蓄電池充電機(jī)專用控制器設(shè)計(jì)

1、電 子 科 技 大 學(xué)畢 業(yè) 設(shè) 計(jì)（論 文）論文題目：蓄電池充電機(jī)專用控制器設(shè)計(jì) 學(xué)習(xí)中心（或辦學(xué)單位）：天津漢沽電大奧鵬學(xué)習(xí)中心指導(dǎo)老師：漆強(qiáng) 職 稱： 講師 學(xué)生姓名：王立民 學(xué) 號(hào): 201003682289專 業(yè)：電力系統(tǒng)及其自動(dòng)化 電子科技大學(xué)繼續(xù)教育學(xué)院制網(wǎng)絡(luò)教育學(xué)院2011年 10月25日電 子 科 技 大 學(xué)畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文）任務(wù)書題目：蓄電池充電機(jī)專用控制器設(shè)計(jì)任務(wù)與要求：時(shí)間： 2011 年 11 月 18 日 至 2011 年 12 月 16日 共 3 周學(xué)習(xí)中心（或辦學(xué)單位）： 天津漢沽電大奧鵬學(xué)習(xí)中心學(xué)生姓名： 王立民 學(xué) 號(hào)：201003682289專業(yè)： 電力系統(tǒng)

2、及其自動(dòng)化指導(dǎo)單位或教研室： 天津漢沽電大奧鵬學(xué)習(xí)中心指導(dǎo)教師：漆強(qiáng) 職 稱：講師電子科技大學(xué)繼續(xù)教育學(xué)院制網(wǎng)絡(luò)教育學(xué)院2011 年 10 月 25 日畢業(yè)設(shè)計(jì)(論文)進(jìn)度計(jì)劃表日 期工 作 內(nèi) 容執(zhí) 行 情 況指導(dǎo)教師簽 字10.1310.25開題報(bào)告10.2511.18論文初稿11.1812.16論文終稿教師對(duì)進(jìn)度計(jì)劃實(shí)施情況總評(píng) 簽名 年 月 日 本表作評(píng)定學(xué)生平時(shí)成績(jī)的依據(jù)之一。摘要本設(shè)計(jì)介紹了鉛酸蓄電池自動(dòng)充放電控制器的構(gòu)成，給出了充放電時(shí)電流和電壓控制策略。用計(jì)算機(jī)來控制其過程，共分為四個(gè)階段，每個(gè)階段以恒電流或恒電壓充電，依賴于電流，電壓的設(shè)定值ib1,ib2,eb1,eb2。第

3、一階段，以ib1恒流充電，當(dāng)電壓達(dá)到eb1時(shí)轉(zhuǎn)入第二階段。第二階段以電壓eb1進(jìn)行恒壓充電，隨著電池開路電壓的提高，電流會(huì)逐漸變小，當(dāng)充電電流達(dá)到ib2時(shí)，轉(zhuǎn)入第三階段。第三階段以ib2恒流充電，這時(shí)電池電壓進(jìn)一步提高，當(dāng)電壓達(dá)到，當(dāng)電壓達(dá)到eb2時(shí)轉(zhuǎn)入第四階段。第四階段以eb2恒壓充電，這時(shí)電流進(jìn)一步逐漸變小，當(dāng)充電安時(shí)數(shù)達(dá)到后停止。具體步驟通過單片機(jī)pic16f877進(jìn)行控制，并用c語言進(jìn)行軟件設(shè)計(jì)。實(shí)際應(yīng)用表明，采用混合型模糊pid控制可滿足充放電控制速度快、精度高的要求。關(guān)鍵詞：蓄電池 模糊控制 單片機(jī)pic16f877abstractthis design introduced th

4、e automatic in sour storage battery in lead turns on electricity the composing of the controller, giving the current and voltage control strategy for to turn on electricity.control its process with the calculator, is divided into four stages totally, each stage refreshes with the electric current of

5、 the electric voltage, depending on in the electric current, the initial value ib1, ib2, eb1 of the electric voltage, eb2.first stage, flow to refresh with the ib1 , be the electric voltage attain the hour of eb1 turns into the second stage.the second stage presses to refresh with the electric volta

6、ge eb1 proceeding , openning a new road the exaltation of the electric voltage along with the battery, the electric current will size down, being to refresh the electric current attain the ib2, turn into the third stage.flow to refresh with the ib2 the third stage, the battery electric voltage furth

7、er increases at this time, being the electric voltage attains, being the electric voltage attain the eb2 the hour turns into the fourth stage.press to refresh with the eb2 the fourth stage, the electric current further sizes down at this time, being to refresh peaceful hour number stop after attaini

8、ng,。in a specific way the step passes the single a machine pic16f877 proceeds the control, counteracting the c language proceeds software design.actual the application expresses, adopting the misty the control of pid in type in admixture can satisfy the turns on electricity the control speed quick,

9、high request in accuracy.key works: storage battery; fuzzy controller; microcomputer pic16f877目錄第一章 緒言1 第一節(jié) 蓄電池的應(yīng)用與發(fā)展1 第二節(jié) 蓄電池的工作原理2 第三節(jié) 蓄電池的基本概念2 第四節(jié) 本文的主要研究?jī)?nèi)容2第二章 蓄電池化成充放電控制技術(shù)的概述3第一節(jié) 微機(jī)的控制意義3第二節(jié) 化成充放電控制器的發(fā)展4第三節(jié) 極板化成的階段4第三章 系統(tǒng)總體結(jié)構(gòu)5第一節(jié) 蓄電池化成充放電系統(tǒng)5第二節(jié) 控制器的設(shè)計(jì)要求.5第三節(jié) 實(shí)現(xiàn)方案6第四節(jié) 控制器的總體設(shè)計(jì)6第四章 控制器的硬件設(shè)計(jì)7第一節(jié)

10、主控單片機(jī)的選擇.7第二節(jié) 輸入電路.8第三節(jié) 輸出電路.11第五章 控制器的軟件設(shè)計(jì).12第一節(jié) 運(yùn)行控制模塊.12第二節(jié) 軟件設(shè)計(jì)中對(duì)開關(guān)的控制.12第三節(jié) 安時(shí)運(yùn)算模塊.14第四節(jié) 鍵盤控制模塊.14結(jié)束語. .15謝辭. .16參考文獻(xiàn)17第一章 緒 言第一節(jié) 蓄電池的應(yīng)用與發(fā)展隨著科學(xué)技術(shù)和生產(chǎn)力的發(fā)展，蓄電池作為一種性能可靠的化學(xué)電源，其應(yīng)用價(jià)值與日俱增，日益廣泛地運(yùn)用在航空航天、交通運(yùn)輸、電力、通信、軍事工業(yè)等部門的設(shè)備中，已經(jīng)成為這些設(shè)備中最重要的關(guān)鍵系統(tǒng)部件之一。常用的蓄電池根據(jù)電解質(zhì) 性質(zhì)可分為酸性蓄電池和堿性蓄電池兩大類，以酸性水溶液為電解質(zhì)的電池稱為酸性蓄電池，以堿性水

11、溶液為電解質(zhì)的電池稱為堿性蓄電池。目前，使用最多的是鉛酸蓄電池。鉛酸蓄電池是1859年由普蘭特發(fā)明的，至今已有一百多年的歷史。一百多年來，隨著科學(xué)技術(shù)的發(fā)展，鉛酸蓄電池的工藝結(jié)構(gòu)、生成機(jī)械化和自動(dòng)話程序不斷完善，性能不斷提高。鉛酸蓄電池以其成熟的技術(shù)，優(yōu)良的性能價(jià)格比，及資源的循環(huán)利用等優(yōu)勢(shì)始終保持著在蓄電池行業(yè)的主導(dǎo)地位。鉛酸蓄電池的種類繁多，根據(jù)其用途的不同，可分為以下幾種：起動(dòng)型蓄電池、固定型蓄電池、牽引車蓄電池、內(nèi)燃機(jī)車蓄電池、鐵路車輛用蓄電池等。如在電信系統(tǒng)中，電報(bào)、電話、微波通訊等部門都采用各式固定型蓄電池組來充電供電或作為直流升壓、事故照明、信號(hào)知識(shí)和遙控等的供電電源；汽車和摩托

12、車都采用各式移動(dòng)型蓄電池作為啟動(dòng)或點(diǎn)火電源等等。近年來，我國(guó)鉛酸電池性能有了很大的改進(jìn)，重量/能量比和體積/能量比均有較大的提高。從最早的ggf型防酸隔爆電池到后來的ggm、gam型字消氫防酸隔爆電池，再到現(xiàn)在最常用的免維護(hù)閥控式（vrla）鉛酸蓄電池。隨著鉛酸蓄電池免維護(hù)化的實(shí)現(xiàn)以及監(jiān)控、管理手段的不斷完善，鉛酸蓄電池在大容量備用電池系統(tǒng)中將繼續(xù)保持良好的市場(chǎng)。今后，無論國(guó)內(nèi)還是國(guó)外，鉛酸蓄電池將進(jìn)一步發(fā)展。蓄電池的原料豐富、價(jià)格便宜、制造簡(jiǎn)單、使用壽命長(zhǎng)、并且具有寬廣的使用溫度范圍和電流范圍、易于用電解液比重檢查放電程度等優(yōu)點(diǎn)，而且它是一種直流電源，具有電壓穩(wěn)定，供電方便和可靠等優(yōu)點(diǎn)，不受

13、電突然中斷的影響。因此，蓄電池在工業(yè)、企業(yè)中有著重要的應(yīng)用。但同時(shí)蓄電池能否正常運(yùn)行，及能否按要求充放電對(duì)各行各業(yè)將有一定的影響，因此，隨著工業(yè)的發(fā)展，對(duì)蓄電池質(zhì)量和壽命的要求越來越高，越來越嚴(yán)格，這對(duì)蓄電池工業(yè)所生產(chǎn)出的蓄電池提出了更高的要求。第二節(jié) 蓄電池的工作原理蓄電池的工作原理就是化學(xué)能與電能相互轉(zhuǎn)換的變化規(guī)律。當(dāng)蓄電池將化學(xué)能轉(zhuǎn)化為電能而供用電設(shè)備使用時(shí)，叫蓄電池的放電過程；當(dāng)蓄電池與外界直流電源相連而將電能轉(zhuǎn)化為化學(xué)能儲(chǔ)存起來時(shí)，叫蓄電池的充電過程。鉛酸蓄電池的充放電過程是通過極板上的活性物質(zhì)與電解液發(fā)生電化學(xué)反應(yīng)來實(shí)現(xiàn)的。根據(jù)電化學(xué)理論，鉛酸蓄電池的兩組極板插入電解液里就會(huì)發(fā)生化

14、學(xué)變化而產(chǎn)生電壓，它的正極活性物質(zhì)是二氧化鉛，負(fù)極活性物質(zhì)是海綿狀的金屬鉛，電解液是稀硫酸。鉛蓄電池放電時(shí)，正負(fù)極板上的活性物質(zhì)都吸收硫酸，逐漸變成硫酸鉛，當(dāng)兩種極板上大部分活性物質(zhì)都變成了同樣的硫酸鉛后，蓄電池的電壓就下降到不能再放電了。蓄電池放完了電，這時(shí)就要馬上對(duì)它充電，使之恢復(fù)成為原來的二氧化鉛和絨狀鉛，這樣，蓄電池就可以反復(fù)使用了。第三節(jié) 蓄電池的基本概念1. 電池容量：是蓄電池使用過程中的一個(gè)重要參數(shù)，它指蓄電池充足電后放電到終止電壓時(shí)輸出的電量，也就是在一定的放電條件下可以從電池中獲得的電量，單元電池內(nèi)活性物質(zhì)的數(shù)量決定了單元電池含有的電荷量，因此，通常電池體積越大，它的容量越高

15、。電池容量用c表示。2. 充電終止電壓和放電終止電壓:蓄電池充足電時(shí)，極板上的活性物質(zhì)已達(dá)到飽和狀態(tài)，再繼續(xù)充電，蓄電池的電壓也不會(huì)上升，此時(shí)的電壓稱為充電終止電壓。放電終止電壓是指蓄電池放電時(shí)允許的最低電壓。如果電壓低于放電終止電壓后，電池還繼續(xù)放電，電池兩端電壓會(huì)迅速下降，形成深度放電，這時(shí)，極板上形成的生成物在正常充電時(shí)就不易再恢復(fù)，從而影響電池的壽命。放電終止電壓與放電率有關(guān)。3. 電池的內(nèi)阻：當(dāng)電流流過蓄電池時(shí)，蓄電池兩端所呈現(xiàn)出來的電阻稱為蓄電池的內(nèi)阻。第四節(jié) 本文的主要研究?jī)?nèi)容本文主要是以鉛酸蓄電池化成充放電為研究對(duì)象，設(shè)計(jì)一個(gè)微機(jī)控制器系統(tǒng)，實(shí)現(xiàn)對(duì)蓄電池化成充放電過程的智能控制

16、。利用單片機(jī)對(duì)蓄電池充放電主回路進(jìn)行控制，實(shí)現(xiàn)對(duì)蓄電池進(jìn)行靜電、恒壓限流充電、恒流充電、恒流放電等多階段充放電控制，并自動(dòng)記錄和顯示充放電過程中的各項(xiàng)參數(shù)。起到提高效率、控制精度和產(chǎn)品質(zhì)量的作用，并可以節(jié)約能源、降低工人的勞動(dòng)強(qiáng)度。本文的研究工作主要包括兩大方面：1. 控制器硬件平臺(tái)的設(shè)計(jì)，包括人機(jī)接口電路，看門狗電路，數(shù)據(jù)存儲(chǔ)電路，數(shù)據(jù)采集和調(diào)理電路，開關(guān)量輸出電路以及串行口通訊電路的設(shè)計(jì)；2. 控制軟件平臺(tái)的設(shè)計(jì)，包括軟件總體結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)，各個(gè)功能模塊的設(shè)計(jì)，如：充電機(jī)的啟動(dòng)控制，充放電回路的閉環(huán)控制和串行通信模塊等等。第二章 蓄電池化成充放電控制技術(shù)的概述目前，國(guó)內(nèi)常用的蓄電池化成充電裝備

17、主要有相控式和高頻開關(guān)電源式兩種。相控電源是較傳統(tǒng)的直流電源，它的發(fā)展歷史較長(zhǎng)，技術(shù)比較成熟。它將是電直流經(jīng)過整流濾波后輸出直流，通過改變可控硅的導(dǎo)通相位角，來控制整流器的輸出電壓。相控電源所使用的變壓器是工頻電源變壓器，體積比較龐大，價(jià)格相對(duì)較低。它的缺點(diǎn)是功率因數(shù)低，諧波較高，對(duì)電網(wǎng)的影響較大。但由于可控硅的可靠性較高，它所承受的功率可以做到很大（幾千伏，幾百安培），而發(fā)熱量比開關(guān)電源使用的功率管小，因此，在發(fā)電廠、變電站等大功率場(chǎng)合仍有較多的應(yīng)用。當(dāng)整流負(fù)載容量較大時(shí)，也應(yīng)采用對(duì)電網(wǎng)來說比較平衡的三相全控整流裝置。開關(guān)電源在我國(guó)的研究發(fā)展比較晚，因其體積小、動(dòng)態(tài)響應(yīng)速度快，輸出紋波小、效

18、率高等特點(diǎn)，近年來得到國(guó)內(nèi)外的廣泛研究與專注，特別在通信、電力等領(lǐng)域中，已經(jīng)得到了普遍的研究與使用。但相對(duì)于相控電源來說，它的價(jià)格比較高，而且功率器件的發(fā)熱量也比較高，所以，在電力系統(tǒng)中的大功率場(chǎng)合，相控式的充電裝置仍然占有較大的比重。第一節(jié) 微機(jī)的控制意義傳統(tǒng)的蓄電池化成充放電機(jī)采用人工操作，充放電時(shí)間、次序、電流大小都由人工操作執(zhí)行，費(fèi)工費(fèi)時(shí)，由于充電時(shí)間長(zhǎng)，工作環(huán)境差，使他們極易產(chǎn)生疲勞而出現(xiàn)差錯(cuò)，導(dǎo)致控制精度低，人為因素對(duì)產(chǎn)品的質(zhì)量影響很大。同時(shí)該方式下不易實(shí)現(xiàn)集中監(jiān)視和集中控制，分散系統(tǒng)之間不易實(shí)現(xiàn)通訊聯(lián)系，控制方案更改比較困難等等，不能適應(yīng)生產(chǎn)和技術(shù)的發(fā)展。隨著微型計(jì)算機(jī)的發(fā)展和控

19、制理論的相結(jié)合，使控制水平越來越高，在生產(chǎn)過程中應(yīng)用越來越廣泛，微型計(jì)算機(jī)控制系統(tǒng)上是一個(gè)閉合控制系統(tǒng)，它較模擬量控制系統(tǒng)有著很多的的優(yōu)點(diǎn)。因此，人們考慮采用微機(jī)控制技術(shù)來實(shí)現(xiàn)蓄電池化成充放電過程中的控制任務(wù)。采用微機(jī)程控裝置控制蓄電池的化成充放電，對(duì)充電電源和蓄電池組成的閉合環(huán)路系統(tǒng)的實(shí)時(shí)控制和數(shù)據(jù)采集用微機(jī)進(jìn)行全方位的設(shè)計(jì)和實(shí)現(xiàn)，取得采用普通的充電方法不容易或不可能取得的數(shù)據(jù)資料，為制定最佳化成工藝參數(shù)提供了可靠的依據(jù)。并且改善了操作過程，提高產(chǎn)品的質(zhì)量，增加了充放電過程中的可靠性，提高了工作效率，降低了操作人員的勞動(dòng)強(qiáng)度。 第二節(jié) 化成充放電控制器的發(fā)展蓄電池化成充放電控制器的發(fā)展是和微

20、型計(jì)算機(jī)的發(fā)展密切相關(guān)的，早期的微機(jī)控制器為一般通用程控設(shè)備，采用plc（可編程控制器）控制。plc是一種數(shù)字運(yùn)算操作的電子系統(tǒng)，其內(nèi)部存儲(chǔ)了執(zhí)行邏輯運(yùn)算、順序控制、頂事、記數(shù)和算術(shù)運(yùn)算等操作指令，并通過數(shù)字式和模擬式的輸入和輸出，控制各種類型的生產(chǎn)過程。具有抗干擾能力強(qiáng)，適應(yīng)性好，編程直觀，簡(jiǎn)單等優(yōu)點(diǎn)，但是其功能簡(jiǎn)單，操作復(fù)雜，價(jià)格較高。隨著大規(guī)模及超大規(guī)模集成電路技術(shù)的不斷提高，蓄電池化成充放電機(jī)的微機(jī)控制器也就從plc控制發(fā)展到以性能/價(jià)格比高的單片機(jī)為控制核心，可以與上位機(jī)一起構(gòu)成復(fù)雜的控制系統(tǒng)，完成對(duì)系統(tǒng)中諸多參數(shù)的自動(dòng)檢測(cè)及過程調(diào)節(jié)和控制，與智能終端連接完成各種畫面的控制及組態(tài)功能

21、。具有體積小，重量輕、智能度高、成本低、操作簡(jiǎn)單等優(yōu)點(diǎn)。蓄電池化成充放電機(jī)的微機(jī)控制器也就從plc控制發(fā)展到以性能/價(jià)格比高的單片機(jī)為控制核心，可以與上位機(jī)一起構(gòu)成復(fù)雜的控制系統(tǒng)，完成對(duì)系統(tǒng)中諸多參數(shù)的自動(dòng)檢測(cè)及過程調(diào)節(jié)和控制，與智能終端連接完成各種畫面的控制及組態(tài)功能。具有體積小，重量輕、智能度高、成本低、操作簡(jiǎn)單等優(yōu)點(diǎn)。第三節(jié) 極板化成的階段根據(jù)蓄電池型號(hào)的不同，極板化成通常包括以下階段：1） 反向充電階段：反向充電即極板恒流放電，當(dāng)原始極板插入稀硫酸后，由于多種原因有可能造成全組極板的初始狀態(tài)不平衡，此時(shí)可用一較小的電流進(jìn)行反向充電以達(dá)到均衡負(fù)載的目的。2） 靜電階段：當(dāng)反向充電階段或插

22、板結(jié)束后，因電解液與極板發(fā)生化學(xué)反應(yīng)而使槽溫上升，此時(shí)需要等待一段時(shí)間，待槽溫下降到規(guī)定值時(shí)才可進(jìn)行充電。3） 恒壓充電階段：在此階段過程中，化成槽兩端自始自終用恒定不變的電壓進(jìn)行充電。由于極板端電壓是不斷上升的，因此充電電流先大后小，當(dāng)電源電壓與極板端壓相等時(shí)，電流即停止。4） 恒流充電階段：在此階段中始終保持一個(gè)恒定的電流進(jìn)行充電。但當(dāng)極板充電快要完成時(shí)，有可能造成過充使極板活性物質(zhì)脫落，因此對(duì)其充電時(shí)間進(jìn)行限制。5） 恒壓限流充電階段：此階段首先以限定的電流進(jìn)行恒流充電，當(dāng)電壓上升到設(shè)定的值時(shí)便轉(zhuǎn)入恒壓充電進(jìn)行恒壓充電。6） 恒流放電階段：為提高極板的儲(chǔ)能性能，在某些充電階段完成之后需要

23、進(jìn)行放電。通常放電階段均采用恒流方式。第三章 系統(tǒng)總體結(jié)構(gòu)第一節(jié) 蓄電池化成充放電系統(tǒng)蓄電池化成裝置是為蓄電池生產(chǎn)行業(yè)化成工藝設(shè)計(jì)的專用設(shè)備。采用微機(jī)控制的蓄電池化成充放電系統(tǒng)的總體結(jié)構(gòu)主要有兩大部分組成，即充電機(jī)電路和微機(jī)控制系統(tǒng)。虛線上方是充電機(jī)電路。它包括晶閘管整流主電路、調(diào)節(jié)觸發(fā)電路、電器控制線路以及ui（電壓、電流）檢測(cè)電路四部分；實(shí)線下方是微機(jī)控制系統(tǒng)。它是整個(gè)蓄電池化成充放電系統(tǒng)的指揮中心。微機(jī)控制器系統(tǒng)提供一個(gè)操作平臺(tái)，將蓄電池化成工藝控制參數(shù)輸入到控制器。控制器根據(jù)設(shè)定的工作方式，通過輸出的開關(guān)量控制化成充放電主電路中的接觸器的閉合和斷開?？刂破鲗⒉杉碾妷汉碗娏髦?，動(dòng)態(tài)顯示

24、在顯示器上，并與設(shè)定值判斷比較，若不相等，則調(diào)節(jié)輸出給定值的大小，使其滿足化成工藝參數(shù)的要求，提高控制的精度?？刂破靼丛O(shè)定的條件自動(dòng)控制化成充電機(jī)完成對(duì)蓄電池的多階段多工作方式的充放電操作，使蓄電池的儲(chǔ)存性能達(dá)到最佳。第二節(jié) 控制器的設(shè)計(jì)要求控制蓄電池化成充放電機(jī)的運(yùn)行，要求能實(shí)現(xiàn)以下的功能：1） 能夠同時(shí)控制各個(gè)階段蓄電池化成充放電機(jī)的運(yùn)行；2） 控制化成充放電機(jī)能夠按時(shí)間、電壓或安時(shí)等條件對(duì)蓄電池進(jìn)行多次的充放電，具有靜電、恒流充電、恒壓（限流）充電、恒流放電等多種充放電模式；3） 動(dòng)態(tài)顯示每路化成充放電機(jī)的實(shí)時(shí)電流，電壓值，充放電模式，工作時(shí)間和安時(shí)數(shù)。4） 自動(dòng)對(duì)每路化成充放電機(jī)的實(shí)時(shí)

25、參數(shù)進(jìn)行采集、運(yùn)算、顯示和控制；第三節(jié) 實(shí)現(xiàn)方案一般一個(gè)蓄電池生產(chǎn)廠有上十臺(tái)甚至上百臺(tái)化成充電機(jī)在同時(shí)運(yùn)行，不同型號(hào)的產(chǎn)品充放電的運(yùn)行階段可不相同，階段轉(zhuǎn)換結(jié)束的條件也各不相同，如時(shí)間、電壓、電流、安時(shí)數(shù)等等。一般通用程控設(shè)備（如plc等），功能簡(jiǎn)單、操作復(fù)雜、價(jià)格較高很難滿足設(shè)計(jì)要求，往往需要采用專用控制器。早期的控制器采用通用工控機(jī)進(jìn)行二次開發(fā)，但是體積大，成本高。改進(jìn)后的微控制器系統(tǒng)采用一般單片機(jī)為核心，但這類系統(tǒng)往往需要在外部擴(kuò)展程序存儲(chǔ)器及輸入輸出口等，加大了系統(tǒng)的不可靠性，且接線復(fù)雜，尤其當(dāng)與外圍設(shè)備間采用并行接口需要光電隔離時(shí)，系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)龐大，體積不夠緊湊，很難滿足目前大量需要的

26、小電流、低電壓化成充放電的配套要求。相比之下隨著新型單片機(jī)內(nèi)置大容量的flashrom、各種串行adc、dac以及高密度串行eeprom等技術(shù)的發(fā)展，開發(fā)高性能、低成本、緊湊型蓄電池充放電控制器成為可能。根據(jù)小容量多回路蓄電池化成充電機(jī)設(shè)備的需要，本文提出了一套由嵌入式單片機(jī)及其外圍串行設(shè)備組成的微控制器的設(shè)計(jì)方案，可以滿足控制器設(shè)計(jì)的要求，實(shí)現(xiàn)指定的功能。第四節(jié) 控制器的總體設(shè)計(jì)一、硬件總體設(shè)計(jì)圖3-2 控制器硬件的內(nèi)部結(jié)構(gòu)微控制器的硬件分為兩大部分，主控模塊和處理模塊。主控模塊應(yīng)具有以下功能：1）良好的人機(jī)交互界面，包括開關(guān)控制和數(shù)字顯示；2）存儲(chǔ)工藝控制參數(shù)；3）高可靠性和抗干擾性。而處

27、理模塊則應(yīng)具有：1）控制器系統(tǒng)輸出給定值的轉(zhuǎn)換和調(diào)理；3）開關(guān)量的輸出。二、軟件總體設(shè)計(jì)控制器的軟件設(shè)計(jì)主要包括如下幾個(gè)功能模塊：1） 開關(guān)控制模塊：運(yùn)行中通過開關(guān)命令充放電機(jī)轉(zhuǎn)換顯示設(shè)定的工藝參數(shù)；2） 顯示處理模塊：運(yùn)行過程中，實(shí)時(shí)顯示充放電工作參數(shù)值（電流、電壓、時(shí)間、安時(shí)）；3） 運(yùn)行控制模塊：根據(jù)設(shè)定的不同工作方式進(jìn)行啟動(dòng)；4） 串行中斷模塊：用來實(shí)現(xiàn)和上位機(jī)之間數(shù)據(jù)的傳送。第四章 控制器的硬件設(shè)計(jì)根據(jù)系統(tǒng)硬件總體設(shè)計(jì)的要求，蓄電池的充放電結(jié)構(gòu)如圖3-2所示。其中硬件設(shè)計(jì)主要包括以下幾個(gè)部分組成：主控單片機(jī)，顯示電路，開關(guān)電路和模擬轉(zhuǎn)換電路等。第一節(jié) 主控單片機(jī)的選擇工業(yè)測(cè)控裝置的微

28、機(jī)化是測(cè)控系統(tǒng)智能化和網(wǎng)絡(luò)化的基本要求，單片機(jī)由于其體積小，功能齊全，價(jià)格低廉，可靠性高等諸多特點(diǎn)在微機(jī)測(cè)控裝置中得到廣泛的應(yīng)用。根據(jù)設(shè)計(jì)要求，我們選用單片機(jī)pic16f877作為主控單片機(jī)。pic16f877單片機(jī)采用雙列直插和表面貼裝等3種封裝形式：pdip40、pllc44 和qfp44，有用引腳共40條。常用的是pdip40引腳排列如圖4-1所示。在圖4-1中給出了引腳功能簡(jiǎn)化之后的877，在本設(shè)計(jì)中主要用到以下各個(gè)引腳的功能，圖 4-1 圖4-2其引腳的基本功能如表4-1所列。如果按功能的相近程度進(jìn)行分類，可以將所有的引腳劃分為4大類：控制類（包含）、時(shí)鐘類（包含osc1和osc2）

29、、電源類（包含vdd和vss）、端口類（包含ra、rb、rc，甚至還有rd和re，僅對(duì)40腳的型號(hào)而言）。這樣一來，就可以將單片機(jī)的外觀進(jìn)一步化簡(jiǎn)為如圖4-2所示的邏輯符號(hào)圖。第二節(jié) 輸入電路一、模擬量輸入電路：本文中的蓄電池充電微控制器需要采用模擬量來對(duì)應(yīng)其充放電機(jī)的電壓和電流值。而且與單片機(jī)的接口只需四根線，使得系統(tǒng)電路更加簡(jiǎn)潔，可靠性更高。引 腳 名引 腳 號(hào)引腳類型功能說明osc113i時(shí)鐘震蕩器輸入端，也是晶振連接端osc214o時(shí)鐘震蕩器輸出端，也是晶振連接端mclr1i/p人工復(fù)位輸入端（低電平有效）ra0ra527i/ora是一個(gè)輸入/輸出可編程的雙向6線端口rb0rb7334

30、0i/orb是一個(gè)輸入/輸出可編程的雙向端口；作輸入時(shí)內(nèi)部有可編程的弱上拉電路rc0rc7 1518、2326i/orc是一個(gè)輸入/輸出可編程的雙向端口rd0rd71922、2730i/ord是一個(gè)輸入/輸出可編程的雙向端口re0re2810i/ore是一個(gè)輸入/輸出可編程的雙向3線端口vss12、13p接地端vdd11、32p正電源端1.電壓信號(hào)調(diào)理電路:由前面的工作原理可知，蓄電池充放電的輸出電壓經(jīng)采樣電路后降到5v以內(nèi)，然后送到控制器的處理模塊，由于adc轉(zhuǎn)換芯片要求輸入的模擬電壓在2.5v以內(nèi)的電壓，因此要經(jīng)過調(diào)理電路如圖4-4所示，然后輸入給adc進(jìn)行轉(zhuǎn)換。2.電流信號(hào)調(diào)理電路:對(duì)電

31、流信號(hào)調(diào)理如圖4-5所示，輸入的模擬量先經(jīng)過跟隨器進(jìn)行隔離，然后降壓到2.5v以內(nèi)，再經(jīng)過一個(gè)跟隨器輸出，送到adc進(jìn)行轉(zhuǎn)換。同時(shí)在輸出端加上2.5v的穩(wěn)壓二極管，以確保adc的輸入模擬量不超過其基準(zhǔn)電壓2.5v。 圖4-4 電壓信號(hào)調(diào)理3.a/d轉(zhuǎn)換電路：此電路中運(yùn)用a/d轉(zhuǎn)換器進(jìn)行轉(zhuǎn)換,a/d轉(zhuǎn)換模塊工作時(shí)，一般用芯片的工作電壓作為a/d轉(zhuǎn)換的參考電源（可以為+5v）；因此對(duì)交流信號(hào)而言，需要把雙極性輸入電壓經(jīng)過提升變成單極性電壓，輸入調(diào)理電路如圖4-6所示。圖4-5 電流信號(hào)調(diào)理實(shí)際測(cè)出，輸出的信號(hào)ch0在輸入信號(hào)vin0的基礎(chǔ)上疊加了一個(gè)直流分量，調(diào)節(jié)vref的值，該直流分量大小可以改

32、變，如果適當(dāng)調(diào)整vref，是直流分量為2v，則輸入為幅值2v的交流正弦信號(hào)，輸出就為最大值為4v，最小值為0v的正弦單極性信號(hào)；從而得到了提升的效果，是一般的雙極性交流信號(hào)變成了適當(dāng)單片機(jī)處理的單極性信號(hào)。 圖4-6 輸入調(diào)理電路二、鍵盤輸入硬件電路在本設(shè)計(jì)中，利用單片機(jī)的rb1，rb2，rb4和rb5進(jìn)行擴(kuò)展，來完成鍵盤硬件簡(jiǎn)單擴(kuò)展，具體方法如圖4-7所示。b5和b4與單片機(jī)的變位中斷輸入引腳rb5和rb4相連；b1和b2與單片機(jī)引腳rb1，rb2相連，設(shè)置為輸出。對(duì)鍵盤的輸入掃描可采用查詢方式或者中斷方式（單片機(jī)的rb5和rb4可產(chǎn)生變位中斷），在本設(shè)計(jì)中運(yùn)用了中斷方式。三、led數(shù)碼管與

33、plc接口的連接plc通過8點(diǎn)npn輸出通道與4個(gè)led數(shù)字顯示表頭相連。在硬件上，每個(gè)led數(shù)字顯示表頭都對(duì)應(yīng)一個(gè)地址，地址由2位跳針設(shè)定。要顯示的參數(shù)為12bit的數(shù)據(jù)，分2幀送到pic單片機(jī)。傳輸?shù)臄?shù)據(jù)包括高位數(shù)據(jù)幀，低位數(shù)據(jù)幀、低位數(shù)據(jù)幀標(biāo)志、地址標(biāo)志、數(shù)據(jù)信息、plc將2幀分2次傳輸，才能傳輸完1個(gè)參數(shù)。傳輸協(xié)議為：第1幀1a1a0b11b10b9b8b7第2幀0b6b5b4b3b2b1b0通過以上的傳輸，使參數(shù)傳送到led數(shù)碼管中。四、光耦隔離電路本系統(tǒng)中，為保證蓄電池充放電微控制器和外電路電源有效的隔離，防止干擾信號(hào)串入蓄電池化成充放電微控制器，在電源輸入部分增加了隔離變壓器，以

34、提高抗共模干擾的能力。與單片機(jī)芯片借口的輸入輸出通道均采用隔離技術(shù)，將單片機(jī)的接地和外電路接地隔離開來，從而避免了外來干擾信號(hào)傳輸?shù)絾纹瑱C(jī)線路上來。 圖4-7在輸入輸出通道的隔離中，常用的是光電隔離技術(shù)，因?yàn)楣庑盘?hào)傳送不受電場(chǎng)、磁場(chǎng)的干擾，可以有效的隔離電信號(hào)。光電耦合器的原邊是一個(gè)發(fā)光二極管，副邊是一個(gè)光敏三極管，信號(hào)是用光傳遞的，原邊與副邊之間完全沒有電的聯(lián)系。電磁感應(yīng)產(chǎn)生的干擾電壓在線路懸空時(shí)可能很高，但是能量并不大。在閉合回路中產(chǎn)生的電流一般不足以使發(fā)光二極管產(chǎn)生足夠的亮度，因此光電耦合器能有效地抑制干擾信號(hào)。光電耦合器一般用于數(shù)字信號(hào)，模擬信號(hào)可用線性光電耦合器件來隔離。本系統(tǒng)中采用

35、tlp521-4來實(shí)現(xiàn)單片機(jī)和輸入輸出通道的隔離。電路圖如下4-8所示。 圖4-8 光電隔離電路第三節(jié) 輸出電路一、開關(guān)量輸出電路：隨著電子技術(shù)的迅速發(fā)展，數(shù)字量輸出控制已越來越廣泛的被應(yīng)用。由于采用數(shù)字電路和計(jì)算機(jī)技術(shù)，對(duì)時(shí)間控制可以達(dá)到更高的精度，在許多場(chǎng)合開關(guān)量輸出精度比一般的模擬輸出控制高，而且，利用開關(guān)量輸出控制往往不需要改動(dòng)硬件，只需要改動(dòng)程序就可以用于不同的控制場(chǎng)合。因此，開關(guān)量控制是目前最常用的一種輸出方式。本系統(tǒng)中，微控制器輸出的開關(guān)量，經(jīng)過光電隔離后，驅(qū)動(dòng)直流繼電器，通過i/o口的輸出來控制光電隔離器的通斷，從而控制直流繼電器來完成蓄電池充放電主回路的控制。二、數(shù)字濾波：由

36、于本文的控制器系統(tǒng)工作的環(huán)境比較惡劣，所以在檢測(cè)的信號(hào)中可能混有干擾信號(hào)，為了保證測(cè)量和控制的準(zhǔn)確性，在進(jìn)行數(shù)據(jù)處理之前必須消除輸入信號(hào)中的干擾，干擾信號(hào)可通過模擬濾波器和數(shù)字濾波器加以削弱或?yàn)V除。系統(tǒng)在硬件部分采用濾波器進(jìn)行濾波。第五章 控制器的軟件設(shè)計(jì)第一節(jié) 運(yùn)行控制模塊根據(jù)系統(tǒng)設(shè)計(jì)的要求，本文的蓄電池充放電系統(tǒng)提供以下幾種充放電方式按電壓、電流以及時(shí)間的給定值條件來完成對(duì)蓄電池進(jìn)行充放電：1.靜電方式：靜電/暫停方式。在規(guī)定的時(shí)間內(nèi)不控制，時(shí)間到轉(zhuǎn)到下一階段。2.恒流限壓充電方式：恒流限壓充電控制，電流在一定的給定值之內(nèi)先按限定電流ib1給定控制，如電壓達(dá)到恒壓eb1給定值時(shí)則切換為恒壓

37、控制。3.恒壓限流充電方式：恒壓限流充電控制，當(dāng)電壓在一定的給定值時(shí)先按限定電壓eb1給定控制，如電流下降到恒流ib2給定時(shí)則再次切換為恒壓充電方式。4.恒壓充電方式：這個(gè)時(shí)候電壓的值進(jìn)一步提高，當(dāng)達(dá)到更高的電壓eb2給定值時(shí)停止再轉(zhuǎn)入以恒定電流ib2為條件的充電方式。5.恒流充電方式：這個(gè)時(shí)候以恒壓充電，當(dāng)達(dá)到安時(shí)數(shù)時(shí)，停止充電。靜電方式時(shí)，控制器不做任何控制，充電機(jī)不工作，恒流限壓方式時(shí)，軟件部分進(jìn)行電壓的pid計(jì)算，當(dāng)電壓達(dá)到eb1時(shí)，停止此部分運(yùn)算，轉(zhuǎn)入下一個(gè)階段，當(dāng)結(jié)束的時(shí)候，用軟件進(jìn)行編程對(duì)硬件板上led進(jìn)行切換，來表示此階段完成成功，并對(duì)此階段的安時(shí)數(shù)進(jìn)行記錄，然后進(jìn)入恒壓限流充

38、電方式。在此恒壓限流階段中，軟件部分轉(zhuǎn)入對(duì)電流進(jìn)行pid運(yùn)算，當(dāng)電流下降到ib2時(shí)，停止此部分運(yùn)算，轉(zhuǎn)入下一個(gè)階段，和上一階段一樣，再對(duì)led進(jìn)行切換，來顯示恒壓限流階段的完成，同時(shí)也對(duì)此階段中的安時(shí)數(shù)進(jìn)行計(jì)算并顯示，然后轉(zhuǎn)入恒壓充電方式，此階段與第一階段相似，不再贅述。當(dāng)轉(zhuǎn)入最后一個(gè)階段時(shí)，充電完之后，需要間歇一段時(shí)間，如果蓄電池沒有使用，自己可能要進(jìn)行一定的放電過程，最后一個(gè)階段就是對(duì)其少量的放電進(jìn)行充電的控制。下面給出以上幾個(gè)階段軟件編程的流程圖。 第二節(jié) 軟件設(shè)計(jì)中對(duì)開關(guān)的控制在以上的各個(gè)階段中需要對(duì)電壓、電流、時(shí)間、安時(shí)進(jìn)行顯示，因此需要在設(shè)計(jì)時(shí)用開關(guān)來控制lamp，從后面附錄的電路圖中可以看到，有四個(gè)lamp。并列