基于單片機(jī)的智能充電器設(shè)計(jì)畢業(yè)設(shè)計(jì)

1、<p><b>　　畢業(yè)設(shè)計(jì)說(shuō)明書(shū)</b></p><p>　　基于單片機(jī)的智能充電器設(shè)計(jì)</p><p>　　基于單片機(jī)的智能充電器設(shè)計(jì)</p><p><b>　　摘要</b></p><p>　　隨著全球經(jīng)濟(jì)的發(fā)展，鋰電池對(duì)于人們生活的影響越來(lái)越大。鋰電池具有儲(chǔ)能密度高，壽命長(zhǎng)等優(yōu)點(diǎn)

2、，在當(dāng)前社會(huì)應(yīng)用范圍極廣。目前鋰電池應(yīng)用的領(lǐng)域很廣泛，尤其是電動(dòng)自行車(chē)領(lǐng)域。隨之，對(duì)于鋰電池的充電方案的研究也越來(lái)越多。對(duì)于各種電子產(chǎn)品出現(xiàn)的電池充電爆炸事件，人們對(duì)于鋰電池充電安全極其重視。</p><p>　　針對(duì)人們對(duì)充電產(chǎn)品的需求，本說(shuō)明文進(jìn)行了相關(guān)的研究。本論文先介紹了課題研究的背景、目的及意義，之后介紹了國(guó)內(nèi)外對(duì)于鋰離子電池充電器的研究進(jìn)展。介紹了充電器的重要組成模塊，如充電電源模塊、電壓數(shù)據(jù)檢測(cè)模塊

3、、溫度數(shù)據(jù)檢測(cè)模塊和通信模塊。介紹了設(shè)計(jì)所要實(shí)現(xiàn)的功能。提供了充電方案和充電方法的選擇的依據(jù)。</p><p>　　說(shuō)明書(shū)對(duì)硬件設(shè)計(jì)的各個(gè)模塊進(jìn)行了闡述。分別論述了充電電源電路、報(bào)警電路、電壓檢測(cè)電路、溫度檢測(cè)電路和單片機(jī)電路的具體設(shè)計(jì)。同時(shí)詳細(xì)的畫(huà)出了單片機(jī)與上位的通信數(shù)據(jù)流向圖。在軟件程序設(shè)計(jì)部分，論文介紹了整個(gè)充電器設(shè)計(jì)的軟件程序設(shè)計(jì)。包括單片機(jī)的程序設(shè)計(jì)和上位機(jī)中Qt軟件程序設(shè)計(jì)。</p>

4、<p>　　最后對(duì)整個(gè)系統(tǒng)進(jìn)行了調(diào)試和實(shí)踐。經(jīng)過(guò)調(diào)試后，設(shè)計(jì)的電路能可靠工作、程序邏輯合理、上下位機(jī)能正常通信。</p><p>　　關(guān)鍵字：STM32；TL494；Qt；SOC；串口通信</p><p>　　The design of Intelligent charger based on MCU</p><p><b>　　ABSTRACT

5、</b></p><p>　　With the development of the global economy, lithium battery is more and more important for people's lives. Lithium batteries have some advantages like high energy storage density, lon

6、g life etc, so they are widely applied. Lithium battery are widely used in the applications field, especially in the electric bicycles field. Subsequently, many countries have stepped up efforts to support the research.F

7、or a variety of battery explosion of electronic products happened, people pay great attention to </p><p>　　In view of the demand for charging products, firstly, this article has carried out the related resea

8、rch. This paper introduces the background, purpose and significance of the research then analyzes the current research status of the lithium-ion battery charger. This paper introduces the important components of the char

9、ger. The function discussed is need to achieve. It provides the basis choices of charging scheme and charging method.</p><p>　　Secondly, the paper describes the various modules of the hardware design. The de

10、sign of charging circuit, alarm circuit, voltage detection circuit, temperature detection circuit and MCU circuit are discussed respectively. At the same time it introduces a detailed picture about the communication. The

11、 paper introduces the software design of the whole charger design. Including the programming of the MCU and the Qt software program design.</p><p>　　Finally, The debugging and testing results show that the t

12、he design of the circuit can work reliably, and the program logic is reasonable. The PC and MCU can communicate normally.</p><p>　　Keywords: STM32；TL494；Qt；SOC；Serial communication</p><p><b&

13、gt;　　目 錄</b></p><p><b>　　1 緒論1</b></p><p>　　1.1課題研究的背景、目的及意義1</p><p>　　1.2國(guó)內(nèi)外研究現(xiàn)狀2</p><p>　　1.2.1國(guó)外研究現(xiàn)狀2</p><p>　　1.2.2國(guó)內(nèi)研究現(xiàn)狀2</

14、p><p>　　1.3研究?jī)?nèi)容與章節(jié)安排5</p><p>　　2 方案比較和選擇6</p><p>　　2.1總體設(shè)計(jì)框圖6</p><p><b>　　2.2電源模塊7</b></p><p>　　2.2.1電源方案的選擇7</p><p><b>　　

15、2.3充電方法8</b></p><p>　　2.3.1鋰電池的充電特性8</p><p>　　2.3.2充電方案的選擇9</p><p>　　2.4 SOC估算方法10</p><p>　　2.4.1 SOC估算方法的選擇10</p><p>　　2.5通信方式11</p>&l

16、t;p>　　2.5.1 通信方式的選擇11</p><p>　　2.6本章小結(jié)12</p><p>　　3 硬件設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)13</p><p>　　3.1單片機(jī)電路13</p><p>　　3.2充電電源電路16</p><p>　　3.2.1變壓電路16</p><p>　　

17、3.2.2整流、濾波電路17</p><p>　　3.2.3 TL494脈寬調(diào)制電路17</p><p>　　3.2.4 DC-DC電路19</p><p>　　3.3電壓采集電路19</p><p>　　3.4溫度采集電路21</p><p>　　3.5報(bào)警電路21</p><p>

18、;　　3.6本章小結(jié)22</p><p>　　4 軟件設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)23</p><p>　　4.1軟件開(kāi)發(fā)環(huán)境23</p><p>　　4.1.1 Qt5.4集成開(kāi)發(fā)環(huán)境23</p><p>　　4.2單片機(jī)程序設(shè)計(jì)23</p><p>　　4.2.1 整體設(shè)計(jì)邏輯概述23</p><p&

19、gt;　　4.2.2 電壓、溫度數(shù)據(jù)采集24</p><p>　　4.3上位機(jī)軟件程序設(shè)計(jì)25</p><p>　　4.3.1 整體設(shè)計(jì)概述25</p><p>　　4.3.2 程序邏輯流程圖25</p><p>　　4.3.3 UI界面25</p><p>　　4.4 上下位機(jī)的通信設(shè)計(jì)27</p&

20、gt;<p>　　4.4.1 通信協(xié)議概述27</p><p>　　4.4.2 上下位機(jī)通信流程圖27</p><p>　　4.5 本章小結(jié)28</p><p>　　5 調(diào)試與分析29</p><p>　　5.1充電電路檢測(cè)29</p><p>　　5.2溫度電路檢測(cè)30</p>

21、<p>　　5.3電壓電路檢測(cè)31</p><p>　　5.4充電器運(yùn)行檢測(cè)32</p><p>　　5.5 本章小結(jié)33</p><p>　　6 總結(jié)與展望34</p><p><b>　　參考文獻(xiàn)35</b></p><p><b>　　致謝37</b&

22、gt;</p><p><b>　　1 緒論</b></p><p>　　如今隨著人們物質(zhì)生活水平的提高，人們的出行越來(lái)越離不開(kāi)電動(dòng)交通工具，尤其是鋰電池電動(dòng)自行車(chē)。對(duì)于鋰電池的充電方案的研究也越來(lái)越多。本章節(jié)從目前存在并應(yīng)用的基于單片機(jī)的智能充電器的設(shè)計(jì)方案進(jìn)行分析，集中分析鋰電池充電器充電系統(tǒng)的研究背景、意義以及國(guó)內(nèi)外在這個(gè)方面的研究，明確本課題研究的主要目標(biāo)、內(nèi)

23、容及本論文的框架結(jié)構(gòu)。</p><p>　　1.1課題研究的背景、目的及意義</p><p>　　隨著全球經(jīng)濟(jì)的發(fā)展，鋰電池對(duì)于人們生活的影響越來(lái)越大。鋰電池具有儲(chǔ)能密度高，壽命長(zhǎng)等優(yōu)點(diǎn)，在當(dāng)前社會(huì)應(yīng)用范圍極廣[1]。如今鋰電池在出行工具、娛樂(lè)工具等領(lǐng)域市場(chǎng)所占比重很大[2]。目前鋰電池應(yīng)用的領(lǐng)域很廣泛，尤其是電動(dòng)自行車(chē)領(lǐng)域。2006年前后，鋰電池組開(kāi)始出現(xiàn)在我國(guó)的電動(dòng)自行車(chē)領(lǐng)域。到200

24、8前后，以鋰電池作為車(chē)載電池的電動(dòng)自行車(chē)得以大范圍推廣[3]。如今鋰電池電動(dòng)自行車(chē)在我國(guó)已經(jīng)普及[4]。然而隨著人們對(duì)鋰電池產(chǎn)品需求的發(fā)展，鋰電池的頻繁充放電已經(jīng)成為常態(tài)。在三星手機(jī)出現(xiàn)爆炸事件發(fā)生后，人們對(duì)鋰電池的安全性越來(lái)越重視，尤其是充電過(guò)程中，鋰電池安全更為重要。所以鋰電池的風(fēng)險(xiǎn)管理越來(lái)越重要[5]。與此同時(shí)，頻繁的使用電子設(shè)備，電源電池經(jīng)常充放電，這對(duì)電池的壽命是極大地考驗(yàn)，再加上很多商用的的鋰電池充電器不能很好的解決鋰電池充

25、電安全問(wèn)題，所以需要更多的人去研究更安全的鋰電池充電器。一些大眾的電池充電器采用的事高電流快速充電技術(shù)，在電池滿電后不能做出判斷，終止重點(diǎn)，這導(dǎo)致所充的電池組溫度會(huì)很高，這極大的影響了電池組的使用壽命[6]。</p><p>　　當(dāng)今社會(huì)，科學(xué)技術(shù)快速進(jìn)步，關(guān)于鋰電池的充電技術(shù)也有了突飛猛進(jìn)的質(zhì)變。一些更為進(jìn)準(zhǔn)的充電控制算法開(kāi)始出現(xiàn)，并被人們用在實(shí)際的充電器設(shè)計(jì)中。為了滿足人們對(duì)家用鋰電池產(chǎn)品的安全性、智能性、人

26、機(jī)交互性等方面的要求，充電器設(shè)計(jì)要更加智能化。智能化的鋰電池不僅能提高充電效率，使得資源高效利用還能減少充電時(shí)間，提高客戶的體驗(yàn)度，并能保證鋰電池的使用壽命[7]。</p><p>　　本設(shè)計(jì)采用的方案是用TL494芯片和單片機(jī) STM32F103組合，并用Qt開(kāi)發(fā)控制軟件的整體方案。TL494芯片作為充電電源的主控芯片，能滿足電動(dòng)自行車(chē)鋰電池組的充電需求。STM32單片機(jī)內(nèi)含資源很多，能很好的處理采集的數(shù)據(jù)和控

27、制設(shè)計(jì)所需要的外設(shè)。再加上上位機(jī)的軟件能使得所設(shè)計(jì)的充電器智能、安全，同時(shí)保護(hù)好電池，保證電池的使用次數(shù)。</p><p>　　1.2國(guó)內(nèi)外研究現(xiàn)狀</p><p>　　市場(chǎng)需求增加是科技投入的動(dòng)力，在智能充電器市場(chǎng)也是如此，相關(guān)的工作人員采用更為先進(jìn)的方案實(shí)現(xiàn)充電器安全，智能。在過(guò)去幾十年里，由于鋰電池技術(shù)的日益成熟以及鋰電池相比較鎳鎘、鎳氫電池具有極大的優(yōu)勢(shì)，所以對(duì)于鎳鎘、鎳氫電池這

28、類(lèi)電池充電系統(tǒng)的研究越來(lái)越少，但在鋰電池的研究上投入精力巨大。所以鋰電池充電器的研究更加火熱。</p><p>　　1.2.1國(guó)外研究現(xiàn)狀</p><p>　　德國(guó) Mentzer UlectronicGmbH 和 Wemer Retzlafr [8]合作研發(fā)的 BADICHUQ 系統(tǒng)首次車(chē)載實(shí)驗(yàn)，并于1992年進(jìn)行二次改進(jìn)的 BADICOACH 系統(tǒng)。他們所設(shè)計(jì)的動(dòng)力電池充電系統(tǒng)，在充電

29、過(guò)程中能智能的顯示電池組的充電狀態(tài)，包括電池組內(nèi)的電壓、電流、溫度。此外整套系統(tǒng)還能用PC機(jī)控制。其系統(tǒng)的一個(gè)特色便是測(cè)量電壓的方案是用非線性電路來(lái)檢測(cè)，并用脈寬信號(hào)控制充電過(guò)程中的電壓和電流。</p><p>　　美國(guó)科技在智能充電領(lǐng)域也有很先進(jìn)的技術(shù)，如知名的通用公司，研發(fā)出了純電動(dòng)車(chē)動(dòng)力鋰電池的充電系統(tǒng)，并將該系統(tǒng)用在了其產(chǎn)品EV1電動(dòng)汽車(chē)上。該公司的智能充電系統(tǒng)包括了溫度檢測(cè)控制模塊、電量顯示模塊、軟件控

30、制模塊等，其軟件控制模塊能智能的采集和顯示溫度和電壓電流等數(shù)據(jù)[9]。</p><p>　　此外還有一些發(fā)達(dá)的國(guó)家也在積極的研發(fā)先進(jìn)的電池組充電系統(tǒng)，如加拿大 Zader 研發(fā)的電池組充電管理系統(tǒng)[10]，日本青森工業(yè)研究中心[11]一直在研發(fā)的電池組智能充電系統(tǒng)，韓國(guó) SAMSUNG公司設(shè)計(jì)的SDI BMS[12]和DEV5-5系統(tǒng)功能都比較完善。</p><p>　　1.2.2國(guó)內(nèi)研究

31、現(xiàn)狀</p><p>　　我國(guó)作為一個(gè)電池的生產(chǎn)大國(guó)和消費(fèi)大國(guó)，每年會(huì)生產(chǎn)和消費(fèi)巨量的鋰電池，但是在電池的充電技術(shù)方面投入的研發(fā)精力和資金相對(duì)于國(guó)外比較少。最近幾年國(guó)家一直倡導(dǎo)中國(guó)要從制造到智造轉(zhuǎn)型，并加上消費(fèi)升級(jí)，我國(guó)的鋰電池充電器市場(chǎng)越來(lái)越大。在電動(dòng)自行車(chē)領(lǐng)域，隨著輕捷、體積小的鋰電子電池組代替原來(lái)笨重的鉛蓄電池，該領(lǐng)域內(nèi)對(duì)智能的鋰電池充電器需求更多。如今在我國(guó)，隨著單片機(jī)、傳感器等技術(shù)的快速發(fā)展，智能的鋰電

32、池充電器充電和控制技術(shù)也在迅速發(fā)展[13]。</p><p>　　在我國(guó)，高校是很多先進(jìn)科學(xué)技術(shù)研發(fā)的前沿陣地，在電池的充電技術(shù)方面也是如此。如今我國(guó)的好多工科專業(yè)強(qiáng)勢(shì)的大學(xué)，如知名的清華、北理、北航、北交、湖南大學(xué)等，在原先研究的技術(shù)基礎(chǔ)上通過(guò)和相關(guān)企業(yè)合作，將研發(fā)的技術(shù)轉(zhuǎn)化為實(shí)際產(chǎn)品。其中高校中最為代表性的有，由北京理工大學(xué)研究所研發(fā)的智能鋰電池組充電管理系統(tǒng)EQ7200HEV。企業(yè)中研究成果最為突出的有比亞

33、迪公司，其公司所研發(fā)的智能電池組充電管理系統(tǒng)已經(jīng)具有國(guó)際科技水平。當(dāng)前，在國(guó)內(nèi)，對(duì)于鋰電池組的充電系統(tǒng)的研究主要研究重點(diǎn)在充電溫度控制，電池組的電壓、電流檢測(cè)，電池的剩余容量估算和充電過(guò)程中的供電電源的電壓電流控制等方面[14]。</p><p>　　基于52單片機(jī)開(kāi)發(fā)智能充電器系統(tǒng)技術(shù)成熟、操作方便、成本較低，在單片機(jī)技術(shù)應(yīng)用廣泛的今天，開(kāi)發(fā)產(chǎn)品更容易為人們所使用。王曄和馬齋愛(ài)拜[15]將AT89C52、MAX

34、1898、光耦6N137和LM7805聯(lián)系在一起設(shè)計(jì)了鋰電池智能充電器系統(tǒng)。他們所設(shè)計(jì)的充電系統(tǒng)能先檢測(cè)電池組的SOC，如果電池SOC過(guò)低，便能夠預(yù)先低電流充電，在電池剩余容量在一定的SOC方位內(nèi)，將實(shí)現(xiàn)高電流快速充電，當(dāng)電池組的開(kāi)路電壓接近最高值時(shí)，便進(jìn)行高電壓低電流充電，在此過(guò)程中一直監(jiān)控充電系統(tǒng)的溫度和SOC值，如果出現(xiàn)異常，系統(tǒng)將自動(dòng)斷電、報(bào)警，保證了充電的安全性。他們所設(shè)計(jì)的充電系統(tǒng)較好的滿足了人們對(duì)于充電產(chǎn)品的需求，但是該系

35、統(tǒng)的人機(jī)交互性還有待提高。</p><p>　　王曉侃和蘇全衛(wèi)[16]設(shè)計(jì)的系統(tǒng)是基于AT89C2051 單片機(jī)的。該系統(tǒng)在充電過(guò)程中能智能的顯示電池的電壓、SOC值、電流、電池組溫度等狀態(tài)數(shù)據(jù)。同時(shí)其系統(tǒng)還具有電池組管理功能，能合理的提高電池的使用壽命。該系統(tǒng)設(shè)計(jì)功能性強(qiáng)，人機(jī)交互性好，但將多項(xiàng)功能集中在一起，出現(xiàn)問(wèn)題時(shí)，修復(fù)成本高。</p><p>　　張朋[17]設(shè)計(jì)的電動(dòng)自行車(chē)鋰電

36、池組充電管理系統(tǒng)，采用的控制芯片是 BQ77910 芯片，其系統(tǒng)在硬件的基礎(chǔ)上還設(shè)計(jì)了監(jiān)控軟件用來(lái)管理整個(gè)系統(tǒng)。該系統(tǒng)能實(shí)時(shí)的檢測(cè)和顯示電池組的當(dāng)前各類(lèi)數(shù)據(jù)，在充電過(guò)程中，即時(shí)的通過(guò)單片機(jī)處理，然后優(yōu)化充電方案，能有效的避免出現(xiàn)充電短路等問(wèn)題。該系統(tǒng)整體功能完善，不過(guò)集成化有待提高。</p><p>　　杜江[18]采用兩路CAN實(shí)現(xiàn)CECU與VMS和LECU的通訊。其系統(tǒng)采用了性能較高的TMS320F2808芯

37、片，在利用片內(nèi)資源AD模塊精準(zhǔn)的采集數(shù)據(jù)，為了提高采集數(shù)據(jù)的精準(zhǔn)度，在采集溫度數(shù)據(jù)、電壓數(shù)據(jù)、電流數(shù)據(jù)時(shí)，該系統(tǒng)都是多路采集，這充分的利用了單片機(jī)的片內(nèi)資源。該設(shè)計(jì)還利用脈寬調(diào)制技術(shù)控制風(fēng)扇，這保證充電系統(tǒng)的溫度得到有效控制。該系統(tǒng)只是進(jìn)行了仿真，在理論上進(jìn)行了驗(yàn)證，能否做出產(chǎn)品有待驗(yàn)證。</p><p>　　賈小龍[19]設(shè)計(jì)的鋰電池充電監(jiān)控管理系統(tǒng)，不僅有硬件設(shè)計(jì)還有軟件設(shè)計(jì)。該系統(tǒng)的軟件設(shè)計(jì)部分能實(shí)時(shí)的監(jiān)控

38、和顯示電池組的狀態(tài)信息。硬件設(shè)計(jì)部分是整個(gè)設(shè)計(jì)的關(guān)鍵，能實(shí)現(xiàn)電池組的電壓、溫度、電流的數(shù)據(jù)采集和數(shù)據(jù)處理，電池剩余容量的估算等功能。整個(gè)系統(tǒng)的設(shè)計(jì)功能很好的實(shí)時(shí)顯示電池組的各種數(shù)據(jù)，但是在系統(tǒng)的穩(wěn)定性方面還有待進(jìn)一步完善。</p><p>　　王鳳波[20]設(shè)計(jì)的基于AD7280A的中型鋰離子電池組管理系統(tǒng)利用擴(kuò)展卡爾曼濾波在Thevenin電池模型上對(duì)SOC初值進(jìn)行了修正，提高了SOC估算的精度，減少能量耗散的

39、同時(shí)，大大提高了系統(tǒng)的安全性。但此系統(tǒng)可擴(kuò)展性差，在減少電能損耗方面還有待進(jìn)一步研究。</p><p>　　吳迪[21]在鋰電池充電控制與管理方法研究過(guò)程中重點(diǎn)解決了一下三個(gè)方面，單體鋰電池主動(dòng)充電控制方式、過(guò)熱保護(hù)和過(guò)充保護(hù)。但是其系統(tǒng)基于遺傳算法的運(yùn)行機(jī)制比較復(fù)雜工作量較大，運(yùn)行速度相對(duì)較慢。</p><p>　　清華大學(xué)的楊元棟，孫曉明等[22]采用了8xC749單片機(jī)，設(shè)計(jì)了電動(dòng)自

40、行車(chē)智能充電器的方案，重點(diǎn)介紹了均衡充電和脈沖充電兩種技術(shù)，該技術(shù)較為先進(jìn)，具體的實(shí)用性，需要進(jìn)一步研究?！　【C上所述，這些研究雖然都取得了一些成果，但是同樣存在系統(tǒng)架構(gòu)、電路龐大，成本高等特點(diǎn)。與此同時(shí)由于各種電池的充放電特性有區(qū)別，再加上實(shí)驗(yàn)資源缺乏，具體的解決方案不完善，好多設(shè)計(jì)都存在充電效率低下的狀況。另外，這些雖是具備了基本的檢測(cè)、監(jiān)控、報(bào)警等功能，但在數(shù)據(jù)采集方面，其可靠性、準(zhǔn)確性和抗干擾性等與國(guó)外仍有較大差距。因此還需要

41、好長(zhǎng)時(shí)間才能追上國(guó)外的技術(shù)水平。</p><p>　　1.3研究?jī)?nèi)容與章節(jié)安排</p><p>　　為鋰電池提供合適的充電電源和智能控制充電過(guò)程是一個(gè)相對(duì)復(fù)雜的過(guò)程，要針對(duì)所需的充電電池組進(jìn)行設(shè)計(jì)對(duì)應(yīng)的充電電源。同時(shí)還要選擇單片機(jī)的類(lèi)型，并設(shè)計(jì)單片機(jī)控制電路，從而實(shí)現(xiàn)對(duì)于充電過(guò)程的可靠、高效、智能控制。在整個(gè)設(shè)計(jì)的關(guān)鍵是在于充電電源、充電方式、電池電量顯示、充電器溫度預(yù)警機(jī)制和自動(dòng)結(jié)束充電

42、過(guò)程方面的研究。具體要設(shè)計(jì)的電路有電源模塊電路、單片機(jī)控制模塊電路、電壓、溫度采集電路等。</p><p><b>　　本文主要內(nèi)容是：</b></p><p>　　第一章是緒論部分，這部分內(nèi)容介紹了研究的背景和意義，國(guó)內(nèi)外研究現(xiàn)狀、本文的主要內(nèi)容和章節(jié)安排。</p><p>　　第二章介紹了總體設(shè)計(jì)框架，進(jìn)行了電源類(lèi)型、充電方法、SOC估算方

43、法和通信方式方案的比較和選擇。</p><p>　　第三章分析了硬件部分中各模塊電路的原理和具體實(shí)現(xiàn)。</p><p>　　第四章詳細(xì)的介紹了軟件設(shè)計(jì)的思路和程序的邏輯，以及UI界面和通信流程圖。</p><p>　　第五章是整個(gè)設(shè)計(jì)的調(diào)試和結(jié)果分析。</p><p>　　第六章是整個(gè)設(shè)計(jì)的總結(jié)和展望。</p><p>

44、;<b>　　2 方案比較和選擇</b></p><p>　　本章從基于單片機(jī)的智能充電器的功能需求和總體設(shè)計(jì)框架出發(fā)，介紹了總體設(shè)計(jì)框圖、充電方法、SOC估算方法、通信方式等從而為基于單片機(jī)的智能充電器設(shè)計(jì)提供了具體的解決方案。</p><p><b>　　2.1總體設(shè)計(jì)框圖</b></p><p>　　本設(shè)計(jì)框圖由電池

45、組、充電電源電路、報(bào)警電路、電壓檢測(cè)電路、溫度檢測(cè)電路、單片機(jī)、上位機(jī)和UI界面組成。如圖2.1所示：</p><p>　　圖2.1 充電系統(tǒng)框圖</p><p>　　電池組是充電器實(shí)現(xiàn)其功能的基礎(chǔ)。</p><p>　　電源電路是由降壓電路、整流線路、濾波電路和電壓升降控制電路組成，該模塊為電池組提供了充電電源。</p><p>　　報(bào)警電

46、路主要組成元器件是蜂鳴器，當(dāng)電池充滿或溫度超過(guò)警戒值時(shí)，單片機(jī)會(huì)做出判斷，從而是向報(bào)警電路發(fā)出指令，之后報(bào)警電路做出應(yīng)答。此電路主要是提醒用戶，充電溫度過(guò)高或者是已經(jīng)充滿電了。</p><p>　　電壓檢測(cè)電路實(shí)現(xiàn)的功能是通過(guò)檢測(cè)到的電壓與所設(shè)的標(biāo)準(zhǔn)值進(jìn)行比較后進(jìn)行一定的量化從而確定目前電池的電量。</p><p>　　溫度檢測(cè)電路實(shí)現(xiàn)的功能是通過(guò)溫度傳感器檢測(cè)到的溫度，判斷溫度數(shù)值是否處

47、在安全范圍內(nèi)，如果超出范圍，立即斷開(kāi)電源，并進(jìn)行報(bào)警，從而控制充電過(guò)程，保證充電安全。</p><p>　　單片機(jī)STM32控制電路以STM32為核心組成。STM32是一款功能強(qiáng)大、高性能、低成本、低功耗并且片內(nèi)資源非常豐富的嵌入式應(yīng)用。STM32主控制電路作為整個(gè)智能充電器系統(tǒng)的中心，主要完成數(shù)據(jù)處理、數(shù)據(jù)分析和 A/D 轉(zhuǎn)換等功能。其中A/D轉(zhuǎn)換器將轉(zhuǎn)換后的模擬信號(hào)轉(zhuǎn)換為數(shù)字信號(hào)以完成數(shù)據(jù)的處理。</p

48、><p>　　上位機(jī)和UI界面模塊主要是電腦通過(guò)串口通信，獲取單片機(jī)采集的數(shù)據(jù)，在Qt工程中對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行處理和顯示。</p><p>　　本系統(tǒng)具有操作簡(jiǎn)單，功耗低，人機(jī)交互能力強(qiáng)，安全性能高等優(yōu)點(diǎn)。本充電器的要實(shí)現(xiàn)的功能是，在對(duì)鋰電池的充電過(guò)程中一直顯示電池的動(dòng)態(tài)電量和充電時(shí)間以及整個(gè)充電器的溫度；當(dāng)充電器或電池的溫度超過(guò)警戒值時(shí)，自動(dòng)斷電并且進(jìn)行報(bào)警；當(dāng)電池充滿電時(shí)，單片機(jī)通過(guò)判斷檢測(cè)到的電

49、壓數(shù)據(jù)后發(fā)送指令，使繼電器工作，自動(dòng)停止充電。</p><p>　　對(duì)所要設(shè)計(jì)的充電器性能要求有如下幾項(xiàng)：</p><p>　　1.安全性:對(duì)鋰電池充電時(shí)，如何保證人員的人身安全和電池組的安全是至關(guān)重要的。</p><p>　　2.易于使用:充電器應(yīng)具有較高的智能性，不需要操作人員過(guò)多干預(yù)充電過(guò)程。</p><p>　　3.人性化：充電器應(yīng)該

50、具有更好的人機(jī)交互性，使得操作人員能更直觀的感受充電器對(duì)鋰電池的充電過(guò)程。</p><p><b>　　2.2電源模塊</b></p><p>　　2.2.1電源方案的選擇</p><p><b>　?。?）方案一 </b></p><p>　　普通電源：用變壓器將家用的220V交流電變壓為低壓交

51、流電，之后將變壓后的低壓交流電整流濾波，然后將家用的交流電變換為輸出穩(wěn)定的低壓直流電，最終能作為電池組的充電電源。使用該方案設(shè)計(jì)的電源電路輸出的電壓較為穩(wěn)定并且波紋震蕩相對(duì)較小，但是缺點(diǎn)比較明顯，如能選擇的電壓范圍比較窄，中間浪費(fèi)的電能多。</p><p><b>　?。?）方案二 </b></p><p>　　開(kāi)關(guān)電源：家用交流電通過(guò)變壓器變壓后，輸出低壓交流電，

52、之后經(jīng)過(guò)整流堆橋，濾波電容（大的電解電容）后，除高頻雜波和同相干擾信號(hào)，輸出低壓直流電，之后經(jīng)過(guò)電感線圈等作用下，進(jìn)一步濾除高頻雜波，在交直流電轉(zhuǎn)換后，電流進(jìn)入開(kāi)關(guān)電路，開(kāi)關(guān)電路是整個(gè)電源電路的關(guān)鍵。開(kāi)關(guān)電路的核心是兩個(gè)開(kāi)關(guān)管，兩個(gè)開(kāi)關(guān)管的輪流導(dǎo)通和截止，直流電便能轉(zhuǎn)換為高頻率的脈動(dòng)直流電，之后再送到高頻開(kāi)關(guān)變壓器上進(jìn)行降壓處理。經(jīng)過(guò)高頻開(kāi)關(guān)變壓器降壓后的脈動(dòng)電壓，同樣要使用二極管和濾波電容進(jìn)行整流和濾波，除此之外還有一兩個(gè)電感線圈和濾

53、波電容一同濾除電流中的高頻交流成分，最后輸出為較為理想的低壓直流電。開(kāi)關(guān)電源具有電壓可調(diào)范圍寬、效率高，輸出電壓相對(duì)穩(wěn)定等特點(diǎn)。</p><p>　　經(jīng)過(guò)上述兩種方案的比較后，該設(shè)計(jì)選取方案二的開(kāi)關(guān)電源設(shè)計(jì)，開(kāi)關(guān)電源設(shè)計(jì)一般采用集成芯片，像SG3524、BD494、SAQ8818、TL494等芯片都屬于此類(lèi)，這些芯片功能強(qiáng)大，包含了開(kāi)關(guān)電源控制所需的全部功能。由于芯片TL494實(shí)用性最強(qiáng)，穩(wěn)定性最高，所以在開(kāi)關(guān)電

54、源電路中實(shí)用非?？煽?。</p><p>　　確定開(kāi)關(guān)電源的技術(shù)指標(biāo)。開(kāi)關(guān)電源的設(shè)計(jì)指標(biāo)是為了符合本電池組的充電參數(shù)，具體如下:</p><p>　　1)輸入電壓:AC 220V</p><p>　　2)輸出電壓:DC +12.6V</p><p>　　3)恒定電流1.5A，最大電流2A，最小電流1A</p><p>　

55、　4)電網(wǎng)頻率:(50-60)HZ</p><p><b>　　5)輸出精度:2%</b></p><p>　　6)輸出功率:19W(額定)</p><p>　　7)電源效率:期望值為80%</p><p><b>　　2.3充電方法</b></p><p>　　2.3.1鋰

56、電池的充電特性</p><p>　　充電方法依據(jù)的是電池的充電特性[23]，本設(shè)計(jì)針對(duì)的是鋰電池，所以要對(duì)鋰電池的充電特性做研究，鋰電池的充電特性分析和充電方案具體選擇如下文。</p><p>　　鋰電池通常分為鋰金屬電池和鋰離子電池兩大類(lèi)[25]，因?yàn)殇囯x子電池能充電，所以常說(shuō)的鋰電池也指鋰電子電池。而鋰離子電池又有很多種類(lèi)，像錳酸鋰電池、磷酸鐵鋰電池、三元鋰電池等，它們能反復(fù)充電，并且

57、儲(chǔ)能多，能成為動(dòng)力電池。由于各種類(lèi)鋰電池的充放電特性差別不大，下面便以磷酸鐵鋰電池為例進(jìn)行鋰電池充電特性研究。</p><p>　　鋰離子電池[26]的充電過(guò)程比較復(fù)雜，不同類(lèi)型的鋰離子電池在不同的充電條件下充電特性會(huì)有不同，不過(guò)整體差別不大，所以研究磷酸鐵鋰電池的充放電特性具有代表性。研究充電特性，提出針對(duì)性的充電方案能提高充電的安全性和增加電池的使用次數(shù)。不管是鉆酸鋰電池和錳酸鋰電池，還是磷酸鐵鋰電池都有相同

58、的充電特性，端電壓是唯一區(qū)別，所以，研究磷酸鐵鋰電池的充電特性得出的結(jié)論適用與別的類(lèi)型的鋰電池，針對(duì)鋰離子電池的充電特性，要使得電池不受損的前提下又想使電池充滿電，則電池組的充電電壓需要限定覆蓋在額定輸出值1%以內(nèi)，即3.2士50mV。鋰電池的充電特性中需要注意的一點(diǎn)就是，充電在給電池組充電時(shí)，不能再電池組達(dá)到電壓臨界值時(shí)斷電，電池組將會(huì)就產(chǎn)生不可修復(fù)的損壞。</p><p>　　磷酸鐵鋰電池本身的電化學(xué)特性決定

59、了在其充電時(shí)，正極中的鋰離子通過(guò)聚合物隔膜移動(dòng)到負(fù)極，鋰離子從Fe04層面間遷移出來(lái)，經(jīng)過(guò)電解液進(jìn)入負(fù)極C附近與C復(fù)合，且發(fā)Fe2+/Fe3+的氧化反應(yīng)，為平衡電荷，電子從外電路到達(dá)負(fù)極，電池負(fù)極顯然無(wú)法吸收所有的電子，且隨著充電過(guò)程的進(jìn)行符合還原的效率下降，當(dāng)負(fù)極電子飽和時(shí)仍然有一些鋰離子，這將導(dǎo)致電池電壓再度上升，造成二次過(guò)充，破壞了負(fù)極材料又降低其使用壽命，甚至?xí)l(fā)安全問(wèn)題[24]。</p><p>　　

60、2.3.2充電方案的選擇</p><p><b>　　方案一 </b></p><p>　　恒流充電法：恒流充電法顧名思義就是充電過(guò)程中保持電流恒定，如圖2.2所示。采用恒流充電法充電，由于電路簡(jiǎn)單，所以比較好控制，但從圖中能明顯看出，恒流對(duì)應(yīng)的直線與充電過(guò)程中的電流曲線相差比較大，會(huì)對(duì)電池?fù)p害較大。</p><p><b>　?。?

61、）方案二 </b></p><p>　　恒壓充電法：在整個(gè)充電過(guò)程中，充電電壓保持不變，隨著電池組的端電壓升高，電流慢慢減小。如圖2.3所示，該方法充電，充電過(guò)程更接近于最佳充電曲線。采用恒壓充電，電池組產(chǎn)生的電解水很少，能防止蓄電池過(guò)充，從而延長(zhǎng)電池使用壽命。該方案由于電流較大，對(duì)電池壽命也有損害。</p><p>　　方案二和方案一相比較，方案二優(yōu)勢(shì)更為明顯，所以選擇方案二

62、。</p><p>　　2.4 SOC估算方法</p><p>　　2.4.1 SOC估算方法的選擇</p><p><b>　　方案一 </b></p><p>　　內(nèi)阻法：用阻抗儀檢測(cè)電池組的直流電阻。所謂的直流內(nèi)阻指的是極短時(shí)間內(nèi)，電池組的端電壓變化量與電流變化量相比所得的數(shù)值。針對(duì)某些種類(lèi)電池來(lái)說(shuō)，用此方法估算電

63、池的剩余容量比較精準(zhǔn)，但對(duì)于直流內(nèi)阻比較小的動(dòng)力鋰電池組而言，并不合適。所以用內(nèi)阻法進(jìn)行估算鋰電池組的電量不是一種很好的選擇。</p><p><b>　　方案二</b></p><p>　　安時(shí)法：此方法的基本原理是將電池組看作一個(gè)黑箱子，認(rèn)為進(jìn)電池的電量等于電池放電的電量，在對(duì)溫度、電池老化、充放電率、自放電率進(jìn)行很好補(bǔ)償?shù)那闆r下，在短暫時(shí)間內(nèi)此方法估算的電池的剩

64、余容量值比較準(zhǔn)確。盡管這種方法估算SOC比較簡(jiǎn)單，易于實(shí)現(xiàn)，但是會(huì)出現(xiàn)累計(jì)誤差，其中計(jì)算數(shù)值的一個(gè)重要參數(shù)也就是補(bǔ)充系數(shù)k難以確定，所以該方法并不合適。</p><p><b>　　(3) 方案三</b></p><p>　　開(kāi)路電壓法：電動(dòng)車(chē)鋰電池組開(kāi)路電壓指的是靜態(tài)時(shí)電池組的端電壓，負(fù)載電壓對(duì)應(yīng)的是充放電時(shí)電池端電壓，開(kāi)路電壓和負(fù)載電壓兩者都是直接測(cè)量值。<

65、/p><p>　　電動(dòng)車(chē)鋰電池蓄電池組開(kāi)路電壓法是一種最為簡(jiǎn)單的SOC測(cè)量方法，其基本工作原理是將檢測(cè)到的電池開(kāi)路電壓對(duì)應(yīng)電壓和SOC對(duì)照表來(lái)查找電池剩余容量。以單體鋰電池為例，單體鋰電池的剩余容量和電壓有對(duì)應(yīng)關(guān)系，具體如下表2.1。</p><p>　　表2.1 電壓與剩余電量關(guān)系表</p><p>　　本設(shè)計(jì)做的是鋰電池充電器針對(duì)的是電動(dòng)自行車(chē)鋰電池組。上面三種方案

66、經(jīng)過(guò)比較后，最后的開(kāi)路電壓法滿足檢測(cè)實(shí)用原則，所以最為合適。</p><p><b>　　2.5 通信方式</b></p><p>　　2.5.1 通信方式的選擇 </p><p>　　本設(shè)計(jì)的總的方案是將溫度檢測(cè)電路和電壓采集電路采集的數(shù)據(jù)發(fā)給上位機(jī)后進(jìn)行處理和顯示，所以需要單片機(jī)和上位機(jī)進(jìn)行通訊，具體采用哪一種通信方式需要進(jìn)行方案比較和選擇

67、，具體如下。</p><p><b>　　(1) 方案一</b></p><p>　　串口通信：一般用于上下位機(jī)通信。上位機(jī)一般指的是電腦，本設(shè)計(jì)用的也是電腦。下位機(jī)一般指的是單片機(jī)，本設(shè)計(jì)所使用的單片機(jī)是STM32。串口通信是在工程應(yīng)用中很常見(jiàn)。在PC機(jī)與單片機(jī)通信中常通過(guò)有線的串口進(jìn)行通信。單片機(jī)機(jī)通常將模擬信號(hào)經(jīng)過(guò)AD采集進(jìn)行模數(shù)轉(zhuǎn)換處理，之后經(jīng)數(shù)字信號(hào)處理，最

68、終通過(guò)串口發(fā)送數(shù)字信號(hào)給PC機(jī)，反之PC機(jī)可以給單片機(jī)機(jī)發(fā)送指令等信息。常見(jiàn)的通信串口包括RS232、RS485、RS422等。不同的串口在電平特性會(huì)有差別，但是在PC機(jī)與單片機(jī)進(jìn)行通信時(shí)，其電平特性不會(huì)影響通信，各種轉(zhuǎn)接接口的使用使串口通信特別方便。</p><p><b>　　方案二</b></p><p>　　藍(lán)牙通信：藍(lán)牙看技術(shù)最初是一種為了替代RS232數(shù)據(jù)

69、線的無(wú)線技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)。能通過(guò)無(wú)線電波實(shí)現(xiàn)設(shè)備間的通信。使得設(shè)備間能實(shí)現(xiàn)無(wú)線連接，其通信本質(zhì)還是串口通信。對(duì)于本設(shè)計(jì)來(lái)說(shuō)采用藍(lán)牙通信模塊進(jìn)行通信，性價(jià)比不高。</p><p>　　上述兩種方案進(jìn)行比較后，第一種串口通信方式比較合適本設(shè)計(jì)。</p><p><b>　　2.6本章小結(jié)</b></p><p>　　通過(guò)對(duì)所要設(shè)計(jì)充電器功能需求和總體設(shè)計(jì)框

70、架的介紹，明確了設(shè)計(jì)充電器所需實(shí)現(xiàn)的功能。對(duì)鋰電池的充電特性的介紹和比較圖2.3.1和圖2.3.2后，可以看出，在采用開(kāi)關(guān)電源設(shè)計(jì)方案下，利用恒壓充電方法充電相比較恒流充電法充電對(duì)電池保護(hù)更好。經(jīng)過(guò)對(duì)三種SOC估算方法的比較，最終選擇了最為合適的開(kāi)路電壓法，并介紹了鋰電池的電壓電量關(guān)系表，為電池剩余電量的計(jì)算提供了依據(jù)。同時(shí)確定了串口通信為本設(shè)計(jì)通信方式。</p><p><b>　　3 硬件設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)

71、</b></p><p>　　此部分介紹的是硬件的設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)。對(duì)硬件的各功能模塊進(jìn)行了原理圖、實(shí)物圖等方面的介紹。同時(shí)詳細(xì)的說(shuō)明了硬件的具體實(shí)現(xiàn)。</p><p><b>　　3.1單片機(jī)電路</b></p><p>　　本設(shè)計(jì)采用的是STM32F103VBT6芯片，STM32具有性能高、成本低、功耗低等特點(diǎn)。其基于ARM Cort

72、ex-M3內(nèi)核，STM32F103屬于“增強(qiáng)型”系列。其時(shí)鐘能達(dá)到72MHz。本設(shè)計(jì)采用的單片機(jī)型號(hào)具有128K內(nèi)存。具體實(shí)物如下圖3.1。該單片機(jī)的最小系統(tǒng)電路原理圖包含MCU、I/O口、電源電路、RS-485電路和JTAG電路，具體原理圖分別對(duì)應(yīng)如下圖3.2，圖3.3，圖3.4，圖3.5，圖3.6，圖3.7。</p><p>　　圖3.1 STM32實(shí)物圖</p><p>　　圖3.2

73、 MCU引腳圖</p><p>　　圖3.3 I/O口圖</p><p>　　圖3.4 電源原理圖</p><p>　　圖3.5 BOOT處原理圖</p><p>　　圖3.6 RS-485原理圖</p><p>　　圖3.7 JTAG原理圖</p><p>　　將原理圖生成PCB，經(jīng)過(guò)布線后，

74、最終布好線的PCB圖如下圖3.8。</p><p><b>　　圖3.8 PCB圖</b></p><p><b>　　3.2充電電源電路</b></p><p>　　對(duì)于所設(shè)計(jì)的鋰電池組充電器來(lái)說(shuō)，充電電源電路是所有電路中最重要的部分。本設(shè)計(jì)要實(shí)現(xiàn)最對(duì)12V鋰電池組充電，并且采用的是恒壓充電方式，所以充電電源電路要將22

75、0V的交流電變壓、整流、濾波、升降壓，最終輸出12.6V的穩(wěn)定直流電。整個(gè)充電電源電路包含了變壓電路、整流電路、濾波電路、TL494脈寬調(diào)制電路和DC-DC電路，具體介紹如下。</p><p><b>　　3.2.1變壓電路</b></p><p>　　電壓電路實(shí)現(xiàn)的功能是將家用交流電變壓為低電壓（一般低于36V的安全電壓下）的交流電。變壓電路的原理如圖3.9，變壓器

76、由鐵芯（或磁芯）和線圈組成，線圈有繞組，它可以變換交流電壓、電流和阻抗。供電電路中的變壓電路由變壓器代替，具體實(shí)物如圖3.10。該變壓器能穩(wěn)定輸出26V交流電。</p><p>　　圖3.9 變壓器原理圖</p><p>　　圖3.10 變壓器實(shí)物圖</p><p>　　3.2.2整流、濾波電路</p><p>　　整流電路如圖3.11有四個(gè)

77、二極管橋式連接，原理是利用二極管的單向性，將交流電變成直流電，實(shí)物如圖3.12使用的是額定交流電壓為1000V，額定電流為10A的電橋。濾波電路由兩個(gè)電解電容組成，電解電容的電容值是1000uf，耐壓值是1000V，能滿足充電器的充電需要。整流濾波電路的焊接圖如下圖3.13所示。</p><p>　　圖3.11 電橋電路圖</p><p>　　圖3.12 整形堆橋?qū)嵨飯D</p>

78、<p>　　圖3.13 整流、濾波焊接電路圖</p><p>　　3.2.3 TL494脈寬調(diào)制電路</p><p>　　TL494是一種固定頻率脈寬調(diào)制電路，具體實(shí)物如圖3.15，而原理圖如圖圖3.14它包含了開(kāi)關(guān)電源控制所需的全部功能，廣泛應(yīng)用于橋式單端正激雙管式、半、全橋式開(kāi)關(guān)電源。其工作原理如圖3.5.1，其內(nèi)部的組成電路有基準(zhǔn)電壓產(chǎn)生電路、振蕩電路、間歇期調(diào)整電路、

79、兩個(gè)誤差放大器、脈寬調(diào)制比較器以及輸出電路等。其中1、2腳是誤差放大器I的同相和反相輸入端，3腳是相位校正和增益控制，4腳為間歇期調(diào)理，其上加0～3.3V電壓時(shí)可使截止時(shí)間從2%線懷變化到100%，5、6腳分別用于外接振蕩電阻和振蕩電容，7腳為接地端，8、9腳和11、10腳分別為T(mén)L494內(nèi)部?jī)蓚€(gè)末級(jí)輸出三極管集電極和發(fā)射極，12腳為電源供電端，13腳為輸出控制端，該腳接地時(shí)為并聯(lián)單端輸出方式，接14腳時(shí)為推挽輸出方式，14腳為5V基準(zhǔn)

80、電壓輸出端，最大輸出電流10mA，15、16腳是誤差放大器II的反相和同相輸入端。根據(jù)充電器的充電需求，焊接電路如圖3.16。</p><p>　　圖3.14 TL494圖</p><p>　　圖3.15 TL494實(shí)物圖</p><p>　　圖3.16 TL494焊接實(shí)物圖</p><p>　　3.2.4 DC-DC電路</p>

81、<p>　　DC-DC電路是直流變（到）直流的轉(zhuǎn)換器。本設(shè)計(jì)中直接用的是模塊。</p><p>　　圖3.17 DC-DC模塊圖</p><p><b>　　3.3電壓采集電路</b></p><p>　　本設(shè)計(jì)采用開(kāi)路電壓檢測(cè)法進(jìn)行電池組電量估算。本設(shè)計(jì)用來(lái)充電的電池組是由3節(jié)單體鋰電池組成，最高電壓是12.6V，所以采用單片機(jī)

82、中的ADC測(cè)電壓電路中要加分壓電阻。電壓采集電路原理圖如下圖3.18，實(shí)物圖如圖3.19。</p><p>　　單片機(jī)ADC采集電壓是12位的，二進(jìn)制12位也就是4096，所以采集到的電壓的精度為1/4096。單體電池的電量對(duì)應(yīng)的電壓值和ADC值的對(duì)應(yīng)表如下表3.1。</p><p>　　圖3.18 電壓檢測(cè)模塊原理圖</p><p>　　圖3.19 電壓檢測(cè)模塊實(shí)

83、物</p><p>　　表3.1 電壓、剩余電量、ADC值關(guān)系表</p><p><b>　　3.4溫度采集電路</b></p><p>　　本設(shè)計(jì)需要采集溫度數(shù)據(jù)為報(bào)警電路提供判斷依據(jù)。設(shè)計(jì)中采用的是DTH11傳感器，實(shí)物圖如下圖3.21。從原理圖3.20中能知道，2引腳是數(shù)據(jù)接口。傳感器檢測(cè)到主機(jī)的開(kāi)始和延時(shí)信號(hào)后，要進(jìn)行響應(yīng)，先是響應(yīng)信號(hào)

84、（一定時(shí)間的低電平），后是延時(shí)準(zhǔn)備輸出信號(hào)（一定時(shí)間的高電平），然后每隔固定時(shí)間的低電平（間隔信號(hào)），具體的數(shù)據(jù)是不同間隔時(shí)間的（高電平）代表0和1，信號(hào)傳輸完成后，DHT11拉低電平。具體使用時(shí)根據(jù)其通信協(xié)議特點(diǎn)，編寫(xiě)相應(yīng)的驅(qū)動(dòng)程序，來(lái)采集溫度數(shù)據(jù)。</p><p>　　圖3.20 DTH11原理圖</p><p>　　圖3.21 DTH11實(shí)物圖</p><p>

85、;<b>　　3.5報(bào)警電路</b></p><p>　　報(bào)警電路比較簡(jiǎn)單，具體原理圖和實(shí)物圖如下圖所示。在本設(shè)計(jì)中，當(dāng)整個(gè)充電器溫度超過(guò)警戒值后便進(jìn)行報(bào)警。</p><p>　　圖3.22 蜂鳴器電路原理圖</p><p>　　圖3.23 蜂鳴器模塊實(shí)物圖</p><p><b>　　3.6本章小結(jié)</

86、b></p><p>　　本章主要實(shí)現(xiàn)了對(duì)硬件電路的設(shè)計(jì)。硬件電路包含了單片機(jī)電路、電源電路、電壓采集電路、溫度采集電路、報(bào)警電路。實(shí)現(xiàn)的主要功能是為鋰電池組提供12.6V的穩(wěn)定直流充電電壓，能通過(guò)單片機(jī)的ADC功能采集電池組的電壓數(shù)據(jù)，從而根據(jù)電壓與電池容量的關(guān)系表判斷出電池組的剩余電池容量，能采集溫度數(shù)據(jù)為報(bào)警電路提供判斷依據(jù)。</p><p><b>　　4 軟件設(shè)計(jì)

87、與實(shí)現(xiàn)</b></p><p>　　鋰電池充電器的軟件設(shè)計(jì)是以硬件電路為基礎(chǔ)，并以功能需求為依據(jù)，最終明確軟件設(shè)計(jì)的整體方案和具體實(shí)現(xiàn)。以單元檢測(cè)為思想，將整個(gè)軟件部分模塊化。每一模塊對(duì)應(yīng)單一的功能。并進(jìn)行單獨(dú)的設(shè)計(jì)、編程和調(diào)試，最后再將各個(gè)模塊組合測(cè)試、修改，最后實(shí)現(xiàn)整個(gè)軟件設(shè)計(jì)的全部功能。</p><p><b>　　4.1軟件開(kāi)發(fā)環(huán)境</b><

88、/p><p>　　4.1.1 Qt5.4集成開(kāi)發(fā)環(huán)境</p><p>　　Qt是一個(gè)廣泛用于開(kāi)發(fā)GUI程序的跨平臺(tái)的C++應(yīng)用程序開(kāi)發(fā)框架，其又被稱為部件工具箱。其特點(diǎn)是內(nèi)含信號(hào)和槽機(jī)制，為界面和邏輯代碼層提供了便利的編寫(xiě)機(jī)制。Qt5.4版本集成了項(xiàng)目瀏覽工具、C++代碼編輯器、qmake開(kāi)發(fā)工具鏈等開(kāi)發(fā)工具。</p><p>　　4.2單片機(jī)程序設(shè)計(jì)</p>

89、;<p>　　4.2.1 整體設(shè)計(jì)邏輯概述</p><p>　　單片機(jī)采用的是STM32F103。本設(shè)計(jì)要用到單片機(jī)的GPIO口、USART、定時(shí)器等資源。硬件層的I/O分配表如表4.1，驅(qū)動(dòng)層的API表如表4.2所示，整個(gè)單片機(jī)程序的邏輯流程圖如圖4.1所示。單片機(jī)控制模塊包括溫度數(shù)據(jù)采集模塊、電壓數(shù)據(jù)采集模塊等。</p><p>　　單片機(jī)控制模塊初始化，創(chuàng)建各項(xiàng)工作任務(wù)

90、，中斷程序處理等。硬件環(huán)境初始化包括IO控制端口初始化，定時(shí)時(shí)鐘初始化，AD初始化等。要實(shí)現(xiàn)的是將采集到的數(shù)據(jù)通信給上位機(jī)，同時(shí)在單片機(jī)邏輯判斷中，要判斷溫度和電壓是否超過(guò)警戒值，如果超過(guò)就要及時(shí)報(bào)警和控制充電電源電路斷開(kāi)。</p><p>　　表4.1硬件層的I/O分配表</p><p>　　表4.2驅(qū)動(dòng)層的API表</p><p>　　圖4.1 邏輯流程圖<

91、;/p><p>　　4.2.2 電壓、溫度數(shù)據(jù)采集</p><p>　　單片機(jī)采用ADC資源進(jìn)行采集電壓。STM32F103中的ADC功能是12位的，精準(zhǔn)度達(dá)到設(shè)計(jì)要求，為了使讀取的電壓數(shù)據(jù)更加準(zhǔn)確，本設(shè)計(jì)采集4路電壓數(shù)據(jù)，然后進(jìn)行平均，并將電壓數(shù)據(jù)以一秒為周期通信給上位機(jī)，上位機(jī)通過(guò)開(kāi)路電壓法進(jìn)行計(jì)算出電池組的剩余電池容量，同時(shí)單片機(jī)中的主函數(shù)對(duì)所采集的電壓數(shù)據(jù)進(jìn)行判斷，作為繼電器，蜂鳴器工

92、作的邏輯依據(jù)。溫度采集用的是DTH11，根據(jù)DTH11的工作原理，通過(guò)驅(qū)動(dòng)程序接口讀取溫度數(shù)據(jù)。本設(shè)計(jì)中設(shè)定1s讀取一次溫度數(shù)據(jù)，同時(shí)將數(shù)據(jù)上傳給上位機(jī)進(jìn)行處理。</p><p>　　4.3上位機(jī)軟件程序設(shè)計(jì)</p><p>　　4.3.1 整體設(shè)計(jì)概述</p><p>　　上位機(jī)整體設(shè)計(jì)思路是先分別建立三個(gè)Qt工程，串口通信工程、充電器工程、溫度數(shù)據(jù)處理工程，分別

93、搭好這三個(gè)工程的框架后，再建立一個(gè)總的工程，并將之前的三個(gè)工程提升為總工程中的子工程。本軟件設(shè)計(jì)中將下位機(jī)采集到的數(shù)據(jù)通過(guò)信號(hào)與槽機(jī)制，最后在充電器界面的LCD模擬部件中顯示出來(lái)。該工程將接收到的電壓數(shù)據(jù)，在做計(jì)算后，得出電池的剩余電量，最后以百分比的形式在充電器界面的LCD模擬部件中顯示出來(lái)。同時(shí)該UI界面還顯示目前的時(shí)間和充電的時(shí)間。</p><p>　　4.3.2 程序邏輯流程圖</p>&l

94、t;p>　　圖4.2 程序邏輯流程圖</p><p>　　4.3.3 UI界面</p><p>　　上位機(jī)軟件設(shè)計(jì)將串口通信工程、充電器工程、溫度數(shù)據(jù)處理工程提升后，運(yùn)行后的軟件界面如下三圖所示。串口工程界面設(shè)置了串口配置項(xiàng)，包括串口號(hào)、波特率、校驗(yàn)位、數(shù)據(jù)位和停止位，同時(shí)放置了小的窗口部件用以顯示串口信息和串口發(fā)送的數(shù)據(jù)。充電器工程界面條形顯示部件用以顯示當(dāng)前的時(shí)間和充電使用的時(shí)間

95、。同時(shí)還放置了兩個(gè)LCD部件用以顯示接受的溫度數(shù)據(jù)和將電壓數(shù)據(jù)處理為電池剩余容量的數(shù)據(jù)。溫度數(shù)據(jù)處理工程，是將串口傳來(lái)的溫度數(shù)據(jù)接受到，同時(shí)將對(duì)應(yīng)的時(shí)間也一塊放到坐標(biāo)系中，動(dòng)態(tài)的顯示溫度數(shù)據(jù)，最終形成一條曲線。</p><p>　　圖4.3 串口通信界面</p><p>　　圖4.4 充電工程界面</p><p>　　圖4.5 溫度數(shù)據(jù)處理界面</p>

96、<p>　　4.4 上下位機(jī)的通信設(shè)計(jì)</p><p>　　4.4.1 通信協(xié)議概述</p><p>　　上下位機(jī)通過(guò)串口通信，通信協(xié)議代碼的具體流程圖在下面有介紹。</p><p>　　4.4.2 上下位機(jī)通信流程圖</p><p>　　上下位機(jī)通信的流程圖如下圖4.6所示。</p><p>　　圖4.6

97、上下位機(jī)通信流程圖</p><p><b>　　4.5 本章小結(jié)</b></p><p>　　本章主要完成了軟件設(shè)計(jì)介紹和實(shí)現(xiàn)。著重介紹了單片機(jī)程序設(shè)計(jì)思路、上位機(jī)軟件設(shè)計(jì)思路和上下位機(jī)的通信機(jī)制。通過(guò)對(duì)應(yīng)的流程圖比較清晰的說(shuō)明的設(shè)計(jì)思路。</p><p><b>　　5 調(diào)試與分析</b></p><

98、p>　　鋰電池充電器的軟件設(shè)計(jì)是以硬件電路為基礎(chǔ)，并以功能需求為依據(jù)，最終明確軟件設(shè)計(jì)的整體方案和具體實(shí)現(xiàn)。以單元檢測(cè)為思想，將整個(gè)軟件部分模塊化。每一模塊對(duì)應(yīng)單一的功能。并進(jìn)行單獨(dú)的設(shè)計(jì)、編程和調(diào)試，最后再將各個(gè)模塊組合測(cè)試、修改，最后實(shí)現(xiàn)整個(gè)軟件設(shè)計(jì)的全部功能。</p><p><b>　　5.1充電電路檢測(cè)</b></p><p>　　圖5.1顯示的是充電

99、電源電路，由變壓器、電橋、電解電容電路和TL494控制的開(kāi)關(guān)電源電路組成。在進(jìn)行該模塊電路檢測(cè)時(shí)，通過(guò)連接以上電路，在輸出端串聯(lián)三個(gè)參數(shù)為20W、10Ω水泥電阻，同時(shí)接上電壓表和示波器。</p><p>　　圖5.1充電電路檢測(cè)圖</p><p>　　圖5.2清楚的顯示出該電路輸出端連接示波器后顯示出的波形，通過(guò)波形能明顯的看書(shū)，整個(gè)電路能將家用的220V交流電通過(guò)變壓、整流、濾波、降壓后

100、輸出穩(wěn)定的18V直流電。同時(shí)調(diào)節(jié)TL494電路中的電位器能控制輸出的電壓。</p><p>　　圖5.2充電電路波形圖</p><p><b>　　5.2溫度電路檢測(cè)</b></p><p>　　圖5.4顯示的是整個(gè)充電器電路，包括TL494控制的電源模塊、單片機(jī)對(duì)應(yīng)的控制電路、上位機(jī)UI界面模塊。在檢測(cè)中通過(guò)學(xué)生電源代替電池，通過(guò)調(diào)節(jié)學(xué)生電源

101、輸出電壓來(lái)模擬電池充電。因?yàn)槌潆娖髟O(shè)計(jì)的是為12V的電池組充電，所以對(duì)應(yīng)的學(xué)生電源輸出電壓變化范圍在10.74V到12.6V。溫度檢測(cè)電路通過(guò)傳感器檢測(cè)到數(shù)據(jù)后一邊用于單片機(jī)內(nèi)比較警戒值，一邊通信給上位機(jī)，并在界面中顯示出來(lái)如圖5.3所示。</p><p>　　圖5.3溫度電路檢測(cè)圖</p><p>　　圖5.4整個(gè)設(shè)計(jì)實(shí)物圖</p><p><b>　　

102、5.3電壓電路檢測(cè)</b></p><p>　　電壓電路是通過(guò)利用單片機(jī)中的片內(nèi)ADC資源檢測(cè)電路電壓，由于所要檢測(cè)的電壓超出ADC采集電壓的上限5V，所以該電路利用電阻進(jìn)行分壓，將要采集的電壓通過(guò)分壓后控制在5V內(nèi)。采集到的電壓會(huì)在單片機(jī)的程序中做比較如果超出12.6V，單片機(jī)會(huì)控制繼電器工作，斷開(kāi)充電電源。在電壓未達(dá)到該數(shù)值時(shí)，該數(shù)據(jù)都會(huì)通信給上位機(jī)，通過(guò)比對(duì)電壓與SOC值表，從而確定SOC值，并

103、在UI界面中顯示出來(lái)。具體如圖5.5、圖5.6、圖5.7所示。</p><p>　　圖5.5電壓電路檢測(cè)圖一</p><p>　　圖5.6電壓電路檢測(cè)圖二</p><p>　　圖5.7電壓電路檢測(cè)圖三</p><p>　　5.4充電器運(yùn)行檢測(cè)</p><p>　　圖5.8顯示的是整個(gè)充電器電路，包括TL494控制的電源

104、模塊、單片機(jī)對(duì)應(yīng)的控制電路、上位機(jī)UI界面模塊。此時(shí)充電器正在工作，傳感器檢測(cè)到的溫度是25℃，檢測(cè)到學(xué)生電源輸出的12V，在界面上顯示的的充電量時(shí)90%。</p><p>　　圖5.8 充電器運(yùn)行檢測(cè)圖</p><p><b>　　5.5 本章小結(jié)</b></p><p>　　本章主要將硬件和軟件結(jié)合后一起運(yùn)行、調(diào)試，最終實(shí)現(xiàn)的本設(shè)計(jì)給鋰電池

105、組充電的功能。在調(diào)試中，還發(fā)現(xiàn)本設(shè)計(jì)中的一些不足，比如上下位機(jī)通信過(guò)程中，單片機(jī)容易死機(jī)等問(wèn)題，這有待以后去研究。</p><p><b>　　6 總結(jié)與展望</b></p><p>　　本文實(shí)現(xiàn)了基于單片機(jī)的智能充電器的設(shè)計(jì)。對(duì)于開(kāi)關(guān)電源資料、單片機(jī)資料、Qt開(kāi)發(fā)資料的學(xué)習(xí)和實(shí)際應(yīng)用，我對(duì)智能充電器的設(shè)計(jì)有了豐富的了解。課題研究了TL494控制的開(kāi)關(guān)電源電路，STM

106、32單片機(jī)控制的數(shù)據(jù)采集和控制電路，Qt開(kāi)發(fā)平臺(tái)上設(shè)計(jì)的UI界面。本文主要做的研究工作如下:</p><p>　　TL494控制的開(kāi)關(guān)電源電路為所要充電的電池組提供了恒壓輸出的直流電。在設(shè)計(jì)之初，通過(guò)比對(duì)線性電源和開(kāi)關(guān)電源兩種方案最終確定了開(kāi)關(guān)電源為本設(shè)計(jì)的電源電路。同時(shí)比較了恒壓充電和恒流充電兩種充電方式，最后確定了恒壓充電。采用開(kāi)關(guān)電源和恒壓充電能提高電池的使用壽命。</p><p>

107、　　單片機(jī)控制的電路，采用傳感器讀取充電器的ADC功能采集電壓數(shù)據(jù)和選擇開(kāi)路電壓法估算SOC，能估算出電池組的電池剩余容量。同時(shí)通過(guò)傳感器采集溫度數(shù)據(jù)之后與警戒值進(jìn)行比較，如果溫度超過(guò)警戒值便通過(guò)蜂鳴器報(bào)警，同時(shí)繼電器工作，充電器停止充電，經(jīng)過(guò)調(diào)試，此模塊能實(shí)現(xiàn)這些功能。</p><p>　　通過(guò)Qt設(shè)計(jì)的上位機(jī)軟件，能通過(guò)串口通信接受單片機(jī)采集到的溫度數(shù)據(jù)和SOC數(shù)據(jù)并能在UI界面上顯示出來(lái)。經(jīng)過(guò)調(diào)試該模塊能正

108、常工作。</p><p>　　由于時(shí)間和現(xiàn)有實(shí)驗(yàn)條件的限制，本設(shè)計(jì)還有許多要改進(jìn)和加強(qiáng)的方面。在充電方法的選擇上，由于能力所限，便選擇了恒壓充電，沒(méi)能選更好的充電算法；在上下位機(jī)通信方面，雙向通信，單片機(jī)容易崩潰；由于時(shí)間有限還沒(méi)有熟練的將Qt開(kāi)發(fā)的工程交叉編譯運(yùn)行在ARM板上。</p><p><b>　　參考文獻(xiàn)</b></p><p>　

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