航模快速充电器设计与制作

航模快速充电器设计与制作目录摘要 1英文摘要 2引言 31总体方案的确定 41.1设计思路 41.2充电池的特性 41.3充电器的原理框图 52工作原理的介绍 62.1电路工作原理 62.2硬件电路图 82.3元器件的介绍 93程序流程图 123.1主程序流程图 123.2控制程序流程图 134快速充电器的制作 144.1PCB的设计 144.2电路的焊接 155调试 165.1测试仪器 165.2测试方法 165.3测试结果 16结论与谢辞 17参考文献 18附件清单 19附件1整体原理图 20附件2PCB图 21附件3实物图 22附件4元件清单 23附件5程序清单 24航模快速充电器设计与制作摘要:本次设计用单片机的AD和PWM功能实现一个快速的镍镉/镍氢电池充电器，目的主要就是实现一个快速的航模充电器，以适应野外用汽车电瓶或者蓄电池对镍氢电池充电的需要。本次设计中主要采用的是STC12C2052芯片来作为主芯片，热敏电阻作为检查充电时的温度，芯片自带AD通过检测充电池旁边的电阻电压来检测充电电流，通过芯片自带PWM来控制开关三极管的导通、截止和充满时转为涓流状态，从而达到充电的目的。关键词:充电器快速充电热敏电阻STC12C2052ModelAircraftDesignandManufactureFastCharger(MajorofAppliedElectronicTechnology,InformationandEngineeringcollege,JinHuaCollegeofVoAbstract:ThedesignoftheADandPWMusingmicrocontrollerfunctionstoachieveafastNi-Cd/Ni-MHbatterycharger,mainobjectiveistoachievearapidchargermodelaircrafttomeetthefieldwithacarbatteryorarechargeablebatteryofthenickel-metalhydridebatteryneeds.ThemainuseofthisdesignisSTC12C2052chipasthemainchipthermistortemperatureasacheckchargingthechipcomeswithrechargeablebatteriesnexttotheADbydetectingtheresistanceofvoltagetodetectchargingcurrentthroughthechiptocontroltheswitchcomeswithPWMTransistorconductioncut-offandtrickleintothestatefulltime,soastoachievethepurposeofcharge.Keywords:ChargerFastChargeThermistorsSTC12C2052引言随着社会的进步和科技的发展，环境和能源问题越来越受到人们的重视。使用可充电电池有利于环保和节约。近几年来，随着微电子技术和工艺不断改进和飞速发展，对于电池或电瓶的充电技术有了突破性的进展，使其得到了重复利用，智能快速充电器越来越受到人们的青睐。普通充电器以定时恒流设计，对电池寿命非常不利。充电电流过大，容易过充和发热损坏，时间过长也容易损坏。电流过小，充电时间又太长。随着市场上高容量电池的推出，能快速充电又不至于损坏电池的高级充电器市场占有率开始上升。这样提高了电池的使用寿命，节省了大量的资源，也节约了时间。市场上普通的电池普遍使用率低，而人们对电池的需求量增大，导致废电池大量的堆积。这样不仅浪费资源，也不利于环保。随着单片机技术的发展，有许多新一代的单片机已经在片内集成了多路A/D转换通道，大大简化了连接电路和编程工作。单片机以其稳定可靠、体积小、功耗低、价格低廉的特点广泛应用于多重需要计算机控制功能的现场控制领域和实时控单片机控制系统。本文主要介绍STC12C2052的A/D转换和PWM的控制，目前使大多是用单片机制成的快速充电器。1总体方案的确定1.1设计思路镍氢电池充电器是用单片机的AD和PWM来控制充电器在恒流充电时电流过大，电池发热损坏，和时间过长容易损坏的保护。本次设计主要是以STC12C2052芯片来控制AD转换和PWM的大小，从而达到快速充电的目的。通过AD转换来检测电压，通过计算判断电流大小，从而做出判断，进行相应的工作。通过PWM来控制开关三极管13001的导通截止，使其电池是否要进行充电。本次设计用的4节1.2V，2500mAh的镍氢充电电池。1.2充电池的特性镍镉/镍氢电池的特性类似，当恒定电流冲入刚放完点的电池时，由于电池内阻产生压降，所以电池电压上升的很快。此后，电池开始接受电荷，电池电压以较低的速率持续上升。达到额定电压时，由于电池内部产生的化学反应，充电电压将会继续上升。达到一定峰值电压开始下将回到额定电压，并且稳定下来。开始充电时电池的温度，由于电化学反应以一定的速率产生氧气，同时氧气与氢气化合，所以温度比较低。但随着充电的进行产生的氧气高于复合氧气电池内的温度开始急速升高，如图1-1、1-2所示。图1-1电压与电池容量的关系图1-2温度与电池容量的关系1.3充电器的原理框图采用快速充电法时，充电电流为常规充电电流的几十倍。充足电后，如果不快速停止充电，电池的温度和内部的压力将迅速上升。所以为了保证电池充足电又不过冲，可以采取定时控制、电压控制和温度控制如图1-3所示。图1-3总体原理框图快速充电器的工作流程是：1.通过恒流电源给电池充电。2.用单片机分别通过AD转换检测电阻两端的电压，计算电流。3.用热敏电阻判断温度是否过高，过高就停止对电池的充电。4.用PWM控制输出，控制开关三极管的导通与截止，达到保护或进入涓流状态。2工作原理的介绍2.1电路工作原理主电路主要是12V的恒流电源输入，经过一个开关三极管13001，再到一个电感和二极管，到检测电阻后给电池充电。另一边是从芯片STC12C2052控制输出PWM来控制三极管的电流，来控制开关三极管的导通还是截止，如图2-1所示。图2-1主电路图其他元器件的作用如发光二极管D4在这表示其线路有没正常工作，肖特基二极管D6在这主要的作用是达到续流效果，经过电感L1的储能C4、C5的滤波供给镍氢电池充电。控制电路主要由三路电路组成，一路是电池电压V1，另一路是通过待测电阻后的电压V2，还有就是热敏电阻的测温。两路检测侧电压，如图2-2所示。图2-2两路电压检测上图介绍的两路电压检测，是通过单片机的P1.1经过内部AD转换直接检测充电池的电压V1，另一路通过单片机STC12C2052的P1.0同样的方法来检测电阻R13后的电压V2，检测出的电压可以由单片机来计算电流I。可以通过最简单的欧姆定律：I=U/R,代入公式可得I=V1-V2/R，由此可得电流大小。再由单片机STC12C2052来进行判断，如果超过额定电流，就由P3.7端口产生一个PWM来控制开关三极管截至，从而达到保护的作用，图2-3是一个单片机最小系统。图2-3单片机最小系统热敏电阻的测温，由于充电电流为常规充电电流的几十倍，所以会产生高温，为了避免损坏电池，电池温度过低是不能开始快速充电，电池温度上升到规定数值后，必须立即停止快速充电。所以这里用一个负温度系数的热敏电阻来检测，如图2-4所示。图2-4电池的测温根据镍氢电池的特性，当充电池温度高于50摄氏度就要停止快速充电。根据热敏电阻的特性，通过单片机STC12C2052 的P1.2口同样在内部进行AD转换，得到相应的电压，同样可以通过欧姆定律计算电流，而热敏电阻随温度的升高而电阻下降，所以设定一个电流值，当电流超过这个值，单片机的P3.7口马上做出判断，控制开关三极管截止，马上停止快速充电。电路的指示如图2-5所示。图2-5指示电路三个发光二极管分别代表，D1代表正常充电，D2代表出现故障时的指示，D3表示充满后的状态，分接在P1.7、P1.6、P1.5。2.2硬件电路图PCB的总原理还包括其它一些，比如复位电路、振荡电路等，总电路图如图2-6所示。图2-6总原理图C2、C3和晶振组成的振荡电路，C1和R1组成了一个上电复位。2.3元器件的介绍（1）STC12C2052AD的介绍STC12C2052AD是宏晶科技设计的一款单片机内部自带AD/和PWM的芯片。它是高速：1个时钟/机器周期，增强型8051内核，速度比普通8051快8～12倍。宽电压：5.5～3.5V，2.2～3.8V（STC12LE5410AD系列）。低功耗设计：空闲模式，掉电模式（可由外部中断唤醒）。工作频率：0～35MHz，相当于普通8051：0～420MHz。时钟：外部晶体或内部RC振荡器可选，在ISP下载编程用户程序时设置12K/10K/8K/6K/4K/2K字节片内Flash程序存储器，擦写次数10万次以上，512字节片内RAM数据存储器。芯片内EEPROM的功能：ISP/IAP，在系统可编程/在应用可编程,无需编程器/仿真器。10位ADC，8通道,STC12C2052AD系列为8位ADC。4路PWM还可当4路D/A使用，4通道捕获/比较单元（PWM/PCA/CCU），STC12C2052AD系列为2通道，也可用来再实现4个定时器或4个外部中断（支持上升沿/下降沿中断）。高速SPI通信端口：全双工异步串行口(UART),兼容普通8051的串口，先进的指令集结构，兼容普通8051指令集。4组8个8位通用工作寄存器（共32个通用寄存器），有硬件乘法/除法指令，STC12C2052AD的结构图如图2-7所示。图2-7STC12C2052ADSTC12C2052的主要性能：个时钟/机器周期，高速、高可靠，4路PWM，8路高速A/D转换。（2）肖特基二极管1N5819的介绍肖特基（Schottky）二极管，又称肖特基势垒二极管（简称SBD），它属一种低功耗、超高速半导体器件。最显著的特点为反向恢复时间极短（可以小到几纳秒），正向导通压降仅0.4V左右。其多用作高频、低压、大电流整流二极管、续流二极管、保护二极管，也有用在微波通信等电路中作整流二极管、小信号检波二极管使用。在通信电源、变频器等中比较常见。在本次设计中，为了防止开关三极管13001击穿，所以用肖特基二极管来续流。肖特基二极管是贵金属（金、银、铝、铂等）A为正极，以N型半导体B为负极，利用二者接触面上形成的势垒具有整流特性而制成的金属-半导体器件。因为N型半导体中存在着大量的电子，贵金属中仅有极少量的自由电子，所以电子便从浓度高的B中向浓度低的A中扩散。显然，金属A中没有空穴，也就不存在空穴自A向B的扩散运动。随着电子不断从B扩散到A，B表面电子浓度表面逐渐降低，表面电中性被破坏，于是就形成势垒，其电场方向为B→A。但在该电场作用之下，A中的电子也会产生从A→B的漂移运动，从而消弱了由于扩散运动而形成的电场。当建立起一定宽度的空间电荷区后，电场引起的电子漂移运动和浓度不同引起的电子扩散运动达到相对的平衡，便形成了肖特基势垒，如图2-8所示。图2-8肖特基二极管（3）开关三极管13001的介绍在本次设计中，为了实现是否对镍氢电池充电，单片机产生的PWM通过控制S0850电流的大小，从而控制开关三极管13001的开通和截止，如图2-9所示。图2-9开关三极管原理图三极管除了旧以当做交流信号放大器之外，也可以做为开关之用。像图2-8，因为受到电阻Rc的限制（Rc是固定值，那么最大电流为U/Rc，其中U为电源电压），集电极电流是不能无限增加下去的。当基极电流的增大，不能使集电极电流继续增大时，三极管就进入了饱和状态。一般判断三极管是否饱和的准则是：Ib*β〉Ic。进入饱和状态之后，三极管的集电极跟发射极之间的电压将很小，可以理解为一个开关闭合了。这样我们就可以拿三极管来当作开关使用：当基极电流为0时，三极管集电极电流为0（这叫做三极管截止），相当于开关断开；当基极电流很大，以至于三极管饱和时，相当于开关闭合。如果三极管主要工作在截止和饱和状态，那么这样的三极管我们一般把它叫做开关管。（4）负温度系数热敏电阻NTC10D-15为了防止充电时镍氢电池的温度过高，所以用热敏电阻了控制充电时温度高停止对电池的充电。因为用的是镍氢电池高于50摄氏度我们就要停止对其充电，所以选择负温度系数的热敏电阻。它的测量范围一般为-10～+300℃，也可做到-200～+10℃，甚至可用于+300～+1200℃环境中作测温用。负温度系数热敏电阻器温度计的精度可以达到0.1℃，感温时间可少至10s以下。它不仅适用于粮仓测温仪，同时也可应用于食品储存、医药卫生、科学种田、海洋、深井、高空、冰川等方面的温度测量，电阻图2-10电阻-温度特性NTC是NegativeTemperatureCoefficient的缩写，意思是负的温度系数，泛指负温度系数很大的半导体材料或元器件，所谓NTC热敏电阻器就是负温度系数热敏电阻器。它是以锰、钴、镍和铜等金属氧化物为主要材料，采用陶瓷工艺制造而成的。这些金属氧化物材料都具有半导体性质，因为在导电方式上完全类似锗、硅等半导体材料。温度低时，这些氧化物材料的载流子（电子和孔穴）数目少，所以其电阻值较高；随着温度的升高，载流子数目增加，所以电阻值降低。3程序流程图3.1主程序流程图主程序主要是检测电池的充电前的电压，准备开始对电池充电。程序从开始先系统初始化，初始化后去检测电压，判断是否在充电范围，是就控制PWM输出，进入中断等待，进而执行控制程序。如果是否就回去继续检测充电池电压，如图3-1所示。图3-1主程序流程图3.2控制程序流程图控制程序主要是几路控制程序，主要是对电流过大，温度过高，和进入涓流状态等控制电路，如图3-2所示。进入中断等待后，开启3路内部中断EX0、ET0、EX1，EX0判断是否已充满是就设置涓流充电参数，返回中断等待。如果没充满就继续控制PWM对电池进行充电。EX1中断是通过A/D转换来检测电测温度，温度过高就停止对电池的通电，温度不高就返回中断不做任何动作。EX1中断是判断充电电流是否过大，过大就就停止充电，没过大就返回中断不做动作。图3-2控制程序流程图4快速充电器的制作4.1PCB的设计制作PCB首先要设计电路原理图→产生网络表→新建PCB文件，设置PCB编辑器参数，主要是Options及Preferences→规划电路板（对形状规则的电路板可采用PCB向导自动生成；可采用手工方法设计任意形状的板；注意其板层、形状、大小；在机械层（MechanicalLayer)设置几何轮廓;在禁止布线层(KeepOutLayer)设置电气轮廓；电气轮廓不能超出几何轮廓的范围；放置螺钉孔）→添加合适的元件封装库→设置设计规则→装载网络表，自动调出板上所有元件的封装(在PCB编辑器中，通过网络表文件装载。Design→LoadNets;也可在原理图编辑器中，通过同步器装载。Design→UpdatePCB;)→元件布局→电路布线→设计规则检查（DRC）→网络表比较→调整PCB图上的元件标号→放置必要的文字注释→PCB文件输出。PCB布局非常总要，元件放置在PCB的元件面，尽量不放在焊接面；元件分布均匀，间隔一致，排列整齐，不允许重叠，便于装拆；属同一电路功能块的元件尽量放在一起；输入级与输出级元件尽量远离，以减少干扰；高压、低压元件尽量分开，强弱电流分开；元件离板边缘有一定距离；按信号流程安排功能单元，每一功能单元以核心元件为中心，一般为IC，三极管，其他元件围绕其布置；输入、输出信号的接插件放置在板的边缘；可调元件应放置在便于调节的位置；电源部分一般放在板的一边或一角；体积大的元件尽量放在板边；发热大的元件要放置在利于散热的位置，PCB水平安装的放于板边，垂直安装的放于板上部，必要时加装散热器或风扇；IC、电解电容、三极管要远离发热元件；测温元件要靠近被测对象；电阻、二极管元件首选卧式安装；分立元件的管脚尽可能短；高频元件要注意屏蔽，屏蔽措施可采用覆铜线、覆铜块或金属外壳等，要接地；干扰源也要屏蔽，如变压器；重量大的元件要注意加固，不能单靠焊盘固定，应采用插座、卡子、螺丝等方式；板外安装元件与板的连接采用接插件，接插件的位置要便于操作；板的形状首选矩形，异形板根据需要选用；要注意板的固定方式；要注意板的安装空间。因为本次设计的要求很多，所以进行手工布线，这是制作电路板最理想的结果。走线的角度不能是90度，一定是钝角；因为要求的输出电流最大是1A，所以走线最小是1.5mm；而高压这边的螺丝孔与走线的距离最小是5mm。布线设计完成后，需认真检查布线设计是否符合设计者所制定的规则，同时也需确认所制定的规则是否符合印制板生产工艺的需求，一般检查线与线、线与元件焊盘、线与贯通孔、元件焊盘与贯通孔、贯通孔与贯通孔之间的距离是否合理，是否满足生产要求。电源线和地线的宽度是否合适，在pcb中是否还有能让地线加宽的地方。注意：有些错误可以忽略，例如有些接插件的outline的一部分放在了板框外，检查间距时会出错；另外每次修改过走线和过孔之后，都要重新覆铜一次。4.2电路的焊接随着电子元器件的封装更新换代加快，电子发展已朝向小型化、微型化发展，手工焊接难度也随之增加，在焊接当中稍有不慎就会损伤元器件，或引起焊接不良，所以必须对焊接原理，焊接过程，焊接方法，焊接质量的评定，及电子基础有一定的了解。（1）焊接的基本条件完成锡焊并保证焊接质量，应同时满足以下几个基本条件。被焊金属应具有良好的可焊性；被焊件应保持清洁；选择合适的焊料；选择合适的焊剂；保持合适的焊接温度；（2）焊接的操作步骤

烙铁焊接的具体操作步骤可分为五步(操作)，称为五步法，五步法的正确焊接操作过程分为5个步骤：（1）准备、（2）加热、（3）加焊点、（4）移开焊料、（5）移开烙铁。实际操作中，（2）～（5）的操作过程，一般要求在2～3秒的时间内完成；具体的焊接时间还要根据环境温度的高低、电烙铁的功率大小以及焊点的热容量来确定。完成焊接的5个步骤时，由于焊点没有完全凝固，不能移动被焊件之间的位置，否则由于被焊件相对位置的改变，会使焊点结晶粗大（呈豆腐渣状）、无光泽或有裂纹，影响焊点的机械强度，甚至造成虚焊现象。焊接时，若发现焊点拉尖时，可用烙铁头在松香上醮一下，再补焊即可消除。焊接时容易出现的一另种违反操作步骤的做法是烙铁头不是先与被焊件接触，而是先与焊锡丝接触，熔化的焊锡滴落在尚末预热的被焊部位，这样很容易产生焊点虚焊，所以烙铁头必须先与被焊件接触，对被焊件进行预热是防止产生虚焊的重要手段。在这次焊接中由于板子是上个学期刻的，而焊接确在这个学期，所以放在那严重的氧化，给焊接工作带了影响，有些焊盘甚至都有掉。用了许多办法也没得到什么好的效果，最后只能有砂纸一点一点的摩，焊盘掉的只能在同线路的旁边用砂纸稍微的摩点，然后用焊锡丝将其连上。经过这次教训使我知道，对于那些刻好的板子要立即焊好，实在没办法也要好好保护使其不能被氧化掉。5调试5.1测试仪器万用表一只，示波器一台5.2测试方法在通电之前，先用万用表来检测电路是否有断路，然后，再对着PCB图来检测电路是否有短路现象。用万用表检测各种元器件的好坏，检测元器件有没插错。比如检测三极管的好坏,三极管有没插反，二极管有没被击穿。充上12V的电源后，首先检查芯片能否正常工作，芯片的两端电压是否正常。检查镍氢电池有没在正常充电，可以用万用表来检查充电电流和充电电压。经过一段时间经STC12C2052控制，逐步向电池充电，只要用万用表或示波器来检测电池的电压变化和电流的变化。5.3测试结果在一定的时间内，经过对电池两端的电压的测量，测量的结果如表5-1所示。表5-1测试结果充电时间电池电压电压差备注0分钟0.2V0初始充电电压20分钟1.0V0.8V电压快速升高40分钟1.2V0.2V达到充电值60分钟1.5V0.3V充电峰值结论与谢辞在此次的毕业设计中，通过对本课题的原理分析，实物制作，调试及问题的解决，使我掌握了电子电器产品的开发的整个过程。在今后工作过程中，开发其他产品有了一个初步的了解，通过这次毕业设计的锻炼，着实让我体会到了该怎样去面对困难，该怎么去战胜自身因素和外界的影响，有严谨的学习作风，实事求是，精益求精，要用专业知识和实际动手能力相结合，不断的提高自己分析问题的解决问题的能力。论文的撰写都得到了实际的锻炼，受益匪浅。本次设计在陈桂兰老师和南天计量有限公司尹华军（工程师）的悉心指导和严格要求下已完成，从课题选择到具体的写作过程，无不凝聚着这二位老师的心血和汗水；同时也自己也在不端的努力完成，我的毕业设计从原理图到PCB到实物制作和最后的程序，都是自己亲自完成。期间，陈桂兰老师给我论文理论的指导和修正，尹华军为我提供了专业知识上的帮助。在此向他们表示深深的感谢和崇高的敬意，在有限的人生追求无限人生的过程中，老师是我生命中值得一生铭记和感谢的人，同时也少不了同学们的帮助，在此我也对和我并肩战斗过的同学表示感谢。由于知识水平有限，在设计过程中难免有所出错，望各位老师、同学能对我的设计论文中存在的缺陷和不足予以指正，本人不胜感激！参考文献[1]何小艇.电子系统设计[M].浙江大学出版社,2005.[2]郭健华.《数字电子技术与实训教程》[M].人民邮电出版社2007.[3]杜小平,契桂花,雷道振.单片机初级教程—单片机基础[M].北京航空航天大学出版社,2006.[4]ThomasL.Floyd，DavidM.Buchla.模拟电子技术基础(双语版)[M].清华大学出版社2007.[5]阎石.数字电子技术基础（第五版）[M].高等教育出版社2006.附件清单附件1整体原理图附件2整体PCB图附件3实物图附件4元件清单附件5程序清单附件1整体原理图附件2PCB图附件3实物图附件4元件清单序号物料名称规格型号数量位号1插件电源芯片STC12C20521U12热敏电阻NTC10D-151R143肖特基二极管1N58191D64整流二极管1N40071D55发光二极管4D1,D2,D3,D46插件陶瓷电容22P2C2,C37插件陶瓷电容1051C58电解电容10uF/250V1C19电解电容100uF/25V1C410开关三极管130011Q311NPN三极管S80501Q112插件电感1/4W22uH1L113晶振11.0592MHz1Y114插件碳膜电阻1K1R115插件碳膜电阻330R3R2,R3,R416插件碳膜电阻1K1R517插件碳膜电阻10K2R6,R14,R9,R1118插件碳膜电阻33K2R8,R1219插件碳膜电阻680R1R15附件5程序清单MUC_START EQU P3.7ADC_CONTR EQU 0C5HADC_DATA EQU 0C6HADC_LOW2 EQU 0BEHP1M0 EQU 91HP1M1 EQU 92HADC_POWER_ON_SPEED_CHANEL1_0 EQU 11100000BADC_POWER_ON_SPEED_CHANEL1_1 EQU 11100001BADC_POWER_ON_SPEED_CHANEL1_2 EQU 11100010BADC_Channel1_0Result EQU 30HADC_Channel1_1Result EQU 31HADC_Channel1_2Result EQU 32HORG OOOOHAJMP MAINLJMP TNTERORG 0030HMAIN:MOV SP,#60HSETB EX0SETB ET1SETB EX1INTER:PUSH APUSH DPLPUSH DPSHACALL ADC_DIANYA1ACALL ADC_DIANYA2MOV TL1,#0F0HMOV THL1,#0D8HMOVA,30HMOV B,31HCLR CSUBBA,BCLR BMOV B,01101HDIV A,BMOV R1,AMOV B,2500CJNE R1,B,CHONGDIANACALL TINGZHIACALL WENDUACALL CHONGDIANPOP DPHPOP DPLPOP ARET1ADC_DIANYA1:ORL ADC_CONTR,#80HMOV A,20HACALL YANSHIORL P1M0,AORL P1M1,AORL ADC_POWER_ON_SPEED_CHANEL1_0PUSH ACCACALL DelayMOV ADC_CONTR,#0ORL ADC_DATA,#04HWAIT_AD:MOV A,#10HANL A,ADC_CONTRJZ WAIT,ADANL