畢業(yè)論文鉛酸蓄電池智能充放電系統(tǒng)的設(shè)計(jì)

1、本科畢業(yè)論文（設(shè)計(jì)）題目鉛酸蓄電池智能充放電系統(tǒng)的設(shè)計(jì)學(xué)生指導(dǎo)教師年級(jí)專(zhuān)業(yè)電子信息工程二級(jí)學(xué)院信息工程學(xué)院邯鄲學(xué)院信息工程學(xué)院2015年 5 月蓄電池智能充放電系統(tǒng)的設(shè)計(jì)摘要 本文介紹了一種鉛酸蓄電池智能充電以及放電的設(shè)計(jì)過(guò)程，其中包括了對(duì)電池充電方法的研究和充電放電系統(tǒng)的具體設(shè)計(jì)。在對(duì)鉛蓄電池充電方式研究的基礎(chǔ)上，提出了采用恒流限壓以及恒壓限流充電相結(jié)合的方法進(jìn)行充電。此方法可以使充電過(guò)程更符合蓄電池的充電特性曲線，并且在整個(gè)充電的過(guò)程中，采取去蓄電池極化的措施，理論研究和實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)均表明，此方式可以延長(zhǎng)電池使用壽命，提高充電效率。 在本設(shè)計(jì)中，采用了降壓高頻開(kāi)關(guān)電源，主回路包括一個(gè)24v/1

2、A的直流電源，P溝道MOS管及開(kāi)關(guān)降壓電路以及P溝道MOS管和大功率LED構(gòu)成的放電回路。控制電路包括了STC12C5A60S2單片機(jī)最小系統(tǒng)、LCD12864液晶顯示模塊、按鍵選擇電路以及執(zhí)行機(jī)構(gòu)。P溝道MOS管選用IRF4905,大功率LED是1W的燈珠，顯示屏使用的是自帶字庫(kù)的LCD12864；由于STC12C5A60S2內(nèi)部自帶10位ADC及PWM,所以超過(guò)5V模擬量的檢測(cè)直接由分壓電阻分壓后接到ADC端口即可實(shí)現(xiàn)，而控制MOS管的PWM也由單片機(jī)直接產(chǎn)生。通過(guò)采集采樣電阻的電壓，可以計(jì)算出充電電流。而通過(guò)采集鉛蓄電池的端電壓，可以實(shí)現(xiàn)充電和放電電壓的檢測(cè)。然后通過(guò)控制單片機(jī)進(jìn)行PID

3、調(diào)節(jié)，改變PWM的占空比達(dá)到控制電池充電電流曲線趨向理想狀態(tài)的目的，從而實(shí)現(xiàn)鉛酸蓄電池的智能充電。放電則是通過(guò)按鍵控制MOS管開(kāi)關(guān)大功率LED實(shí)現(xiàn)。實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，基于STC12C5A60S2的智能充放電系統(tǒng)，充電效果好，充電電流曲線趨于最佳狀態(tài)，充電后電池電量足，此系統(tǒng)的應(yīng)用前景廣闊。關(guān)鍵詞：蓄電池；PID；恒流充電；恒壓充電；LCD12864The design of the battery intelligently charging and discharging systemABSTRACT This article is mainly introduced a process tha

4、t a battery charging and discharging intelligently , including the study of battery charging method and the specific design of the charging and discharging system. On the basis of the research of battery charging method , proposed by adopting the combination of constant current and constant voltage

5、charge method to charge.This method can make the process more accord with battery charging characteristic curve, and i-n the process of the charging , take measures to battery polarization, both theoretical research andexperimental data show that this approach can extend battery life, improve the ch

6、arging efficie-ncy. In this design, uses high-frequency step-down switching power supply, the main circuit includes a 24V/1A DC power supply, P-channel MOS transistor and the switching step-down circuit and the P-channel MOS transistors and high-power LED constitute a discharge circuit. The control

7、circuit includes STC12C5A60S2 smallest single-chip system, the display circuit, as well as key control circuit implementation of the circuit.P-channel MOS transistor selectS IRF4905, high power LED is 1W lamp beads, the display uses its own font LCD12864;Since STC12C5A60S2 own internal 10-bit ADC an

8、d PWM, So more than 5V analog detection directly after dividing resistor divider connected to ADC port can be realized, and PWM control MOS tube directly generated by the microcontroller.By collecting The voltage across the battery and voltage difference of Sampling resistor,.can realize the detecti

9、on of Charging current and the charge-discharge voltage.And then do PID regulation By controlling the microcontroller，change the Duty cycle of PWM to the purpose that control the charging current and voltage , so as to realize the intelligently charging of batteries,Discharge is a Lamp beads light o

10、r not by button control MOS .The results of experiment show that the intelligently charging and discharging system based on STC12C5A60S2 MCU control, charging efficiency is high, during charging, the charging curve adjustment is quickly and effectively, charging performance is good, and with a good

11、prospect.KEY WORDS：Storage battery PID Constant current chargingConstant voltage charging LCD12864前言隨著電子技術(shù)的進(jìn)步，以及社會(huì)的不斷發(fā)展，電子產(chǎn)品得到越來(lái)越廣泛的應(yīng)用，便攜式的店址產(chǎn)品也變的日益普及，電量的存儲(chǔ)技術(shù)顯得越來(lái)越重要，電池成為越來(lái)越多電子產(chǎn)品的理想電源。鉛蓄電池由于其可循環(huán)再充電的特性以及成本較低、使用安全、耐腐蝕無(wú)污染等特點(diǎn)在電池市場(chǎng)中還占據(jù)著重要地位。所以關(guān)于鉛酸蓄電池的充電及放電技術(shù)也備受大家的關(guān)注。但是，一方面，傳統(tǒng)的充電方法是以10h或20h率電流進(jìn)行充電。這樣導(dǎo)致充電時(shí)

12、間過(guò)長(zhǎng)，一般需要10多個(gè)小時(shí)，且使用不方便。另一方面，鉛酸蓄電池的充電過(guò)程在不能滿足技術(shù)指標(biāo)時(shí)，將會(huì)非常影響鉛蓄電池的使用壽命等。國(guó)內(nèi)外多年來(lái)實(shí)踐有力的證明了，鉛酸蓄電池浮充電壓偏差達(dá)到5%時(shí)，電池的浮充壽命就將會(huì)減少一半。并且，在其他方面，由于充電方法的不正確，鉛酸蓄電池也很難達(dá)到額定的循環(huán)充放電壽命。智能充電是指使實(shí)際充電過(guò)程中，充電電流能動(dòng)態(tài)的滿足電池在不同階段所需要的充電電流。充電系統(tǒng)根據(jù)電池的當(dāng)前狀態(tài)確定充電電流及充電電壓的參數(shù)，使得充電過(guò)程自始至終都滿足電池理想狀態(tài)下的充電過(guò)程，保持電池充電狀態(tài)最優(yōu)，這樣既節(jié)約用電又能延長(zhǎng)電池使用壽命而且對(duì)電池的損害很小。現(xiàn)階段，我國(guó)是鉛蓄電池使用

13、大國(guó)，但是鉛蓄電池的充電方法很多都不科學(xué)，設(shè)備普遍落后，迫切需要一種新型高效的鉛蓄電池充電系統(tǒng)以滿足生產(chǎn)生活的需要。本次畢業(yè)設(shè)計(jì)就是設(shè)計(jì)一種鉛蓄電池組充放電系統(tǒng)，通過(guò)單片機(jī)實(shí)現(xiàn)對(duì)充電電路的控制，達(dá)到快速充電且最大限度保護(hù)電池的目的。 目 錄摘要IABSTRACTII前言11 背景介紹41.1 選題的背景41.2 鉛蓄電池充電系統(tǒng)現(xiàn)狀41.3 鉛蓄電池充電系統(tǒng)的發(fā)展前景52 設(shè)計(jì)要求52.1 基本內(nèi)容52.2 具體要求53 設(shè)計(jì)方案的選擇63.1 方案一63.2 方案二63.3 方案三64 硬件系統(tǒng)設(shè)計(jì)74.1 設(shè)計(jì)思路74.1.1 系統(tǒng)的基本構(gòu)成及工作原理74.1.2 流程圖84.1.3 系統(tǒng)

14、的設(shè)計(jì)步驟94.2 STC12C5A60S2單片機(jī)104.2.1 STC12C5A60S2系列單片機(jī)簡(jiǎn)介104.2.2 STC12C5A60S2系列單片機(jī)特點(diǎn)124.3 LCD12864134.4 P溝道MOS管驅(qū)動(dòng)電路144.5 降壓型開(kāi)關(guān)電源電路154.6 5V電源電路154.7 鉛酸蓄電池充電方法及PID算法164.8 鉛蓄電池充放電原理圖及PCB圖185 軟件系統(tǒng)設(shè)計(jì)195.1 程序的編譯鏈接195.2 仿真206 調(diào)試206.1 硬件調(diào)試206.2 軟件調(diào)試207 總結(jié)20參考文獻(xiàn)22附錄23致 謝241 背景介紹1.1 選題的背景鉛蓄電池由于其可以循環(huán)充電，成本較低，放電穩(wěn)定，耐腐

15、蝕無(wú)污染等特點(diǎn)，在現(xiàn)在工農(nóng)業(yè)生產(chǎn)中日益重要。鉛蓄電池的充電方法卻是個(gè)很重要的方面，目前，我國(guó)關(guān)于鉛蓄電池的充電設(shè)備都還很落后，迫切需要一種低成本且充電效率高的充電系統(tǒng)，以滿足人們?nèi)粘Ｉa(chǎn)生活的需求。1.2 鉛蓄電池充電系統(tǒng)現(xiàn)狀鉛酸蓄電池的歷史已經(jīng)很久了，在鉛酸蓄電池發(fā)明初期，其工藝還不科學(xué)，充電繁瑣，還需要經(jīng)常自行添加電解液等，使用并不方便。后來(lái)，科學(xué)家們對(duì)鉛蓄電池進(jìn)行了一系列的改進(jìn)，在硫酸溶液中加入了膠凝劑，做成了膠體蓄電池。這樣做的結(jié)果就是，電解液由液體變成膠體，離子的導(dǎo)電能力下降了，電池內(nèi)阻也相應(yīng)的增大很多，非常影響電池的放電容量和電池性能，并且充電過(guò)程中仍然存在水的分解，膠體失水，產(chǎn)生

16、龜裂以及萎縮等問(wèn)題，最終導(dǎo)致電池很快廢棄。1965年，科學(xué)實(shí)驗(yàn)發(fā)現(xiàn)了電池陰極吸收原理。80年代初期，一位美國(guó)的科學(xué)家發(fā)明了免維護(hù)密封電池，后來(lái)經(jīng)過(guò)不斷的改進(jìn)，最終發(fā)展成了今天的密封式免維護(hù)鉛酸蓄電池。其在設(shè)計(jì)上采用了內(nèi)部循環(huán)的氧氣系統(tǒng)，在放電時(shí)，正極產(chǎn)生的氧氣與負(fù)極活性物質(zhì)發(fā)生化學(xué)反應(yīng)，并在充電時(shí)還原成水，當(dāng)充電氣體達(dá)到一定限值時(shí)，自動(dòng)開(kāi)啟安全閥，內(nèi)部壓力釋放然后自動(dòng)關(guān)閉。在充放電過(guò)程中，產(chǎn)生的氣體內(nèi)部發(fā)生化合反應(yīng)，因此無(wú)酸液、酸霧的溢出，達(dá)到了密封免維護(hù)的效果。20世紀(jì)80年代，日本實(shí)現(xiàn)了鉛蓄電池化工業(yè)批量生產(chǎn)，其后又修改制定了JisCC8807-1992工業(yè)標(biāo)準(zhǔn)。國(guó)際電工委員會(huì)制定了“攜帶

17、式鉛酸蓄電池(閥控式)”IEC1506-1推薦標(biāo)準(zhǔn)。緊隨其后，德、英和前蘇聯(lián)等國(guó)家也都制定了自己的鉛酸蓄電池標(biāo)準(zhǔn)。隨著鉛酸蓄電池工業(yè)的不斷發(fā)展進(jìn)步，它的應(yīng)用范圍越來(lái)越廣，普及型越來(lái)越高。近幾年來(lái),蓄電池的整體性能不斷的改進(jìn)完善，充電技術(shù)也在不斷改進(jìn)發(fā)展。傳統(tǒng)意義上鉛蓄電池的充電技術(shù)，主要可以分為恒流充電、恒流限壓充電、恒壓充電以及恒壓限流充電等，這些都是人工控制充電過(guò)程，沒(méi)有根據(jù)電池的實(shí)際充電情況動(dòng)態(tài)調(diào)節(jié)充電參數(shù)，這不僅僅造成了電池充電時(shí)間長(zhǎng)，而且大多存在非常嚴(yán)重的虛沖、過(guò)充等現(xiàn)象，影響了蓄電池正常使用，遠(yuǎn)不能滿足現(xiàn)代生產(chǎn)和生活的需求。事實(shí)上，如果充電方式有效合理，電池的使用壽命將提高30%左

18、右。針對(duì)傳統(tǒng)的充電方法的種種不足，國(guó)內(nèi)外陸陸續(xù)續(xù)提出了一些新型高效的充電方法，努力改變現(xiàn)狀。當(dāng)然，這些充電方法的實(shí)際工作原理大多數(shù)都是在傳統(tǒng)的方法上進(jìn)行改進(jìn)，使蓄電池的充電電流能更好的逼近其可接受充電電流曲線。這些充電方法開(kāi)始擺脫傳統(tǒng)充電方法的思路束縛，逐漸將模糊控制算法引入充電過(guò)程中，利用模糊控制技術(shù)本身適合處理多輸入多輸出非線性系統(tǒng)的優(yōu)勢(shì)，更好的處理蓄電池充電過(guò)程中的時(shí)變性和干擾性等問(wèn)題。1.3 鉛蓄電池充電系統(tǒng)的發(fā)展前景鉛蓄電池雖然相較現(xiàn)在的新型電池存在笨重，充電周期長(zhǎng)燈光缺點(diǎn)。但由于其成本低，放電過(guò)程平穩(wěn)，使用壽命長(zhǎng)且無(wú)污染等優(yōu)點(diǎn)，在未來(lái)的幾十年中，其還會(huì)發(fā)揮無(wú)與倫比的重要性。那么，對(duì)

19、鉛蓄電池進(jìn)行合理有效的充電方法顯得至關(guān)重要。傳統(tǒng)的充電方式已經(jīng)不能滿足生活節(jié)奏不斷加快的社會(huì)需求，新型高效的鉛酸蓄電池充電系統(tǒng)日益顯現(xiàn)出其重要性。傳統(tǒng)的充電方法也在實(shí)現(xiàn)從不智能到模糊控制應(yīng)用再到數(shù)字化智能調(diào)節(jié)的轉(zhuǎn)變。蓄電池充電系統(tǒng)數(shù)字化管理可以方便的實(shí)現(xiàn)各種復(fù)雜的充電控制方法，能夠?qū)π铍姵氐某潆娺^(guò)程進(jìn)行實(shí)時(shí)的監(jiān)控和顯示處理等，能很好的滿足在無(wú)人監(jiān)控和遙控方式的鉛酸蓄電池充電需求。2 設(shè)計(jì)要求2.1 基本內(nèi)容主要是利用單片機(jī)的PWM通過(guò)PID算法控制鉛蓄電池的充電電流。2.2 具體要求（1）需要能夠?qū)崿F(xiàn)對(duì)鉛酸蓄電池充電過(guò)程中充電電流的PID調(diào)節(jié)。（2）12864液晶可顯示電池電量，充放電狀態(tài)信息

20、，充電電流，充電電壓等信息；（3） 通過(guò)液晶屏上的信息提示電池充電與否；（4） 充電和放電狀態(tài)是相反的，即充電時(shí)放電無(wú)效，放電時(shí)充電無(wú)效，充放電狀態(tài)的切換是通過(guò)按鍵進(jìn)行控制的；（5）通過(guò)按鍵選擇液晶屏顯示的信息并且能對(duì)蓄電池的充放電進(jìn)行控制。3 設(shè)計(jì)方案的選擇3.1 方案一由于本設(shè)計(jì)需要用到PWM及10位的ADC，而STC12C5A60S2內(nèi)部已經(jīng)集成了這些資源，應(yīng)用非常方便，所以采用STC12C5A60S2作為主控單片機(jī)，再通過(guò)LCD12864實(shí)時(shí)顯示整個(gè)充放電系統(tǒng)的狀態(tài)。本方案系統(tǒng)是由STC12C5A60S2最小系統(tǒng)、24V/1A直流電源、STC12C5A60S2的PWM進(jìn)行PID調(diào)節(jié)控制

21、P溝道MOS管實(shí)現(xiàn)充電管理、并通過(guò)LCD12864實(shí)時(shí)顯示充放電系統(tǒng)的主要參數(shù)信息。3.2 方案二通過(guò)PWM波形發(fā)生器及TLC1549進(jìn)行模擬量采樣，再通過(guò)STC89C52進(jìn)行數(shù)據(jù)處理及控制，使用LCD1602進(jìn)行數(shù)據(jù)的顯示，采樣的電壓值經(jīng)PID調(diào)節(jié)后，通過(guò)MOS管控制鉛蓄電池充放電的過(guò)程。此方法和方案一功能類(lèi)似，但是TLC1549由于電流采樣的原因，需要使用兩片，大大增加了系統(tǒng)設(shè)計(jì)的成本及復(fù)雜度。3.3 方案三使用STM32系列單片機(jī)進(jìn)行數(shù)據(jù)的處理，STM32屬于32位單片機(jī)，系統(tǒng)資源豐富，完全能勝任本次設(shè)計(jì)的要求，但是STM32的成本相對(duì)來(lái)說(shuō)也高些，本設(shè)計(jì)我們需要用到的資源主要有PWM及A

22、DC，相對(duì)于STM32，資源會(huì)浪費(fèi)許多。通過(guò)如上整體分析可以得出結(jié)論，方案一擁有整體規(guī)劃長(zhǎng)處，因此本次畢業(yè)設(shè)計(jì)方案最終選擇方案一。4 硬件系統(tǒng)設(shè)計(jì)4.1 設(shè)計(jì)思路4.1.1 系統(tǒng)的基本構(gòu)成及工作原理用單片機(jī)的ADC通道通過(guò)一個(gè)采樣電阻采集鉛蓄電池充電電流的大小，然后經(jīng)過(guò)單片機(jī)的PID處理調(diào)節(jié)充電電流，使得充電電流能滿足蓄電池充電電流曲線的要求，再加上LCD12864顯示電池電壓，充電電流，充電狀態(tài)及放電狀態(tài)信息等。在此基礎(chǔ)上，通過(guò)按鍵實(shí)現(xiàn)充電及放電狀態(tài)的切換。本系統(tǒng)以STC12C5A60S2為控制核心，與外圍電路組成充放電管理系統(tǒng)。由按鍵控制模塊的充放電狀態(tài)的切換，以LCD12864顯示，完成

23、鉛蓄電池的充放電管理。系統(tǒng)設(shè)計(jì)的總體結(jié)構(gòu)框圖，如圖4-1所示：圖4-1 系統(tǒng)的總體結(jié)構(gòu)框圖當(dāng)電源上電后，通過(guò)按鍵操作單片機(jī)是充電還是放電，如果是放電狀態(tài)，充電電源斷開(kāi)，大功率LED燈亮，蓄電池處于放電狀態(tài)，若電池電量過(guò)低，12864液晶會(huì)出現(xiàn)電池電量過(guò)低的提示，并斷開(kāi)燈的電源，結(jié)束放電狀態(tài)；如果是充電狀態(tài)，液晶上會(huì)直觀的顯示電池電壓、充電電流等信息，電池在充電過(guò)程中會(huì)根據(jù)電池電壓的狀態(tài)通過(guò)PID算法智能調(diào)整充電電流大小，使得充電電流更貼近鉛蓄電池充電電流的曲線，當(dāng)電池充滿后，系統(tǒng)會(huì)自動(dòng)將充電電源斷開(kāi)，充電結(jié)束。4.1.2 流程圖主程序流程圖，如圖4-2所示：圖4-2 主程序流程圖程序運(yùn)行過(guò)程流

24、程圖，如圖4-3所示：圖4-3 程序運(yùn)行過(guò)程流程圖4.1.3 系統(tǒng)的設(shè)計(jì)步驟（1） 按照功能要求設(shè)計(jì)電路框圖。 根據(jù)總體的設(shè)計(jì)要求，對(duì)系統(tǒng)的電路結(jié)構(gòu)框圖進(jìn)行合理的設(shè)計(jì)。（2） 依據(jù)系統(tǒng)的電路結(jié)構(gòu)框圖設(shè)計(jì)出仿真電路，節(jié)省實(shí)際實(shí)驗(yàn)調(diào)試成本。 先安裝Proteus仿真軟件，然后在此仿真軟件中放置各個(gè)硬件電路模塊需要用到的各個(gè)部件，并對(duì)其進(jìn)行連線。由于51單片機(jī)的仿真需要將源程序的.HEX文件下載到仿真中的單片機(jī)中，所以仿真也需要進(jìn)行單片機(jī)程序的編寫(xiě)。通過(guò)編譯器Keil編寫(xiě)51單片機(jī)的C語(yǔ)言程序，將生成的.hex文件下載到仿真圖的單片機(jī)中，由于鉛蓄電池的充放電系統(tǒng)在Proteus仿真軟件中有些元器件是

25、沒(méi)有元件庫(kù)的，所以仿真的程序以及電路跟實(shí)際的系統(tǒng)電路有一些差別，但是根據(jù)仿真電路可以使得系統(tǒng)在實(shí)際制作中解決很多電路問(wèn)題。（3）按照仿真電路，繪制電路原理圖以及PCB圖。 按照仿真圖中驗(yàn)證的電路，使用Altium Designe繪制硬件電路原理圖，當(dāng)然，原理圖與PCB的封裝庫(kù)也都需要先制作完成，然后將原理圖導(dǎo)成PCB，并手動(dòng)布線完成PCB電路板的制作。（4） 制作實(shí)物電路板并在腐蝕完成的電路板上焊接元器件。 完成PCB圖之后，將PCB板做成電路板，去電子市場(chǎng)購(gòu)買(mǎi)此次畢業(yè)設(shè)計(jì)所需要的元器件。用電烙鐵分別焊接各個(gè)元件，進(jìn)而把整個(gè)系統(tǒng)焊接完成。（5）編寫(xiě)實(shí)際系統(tǒng)的程序。由于仿真電路與實(shí)際的調(diào)試電路有

26、所區(qū)別，畢竟仿真與現(xiàn)實(shí)是有出入的，所以實(shí)際的單片機(jī)程序需要在仿真程序的基礎(chǔ)上改善。將編寫(xiě)的程序生成的.HEX文件通過(guò)串口的方式下載到單片機(jī)中，驗(yàn)證程序是否存在Bug。并不斷完善系統(tǒng)功能。（5）調(diào)試，實(shí)現(xiàn)功能要求。通過(guò)硬件調(diào)試和軟件調(diào)試相結(jié)合，一個(gè)一個(gè)解決系統(tǒng)設(shè)計(jì)中的問(wèn)題，完成鉛蓄電池充放電系統(tǒng)的制作與調(diào)試，實(shí)現(xiàn)本次畢業(yè)設(shè)計(jì)中要實(shí)現(xiàn)的具體功能。4.2 STC12C5A60S2單片機(jī)4.2.1 STC12C5A60S2系列單片機(jī)簡(jiǎn)介單片機(jī)，又叫單片微型控制器,它是把一個(gè)計(jì)算機(jī)系統(tǒng)集成到一個(gè)芯片上，相當(dāng)于一個(gè)微型計(jì)算機(jī)。它體積小巧、質(zhì)量輕、價(jià)格低廉、開(kāi)發(fā)周期短。自從單片機(jī)誕生以來(lái)，其發(fā)展速度很快，目

27、前已有幾千個(gè)種類(lèi)，應(yīng)用越來(lái)越廣泛。宏晶公司生產(chǎn)的STC12C5A60S2系列單片機(jī)，是新一代8051單片機(jī)，其具有低功耗、高速、抗干擾能力強(qiáng)等優(yōu)點(diǎn)，完全兼容傳統(tǒng)8051的指令代碼,但速度比普通51單片機(jī)快8-12倍。內(nèi)部集成2路PWM,8路高速10位A/D轉(zhuǎn)換(250K/S)等資源。STC12C5A60S2單片機(jī)有60K的Flash,1280字節(jié)的SRAM，資源豐富，且成本低廉，非常適合本鉛蓄電池充放電系統(tǒng)的設(shè)計(jì)。STC12C5A60S2有LQFN、QFN以及直插等幾種封裝，其引腳圖如下圖4-4所示：圖4-4 STC90C52RC引腳圖4.2.2 STC12C5A60S2系列單片機(jī)特點(diǎn)STC1

28、2C5A60S2是8051系列單片機(jī)，其主要特點(diǎn)如下： （1）增強(qiáng)型8051 CPU，1T，單時(shí)鐘/機(jī)器周期，是新一代8051單片機(jī)，其具有低功耗、高速、抗干擾能力強(qiáng)等優(yōu)點(diǎn)，完全兼容傳統(tǒng)8051的指令代碼,但速度比普通51單片機(jī)快8-12倍； （3）用戶應(yīng)用程序空間60K 字節(jié); （4）片上集成1280字節(jié)RAM; （5）通用I/O口(36/40/44個(gè))，復(fù)位后為：準(zhǔn)雙向口/弱上拉(普通8051傳統(tǒng)I/O口)，可設(shè)置成四種模式：準(zhǔn)雙向口/弱上拉，推挽/強(qiáng)上拉，僅為輸入/高阻，開(kāi)漏，每個(gè)I/O口驅(qū)動(dòng)能力均可達(dá)到20mA，但整個(gè)芯片最大不要超過(guò)55mA; （6） 無(wú)需專(zhuān)用仿真器，可通過(guò)串口(P3

29、.0/P3.1)直接下載用戶程序，數(shù)秒即可完成一片; （7）有EEPROM功能(STC12C5A62S2/AD/PWM無(wú)內(nèi)部EEPROM); （8） 看門(mén)狗; （9）內(nèi)部集成MAX810專(zhuān)用復(fù)位電路； （10）外部掉電檢測(cè)電路:在P4.6口有一個(gè)低壓門(mén)檻比較器，5V單片機(jī)為1.32V，誤差為+/-5%,3.3V單片機(jī)為1.30V，誤差為+/-3%; （11）時(shí)鐘源：外部高精度晶體，內(nèi)部RC振蕩器(溫漂為+/-5%到+/-10%以內(nèi)) ，用戶在下載用戶程序時(shí)，可選擇是使用內(nèi)部RC振蕩器還是外部晶體，常溫下內(nèi)部RC振蕩器頻率為：11MHz15.5MHz，精度要求不高時(shí)，可選擇使用內(nèi)部時(shí)鐘，但因?yàn)橛?/p>

30、制造誤差和溫漂，以實(shí)際測(cè)試為準(zhǔn); （12）共4個(gè)16位定時(shí)器，兩個(gè)與傳統(tǒng)8051兼容的定時(shí)器/計(jì)數(shù)器,16位定時(shí)器T0和T1，沒(méi)有定時(shí)器2，但有獨(dú)立波特率發(fā)生器 做串行通訊的波特率發(fā)生器 再加上2路PCA模塊可再實(shí)現(xiàn)2個(gè)16位定時(shí)器; （13）2個(gè)時(shí)鐘輸出口，可由T0的溢出在P3.4/T0輸出時(shí)鐘，可由T1的溢出在P3.5/T1輸出時(shí)鐘; （14）兩路PWM：可用來(lái)再實(shí)現(xiàn)2個(gè)定時(shí)器，也可用來(lái)再實(shí)現(xiàn)2個(gè)外部中斷(上升沿中斷/下降沿中斷均可分別或同時(shí)支持); （15）A/D轉(zhuǎn)換, 10位精度ADC，共8路，轉(zhuǎn)換速度可達(dá)250K/S(每秒鐘25萬(wàn)次)18.通用全雙工異步串行口(UART)，由于STC

31、12系列是高速的8051，可再用定時(shí)器或PCA軟件實(shí)現(xiàn)多串口; （16） STC12C5A60S2系列有雙串口，后綴有S2標(biāo)志的才有雙串口，RxD2/P1.2(可通過(guò)寄存器設(shè)置到P4.2)，TxD2/P1.3(可通過(guò)寄存器設(shè)置到P4.3);4.3 LCD12864所使用的是自帶中文字庫(kù)的LCD12864,具有4 位/8 位并行、2 線或3 線串行等多種接口方式，內(nèi)部含有國(guó)標(biāo)一級(jí)、二級(jí)簡(jiǎn)體中文字庫(kù)的點(diǎn)陣圖形液晶顯示模塊；其顯示分辨率為128*64, 內(nèi)置8192 個(gè)16*16 點(diǎn)漢字，和128 個(gè)16*8 點(diǎn)ASCII字符集。利用該模塊靈活的接口方式和簡(jiǎn)單、方便的操作指令，可構(gòu)成全中文人機(jī)交互圖

32、形界面?？梢燥@示84 行1616 點(diǎn)陣的漢字，也可完成圖形顯示.低電壓低功耗是其又一顯著特點(diǎn)。該液晶模塊，通信方式可以選擇串口或并口。使用方便，適合作為本設(shè)計(jì)的顯示界面。LCD12864的實(shí)物圖如下圖4-5所示。圖4-5 LCD12864實(shí)物圖LCD12864的管腳定義及與單片機(jī)連接方式如圖4-6所示。 圖4-6 LCD12864液晶管腳定義4.4 P溝道MOS管驅(qū)動(dòng)電路本設(shè)計(jì)系統(tǒng)中所用MOS管為P溝道MOS管，且屬于低壓控制高壓，如果直接驅(qū)動(dòng)，會(huì)遇到單片機(jī)高電平時(shí)MOS管不能完全關(guān)斷的情況，為了解決這個(gè)問(wèn)題，特設(shè)計(jì)如下電路，第一級(jí)三極管起到高電壓電平置高置低的目的，后面的互補(bǔ)輸出級(jí)可以實(shí)現(xiàn)保

33、證高低電平迅速切換的目的。經(jīng)驗(yàn)證，此電路可以達(dá)到控制P溝道MOS管快速且正常開(kāi)關(guān)的目的。其電路原理圖如下圖4-7所示。 圖4-7 P溝道MOS管驅(qū)動(dòng)電路4.5 降壓型開(kāi)關(guān)電源電路鉛蓄電池充放電系統(tǒng)設(shè)計(jì)中供電電源為24V直流電源，鉛蓄電池的充電過(guò)程是先恒流，再恒壓，相對(duì)于12V的鉛酸蓄電池，24V的電源電壓是非常高的，所以需要降壓，本設(shè)計(jì)中所用降壓電路為開(kāi)關(guān)型降壓電路。這是因?yàn)殚_(kāi)關(guān)型降壓電路控制方便，電路簡(jiǎn)單明了，可以在進(jìn)行PID恒流充電時(shí)進(jìn)行快速而精確的控制。降壓型開(kāi)關(guān)電源電路，如圖4-8所示：圖4-8 降壓型開(kāi)關(guān)電源電路此電路的原理如下： （1）當(dāng)開(kāi)關(guān)閉合時(shí)續(xù)流二極管D1截至，又由于輸入電壓

34、UI與儲(chǔ)能電感L1接通，因此輸入-輸出壓差（UI-Uo）就加在L上，使通過(guò)L1的電流IL線性地增加。（由公式L*di/dt=U可以看出，U、L不變，則di/dt為常數(shù)，即I線性增加。）在此期間除向負(fù)載供電外，還有一部分電能儲(chǔ)存在L1和C2中，流過(guò)負(fù)載RL的電流為Io。 （2）當(dāng)開(kāi)關(guān)斷開(kāi)時(shí)，L1與UI斷開(kāi)，但由于通過(guò)電感的電流不能在瞬間發(fā)生突變，因此在L1上就產(chǎn)生反向電動(dòng)勢(shì)以維持通過(guò)電感的電流不變。此時(shí)續(xù)流二極管D1導(dǎo)通，儲(chǔ)存在L1中的電能就經(jīng)過(guò)由D1構(gòu)成的回路向負(fù)載供電，維持輸出電壓不變。開(kāi)關(guān)斷開(kāi)時(shí)，C2對(duì)負(fù)載放電，這有利于維持Uo和Io不變。4.6 5V電源電路由于本系統(tǒng)中單片機(jī)電源為5V，

35、而電源電壓為24V,所以單片機(jī)的的電壓需要經(jīng)過(guò)降壓穩(wěn)壓模塊降到5V。本設(shè)計(jì)中使用可調(diào)降壓模塊降壓。所用降壓模塊如圖4-9所示。 圖4-9 智能降壓模塊4.7 鉛酸蓄電池充電方法及PID算法傳統(tǒng)的鉛酸蓄電池充電方法由于充電狀態(tài)的不合理性，可能會(huì)導(dǎo)致電池充電不足、過(guò)充等問(wèn)題，而且這些方法充電時(shí)間過(guò)長(zhǎng)，溫升過(guò)快。專(zhuān)家研究表明：鉛酸蓄電池充電過(guò)程對(duì)其壽命影響最大，過(guò)充電、充電不足以及溫升都是引起電池故障的主要原因。 基于以上原因，系統(tǒng)根據(jù)蓄電池的充電特性，采用模糊PID 控制算法，它能夠?qū)崟r(shí)采集電池充電過(guò)程中的電流、電壓等模擬量，使充電始終在最佳狀態(tài)下進(jìn)行，實(shí)現(xiàn)了高效、快速、無(wú)損的充電過(guò)程。在蓄電池充

36、電時(shí)，單片機(jī)實(shí)時(shí)采集鉛蓄電池充電過(guò)程中的電流、電壓等模擬量，通過(guò)單片機(jī)內(nèi)部的A/D 轉(zhuǎn)換器將模擬量轉(zhuǎn)化為數(shù)字量供單片機(jī)采樣，并判斷電池是否出現(xiàn)過(guò)壓、過(guò)流等問(wèn)題。若出現(xiàn)問(wèn)題，單片機(jī)立即關(guān)斷MOS管，并通過(guò)LCD12864提示錯(cuò)誤。若檢測(cè)正常，則采用模糊PID 控制算法產(chǎn)生相應(yīng)占空比的PWM 脈沖來(lái)控制MOS管開(kāi)關(guān)，通過(guò)降壓開(kāi)關(guān)電路對(duì)電池進(jìn)行充電。由于充電電壓為9-15V,而單片機(jī)的檢測(cè)電壓為0-5V，所以充電電壓的檢測(cè)需要進(jìn)行分壓然后再送到單片機(jī)進(jìn)行采樣處理。其分壓電路如圖4-10所示。如圖4-10分壓電路關(guān)于PID算法連續(xù)狀態(tài)的公式如下：假設(shè)采樣時(shí)間間隔為T(mén)，則在第KT時(shí)刻：偏差Err(k)=

37、Rin(k)-Rout(k);積分環(huán)節(jié)用加和的形式表示，即err(K)+err(K+1)+;微分環(huán)節(jié)用斜率的形式表示，即err(K)-err(K-1)/T; 從而形成如下PID離散表示形式：則u(K)可表示成為：另外一種表述PID的方式為增量式PID，由上述表達(dá)式可得：則：這就是離散化PID的增量式表達(dá)式，由公式可看出，增量式的表達(dá)結(jié)果和最近三次的偏差有關(guān)，這樣就大大提高了系統(tǒng)的穩(wěn)定性能。需要注意的是最終的輸出結(jié)果應(yīng)該為u(K)+增量調(diào)節(jié)值。4.8 鉛蓄電池充放電原理圖及PCB圖鉛蓄電池充放電原理圖如圖4-11所示，鉛蓄電池充放電PCB圖如圖4-12所示。 圖4-11 鉛蓄電池充放電原理圖 圖

38、4-12 鉛蓄電池充放電PCB圖5 軟件系統(tǒng)設(shè)計(jì)5.1 程序的編譯鏈接單片機(jī)的程序是通過(guò)KEIL編寫(xiě)編譯的，生成的.HEX文件通過(guò)串口下載到單片機(jī)中。串口程序的下載是通過(guò)串口助手實(shí)現(xiàn)的。由于串口通信需要進(jìn)行電平轉(zhuǎn)換，本設(shè)計(jì)所用電平是TTL電平，當(dāng)然，也可以使用RS232電平，其下載方式和用法類(lèi)似。在使用KEIL編寫(xiě)單片機(jī)程序時(shí)，需要注意軟件的設(shè)置，如晶振頻率設(shè)置、生成.HEX文件設(shè)置及單片機(jī)型號(hào)選擇等。在程序編寫(xiě)的過(guò)程中，還要注意程序的邏輯關(guān)系，學(xué)會(huì)程序的模塊化編程。模塊化編程會(huì)增強(qiáng)程序的可讀性，提高程序的利用率。5.2 仿真本設(shè)計(jì)所使用的仿真軟件為Protuse，由于Protuse中，沒(méi)有S

39、TC12C5A60S2系列的單片機(jī)的封裝庫(kù)，所以以普通型51單片機(jī)為仿真模型，以8位模數(shù)轉(zhuǎn)換芯片ADC0804作為ADC轉(zhuǎn)換器。本仿真實(shí)現(xiàn)了模擬量的采集及顯示，搭載好仿真的硬件電路后，使用KEIL編寫(xiě)相關(guān)的驅(qū)動(dòng)程序，將KEIl生成的.HEX文件加載到Protuse的單片機(jī)仿真模型中，點(diǎn)擊開(kāi)始仿真運(yùn)行仿真程序，觀察仿真結(jié)果，結(jié)果顯示，仿真中的模擬量的檢測(cè)是相當(dāng)準(zhǔn)確的。其系統(tǒng)運(yùn)行效果圖如下圖5-1所示。圖5-16 調(diào)試在本系統(tǒng)設(shè)計(jì)中，軟件仿真和實(shí)物設(shè)計(jì)有很大的區(qū)別，所以在做實(shí)物時(shí)，由于仿真的效果滿足不了測(cè)試要求，所以硬件設(shè)計(jì)和軟件設(shè)計(jì)都需要大量的實(shí)際測(cè)試和調(diào)試。6.1 硬件調(diào)試本系統(tǒng)的硬件原理圖如

40、圖4-11，由于仿真與實(shí)際有區(qū)別，所以硬件電路的問(wèn)題很多，需要一步步的調(diào)試，直至完成目標(biāo)任務(wù)為止。在調(diào)試時(shí)，首先遇到的問(wèn)題是LCD12864不顯示任何數(shù)據(jù)，分析有兩種情況：第一種是LCD12864液晶壞了，不能正常顯示數(shù)據(jù)，導(dǎo)致顯示在屏幕中的數(shù)據(jù)不再正常工作。第二種情況是單片機(jī)與12864液晶的某一個(gè)或者某幾個(gè)接口接觸不良或者接線錯(cuò)誤。使用萬(wàn)用表測(cè)PCB板中兩個(gè)端點(diǎn)處的電壓是否正確，經(jīng)檢測(cè)，發(fā)現(xiàn)是LCD12864的管腳定義錯(cuò)誤，12864液晶與PCB底板的連接錯(cuò)誤。 電路在最初調(diào)試時(shí)，MOS管前面的三極管驅(qū)動(dòng)部分直接用24V電壓驅(qū)動(dòng)，電源供電后，三極管就會(huì)燒壞，后來(lái)查閱資料發(fā)現(xiàn)是因?yàn)镾9013

41、三極管集電極-發(fā)射極電壓雖然能達(dá)到25V，但是由于本設(shè)計(jì)電源為開(kāi)關(guān)電源，所以電網(wǎng)的波動(dòng)導(dǎo)致9013三極管的擊穿。于是，把電源電壓經(jīng)LM317降壓后再用作充電MOS管的驅(qū)動(dòng)電源。在本設(shè)計(jì)中，電池充電控制是采用MOS管與電感電容二極管等元件組成的開(kāi)關(guān)降壓電路，充電過(guò)程中，使用1/3W的電阻作為采樣電阻，在采樣電阻后，加上了一個(gè)二極管，是放置電池電壓對(duì)充電電源以及電流檢測(cè)的影響。由于單片機(jī)ADC采樣值只能達(dá)到5v，所以鉛蓄電池充電部分的電流檢測(cè)和電池電壓檢測(cè)都需要進(jìn)行分壓處理，以實(shí)現(xiàn)到達(dá)單片機(jī)ADC合理采樣的目的。設(shè)計(jì)中所用的放電系統(tǒng)為通過(guò)MOS管控制的串聯(lián)的3個(gè)1W燈珠，由于燈珠額定電壓較低，而其

42、供電電壓為電池電壓，所以和普通的小型發(fā)光二極管一樣，在回路中串聯(lián)了一個(gè)限流電阻以實(shí)現(xiàn)燈珠正常工作的目的。6.2 軟件調(diào)試軟件的調(diào)試其實(shí)分兩部分，一部分是仿真程序的調(diào)試，一部分是實(shí)物程序的調(diào)試。由于仿真與實(shí)物有一定差別，且仿真部分難度較低，探討仿真程序調(diào)試意義不大，下面主要講解實(shí)物程序調(diào)試的過(guò)程。實(shí)物程序中，由于12864自帶字庫(kù)，漢子點(diǎn)陣的取模部分被簡(jiǎn)化。但是在調(diào)試液晶顯示時(shí)，由于第一版把12864與單片機(jī)接口順序顛倒，所以通過(guò)按位交替數(shù)據(jù)的方式改變了數(shù)據(jù)的高低位然后實(shí)現(xiàn)液晶讀寫(xiě)命令及數(shù)據(jù)的控制。7 總結(jié)本次畢業(yè)設(shè)計(jì)綜合考慮鉛蓄電池充放電的各個(gè)環(huán)節(jié)，達(dá)到了預(yù)期效果，實(shí)現(xiàn)了設(shè)計(jì)的目的。同時(shí)，在做

43、畢業(yè)設(shè)計(jì)的過(guò)程中，我也學(xué)到了很多東西，從KEIL的使用，程序的編譯編寫(xiě)，到Protuse單片機(jī)仿真的制作，再到Altium Designer原理圖、PCB的繪制以及電路板的制作。可以說(shuō)，這一切讓我明白我們所學(xué)專(zhuān)業(yè)是多么復(fù)雜而又神奇美好。畢業(yè)設(shè)計(jì)的完成固然讓人高興，更讓我興奮的是我看到了我學(xué)習(xí)的方向，體會(huì)到了電子世界的神奇。這是大學(xué)里做的最后一個(gè)專(zhuān)業(yè)又有意義的事，為整個(gè)大學(xué)畫(huà)上了圓滿一個(gè)句號(hào)。畢業(yè)設(shè)計(jì)綜合了大學(xué)里我們所學(xué)到的專(zhuān)業(yè)知識(shí)，雖然還有很多細(xì)節(jié)性的問(wèn)題，并且所做的電子設(shè)計(jì)也只是處于實(shí)驗(yàn)室階段，但是其可行性以及重要性卻得以全面體現(xiàn)。大學(xué)專(zhuān)業(yè)課程注重理論，雖然近年來(lái)，學(xué)校領(lǐng)導(dǎo)們也發(fā)現(xiàn)了理工科大學(xué)生們普遍存在的動(dòng)手能力差的問(wèn)題，越來(lái)越重視實(shí)驗(yàn)課，增強(qiáng)同學(xué)們的動(dòng)手能力，但是課堂所能學(xué)到的知識(shí)畢竟是有限的。通過(guò)本次畢業(yè)設(shè)計(jì)，把四年來(lái)所學(xué)習(xí)的各種專(zhuān)業(yè)知識(shí)，專(zhuān)業(yè)技能融匯貫通。當(dāng)然在實(shí)際操作的過(guò)程中，不可避免的遇到了各種各樣的問(wèn)題，走了一些彎路，但是，它實(shí)現(xiàn)了從理論到實(shí)際的轉(zhuǎn)型。很多問(wèn)題在我解決時(shí)恍然大悟，原來(lái)這就是課本上說(shuō)講的內(nèi)容?？梢哉f(shuō)，畢業(yè)設(shè)計(jì)，一方面是學(xué)校考察大學(xué)生們?cè)诖髮W(xué)里的學(xué)習(xí)情況，另一方面，也是大學(xué)生自我檢查