德国阳光蓄电池安装说明及其工作原理

1、黑龙江大学剑桥学院毕业论文（设计） I 摘 要 随着电子技术日新月异的发展，人们开始越来越多地使用便携式设备，为满足对 便携式电源的新要求，铅酸蓄电池因为维护简单、价格低廉、供电可靠、使用寿命长， 广泛用作汽车、飞机、轮船等机动车辆或发电机组的启动电源。也在各类需要不间断 供电的电子设备和便携式仪器仪表中用作一些电器及控制回路的工作电源。蓄电池使 用寿命的长短直接影响了电池的性能等方面，所以铅酸蓄电池的使用寿命尤为重要。 蓄电池的智能充电技术是蓄电池行业广泛关注的课题，是影响充电质量及电池寿 命的关键因素之一，相关技术的研究具有很高的实用价值。本文针对铅酸蓄电池的容 量智能充电技术开展研究工作

2、，介绍一种基于单片机的智能充电器的硬件和软件实现 。 主要包括蓄电池充电方法比较选择，电路的具体设计，适合大多数的人们使用。 该充电器可以实时采集和显示电池的容量 ，并进行智能控制 ，根据不同的电池调 整充电策略。 实验证明 ，该设计具有数字化、 智能化 、 通用化和低功耗的特点。 关键词 铅酸蓄电池 智能充电 51 单片机 黑龙江大学剑桥学院毕业论文（设计） II Abstract With the development of technological change, growing use of portable equipment, to meet the new portable

3、power demand, the battery for maintaining a simple and low prices, power supply reliability and durability, widely used in cars, aircraft and ships to wait for a motor vehicle or the start the current. In the various needs uninterrupted supply of electronic equipment and portable instruments used in

4、 making some electrical and control circuit of the work of the electricity supply. The battery life of the direct impact on the performance, so the battery is facing. The intelligent charging technique is a subject which has been widely in the industry of battery. It is one of the key factors which

5、affect the charging quality and battery life, the research of related technique has high practical value【11】. This paper concentrates efforts on studying high-capacity intelligent charging technique for lead-acid, Introduce a revivification of the chargers hardware and software. Mainly include the c

6、omparison and selection of the charging methods, the research of charging algorithm and the design of charging system. The charger time collecting and displays the arguments and intelligent control and through the string mouth and upper, and real-time communications, to recharge the batteries. Exper

7、iments proved that the design of digitalization and intelligent, universal and low characteristics【12】. Keyword Lead-acid battery Intelligent-charging 51 Sing-chip Microcosm 黑龙江大学剑桥学院毕业论文（设计） 目 录 摘 要I Abstract II 第 1 章 绪论1 1.1 课题背景1 1.2 充电技术的发展2 1.3 铅酸蓄电池充电器的要求及市场需求2 1.4 本文主要研究的内容3 第 2 章 铅酸蓄电池的简介4 2

8、.1 铅酸蓄电池的发展历史4 2.2 铅酸蓄电池的市场4 2.3 铅酸蓄电池的工作原理5 2.4 铅酸蓄电池的主要用途5 2.5 铅酸蓄电池充电电压与电池电量恢复的关系6 第 3 章 铅酸蓄电池充电方法比较7 3.1 恒流充电7 3.2 阶段充电法8 3.3 几种快速充电技术9 3.3.1 脉冲式充电法9 3.3.2 变电流间歇充电法9 3.3.3 变电压间歇充电法10 3.4 恒压充电10 第 4 章 硬件设计12 4.1 整压稳流电路设计12 4.1.1 LM317 稳压管的简介13 4.1.2 LM317 稳压管的性能14 4.2 单片机及驱动电路电源的设计14 4.2.1 AT89C2

9、051 单片机的介绍17 4.2.2 AT89C2051 单片机的主要性能20 4.2.3 AT89C2051 单片机的软硬件开发20 4.2.4 AT89C2051 单片机的性价比21 4.3 显示电路21 4.3.1 DM7447 简介22 4.3.2 数码管25 4.3.3 七段译码器与数码管的链接和显示26 第 5 章 软件设计28 黑龙江大学剑桥学院毕业论文（设计） I 5.1 主程序的设计28 5.2 定时显示子程序的设计30 总 结31 致 谢32 参考文献33 附录 1 总电路图34 附录 2 软件程序35 黑龙江大学剑桥学院毕业论文（设计） - 0 - 第 1 章 绪论 1.

10、1 课题背景 目前铅酸蓄电池运用于各个行业中，如目前流行的电动自行车，电瓶车，工业上 的自动引导车，机器人等等。电池的使用量很大。而对于铅酸蓄电池来说，使用方法 得当，其使用寿命甚至可以达到20年。但实际情况却是很多铅酸蓄电池使用几年甚至 一两年就报废了，纠其原因就在于铅酸蓄电池的使用过程中存在很多不当之处，比如 长期过充电状态，放电过度，充电电流过大，长期不满电等都会降低铅酸蓄电池的使 用寿命。如果改善了充电器，并能活化蓄电池，延长使用寿命，将能节约大量资源和 能源，并能降低废旧电池的处理压力，保护环境。 目前市场上常见的各种二次电池的主要性能比较如表 1-1 所示。对于镍氢电池、 锂离子电

11、池等能量密度高的蓄电池，对其充电的要求不是很严格，而能量密度相对低 一点但价格便宜的铅酸蓄电池，充电要求则很严格。 表 1-1 各种常用二次电池主要性能表 电池 类型 电压 （V） 能量体积比 （Wh/kg） 能量体积 比 （Wh/L） 功率质量 比 （W/kg） 功率体积 比 （W/L） 自放电 （%） 循环寿命 （次） 镍氢 电池 1.26022013047530300600 铅酸 电池 2.0357020040045250500 镉镍 电池 1.24060601001402202203601020300700 锂离 子电 池 3.61152602002504005005105001000

12、 中企建业电源系统（北京）有限公司是 OTP 蓄电池的高级认证代理商，同时也是法国 黑龙江大学剑桥学院毕业论文（设计） - 1 - 施耐德旗下的 APC 中国区高级认证合作伙伴。主要为客户提供重要机房设备电 力保障 服务(产品涵盖：蓄电池，UPS 电源，网络机柜，配电产品和机房空调等)，与各大 IT 厂商都有深入合作，包括：IBM、HP、思科、联想、TP- LINK、神州数码、长虹佳华、 西门子、索尼、三星电子等;公司十年磨剑，为多个重要行业客户近百家大型集团企业 提供长期贴心服务! 我们中企建业公司人员组成80%为大学专科以上学历，公司员工40多人(不含外地 分支机构)，其中技术服务人员9人

13、，管理人员6人,后勤保障人员8人。 未来的我们将一如既往的为用户提供高品质的产品，以认真、负责、专业、高效 的服务回报广大用户的厚爱! 本公司专业提供高质量的 ups 电源、EPS 电源、山特 ups、山顿 ups 电源、艾默生 ups、梅兰日兰 ups、apc ups、及松下电池、阳光电池、大力神电池、汤浅电池、冠军 电池、otp 电池、GNB 电池、博尔特电池、OTO 电池、山特电池、星怡电池、APC 电池 及 eps 电池等。凡用户在本公司购买的 ups 电源设备，主机均享有三年的免费保修服 务，电池享有三年免费保换服务。且在满足使用环境和使用条件及按规范操作的情况 下，对 UPS 发生

14、故障和器件损坏等意外情况时，对损坏的器件和故障进行免费的更换 和检修维护。 公司设有专门的技术服务中心，负责对用户进行免费的售前方案确定设备选型， 场所安装，动力电源容量确定及现场培训等技术的咨询服务及售后与 UPS 有关的技术 咨询服务；并具有迅速响应的售后维护检修的能力。 我们是集销售、安装、维修服务于一体的公司，以高效率的工作方式及良好的商 业道德认真对待每一位客户，真正让每一位客户无任何后顾之忧。 本公司将给您提供最详尽的技术指导及最完善的售后服务。欢迎来电垂询：86-我公司坐落于中国首都北京中关村高科技产业基地，我公司是一家专业 提供：德国阳光蓄电池、沈阳

15、松下蓄电池、美国大力神蓄电池、广东志成冠军蓄电池、 日本汤浅蓄电池、加拿大山顿蓄电池、GNB 蓄电池、韩国星怡电池、奥克松蓄电池、博 尔特蓄电池、OTO 蓄电池、直流屏蓄电池、胶体蓄电池、等高质量的蓄电池。UPS 不间 断电源产品销售、UPS 电源产品个性化定制服务于一体的专业化不间断。是专门为银行， 保险，邮电,石油，电力，航空，铁路，国税等系统用户提供电源产品和服务的公司。 公司拥有完善的售前、售后服务体系，公司拥有一支多年从事 UPS 电源和蓄电池 的营销及技术的工作队伍，公司成立开始，就以诚实经营，高质服务作为立足之 本。一方面积极开拓市场，紧跟信息产业的发展潮流，不断增强公司的技术实

16、力。同 时大力加强公司内部管理，提高员工的整体素质，树立公司的良好形象.集 UPS 电源与 铅酸免维护蓄电池一站式采购中心，公司成立于，是一家致力于 UPS 电源，山特 UPS 电源，艾生 UPS 电源，APC UPS 电源，梅兰日兰 UPS 电源等系列 UPS 电源厂家授权总代 理，沈阳松下蓄电池，赛特蓄电池华北区总代理，阳光蓄电池北京销售处。我们以优 良的服务，完善的售后，赢得广大客户的赞许。北京市海淀区政府多次授予我公司 黑龙江大学剑桥学院毕业论文（设计） - 2 - “先进单位” “质量信得过单位”北京市政府指定供应商。 蓄电池的使用寿命是专业人员及使用人员普遍关注的问题，其由多方面因

17、素决定， 其中最重要的是蓄电池本身的物理性能。除此之外，电池的管理技术、不合理的充放 电模式是造成电池寿命缩短的主要原因。国内外多年来的实践证明:免维护铅酸电池浮 充电压偏差 5%，电池的浮充寿命将减少一半。据统计，在我国，从日渐普及的电动自 行车用蓄电池组到航天用蓄电池组，都不同程度的存在着因充电不当，蓄电池组的使 用寿命达不到设计寿命的问题，许多蓄电池的实际使用寿命还不到设计寿命的一半， 造成了很大的浪费。 实践证明，要保证铅酸蓄电池的使用寿命，铅酸蓄电池的正确充电方法是非常重 要的。通常用专用芯片来制作蓄电池充电器，但是它的缺点是只能给专用的蓄电池充 电，其通用性不强。还有用模拟电路和数

18、字电路搭建而成的铅酸蓄电池充电器，但其 完成功能达不到蓄电池充电器的预期效果。本文利用 51 单片机与模拟电路相结合来完 成给铅酸蓄电池充电。因为用 51 单片机和模拟电路相结合的铅酸蓄电池充电器在电路 性能，工作可靠性和体积方面都表现的很好。也可以根据实际需要，很容易应用于低、 中和大型功率铅酸蓄电池的充电电路应用场合。 1.2 充电技术的发展 随着蓄电池的发展，充电技术也在不断更新。充电技术的更新不仅满足了对新型 电池的充电要求，更重要的是提高了充电的质量，延长了蓄电池的使用寿命。 传统的充电技术，都是人工控制充电过程，没有采用动态跟踪电池的实际可接受 充电电流的大小，不仅造成充电时间过长

19、，而且大多存在严重的过充现象，直接影响 蓄电池的技术状态和使用寿命，远不能适应现代生产和生活的需要。 针对传统充电方法充电缓慢、安全性能不好等缺点，目前国内外陆续提出了一些 新型的充电方法，如脉冲式充电法、定化学反应状态法、变电流间歇/定电压充电法、 电压间歇充电法等。这些充电方法的原理绝大多数都是在传统方法的基础上加以改进， 以便使其充电电流能够更好逼近蓄电池的可接受充电电流曲线。 1.3 铅酸蓄电池充电器的要求及市场需求 黑龙江大学剑桥学院毕业论文（设计） - 3 - 铅酸蓄电池在直接供电和备用供电的应用场合得到了广泛的应用，为了充会发挥 铅酸蓄电池的作用，充电器电路在给铅酸蓄电池充电的过

20、程中，应给铅酸蓄电池充足 电，要尽量避免铅酸蓄电池的过充电，从而延长铅酸蓄电池的使用寿命。 铅酸蓄电池充电器对电压和电流的要求很高。电压过高会造成蓄电池过渡充电， 并改变电解液的浓度，直接影响蓄电池的循环使用寿命。电压过低则会造成充电不能 充满，降低蓄电池的放电使用时间，长期充电都处于这种状态下，将会使极板硫化， 造成不可恢复性的损伤。充电电流过大，电池内部的散热不能解决，会造成蓄电池爆 裂。电流过小充电时间会延长，使用效率降低。所以合理的充电电流和电压非常的重 要。 目前市场上使用的所谓智能充电器，大多数都属于简易型的，不能对蓄电池的容 量进行检测，并不是严格意义上的智能式充电器，据相关部门

21、统计资料显示，市场上 85%以上的充电器存在严重的质量隐患。这些充电器往往充电电流过小，充电电压不 稳定，充电时间过长，导致蓄电池内部出现极化、硫化结晶等现象，致使充电容量达 不到要求，大大降低了蓄电池的正常使用寿命。 当今功能完善、价格适中的铅酸蓄电池充电器很缺乏，所以我们设计的利用 51 单 片机和模拟电路相结合的铅酸蓄电池充电器比较适用，它可以实现对铅酸蓄电池的容 量进行测量，充电计时全部自动化，而且可以对不同容量的铅酸蓄电池进行充电。完 全智能化。 1.4 本文主要研究的内容 本文就研制智能蓄电池充电器开展相关工作，主要内容为： 1在对铅酸蓄电池充电原理和目前各种充电方法的研究基础上，

22、提出了适合大多 数铅酸蓄电池使用的充电方案。 2对铅酸蓄电池充电的控制技术进行了探讨，在设计中，采用了电池的电流控制、 定时控制等功能的综合控制法。 3进行了系统的硬件设计，包括主电路和控制电路的设计。其中用最简单、熟悉 的 51 单片机和继电器控制定时和充满时自动断电。使充电器完全的自动化，智能化。 4再进行系统的软件设计，包括主程序和定时显示程序。利用汇编语言编程，使 黑龙江大学剑桥学院毕业论文（设计） - 4 - 数码管在定时时间到时显示电池的容量。让人们了解此时电池的充电情况。 第 2 章 铅酸蓄电池的简介 电瓶也叫蓄电池，蓄电池是电池的一种，它的工作原理就是把化学能转化成电能。 通常

23、，人们所说的电瓶是指铅酸蓄电池。即一种主要由铅及其氧化物制成的，电解液 是硫酸溶液的蓄电池。 2.1 铅酸蓄电池的发展历史 铅酸蓄电池是 1859 年由普兰特(Plante)发明的，至今已有一百五十年的历史。铅酸 蓄电池自发明后，在化学电源中一直占有绝对优势。这是因为其原材料易于获得，价 格低廉，使用上有充分的可靠性，适用于大电流放电及广泛的环境温度范围等优点。 到 20 世纪初，铅酸蓄电池历经了许多重大的改进，提高了能量密度、循环寿命、 高倍率放电等性能。 2.2 铅酸蓄电池的市场 铅酸蓄电池是目前世界上广泛使用的一种化学“电源”，具有电压平稳、安全可 靠、价格低廉、适用范围广、原材料丰富和

24、回收再生利用率高等优点，是世界上各类 电池中产量最大、用途最广的一种电池，它所消耗的铅占全球总耗铅量的 82。 目前中国的铅酸蓄电池的消费结构如下： 通过研究发现：目前蓄电池消费主要集中在汽车和摩托车市场，两者占据大多数 比重，消费份额为 74；电动自行车其次为 8；出口占据 7的消费份额，其他的占 据余下的 11。不过随着我国汽车和摩托车的保有量进一步的扩大，以及国家主要城 市对电动自行车行驶的解禁，这将进一步刺激铅酸蓄电池产品在该领域的消费。 黑龙江大学剑桥学院毕业论文（设计） - 5 - 我国铅酸蓄电池行业经过 50 年的建设与发展，已基本形成了大中小型企业相结合， 具有一定规模的制造体

25、系，“八五”计划后期，铅酸蓄电池行业发展稳定，产品档次 和水平有了明显提高，产量呈上升趋势。进入“九五”计划后，随着我国改革开放进 一步向纵深发展，能源、交通和通讯等支柱产业飞速发展，主要用于汽车、摩托车、 电力、通讯等产业的铅酸蓄电池进入蓬勃发展时期，市场不断扩大。 2.3 铅酸蓄电池的工作原理 铅酸蓄电池用填满海绵状铅的铅板作负极，填满二氧化铅的铅板作正极，并用 22%28的稀硫酸作电解质。在充电时，电能转化为化学能，放电时化学能又转化 为电能。电池在放电时，金属铅是负极，发生氧化反应，被氧化为硫酸铅；二氧化铅 是正极，发生还原反应，被还原为硫酸铅。电池在用直流电充电时，两极分别生成铅 和

26、二氧化铅。移去电源后，它又恢复到放电前的状态，组成化学电池。铅蓄电池是能 反复充电、放电的电池，叫做二次电池。它的电压是 2V，通常把三个铅蓄电池串联起 来使用，电压是 6V。汽车上用的是 6 个铅蓄电池串联成 12V 的电池组。普通铅蓄电池 在使用一段时间后要补充硫酸，使电解质保持含有 22%28的稀硫酸1。 铅酸蓄电池在充电过程中需注意两个问题：一是应使用铅酸蓄电池尽快充足电； 二是应补充由于铅酸蓄电池的自放电而减少的电量。 在铅酸蓄电池的充电过程中，硫酸铅被转换成了铅酸蓄电池负极板上的铅和正极 板上的二氧化铅，当铅酸蓄电池内的大部分硫酸铅被转变成铅和二氧化铅后，随之就 出现了铅酸蓄电池的

27、过充电现象，导致氢气和氧气的产生。如果铅酸蓄电池的充电迅 速率选的适当，则大部分的氢气和氧气在密封铅酸蓄电池内部再结合，但是在非密封 铅酸蓄电池中则会产生脱水现象。 2.4 铅酸蓄电池的主要用途 铅酸蓄电池产品主要有下列几种，其用途分布如下： 1、起动型蓄电池 主要用于汽车、摩托车、拖拉机、柴油机等起动和照明； 2、固定型蓄电池 黑龙江大学剑桥学院毕业论文（设计） - 6 - 主要用于通讯、发电厂、计算机系统作为保护、自动控制的备用电源； 3、牵引型蓄电池 主要用于各种蓄电池车、叉车、铲车等动力电源； 4、铁路用蓄电池 主要用于铁路内燃机车、电力机车、客车起动、照明之动力； 5、储能用蓄电池

28、主要用于风力、太阳能等发电用电能储存； 2.5 铅酸蓄电池充电电压与电池电量恢复的关系 通过检测铅酸蓄电池充电电压的办法可以检测铅酸蓄电池过充电的出现，图 2-1 所示为铅酸蓄电池以不同充电速率的电压和放电速率的电压及电量恢复的关系曲线。 从图 2-1 所示的铅酸蓄电池的充电电压与电池电量恢复的关系曲线可以看出，铅酸蓄 电池充电电压的突然上升点就是铅酸蓄电池过充电的起始点，并且当铅酸蓄电池的充 电率上升时，铅酸蓄电池过充电现象就出现的早些。 当铅酸蓄电池的电压突然急剧上升时，则表示出现了铅酸蓄电池的过充电现象， 而过充电点的出现位置和铅酸蓄电池的充电速率有关，当铅酸蓄电池的充电速率增加， 出现

29、铅酸蓄电池过充电时，电池的充电电量减少，铅酸蓄电池出现过充电点正好和它 充足电的时刻相对应。在铅酸蓄电池的大充电速率的应用场合，对密封铅酸蓄电池应 注意它的过充电问题，以确保铅酸蓄电池充足电，从图 2-1 所示的曲线可以看出，当 铅酸蓄电池的充电率上升时，铅酸蓄电池过充电现象就会出现的更早些。 黑龙江大学剑桥学院毕业论文（设计） - 7 - 图 2-1 铅酸蓄电池的充电电压与电池电量恢复的关系曲线 第 3 章 铅酸蓄电池充电方法比较 常规充电制度是依据 1940 年前国际公认的经验法则设计的。其中最著名的就是 “安培小时规则”：充电电流安培数，不应超过蓄电池待充电的安时数。实际上，常 规充电的

30、速度被蓄电池在充电过程中的温升和气体的产生所限制。这个现象对蓄电池 充电所必须的最短时间具有重要意义。 以下介绍铅酸蓄电池的几种充电方法。 3.1 恒流充电 恒流充电是指蓄电池充电时，采用分段恒流的方法进行充电，电流是通过调整充 电装置达到的2。如图 3-1 所示。该方法的主要特点是有较大的适应性，可任意选择和 调整充电电流。 铅酸蓄电池电压 放电铅酸蓄电池电量恢复百分 比 黑龙江大学剑桥学院毕业论文（设计） - 8 - 图 3-1 恒流充电曲线 所以可对各种不同情况及状态的蓄电池充电，特别适用于小电流长时间的充电模 式。对由多数电池串联的电池组充电，有利于容量恢复较慢的蓄电池的充电。 该方式

31、的不足是：开始阶段充电电流过小，在后期充电电流又过大，整个过程时 间长，析出气体多，对极板冲击大，能耗高，充电效率不超过 65%，充电时间均在 15h 以上。目前国外已很少使用此方法。 3.2 阶段充电法 此方法包括二阶段充电法和三阶段充电法。 1二阶段法采用恒电流和恒电压相结合的快速充电方法，如图 3-2 所示。首先， 以恒电流充电至预定的电压值，然后，改为恒电压完成剩余的充电。一般两阶段之间 的转换电压就是第二阶段的恒电压3。 图 3-2 二阶段充电曲线 黑龙江大学剑桥学院毕业论文（设计） - 9 - 2三阶段充电法在充电开始和结束时采用恒电流充电，中间用恒电压充电。当电 流衰减到预定值时

32、，由第二阶段转换到第三阶段。如图 3-3 所示。这种方法可以将出 气量减到最少，但作为一种快速电方法使用，受到一定的限制。 图 3-3 三阶段充电曲线 3.3 几种快速充电技术 为了能够最大限度地加快蓄电池的化学反应速度，缩短蓄电池达到满充状态的时 间，同时，保证蓄电池正负极板的极化现象尽量地少或轻，提高蓄电池使用效率。快 速充电技术近年来得到了迅速发展。 下面介绍目前比较流行的几种快速充电方法。这些方法都是围绕着最佳充电曲线 进行设计的，目的就是使其充电曲线尽可能地逼进最佳充电曲线。 3.3.1 脉冲式充电法 这种充电法不仅遵循蓄电池固有的充电接受率，而且能够提高蓄电池充电接受率， 从而打破

33、了蓄电池指数充电接受曲线的限制，这也是蓄电池充电理论的新发展。 脉冲充电方式首先是用脉冲电流对电池充电，然后让电池停充一段时间，如此循 环，如图 3-4 所示。充电脉冲使蓄电池充满电量，而间歇期使蓄电池经化学反应产生 的氧气和氢气有时间重新化合而被吸收掉，使浓差极化和欧姆极化自然而然地得到消 黑龙江大学剑桥学院毕业论文（设计） - 10 - 除，从而减轻了蓄电池的内压，使下一轮的恒流充电能够更加顺利地进行，使蓄电池 可以吸收更多的电量。间歇脉冲使蓄电池有较充分的反应时间，减少了析气量，提高 了蓄电池的充电电流接受率4。 图 3-4 脉冲式充电法 3.3.2 变电流间歇充电法 这种充电方法建立在

34、恒流充电和脉冲充电的基础上，如图 3-5 所示。其特点是将 恒流充电段改为限压变电流间歇充电段。充电前期的各段采用变电流间歇充电的方法， 保证加大充电电流，获得绝大部分充电量。充电后期采用定电压充电段，获得过充电 量，将电池恢复至完全充电态。通过间歇停充，使蓄电池经化学反应产生的氧气和氢 气有时间重新化合而被吸收掉，使浓差极化和欧姆极化自然而然地得到消除，从而减 轻了蓄电池的内压，使下一轮的恒流充电能够更加顺利地进行，使蓄电池可以吸收更 多的电量5。 图 3-5 变电流间歇充电法 3.3.3 变电压间歇充电法 在变电流间歇充电法的基础上又有人提出了变电压间歇充电法，如图 3-6 所示。 黑龙江

35、大学剑桥学院毕业论文（设计） - 11 - 与变电流间歇充电方法不同之处在于第一阶段的不是间歇恒流，而是间歇恒压。 图 3-6 变电压间歇充电法 3.4 恒压充电 恒压充电是对电池以某一恒定电压进行充电，并控制自动充电初期电流的充电方 式。它包括浮充充电及涓流充电。此法是对每只单体电池以某一恒定电压进行充电。 因此充电初期电流很大，随着充电进行，电流逐渐减小，在充电终期只有很小的 电流通过，这样在充电过程中就不必调整电流。如图 3-7 所示。 该方法较简单，因为充电电流自动减小，所以充电过程中析气量小，充电时间短， 能耗低，充电效率可达 80%，如充电电压选择得当，可在几小时内完成充电6。 图

36、 3-7 恒压充电的曲线 在铅酸蓄电池的充电过程中，为了确保它充足电，可以采用恒电压充电的方法。 适当地提高铅酸蓄电池的充电电压，但是又不能太高，以避免出现铅酸蓄电池过充电， 黑龙江大学剑桥学院毕业论文（设计） - 12 - 但是又足以补偿由于铅酸蓄电池的自放电而引起的铅酸蓄电池电量下降。所以要保持 铅酸蓄电池的充电电压不变是必要的。 结论：综上所诉，根据现今的市场需求，采用恒压充电的方式设计铅酸蓄电池充 电器,使其达到最佳的充电效果，避免会发生过充。利用 51 单片机与模拟电路结合的方 式自动控制充电，使其效果最佳，延长铅酸蓄电池的使用寿命。 第 4 章 硬件设计 本文是以 12V/4AH

37、的铅酸蓄电池为例说明充电器的充电原理。所以选用的铅酸蓄 电池的型号是 NT12-4。 充电器的供电通常采用的是模拟电源，其经济、实惠造价低，充电时电流一般小 于 1A。对于一般的铅酸蓄电池来说，其功率通常在 25W 以下,电流在 2A 以下。 黑龙江大学剑桥学院毕业论文（设计） - 13 - 本论文的硬件流程图如 图 4-1 所示： 整压稳流单片机显示电路 电池 220V 图 4-1 硬件流程图 4.1 整压稳流电路设计 铅酸蓄电池一般都有浮电。NT12-4 充电电压要求在 13.514.5 左右，所以通常取 15V，其功率为 15 V1A 0.25=3.75W。 220V 市电电压经变压器降

38、压获得滤波电压 U2(U2=18V)，经 VD1VD4 桥式整流 输出直流脉动电压，在输出端并联接上电容 C6。 电容 C6 容量的选择： 在实际工作中，为了得到比较好的滤波效果，常常根据下式来选择滤波电容的容 量（在桥式整流的情况下）： RC(35)T/2 （式 4-1） 式中 T 为电网交流电压的周期。由于电容值比较大，一般为几十到几千微法，通 常可选用电解电容器。所以根据我们的经验，我们选择 1000uF/24V 的电解电容。 稳压管 LM317 的作用是稳压，使稳压管的输出电压为 15V。在稳压管 LM317 的 1、2 端口上并联电阻 R2，其 R2 的作用是提高 LM317 输出地

39、精确度。在稳压管 LM317 的 1 端口上串联电阻 R1，R1 的作用在限流，防止可变电阻值为 0 时的输出电 压过高。R1 串联一个可变电阻 Rx。Rx 并联一个电阻 R3，R3 其作用是提高 Rx 的精确 度。C5 为滤波电容，当稳压器离电源滤波器有一定距离时 C5 是必要的7。电路如图 4-2 所示： 黑龙江大学剑桥学院毕业论文（设计） - 14 - 图 4-2 整压稳流电路 在图 4-2 中在稳压的部分使用了 LM317 稳压管，要对稳压管的特性加以了解。 下面介绍一下 LM317 稳压管的特性： 4.1.1 LM317 稳压管的简介 LM317 是美国国家半导体公司的三端可调稳压器

40、集成电路。国内和世界各大集成 电路生产商均有同类产品可供选用，是使用极为广泛的一类串连集成稳压器。 LM317 的输出电压范围是 1.2V 至 37V，负载电流最大为 1.5A。它的使用非常简 单，仅需两个外接电阻来设置输出电压。此外它的线性调整率和负载调整率也比标准 的固定稳压器好。LM317 内置有过载保护、安全区保护等多种保护电路。通常 LM317 不需要外接电容，除非输入滤波电容到 LM317 输入端的连线超过 6 英寸（约 15 厘米） 。 使用输出电容能改变瞬态响应。调整端使用滤波电容能得到比标准三端稳压器高的多 的纹波抑制比。LM317 能够有许多特殊的用法。比如把调整端悬浮到一

41、个较高的电压 上，可以用来调节高达数百伏的电压，只要输入输出压差不超过 LM317 的极限就行。 当然还要避免输出端短路。还可以把调整端接到一个可编程电压上，实现可编程的电 源输出。 4.1.2 LM317 稳压管的性能 LM317 主要特性： 1).可调整输出电压低到 1.2V； 黑龙江大学剑桥学院毕业论文（设计） - 15 - 2).保证 1.5A 输出电流； 3).典型线性调整率 0.01%； 4).典型负载调整率 0.1%； 5).80dB 纹波抑制比； 6).输出短路保护； 7).过流、过热保护； 8).调整管安全工作区保护； 9).标准三端晶体管封装； 10).1.25V 至 37

42、V 连续可调； 4.2 单片机及驱动电路电源的设计 采用的单片机是 AT89C2051 单片机，其原因是 AT89C2051 的内部有模拟比较器， 可以通过模拟比较器判断电压并控制电池是否充电。所以 AT89C2051 单片机非常重要。 R9，C1，SB1 等组成单片机的复位电路。复位电路分开机复位和手动复位两种模 式，按下 SB1 为手动复位。 C2，C3 和 B1 与 XTAL1，XTAL2 相连接，组成晶振电路。其连接如图 4-3 所示 黑龙江大学剑桥学院毕业论文（设计） - 16 - 图 4-3 AT89C2051 单片机连接电路 单片机用 5V 电源供电。稳压管 7805 的输出端接

43、继电器，继电器的输出端接 NPN 型三极管 8050，其中三极管中 =100。三极管的另一端接二极管 4148。二极管的作用 是因为 51 单片机 P3.7 口输出的低电平是 0.8V，加一个二极管可以防止三极管直接导 通。与继电器并联的二极管 1N4007 的作用是起保护作用的，如果有反向电流流过时， 电流流过二极管，从而保护了继电器。电阻 R20 是上拉电阻，其作用是增强带载能力8。 继电器、三极管 8050 组成控制器，并与 AT89C2051 单片机的 P3.7 口相连。继电 器可以控制与铅酸蓄电池相连的常闭开关。如果 P1.0 大于 P1.1 时，继电器常闭开关断 开，停止铅酸蓄电池

44、充电，证明铅酸蓄电池已经充满了。 稳压管 LM317T 输出接一个限流电阻 R4。其中 R4 的计算： R4=(15-12)1=3 （式 4-2） R4 的功率为 31A=3W。所以选 3/5W 的电阻。R4 的作用是防止电流过高。其 中铅酸蓄电池的最低电压为 12 V，所以 R4 的输出电压为 12V。 其连接如图 4-4 所示： 黑龙江大学剑桥学院毕业论文（设计） - 17 - 图 4-4 驱动电源的设计 R5 与稳压管相连，其稳压管的工作电流是 15mA，R5 与稳压管的基准电压为 3.2V，从而 R5 取 1.5k。稳压管是用 3.2V/0.5W。 R5 与稳压管之间引出接单片机 AT

45、89C2051 的 P1.1 口，作为单片机 AT89C2051 内 部比较器的基准电压，与 R6，R7 之间的电压进行比较。 R6，R7 的阻值计算： 153.2=R7R6 （式 4-3） 我们设 R6=5K，通过计算得 R6=25K。 在 R6 与 R7 之间引出接单片机 AT89C2051 的 P1.0 口。与其 P1.1 口进行比较。比 较的结果送单片机 AT89C2051 的 P3.6 口。 AT89C2051 在内部构造了一个模拟信号比较器，AT89C2051 的 P1.0 口和 P1.1 口 除了做 I/O 口外，还有个功能是作为模拟信号比较器的输入端，P1.0 为同相输入端，

46、P1.1 为反相输入端，模拟信号比较器的比较结果存入 P3.6 口对应的寄存器，P3.6 口在 AT89C2051 外部引脚9。 其连接如图 4-5 所示： 黑龙江大学剑桥学院毕业论文（设计） - 18 - 图 4-5 电压比较电路 在图 4-5 中 AT89C2051 为主要的芯片，对 AT89C2051 单片机作以下介绍。 4.2.1 AT89C2051 单片机的介绍 AT89C2051 是一种低电压、高性能的 8 位 CMOS 微型计算机。带 2K 字节的闪存 和可擦可编程只读存储器（EPROM） 。该器件应用爱特美尔（Atmel）的高密度非易失 性技术生产，与工业级 MCS51 架构组

47、相兼容。将一片通用的 8 位 CPU 与闪存集成在 单块芯片上，爱特美尔 AT89C2051 是一种功能强盛的微型计算机。它为许多嵌入式控 制提供了高灵活性低成本的解决方案。 AT89C2051 的引脚图如图 4-6 所示: 黑龙江大学剑桥学院毕业论文（设计） - 19 - 图 4-6 AT89C2051 的引脚图 AT89C2051 是一带有 2K 字节闪速可编程可擦除只读存储体(EEPROM)的低电压， 高性能 8 位 CMOS 微型计算机。它采用 ATMEL 的高密非易失存储技术制造并和工业 标准 MCS51 指令集和引脚结构兼容。通过在单块芯片上组合通用的 CPL1 和闪速存 储器。

48、AT89C2051 的引脚说明： AT89C2051 是一个有 20 个引脚的芯片，引脚如图 4-6 所示，与 8051 内部结构进 行对比可发现，AT89C2051 减少了两个对外端口（即 P0、P2 口） ，使它最大可能地减 少了对外引脚，因而芯片尺寸小。 AT89C2051 芯片的 20 个引脚功能为： 1V c c：电源电压。 2GND：地。 3 P1 口：P1 口是一个 8 位双向 I/O 口。口引脚 P1.2P1.7 提供内部上拉电阻。 P1.0 和 P1.1 要求外部上拉电阻。P1.0 和 P1.1 还分别作为片内精密模拟比较器的同相输 入（AIN0）和反相输入（AIN1） 。P

49、1 口输出缓冲器可吸收 20mA 电流并能直接驱动 黑龙江大学剑桥学院毕业论文（设计） - 20 - LED 显示。当 P1 口引脚写入“1”时，其可用作输入端。当引脚 P1.2P1.7 用作输入 并被外部拉低时，它们将因内部的上拉电阻而流出电流(IIL)。 P1 口还在闪速编程和程 序校验期间接收代码数据。 4 P3 口：P3 口的 P3.0P3.5、P3.7 是带有内部上拉电阻的七个双向 I/0 引脚。 P3.6 用于固定输入片内比较器的输出信号并且它作为一通用 I/O 引脚而不可访问。P3 口缓冲器可吸收 20mA 电流。当 P3 口引脚写入“1”时，它们被内部上拉电阻拉高并 可用作输入

50、端。用作输入时，被外部拉低的 P3 口引脚将用上拉电阻而流出电流(IIL)。 P3 口还用于实现 AT89C2051 特殊的功能，如图表 4-1 所示： 表 4-1 P3 口的特殊功能 口引脚功 能 特 性 P3.0 RXD（串行输入口） P3.1 TXD（串行输出口） P3.2（外中断 0） P3.3（外中断 1） P3.4 T0（定时/计数器 0 外部输入） P3.5 T1（定时/计数器 1 外部输入） P3 口还接受一些 Flash 闪速存储器编程和程序校验的控制信号。 5RST :复位输入。RST 引脚一旦变成两个机器周期以上高电平，所有的 I/O 口都 将复位到“1”（高电平）状态，

51、当振荡器正在工作时，持续两个机器周期以上的高电平 是可完成复位，每个机器周期为 12 个振荡周期。 6XTAL1：振荡器反相放大器及内部时钟周期发生器的输入端。 7XTAL2：振荡器反相放大器输入端。 振荡器特征： XTAL1，XTAL2 为片内振荡器的反相放大器的输入端和输出端，可采用石英晶体 火陶瓷振荡器组成时钟振荡，如需从外部输入时钟驱动 AT89C2051，时钟信号从 XTAL1 输入，XTAL2 应悬空。由于输入到内部电路时经过一个 2 分频触发器，所以 输入的外部时钟信号无需特殊要求，但它必须符合电平的最大和最小值及时序规范。 黑龙江大学剑桥学院毕业论文（设计） - 21 - 4.

52、2.2 AT89C2051 单片机的主要性能 主要特性： 1与 MCS51 产品兼容。 22K 字节可重编程闪存。 3耐久性：1000 次读/写周期。 4工作电压 2.7V 至 6V。 5全静态运行：0Hz 至 24MHz。 6两级程序锁存。 71288 位内部 RAM。 815 个可编程 I/O 口。 9两个 16 位定时器/计数器。 10六个中断源。 11可编程串行 UART（= Universal Asynchronous Receiver Transmitter 通用异步收 发器）通道。 12可直接驱动 LED 的输出。 13芯片级模仿比较器。 14低功耗空闲模式和微功耗模式（Powe

53、r-down mode） 。 4.2.3 AT89C2051 单片机的软硬件开发 89C2051 设计有 2 个程序保密位，保密位 1 被编程之后，程序存储器不能再被编 程除非做一次擦除，保密位 2 被编程之后，程序不能被读出。 AT89C2051 可以采用下面 2 种方法开发应用系统 ： 1由于 89C2051 内部程序存贮器为 Flash，所以修改它内部的程序十分方便 快捷，只要配备一个可以编程 89C2051 的编程器即可。调试人员可以采用程序编 辑-编译-固化-插到电路板中试验这样反复循环的方法，对于熟练的MCS-51 程序 员来说，这种调试方法并不十分困难。当做这种调试不能够了解片内

54、RAM 的内 容和程序的走向等有关信息。 2 将普通 8031/80C31 仿真器的仿真插头中 P1.0P1.7 和 P3.0P3.6 引出 来仿真 2051，这种方法可以运用单步、断点的调试方法，但是仿真不够真实，比如 ，2051 的内部模拟比较器功能， P1 口、P3 口的增强下拉能力等等。 黑龙江大学剑桥学院毕业论文（设计） - 22 - 4.2.4 AT89C2051 单片机的性价比 下面就目前国内全胜较多的两种单片机，讨论一下 2051 的性能价格比。 1与 80C31 系统相比较 如果需要构成一个 80C31 的最小系统的话，除了 CPU 之外，至少需要一片 27C64，而系统的有

55、效引脚和 89C2051 基本相同。从元器件的成本，电路板的面积和 加密性来看，使用 89C2051 都是合算的。 2与 PIC 单片机比较 目前，国内小型的单片机全胜较多的有 PIC 系列，89C2051 与 PIC 相对芯片比较 有如下特点： （1） 89C2051 的价格高于 PIC 的 OTP 型号，但大大低于 PIC 的 EPROM 型， 89C2051 片内不含 Watch Dog，这是 89C2051 的不足之处，中断系统堆栈结构、串等 通讯笔定时器系统都大大强于 PIC 系统。 （2）由于 PIC 芯片中无标准串等口，所以在单片机的联网应用上面，PIC 不太适 合。 （3） 与

56、 PIC 相比 2051 更适合于较复杂的应用场合，适合一些软件需要多次修改 的应用。 3应用 就目前中国市场的情况来看，89C2051 有很大的市场。其原因有下列几点： （1）51 采用的是 MCS51 的核心，十分容易为广大用户所接受； （2）2051 内部基本保持了 80C31 的硬件 I/O 功能； （3）2051 的 Flash 存贮器技术，可重复擦/写 1000 次以上，容易解闷调试手段； （4）适合小批量系统的应用，容易实现软件的升级。 4.3 显示电路 集成电路 7447、三个三极管和三只数码管等组成显示电路，它分时轮流选通数码 管公共端（这里是共阳极） ，使各个数码管轮流导通

57、即各数码管中的电流是脉冲电流， 这个方式下各数码管的字段线并联使用，从而简化了硬件电路，各个数码管虽然是分 时轮流通电的，但由于数码管的余辉特性和人的视觉暂留效应，所以当扫描频率足够 高时，并不觉得有闪烁现象。集成电路 7447 是片段译码器，把 BCD 码转换成字段码 黑龙江大学剑桥学院毕业论文（设计） - 23 - 供数码管显示10。AT89C2051 的 P1 高四位分时输出 3 个数码管要显示的数字。三极管 的作用是为了驱动数码管。电路如 4-7 所示： 图 4-7 译码显示电路 在图 4-7 路中使用了 DM7447 译码器和数码管，对这两种元件作以下介绍及其元 件间的连接。 4.3

58、.1 DM7447 简介 7447 芯片 BCD 七段显示器、译码器/驱动器： 工作电压 5V。常用的 BCD 对七段显示器译码器/驱动器之 IC 包装计有 TTL 之 7446、7447、7448、7449 与 CMOS 之 4511 等等。其中 7446、7447 必须使用共阳极 七段显示器，7448、7449、4511 等则使用共阴极七段显示器。 图 4-8 为 7447 集成电路译码器之引脚图与真值表如表 4-2。在正常操作时，当输 入 DCBA=0010 则输出 a b c d e f g=0010010。故使显示器显示“2” 。当输入 DCBA=0110 时，输出 a b c d

59、e g=1100000，显示器显示“6” 。 在 7447 中尚有 LT、RBI 与 BI/RBO 之控制脚，其功能分述如下： 该电路是由与非门、输入缓冲器和 7 个与或非门组成的 BCD-7 段译码器/驱动器。 通常是低电平有效，高的灌入电流的输出可直接驱动显示器。7 个与非门和一个驱动器 成对连接，以产生可用的 BCD 数据及其补码至 7 个与或非译码门。剩下的与非门和 黑龙江大学剑桥学院毕业论文（设计） - 24 - 3 个输入缓冲器作为试灯输入（LT）端、灭灯输入/动态灭灯输出(BI/RBO)端及动态灭 灯输入(RBI )端。 该电路接受 4 位二进制编码十进制数（BCD）输入并借助于

60、辅助输入端状态将 输入数据译码后去驱动一个七段显示器。输出结构设计成能承受 7 段显示所需要的相 当高的电压。驱动显示器各段所需的高达 24mA 的电流可以由其高性能的输出晶体管 来直接提供。BCD 输入计数 9 以上的显示图案是鉴定输入条件的唯一信号。 该电路有自动前、后沿灭零控制（RBI 和 RBO） 。试灯（LT）可在端处在高电平 的任何时刻去进行，该电路还含有一个灭灯输入（BI） ，它用来控制灯的亮度或禁止输 出。 该电路在应用中可以驱动共阳极的发光二极管或直接驱动白炽灯指示器。7447 之 输出系为驱动器设计，其逻辑 0 之吸入电流高达 40mA，故在使用必须加入 330 左 右电阻