可编程智能充电器设计与实现

可编程智能充电器设计与实现目录一、系统总体方案设计-------------------2二、硬件模块方案设计论证---------------3三、理论分析与设计---------------------6四、程序设计---------------------------7五、总结-------------------------------8六、参考文献---------------------------92摘要：本系统是基于STC12C5A60S2单片机为控制核心，利用单片机内部PWM脉宽调制产生可用软件控制的充电电源。整个系统控制的过程中，首先检测电池加入电路后，电池进入充电过程，充电过程分为预充电过程（涓流充电），恒流充电过程（大电流充电），恒压充电过程三个过程，其中预充电过程三分钟自动跳入下一过程及恒流充电过程，当达到系统设定的电压阀值系统自动进入恒压充电过程，由于电池自身性能因素，当电池两端电压稳定后其电流会慢慢减小，当电流小到一定值时通过单片机判断充电已完成关断充电电压停止充电。整个系统具体由恒压电路、恒流电路、电压/电流采集电路、单片机控制电路（包括单片机内部A/D采集电路）、及数码管/LED显示电路。关键词：STC12C5A60S2单片机，LED显示，恒压、恒流电路，电流采集电路1、系统方案总体设计1.1系统组成部分整个系统具体由恒压电路、恒流电路、电压/电流采集电路、单片机控制电路（包括单片机内部A/D采集电路）、及数码管/LED显示电路。电流采集部分通过用LM324运放搭建的减法器电路，以有效、正常放大差模信号，合理抑致共模信号，采集采样电阻两端的电势差，进而得到电路电流值。恒压电路和恒流部分（电路中的电流以小阻值的采样电阻的电压形式使用）都采用低速低功率高增益的集成四运放LM324构成简单的比较器电路和反馈回路，以实时监控充电电压和反馈电压值来实现相对恒压效应，同时此处反馈回路具有良好的抗共模干扰能力。恒压恒流部分通过二极管IN4148单向导通特性，进行耦合，实现电路的整体完善控制。如下框图：31.2系统方案的实施系统上电开始，通过按键设置充电电压及恒流充电时的电流值（初始化时没有通过按键设置，系统将默认设置我们认为的最佳值）。初始值设置后，系统将检测是否有电池加入电路，主要通过电压采集口电压值来检测，没有检测到电池红LED灯亮。当有检测到电池后，蓝色LED灯亮，说明系统开始给电池充电，先给电池小电流110mA充电三分钟，即涓流充电过程持续三分钟，然后系统自动进入恒流充电过程，大电流快速充电，其中大电流值可以通过按键设置，当检测到电池电压达到一定值后，自动转入恒压充电模式，当电池两端的电压恒定时其电流会慢慢减小，如果检测到电流值小于10mA时系统会将充电电压关断。此时我们可以认为电池充电完成，停止充电。整个过程中两个四位数码管分别显示检测电流值，电压值。2、硬件模块方案设计论证2.1MCU按键、显示电路方案选择共阳数码管显示部分通过两片74HC595和单片机连通进行控制，两个LED直接加到单片机P2.3，P2.2上显示电池充电与否，采用共阳连接，按键同样直接加在两个单片机I/O口上。12单片机P1口的特殊功能，其中P1.3，P1.4是PWM脉宽调节输出口，分别输入系统所需控制电压、控制电流的信号，P1.0、P1.1两口采集电池两端充电电流和电压，并在数码管上显示。4单片机部分仿真图2.2PWM电压转换模块及调理（调节）方案本系统中的DAC转换电路模块由STC12C5A60S2单片机自带的两路脉冲宽度调制PWM输出进行相应阻容滤波之后得到想要的直流有效电压值，在将此两路有效电压值输入、匹配至模拟功能电路之前还需加一中间缓冲跟随器电路进行阻抗的变换。其中PWM0为提供充电电路恒定电压参考值，PWM1为提供充电电路恒流（限流）充电参考值。两路PWM，一路PWM调节充电电压；另一路PWM则控制着电流，其是稳定不动的，通过与充电电流实时进行准确比较，以充分实现恒流充电模式，当然在此设计中，绝对恒流是相对而言很难实现的，在控制充电电流范围内有些许小的电流波动还是本系统所能许可的。就此DAC转换方案，相关的电路原理图如下所示。52.3ADC转换模块及调理（调节）方案系统中的ADC采样电路模块同上也是借助STC12C5A60S2单片机自带的8路10位高速AD转换器，其处理速度可达250KHZ(25万次/秒)。8路电压输入型A/D，可以做相关温度检测、电池电压检测、按键扫描、频谱检测等。其上电复位后P1口为弱上拉型I/O口，用户可以通过软件设置将8路中的任何一路设置为A/D转换，不需要作为A/D转换使用的口可以继续做为I/O口使用。STC12C5A60S2系列单片机的ADC是逐次比较型ADC。逐次比较型ADC由一个比较器和D/A转换器构成，通过逐次逻辑，从最高位（MSB）开始，顺序地对每一输入电压与内置D/A转换器输出进行比较，经过多次比较，使转换所得的数字量逐次逼近输入模拟量对应值。逐次比较型ADC转换器具有速度高、功耗低等优点。此电路系统中仅占用其中二路ADC转换；其中一路ADC采样充电电压值，由模拟充电功能电路输出直流电压值，在其端口再接一中间缓冲电压跟随器电路以进行阻抗变换后将其输入给MCU信号调理电路，并通过显示系统实时进行显示和监测；另外一路ADC采样充电电压转电流值，在此采样电路中，优先选用由运放组合而成的减法器电路，将其加至取样电阻两端实时同步采样电压，经运算、变换后便可得出充电电流值的大小。同时，减法器采样电路的巧妙设计也起到正常、有效放大差模信号，合理准确抑制共模信号的作用。依据以上ADC转换方案，其设计电路原理图如下所示。62.4恒压、恒流模块及两者耦合电路模块2.4a恒压模块本系统上电初始时刻，由外部提供低直流10V电压来为充电系统模拟部分供电，后经功率复合管电路以放大系统电流，提高其带负载的能力。而后又进一步通过电阻分压，反馈一电压值连至电压反馈的运放的反相端，而与之同步进行的由MCU产生的PWM0进行阻容滤波后输出可调的低直流电压值，并接至于电压反馈的运放同相端；二者恰到好处的组合成由运放构成的简单比较器电路模块，使得输出受控于同相端与反相端电压值大小的比较，以此来实现充电过程中恒压电压充电的要求。当运放同相端的电压值大于运放反相端的电压值时，运放输出端一接近于运放供电正电压值；反之，运放输出端一接近于运放供电负电压值。具体恒压电路设计调理原理图如下所示。2.4b恒流模块充电过程中，通过减法器实时采样充电电流，而后以电压的形式反馈至电流反馈的运放的反相端,通过与由MCU产生的PWM1进行阻容滤波后输出可调的低直流电压门限值进行精准比较，以充分实现由限流而导入的恒流充电。当其充电电流反馈电压值大于限流门限电压值时，借助此处IN4148二极管单向导通特性来实时动态调整充电电压，同步均衡和限制充电电流的增加已达到限流、恒流的目的。从而，便可确保“恒流”、“恒压”充电模式的顺利进行。72.5模拟部分整体电路图83理论分析与设计3.1参数要求MCU通过两路PWM脉宽调节（一路控制系统电压，一路控制系统电流）经电阻，电容滤除相应纹波输出直流电压输入系统，通过NPN型三极管9013，和NPN型大功率复合管TIP122将系统电流放大，大大增强带负载能力。电压调节部分为MCU一路电压输入后经过运放电路构成的并联负反馈电路变为输入可调，其中反馈电阻和输入阻抗视输出电压范围而定。电流调节部分由减法电路，采样电阻，与电压调节部分耦合电路（通过在两个运放的输出端接上单向导通的二极管IN4148耦合）。MCU输入控制的两路电压，分别加入电压调接部分、电流调节部分，整体调节整个系统。3.2参数监控MCU通过自身AD采集电池电压和充电电流，实时监控电压电流值，当最大电流过大时，可以通过按键将其电流降低，防止电池充电电流过大损坏电池，同时检测到电流小到一定值时，系统自动关断后，显示电流的数码管显示为0。通过LED灯与数码管反馈显示电路运行的状态具有良好的人机交互界面，读取信息效果较为明显。3.3系统稳定性，完全性分析系统通过12单片机智能控制，程序设置了充电电压阀值，电池不会过电压充电，同时电流也是经过12单片机智能控制，先设置小电流充电，很多电池长期不用或过放后一开始就大电流充电会影响电池的寿命智能控制三分钟后才开始大电流，当电池电压达到阀值电流自动慢慢减小，当电流小于10mA关断充电电压。模拟电路中加入多种反馈，基本具有自动调节功能，系统在实验室的环境下能很正常的运行。94软件设计4.1程序结构框图5总结学习上：通过此次可编程智能充电器的制作，我们熟悉的掌握了运用12C5A60S2单片机实现AD数据采集及PWM脉宽调节输出电压信号，在模拟电路部分实现了恒压电路与恒流电路相结合，理解了恒压恒流的工作原理，以及反馈电路的作用，不过很大程度的不足就是我们只会读懂原理图，具体元件参数的设计在很大程度我们还只是凭着感觉一个个慢慢调试，直到达到我们认为理想的效果。感觉模拟电路设计部分还存在很大问题。团队合作上：一个团队要想合作做出一个很好的作品，队员的配合很重要。在此次可编程智能充电器的制作中，我们团队有好的一面也有不好的一面，在某些问题上出现分歧，太容易出现情绪高涨的时候，这个是一个团队10能否很好的完成一部作品的关键因素，我希望我们以后会改掉，还有就是一定要注意说话的语气，这个对团队的合作也有影响。不过总体上我们团队在此次合作上比较愉快，也较好的完成了作品。附录：参考文献[1]:彭琦著模拟电路分析基础[M]湖北科学技术出版社，2011[2]:康华光著电子技术——模拟部分（第五版）[M]高等教育出版社，2005[3]:STC12C5A60S2系列单片机器件手册