數(shù)字化智能充電器的設計

1、聲 明我聲明，本畢業(yè)設計說明書及其研究工作和所取得的成果是本人在導師的指導下獨立完成的。研究過程中利用的所有資料均已在參考文獻中列出，其他人員或機構(gòu)對本畢業(yè)設計工作做出的貢獻也已在致謝部分說明。本畢業(yè)設計說明書不涉及任何秘密，南京理工大學有權(quán)保存其電子和紙質(zhì)文檔，可以借閱或網(wǎng)上公布其部分或全部內(nèi)容，可以向有關部門或機構(gòu)送交并授權(quán)保存、借閱或網(wǎng)上公布其部分或全部內(nèi)容。學生簽名：年 月 日 指導教師簽名：年 月 日畢業(yè)設計說明書中文摘要摘要:本文介紹了一種基于51單片機的應用于電動自行車鉛酸蓄電池的數(shù)字化智能充電器。主要內(nèi)容包括：充電主回路硬件設計、控制器選擇及其電源電路設計以及充電電壓電流檢測電

2、路。其中充電主回路采用對市電變壓器降壓整流濾波最后再由Buck降壓斬波電路得到充電電壓的思路進行設計?？刂破鬟x擇從成本及應用場合綜合考慮，選用STC公司的STC12C5A60S2，能夠滿足本次設計所需要的功能?？刂破麟娫丛O計采用降壓整流濾波并由專用穩(wěn)壓芯片得到控制器所需電壓的方式設計。由于該系統(tǒng)電壓及電流均很大，因此需對電壓電流信號進行信號轉(zhuǎn)換使其達到A/D轉(zhuǎn)換接口允許的范圍，因此設計中使用運算放大器對電壓電流信號進行轉(zhuǎn)換并使用光耦進行信號隔離。關鍵詞 鉛酸蓄電池 智能充電器 Buck降壓斬波電路 A/D轉(zhuǎn)換 STC12C5A60S2畢業(yè)設計說明書外文摘要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 本科畢業(yè)設計說明書 第 I 頁 目 次1 引言11.1 選題背景和意義11.2 兩種充電技術(shù)11.3 蓄電池充電技術(shù)發(fā)展概述21.4 論文章節(jié)安排22 數(shù)字化智能充電器設計方案32.1 系統(tǒng)基本功能32.2 系統(tǒng)設計方法32.3 A/D接口以及PWM輸出43 系統(tǒng)硬件電路設計73.1 充電主回路

7、的設計73.2 控制回路的設計及相關芯片介紹83.3 檢測電路設計144 抗干擾設計以及PCB制作184.1 系統(tǒng)內(nèi)部干擾源及處理措施184.2 PCB制作及其抗干擾處理19結(jié) 論23致 謝24參 考 文 獻25本科畢業(yè)設計說明書 第 25 頁 1 引言1.1 選題背景和意義隨著科學技術(shù)的進步及社會經(jīng)濟的發(fā)展，環(huán)境問題日益成為全球共同關注的焦點，化石能源的大量使用造成的環(huán)境污染問題不容小覷。因此，開發(fā)以太陽能、風能、電能等清潔能源為主的可替代能源已成為重要課題。在交通領域，以前酸性蓄電池為動力的交通工具正在興起，而鉛酸蓄電池的壽命成為制約電動交通工具發(fā)展的重要因素。并有研究表明，鉛酸蓄電池報廢

8、多數(shù)不是因達到使用壽命而是因充電不當造成的。因此，研究一款適合鉛酸蓄電池的充電器顯得尤為重要，這不僅關系到電動汽車行業(yè)的發(fā)展，同時對環(huán)境污染的治理也有極其重要的意義。1.2 兩種充電技術(shù)1.2.1 恒流充電在充電過程中電流保持在一定值的充電方法。是一種應用廣泛的蓄電池充電方式。蓄電池充電的起始階段，運行中的電動汽車蓄電池的充電以及蓄電池兩個極板的化成充電，多采用恒流充電的方式。這種充電方式的優(yōu)點是可以依據(jù)蓄電池的容量大小確定充電電流的大小，從而直接獲得充電量并得到充電所需時間。其缺點是充電電流在充電前期小而后期大，充電過程中會造成氣體析出，可能導致蓄電池的損壞，且充電效率普遍不高。此方法不宜用

9、于鉛酸蓄電池1。1.2.2 恒壓充電充電過程中蓄電池正負極間的電壓保持不變的充電方法。此方法也是一種應用廣泛的充電方法。電信裝置、UPS等裝置的蓄電池的浮充充電和涓流充電都采用恒壓充電的方式。起動用蓄電池在車輛運行時也近似處于恒壓充電狀態(tài)。其優(yōu)點是充電電流隨著蓄電池的荷電量變化可以自動調(diào)整，如果設定的電壓定值合適，就能在對蓄電池完全充電的基礎上盡最大可能減少氣體析出和蓄電池失水。但是這種充電方式在初期具有很大的充電電流，會對蓄電池使用壽命產(chǎn)生不利影響，且很容易引起極板彎曲，使蓄電池報廢。鑒于以上應用中暴露出的缺點，恒壓充電方式使用于大電流低電壓的情況。1.3 蓄電池充電技術(shù)發(fā)展概述傳統(tǒng)的蓄電池

10、充電器結(jié)構(gòu)簡單，采用模擬控制方式實現(xiàn)對充電過程的控制，因而控制精度較差且充電方法單一，無法根據(jù)蓄電池的荷電狀態(tài)對充電方式進行調(diào)整，而且由于缺乏對蓄電池充電過程的監(jiān)測和保護而無法應用于蓄電池智能化的充電。近年來，隨著日益完善成熟的數(shù)字信號處理技術(shù)以及不斷提高的MCU性價比，充電控制也漸漸使用數(shù)字化的控制方法，由此可提高系統(tǒng)性能，蓄電池的使用壽命在更加高效充電的同時被延長。在技術(shù)不斷成熟的今天，更加先進的充電控制方法被運用到蓄電池充電系統(tǒng)中，比如模糊控制充電法，其利用模糊控制本身所具有的對于非線性系統(tǒng)的處理優(yōu)勢，借助于MCU得以實現(xiàn)對充電過程的控制，可以更好地實現(xiàn)普通方法所無法達到的對充電過程中的

11、時變性和干擾的控制2。1.4 論文章節(jié)安排本文介紹了一種針對鉛酸蓄電池的高智能化免維護的智能充電器。主要內(nèi)容及篇章安排如下：第1章 引言介紹本次設計的研究背景及智能充電器的發(fā)展趨勢。第2章 數(shù)字化智能充電器設計方案介紹系統(tǒng)的基本功能、設計目標以及模塊化硬件電路設計方案。第3章 智能充電器硬件電路設計介紹充電主回路、控制電路、檢測電路的設計方法。第4章 系統(tǒng)抗干擾設計詳細敘述智能充電器設計中的干擾源以及如何消除干擾。2 數(shù)字化智能充電器設計方案2.1 系統(tǒng)基本功能基本功能：(1) 能根據(jù)蓄電池所處不同狀態(tài)自動改變電壓和電流；(2) 對充電過程實時監(jiān)控，通過指示燈指示當前狀態(tài)；(3) 能夠?qū)﹄妷骸?/p>

12、電流以及溫度異常進行處理，對充電器和蓄電池進行智能保護。系統(tǒng)基本參數(shù)：輸入電壓：220V15，50Hz充電回路電壓輸出：060V充電回路電流輸出：07A充電回路最大輸出功率：420W控制器輔助直流電源輸出電壓：12V以及5V鉛酸蓄電池額定容量：30Ah/48V2.2 系統(tǒng)設計方法硬件電路采用分模塊的設計方法，分為充電回路、控制回路、信號檢測電路三部分，其硬件電路設計框圖如圖2.1所示3。圖2.1 數(shù)字化智能充電器系統(tǒng)框圖充電主回路先對市電經(jīng)變壓器變壓后由橋式整流電路整流并進行濾波后送至Buck降壓斬波電路。因為變壓器降壓以及全橋整流電路的應用相當廣泛，設計的難度及工作量并不大，為簡化設計采用此

13、種設計方法。同時直接使用變壓器降壓的方式與移相式整流電路相比可以減少來自移相電路的高頻干擾?？刂齐娐凡捎肧TC公司的STC12C5A60S2單片機為主控芯片，其自帶的多路A/D轉(zhuǎn)換器以及PWM輸出可以滿足此次設計的需要，并且其成本相比于其他芯片也具有較大的優(yōu)勢，同時由于此芯片是基于8051內(nèi)核的，其應用也已經(jīng)比較成熟，因此對本次設計來說是比較好的選擇。電力開關器件驅(qū)動電路采用IR公司的生產(chǎn)的專用開關器件驅(qū)動芯片IR21184在單片機PWM輸出口與IR2118之間進行了光耦隔離以保證單片機穩(wěn)定工作。電力開關器件采用N-MOSFET，相比于IGBT其具有更高的開關頻率，且關斷不需要其他輔助電路，設

14、計較為簡單。檢測電路采用放大器LM324對電壓電流信號進行變換4，使其范圍符合單片機A/D轉(zhuǎn)換接口輸入信號的范圍。變換過程中考慮到強電信號可能會進入到單片機，因此使用光耦對電壓電流信號進行了隔離處理。2.3 A/D接口以及PWM輸出2.3.1 A/D轉(zhuǎn)換接口STC12C5A60S2單片機自帶的8路10位精度的逐次逼近型A/D轉(zhuǎn)換接口位于P1口上，最大轉(zhuǎn)換速率高達每秒25萬次。其工作時通過對輸入電壓的逐次比較，從最高位開始由內(nèi)部D/A轉(zhuǎn)換電路進行多次比較，使轉(zhuǎn)換后的數(shù)字量逐次逼近輸入的電壓值，具有高速、低功耗的優(yōu)點，可以用來檢測電壓、溫度以及按鍵掃描等可以以電壓信號輸入的模擬量。復位后P1口處于

15、弱上拉狀態(tài)，可通過軟件配置P1ASF寄存器，使P0P7中某一個處于A/D轉(zhuǎn)換輸入狀態(tài)，其他可繼續(xù)當做普通I/O口使用。STC12C5A60S2單片機內(nèi)部A/D的參考電壓由VCC提供，可通過對相應寄存器的設置來控制轉(zhuǎn)換的精度，考慮到A/D轉(zhuǎn)換的速度以及此次設計的應用場合，可設置寄存器使其達到8位精度即可，這樣可在保證控制精度的前提下提高A/D轉(zhuǎn)換的速度，其控制軟件的編寫需要充分考慮時序問題。轉(zhuǎn)換完成后單片機會將轉(zhuǎn)換結(jié)果存放于相應寄存器，需要使用轉(zhuǎn)換結(jié)果時只需對相應寄存器進行讀操作讀出存放的數(shù)據(jù)，同時轉(zhuǎn)換完成后會將轉(zhuǎn)換完成標志位ADC_FLAG自動置1，因此在讀轉(zhuǎn)換結(jié)果時需先通過查詢ADC_FLA

16、G位，當其為1時方可讀出寄存器的數(shù)據(jù)。此外值得注意的是，ADC_FLAG并不會自動清零，因此在每次讀完數(shù)據(jù)后均需在軟件中對其清零，以保證下次軟件讀出結(jié)的果的正確性。對于轉(zhuǎn)換完成的結(jié)果，其保存在寄存器中數(shù)據(jù)并不能直接使用，需要乘上相應的權(quán)值。當轉(zhuǎn)換精度為8位時，應采用如下計算公式：8位轉(zhuǎn)換結(jié)果=256VinVcc (2.1)同時轉(zhuǎn)換結(jié)果還應考慮測量電路對強電信號進行轉(zhuǎn)換的同時所產(chǎn)生的放大作用，對轉(zhuǎn)換結(jié)果除以放大倍數(shù)才是真實的結(jié)果。A/D轉(zhuǎn)換接口應用電路如圖2.2所示：圖2.2 A/D轉(zhuǎn)換應用電路此次設計中使用100pF的無極性電容，可以濾除信號源中可能的高頻分量以避免對單片機的干擾以及損壞。2.

17、3.2 單片機PWM接口 PWM（脈沖寬度調(diào)制）是指對脈沖信號寬度進行調(diào)制，等效的得到所需波形的技術(shù)。其理論基礎為面積等效原理，在逆變型電路中PWM技術(shù)具有廣闊的應用前景，最常見的應用為電力開關器件的開通與關斷控制。此次設計中將PWM技術(shù)應用于直流斬波電路當中，通過對電力開關器件開通與關斷的控制，得到幅值相同占空比不同的脈沖信號，并通過電感和電容濾波得到較為平滑的直流輸出5。STC12C5A60S2單片機片上集成的兩路PWM輸出分別位于P1.3和P1.4口，可通過軟件設置相應寄存器將輸出切換到其他引腳。此次設計中使用PWM0并使其輸出位于默認引腳，以盡量較少代碼長度。PWM的應用相對于A/D轉(zhuǎn)

18、換較為簡單，只需對輸入信號做出反應，改變輸出的方波占空比即可達到控制效果。在使用中需要注意的是需對所使用的引腳進行配置，以保證其當前不是開漏輸出模式，這是因為該型號單片機PWM信號輸出在開漏輸出模式下無效。由此可以通過軟件控制當電路中出現(xiàn)異常情況時，例如過電流、溫度過高時可以通過配置PWM0輸出引腳為開漏輸出模式，使PWM輸出信號無效，及時停止對蓄電池充電，以達到保護電路以及蓄電池的目的，避免不必要的損失以及蓄電池爆炸的發(fā)生。使用時還需注意對輸入輸出信號進行隔離，保證單片機正常工作。PWM輸出常用的連接電路如圖2.3所示：圖2.3 PWM輸出電路此電路中電阻的作用是對輸出信號進行限流，考慮到單

19、片機帶負載的能力，此次設計選取10K的電阻限流，以免輸出電流過大導致單片機被燒毀。3 系統(tǒng)硬件電路設計圖3.1 系統(tǒng)硬件原理圖本系統(tǒng)主要由充電主回路、控制回路和檢測電路組成，如圖3.1所示。下面詳細介紹每一部分組成以及參數(shù)的選擇。3.1 充電主回路的設計圖3.2 充電主回路原理圖充電主回路主要采取降壓整流的原理進行設計，如圖3.2所示。3.1.1 整流二極管參數(shù)選擇二極管的參數(shù)可以由電源降壓輸出的平均值確定6。在本電路中，副邊輸出60V/50Hz的交流電。一般情況下，允許電網(wǎng)電壓在220V10%的的范圍內(nèi)波動波動，故二極管承受的最大反壓為：URmax=1.12U2=1.1260=92V (3.

20、1)考慮到充電主回路輸出功率為420W，因此考慮10%的波動，其承受的最大整流平均電流為： Imax=1.1PU2=1.142060=7.7A (3.2)設計中考慮導通時的尖峰電壓，反向尖峰電流以及設計裕量，可選擇耐壓150V，最大整流電流12A的快恢復肖特基二極管。3.1.2 濾波穩(wěn)壓電容的選擇經(jīng)過整流電路的直流電波動較大，因而需要對其整流，圖3.2中由大電容C1和C2進行低頻濾波穩(wěn)壓，同時用小電容C3來抑制高頻干擾。由(3.1)式知濾波電容耐壓值應大于92V。同時考慮到充電回路阻值很小，由經(jīng)驗公式知濾波電容容量應滿足：RLC=(35)T/2。綜上使用兩個470uF/100V的電解電容，高頻

21、濾波電容選用0.47uF/100V的電解電容。3.1.3 Buck降壓斬波電路參數(shù)選擇圖3.2中的Q1、D4、L1、C4構(gòu)成了Buck降壓斬波電路5，考慮到導通時MOSFET漏極與源極之間的電壓應大于92V且自身損耗較小應較小，因此選用IR公司生產(chǎn)的IRF540N作為斬波電路的開關器件。其能接受的最大漏源電壓為100V ,允許的柵漏電壓為范圍20V。當MOSFET開通時，為保證二極管不會反向擊穿，同時考慮到二級管開關速度，應選擇耐壓92V以上的快恢復二級管(FRD)。根據(jù)Buck斬波電路的組成原理，L1應極大，取L1電感值10mH，C4電容使用470uF/100V的電解電容。3.2 控制回路的

22、設計如圖3.3為控制回路的原理圖，主要包括電源電路、控制器電路以及MOSFET開關電路。此部分電路以STC公司的STC12C5A60S2芯片為核心器件，通過其PWM信號控制電力開關器件驅(qū)動芯片IR2118的HO引腳輸出電平控制MOSFET的開通和關斷。圖3.3 控制回路原理圖電源電路變壓整流電路參數(shù)計算可參考主充電回路部分。在本電路中，變壓器副邊輸出為24V/50Hz的交流電。考慮電網(wǎng)有10%的波動，故二級管承受的最大反壓為：URmax=1.12U2=1.1224=37V (3.3)考慮到12V的穩(wěn)壓芯片允許的最大電流約3A，其功率最大功率約為36W，考慮電網(wǎng)有10%的波動，其承受的最大整流平

23、均電流為： Imax=1.1PU2=1.13624=1.65A (3.4)設計中考慮二級管導通時的尖峰電壓以及反向尖峰電流以及裕量，可選擇耐壓100V，最大整流電流6A的的快恢復肖特基二極管此次設計中需使用到12V和5V直流電源，均采用穩(wěn)壓芯片得到。其中12V穩(wěn)壓芯片采用LM7812，5V穩(wěn)壓芯片采用LM2595。下面對上述幾種芯片做簡單介紹：3.2.1 LM7812芯片簡介及應用圖3.4 LM7812外觀圖3.5 LM7812典型應用電路封裝樣式：TO- 220；最大允許輸入電壓：35V；輸出電壓范圍：11.5V12.5V；峰值電流：2.2A；靜態(tài)電流：8mA；工作溫度范圍：0+125；本次

24、設計中使用LM7812將約24V的直流電穩(wěn)壓至12V供IR2118、LM324以及光耦使用，電路參考上述典型應用電路設計，由于輸入電壓與輸出電壓壓差較大，為保證芯片正常工作不致過熱應加裝散熱片7。3.2.2 LM2595芯片及應用圖3.6 LM2595封裝樣式圖3.7 LM2595典型應用電路最大輸入電壓： 45V ON/ OFF腳輸入電壓： -0.3V+25 V 反饋引腳電壓： -0.3V+25 V 輸出電壓對地 （穩(wěn)態(tài)）：-1V 輸入電壓范圍：4.5V 40V本次設計中使用LM2595將12V的直流電穩(wěn)壓至5V供單片機使用，電路參考典型應用電路設計，因LM2595是開關型穩(wěn)壓器件，與LM7

25、812相比具有功耗低的特點?？紤]到系統(tǒng)能穩(wěn)定工作，需對LM2595加裝散熱片保證其不被燒毀。3.2.3 STC12C5A60S2芯片圖3.8 STC12C5A60S2外觀圖3.9 STC12C5A60S2外觀如圖3.8所示為STC12C5A60S2外觀圖。STC12C5A60S2單片機是STC公司生產(chǎn)的單時鐘/機器周期，并可通過設置相應寄存器控制其機器周期的單片機系列之一。其指令系統(tǒng)兼容8051系列單片機，運行速度與傳統(tǒng)的8051相比可以達到后者的812倍，且具有較強的帶負載能力。具有2路PWM輸出，輸出引腳可通過寄存器設置。此次設計中使用其中的1路，且管腳使用默認的P1.3口。其具有分時復用

26、的A/D接口，接口與P1口復用，使用時需設置相應的寄存器選中其中的1路。此次設計中使用其中的2路。與早期的12分頻的8051系列單片機相比具有以下優(yōu)點8：(1) 同頻率時鐘周期下速度是普通51的812倍；(2) 有8路分時復用的10位AD；(3) 具有四個定時器，具備PWM輸出功能；(4) 有SPI接口；(5) 有EEPROM；(6) 有1K片上RAM；(7) 有看門狗功能；(8) 具有兩個串口；(9) IO口有四種可通過程序控制的狀態(tài)；(10) 中斷優(yōu)先級有四種狀態(tài)可定義。3.2.4 IR2118芯片簡介圖3.10 IR2118外觀圖3.11 IR2118引腳圖圖3.12 IR2118典型應

27、用電路IR2118是IR公司生產(chǎn)的電力開關器件驅(qū)動器，如電力場效應晶體管和絕緣柵雙極晶體管，具有高開關速率，邏輯輸入與標準CMOS電路兼容。浮動通道可用來驅(qū)動一個N溝道MOSFET或一個IGBT。其典型應用電路如圖3.8所示。此次設計中使用一片IR2118驅(qū)動一個N溝道MOSFET，電路參考典型應用電路設計。取Vcc與COM腳之間的濾波電容規(guī)格為0.1uF/25V。位于VB與VS間的自舉電容選擇100pF/25V的極性電容。3.2.5 光電耦合器件TPL521簡介圖3.13 TPL521封裝樣式圖3.14 TPL521典型應用電路TPL521是常用的光電隔離器件9，其工作原理類似于三極管，不同

28、之處在于其輸入與輸出之間并無電氣連接，而是采用光信號來控制其開通與關斷，在使用中可以達到信號隔離與電平轉(zhuǎn)換的作用。一般在使用中，兩側(cè)地線應分開，以更好的達到對信號進行隔離的目的。此次設計中考慮到單片機具有較強的驅(qū)動能力，因此電路參照上述典型應用電路進行設計，輸入端電阻阻值為1K，輸出端電阻阻值10K。這樣可保證TPL521中發(fā)光器件不會由于電流過大而損壞，同時也能減小單片機負載，減少單片機發(fā)熱，避免不必要的故障。3.3 檢測電路設計3.3.1 電壓檢測電路電壓檢測電路主要考慮兩個問題：(1) 在充電過程中，蓄電池兩端電壓變化范圍約為30V50V，而A/D最大輸入為5V直流電，因此需要將蓄電池兩

29、極間的高電壓轉(zhuǎn)換為單片機可接受的低電壓；(2) 充電回路為高電壓大電流輸出，而單片機在測量時允許的輸入為小電壓弱電流，因此需要對模擬量與數(shù)字量進行電氣隔離，以免損壞單片機。本次設計采用放大器電路進行信號轉(zhuǎn)換10，使用精密電阻調(diào)節(jié)輸出信號范圍，使其在A/D轉(zhuǎn)換接口輸入信號范圍內(nèi)1113。使用光耦實現(xiàn)輸入輸出端的信號隔離，光耦具有輸出跟隨輸入，且線性度較好。電壓檢測電路如圖3.15所示：圖3.15 電壓檢測電路原理圖輸入電壓等于蓄電池兩端電壓，即：Vin=VBAT (4.1)經(jīng)電阻R1、R2分壓后得到Vi：Vi=R2R1+R2VBAT (4.2)由虛地可得，V3=V2=Vi，因此第一個光耦U2的輸

30、出：I1=V2R4=V3R4 (4.3)選擇制造工藝相同的兩個光耦U2和U3，可以認為其具有相同的電流放大能力14。由于其原邊電流相同，故其輸入輸出電流之比為：I1I3=I2I3 (4.4)因為A/D轉(zhuǎn)換接口的輸入阻抗很高，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)得：V4=R656.1VBAT (4.6)調(diào)節(jié)R6，使得最終得輸出電壓為：Voltage=VBAT10 (4.7)由(4.7)可知輸入的30V50V電壓被轉(zhuǎn)換成了3V5V電壓。3.3.2 電流檢測電路在進行電流檢測時，電流通過阻

31、值為0.1的取樣電阻測量15。電流檢測同樣要解決信號轉(zhuǎn)換以及隔離的問題，電路類似于電壓檢測電路，原理圖如圖3.16所示：圖3.16 電流檢測電路原理圖輸入電壓：Vi=Vs (4.8)由虛地的V6=V5，所以有：I4=V6R4=V5R4 (4.9)選擇制造工藝相同的兩個光耦U2和U3，可以認為其具有相同的電流放大能力。由于其原邊電流相同，故其輸入輸出電流之比為：I45=I6I3 (4.10)因為A/D轉(zhuǎn)換接口的輸入阻抗很高，因此：V7=I6R6=I4R6=V5R4R6=R6R4Vi (4.11)把R6，R4阻值代入(4.11)得：Vcurrent=Vi500 R6 (4.12)為了便于采樣，調(diào)節(jié)

32、使電壓在0V5V之間。3.3.4 溫度檢測電路對溫度的檢測使用DS18B20芯片完成16。DS18B20是單總線溫度檢測設備，常見的采用TO-92封裝形式，測溫范圍-51+125，因采用單總線的數(shù)據(jù)傳輸方式，其占用單片機硬件資源少。此外還具有測溫精度高，抗干擾能力強的優(yōu)點，因而應用廣泛。圖3.17 DS18B20常見封裝圖3.18 測溫電路原理圖此次設計的溫度檢測電路如圖3.18所示。圖中略去了單片機的其他外部元件。DS18B20數(shù)據(jù)口與單片機P2.3口相連將采集到的溫度數(shù)據(jù)送至單片機?？紤]到實際使用中需將DS18B20引出至蓄電池組，因此在原理圖中僅留出引線端。同時，使用一個蜂鳴器對異常情況

33、，如溫度過高以及過電壓過電流等情況進行報警處理。當溫度超過預設值時啟動蜂鳴器報警，同時PWM輸出端停止工作，以保證蓄電池組的安全。實際應用中應充分考慮操作時序，由于其只有一個數(shù)據(jù)接口，對控制字的寫入以及數(shù)據(jù)的讀寫只需對該接口進行相應操作，但同時硬件開銷的減小造成了其軟件復雜度的增加，為保證其正常采集溫度數(shù)據(jù)，軟件的編寫需嚴格按照時序進行并預留足夠的反應時間，例如，在讀取溫度數(shù)據(jù)時應考慮溫度轉(zhuǎn)換時間以及溫度轉(zhuǎn)換精度所產(chǎn)生的時間開銷，同時應注意DS18B20的GND端必須接地，否則無法進行測量?？紤]到使用過程中現(xiàn)場復雜的電磁環(huán)境，BS18B20的接線宜采用屏蔽線PCB上的接口相連，這樣可保證傳輸結(jié)

34、果不會被干擾而使測量結(jié)果產(chǎn)生偏差。同時，考慮到數(shù)據(jù)傳輸過程中的衰減，接線不宜過長。4 抗干擾設計以及PCB制作此次設計中既有強電又有弱電，既有模擬信號又有數(shù)字信號。為保證系統(tǒng)正常工作而不致因信號干擾造成芯片觸發(fā)異常使寫入的軟件無法正常運行，甚至于損壞主控芯片等元器件在系統(tǒng)設計時必須對不同類型的信號進行隔離處理以使系統(tǒng)具有一定的抗干擾能力17。4.1 系統(tǒng)內(nèi)部干擾源及處理措施4.1.1 整流二極管此次設計中在充電主回路以及控制回路電源部分均使用到了橋式整流電路，需要八個整流二極管。整流電路中的二極管都工作在開關狀態(tài)，在其由阻斷到開通狀態(tài)時會產(chǎn)生一個持續(xù)時間短單數(shù)值很大的尖峰電壓。而在由開通到阻斷

35、過程中，由于封裝電感及引線電感的存在會產(chǎn)生反向電流尖峰。這兩種情況的差生，都是由電壓突變造成的，而電壓突變則是造成電磁干擾的重要原因。為了防止尖峰電壓及尖峰電流對二極管損壞以及對其他設備的干擾，在設計中應使變壓器漏感盡量小，同時應使二極管開關特性盡量軟、反向恢復電流小、反向恢復時間盡量短。從理論上來講，如果二極管反向恢復時間為零則不存在反向尖峰電流。因此，在二極管選擇時考慮上述因素并從設計時輸出電壓參數(shù)的方面考慮，可以選擇快恢復肖特基二極管。同時從理論上講，肖特基二極管是多數(shù)載流子導流器件，可有效抑制少子存儲效應，降低反向尖峰電流18。 4.1.2 Buck降壓斬波電路圖4.1 Buck降壓斬

36、波電路如圖為Buck降壓斬波電路，在此次設計中，需將輸入的約60V的直流電降壓至30V50V提供給蓄電池，輸入電壓與輸出電壓最大值相差不大，開關管頻率很高，因此會產(chǎn)生開關噪聲在周圍空間產(chǎn)生感應電場及感應磁場，造成電磁干擾。因此需采取措施使其電壓與電流盡量平緩不致突變。因此設計中應在合理范圍內(nèi)使用盡可能大的電容及電感，同時MOSFET柵極串聯(lián)的電阻應選擇合理的數(shù)值，使其開通時電壓波形上升較平緩又不至于影響開通與關斷的速率19。4.1.3 變壓器此次設計中使用兩個變壓器來得到所需電壓。變壓器繞制過程中會產(chǎn)生漏感，會在其周圍形成感應磁場與感應電場 ，因此應選擇漏感較小的變壓器。同時變壓器工作過程中回

37、發(fā)熱，對周圍元件產(chǎn)生熱輻射，而溫度過高會對電路產(chǎn)生影響，尤其在測量電路中這種影響會導致元件產(chǎn)生“溫漂”而導致測量精度降低，因此使用時需注意對變壓器等熱輻射較大的元件進行散熱處理。4.1.4 輔助直流電源在本設計中需要用到12V以及5V直流電源為單片機、MOSFET驅(qū)動芯片以及放大器供電。對輔助電源采用降壓整流濾波然后由穩(wěn)壓芯片穩(wěn)壓得到所需電壓的方法進行設計，其中仍有一些高頻信號未被濾除，這些高頻信號會對芯片正常工作產(chǎn)生影響，為減小這種干擾，在直流穩(wěn)壓芯片輸入端并聯(lián)大電容消除低頻干擾，并聯(lián)小電容（其容值約為大電容的0.01）消除高頻干擾，并在芯片VCC與地之間并聯(lián)小電容進行高頻濾波，以保證芯片正

38、常工作。4.2 PCB制作及其抗干擾處理圖4.2 制作完成的PCB合理的布局是印制電路板能夠正常工作的重要條件，同時對產(chǎn)品的壽命、穩(wěn)定性、電磁兼容都有很大的影響。PCB布局的合理性直接關系到系統(tǒng)能否正常工作，一般來說應該有以下一些需要考慮的方面20：4.2.1 元件布局 1. 按照電路信號的流向安放各個功能模塊的方位，布局應盡量使信號易于流通，并使信號的方向盡量一致； 2. 將每個功能模塊的核心器件置于本模塊的中心，其他器件圍繞它進行放置。器件放置應保持間隙一致、整齊。使各元件之間的連線盡可能短；3. 高頻電路中需要注意器件的分布參數(shù)。一般電路應盡量使器件排列相互平行。這樣可以在使其看起來更美

39、觀的同時也便于焊接及生產(chǎn)。4.2.2 元件布線 1. 電源線在設計時應考慮印制線路板設計時允許電流的大小，使電源線盡可能寬，減小其產(chǎn)生的環(huán)路電阻。同時，電源線、地線布線應盡可能和數(shù)據(jù)傳輸?shù)姆较虮３忠恢拢@樣有助于提高系統(tǒng)的抗噪性能； 2.地線的合理布線是印制電路板中減小干擾的重要方式。如果能將電路中接地和信號屏蔽很好的結(jié)合，可使得大部分干擾問題迎刃而解。在設計地線時應從以下方面加以考慮： （1）正確選擇單點接地與多點接地 低頻電子線路信號頻率低于1MHz，其性能幾乎不受線路和元件間電感影響，而地線形成的環(huán)流對其工作性能影響明顯，因而宜使用單點接地的方式來消除干擾。高頻電子線路信號頻率大于10M

40、Hz，此時地線的阻抗對其電位所產(chǎn)生的影響不容忽視，為了盡最大的可能減小地線阻抗對系統(tǒng)帶來的不良影響，應使用多點接地的方式。當信號頻率在110MHz時，如果使用單點接地的形式，其地線長度最好不超過所傳輸信號波長的5%，否則宜使用多點接地的方式來減小干擾。 （2）數(shù)字邏輯線路接地應與模擬線路接地分開 印制電路板上既有高速數(shù)字電路又有模擬電路時，應盡量使它們在PCB上分別位于兩個區(qū)域，即數(shù)字電路放置在電路板的同一區(qū)域，模擬電路放置在另一區(qū)域，之間由隔離電路相連接。同時它們的地線不應直接相連，應采用磁珠進行隔離，在PCB設計時可用00805封裝的電阻代替。低頻線路的地線應盡可能使用單點接地形式，實際應

41、用中布線難以滿足上述要求時可將其中一部分地線進行串聯(lián)后再并聯(lián)接地。高頻線路的地應盡可能使用多點串地形式，地線在條件允許時應盡可能粗，同時不宜過長，高頻器件接地應盡可能使用大面積地箔，注意地箔應采用網(wǎng)狀，以免制作電路板時銅箔鼓包斷裂影響電路性能。 （3）接地線應盡量加粗并構(gòu)成環(huán)路 由電阻計算公式知電阻值與導線的直徑成反比，與導線的長度成正比，若接地線過細會導致地線上不同點的電位隨電流大小變化明顯，甚至有可能超過邏輯電路高低電平的界限而使數(shù)字系統(tǒng)電平不穩(wěn)定，使系統(tǒng)整體抗噪性能下降。因此地線在PCB尺寸允許的情況下應該盡量寬，使它能流過電路設計時允許電流三倍的電流。如果條件允許，地線寬度應越大越好。

42、在此次設計中，考慮到PCB尺寸，地線寬度設計為25mils。當設計數(shù)字系統(tǒng)時，將地線閉合可以顯著地提高抗噪性能。這是因為：印制電路板上包含許多集成芯片，特別是遇有功耗較大的器件時，受地線寬度影響，會導致地線上不同點電勢差較大，引起抗噪性能下降，若將地線閉合，則會縮小地線上各點的電勢差，提高系統(tǒng)的抗噪性能。4.2.3 去耦電容電源系統(tǒng)流出的大電流會產(chǎn)生電磁輻射，為了降低系統(tǒng)的高頻干擾，應在電源和地之間接入容值0.01uF0.1uF的瓷片電容對高頻信號進行過濾，同時應減小信號線與電源線和地線之間的回路面積。同時應在芯片VCC和GND之間并聯(lián)小電容，其位置盡量靠近芯片VCC腳，并使兩者連線盡可能短，

43、以達到較好的濾波效果。4.2.4 時鐘振蕩器時鐘振蕩器是單片機的心臟，可分為內(nèi)部時鐘和外部時鐘。一般來講外部時鐘源穩(wěn)定性高于內(nèi)部時鐘源，因為外部時鐘多采用石英晶體振蕩器而內(nèi)部多使用RC振蕩電路。但在實際應用中，由于電磁干擾等原因，會引起晶體振蕩器頻率發(fā)生變化，導致單片機時序混亂，這對于一些對時序敏感的器件（如溫度傳感器DS18B20）是致命的。因此在使用晶振電路時應當注意抗干擾設計，使其位置盡量靠近單片機的晶振信號輸入引腳，并使其接線盡量短而且粗，同時其外殼應采用接地設計以增強抗干擾能力。因此，在此次設計中晶振與控制器時鐘信號輸入引腳間的連線使用25mils導線21。4.2.5 光耦隔離在次次

44、設計中單片機作為控制器，能接受的信號是弱電信號，而其需要測量和控制的信號，如充電電壓及電流，多為強電信號。如果不對其輸入輸出進行隔離，強電信號通過導線直接進入單片機內(nèi)部，有可能導致單片機損壞，影響充電器系統(tǒng)整體的性能。因此在設計中考慮到這些因素，在單片機與強電線路連接時，均使用光耦對輸入輸出進行隔離。設計中選擇常用的TLP521光電耦合器件進行信號隔離。隔離的作用主要是對強弱電信號進行隔離的同時保證信號的正確傳遞，同時在此設計中光電耦合器還對起到了電平轉(zhuǎn)換的作用。在光電耦合器使用中應注意兩側(cè)的地線應分開，同時使隔離器件與單片機之間的連線盡量短，使隔離效果最佳。結(jié) 論本文在查閱大量資料的基礎上對電動自行車鉛酸蓄電池智能充電器進行了研究。就設計過程中所涉及的