数字化智能充电器的设计

1、声 明我声明，本毕业设计说明书及其研究工作和所取得的成果是本人在导师的指导下独立完成的。研究过程中利用的所有资料均已在参考文献中列出，其他人员或机构对本毕业设计工作做出的贡献也已在致谢部分说明。本毕业设计说明书不涉及任何秘密，南京理工大学有权保存其电子和纸质文档，可以借阅或网上公布其部分或全部内容，可以向有关部门或机构送交并授权保存、借阅或网上公布其部分或全部内容。学生签名：年 月 日 指导教师签名：年 月 日毕业设计说明书中文摘要摘要:本文介绍了一种基于51单片机的应用于电动自行车铅酸蓄电池的数字化智能充电器。主要内容包括：充电主回路硬件设计、控制器选择及其电源电路设计以及充电电压电流检测电

2、路。其中充电主回路采用对市电变压器降压整流滤波最后再由Buck降压斩波电路得到充电电压的思路进行设计。控制器选择从成本及应用场合综合考虑，选用STC公司的STC12C5A60S2，能够满足本次设计所需要的功能。控制器电源设计采用降压整流滤波并由专用稳压芯片得到控制器所需电压的方式设计。由于该系统电压及电流均很大，因此需对电压电流信号进行信号转换使其达到A/D转换接口允许的范围，因此设计中使用运算放大器对电压电流信号进行转换并使用光耦进行信号隔离。关键词 铅酸蓄电池 智能充电器 Buck降压斩波电路 A/D转换 STC12C5A60S2毕业设计说明书外文摘要Title The Design of

3、 Digital Smart Charger AbstractA digital smart charger apply to Lead-acid batteries based on 51 MCU is introduce in this article. It mainly includes: the hardware design of main Charging circuit, the selection of controller and power supply circuit design and the charging voltage and current detecti

4、on circuit. A transformer is used to reduce the voltage, a diode rectifier bridge is used for rectification, capacitances are used for filtering and finally a buck converter is used to get right charging voltage in the main charging circuit. Considering the cost and application situations,we choose

5、a STC12C5A60S2 as controller. And it can meet the requirements in this design. Voltage regulator chips are used in the power source of controller. As the voltage and current are very high, we use operational amplifiers to convert them to a proper range so as to match the A/D converter. And in order

6、to reduce interference, optocouplers are used for signal isolation.Keywords Lead-acid batteries Smart charger Buck converter A/D converter STC12C5A60S2 本科毕业设计说明书 第 I 页 目 次1 引言11.1 选题背景和意义11.2 两种充电技术11.3 蓄电池充电技术发展概述21.4 论文章节安排22 数字化智能充电器设计方案32.1 系统基本功能32.2 系统设计方法32.3 A/D接口以及PWM输出43 系统硬件电路设计73.1 充电主回路

7、的设计73.2 控制回路的设计及相关芯片介绍83.3 检测电路设计144 抗干扰设计以及PCB制作184.1 系统内部干扰源及处理措施184.2 PCB制作及其抗干扰处理19结 论23致 谢24参 考 文 献25本科毕业设计说明书 第 25 页 1 引言1.1 选题背景和意义随着科学技术的进步及社会经济的发展，环境问题日益成为全球共同关注的焦点，化石能源的大量使用造成的环境污染问题不容小觑。因此，开发以太阳能、风能、电能等清洁能源为主的可替代能源已成为重要课题。在交通领域，以前酸性蓄电池为动力的交通工具正在兴起，而铅酸蓄电池的寿命成为制约电动交通工具发展的重要因素。并有研究表明，铅酸蓄电池报废

8、多数不是因达到使用寿命而是因充电不当造成的。因此，研究一款适合铅酸蓄电池的充电器显得尤为重要，这不仅关系到电动汽车行业的发展，同时对环境污染的治理也有极其重要的意义。1.2 两种充电技术1.2.1 恒流充电在充电过程中电流保持在一定值的充电方法。是一种应用广泛的蓄电池充电方式。蓄电池充电的起始阶段，运行中的电动汽车蓄电池的充电以及蓄电池两个极板的化成充电，多采用恒流充电的方式。这种充电方式的优点是可以依据蓄电池的容量大小确定充电电流的大小，从而直接获得充电量并得到充电所需时间。其缺点是充电电流在充电前期小而后期大，充电过程中会造成气体析出，可能导致蓄电池的损坏，且充电效率普遍不高。此方法不宜用

9、于铅酸蓄电池1。1.2.2 恒压充电充电过程中蓄电池正负极间的电压保持不变的充电方法。此方法也是一种应用广泛的充电方法。电信装置、UPS等装置的蓄电池的浮充充电和涓流充电都采用恒压充电的方式。起动用蓄电池在车辆运行时也近似处于恒压充电状态。其优点是充电电流随着蓄电池的荷电量变化可以自动调整，如果设定的电压定值合适，就能在对蓄电池完全充电的基础上尽最大可能减少气体析出和蓄电池失水。但是这种充电方式在初期具有很大的充电电流，会对蓄电池使用寿命产生不利影响，且很容易引起极板弯曲，使蓄电池报废。鉴于以上应用中暴露出的缺点，恒压充电方式使用于大电流低电压的情况。1.3 蓄电池充电技术发展概述传统的蓄电池

10、充电器结构简单，采用模拟控制方式实现对充电过程的控制，因而控制精度较差且充电方法单一，无法根据蓄电池的荷电状态对充电方式进行调整，而且由于缺乏对蓄电池充电过程的监测和保护而无法应用于蓄电池智能化的充电。近年来，随着日益完善成熟的数字信号处理技术以及不断提高的MCU性价比，充电控制也渐渐使用数字化的控制方法，由此可提高系统性能，蓄电池的使用寿命在更加高效充电的同时被延长。在技术不断成熟的今天，更加先进的充电控制方法被运用到蓄电池充电系统中，比如模糊控制充电法，其利用模糊控制本身所具有的对于非线性系统的处理优势，借助于MCU得以实现对充电过程的控制，可以更好地实现普通方法所无法达到的对充电过程中的

11、时变性和干扰的控制2。1.4 论文章节安排本文介绍了一种针对铅酸蓄电池的高智能化免维护的智能充电器。主要内容及篇章安排如下：第1章 引言介绍本次设计的研究背景及智能充电器的发展趋势。第2章 数字化智能充电器设计方案介绍系统的基本功能、设计目标以及模块化硬件电路设计方案。第3章 智能充电器硬件电路设计介绍充电主回路、控制电路、检测电路的设计方法。第4章 系统抗干扰设计详细叙述智能充电器设计中的干扰源以及如何消除干扰。2 数字化智能充电器设计方案2.1 系统基本功能基本功能：(1) 能根据蓄电池所处不同状态自动改变电压和电流；(2) 对充电过程实时监控，通过指示灯指示当前状态；(3) 能够对电压、

12、电流以及温度异常进行处理，对充电器和蓄电池进行智能保护。系统基本参数：输入电压：220V±15，50Hz充电回路电压输出：060V充电回路电流输出：07A充电回路最大输出功率：420W控制器辅助直流电源输出电压：12V以及5V铅酸蓄电池额定容量：30Ah/48V2.2 系统设计方法硬件电路采用分模块的设计方法，分为充电回路、控制回路、信号检测电路三部分，其硬件电路设计框图如图2.1所示3。图2.1 数字化智能充电器系统框图充电主回路先对市电经变压器变压后由桥式整流电路整流并进行滤波后送至Buck降压斩波电路。因为变压器降压以及全桥整流电路的应用相当广泛，设计的难度及工作量并不大，为简

13、化设计采用此种设计方法。同时直接使用变压器降压的方式与移相式整流电路相比可以减少来自移相电路的高频干扰。控制电路采用STC公司的STC12C5A60S2单片机为主控芯片，其自带的多路A/D转换器以及PWM输出可以满足此次设计的需要，并且其成本相比于其他芯片也具有较大的优势，同时由于此芯片是基于8051内核的，其应用也已经比较成熟，因此对本次设计来说是比较好的选择。电力开关器件驱动电路采用IR公司的生产的专用开关器件驱动芯片IR21184在单片机PWM输出口与IR2118之间进行了光耦隔离以保证单片机稳定工作。电力开关器件采用N-MOSFET，相比于IGBT其具有更高的开关频率，且关断不需要其他

14、辅助电路，设计较为简单。检测电路采用放大器LM324对电压电流信号进行变换4，使其范围符合单片机A/D转换接口输入信号的范围。变换过程中考虑到强电信号可能会进入到单片机，因此使用光耦对电压电流信号进行了隔离处理。2.3 A/D接口以及PWM输出2.3.1 A/D转换接口STC12C5A60S2单片机自带的8路10位精度的逐次逼近型A/D转换接口位于P1口上，最大转换速率高达每秒25万次。其工作时通过对输入电压的逐次比较，从最高位开始由内部D/A转换电路进行多次比较，使转换后的数字量逐次逼近输入的电压值，具有高速、低功耗的优点，可以用来检测电压、温度以及按键扫描等可以以电压信号输入的模拟量。复位

15、后P1口处于弱上拉状态，可通过软件配置P1ASF寄存器，使P0P7中某一个处于A/D转换输入状态，其他可继续当做普通I/O口使用。STC12C5A60S2单片机内部A/D的参考电压由VCC提供，可通过对相应寄存器的设置来控制转换的精度，考虑到A/D转换的速度以及此次设计的应用场合，可设置寄存器使其达到8位精度即可，这样可在保证控制精度的前提下提高A/D转换的速度，其控制软件的编写需要充分考虑时序问题。转换完成后单片机会将转换结果存放于相应寄存器，需要使用转换结果时只需对相应寄存器进行读操作读出存放的数据，同时转换完成后会将转换完成标志位ADC_FLAG自动置1，因此在读转换结果时需先通过查询A

16、DC_FLAG位，当其为1时方可读出寄存器的数据。此外值得注意的是，ADC_FLAG并不会自动清零，因此在每次读完数据后均需在软件中对其清零，以保证下次软件读出结的果的正确性。对于转换完成的结果，其保存在寄存器中数据并不能直接使用，需要乘上相应的权值。当转换精度为8位时，应采用如下计算公式：8位转换结果=256×VinVcc (2.1)同时转换结果还应考虑测量电路对强电信号进行转换的同时所产生的放大作用，对转换结果除以放大倍数才是真实的结果。A/D转换接口应用电路如图2.2所示：图2.2 A/D转换应用电路此次设计中使用100pF的无极性电容，可以滤除信号源中可能的高频分量以避免对单

17、片机的干扰以及损坏。2.3.2 单片机PWM接口 PWM（脉冲宽度调制）是指对脉冲信号宽度进行调制，等效的得到所需波形的技术。其理论基础为面积等效原理，在逆变型电路中PWM技术具有广阔的应用前景，最常见的应用为电力开关器件的开通与关断控制。此次设计中将PWM技术应用于直流斩波电路当中，通过对电力开关器件开通与关断的控制，得到幅值相同占空比不同的脉冲信号，并通过电感和电容滤波得到较为平滑的直流输出5。STC12C5A60S2单片机片上集成的两路PWM输出分别位于P1.3和P1.4口，可通过软件设置相应寄存器将输出切换到其他引脚。此次设计中使用PWM0并使其输出位于默认引脚，以尽量较少代码长度。P

18、WM的应用相对于A/D转换较为简单，只需对输入信号做出反应，改变输出的方波占空比即可达到控制效果。在使用中需要注意的是需对所使用的引脚进行配置，以保证其当前不是开漏输出模式，这是因为该型号单片机PWM信号输出在开漏输出模式下无效。由此可以通过软件控制当电路中出现异常情况时，例如过电流、温度过高时可以通过配置PWM0输出引脚为开漏输出模式，使PWM输出信号无效，及时停止对蓄电池充电，以达到保护电路以及蓄电池的目的，避免不必要的损失以及蓄电池爆炸的发生。使用时还需注意对输入输出信号进行隔离，保证单片机正常工作。PWM输出常用的连接电路如图2.3所示：图2.3 PWM输出电路此电路中电阻的作用是对输

19、出信号进行限流，考虑到单片机带负载的能力，此次设计选取10K的电阻限流，以免输出电流过大导致单片机被烧毁。3 系统硬件电路设计图3.1 系统硬件原理图本系统主要由充电主回路、控制回路和检测电路组成，如图3.1所示。下面详细介绍每一部分组成以及参数的选择。3.1 充电主回路的设计图3.2 充电主回路原理图充电主回路主要采取降压整流的原理进行设计，如图3.2所示。3.1.1 整流二极管参数选择二极管的参数可以由电源降压输出的平均值确定6。在本电路中，副边输出60V/50Hz的交流电。一般情况下，允许电网电压在220V±10%的的范围内波动波动，故二极管承受的最大反压为：URmax=1.1

20、×2U2=1.1×2×60=92V (3.1)考虑到充电主回路输出功率为420W，因此考虑±10%的波动，其承受的最大整流平均电流为： Imax=1.1×PU2=1.1×420÷60=7.7A (3.2)设计中考虑导通时的尖峰电压，反向尖峰电流以及设计裕量，可选择耐压150V，最大整流电流12A的快恢复肖特基二极管。3.1.2 滤波稳压电容的选择经过整流电路的直流电波动较大，因而需要对其整流，图3.2中由大电容C1和C2进行低频滤波稳压，同时用小电容C3来抑制高频干扰。由(3.1)式知滤波电容耐压值应大于92V。同时考虑到充

21、电回路阻值很小，由经验公式知滤波电容容量应满足：RLC=(35)T/2。综上使用两个470uF/100V的电解电容，高频滤波电容选用0.47uF/100V的电解电容。3.1.3 Buck降压斩波电路参数选择图3.2中的Q1、D4、L1、C4构成了Buck降压斩波电路5，考虑到导通时MOSFET漏极与源极之间的电压应大于92V且自身损耗较小应较小，因此选用IR公司生产的IRF540N作为斩波电路的开关器件。其能接受的最大漏源电压为100V ,允许的栅漏电压为范围±20V。当MOSFET开通时，为保证二极管不会反向击穿，同时考虑到二级管开关速度，应选择耐压92V以上的快恢复二级管(FRD

22、)。根据Buck斩波电路的组成原理，L1应极大，取L1电感值10mH，C4电容使用470uF/100V的电解电容。3.2 控制回路的设计如图3.3为控制回路的原理图，主要包括电源电路、控制器电路以及MOSFET开关电路。此部分电路以STC公司的STC12C5A60S2芯片为核心器件，通过其PWM信号控制电力开关器件驱动芯片IR2118的HO引脚输出电平控制MOSFET的开通和关断。图3.3 控制回路原理图电源电路变压整流电路参数计算可参考主充电回路部分。在本电路中，变压器副边输出为24V/50Hz的交流电。考虑电网有±10%的波动，故二级管承受的最大反压为：URmax=1.1

23、5;2U2=1.1×2×24=37V (3.3)考虑到12V的稳压芯片允许的最大电流约3A，其功率最大功率约为36W，考虑电网有±10%的波动，其承受的最大整流平均电流为： Imax=1.1×PU2=1.1×36÷24=1.65A (3.4)设计中考虑二级管导通时的尖峰电压以及反向尖峰电流以及裕量，可选择耐压100V，最大整流电流6A的的快恢复肖特基二极管此次设计中需使用到12V和5V直流电源，均采用稳压芯片得到。其中12V稳压芯片采用LM7812，5V稳压芯片采用LM2595。下面对上述几种芯片做简单介绍：3.2.1 LM7812芯

24、片简介及应用图3.4 LM7812外观图3.5 LM7812典型应用电路封装样式：TO- 220；最大允许输入电压：35V；输出电压范围：11.5V12.5V；峰值电流：2.2A；静态电流：8mA；工作温度范围：0+125；本次设计中使用LM7812将约24V的直流电稳压至12V供IR2118、LM324以及光耦使用，电路参考上述典型应用电路设计，由于输入电压与输出电压压差较大，为保证芯片正常工作不致过热应加装散热片7。3.2.2 LM2595芯片及应用图3.6 LM2595封装样式图3.7 LM2595典型应用电路最大输入电压： 45V ON/ OFF脚输入电压： -0.3V+25 V 反馈

25、引脚电压： -0.3V+25 V 输出电压对地 （稳态）：-1V 输入电压范围：4.5V 40V本次设计中使用LM2595将12V的直流电稳压至5V供单片机使用，电路参考典型应用电路设计，因LM2595是开关型稳压器件，与LM7812相比具有功耗低的特点。考虑到系统能稳定工作，需对LM2595加装散热片保证其不被烧毁。3.2.3 STC12C5A60S2芯片图3.8 STC12C5A60S2外观图3.9 STC12C5A60S2外观如图3.8所示为STC12C5A60S2外观图。STC12C5A60S2单片机是STC公司生产的单时钟/机器周期，并可通过设置相应寄存器控制其机器周期的单片机系列之

26、一。其指令系统兼容8051系列单片机，运行速度与传统的8051相比可以达到后者的812倍，且具有较强的带负载能力。具有2路PWM输出，输出引脚可通过寄存器设置。此次设计中使用其中的1路，且管脚使用默认的P1.3口。其具有分时复用的A/D接口，接口与P1口复用，使用时需设置相应的寄存器选中其中的1路。此次设计中使用其中的2路。与早期的12分频的8051系列单片机相比具有以下优点8：(1) 同频率时钟周期下速度是普通51的812倍；(2) 有8路分时复用的10位AD；(3) 具有四个定时器，具备PWM输出功能；(4) 有SPI接口；(5) 有EEPROM；(6) 有1K片上RAM；(7) 有看门狗

27、功能；(8) 具有两个串口；(9) IO口有四种可通过程序控制的状态；(10) 中断优先级有四种状态可定义。3.2.4 IR2118芯片简介图3.10 IR2118外观图3.11 IR2118引脚图图3.12 IR2118典型应用电路IR2118是IR公司生产的电力开关器件驱动器，如电力场效应晶体管和绝缘栅双极晶体管，具有高开关速率，逻辑输入与标准CMOS电路兼容。浮动通道可用来驱动一个N沟道MOSFET或一个IGBT。其典型应用电路如图3.8所示。此次设计中使用一片IR2118驱动一个N沟道MOSFET，电路参考典型应用电路设计。取Vcc与COM脚之间的滤波电容规格为0.1uF/25V。位于

28、VB与VS间的自举电容选择100pF/25V的极性电容。3.2.5 光电耦合器件TPL521简介图3.13 TPL521封装样式图3.14 TPL521典型应用电路TPL521是常用的光电隔离器件9，其工作原理类似于三极管，不同之处在于其输入与输出之间并无电气连接，而是采用光信号来控制其开通与关断，在使用中可以达到信号隔离与电平转换的作用。一般在使用中，两侧地线应分开，以更好的达到对信号进行隔离的目的。此次设计中考虑到单片机具有较强的驱动能力，因此电路参照上述典型应用电路进行设计，输入端电阻阻值为1K，输出端电阻阻值10K。这样可保证TPL521中发光器件不会由于电流过大而损坏，同时也能减小单

29、片机负载，减少单片机发热，避免不必要的故障。3.3 检测电路设计3.3.1 电压检测电路电压检测电路主要考虑两个问题：(1) 在充电过程中，蓄电池两端电压变化范围约为30V50V，而A/D最大输入为5V直流电，因此需要将蓄电池两极间的高电压转换为单片机可接受的低电压；(2) 充电回路为高电压大电流输出，而单片机在测量时允许的输入为小电压弱电流，因此需要对模拟量与数字量进行电气隔离，以免损坏单片机。本次设计采用放大器电路进行信号转换10，使用精密电阻调节输出信号范围，使其在A/D转换接口输入信号范围内1113。使用光耦实现输入输出端的信号隔离，光耦具有输出跟随输入，且线性度较好。电压检测电路如图

30、3.15所示：图3.15 电压检测电路原理图输入电压等于蓄电池两端电压，即：Vin=VBAT (4.1)经电阻R1、R2分压后得到Vi：Vi=R2R1+R2VBAT (4.2)由虚地可得，V3=V2=Vi，因此第一个光耦U2的输出：I1=V2R4=V3R4 (4.3)选择制造工艺相同的两个光耦U2和U3，可以认为其具有相同的电流放大能力14。由于其原边电流相同，故其输入输出电流之比为：I1I3=I2I3 (4.4)因为A/D转换接口的输入阻抗很高，因此：V4=I2R6=I1R6=V2R4R6=R6R4Vi=R6R2R4(R1+R2)VBAT (4.5)把R6，R2，R4和R1阻值代入(4.5)

31、得：V4=R656.1VBAT (4.6)调节R6，使得最终得输出电压为：Voltage=VBAT10 (4.7)由(4.7)可知输入的30V50V电压被转换成了3V5V电压。3.3.2 电流检测电路在进行电流检测时，电流通过阻值为0.1的取样电阻测量15。电流检测同样要解决信号转换以及隔离的问题，电路类似于电压检测电路，原理图如图3.16所示：图3.16 电流检测电路原理图输入电压：Vi=Vs (4.8)由虚地的V6=V5，所以有：I4=V6R4=V5R4 (4.9)选择制造工艺相同的两个光耦U2和U3，可以认为其具有相同的电流放大能力。由于其原边电流相同，故其输入输出电流之比为：I45=I

32、6I3 (4.10)因为A/D转换接口的输入阻抗很高，因此：V7=I6R6=I4R6=V5R4R6=R6R4Vi (4.11)把R6，R4阻值代入(4.11)得：Vcurrent=Vi500 R6 (4.12)为了便于采样，调节使电压在0V5V之间。3.3.4 温度检测电路对温度的检测使用DS18B20芯片完成16。DS18B20是单总线温度检测设备，常见的采用TO-92封装形式，测温范围-51+125，因采用单总线的数据传输方式，其占用单片机硬件资源少。此外还具有测温精度高，抗干扰能力强的优点，因而应用广泛。图3.17 DS18B20常见封装图3.18 测温电路原理图此次设计的温度检测电路如

33、图3.18所示。图中略去了单片机的其他外部元件。DS18B20数据口与单片机P2.3口相连将采集到的温度数据送至单片机。考虑到实际使用中需将DS18B20引出至蓄电池组，因此在原理图中仅留出引线端。同时，使用一个蜂鸣器对异常情况，如温度过高以及过电压过电流等情况进行报警处理。当温度超过预设值时启动蜂鸣器报警，同时PWM输出端停止工作，以保证蓄电池组的安全。实际应用中应充分考虑操作时序，由于其只有一个数据接口，对控制字的写入以及数据的读写只需对该接口进行相应操作，但同时硬件开销的减小造成了其软件复杂度的增加，为保证其正常采集温度数据，软件的编写需严格按照时序进行并预留足够的反应时间，例如，在读取

34、温度数据时应考虑温度转换时间以及温度转换精度所产生的时间开销，同时应注意DS18B20的GND端必须接地，否则无法进行测量。考虑到使用过程中现场复杂的电磁环境，BS18B20的接线宜采用屏蔽线PCB上的接口相连，这样可保证传输结果不会被干扰而使测量结果产生偏差。同时，考虑到数据传输过程中的衰减，接线不宜过长。4 抗干扰设计以及PCB制作此次设计中既有强电又有弱电，既有模拟信号又有数字信号。为保证系统正常工作而不致因信号干扰造成芯片触发异常使写入的软件无法正常运行，甚至于损坏主控芯片等元器件在系统设计时必须对不同类型的信号进行隔离处理以使系统具有一定的抗干扰能力17。4.1 系统内部干扰源及处理

35、措施4.1.1 整流二极管此次设计中在充电主回路以及控制回路电源部分均使用到了桥式整流电路，需要八个整流二极管。整流电路中的二极管都工作在开关状态，在其由阻断到开通状态时会产生一个持续时间短单数值很大的尖峰电压。而在由开通到阻断过程中，由于封装电感及引线电感的存在会产生反向电流尖峰。这两种情况的差生，都是由电压突变造成的，而电压突变则是造成电磁干扰的重要原因。为了防止尖峰电压及尖峰电流对二极管损坏以及对其他设备的干扰，在设计中应使变压器漏感尽量小，同时应使二极管开关特性尽量软、反向恢复电流小、反向恢复时间尽量短。从理论上来讲，如果二极管反向恢复时间为零则不存在反向尖峰电流。因此，在二极管选择时

36、考虑上述因素并从设计时输出电压参数的方面考虑，可以选择快恢复肖特基二极管。同时从理论上讲，肖特基二极管是多数载流子导流器件，可有效抑制少子存储效应，降低反向尖峰电流18。 4.1.2 Buck降压斩波电路图4.1 Buck降压斩波电路如图为Buck降压斩波电路，在此次设计中，需将输入的约60V的直流电降压至30V50V提供给蓄电池，输入电压与输出电压最大值相差不大，开关管频率很高，因此会产生开关噪声在周围空间产生感应电场及感应磁场，造成电磁干扰。因此需采取措施使其电压与电流尽量平缓不致突变。因此设计中应在合理范围内使用尽可能大的电容及电感，同时MOSFET栅极串联的电阻应选择合理的数值，使其开

37、通时电压波形上升较平缓又不至于影响开通与关断的速率19。4.1.3 变压器此次设计中使用两个变压器来得到所需电压。变压器绕制过程中会产生漏感，会在其周围形成感应磁场与感应电场 ，因此应选择漏感较小的变压器。同时变压器工作过程中回发热，对周围元件产生热辐射，而温度过高会对电路产生影响，尤其在测量电路中这种影响会导致元件产生“温漂”而导致测量精度降低，因此使用时需注意对变压器等热辐射较大的元件进行散热处理。4.1.4 辅助直流电源在本设计中需要用到12V以及5V直流电源为单片机、MOSFET驱动芯片以及放大器供电。对辅助电源采用降压整流滤波然后由稳压芯片稳压得到所需电压的方法进行设计，其中仍有一些

38、高频信号未被滤除，这些高频信号会对芯片正常工作产生影响，为减小这种干扰，在直流稳压芯片输入端并联大电容消除低频干扰，并联小电容（其容值约为大电容的0.01）消除高频干扰，并在芯片VCC与地之间并联小电容进行高频滤波，以保证芯片正常工作。4.2 PCB制作及其抗干扰处理图4.2 制作完成的PCB合理的布局是印制电路板能够正常工作的重要条件，同时对产品的寿命、稳定性、电磁兼容都有很大的影响。PCB布局的合理性直接关系到系统能否正常工作，一般来说应该有以下一些需要考虑的方面20：4.2.1 元件布局 1. 按照电路信号的流向安放各个功能模块的方位，布局应尽量使信号易于流通，并使信号的方向尽量一致；

39、2. 将每个功能模块的核心器件置于本模块的中心，其他器件围绕它进行放置。器件放置应保持间隙一致、整齐。使各元件之间的连线尽可能短；3. 高频电路中需要注意器件的分布参数。一般电路应尽量使器件排列相互平行。这样可以在使其看起来更美观的同时也便于焊接及生产。4.2.2 元件布线 1. 电源线在设计时应考虑印制线路板设计时允许电流的大小，使电源线尽可能宽，减小其产生的环路电阻。同时，电源线、地线布线应尽可能和数据传输的方向保持一致，这样有助于提高系统的抗噪性能； 2.地线的合理布线是印制电路板中减小干扰的重要方式。如果能将电路中接地和信号屏蔽很好的结合，可使得大部分干扰问题迎刃而解。在设计地线时应从

40、以下方面加以考虑： （1）正确选择单点接地与多点接地 低频电子线路信号频率低于1MHz，其性能几乎不受线路和元件间电感影响，而地线形成的环流对其工作性能影响明显，因而宜使用单点接地的方式来消除干扰。高频电子线路信号频率大于10MHz，此时地线的阻抗对其电位所产生的影响不容忽视，为了尽最大的可能减小地线阻抗对系统带来的不良影响，应使用多点接地的方式。当信号频率在110MHz时，如果使用单点接地的形式，其地线长度最好不超过所传输信号波长的5%，否则宜使用多点接地的方式来减小干扰。 （2）数字逻辑线路接地应与模拟线路接地分开 印制电路板上既有高速数字电路又有模拟电路时，应尽量使它们在PCB上分别位于

41、两个区域，即数字电路放置在电路板的同一区域，模拟电路放置在另一区域，之间由隔离电路相连接。同时它们的地线不应直接相连，应采用磁珠进行隔离，在PCB设计时可用00805封装的电阻代替。低频线路的地线应尽可能使用单点接地形式，实际应用中布线难以满足上述要求时可将其中一部分地线进行串联后再并联接地。高频线路的地应尽可能使用多点串地形式，地线在条件允许时应尽可能粗，同时不宜过长，高频器件接地应尽可能使用大面积地箔，注意地箔应采用网状，以免制作电路板时铜箔鼓包断裂影响电路性能。 （3）接地线应尽量加粗并构成环路 由电阻计算公式知电阻值与导线的直径成反比，与导线的长度成正比，若接地线过细会导致地线上不同点

42、的电位随电流大小变化明显，甚至有可能超过逻辑电路高低电平的界限而使数字系统电平不稳定，使系统整体抗噪性能下降。因此地线在PCB尺寸允许的情况下应该尽量宽，使它能流过电路设计时允许电流三倍的电流。如果条件允许，地线宽度应越大越好。在此次设计中，考虑到PCB尺寸，地线宽度设计为25mils。当设计数字系统时，将地线闭合可以显著地提高抗噪性能。这是因为：印制电路板上包含许多集成芯片，特别是遇有功耗较大的器件时，受地线宽度影响，会导致地线上不同点电势差较大，引起抗噪性能下降，若将地线闭合，则会缩小地线上各点的电势差，提高系统的抗噪性能。4.2.3 去耦电容电源系统流出的大电流会产生电磁辐射，为了降低系

43、统的高频干扰，应在电源和地之间接入容值0.01uF0.1uF的瓷片电容对高频信号进行过滤，同时应减小信号线与电源线和地线之间的回路面积。同时应在芯片VCC和GND之间并联小电容，其位置尽量靠近芯片VCC脚，并使两者连线尽可能短，以达到较好的滤波效果。4.2.4 时钟振荡器时钟振荡器是单片机的心脏，可分为内部时钟和外部时钟。一般来讲外部时钟源稳定性高于内部时钟源，因为外部时钟多采用石英晶体振荡器而内部多使用RC振荡电路。但在实际应用中，由于电磁干扰等原因，会引起晶体振荡器频率发生变化，导致单片机时序混乱，这对于一些对时序敏感的器件（如温度传感器DS18B20）是致命的。因此在使用晶振电路时应当注

44、意抗干扰设计，使其位置尽量靠近单片机的晶振信号输入引脚，并使其接线尽量短而且粗，同时其外壳应采用接地设计以增强抗干扰能力。因此，在此次设计中晶振与控制器时钟信号输入引脚间的连线使用25mils导线21。4.2.5 光耦隔离在次次设计中单片机作为控制器，能接受的信号是弱电信号，而其需要测量和控制的信号，如充电电压及电流，多为强电信号。如果不对其输入输出进行隔离，强电信号通过导线直接进入单片机内部，有可能导致单片机损坏，影响充电器系统整体的性能。因此在设计中考虑到这些因素，在单片机与强电线路连接时，均使用光耦对输入输出进行隔离。设计中选择常用的TLP521光电耦合器件进行信号隔离。隔离的作用主要是对强弱电信号进行隔离的同时保证信号的正确传递，同时在此设计中光电耦合器还对起到了电平转换的作用。在光电耦合器使用中应注意两侧的地线应分开，同时使隔离器件与单片机之间的连线尽量短，使隔离效果最佳。结 论本文在查阅大量资料的基础上对电动自行车铅酸蓄电池智能充电器进行了研究