到保護(hù)電路以及蓄電池的目的，避免不必要的損失以及蓄電池爆炸的發(fā)生。使用時(shí)還需注意對(duì)輸入輸出信號(hào)進(jìn)行隔離，保證單片機(jī)正常工作。PWM輸出常用的連接電路如圖2.3所示：圖2.3 PWM輸出電路此電路中電阻的作用是對(duì)輸出信號(hào)進(jìn)行限流，考慮到單

19、片機(jī)帶負(fù)載的能力，此次設(shè)計(jì)選取10K的電阻限流，以免輸出電流過(guò)大導(dǎo)致單片機(jī)被燒毀。3 系統(tǒng)硬件電路設(shè)計(jì)圖3.1 系統(tǒng)硬件原理圖本系統(tǒng)主要由充電主回路、控制回路和檢測(cè)電路組成，如圖3.1所示。下面詳細(xì)介紹每一部分組成以及參數(shù)的選擇。3.1 充電主回路的設(shè)計(jì)圖3.2 充電主回路原理圖充電主回路主要采取降壓整流的原理進(jìn)行設(shè)計(jì)，如圖3.2所示。3.1.1 整流二極管參數(shù)選擇二極管的參數(shù)可以由電源降壓輸出的平均值確定6。在本電路中，副邊輸出60V/50Hz的交流電。一般情況下，允許電網(wǎng)電壓在220V10%的的范圍內(nèi)波動(dòng)波動(dòng)，故二極管承受的最大反壓為：URmax=1.12U2=1.1260=92V (3.

20、1)考慮到充電主回路輸出功率為420W，因此考慮10%的波動(dòng)，其承受的最大整流平均電流為： Imax=1.1PU2=1.142060=7.7A (3.2)設(shè)計(jì)中考慮導(dǎo)通時(shí)的尖峰電壓，反向尖峰電流以及設(shè)計(jì)裕量，可選擇耐壓150V，最大整流電流12A的快恢復(fù)肖特基二極管。3.1.2 濾波穩(wěn)壓電容的選擇經(jīng)過(guò)整流電路的直流電波動(dòng)較大，因而需要對(duì)其整流，圖3.2中由大電容C1和C2進(jìn)行低頻濾波穩(wěn)壓，同時(shí)用小電容C3來(lái)抑制高頻干擾。由(3.1)式知濾波電容耐壓值應(yīng)大于92V。同時(shí)考慮到充電回路阻值很小，由經(jīng)驗(yàn)公式知濾波電容容量應(yīng)滿足：RLC=(35)T/2。綜上使用兩個(gè)470uF/100V的電解電容，高頻

21、濾波電容選用0.47uF/100V的電解電容。3.1.3 Buck降壓斬波電路參數(shù)選擇圖3.2中的Q1、D4、L1、C4構(gòu)成了Buck降壓斬波電路5，考慮到導(dǎo)通時(shí)MOSFET漏極與源極之間的電壓應(yīng)大于92V且自身?yè)p耗較小應(yīng)較小，因此選用IR公司生產(chǎn)的IRF540N作為斬波電路的開關(guān)器件。其能接受的最大漏源電壓為100V ,允許的柵漏電壓為范圍20V。當(dāng)MOSFET開通時(shí)，為保證二極管不會(huì)反向擊穿，同時(shí)考慮到二級(jí)管開關(guān)速度，應(yīng)選擇耐壓92V以上的快恢復(fù)二級(jí)管(FRD)。根據(jù)Buck斬波電路的組成原理，L1應(yīng)極大，取L1電感值10mH，C4電容使用470uF/100V的電解電容。3.2 控制回路的

22、設(shè)計(jì)如圖3.3為控制回路的原理圖，主要包括電源電路、控制器電路以及MOSFET開關(guān)電路。此部分電路以STC公司的STC12C5A60S2芯片為核心器件，通過(guò)其PWM信號(hào)控制電力開關(guān)器件驅(qū)動(dòng)芯片IR2118的HO引腳輸出電平控制MOSFET的開通和關(guān)斷。圖3.3 控制回路原理圖電源電路變壓整流電路參數(shù)計(jì)算可參考主充電回路部分。在本電路中，變壓器副邊輸出為24V/50Hz的交流電?？紤]電網(wǎng)有10%的波動(dòng)，故二級(jí)管承受的最大反壓為：URmax=1.12U2=1.1224=37V (3.3)考慮到12V的穩(wěn)壓芯片允許的最大電流約3A，其功率最大功率約為36W，考慮電網(wǎng)有10%的波動(dòng)，其承受的最大整流平

23、均電流為： Imax=1.1PU2=1.13624=1.65A (3.4)設(shè)計(jì)中考慮二級(jí)管導(dǎo)通時(shí)的尖峰電壓以及反向尖峰電流以及裕量，可選擇耐壓100V，最大整流電流6A的的快恢復(fù)肖特基二極管此次設(shè)計(jì)中需使用到12V和5V直流電源，均采用穩(wěn)壓芯片得到。其中12V穩(wěn)壓芯片采用LM7812，5V穩(wěn)壓芯片采用LM2595。下面對(duì)上述幾種芯片做簡(jiǎn)單介紹：3.2.1 LM7812芯片簡(jiǎn)介及應(yīng)用圖3.4 LM7812外觀圖3.5 LM7812典型應(yīng)用電路封裝樣式：TO- 220；最大允許輸入電壓：35V；輸出電壓范圍：11.5V12.5V；峰值電流：2.2A；靜態(tài)電流：8mA；工作溫度范圍：0+125；本次

24、設(shè)計(jì)中使用LM7812將約24V的直流電穩(wěn)壓至12V供IR2118、LM324以及光耦使用，電路參考上述典型應(yīng)用電路設(shè)計(jì)，由于輸入電壓與輸出電壓壓差較大，為保證芯片正常工作不致過(guò)熱應(yīng)加裝散熱片7。3.2.2 LM2595芯片及應(yīng)用圖3.6 LM2595封裝樣式圖3.7 LM2595典型應(yīng)用電路最大輸入電壓： 45V ON/ OFF腳輸入電壓： -0.3V+25 V 反饋引腳電壓： -0.3V+25 V 輸出電壓對(duì)地 （穩(wěn)態(tài)）：-1V 輸入電壓范圍：4.5V 40V本次設(shè)計(jì)中使用LM2595將12V的直流電穩(wěn)壓至5V供單片機(jī)使用，電路參考典型應(yīng)用電路設(shè)計(jì)，因LM2595是開關(guān)型穩(wěn)壓器件，與LM7

25、812相比具有功耗低的特點(diǎn)。考慮到系統(tǒng)能穩(wěn)定工作，需對(duì)LM2595加裝散熱片保證其不被燒毀。3.2.3 STC12C5A60S2芯片圖3.8 STC12C5A60S2外觀圖3.9 STC12C5A60S2外觀如圖3.8所示為STC12C5A60S2外觀圖。STC12C5A60S2單片機(jī)是STC公司生產(chǎn)的單時(shí)鐘/機(jī)器周期，并可通過(guò)設(shè)置相應(yīng)寄存器控制其機(jī)器周期的單片機(jī)系列之一。其指令系統(tǒng)兼容8051系列單片機(jī)，運(yùn)行速度與傳統(tǒng)的8051相比可以達(dá)到后者的812倍，且具有較強(qiáng)的帶負(fù)載能力。具有2路PWM輸出，輸出引腳可通過(guò)寄存器設(shè)置。此次設(shè)計(jì)中使用其中的1路，且管腳使用默認(rèn)的P1.3口。其具有分時(shí)復(fù)用

26、的A/D接口，接口與P1口復(fù)用，使用時(shí)需設(shè)置相應(yīng)的寄存器選中其中的1路。此次設(shè)計(jì)中使用其中的2路。與早期的12分頻的8051系列單片機(jī)相比具有以下優(yōu)點(diǎn)8：(1) 同頻率時(shí)鐘周期下速度是普通51的812倍；(2) 有8路分時(shí)復(fù)用的10位AD；(3) 具有四個(gè)定時(shí)器，具備PWM輸出功能；(4) 有SPI接口；(5) 有EEPROM；(6) 有1K片上RAM；(7) 有看門狗功能；(8) 具有兩個(gè)串口；(9) IO口有四種可通過(guò)程序控制的狀態(tài)；(10) 中斷優(yōu)先級(jí)有四種狀態(tài)可定義。3.2.4 IR2118芯片簡(jiǎn)介圖3.10 IR2118外觀圖3.11 IR2118引腳圖圖3.12 IR2118典型應(yīng)

27、用電路IR2118是IR公司生產(chǎn)的電力開關(guān)器件驅(qū)動(dòng)器，如電力場(chǎng)效應(yīng)晶體管和絕緣柵雙極晶體管，具有高開關(guān)速率，邏輯輸入與標(biāo)準(zhǔn)CMOS電路兼容。浮動(dòng)通道可用來(lái)驅(qū)動(dòng)一個(gè)N溝道MOSFET或一個(gè)IGBT。其典型應(yīng)用電路如圖3.8所示。此次設(shè)計(jì)中使用一片IR2118驅(qū)動(dòng)一個(gè)N溝道MOSFET，電路參考典型應(yīng)用電路設(shè)計(jì)。取Vcc與COM腳之間的濾波電容規(guī)格為0.1uF/25V。位于VB與VS間的自舉電容選擇100pF/25V的極性電容。3.2.5 光電耦合器件TPL521簡(jiǎn)介圖3.13 TPL521封裝樣式圖3.14 TPL521典型應(yīng)用電路TPL521是常用的光電隔離器件9，其工作原理類似于三極管，不同

28、之處在于其輸入與輸出之間并無(wú)電氣連接，而是采用光信號(hào)來(lái)控制其開通與關(guān)斷，在使用中可以達(dá)到信號(hào)隔離與電平轉(zhuǎn)換的作用。一般在使用中，兩側(cè)地線應(yīng)分開，以更好的達(dá)到對(duì)信號(hào)進(jìn)行隔離的目的。此次設(shè)計(jì)中考慮到單片機(jī)具有較強(qiáng)的驅(qū)動(dòng)能力，因此電路參照上述典型應(yīng)用電路進(jìn)行設(shè)計(jì)，輸入端電阻阻值為1K，輸出端電阻阻值10K。這樣可保證TPL521中發(fā)光器件不會(huì)由于電流過(guò)大而損壞，同時(shí)也能減小單片機(jī)負(fù)載，減少單片機(jī)發(fā)熱，避免不必要的故障。3.3 檢測(cè)電路設(shè)計(jì)3.3.1 電壓檢測(cè)電路電壓檢測(cè)電路主要考慮兩個(gè)問(wèn)題：(1) 在充電過(guò)程中，蓄電池兩端電壓變化范圍約為30V50V，而A/D最大輸入為5V直流電，因此需要將蓄電池兩

29、極間的高電壓轉(zhuǎn)換為單片機(jī)可接受的低電壓；(2) 充電回路為高電壓大電流輸出，而單片機(jī)在測(cè)量時(shí)允許的輸入為小電壓弱電流，因此需要對(duì)模擬量與數(shù)字量進(jìn)行電氣隔離，以免損壞單片機(jī)。本次設(shè)計(jì)采用放大器電路進(jìn)行信號(hào)轉(zhuǎn)換10，使用精密電阻調(diào)節(jié)輸出信號(hào)范圍，使其在A/D轉(zhuǎn)換接口輸入信號(hào)范圍內(nèi)1113。使用光耦實(shí)現(xiàn)輸入輸出端的信號(hào)隔離，光耦具有輸出跟隨輸入，且線性度較好。電壓檢測(cè)電路如圖3.15所示：圖3.15 電壓檢測(cè)電路原理圖輸入電壓等于蓄電池兩端電壓，即：Vin=VBAT (4.1)經(jīng)電阻R1、R2分壓后得到Vi：Vi=R2R1+R2VBAT (4.2)由虛地可得，V3=V2=Vi，因此第一個(gè)光耦U2的輸

30、出：I1=V2R4=V3R4 (4.3)選擇制造工藝相同的兩個(gè)光耦U2和U3，可以認(rèn)為其具有相同的電流放大能力14。由于其原邊電流相同，故其輸入輸出電流之比為：I1I3=I2I3 (4.4)因?yàn)锳/D轉(zhuǎn)換接口的輸入阻抗很高，因此：V4=I2R6=I1R6=V2R4R6=R6R4Vi=R6R2R4(R1+R2)VBAT (4.5)把R6，R2，R4和R1阻值代入(4.5)得：V4=R656.1VBAT (4.6)調(diào)節(jié)R6，使得最終得輸出電壓為：Voltage=VBAT10 (4.7)由(4.7)可知輸入的30V50V電壓被轉(zhuǎn)換成了3V5V電壓。3.3.2 電流檢測(cè)電路在進(jìn)行電流檢測(cè)時(shí)，電流通過(guò)阻

31、值為0.1的取樣電阻測(cè)量15。電流檢測(cè)同樣要解決信號(hào)轉(zhuǎn)換以及隔離的問(wèn)題，電路類似于電壓檢測(cè)電路，原理圖如圖3.16所示：圖3.16 電流檢測(cè)電路原理圖輸入電壓：Vi=Vs (4.8)由虛地的V6=V5，所以有：I4=V6R4=V5R4 (4.9)選擇制造工藝相同的兩個(gè)光耦U2和U3，可以認(rèn)為其具有相同的電流放大能力。由于其原邊電流相同，故其輸入輸出電流之比為：I45=I6I3 (4.10)因?yàn)锳/D轉(zhuǎn)換接口的輸入阻抗很高，因此：V7=I6R6=I4R6=V5R4R6=R6R4Vi (4.11)把R6，R4阻值代入(4.11)得：Vcurrent=Vi500 R6 (4.12)為了便于采樣，調(diào)節(jié)

32、使電壓在0V5V之間。3.3.4 溫度檢測(cè)電路對(duì)溫度的檢測(cè)使用DS18B20芯片完成16。DS18B20是單總線溫度檢測(cè)設(shè)備，常見(jiàn)的采用TO-92封裝形式，測(cè)溫范圍-51+125，因采用單總線的數(shù)據(jù)傳輸方式，其占用單片機(jī)硬件資源少。此外還具有測(cè)溫精度高，抗干擾能力強(qiáng)的優(yōu)點(diǎn)，因而應(yīng)用廣泛。圖3.17 DS18B20常見(jiàn)封裝圖3.18 測(cè)溫電路原理圖此次設(shè)計(jì)的溫度檢測(cè)電路如圖3.18所示。圖中略去了單片機(jī)的其他外部元件。DS18B20數(shù)據(jù)口與單片機(jī)P2.3口相連將采集到的溫度數(shù)據(jù)送至單片機(jī)?？紤]到實(shí)際使用中需將DS18B20引出至蓄電池組，因此在原理圖中僅留出引線端。同時(shí)，使用一個(gè)蜂鳴器對(duì)異常情況

33、，如溫度過(guò)高以及過(guò)電壓過(guò)電流等情況進(jìn)行報(bào)警處理。當(dāng)溫度超過(guò)預(yù)設(shè)值時(shí)啟動(dòng)蜂鳴器報(bào)警，同時(shí)PWM輸出端停止工作，以保證蓄電池組的安全。實(shí)際應(yīng)用中應(yīng)充分考慮操作時(shí)序，由于其只有一個(gè)數(shù)據(jù)接口，對(duì)控制字的寫入以及數(shù)據(jù)的讀寫只需對(duì)該接口進(jìn)行相應(yīng)操作，但同時(shí)硬件開銷的減小造成了其軟件復(fù)雜度的增加，為保證其正常采集溫度數(shù)據(jù)，軟件的編寫需嚴(yán)格按照時(shí)序進(jìn)行并預(yù)留足夠的反應(yīng)時(shí)間，例如，在讀取溫度數(shù)據(jù)時(shí)應(yīng)考慮溫度轉(zhuǎn)換時(shí)間以及溫度轉(zhuǎn)換精度所產(chǎn)生的時(shí)間開銷，同時(shí)應(yīng)注意DS18B20的GND端必須接地，否則無(wú)法進(jìn)行測(cè)量?？紤]到使用過(guò)程中現(xiàn)場(chǎng)復(fù)雜的電磁環(huán)境，BS18B20的接線宜采用屏蔽線PCB上的接口相連，這樣可保證傳輸結(jié)

34、果不會(huì)被干擾而使測(cè)量結(jié)果產(chǎn)生偏差。同時(shí)，考慮到數(shù)據(jù)傳輸過(guò)程中的衰減，接線不宜過(guò)長(zhǎng)。4 抗干擾設(shè)計(jì)以及PCB制作此次設(shè)計(jì)中既有強(qiáng)電又有弱電，既有模擬信號(hào)又有數(shù)字信號(hào)。為保證系統(tǒng)正常工作而不致因信號(hào)干擾造成芯片觸發(fā)異常使寫入的軟件無(wú)法正常運(yùn)行，甚至于損壞主控芯片等元器件在系統(tǒng)設(shè)計(jì)時(shí)必須對(duì)不同類型的信號(hào)進(jìn)行隔離處理以使系統(tǒng)具有一定的抗干擾能力17。4.1 系統(tǒng)內(nèi)部干擾源及處理措施4.1.1 整流二極管此次設(shè)計(jì)中在充電主回路以及控制回路電源部分均使用到了橋式整流電路，需要八個(gè)整流二極管。整流電路中的二極管都工作在開關(guān)狀態(tài)，在其由阻斷到開通狀態(tài)時(shí)會(huì)產(chǎn)生一個(gè)持續(xù)時(shí)間短單數(shù)值很大的尖峰電壓。而在由開通到阻斷

35、過(guò)程中，由于封裝電感及引線電感的存在會(huì)產(chǎn)生反向電流尖峰。這兩種情況的差生，都是由電壓突變?cè)斐傻?，而電壓突變則是造成電磁干擾的重要原因。為了防止尖峰電壓及尖峰電流對(duì)二極管損壞以及對(duì)其他設(shè)備的干擾，在設(shè)計(jì)中應(yīng)使變壓器漏感盡量小，同時(shí)應(yīng)使二極管開關(guān)特性盡量軟、反向恢復(fù)電流小、反向恢復(fù)時(shí)間盡量短。從理論上來(lái)講，如果二極管反向恢復(fù)時(shí)間為零則不存在反向尖峰電流。因此，在二極管選擇時(shí)考慮上述因素并從設(shè)計(jì)時(shí)輸出電壓參數(shù)的方面考慮，可以選擇快恢復(fù)肖特基二極管。同時(shí)從理論上講，肖特基二極管是多數(shù)載流子導(dǎo)流器件，可有效抑制少子存儲(chǔ)效應(yīng)，降低反向尖峰電流18。 4.1.2 Buck降壓斬波電路圖4.1 Buck降壓斬

36、波電路如圖為Buck降壓斬波電路，在此次設(shè)計(jì)中，需將輸入的約60V的直流電降壓至30V50V提供給蓄電池，輸入電壓與輸出電壓最大值相差不大，開關(guān)管頻率很高，因此會(huì)產(chǎn)生開關(guān)噪聲在周圍空間產(chǎn)生感應(yīng)電場(chǎng)及感應(yīng)磁場(chǎng)，造成電磁干擾。因此需采取措施使其電壓與電流盡量平緩不致突變。因此設(shè)計(jì)中應(yīng)在合理范圍內(nèi)使用盡可能大的電容及電感，同時(shí)MOSFET柵極串聯(lián)的電阻應(yīng)選擇合理的數(shù)值，使其開通時(shí)電壓波形上升較平緩又不至于影響開通與關(guān)斷的速率19。4.1.3 變壓器此次設(shè)計(jì)中使用兩個(gè)變壓器來(lái)得到所需電壓。變壓器繞制過(guò)程中會(huì)產(chǎn)生漏感，會(huì)在其周圍形成感應(yīng)磁場(chǎng)與感應(yīng)電場(chǎng) ，因此應(yīng)選擇漏感較小的變壓器。同時(shí)變壓器工作過(guò)程中回

37、發(fā)熱，對(duì)周圍元件產(chǎn)生熱輻射，而溫度過(guò)高會(huì)對(duì)電路產(chǎn)生影響，尤其在測(cè)量電路中這種影響會(huì)導(dǎo)致元件產(chǎn)生“溫漂”而導(dǎo)致測(cè)量精度降低，因此使用時(shí)需注意對(duì)變壓器等熱輻射較大的元件進(jìn)行散熱處理。4.1.4 輔助直流電源在本設(shè)計(jì)中需要用到12V以及5V直流電源為單片機(jī)、MOSFET驅(qū)動(dòng)芯片以及放大器供電。對(duì)輔助電源采用降壓整流濾波然后由穩(wěn)壓芯片穩(wěn)壓得到所需電壓的方法進(jìn)行設(shè)計(jì)，其中仍有一些高頻信號(hào)未被濾除，這些高頻信號(hào)會(huì)對(duì)芯片正常工作產(chǎn)生影響，為減小這種干擾，在直流穩(wěn)壓芯片輸入端并聯(lián)大電容消除低頻干擾，并聯(lián)小電容（其容值約為大電容的0.01）消除高頻干擾，并在芯片VCC與地之間并聯(lián)小電容進(jìn)行高頻濾波，以保證芯片正

38、常工作。4.2 PCB制作及其抗干擾處理圖4.2 制作完成的PCB合理的布局是印制電路板能夠正常工作的重要條件，同時(shí)對(duì)產(chǎn)品的壽命、穩(wěn)定性、電磁兼容都有很大的影響。PCB布局的合理性直接關(guān)系到系統(tǒng)能否正常工作，一般來(lái)說(shuō)應(yīng)該有以下一些需要考慮的方面20：4.2.1 元件布局 1. 按照電路信號(hào)的流向安放各個(gè)功能模塊的方位，布局應(yīng)盡量使信號(hào)易于流通，并使信號(hào)的方向盡量一致； 2. 將每個(gè)功能模塊的核心器件置于本模塊的中心，其他器件圍繞它進(jìn)行放置。器件放置應(yīng)保持間隙一致、整齊。使各元件之間的連線盡可能短；3. 高頻電路中需要注意器件的分布參數(shù)。一般電路應(yīng)盡量使器件排列相互平行。這樣可以在使其看起來(lái)更美

39、觀的同時(shí)也便于焊接及生產(chǎn)。4.2.2 元件布線 1. 電源線在設(shè)計(jì)時(shí)應(yīng)考慮印制線路板設(shè)計(jì)時(shí)允許電流的大小，使電源線盡可能寬，減小其產(chǎn)生的環(huán)路電阻。同時(shí)，電源線、地線布線應(yīng)盡可能和數(shù)據(jù)傳輸?shù)姆较虮３忠恢?，這樣有助于提高系統(tǒng)的抗噪性能； 2.地線的合理布線是印制電路板中減小干擾的重要方式。如果能將電路中接地和信號(hào)屏蔽很好的結(jié)合，可使得大部分干擾問(wèn)題迎刃而解。在設(shè)計(jì)地線時(shí)應(yīng)從以下方面加以考慮： （1）正確選擇單點(diǎn)接地與多點(diǎn)接地 低頻電子線路信號(hào)頻率低于1MHz，其性能幾乎不受線路和元件間電感影響，而地線形成的環(huán)流對(duì)其工作性能影響明顯，因而宜使用單點(diǎn)接地的方式來(lái)消除干擾。高頻電子線路信號(hào)頻率大于10M

40、Hz，此時(shí)地線的阻抗對(duì)其電位所產(chǎn)生的影響不容忽視，為了盡最大的可能減小地線阻抗對(duì)系統(tǒng)帶來(lái)的不良影響，應(yīng)使用多點(diǎn)接地的方式。當(dāng)信號(hào)頻率在110MHz時(shí)，如果使用單點(diǎn)接地的形式，其地線長(zhǎng)度最好不超過(guò)所傳輸信號(hào)波長(zhǎng)的5%，否則宜使用多點(diǎn)接地的方式來(lái)減小干擾。 （2）數(shù)字邏輯線路接地應(yīng)與模擬線路接地分開 印制電路板上既有高速數(shù)字電路又有模擬電路時(shí)，應(yīng)盡量使它們?cè)赑CB上分別位于兩個(gè)區(qū)域，即數(shù)字電路放置在電路板的同一區(qū)域，模擬電路放置在另一區(qū)域，之間由隔離電路相連接。同時(shí)它們的地線不應(yīng)直接相連，應(yīng)采用磁珠進(jìn)行隔離，在PCB設(shè)計(jì)時(shí)可用00805封裝的電阻代替。低頻線路的地線應(yīng)盡可能使用單點(diǎn)接地形式，實(shí)際應(yīng)

41、用中布線難以滿足上述要求時(shí)可將其中一部分地線進(jìn)行串聯(lián)后再并聯(lián)接地。高頻線路的地應(yīng)盡可能使用多點(diǎn)串地形式，地線在條件允許時(shí)應(yīng)盡可能粗，同時(shí)不宜過(guò)長(zhǎng)，高頻器件接地應(yīng)盡可能使用大面積地箔，注意地箔應(yīng)采用網(wǎng)狀，以免制作電路板時(shí)銅箔鼓包斷裂影響電路性能。 （3）接地線應(yīng)盡量加粗并構(gòu)成環(huán)路 由電阻計(jì)算公式知電阻值與導(dǎo)線的直徑成反比，與導(dǎo)線的長(zhǎng)度成正比，若接地線過(guò)細(xì)會(huì)導(dǎo)致地線上不同點(diǎn)的電位隨電流大小變化明顯，甚至有可能超過(guò)邏輯電路高低電平的界限而使數(shù)字系統(tǒng)電平不穩(wěn)定，使系統(tǒng)整體抗噪性能下降。因此地線在PCB尺寸允許的情況下應(yīng)該盡量寬，使它能流過(guò)電路設(shè)計(jì)時(shí)允許電流三倍的電流。如果條件允許，地線寬度應(yīng)越大越好。

42、在此次設(shè)計(jì)中，考慮到PCB尺寸，地線寬度設(shè)計(jì)為25mils。當(dāng)設(shè)計(jì)數(shù)字系統(tǒng)時(shí)，將地線閉合可以顯著地提高抗噪性能。這是因?yàn)椋河≈齐娐钒迳习S多集成芯片，特別是遇有功耗較大的器件時(shí)，受地線寬度影響，會(huì)導(dǎo)致地線上不同點(diǎn)電勢(shì)差較大，引起抗噪性能下降，若將地線閉合，則會(huì)縮小地線上各點(diǎn)的電勢(shì)差，提高系統(tǒng)的抗噪性能。4.2.3 去耦電容電源系統(tǒng)流出的大電流會(huì)產(chǎn)生電磁輻射，為了降低系統(tǒng)的高頻干擾，應(yīng)在電源和地之間接入容值0.01uF0.1uF的瓷片電容對(duì)高頻信號(hào)進(jìn)行過(guò)濾，同時(shí)應(yīng)減小信號(hào)線與電源線和地線之間的回路面積。同時(shí)應(yīng)在芯片VCC和GND之間并聯(lián)小電容，其位置盡量靠近芯片VCC腳，并使兩者連線盡可能短，

43、以達(dá)到較好的濾波效果。4.2.4 時(shí)鐘振蕩器時(shí)鐘振蕩器是單片機(jī)的心臟，可分為內(nèi)部時(shí)鐘和外部時(shí)鐘。一般來(lái)講外部時(shí)鐘源穩(wěn)定性高于內(nèi)部時(shí)鐘源，因?yàn)橥獠繒r(shí)鐘多采用石英晶體振蕩器而內(nèi)部多使用RC振蕩電路。但在實(shí)際應(yīng)用中，由于電磁干擾等原因，會(huì)引起晶體振蕩器頻率發(fā)生變化，導(dǎo)致單片機(jī)時(shí)序混亂，這對(duì)于一些對(duì)時(shí)序敏感的器件（如溫度傳感器DS18B20）是致命的。因此在使用晶振電路時(shí)應(yīng)當(dāng)注意抗干擾設(shè)計(jì)，使其位置盡量靠近單片機(jī)的晶振信號(hào)輸入引腳，并使其接線盡量短而且粗，同時(shí)其外殼應(yīng)采用接地設(shè)計(jì)以增強(qiáng)抗干擾能力。因此，在此次設(shè)計(jì)中晶振與控制器時(shí)鐘信號(hào)輸入引腳間的連線使用25mils導(dǎo)線21。4.2.5 光耦隔離在次次

44、設(shè)計(jì)中單片機(jī)作為控制器，能接受的信號(hào)是弱電信號(hào)，而其需要測(cè)量和控制的信號(hào)，如充電電壓及電流，多為強(qiáng)電信號(hào)。如果不對(duì)其輸入輸出進(jìn)行隔離，強(qiáng)電信號(hào)通過(guò)導(dǎo)線直接進(jìn)入單片機(jī)內(nèi)部，有可能導(dǎo)致單片機(jī)損壞，影響充電器系統(tǒng)整體的性能。因此在設(shè)計(jì)中考慮到這些因素，在單片機(jī)與強(qiáng)電線路連接時(shí)，均使用光耦對(duì)輸入輸出進(jìn)行隔離。設(shè)計(jì)中選擇常用的TLP521光電耦合器件進(jìn)行信號(hào)隔離。隔離的作用主要是對(duì)強(qiáng)弱電信號(hào)進(jìn)行隔離的同時(shí)保證信號(hào)的正確傳遞，同時(shí)在此設(shè)計(jì)中光電耦合器還對(duì)起到了電平轉(zhuǎn)換的作用。在光電耦合器使用中應(yīng)注意兩側(cè)的地線應(yīng)分開，同時(shí)使隔離器件與單片機(jī)之間的連線盡量短，使隔離效果最佳。結(jié) 論本文在查閱大量資料的基礎(chǔ)上對(duì)電動(dòng)自行車鉛酸蓄電池智能充電器進(jìn)行了研究。就設(shè)計(jì)過(guò)程中所涉及的