电能收集充电器设计

1、电能收集充电器 学 院： 专 业（方 向）： 年 级、班 级： 学 生 学 号： 学 生 姓 名： 指 导 老 师： 2016 年 月 日摘 要本设计可实现在输入电压、输入电流较小或较大的情况下高效收集电能对蓄电池或干电池完成充电。该充电器分为升压电路、降压电路和控制电路、显示电路四部分，控制电路中由继电器及集成运算放大器LM358完成电路变换。升压电路主要采用MC34063芯片，降压电路主要采用MC34063芯片，控制电路中使用LM358芯片决定继电器两端电压，从而决定继电器中开关的转换，决定降压电路、升压电路的工作状态。显示电路利用单片机AT89C52与模数转换芯片TLC549，能够测量0

2、5V之间的直流电压值，四位数码显示。控制电路无需外加辅助电源而能自供电，从而实现在某一连续电压变换中进行持续充电。此充电器充电效率高，而且因为系统由分立元件搭建，成本很低。 【关键字】：LM358;MC34063;AT89C52;TLC549;电路变换AbstractThis design can realize the input voltage, input current is smaller or big collection of electrical energy efficient battery/dry finish charge. The charger points boo

3、ster circuit, step-down circuit and control circuit, four parts show circuit, control circuit by relay and the integrated operational amplifier LM358 complete circuit transformation. Mainly by using Mc34063 booster circuit chip, step-down voltage circuit mainly adopts the Mc34063 chip, control circu

4、it used in road LM358 chip decided to relay voltage at both ends, and decided to relay the conversion switch, decided to buck circuit, boost work condition of the circuit. Show circuit AT89C52 SCM and modulus of conversion chip TLC549, able to measure the 0-5 V dc voltage value between, four digital

5、 display. Control circuit without plus auxiliary power from the power supply and can. So as to achieve in a continuous voltage transform can achieve sustained in charge. The charger charging high efficiency, and because the system set up by division element, cost is very low.【Key Words】 LM358; MC340

6、63; AT89C52；TLC549； circuit transformationIII目录1绪论11.1 引言11.2 选题简介、意义与背景21.3 系统功能指标22 系统结构设计52.1 主要设计内容52.2 设计思想52.3 系统结构73 系统升压电路、降压电路设计93.1 芯片简介93.2升压充电模块113.3降压充电模块123.4 升压电路123.4.1 升压电路工作原理123.4.2 以MC34063为核心的升压电路133.5 降压电路133.5.1 降压电路工作原理133.5.2 以MC34063为核心的升压电路144 系统单元电路设计154.1监测电路154.1.1 模块功能

7、介绍154.1.2监测电路工作原理184.1.3监测取样电路184.2控制电路194.2.1模块功能介绍194.2.2电路设计255 系统显示电路275.1 系统软件设计275.2系统板上硬件连线305.3程序设计内容316 总结分析326.1环境分析326.2设计总结32参考文献33总 结34致 谢36附 录371 绪论1.1 引言在当今社会，太阳能/风力发电已得到广泛应用，在出现低压和小电流情况下可以实现小电流的高效收集。在太阳能电池处于阴雨天或风力发电系统处于小风情况下，这些发电系统只能输出较低电压，同时电流也比较小。在这种情况下，通常传统的直接向蓄电池充电的控制器，因电池达不到蓄电池充

8、电电压,而难以向蓄电池实现充电，或者达到充电电压但电流过小导致损失太大，达不到充进蓄电池的目的。与此同时，随着节能降耗，绿色环保的理念日益深入，成为全社会的共识，设计新一代节能产品，提高能源利用率，已成为时代对产业界的要求。可以预见的是，在不久的将来越来越多的节能发明会走进我们的生活。在工业生产及日常生活中经常遇到电压值连续可变的直流电源，由于这些电压可以从极低的范围（低于1V）变化至相对较高范围（高于10V）,往往很难采集，正因如此这些电源往往被人们遗忘而造成电力的浪费。而常用的采集方法往往对所要采集的电压有一定要求，这就限制了这些方法的应用范围。因此，设计一种能够在超低电压（低于1V）的条

9、件下工作的电路，使之能够对低压进行收集，无疑具有广阔前景。本次毕业设计课题属硬件设计类，主要任务是设计并制作一个在低电压或小电流情况下能够正常充电的电能充电器。该充电器的核心为直流电源变换器，它从一直流电源中吸收电能，以尽可能大的电流充入一个可充电池。直流电源的输出功率有限，其电动势E在一定范围内缓慢变化，当E为不同值时，直流电源变换器的电路结构、参数可以不同。监测和控制电路由直流电源变换器供电。由于E的变化极慢，监测和控制电路应该采用间歇工作方式，以降低其能耗。直流电压变换器的设计主要选用了集成芯片MC34063。硬件启动后采用间歇工作方式，并且可动态显示实时采样电压。作品各部分设计无不以低

10、功耗，节能为考量，紧扣题目要求。可用作直流电压值变化较大的工作场合的电能采集，有着广阔的应用前景和市场前景。1.2 选题简介、意义与背景随着PDA产品在日常生活中的普及使用，电池充电器的使用也越来越广泛，一个好的充电器，不但能够实时地对充电电压、电流进行检测，针对电压、电流参数的变化自动调整，同时还能在充电电压很小时对电池进行充电。从20世纪60年代的商用镍镉和密封铅酸电池到近几年的镍氢和锂离子技术，可充电电池容量和性能得到了飞速的发展。目前各种电器使用的充电电池主要有镍镉电池（NiCd）、镍氢电池（NiMH）、锂电池（Li-Ion）、密封铅酸电池（SLA）四种类型。随着电子行业的不断深入发展

11、，便携式电子产品不断向体积小、重量轻、性能高的方向发展，对移动电源的需求快速增长，这就对电池及其充电器提出了新的设计要求。随着PDA产品在日常生活中的普及使用，电池充电器的使用也越来越广泛，一个好的充电器，不但能够实时地对充电电压、电流进行检测，针对电压、电流参数的变化自动调整，同时还能在充电电压很小时对电池进行充电。从20世纪60年代的商用镍镉和密封铅酸电池到近几年的镍氢和锂离子技术，可充电电池容量和性能得到了飞速的发展。目前各种电器使用的充电电池主要有镍镉电池（NiCd）、镍氢电池（NiMH）、锂电池（Li-Ion）、密封铅酸电池（SLA）四种类型。随着电子行业的不断深入发展，便携式电子产

12、品不断向体积小、重量轻、性能高的方向发展，对移动电源的需求快速增长，这就对电池及其充电器提出了新的设计要求。而与此同时节能降耗、绿色环保的理念日益深入，成为全社会的共识，设计新一代节能产品，提高能源利用率，已成为时代对产业界的要求。可以预见的是，在不久的将来越来越多的节能发明会走进我们的生活。在工业生产及日常生活中经常遇到电压值连续可变的直流电源，由于这些电压可以从极低的范围（低于1V）变化至相对较高范围（高于10V）,往往很难采集，正因如此这些电源往往被人们遗忘而造成电力的浪费。而常用的采集方法往往对所要采集的电压有一定要求，这就限制了这些方法的应用范围。基于上述原因，笔者希望设计并制作一个

13、在低电压或小电流情况下能够正常充电的电能充电器。同时在进行实际操作中，笔者通过独立完成硬件设计方案的设计任务，能够较为熟练的掌握单片机的使用，熟悉作品设计的方法，为今后从事这方面的工作打下良好的基础。1.3 系统功能指标该充电器的核心为直流电源变换器，它从一直流电源中吸收电能，以尽可能大的电流充入一个可充电池。直流电源的输出功率有限，其电动势E在一定范围内缓慢变化，当E为不同值时，直流电源变换器的电路结构，参数可以不同。监测和控制电路由直流电源变换器供电。由于E的变化极慢，监测和控制电路应该采用间歇工作方式，以降低其能耗。可充电池的电动势E=3.6V，内阻Rc=0.1。本设计的目的是实现在输入

14、电流、输入电压较低的情况下对充电电池的充电。指标如下：1）在Rs=100，Es=10V20V时，充电电流Ic大于（Es-Ec）/（Rs+Rc）。2）在Rs=100时，能向电池充电的Es尽可能低。 3）Es从0逐渐升高时，能自动启动充电功能的Es尽可能低。 4）Es降低到不能向电池充电，最低至0时，尽量降低电池放电电流。 5）监测和控制电路工作间歇设定范围为 0.1 s5s。设计加选专题部分：1）在Rs=1，Es=1.2V3.6V时，以尽可能大的电流向电池充电。 2）能向电池充电的Es尽可能低。当Es1.1V时，取Rs =1； 当Es1.1V时，取Rs =0.1。 3）电池完全放电，Es从0逐渐

15、升高时，能自动启动充电功能（充电输出端开路电压3.6V，短路电流0）的Es尽可能低。当Es1.1V时，取Rs =1；当Es1.1V时，取Rs=0.1。该电能收集充电器系统包括升压电路、降压电路、监测电路、控制电路和显示电路共五个模块，由于五个模块相对独立，以下分别对其进行原理分析与电路设计。硬件总体框图如图1-1所示:ii电压检测A/D转换动态LED显示AT89S52存储器键盘控制调整电路模拟充电电池图1-1 硬件总框图利用单片机对继电器进行控制，根据单片机给出的高低电平来实现继电器的通断，以单片机为核心，对充电电路进行间歇性监控，在不同直流电源电压的条件下使充电电流尽可能大，而充电电压尽可能

16、低，当电源电压大于某一较小值时，能自动启动充电功能。当电池充满后，充电电路继续充电而引起的电池温度升高，此时温度监测电路对此进行反馈，从而停止对电池的继续充电。2 系统结构设计2.1 主要设计内容设计并制作一个电能收集充电器，充电器及测试原理示意图如图2-1。该充电器的核心为直流电源变换器，它从一直流电源中吸收电能，以尽可能大的电流充入一个可充电池。直流电源的输出功率有限，其电动势E在一定范围内缓慢变化，当E为不同值时，直流电源变换器的电路结构、参数可以不同。监测和控制电路由直流电源变换器供电。由于E的变化极慢，监测和控制电路应该采用间歇工作方式，以降低其能耗。可充电池的电动势Es=3.6V，

17、内阻Rc=0.1。图2-1 测试原理示意图主要设计模块有单片机的基本电路、升压电路、降压电路、模数转换电路、电压检测采集监测电路、LCD显示电路、键盘电路等。通过键盘控制检测和控制的工作间歇时间，由单片机进行分析处理，在不同直流源的情况下选择不同的充电电路，即升压/降压电路，并且显示间歇时间和监测到的电压。原理框图如上图所示，经过充分论证，该方案是可行的。2.2 方案选择方案一：选用AT89C52单片机作为电能收集充电器的控制核心。依MC64063芯片为核心的DC-DC升压和降压电路，再加上检测采样电路和系统显示电路而形成的整体电能收集充电器电路。其工作原理为：以单片机为核心，对充电电路进行间

18、歇性监控，在不同直流电源电压的条件下使充电电流尽可能大，而充电电压尽可能低，当电源电压大于某一较小值时，能自动启动充电功能。当电池充满后，充电电路继续充电而引起的电池温度升高，此时温度监测电路对此进行反馈，从而停止对电池的继续充电。方案二：选用包括LM2671构成的直流-直流转换器（即DC-DC转换器）电路，MC34063构成的Boost型DC-DC电路，高侧电流检测电路以及由ATMEGA16单片机构成的监控电路。当直流供电电源Es低于初始设定电压值时，用Boost电路升压以便对电池充电；当Es高于初始设定电压值时，再用Boost电路降压充电。而充电电流的大小，BUCK电路Boost电路的切换

19、均由单片机进行控制。其工作原理为：以单片机为核心，对充电电路进行监控，将经过升压/降压变换器后的充电电流采样放大后送入比较器与基准源比较，再将比较器的输出信号反馈到Buck和Boost电路，调节Buck电路和Boost电路的PWM波，达到控制充电电流的目的。当无法对目标电池充电时，由单片机控制关断变换器，竟可能的减小目标电池的放电电流。2.3 设计思想随着节能降耗，绿色环保的理念日益深入，成为全社会的共识，设计新一代节能产品，提高能源利用率，已成为时代对产业界的要求。可以预见的是，在不久的将来越来越多的节能发明会走进我们的生活。在工业生产及日常生活中经常遇到电压值连续可变的直流电源，由于这些电

20、压可以从极低的范围（低于1V）变化至相对较高范围（高于10V），往往很难采集，正因如此这些电源往往被人们遗忘而造成电力的浪费。而常用的采集方法往往对所要采集的电压有一定要求，这就限制了这些方法的应用范围。从20世纪60年代的商用镍镉和密封铅酸电池到近几年的镍氢和锂离子技术，可充电电池容量和性能得到了飞速的发展。目前各种电器使用的充电电池主要有镍镉电池（NiCd）、镍氢电池（NiMH）、锂电池（Li-Ion）、密封铅酸电池（SLA）四种类型。随着电子行业的不断深入发展，便携式电子产品不断向体积小、重量轻、性能高的方向发展，对移动电源的需求快速增长，这就对电池及其充电器提出了新的设计要求。利用单片

21、机对继电器进行控制，根据单片机给出的高低电平实现继电器的通断，从而选择是升压电路还是降压电路。这种方法比较方便而且高效 。选用AT89C52单片机作为电能收集充电器的控制核心。主要设计模块有单片机的基本电路、升压电路、降压电路、自启动电路、温度监测电路LED显示电路、稳压电路、键盘电路等。通过键盘控制检测和控制的工作间歇时间，由单片机进行分析处理，在不同直流源的情况下选择不同的充电电路，即升压/降压电路，并且显示间歇时间和监测到得电压。原理框图如图2-1所示，经过充分论证，该方案是可行的。AT89C52是一个低电压，高性能CMOS8位单片机，片内含8k bytes的可反复擦写的Flash只读程

22、序存储器和256 bytes的随机存取数据存储器（RAM），器件采用ATMEL公司的高密度、非易失性存储技术生产，兼容标准MCS-51指令系统，片内置通用8位中央处理器和Flash存储单元，AT89C52单片机在电子行业中有着广泛的应用。因此，设计一种能够在超低电压（低于1V）的条件下工作的电路，使之能够对低压进行收集，无疑具有广阔前景。通过独立完成硬件设计方案的设计任务，掌握单片机的使用，熟悉作品设计的方法。为今后从事这方面的工作打下良好的基础。主要功能特性：（1）兼容MCS51指令系统；（2）8k可反复擦写(大于1000次）Flash ROM；（3）32个双向I/O口；（4）256x8bi

23、t内部RAM；（5）3个16位可编程定时/计数器中断；（6）时钟频率0-24MHz；（7）2个串行中断，可编程UART串行通道；（8）2个外部中断源，共8个中断源；（9）2个读写中断口线，3级加密位；（10）低功耗空闲和掉电模式，软件设置睡眠和唤醒功能；（11）有PDIP、PQFP、TQFP及PLCC等几种封装形式，以适应不同产品的需求。2.4 系统结构开始初始化电压输入电压比较升压电路切换电路降压电路开始充电显示YN图2-2 系统总体框图当电压输入在0.8v5.0v时，继电器没有工作，升压电路处于连通状态，升压电路工作，开始对充电电池工作。当电压大于5.0v时，则通过lm324n进行电压比较

24、后，继电器两端电压达到吸合电压，继电器开始工作，升压电路停止工作，电路切换，降压电路开始工作。基本可以实现，系统输入电压为0.8v-5.8v时，基本可以实现持续充电。且当系统输入电压大于4.8v时，该系统可实现恒定电压对蓄电池进行充电。3 系统升压电路、降压电路设计3.1 芯片简介使用MC34063设计DC-DC降压电路。引脚图如下图3-1所示。以MC34063为中心搭建电路，通过调整R1、R2阻值大小，实现对输入电压的比例降低和升高1任致程.实用电路500例与实现M .北京：机械工业出版社，2005：35-42.。由于线性电压转换器LM2596的器材限制，而且MC34063作为开关电源芯片使

25、用已经多年，其升降压电路技术历经多年发展已相当成熟，故本设计选用第三种方案搭建直流电源变换器的降压充电模块。LM2596开关电压调节器LM2596开关电压调节器是降压型电源管理单片集成电路，能够输出3A的驱动电流，同时具有很好的线性和负载调节特性。固定输出版本有3.3V、5V、12V，可调版本可以输出小于37V的各种电压。该器件内部集成频率补偿和固定频率发生器，开关频率为150KHz，与低频开关调节器相比较，可以使用更小规格的滤波元件。由于该器件只需4个外接元件，可以使用通用的标准电感，这更优化了LM2596的使用，极大地简化了开关电源电路的设计。其封装形式包括标准的5脚TO-220封装（DI

26、P）和5脚TO-263表贴封装（SMD）。该器件还有其他一些特点：在特定的输入电压和输出负载的条件下，输出电压的误差可以保证在4%的范围内，振荡频率误差在15%的范围内；可以用仅80A的待机电流，实现外部断电；具有自我保护电路（一个两级降频限流保护和一个在异常情况下断电的过温完全保护电路）。特点：（1）3.3V、5V、12V的固定电压输出和可调电压输出；（2）可调输出电压范围1.2V37V4%；（3）输出线性好且负载可调节；（4）输出电流可高达3A； （5）输入电压可高达40V；（6）采用150KHz的内部振荡频率，属于第二代开关电压调节器，功耗小、效率高；（7）低功耗待机模式，IQ的典型值为

27、80A； （8）TTL断电能力； （9）具有过热保护和限流保护功能；（10）封装形式：TO-220（T）和TO-263（S）；（11）外围电路简单，仅需4个外接元件， 且使用容易购买的标准电感；Mc34063是一单片双极型线性集成电路专用于直流变换器控制部分，片内包含有温度补偿带隙基准源，一个占空比周期控制振荡器驱动器和大电流输出开关，能输出1.5A的开关电流它能使用最少的外接元件构成开关式升压变换器降压式变换器和电源反向器。MC34063系列是包含 DC-DC转换器基本功能的单片集成控制电路。该器件的内部组成包括带温度补偿的参考电压、比较器、带限流电路的占空比控制振荡器、驱动器、大电流输出开

28、关。该器件专用于降压、升压以及电压极性反转场合，可以减少外部元件的使用数量。获取更详细的设计参考信息，可参阅应用笔记“ AN920A/D”或 “ AN954/D”。图3-1 MC34063芯片引脚特点：（1）能在3.0v40v的输入电压下工作；（2）短路电流限制；（3）低静态电流；（4）输出开关电流可达1.5A（无外接三极管）；（5）输出电压可调；（6）工作振荡频率从100HZ至100KHZ；（7）可构成升压、降压或反向电源变换；（8）参考电压精度2%。MC34063在使用时强制性的超出极限参数将损坏器件。极限参数只是强制性参数，不代表正常正常工作要超出推荐工作条件，长期超出推荐工作条件的操作

29、将影响器件的可靠性。1.必须注意封装的最大功耗限制。2.ESD数据根据要求提高。3.2 升压充电模块直流升压就是将电池提供的较低的直流电压，提升到需要的电压值，其基本的工作过程都是：高频振荡产生低压脉冲脉冲变压器升压到预定电压值脉冲整流获得高压直流电，因此直流升压电路属于DC/DC电路的一种类型。由于直流源有时处于没有达到额定值的较低电压下，而这种电压往往不能满足负载电压（本题要求负载为3.6V）的要求,为此必须对低电压来进行升压，达到负载的要求2欧阳光中.数学分析M.上海：复旦大学出版社，1993:226-258.3李学海.PIC单片机实用教程M.北京：北京航空航天出版社，2002：120-

30、135.。电路设计主要采用集成芯片MC34063AP1，来自外部的电压通过上图所示升压电路实现比例放大，放大比例为 。其中 。其电路图如图3-2所示：图3-2 升压模块仿真电路图3.3 降压充电模块由于直流源有时处于超过额定值的较高电压下，而这种电压往往超过负载电压（本题要求负载电压为3.6V）的要求，为此必须对高电压进行适当降压，达到负载的要求4胡虔生，胡敏强.电机学M.北京：中国电力出版社，2005：45-57.5薛定宇著.控制系统计算机辅助设计MATLAB语言及应用M.北京：清华大学出版社，1998：78-89.。电路设计主要采用集成芯片MC34063AP1，来自外部的电压通过上图所示升

31、压电路来实现比例降压，使用的降压比例为 ，其中 。电路设计如图3-3所示：图3-3 降压模块仿真电路图电容降压的工作原理并不复杂。他的工作原理是利用电容在一定的交流信号频率下产生的容抗来限制最大工作电流。例如,在50Hz的工频条件下,一个1uF的电容所产生的容抗约为3180欧姆。当220V的交流电压加在电容器的两端,则流过电容的最大电流约为70mA。虽然流过电容的电流有70mA,但在电容器上并不产生功耗，因为如果电容是一个理想电容,则流过电容的电流为虚部电流,它所作的功为无功功率。根据这个特点,我们如果在一个1uF的电容器上再串联一个阻性元件,则阻性元件两端所得到的电压和它所产生的功耗完全取决

32、于这个阻性元件的特性。例如,我们将一个110V/8W的灯泡与一个1uF的电容串联,在接到220V/50Hz的交流电压上,灯泡被点亮,发出正常的亮度而不会被烧毁。因为110V/8W的灯泡所需的电流为8W/110V=72mA,它与1uF电容所产生的限流特性相吻合。同理,我们也可以将5W/65V的灯泡与1uF电容串联接到220V/50Hz的交流电上,灯泡同样会被点亮,而不会被烧毁。因为5W/65V的灯泡的工作电流也约为70mA。因此,电容降压实际上是利用容抗限流。而电容器实际上起到一个限制电流和动态分配电容器和负载两端电压的角色。3.4 升压电路3.4.1 升压电路工作原理二极管采用1N5819 或

33、MBR0540L 型号的肖特基二极管，电感采用常用的典型值47H 的电容，使用的时候应该注意增大电感的同时将减小流过的峰值电流，从而来降低输出电流；而减小电感的同时，又将增大流过的峰值电流而导致内部电流比较器延时。输出电压Vout由R1,R2确定，其中:R1 = R2(Vout/Vref- 1) (1)式(1) 中Vref = 1.25V，可见输出电压V OU T只与R1、R2有关，所以此时只需选定R1、R2的阻值，即可确定输出值5。3.4.2 以MC34063为核心的升压电路升压电路图如图3-4所示：图3-4 以MC34063为核心的升压电路3.5 降压电路2.2k1k3.5.1 降压电路工

34、作原理工作过程： （1）比较器的反相输入端(脚5)通过外接分压电阻R1、R2监视输出电压。其中，输出电压Uo=1.25(1+ R2/R1)由公式可知输出电压。仅与R1、R2数值有关，因1.25V为基准电压，恒定不变。若R1、R2阻值稳定，U亦稳定6楼顺天.基于MATLAB的系统分析与设计控制系统M.西安：西安电子科技大学出版社，2000:56-78.。 （2）脚5电压与内部基准电压125V同时送人内部比较器进行电压比较。当脚5的电压值低于内部基准电压(125V)时，比较器输出为跳变电压，开启RS触发器的S脚控制门，RS触发器在内部振荡器的驱动下，Q端为“1”状态(高电平)，驱动管T2导通，开关

35、管T1亦导通，使输入电压Ui向输出滤波器电容Co充电以提高U。，达到自动控制U。稳定的作用7孙增忻.智能控制理论与技术M.北京：清华大学出版社，2004：23-45.8李学海.PIC单片机典型模块设计M.北京：人民邮电出版社，2005:34-65.。 （3）当脚5的电压值高于内部基准电压(125V)时，RS触发器的S脚控制门被封锁，Q端为“0”状态(低电平)，T2截止，T1亦截止8。 （4）振荡器的Ipk 输入(脚7)用于监视开关管T1的峰值电流，以控制振荡器的脉冲输出到RS触发器的Q端8。 （5）脚3外接振荡器所需要的定时电容Co电容值的大小决定振荡器频率的高低，亦决定开关管T1的通断时间8

36、。2.2k1k3.5.2 以MC34063为核心的升压电路降压电路图如图3-5所示：图3-5 以MC34063为核心的降压电路4 系统单元电路设计4.1 监测电路4.1.1 模块功能介绍监测电路采集来自外部电压信号，送入单片机P6.0口（AD口），供单片机判决4。LM358系列运算放大器是价格便宜的带差动输入功能的四运算放大器。适合于电源电压范围很宽的单电源使用，也适用于双电源工作模式，在推荐的工作条件下，电源电流与电源电压无关。它的使用范围包括传感放大器、直流增益模块和其他所有可用单电源供电的使用运算放大器的场合4。LM358内部包括有两个独立的、高增益、内部频率补偿的双运算放大器，适合于电

37、源电压范围很宽的单电源使用，也适用于双电源工作模式，在推荐的工作条件下，电源电流与电源电压无关。它的使用范围包括传感放大器、直流增益模块和其他所有可用单电源供电的使用运算放大器的场合。LM358的封装形式有塑封引线双列直插式、贴片式和圆形金属封装等。LM358工作原理工作原理由红外线传感器、信号放大电路、电压比较器、延时电路和音响报警电路等组成。红外线探测传感器IC1探测到前方人体辐射出的红外线信号时，由IC1 的脚输出微弱的电信号，经三极管VT1 等组成第一级放大电路放大，再通过C2输入到运算放大器IC2中进行高增益、低噪声放大，此时由IC2脚输出的信号已足够强。IC3作电压比较器，它的第脚

38、由R10、VD1提供基准电压，当IC2脚输出的信号电压到达IC3的脚时，两个输入端的电压进行比较，此时IC3的脚由原来的高电平变为低电平。IC4 为报警延时电路，R14 和C6 组成延时电路，其时间约为1 分钟。当IC3的脚变为低电平时，C6通过VD2放电，此时IC4 的脚变为低电平，它与IC4的脚基准电压进行比较，当它低于其基准电压时，IC4 的脚变为高电平，VT2 导通，讯响器BL通电发出报警声。人体的红外线信号消失后，IC3的脚又恢复高电平输出，此时VD2 截止。由于C6两端的电压不能突变，故通过R14向C6 缓慢充电，当C6两端的电压高于其基准电压时，IC4的脚才变为低电平，时间约为1

39、 分钟，即持续1分钟报警。由VT3、R20、C8 组成开机延时电路，时间也约为1分钟，它的设置主要是防止使用者开机后立即报警，好让使用者有足够的时间离开监视现场，同时可防止停电后又来电时产生误报。LM358示意图该装置采用912V直流电源供电，由T 降压，全桥U整流，C10 滤波，检测电路采用IC5 78L06供电。本装置交直流两用，自动无间断转换。图4-1 LM358示意图LM358的特点：（1）内部频率补偿；（2）直流电压增益高(约100dB)；（3）单位增益频带宽(约1MHz)；（4）电源电压范围宽：单电源(330V)；（5）双电源(1.5 一15V)；（6）低功耗电流，适合于电池供电，

40、低输入偏（7）低输入失调电压和失调电流；（8）共模输入电压范围宽，包括接地；（9）差模输入电压范围宽，等于电源电压范围；（10）输出电压摆幅大(0 至Vcc-1.5V)。图4-2 LM358管脚连接图LM358相关特性：内部频率补偿直流电压增益高(约100dB)单位增益频带宽(约1MHz)电源电压范围宽：单电源(330V)；双电源(1.5 一15V)低功耗电流，适合于电池供电 低输入偏流低输入失调电压和失调电流差模输入电压范围宽，等于电源电压范围输出电压摆幅大(0 至Vcc-1.5V)1图4-3 LM358典型应用电路4.1.2 监测电路工作原理如上图4-1所示，集成运放芯片LM358中由虚短

41、原理得点2，点3的电压相等。故2点电压和输入电压相等。由虚短原理及欧姆定理得继电器两端电压/输入电压=（R1+R2）/R2，故输入电压值决定继电器两端电压值9。控制电路中，升压电路的两端接到继电器的常闭触点，降压电路的两端接到继电器的常开触点9。当输入电压小于0.8v时，降压电路、升压电路均不工作。当电压大于0.8v时，升压电路开始工作。输入电压经过集成运放后使继电器两端的电压小于继电器的吸合电压，故降压电路不工作。直到输入电压升到4.0v后，输入电压经过集成运放后使继电器两端电压大于继电器的吸合电压，则降压电路导通，升压电路断开，并且这一段时间该系统对蓄电池进行持续充电。之后升压电路能够实现

42、恒定的一输出电压对蓄电池充电9。4.1.3监测取样电路电路设计主要采用了一个运算放大器，来自外部的采集信号首先进行1/10衰减，然后送入运放，通过运放消弱环境噪声，来保护下级电路。运放选用LM358，因为该运放可以单电源供电，而普通运放一般需正负两种电源供电，在本文中是无法实现的，监测电路图如图4-3所示9。图4-4监测取样电路图4.2 控制电路4.2.1 模块功能介绍利用单片机对继电器进行控制，根据单片机给出的高低电平实现继电器的通断，从而选择是升压电路还是降压电路。这种方法比较方便而且高效10。本课题采用单片机AT89C52单片机，AT89C52是一个低电压，高性能CMOS8位单片机，片内

43、含8k bytes的可反复擦写的Flash只读程序存储器和256 bytes的随机存取数据存储器（RAM），器件采用ATMEL公司的高密度、非易失性存储技术生产，兼容标准MCS-51指令系统，片内置通用8位中央处理器和Flash存储单元，AT89C52除了有AT89C51所有的定时/计数器0 和定时/计数器1 外，还增加了一个定时/计数器2。AT89C52单片机在电子行业中有着广泛的应用10。主要功能特性：（1）兼容MCS51指令系统；（2）8k可反复擦写(大于1000次）Flash ROM；（3）32个双向I/O口；（4）256x8bit内部RAM；（5）3个16位可编程定时/计数器中断；（

44、6）时钟频率0-24MHz；（7）2个串行中断，可编程UART串行通道；（8）2个外部中断源，共8个中断源；（9）2个读写中断口线，3级加密位；（10）低功耗空闲和掉电模式，软件设置睡眠和唤醒功能；（11）有PDIP、PQFP、TQFP及PLCC等几种封装形式，以适应不同产品的需求。引脚功能及管脚电压：如下图4-4所示，AT89C52为8 位通用微处理器，采用工业标准的C51内核，在内部功能及管脚排布上与通用的8xc52 相同，其主要用于会聚调整时的功能控制。AT89C52为8 位通用微处理器，采用工业标准的C51内核，在内部功能及管脚排布上与通用的8xc52 相同，其主要用于会聚调整时的功能

45、控制。功能包括对会聚主IC 内部寄存器、数据RAM及外部接口等功能部件的初始化，会聚调整控制，会聚测试图控制，红外遥控信号IR的接收解码及与主板CPU通信等。主要管脚有：XTAL1（19 脚）和XTAL2（18 脚）为振荡器输入输出端口，外接12MHz 晶振。RST/Vpd（9 脚）为复位输入端口，外接电阻电容组成的复位电路。VCC（40 脚）和VSS（20 脚）为供电端口，分别接+5V电源的正负端。P0-P3 为可编程通用I/O 脚，其功能用途由软件定义，在本设计中，P0 端口（32-39 脚）被定义为N1 功能控制端口，分别与N1的相应功能管脚相连接，13 脚定义为IR输入端，10 脚和1

46、1脚定义为I2C总线控制端口，分别连接N1的SDAS（18脚）和SCLS（19脚）端口，12 脚、27 脚及28 脚定义为握手信号功能端口，连接主板CPU 的相应功能端，用于当前制式的检测及会聚调整状态进入的控制功能10。（1）P0 口P0 口是一组8 位漏极开路型双向I/O 口，也即地址/数据总线复用口。作为输出口用时，每位能吸收电流的方式驱动8 个TTL逻辑门电路，对端口P0 写“1”时，可作为高阻抗输入端用。在访问外部数据存储器或程序存储器时，这组口线分时转换地址（低8 位）和数据总线复用，在访问期间激活内部上拉电阻。在Flash编程时，P0 口接收指令字节，而在程序校验时，输出指令字节

47、，校验时，要求外接上拉电阻。（2）P1 口P1 是一个带内部上拉电阻的8 位双向I/O 口， P1 的输出缓冲级可驱动（吸收或输出电流）4 个TTL 逻辑门电路。对端口写“1”，通过内部的上拉电阻把端口拉到高电平，此时可作输入口。作输入口使用时，因为内部存在上拉电阻，某个引脚被外部信号拉低时会输出一个电流(IIL)。与AT89C51 不同之处是，P1.0 和P1.1 还可分别作为定时/计数器2 的外部计数输入（P1.0/T2）和输入（P1.1/T2EX），参见表1。Flash 编程和程序校验期间，P1 接收低8 位地址。表4-1 P1.0和P1.1的第二功能引脚号功能特性P1.0T2，时钟输出

48、P1.1T2EX（定时/计数器2）（3）P2 口P2 是一个带有内部上拉电阻的8 位双向I/O 口，P2 的输出缓冲级可驱动（吸收或输出电流）4 个TTL 逻辑门电路。对端口P2 写“1”，通过内部的上拉电阻把端口拉到高电平，此时可作输入口，作输入口使用时，因为内部存在上拉电阻，某个引脚被外部信号拉低时会输出一个电流(IIL)。在访问外部程序存储器或16 位地址的外部数据存储器（例如执行MOVX DPTR 指令）时，P2 口送出高8 位地址数据。在访问8 位地址的外部数据存储器（如执行MOVXRI 指令）时，P2 口输出P2锁存器的内容。Flash编程或校验时，P2亦接收高位地址和一些控制信号

49、。（4）P3 口P3 口是一组带有内部上拉电阻的8 位双向I/O 口。P3 口输出缓冲级可驱动（吸收或输出电流）4 个TTL 逻辑门电路。对P3 口写入“1”时，它们被内部上拉电阻拉高并可作为输入端口。此时，被外部拉低的P3 口将用上拉电阻输出电流（IIL）。P3 口除了作为一般的I/O 口线外，更重要的用途是它的第二功能P3 口还接收一些用于Flash闪速存储器编程和程序校验的控制信号。RST复位输入。当振荡器工作时，RST引脚出现两个机器周期以上高电平将使单片机复位。（5）ALE/PROG当访问外部程序存储器或数据存储器时，ALE（地址锁存允许）输出脉冲用于锁存地址的低8 位字节。一般情况

50、下，ALE 仍以时钟振荡频率的1/6 输出固定的脉冲信号，因此它可对外输出时钟或用于定时目的。要注意的是：每当访问外部数据存储器时将跳过一个ALE 脉冲。对Flash存储器编程期间，该引脚还用于输入编程脉冲（PROG）。如有必要，可通过对特殊功能寄存器（SFR）区中的8EH 单元的D0 位置位，可禁止ALE 操作。该位置位后，只有一条MOVX 和MOVC指令才能将ALE 激活。此外，该引脚会被微弱拉高，单片机执行外部程序时，应设置ALE 禁止位无效。（6）PSEN程序储存允许（PSEN）输出是外部程序存储器的读选通信号，当AT89C52 由外部程序存储器取指令（或数据）时，每个机器周期两次PS

51、EN 有效，即输出两个脉冲。在此期间，当访问外部数据存储器，将跳过两次PSEN信号。（7）EA/VPP外部访问允许。欲使CPU 仅访问外部程序存储器（地址为0000HFFFFH），EA 端必须保持低电平（接地）。需注意的是：如果加密位LB1 被编程，复位时内部会锁存EA端状态。如EA端为高电平（接Vcc端），CPU 则执行内部程序存储器中的指令。Flash存储器编程时，该引脚加上+12V 的编程允许电源Vpp，当然这必须是该器件是使用12V编程电压Vpp。（8）XTAL1振荡器反相放大器及内部时钟发生器的输入端。（9）XTAL2振荡器反相放大器的输出端。数据存储AT89C52 有256 个字节

52、的内部RAM，80H-FFH 高128 个字节与特殊功能寄存器（SFR）地址是重叠的，也就是高128字节的RAM 和特殊功能寄存器的地址是相同的，但物理上它们是分开的。当一条指令访问7FH 以上的内部地址单元时，指令中使用的寻址方式是不同的，也即寻址方式决定是访问高128 字节RAM 还是访问特殊功能寄存器。如果指令是直接寻址方式则为访问特殊功能寄存器。例如，下面的直接寻址指令访问特殊功能寄存器0A0H（即P2 口）地址单元。MOV 0A0H，#data间接寻址指令访问高128 字节RAM，例如，下面的间接寻址指令中，R0 的内容为0A0H，则访问数据字节地址为0A0H，而不是P2 口（0A0

53、H）。MOV R0，#data堆栈操作也是间接寻址方式，所以，高128 位数据RAM 亦可作为堆栈区使用。定时器0和定时器1：AT89C52的定时器0和定时器1 的工作方式与AT89C51 相同。TX2-5V继电器内部管脚图如下图4-5所示：图4-5 PDIP封装的AT89C52引脚图图4-6 继电器控制模块TX2-5V继电器参数类 型：信号继电器系 列：TX系列型 号：TX2-5V外形尺寸（mm）：14.09.05.0mm（LWH）重 量：2g触点参数：触点形式：2C（DPDT）触点负载：2A30VDC, 阻 抗：50m 额定电流：2A电气寿命：10万回机械寿命：1亿回线圈参数：阻值(士10

54、%)：178线圈功耗：140mW额定电压：DC5V吸合电压：DC3.75V释放电压：DC0.5V工作温度：-40+85绝缘电阻：1000M线圈与触点间耐压：1000VAC/1分钟触点与触点间耐压：1000VAC/1分钟4.2.2 电路设计如下图4-6所示单片机对采集后的电压和原先设定的电压进行对比判定后，由P3.0口发出控制指令，控制指令实现三极管的导通或截止，使继电器选择使用降压电路或升压电路，然后再对对电池进行稳定供电。三极管2N3904选用普通NPN型。继电器选用直流TX2-5型，工作电压为3.6V。该电压可由直流电源变换器获得，满足了题目要求，系统控制电路图如图4-7所示 11。图4-7 控制电路图图4-8 系统控制电路图5 系统显示电路5.1 系统软件设计控制电路以AT80C52为核心，首先让输入电压经过tlc549将模拟量转换为数字量，将取得模拟量经过QC1602显示出来，并将在单片机内部程序中设置与3.6V比较，通过控制一个I/O口输出高低电平，再用这个高低电平经三极管NPN9013控制继电器换挡，在这部分中由于t