智能電池充電器的設(shè)計畢業(yè)論文

1、<p><b>　　畢 業(yè) 論 文</b></p><p>　　智能電池充電器的設(shè)計</p><p>　　Design of intelligent charger</p><p>　　2013年 3 月 18 日</p><p>　所在系院：電氣與信息工程系</p><p>　專業(yè)

2、班級：應(yīng)用電子技術(shù)</p><p>　學(xué)生學(xué)號：</p><p>　學(xué)生姓名：</p><p>　指導(dǎo)教師：</p><p>　　畢業(yè)設(shè)計（論文）任務(wù)書</p><p>　　系（院） 電氣與信息工程系 專業(yè) 應(yīng)用電子技術(shù) 班級 2班 </p><p>　　題 目： 智能電池充電器的設(shè)計

3、 </p><p><b>　　內(nèi)容與要求：</b></p><p>　　1.智能充電器的設(shè)計所涉及的基本內(nèi)容大概有：</p><p>　　第一，有關(guān)鉛蓄電池的電化學(xué)原理和充放電原理。</p><p>　　第二，關(guān)于充電器對鉛蓄電池充電的原理及其電路設(shè)計。</p><p

4、>　　第三，充電器對充電過程的檢測及其自動轉(zhuǎn)換。</p><p>　　2.闡述了該充電器的充電方式、控制方法的設(shè)計以及整個電路的分析。</p><p>　　三、設(shè)計（論文）起止日期：</p><p>　　任務(wù)下達(dá)日期： 年 月 日</p><p>　　完成日期： 年 月 日<

5、/p><p>　　指導(dǎo)教師簽名： </p><p>　　年 月 日</p><p>　　四、教研室審查意見：</p><p>　　教研室負(fù)責(zé)人簽名： </p><p>　　年 月 日</p><p>　　智能電池充

6、電器的設(shè)計</p><p>　　摘要 本文著重介紹了慢脈沖智能充電方法的應(yīng)用，同時還介紹了關(guān)于慢脈沖快速充電方法的基本原理，其中本文主要以對電瓶的充電為例，利用慢脈沖快速充電的方法來提高充電速度。在充電過程中主要選擇用單片機(jī)控制，實現(xiàn)對過沖保護(hù)。該系統(tǒng)具有自動化程度高、運行費用低、工作可靠性能強(qiáng)等優(yōu)點。</p><p>　　由于鉛酸蓄電池維護(hù)簡單、價格低廉、供電可靠、使用壽命長，廣泛作為汽

7、車、飛機(jī)、輪船等機(jī)動車輛或發(fā)電機(jī)組的啟動電源，也在各類需要不間斷供電的電子設(shè)備和便攜式儀器儀表中用作一些電器及控制回路的工作電源。隨著經(jīng)濟(jì)的發(fā)展，大容量蓄電池的應(yīng)用迅速增加，人們希望能快捷、安全地對蓄電池進(jìn)行充電。因此，為了適應(yīng)市場的需求，我們需要設(shè)計一種鉛蓄電池智能充電器。</p><p>　　關(guān)鍵詞：智能電瓶充電器 89S51單片機(jī) 傳感器 </p><p>　　Design of

8、 intelligent charger</p><p>　　Abstract This article mainly introduces the slow pulse intelligent charging method of application, and also introduces the slow pulse fast charging method about the basic princi

9、ple of this article mainly to the storage charge as an example, the use of slow pulse fast charging method to improve the speed of the charge. During charging mainly choose to use single chip microcomputer control, reali

10、ze-the blunt protection. The system has a high degree of automation,low operating cost, reliable perfor</p><p>　　Due to the lead-acid battery simple maintenance and low prices, power supply reliability, serv

11、ice life is long, wide as cars, planes and ships motor vehicle or the starting power generating set, also in all kinds of need a continuous supply of electronic devices and portable instruments for some appliances and co

12、ntrol circuit work power. With the development of economy, the application of the large capacity battery rapidly, and people hope to fast, safely to charge the battery. Therefore, in ord</p><p>　　Keywords：In

13、tellingent battery charger 89S51 single chip microcomputer Sensor</p><p><b>　　目 錄</b></p><p><b>　　引 言1</b></p><p>　　第1章 基本理論介紹2</p><p>　　

14、1.1 鉛蓄電池充電理論基礎(chǔ)2</p><p>　　1.2 充電方法的研究3</p><p>　　1.2.1 快速充電技術(shù)4</p><p>　　1.2.2 脈沖快速充電法的理論基礎(chǔ)6</p><p>　　1.4 充電方法設(shè)計7</p><p>　　1.4.1 預(yù)充電7</p><p&g

15、t;　　1.4.2 脈沖快速充電7</p><p>　　1.4.3 補足充電8</p><p>　　1.4.4 浮充電8</p><p>　　第2章 設(shè)計方案論證9</p><p>　　2.1 論證方案9</p><p>　　2.2 控制方式9</p><p>　　第3章 硬件電

16、路設(shè)計10</p><p>　　3.1 充電器主電路設(shè)計10</p><p>　　3.1.1 整流電路設(shè)計10</p><p>　　3.1.2 半橋逆變電路11</p><p>　　3.1.3 開關(guān)變壓器的設(shè)計計算12</p><p>　　3.1.4 變頻整流電路13</p><p>

17、;　　3.2 控制電路的設(shè)計14</p><p>　　3.2.1 傳感檢測電路14</p><p>　　3.2.2 單片機(jī)電路17</p><p>　　3.3 整體電路設(shè)計18</p><p>　　3.4 程序流程圖20</p><p><b>　　結(jié) 論21</b></p&g

18、t;<p><b>　　致 謝22</b></p><p><b>　　參考文獻(xiàn)23</b></p><p><b>　　引 言</b></p><p>　　電瓶，也就是蓄電池，它是電池的一種，它的工作原理就是利用化學(xué)能轉(zhuǎn)變?yōu)殡娔堋?通常，日常生活中的電瓶就是指鉛酸蓄電池。它主要

19、是由鉛及其氧化物制成的，電解液為硫酸溶液的蓄電池。</p><p>　　一般它用填滿了海綿狀的鉛的鉛板作負(fù)極，填滿了二氧化鉛的鉛板作正極，并用22～28％的稀硫酸作電解質(zhì)。充電時，電能轉(zhuǎn)化為化學(xué)能，放電時化學(xué)能又轉(zhuǎn)化為電能。電池在放電時，金屬鉛是負(fù)極，發(fā)生氧化反應(yīng)，被氧化為硫酸鉛；二氧化鉛是正極，發(fā)生還原反應(yīng)，被還原為硫酸鉛。電池內(nèi)部發(fā)生氧化和還原反應(yīng)。在用直流電給電池充電時，兩極分別生成了鉛和二氧化鉛。除去電源

20、后，它就會恢復(fù)到之前放電前的狀態(tài)，即化學(xué)電池。鉛蓄電池可以反復(fù)充電、放電，所以也叫二次電池。日常生活中家用小電器中通常都是把鉛蓄電池串聯(lián)起來使用，這樣就可以得到符合用電器的正常電壓。</p><p>　　由于鉛酸蓄電池維護(hù)簡單、價格低廉、供電可靠、使用壽命長，廣泛作為汽車、飛機(jī)、船等機(jī)動車輛或發(fā)電機(jī)組的啟動電源，也在各類需要不間斷供電的電子設(shè)備和便攜式儀器儀表中用作一些電器及控制回路的工作電源。隨著經(jīng)濟(jì)的發(fā)展，大

21、容量蓄電池的應(yīng)用迅速增加，人們希望能快捷、安全地對蓄電池進(jìn)行充電，而現(xiàn)有市場銷售的充電器充電電流多為20A。為了滿足人們對大功率充電器的需求，設(shè)計了一款基于LPC933 充電電流50A、充電功率740W、功能完善、可擴(kuò)充的智能充電器。鉛酸蓄電池的制造成本低、容量大、價格低廉，使用十分廣泛。由于其固有的特性，若使用不當(dāng)，壽命將大大縮短。影響鉛酸蓄電池壽命的因素很多，采用正確的充電方式，能有效延長蓄電池的使用壽命。因此，設(shè)計一種全

22、新的智能型鉛酸蓄電池充電器是十分必要的。</p><p>　　第一章 基本理論介紹</p><p>　　1.1 鉛蓄電池充電理論基礎(chǔ)</p><p>　　上世紀(jì)60年代中期，美國科學(xué)家馬斯對蓄電池的充電過程作了大量的試驗研究，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1-1所示。實驗表明，如果充電電流按這條曲線變化，就可以大大縮短充電時間，并且對電

23、池的容量和壽命也沒有影響。原則上把這條曲線稱為最佳充電曲線，從而奠定了智能充電方法的研究方向。</p><p>　　圖1-1 最佳充電曲線</p><p>　　由圖1-1可以看出：在初始充電時的電流很大，但是隨時間的增加電流變小的很快。主要原因是充電過程中產(chǎn)生了極化現(xiàn)象。在密封式蓄電池充電過程中，正極板產(chǎn)生氧氣，當(dāng)氧氣不能被及時吸收時，便堆積在正極板，使電池內(nèi)部壓力加大，電池溫度上升 ，

24、同時縮小了正極板的面積，其內(nèi)阻就會變大，會導(dǎo)致電池內(nèi)部出現(xiàn)極化現(xiàn)象。一般來說，產(chǎn)生極化現(xiàn)象有3個方面的原因。</p><p>　　（1）極化　充電過程中，正負(fù)離子向兩極遷移。在離子遷移過程中不可避免地受到一定的阻力，稱為歐姆內(nèi)阻。為了克服這個內(nèi)阻，外加電壓就必須額外施加一定的電壓，以克服阻力推動離子遷移。該電壓以熱的方式轉(zhuǎn)化給環(huán)境，出現(xiàn)所謂的歐姆極化。 隨著充電電流急劇加大，歐姆極化將造成蓄電池在充電過中的高溫。

25、</p><p>　　（2）極化　電流流過蓄電池時，為維持正常的反應(yīng)，最理想的情況是電極表面反應(yīng)物能及時得到補充，生成物能及時離去。實際上，生成物和反應(yīng)物的擴(kuò)散速度遠(yuǎn)遠(yuǎn)比不上化學(xué)反應(yīng)速度，從而造成極板附近電解質(zhì)溶液濃度發(fā)生變化。也就是說，從電極表面到中部溶液，電解液濃度分布不均勻。這種現(xiàn)象稱為濃度極化。</p><p>　?。?）學(xué)極化　這種極化是由于電極上進(jìn)行的電化學(xué)反應(yīng)的速度，落后于電

26、極上電子運動的速度造成的。例如：電池的負(fù)極放電前，電極表面帶有負(fù)電荷，其附近溶液帶有正電荷，兩者處于平衡狀態(tài)。放電時，立即有電子釋放給外電路。電極表面負(fù)電荷減少，而金屬溶解的氧化反應(yīng)進(jìn)行緩慢，不能及時補充電極表面電子的減少，電極表面帶電狀態(tài)發(fā)生變化。這種表面負(fù)電荷減少的狀態(tài)促進(jìn)金屬中電子離開電極，金屬離子M＋轉(zhuǎn)入溶液，加速反應(yīng)進(jìn)行?？傆幸粋€時刻，達(dá)到新的動態(tài)平衡。但與放電前相比，電極表面所帶負(fù)電荷數(shù)目減少了，與此對應(yīng)的電極電勢變正。也就

27、是電化學(xué)極化電壓變高，從而嚴(yán)重阻礙了正常的充電電流。同理，電池正極放電時，電極表面所帶正電荷數(shù)目減少，電極電勢變負(fù)。這3種極化現(xiàn)象都是隨著充電電流的增大而嚴(yán)重。</p><p>　　1.2 充電方法的研究</p><p>　　常規(guī)充電制度是依據(jù)1940年前國際公認(rèn)的經(jīng)驗法則設(shè)計的。其中最著名的就是“安培小時規(guī)則”：充電電流安培數(shù)，不應(yīng)超過蓄電池待充電的安時數(shù)。實際上，常規(guī)充電的速度被蓄電池

28、在充電過程中的溫升和氣體的產(chǎn)生所限制。這個現(xiàn)象對蓄電池充電所必須的最短時間具有重要意義。一般來說，常規(guī)充電有以下3種。</p><p>　　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?？刂品椒ê唵?，但由于電池的可接受電流能力是隨著充電過程的進(jìn)行而逐漸下降的，到充電后期，充電電流多用于電解水，產(chǎn)生氣體，使出氣過甚，因此，常選用階段充電法。此方法包括二階段充電法和三

29、階段充電法。</p><p>　　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。</p><p>　　三階段充電法：在充電開始和結(jié)束時采用恒電流充電，中間用恒電壓充電。當(dāng)電流衰減到預(yù)定值時，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

30、方法使用，受到一定的限制 。</p><p>　　恒壓充電法:這種方法電解水很少，避免了蓄電池過充。但在充電初期電流過大，對蓄電池壽命造成很大影響，且容易使蓄電池極板彎曲，造成電池報廢。</p><p>　　鑒于這種缺點，恒壓充電很少使用，只有在充電電源電壓低而電流大時采用。例如，汽車運行過程中，蓄電池就是以恒壓充電法充電的。</p><p>　　1.2.1 快速充

31、電技術(shù)</p><p>　　為了能夠最大限度地加快蓄電池的化學(xué)反應(yīng)速度，縮短蓄電池達(dá)到滿充狀態(tài)的時間，同時，保證蓄電池正負(fù)極板的極化現(xiàn)象盡量地少或輕，提高蓄電池使用效率?？焖俪潆娂夹g(shù)近年來得到了迅速發(fā)展。</p><p>　　下面介紹目前比較流行的幾種快速充電方法。這些方法都是圍繞著最佳充電曲線進(jìn)行設(shè)計的，目的就是使其充電曲線盡可能地逼進(jìn)最佳充電曲線。</p><p&g

32、t;　　（1) 脈沖式充電法</p><p>　　這種充電法不僅遵循蓄電池固有的充電接受率，而且能夠提高蓄電池充電接受率，從而打破了蓄電池指數(shù)充電接受曲線的限制，這也是蓄電池充電理論的新發(fā)展。</p><p>　　脈沖充電方式首先是用脈沖電流對電池充電，然后讓電池停充一段時間，如此循環(huán)，如圖1-2所示。充電脈沖使蓄電池充滿電量，而間歇期使蓄電池經(jīng)化學(xué)反應(yīng)產(chǎn)生的氧氣和氫氣有時間重新化合而被吸

33、收掉，使?jié)獠顦O化和歐姆極化自然而然地得到消除，從而減輕了蓄電池的內(nèi)壓，使下一輪的恒流充電能夠更加順利地進(jìn)行，使蓄電池可以吸收更多的電量。間歇脈沖使蓄電池有較充分的反應(yīng)時間，減少了析氣量，提高了蓄電池的充電電流接受率 。</p><p>　　1-2 脈沖式充電曲線</p><p>　?。?) Reflex快速充電法</p><p>　　這種技術(shù)是美國的一項專利技術(shù)，

34、它主要面對的充電對象是鎳鎘電池。由于它采用了新型的充電方法，解決了鎳鎘電池的記憶效應(yīng)，因此，大大降低了蓄電池的快速充電的時間。鉛酸蓄電池的充電方法和對充電狀態(tài)的檢測方法與鎳鎘電池有很大的不同，但它們之間可以相互借鑒。</p><p>　　如圖1-3所示，Reflex充電法的一個工作周期包括正向充電脈沖，反向瞬間放電脈沖，停充維持3個階段。</p><p>　　圖1-3 Reflex快速充

35、電法</p><p>　　（3)　變電流間歇充電法</p><p>　　這種充電方法建立在恒流充電和脈沖充電的基礎(chǔ)上，如圖7所示。其特點是將恒流充電段改為限壓變電流間歇充電段。充電前期的各段采用變電流間歇充電的方法，保證加大充電電流，獲得絕大部分充電量。充電后期采用定電壓充電段，獲得過充電量，將電池恢復(fù)至完全充電態(tài)。通過間歇停充，使蓄電池經(jīng)化學(xué)反應(yīng)產(chǎn)生的氧氣和氫氣有時間重新化合而被吸收掉，

36、使?jié)獠顦O化和歐姆極化自然而然地得到消除，從而減輕了蓄電池的內(nèi)壓，使下一輪的恒流充電能夠更加順利地進(jìn)行，使蓄電池可以吸收更多的電量。</p><p>　?。?)　變電壓變電流波浪式間歇正負(fù)零脈沖快速充電法</p><p>　　綜合脈沖充電法、Reflex快速充電法、變電流間歇充電法及變電壓間歇充電法的優(yōu)點，變電壓變電流波浪式正負(fù)零脈沖間歇快速充電法得到發(fā)展應(yīng)用。脈沖充電法充電電路的控制一般有

37、兩種：</p><p>　　脈沖電流的幅值可變，而PWM(驅(qū)動充放電開關(guān)管)信號的頻率是固定的；</p><p>　　脈沖電流幅值固定不變，PWM信號的頻率可調(diào)。</p><p>　　采用了一種不同于這兩者的控制模式，脈沖電流幅值和PWM信號的頻率均固定，PWM占空比可調(diào)，在此基礎(chǔ)上加入間歇停充階段，能夠在較短的時間內(nèi)充進(jìn)更多的電量，提高蓄電池的充電接受能力。<

38、;/p><p>　　1.2.2 脈沖快速充電法的理論基礎(chǔ)</p><p>　　理論和實踐證明，蓄電池的充放電是一個復(fù)雜的電化學(xué)過程。一般地說,充電電流在充電過程中隨時間呈指數(shù)規(guī)律下降,不可能自動按恒流或恒壓充電。充電過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、相同容量的同類蓄電池的充

39、電也大不一樣。</p><p>　　1972年，美國的科學(xué)家馬斯在第二屆世界電動汽車年會上提出了著名的馬斯三定律，即</p><p>　　(1) 對于任何給定的放電電流，蓄電池充電時的電流接受比a與電池放出的容量的平方根成反比，即</p><p>　　式中：K1為放電電流常數(shù)，視放電電流的大小而定；</p><p>　　C為蓄電池放出的容量。

40、</p><p>　　由于蓄電池的初始接受電流Io=AC，所以</p><p><b>　　0=AC=K1</b></p><p>　?。?） 對于任何給定的放電量，蓄電池充電電流接受比a與放電電流Id的對數(shù)成正比，即</p><p>　　a=K2logkId</p><p>　　式中：K2為放電

41、量常數(shù)，視放電量的多少而定；</p><p><b>　　k為計算常數(shù)。</b></p><p>　　（3） 蓄電池在以不同的放電率放電后，其最終的允許充電電流It（接受能力）是各個放電率下的允許充電電流的總和，即：</p><p>　　It=I1＋I(xiàn)2＋I(xiàn)3＋I(xiàn)4＋...</p><p>　　式中：I1、I2、I3、I

42、4...為各個放電率下的允許充電電流。</p><p>　　綜合馬斯三定律,可以推出，蓄電池的總電流接受比可表示為</p><p><b>　　α=It/Ct</b></p><p>　　式中：Ct=C1＋C2＋C3＋C4＋...為各次放電量的總和，即蓄電池放出的全部電量。</p><p>　　馬斯三定律說明，在充電過程

43、中，當(dāng)充電電流接近蓄電池固有的微量析氣充電曲線時，適時地對電池進(jìn)行反向大電流瞬間放電，以消除電池的極化現(xiàn)象，可以提高蓄電池的充電接受能力，如圖1所示。也就是說通過反向大電流放電，可以使蓄電池的可接受電流曲線不斷右移，同時其陡度不斷增大，即α值增大，從而大大提高充電速度，縮短充電時間。</p><p>　　1.4 充電方法設(shè)計</p><p>　　基于上述理論，并考慮到鉛酸蓄電池自身的一些特

44、性，本文介紹的快速充電裝置所采用的充電方法將整個充電過程分為了預(yù)充電、脈沖快速充電、補足充電、浮充電4個階段，如圖1-4所示。根據(jù)蓄電池充電前的殘余電量，進(jìn)入不同的充電階段。</p><p>　　圖1-4 分級電流脈沖快速充電</p><p><b>　　1.4.1 預(yù)充電</b></p><p>　　對長期不用的電池、新電池或在充電初期已處

45、于深度放電狀態(tài)的蓄電池充電時，一開始就采用快速充電會影響電池的壽命。為了避免這一問題要先對蓄電池實行穩(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再進(jìn)行大電流快速充電。</p><p>　　1.4.2 脈沖快速充電</p><p>　　在快速充電過程中，采用分級定電流脈沖快速充電法，將充電電流分成三級，如圖1-5所示。開始充電時采用大電流，隨著電池容量的增加，電壓

46、逐漸升高，電流等級開始降低，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減小。采用這種方法可以消除充電接近充滿時易出現(xiàn)的振蕩現(xiàn)象及過充電問題。</p><p>　　圖1-5 分級電流脈沖快速充電法</p><p>　　在脈沖快速充電過程中，電池電壓上升較快，當(dāng)電壓上升至補足充電電壓閾值時，轉(zhuǎn)入補足充電階段。</p><p>　　1.4.3 補足充電<

47、/p><p>　　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，對電池還要進(jìn)行補足充電。此階段充電采用恒壓充電，可使電池容量快速恢復(fù)。此時充電電流逐漸減小，當(dāng)電流下降至某一閾值時，轉(zhuǎn)入浮充階段。</p><p><b>　　1.4.4 浮充電</b></p><p>　　此階段主要用來補充蓄電池自放電所消耗的能量，只要電池接在

48、充電器上并且充電器接通電源，充電器就會給電池不斷補充電荷，這樣可使電池總處于充足電狀態(tài)。此時也標(biāo)志著充電過程已結(jié)束。</p><p>　　第二章 設(shè)計方案論證</p><p><b>　　2.1 論證方案</b></p><p>　　基于鉛蓄電池的充電理論，充電器主電路采用半橋變換器高頻開關(guān)穩(wěn)壓電源。而控制電路通過單片機(jī)控制。電網(wǎng)點先經(jīng)過各種

49、保護(hù)環(huán)節(jié)，在通過EMI濾波器除去共模信號。橋式整流后，通過兩電容分壓，分壓后與兩開關(guān)管V1、V2相聯(lián)。組成半橋式功率變換器，將正弦交流電壓變換成約高于充電電壓的脈沖電壓。在經(jīng)過半橋濾波和LC濾波電路使電壓達(dá)到一較穩(wěn)定值。</p><p>　　控制電路由單片機(jī)AT89S51組成，電源由電網(wǎng)交流電經(jīng)過變壓器變壓、全橋整流、穩(wěn)壓管穩(wěn)壓后提供。單片機(jī)通過檢測溫度傳感器的電壓信號，以軟件的方式控制輸出脈沖，從而控制開關(guān)管的

50、通斷。另外，通過檢測充電電壓和電流值，控制單片機(jī)輸出脈沖寬度，以進(jìn)入不同的充電階段。</p><p><b>　　2.2 控制方式</b></p><p>　　根據(jù)鉛蓄電池脈沖魁岸素充電理論，可利用單片機(jī)的輸出脈沖控制半橋式變換器的兩個開關(guān)管V1、V2的通斷。單片機(jī)通過各種檢測電路在充電過程中對鉛蓄電池進(jìn)行檢測并做出相應(yīng)的控制處理。</p><p&

51、gt;　　鉛蓄電池的充電溫度可以通過溫度傳感器測量，將測出的電壓量送至單片機(jī)的輸入口，充電電壓有兩個分壓電阻檢測。單片機(jī)通過檢測的蓄電池的充電溫度、充電電流、充電電壓等，再經(jīng)軟件處理計算后控制主電路處于不同的充電狀態(tài)：預(yù)充電、脈沖快速充電、補足充電和浮充電?！】傮w控制方案如2-1圖所示。</p><p>　　圖2-1 單片機(jī)總體控制方案</p><p>　　通過對電壓、溫度的檢測控制脈沖

52、調(diào)制控制器SG2535的輸出脈沖寬度，以實現(xiàn)不同階段的充電、暫停和終止充電。本方案由脈沖調(diào)制控制器SG2535輸出的脈沖控制開關(guān)管V1、V2的柵極，以達(dá)到控制充電狀態(tài)的目的。</p><p>　　第三章 硬件電路設(shè)計</p><p>　　3.1 充電器主電路設(shè)計</p><p>　　3.1.1 整流電路設(shè)計</p><p>　　由于單相半波

53、整流只利用了電源電壓的半個周期，同時整流電壓的脈動較大。為了克服這些缺點，這里采用全波整流電路——單相橋式整流電路。單相橋式整流電路由4個整流二極管接成電橋的形式構(gòu)成，如圖3-1所示。</p><p>　　圖3-1 橋式整流電路</p><p>　　由電路圖可知，無論電壓U2是在正半周還是負(fù)半周，負(fù)載上都有相同方式的電流流過。因此，在負(fù)載得到的是單相脈動電壓和電流。忽略二極管導(dǎo)通時的正向

54、壓降，則單相橋式整流電路的波形圖如下。</p><p>　　圖3-2 橋式整流電路的輸出波形</p><p>　　單相半波整流電壓的平均值為：</p><p>　　二極管截止時承受的最高反向電壓為U的最大值，即　　　</p><p>　　UDRM =U2M =1.414U</p><p>　　=1.414×

55、220V</p><p><b>　　=308V</b></p><p>　　因此，所選用的整流二極管的最高工作電壓為1000V。</p><p>　　電容濾波電路是在整流電路的直流輸出側(cè)與負(fù)載并聯(lián)電容器，利用電容的端電壓在電路狀態(tài)改變時不能突變的原理，使輸出電壓趨于平滑。電容濾波電路如下所示。</p><p>　　圖3

56、-3 電容濾波電路</p><p>　　本電路的輸出電壓在負(fù)載變化時波動大，說明它的帶負(fù)載能力差，只適合于負(fù)載較輕且變化不大的場合。電路簡單，輸出電壓高，只是輸出電壓不穩(wěn)定。</p><p>　　電容濾波是的輸出電壓平均值為：</p><p>　　全波：　　U3 = (1.2～1.4)U1 </p><p>　　= (1.2～1.4)

57、15;220V</p><p>　　= 264V (取1.2)</p><p>　　3.1.2 半橋逆變電路</p><p>　　半橋逆變電路由兩個導(dǎo)電臂構(gòu)成，每個導(dǎo)電臂由一個全控器件和一個反并聯(lián)二極管組成。電路圖如下所示。直流側(cè)接有兩個相互串聯(lián)切足夠大的電容器C1和C2，滿足C1=C2。</p><p>　　圖3-4 半橋逆變器電路&l

58、t;/p><p>　　在一個周期內(nèi)，開關(guān)管V1、V2的基極信號各有半周正偏、半周反偏，且互補。設(shè)在t2時刻以前V1導(dǎo)通，V2截止，則U4=±1/2U3。</p><p>　　t2時刻V1截止，同時給V2發(fā)出導(dǎo)通信號，由于感性負(fù)載中的電流i不能立即改變方向，于是D2導(dǎo)通續(xù)流。U4=－1/2U3。</p><p>　　t3時刻i0降至零，D2截止，V2導(dǎo)通，i0開

59、始反向增大。此時</p><p>　　4時刻V2截止，同時給V1發(fā)仍然有U4=－1/2U3。</p><p>　　t出導(dǎo)通信號，由于感性負(fù)載中的電流i0不能立即改變方向，于是D1先導(dǎo)通續(xù)流。此時仍然有U4=＋1/2U3。</p><p>　　t5時刻i0降至零， V1導(dǎo)通。U4=＋1/2U3。</p><p>　　由上分析可知，輸出電壓U4周

60、期為TS矩形波，其幅值為1/2U3。當(dāng)V1或V2導(dǎo)通時，負(fù)載電流和電壓同方向，直流側(cè)向負(fù)載提供能量。而當(dāng)D1或D2導(dǎo)通時，負(fù)載電流和電壓反方向，負(fù)載中電感的能量向直流側(cè)反饋，即負(fù)載將起吸收的無功能量反饋回直流側(cè)，反饋的能量暫時存儲在直流側(cè)的電容中。該電容起緩沖這種無功能量的作用。半橋逆變電路輸出電壓波形如圖所示：</p><p>　　圖3-5 半橋逆變電路輸出電壓波形</p><p>　

61、　3.1.3 開關(guān)變壓器的設(shè)計計算</p><p>　　開關(guān)變壓器的磁化特性工作在第一、第三象限，它的磁通變化可以從－BM到＋BM，屬于對稱式工作變壓器。主變壓器施加電壓只有一半輸入電壓值1/2U4(＋132V)。開關(guān)管的反向耐壓比較低。在兩功率管交替開關(guān)作用下，變換器原邊可　產(chǎn)生幅值280V的方波電壓。經(jīng)變壓器整流濾波輸出，實現(xiàn)功率轉(zhuǎn)變。</p><p>　?。?）估算采用EE55鐵氧體

62、磁芯的功率容量</p><p>　　EE55的中心柱截面積為Ae=3.515cm2，窗口面積為AQ=3.9cm2，它的功率容量乘積為A p=Ae×AQ=3.515×3.9=13.76。</p><p>　　當(dāng)開關(guān)頻率選50KHz時：</p><p>　　A p= Ae×AQ=(PT×106)/(2ηf BMδKMKG)<

63、;/p><p>　?。?600×106) /(2×0.8×50×103×1500×2×0.5×1)</p><p><b>　　= 5<13.76</b></p><p>　　可見，采用EE55磁芯時，其功率容量足夠大．</p><p>&

64、lt;b>　　原邊繞組匝數(shù)：</b></p><p>　　NP=(VIN-P/2)×108/(4fBmAe)</p><p>　　=(280/2) ×108/4×50×103×1500×3.515</p><p><b>　　=13.33</b></p>

65、<p>　　故NP取整數(shù)14匝。</p><p>　?。?）充電器的容量計算</p><p>　　當(dāng)充電器為36V,12A時蓄電池的充電最大容量為：</p><p>　　36V×12A＝432W</p><p>　　故變壓器鐵芯的容量計算可按照500W容量計算。</p><p>　?。?）原邊與副

66、邊繞組匝數(shù)比的計算開關(guān)變壓器的原邊與副邊繞組的匝數(shù)比為：</p><p>　　其中：VIN MIN指電網(wǎng)最低輸入直流電壓值，VIN MIN＝220V</p><p>　　VOP指整流濾波輸出電壓的脈沖幅度。VOP要考慮三個因素之和，即：V0=40V+40× 10%=44V，二極管壓降：VD=1.2V, 濾波電感直流壓降為VL=0.2V。設(shè)整流器輸出占空比為0.9，則有：&l

67、t;/p><p>　　VOP=(44+1.2+0.2)/0.9=50V</p><p>　　Ns=Np/3=14/3=4.6 (取5匝)</p><p>　　經(jīng)過實驗證明，當(dāng)開關(guān)變壓器原邊繞組為20匝，副邊繞組匝數(shù)為8匝時，半橋變壓器的開關(guān)脈沖電壓波形有所改善。</p><p>　　3.1.4 變頻整流電路</p><p>

68、;　　變頻整流電路由兩個整流二極管和一個LC濾波電路組成，使半橋逆變器輸出的脈沖電壓成為一個比較穩(wěn)定的直流電壓111。整流前后電壓波形如下圖所示。</p><p>　　圖3-6 整流前后的波形</p><p>　　3.2 控制電路的設(shè)計</p><p>　　3.2.1 傳感檢測電路</p><p>　　（1） 溫度檢測電路</p>

69、;<p>　　溫度檢測所使用的傳感器非常多，熱敏電阻是其中一種用半導(dǎo)體材料制成的敏感元件，起主要特點是靈敏度高、體積小、功耗低而且價格低廉。</p><p>　　用熱敏電阻構(gòu)成的溫度檢測電路較為簡單，使用電阻分壓電路，將溫度變化引起的電阻變化轉(zhuǎn)為電壓信號，可以直接傳送給單片機(jī)處理。下表為負(fù)溫度系數(shù)的熱敏電阻的分度表。</p><p>　　表3-1 熱敏電阻分度表</p&

70、gt;<p>　　溫度檢測電路如下所示。它是有溫度傳感器和單穩(wěn)態(tài)觸發(fā)器兩部分組成，單穩(wěn)態(tài)觸發(fā)器有NE555時基集成電路構(gòu)成。熱敏電阻RT用作溫度傳感器。</p><p>　　當(dāng)蓄電池溫度較低時，熱敏電阻RT表現(xiàn)電阻值較大，調(diào)節(jié)電位器R p可以使時基集成塊觸發(fā)端2腳的電平低于1/3電源電壓（指集成塊IC的供電電壓VDD），單穩(wěn)態(tài)電路觸發(fā)翻轉(zhuǎn)進(jìn)入穩(wěn)態(tài)，電路置位，輸出端3腳輸出高電平，使三極管觸發(fā)導(dǎo)通向單

71、片機(jī)輸入低電平。相反，當(dāng)蓄電池溫度較高時，則向單片機(jī)輸入高電平。</p><p>　　本電路可以通過調(diào)節(jié)可調(diào)電阻器R p的阻值，使電路在溫度為45℃的時候發(fā)生動作，實現(xiàn)溫度檢測的目的。</p><p>　　圖3-7 溫度檢測電路</p><p>　?。?） 電壓檢測電路</p><p>　　蓄電池的充電電壓由一分壓電阻檢測得，經(jīng)過單片機(jī)的計

72、算，可判斷出充電電壓值，電阻分壓電路如下圖所示。</p><p>　　圖3-8 電壓檢測電路</p><p>　　由電路圖可知，電阻R1、R2分壓出來的電壓模擬量值為：</p><p>　　為了便于關(guān)系式的計算，可以取R1=90kΩ，R2=10kΩ。則根據(jù)上面的關(guān)系式可以知道分壓電壓值為：</p><p>　　故，分壓前后電壓的相互關(guān)系可由

73、以下函數(shù)關(guān)系式曲線表示出來：</p><p>　　圖3-9 函數(shù)關(guān)系</p><p>　?。?）電壓檢測A/D轉(zhuǎn)換電路設(shè)計</p><p>　　這里選用TI公司生產(chǎn)的TLC1549串行A/D轉(zhuǎn)換器芯片，它是一種開關(guān)電容結(jié)構(gòu)的逐次比較型10位A/D轉(zhuǎn)換器。片內(nèi)自動產(chǎn)生轉(zhuǎn)換時鐘脈沖，轉(zhuǎn)換時間≤21μs；最大總不可調(diào)轉(zhuǎn)換誤差為±1LSB；單電源供電(+5V)，

74、最大工作電流僅為2.5mA；轉(zhuǎn)換結(jié)果以串行方式輸出；工作溫度為－55～+125℃。電壓檢測A/D轉(zhuǎn)換電路如下圖所示。</p><p>　　3-10 電壓檢測A/D轉(zhuǎn)換電路</p><p>　　3.2.2 單片機(jī)電路</p><p>　　單片機(jī)電路設(shè)計如下圖所示，由于89C51單片機(jī)的P0口作為輸入口時要接上上拉電阻，所以我選用P1口作為輸入輸出口。溫度傳感器所檢測

75、的電壓信號通過單片機(jī)的P3.2口輸入，電壓信號由P3.1口輸入。輸出口由單片機(jī)的P1.1～P1.5提供。具體分布情況見下表。</p><p><b>　　表3-2　地址分配</b></p><p>　　圖3-11 單片機(jī)電路圖</p><p>　　3.3 整體電路設(shè)計</p><p>　　電動自行車快速充電器的整體電路

76、主要分為三大部分電路組成：主電路、控制電路和檢測電路。</p><p>　　主電路由全橋式整流電路和半橋逆變電路組成，電網(wǎng)電壓先經(jīng)過熱敏電阻的保護(hù)環(huán)節(jié)后，由EMI濾波器去共模信號，再經(jīng)電容濾波，送至全橋整流電路。半橋逆變電路后經(jīng)開關(guān)變壓器變壓，在經(jīng)過半橋濾波整流電路成為比較穩(wěn)定的電壓值。供給電池充電。</p><p>　　控制電路由一個單片機(jī)89S51來實現(xiàn)，單片機(jī)通過檢測來的電壓信號值作

77、出相應(yīng)的動作：輸出不同寬度的脈沖電壓和作出不同指示。</p><p>　　檢測電路有溫度檢測電路和電壓檢測電路。溫度用溫度傳感器實現(xiàn)，電壓檢測由分壓電阻實現(xiàn)。</p><p>　　圖3-12 主電路圖</p><p><b>　　3.4 程序流程圖</b></p><p>　　圖4-1 軟件流程圖</p>

78、<p><b>　　結(jié) 論</b></p><p>　　由于鉛酸蓄電池維護(hù)簡單、價格低廉、供電可靠、使用壽命長，廣泛作為汽車、飛機(jī)、輪船等機(jī)動車輛或發(fā)電機(jī)組的啟動電源，也在各類需要不間斷供電的電子設(shè)備和便攜式儀器儀表中用作一些電器及控制回路的工作電源。隨著經(jīng)濟(jì)的發(fā)展，大容量蓄電池的應(yīng)用迅速增加，人們希望能快捷、安全地對蓄電池進(jìn)行充電。因此，為了適應(yīng)市場的需求，我們需要設(shè)計一種鉛

79、蓄電池智能充電器。</p><p><b>　　致 謝</b></p><p>　　畢業(yè)設(shè)計終于接近尾聲，回想一下，畢業(yè)設(shè)計做了快半年了吧，從選題到查找資料，再到動手制作，足足花了好幾個月的時間，我的課題是智能電瓶充電器的設(shè)計，這對很多人來說并不陌生，因為這是我們幾乎每天都能看到或者用到的，但是真正要自己設(shè)計出來卻真的感到無從下手。</p><p

80、>　　開始的時候我就是在網(wǎng)上和圖書館大量的搜集資料，但是真正用上的卻不多，不過也好，在搜集資料的過程中讓我對我所要做的設(shè)計有了一個大概的了解和初略的規(guī)劃，由于本設(shè)計還涉及到很多非本專業(yè)的知識，如電化學(xué)方面的，因此在設(shè)計前要進(jìn)行相關(guān)知識的系統(tǒng)學(xué)習(xí)，對所查找的參考資料如設(shè)計手冊、規(guī)范、以往工程、專題等都需要認(rèn)真研究和學(xué)習(xí)。</p><p>　　這次畢業(yè)設(shè)計讓我受益匪淺，畢業(yè)設(shè)計是我們在學(xué)校的最后一件事，每個人都

81、想做好一點，為自己的大學(xué)生活畫上一個圓滿的句號，對于學(xué)校來說畢業(yè)設(shè)計是在教學(xué)過程的最后階段采用的一種總結(jié)性的實踐教學(xué)環(huán)節(jié)，讓學(xué)生得到實踐性的鍛煉。通過做畢業(yè)設(shè)計，讓我在學(xué)校所學(xué)的各種理論知識和技能得到了更全面和系統(tǒng)的訓(xùn)練，為以后的工作打下了良好的基礎(chǔ)。也許畢業(yè)設(shè)計中的困難相對于以后的工作來說微不足道，但是一個好的起點就是成功的開始，我相信自己。</p><p>　　在設(shè)計中我也遇到了很多困難，我就請教了我的指導(dǎo)老

82、師和同學(xué)，他們對我的幫助很大，我能順利的完成本次設(shè)計特別要感謝我的指導(dǎo)老師xx老師，他給我指出了很多錯誤，也教會了我很多東西。不僅教會了我論文相關(guān)內(nèi)容的設(shè)計，還教會了我寫論文的格式等，很感謝xx老師的耐心指導(dǎo)！也感謝學(xué)校兩年的培育，還有兩年來教過我的各位老師，真心的感謝你們，你們的教導(dǎo)我會銘記于心，在以后的日子我會不斷的學(xué)習(xí)和充電，讓自己學(xué)有所成，我不會辜負(fù)你們的期望的！</p><p><b>　　參

83、考文獻(xiàn)</b></p><p>　　[1] 余永權(quán).單片機(jī)原理及應(yīng)用.北京:電子工業(yè)出版社,2008.</p><p>　　[2] 方佩敏.新編傳感器原理應(yīng)用詳解.北京:電子工業(yè)出版社,2001.</p><p>　　[3] 鄒麗新，翁桂榮.單片機(jī)微型計算機(jī)原理.蘇州：蘇州大學(xué)出版社,2001.</p><p>　　[4] 李勛.