通用型蓄电池充电电源硬件设计说明

....图2.2系统框图整流滤波模块：该模块是将市电的220V经过整流后转化为直流310V，经滤波隔离降压单元。变换器模块：该模块是由高频变压器构成，其中副边抽头绕组提供两种匝比，分别输出直流60V的共主充电器电路和直流12V和5V的电源供电模块使用。DC-DC变换器模块：该模块是将直流60V的电压转换转换为电池充电所需的电压，并通过功率开关管以与驱动电路，续流二极管，电感，电容的组合来达到充电控制的目的。采样模块1：该模块负责电压，电流的采集送入到AD转换单元。采样模块2：温度的采集用18b20直接采集输入CPU。AD转换模块：该模块的作用是将模拟信号转化为数字信号送入到CPU控制单元。键盘模块：该模块为4键盘的键值管理，其键盘包括种类和规格的轮换键、数值的增键、数值的剪键、确认键。LCD显示模块：用于显示电池的类型，电池的规格，充电程度，温度。PWM控制模块：该模块负责DC-DC电路的占空比调节，可以利用软件先将占空比分为若干档，再根据采样信号的分析决定占空比档位的选定。2.3.1整流滤波电路设计设计中选用单向桥式整流滤波电路。整流电路的输出电压虽然是单一方向的，但含有较大的交流成分，不能适应大多数电子电路的需要。因此，一般在整流后，还要利用滤波电路将脉动的直流电压变为平滑的直流电压。2.3整流滤波原理图a.原理介绍当市电经过熔断器F1经过EMI滤波，再经过过电压抑制电路得到u2。u2处于正半轴并且数值大于电容两端的电压uc时，二极管D1,D3导通，电流一路流经负载电阻RL,另一路对电容C充电。因为在理想情况下变压器副边无损耗，二极管导通电压为零，所以电容两端电压uc与u2一样。当u2上升到峰值后开始下降，电容通过负载RL放电，其电压uc也开始下降，趋势与u2基本一样。但是由于电容按指数规律放电，所以当u2下降到一定得数值后，uc的下降速度小于u2的下降速度，使uc大于u2从而导致D1,D3反相偏置而截止。此后电容C继续通过RL放电，uc按指数规律缓慢下降。当u2得副半周幅值变化恰好大于uc时，D2,D4因加正向电压变为导通状态，u2再次对C充电，uc上升到u2得峰值后开始下降；下降到一定数值时D2,D4变为截止，C对RL放电，uc按指数规律下降；放电到一定得数值时D1,D3导通，重复上述过程。b.滤波电容的选取考虑到电网电压的波动围，电容的耐压值应大于=342VC的取值围满足RLC=（3~5）T/2的条件。欧电容的容量为c.脉动系数S：脉动系数为d.整流二极管的选取当加入滤波电容后，只有当电容充电时，二极管才导通，因此每只二极管的导通角都小于，而且RLC值越大，滤波效果越好，导通角越小。一般选用较大容量的整流二极管，通常选取其最大整流平均电流IF大于负载电流的2~3倍。考虑到电网电压的波动围为，在选择二极管时，应至少有10%的余量，选择最大整流电流IF和最高反相工作电压URM分别为所以选用IN5409型二极管。2.3.2变换器的设计在变换器的选择中，选用反激式变换器，反激式变换器的电感具有存储电磁能量和提供电网隔离。在开关导通的瞬间，输入电压Us加在变压器T1的初级，同名端相对于异名端为负，次级二极管D反相偏置截止。初级电流线性上升，变压器作为电感运行。在开关Q1关断时，变压器所有线圈感应电势为正，次级二极管D正向导通，磁芯磁通作为变压器运行。图2.4反激变换原理图设计如下条件的变压器：反激变换器的工作频率为20KHZ，输入电压310VDC，输出电压10V、36V、48V，直流电流为4A。a.计算原边绕阻流过的峰值电流Ip：每一工作周期能量乘上工作频率f为输出的功率PoPo=（2.1）设为不连续工作模式，在ton时间的电流为0至Ip,则Vs=Lp（2.2）因为t=DmaxTs（2.3）所以Vs=Lp（2.4）设计中取Iave=Ip,化简得Ip===3.44Ab.求原边绕阻的电感值设计中取的Dmax=0.45，由式（2.4）得Lp=VsDmaxTs/Ip==2.05mHc.选择磁芯尺寸计算磁芯面积AP。AP为Aw（磁芯窗口面积）和Ae（磁芯有效截面积）的乘积。如果原边绕阻的线径为dw，带绕阻的磁芯所占的AP值表示为APp，可以按照下式进行计算APp=（2.5）式中，表明工作的磁感应强度变化值取饱和值Bs的一半。例如TDKE-E磁芯，100摄氏度时Bs=3900Gs=0.39T，如图所示：=1950Gs图2.5PC40磁感应变化曲线如果引用欧美国家常用的单位密尔，可以写为mil。用它时对选择导线简单些，所以密尔是导线的直径或薄板厚度的单位，1mil=0.001英寸。直径为1mil的金属丝面积为圆密尔，可以为c.m。换算时，可以考虑其关系为1圆密尔=0.78*10，下表列出美式线规重薄膜绝缘的导线规格，包括直径的大小，标称面积的圆密尔和每千英尺的电阻值。设我们在选择导线时，确定电流密度值为400c.m/A，则通过3.44A电流时需要的圆密尔为3.44*400c.m/A=1376c.m。参阅表选取AWG18#,其最大的直径为0.437英寸。所以将dw=0.043代入式（2.3）得APp==4.375cm占窗口大部分面积的是副边绕阻，一般取APp只为AP的1/4~1/3,取APp=1/4PAP=Aw*Ae=3*4.375=17.5从产品目录中可以查得2-75EI磁芯和线圈骨架乘积为AP=Ae*Aw=7.26*2.72=19.7519.75>17.5,选取此型号磁芯与线圈骨架合适。d.计算气隙长度lg由于反激工作模式是单向激磁，为防止磁饱和应加气隙。气隙有较大的磁阻，而且能量是存在气隙所构成的体积VG中，故有1/2LpI（2.6）式中H磁场强度VG气隙的体积，VG=Ae*lgcm。由式2.6得lg==0.11cm因此，应在磁芯中心柱打磨出气隙0.11cm或在磁心两外侧各打出0.055cm，在这个基础上在进行调整。也可以选取已有气隙相近的磁心，并进行调整。e.原边绕阻匝数计算=匝(取50匝)f.副边绕阻匝数计算绕阻采用堆叠法，这也是变压器厂家常常采用的方法。其特点是10V绕阻给36V绕阻提供部分匝数，而60V绕阻则包含了10V和36V绕阻的匝数和新增的匝数。堆叠法技术先进，不仅可以节约导线，减少线圈面积，还可以增加绕阻之间的互感量，加强耦合强度。以10V为例，设整流压降为0.7V，绕阻压降为0.6V。则副边的电压值为10+0.7+0.6=11.3V原边绕阻每组的匝数为310/60=6.2V/匝则副边匝数为NS=11.3/6.2=1.82匝（取2匝）因副边取取整数2匝，反击电压小于正向电压，新的每匝的反激电压是11.3/2=5.65V/匝。占空比必须以同样的比率变化来维持伏/秒相等。Ton=对于36V直流输出，考虑绕阻和二极管压降1V后为37VVF=37/5.65=6.5匝（取7匝）对于60V直流输出，考虑绕阻和二极管压降1V后为61VNS1=61/5.65=10.8匝（取11匝）g.副边绕阻的线径按电流密度值为400c.m/A考虑，通过4A电流需要400c.m/A*4A=1600c.m（圆密尔）考虑集肤效应与绕制方便选5股并绕，每股为1600/5=320圆密尔，参考表选取AWG25#导线。其圆密尔即为320.只要其他条件允许，导线实际通过的电流值为320*5/400=4A2.3.3高性能电流控制器UC3842是高性能的固定频率电流模式控制器专为离线和直线至电流变换器应用而设计。这些集成电路具有微调的振荡器，能进行精确的占空比控制，温度补偿的参考，高增益的误差放大器。电流去一起昂比较器和电流图腾柱式输出，是驱动功率MOSFET的理想器件。a.芯片介绍UC3842是由Unitrode公司开发的新型控制器件，是国应用比较广泛的一种电流控制型脉宽调制器。所谓电流型脉宽调制器是按反馈电流来调节脉宽的。在脉宽比较器的输入端直接用流过输出电感线圈电流的信号与误差放大器输出信号进行比较，从而调节占空比使输出的电感峰值电流跟随误差电压变化而变化。由于结构上有电压环、电流环双环系统，因此，无论开关电源的电压调整率、负载调整率和瞬态响应特性都有提高，是比较理想的新型的控制器闭。b.管脚功能说明图2.6芯片封装#管脚1误差放大器输出，并可用于环路补偿。#管脚2误差放大器的反相输入。#管脚3一个正比于电感器的电压接此输入，脉宽调制器使用此信息种植输出开关的导通。#管脚4通过将Rt接Vref以与电容Ct接地，使振荡器频率和最大占空比可调。#管脚5控制电路和电源接地#管脚6该输出直接驱动MOSFET的栅极。#管脚7接控制集成电路的正电源。#管脚8为参考输出，它通过电阻Rt和电容Ct提供充电电流。c.时序图图2.7UC3842时序图d.工作描述UC3842专门设计用于离线和直流-直流变换器应用的高性能、固定频率、电流模式控制器，为设计者提供使用最少的外部元件的高性价比的解决方案。代表性框图如下：图2.8芯片部图e.振荡器振荡器频率由定时元件Rt和Ct选择值决定。电容Ct由5.0V的参考电压通过Rt充电，充至约2.8V，再由一个部电流宿放至1.2V。在Ct放电期间，振荡器产生一个部消隐脉冲保持“或非”门中间输入为高电平，这导致输出位低状态，从而产生了一个数量可以控制的输出静区时间。f.误差放大器提供一个有可以访问反相输入和输出的全补偿误差放大器。此放大器具有90dB的典型直流电压增益和具有57°相位余量的1.0MHz增益为1带宽。同相输入在部偏置于2.5V而不经管脚引出。典型情况下变换器输出电压通过一个电阻分压器分压，并由反向输入监视。最大输入偏置电流为2.0uA，它将引起输出电压误差，后者等于输入偏置电流和等效输入分压器电阻的乘积。g.电流取样比较器和脉宽调制锁存器UC3842作为电流模式控制器工作，输出开关导通由振荡器起始，当峰值电感电流到达误差放大器输出/补偿建立门限电平时终止。这样在逐周基础上误差信号控制峰值电感电流。所用的电流取样比较器-脉宽调制锁存器配置确保在任何的给定的振荡器周期，仅有一个出现的输出端。电感电流通过插入一个与输出开关Q1的原极串联的以地位参考的取样电阻Rs转换为电压。此电压由电流取样输入监视并与来自误差放大器的输出电平相比较。在正常的工作条件下，峰值电感电流有管脚1上的电压控制，其中：当电源输出过载或者如果输出电压取样丢失时，异常工作工作条件将出现。在这些条件下，电流取样比较器门限将被部拉至1.0V。因此最大的峰值开关电流为：h.欠压锁定采用了两个欠压锁定比较器来保证在输出级被驱动之前，集成电路已完全有用。正电源和参考输出各由分离的比较器监视。每个都具有部的滞后，以防止在通过的它们各自的门限时产生错误输出动作。UC3842的Vcc比较器上下门限围16V/10V。i.输出这些器件有一个单图腾柱输出级，是专门用来直接驱动功率MOSFET的，在1.0uF负载下，它能够提供高达1.0A的峰值驱动电流和典型值为50ns的上升，下降时间。还附加一个部电路，是得任何时候只有欠电压锁定有效，输出就进入灌入式，这个特性使外部下拉电阻不再需要。图2.9MOSFET驱动电路j.参考电压5.0V带隙参考电压在25摄氏度时调整误差至2.0%它首要的目的是为了保证为振荡器定时电容提供充电电流。参考部分具有短路保护功能并能想附加控制电路供电提供200mA的电流。2.3.4主充电电路设计a电路设计理念：如图2.10所示，IN0正比于电池的电压，IN1通道将采集分压电阻两端的电压差值，该电压可以通过一个分压器得到。为了最大限度地降低分压器对电池的影响，分压器的电阻值应该足够大，但阻值过高又会使噪声抑制能力下降，因此分压器的电阻值应在100kΩ-1M之间选取。分压比例为9:1。采样电压为原电压的十分之一。IN1正比于充电电流，根据R32阻值可将电流转换成电压参数提供给CPU进行A/D采样。P10端控制放电电路。MOSFET为开关控制器形成正输入正输出的buck电路,因为MOSFET的启动电压为4~8V，单片机不能驱动，于是搭建一个驱动电路。如图2.10所示，功率MOSFET属于电压型控制器件，只要栅极和源极之间施加的电压超过其阈值电压就会导通。由于MOSFET存在结电容，关断时其漏源两端电压的突然上升将会通过结电容在栅源两端产生干扰电压常用的互补驱动电路的关断回路阻抗小，关断速度较快。但它不能提供负压，故其抗干扰性较差。为了提高电路的抗干扰性，可在此种驱动电路的基础上增加Q3、Q2以与R23组成的负压从而避免受到干扰产生误导通。图2.10BUCK电路原理图b电路计算：输入电压：60VDC，输出电压24-50V，纹波电压为输出电压的0.5%，即△Vo/Vo<0.5%，工作频率定为20KHz。例如：密度为1127g/cm3阀控式密封铅酸电池,在浮充电压为2.25V/只时,浮充电流为45mA/100Ah，由于目前市场上常见的电动自行车蓄电池均在100Ah容量以，故以I=45mA来作为电流值的估算；又由于要求的电池电压在24-48V之间，故浮充电压约为U=27-54V。故电池浮充阶段的等效电阻约为R=U/I=27/0.045-54/0.045=600-1200欧姆则：（1）占空比：D=Vo/Vs=24／60~48／60=0.4~0.8.（2）临界电感:Lc=(1-D)RTs/2=0.6R／2*20*1000=18(mH)(3)取电感量为临界电感的2倍即：36mH（4）峰值电流：Itp=Vo/Rmin+Vo(1-D)Ts/2L=48／600+48*3*0.001／2*36=0.09A.(5):ΔVo=Vo(1-D)Ts2/8LC即C=Vo(1-D)Ts2/8LΔVoC=48*0.6*50*50/8*36*1000*0.005*48=1.04uF2.3.5单片机控制单元设计a单片机的选取AT89S52为ATMEL所生产的一种低功耗、高性能CMOS8位微控制器，具有8K在系统可编程Flsah存储器。功能强大故选用该芯片。AT89S52主要功能列举如下：#拥有灵巧的8位CPU和在系统可编程Flash#晶片部具时钟振荡器（传统最高工作频率可至12MHz）#部程序存储器（ROM）为8KB#部数据存储器（RAM）为256字节#具有32个可编程I/O口线#具有8个中断向量源#三个16位定时器/计数器#三级加密程序存储器#全双工UART串行通道图2.16芯片封装b.AT89S52系统：如图2.17所示:AT89S52单片机最小系统由以下几个部分组成：#晶振电路，单片机要想工作必须有一个外部的时钟源，这个时钟源由外部晶振产生，具体电路为图中的Y1、C2、C3，在做电路板时应注意晶振和电容要靠近18脚和19脚放置，如果放置过远可能会造成晶振不能起振，或工作不稳定。典型值为C02、C0330pF，Y112M。#复位电路，复位电路包括上电复位和手动复位两部分，52系列单片机多为高电平复位，也就是说RST（9）脚上只要有持续两个机器周期以上的高电平就能使单片机复位，因此上电复位的原理就是利用电容充电的一段时间将复位脚拉至高电平，使单片机完成复位，C01可以选用104或105之类的瓷片电容，R1在电容充电结束后将复位脚拉至低电平，保证单片机正常工作。#ISP下载接口，改下载接口在实际制作时可以用双排的5*2的排针代替，电路是根据标准的ISP下载线来设计的，与常用的并口下载线，串口下载线和笔记本用的USBASP下载线兼容，只需将下载线接口插到本接口上就可以直接向单片机烧写程序。图2.17AT89S52系统接线2.3.6温度采集与AD转换单元设计a温度采集在设计中，需要随时的对电池和CPU进行温度测量，在这里我们采用18b20温度传感器对温度进行采集。图2.11芯片封装图18b20数字温度计提供9位温度读数，指示器件的温度。信息通过18b20送入或送出，因此从中央处理器到18b20仅需要连接一根线。读，写和完成温度变换所需的电源可以由数据线本身提供，而不需要外部电源。为了使18b20能完成准确的温度转换，当温度发生变化时，I/O线上必须提供足够的功率。因为18b20的工作电流高达1mA，5K的上拉电阻将I/O没有足够的驱动能力。18b20通过使用在板温度测量专利技术来测量温度。温度测量电路如下：图2.12温度测量电路18b20通过门开通时间低温度系数振荡器经历的时钟周期个数技术来测量，而门开通期由高温度系数振荡器来决定。bAD转换这一器件选用美国国家半导体公司生产的一种8位分辨率，双通道A/D转换芯片ADC0832。图2.13芯片封装图(1)ADC0832具有的特点：#8位分辨率；#双通道A/D转换#输入输出电平与TTL/CMOS相兼容#5V电源供电时输入电压在0~5V之间#工作频率在250KHZ，转换时间为32uS#一般功耗仅为15mW；#8P,14P—DIP(双列直插)，PICC多种封装；#商用级芯片温宽为0℃-+70℃，工业级芯片温度为-40℃芯片接口说明：#CS_片选使能，低电平芯片使能；#CHO模拟输入通道0，或作为IN+/-使用。#CH1模拟输入通道1，或作为IN+/-使用.#GND芯片参考0电位（地）。#DI数据信号输入，选择通道控制。#D0数据信号输出，转换数据输出。#CLK芯片时钟输入。#Vcc/REF电源输入与参考电压输入（复用）。图2.14ADC0832与AT89S52原理图ADC0832为8位分辨率转换芯片，其最高分辨率高达256级，可以适应一般的模拟量转换要求。其部电源输入与参考电压的复用，使得芯片的模拟电压输入在0~5V之间。芯片转换时间仅为32uS，据有双数据输出可作为数据校验，以减少数据误差，转换速度快且稳定性强。独立的芯片使能输入，使多器件挂接和处理器控制变得更加方便。通过DI数据输入端，可以轻易的实现通道功能的选择。(3).单片机对ADC0832的控制原理：正常情况下ADC0832与单片机的接口为4条数据线，分别是CS,CLK,DO,DI.但由于DO端与DI端在通信时并未同时有效并与单片机的接口是双向的，所以电路设计时可以将DO,DI并联在一根数据上使用。ADC0832未工作时其CS输入端应为高电平，此时芯片禁用，CLK和DO/DI的电平可任意。当要进行AD转换时，须将CS使能端置为低电平直到转换完全结束。此时芯片开始转换工作，同时由处理器向芯片时钟输入端CLK输入时钟脉冲，DO/DI端则使用DI输入通道功能选择的数据信号。在第一个时钟脉冲的下沉之前DI端必须是高电平，表示启动信号。在第2，3个脉冲下沉之前DI端应输入2位数据用于选择通道功能，其功能项见表2.1。表2.1功能表如表一所示，当2位数据为“1”，“0”时，只对CH0进行单通道转换。当2位数据为“1”“1”时，只对CHI进行单通道转换。当2位数据为“0”，“0”时，将CHO作为正输入端IN+,CHI作为负输入端IN-进行输入。当2位数据为“0”，“1”时，将CHO作为负输入端IN-，CHI作为正输入端IN+进行输入。到第三个脉冲下沉之后的DI端的输入电平就失去输入作用，此后DO/DI端则开始利用数据输出DO进行转换数据的读取。从第四个脉冲下沉开始由DO端输出转换数据最高位DATA7,随后每一个脉冲下沉DO端输出下一位数据。直到第11个脉冲时发出最低位数据DATAO，一个字节的数据输出完成。也正是从此位开始输出下一个相反字节的数据，即从11个字节的下沉输出DATA0.随后输出8位数据。到第19个脉冲时数据输出完成，也标志一次AD转换的结束。最后将CS置高电平禁用芯片，直接将转换后的数据进行处理就可以了。图2.15ADC0832时序图作为单通道模拟信号输入时ADC0832的输入电压是0~5V且8位分辨率时的电压精度为19.53mV。如果作为由IN+与IN-的输入时，可是将电压值设定在某一个较大的围之，从而提高转换的宽度。但值得注意的是，在进行IN+与IN-的输入时，如果IN-的电压大于IN+的电压则转换后的数据结果始终为00H。2.3.7输入即显示单元设计a键盘输入单元此充电器是对24V,36V,48V三档电池进行充电，对不同规格，不同容量的电池进行键盘输入，本设计的解决方法是采用一个4键盘进行电池种类选择。充电规格(S2)增加键(S3)减小键(S4)确认(S4)图2.184键位设计按键功能：#充电规格：电池种类、电池电压、电池容量，每次按键都会在这三种之间选择一个#增加与减小键：当充电规格为电池种类时，在铅酸电池、镍镉镍氢电池之间选择；当充电规格为电池电压时，在24V、36V、48V之间选择；当为电池容量时，增加与减小键为容量的输入。设计采用行扫描法,对P20,P21,P23,P24进行扫描。当不工作时4接口都为高电平，工作时为低电平。图2.19键盘设计图bLCD显示单元设计中要求对电池的伏值和容量进行显示，故采用LCD1602A以满足要求。显示容量为16*2个字符；芯片工作电压：4.5~5V；工作电流：2.0mA；模块最佳工作电压：5.0V；字符尺寸：2.95*4.35（WXH）mm.。(1).控制器接口时序说明：读操作时序：写操作时序：图2.20时序图(2)1602A与CPU连线图图2.211602A与CPU连接图2.3.8电源供电单元设计在本模块中，+10V输入电压由隔离降压单元中的高频变压器提供，输出+5V由集成稳压器芯片LM2940T-5.0提供，其电路连线如下：图2.22供电电路设计集成稳压器是将非稳定直流电压变换成稳定直流电压的IC芯片。LM2940T-5.0为3端集成稳压器,仅有输入端\输出端与公共端3个引脚。芯片部设有过流保护、过热保护与调整管安全保护电路,其所需外接元件少,使用方便、可靠。3总结经过将近四个月的时间，我和我的合作者终于完成了反激式通用型电动自行车充电电源的主体设计，从课题理解到电路分析、硬件原理图设计，在掌握了AT89S51单片机C语言应用与熟悉开发调试环境的基础上，成功完成了控制系统控制的设计，并且通过了调试，基本上完成了自己的设计任务。在整个课题中，我主要负责系统的硬件部分的设计，现在也比较顺利的完成了任务。毕业设计是对我们大学四年期间所学的知识的依次全面的检测。本设计课题为基于PWM的自行车智能充电器，设计中涉与到单片机，微控，自控的许多方面的知识。毕业设计是理论知识和实践之间的结合，通过毕业设计这个实践过程，使我认识到理论知识和实践之间有着很大的差距，实践是理论知识的灵活运用，是具有一定的技巧性的。只有将理论知识与实践相结合，才能将设计做的更好。在本次的毕业设计中，我也充分的感觉到了自己的缺点和不足：工作效率低、还不能灵活的运用网络资源，由于缺乏实际动手能力的培养，设计过程中走了不少弯路，发现了不少问题。这些都在老师的指导和严格要求之下有所改正，在今后的工作和学习中，我会更加严格的要求自己，努力做的更好。参考文献[1]广弟主编.单片机基础-3版.：航空航天大学，2007.6.33~37[2]朝亲主编.单片机原理与接口技术.：航空航天大学，1999.8.4