基于单片机的智能充电器设计毕业设计

基于单片机的智能充电器设计毕业设计内容摘要：

、温度检测电路、 单片机 、上位机和 UI 界 面组成。 如图 所示： 图 充电系统框图 电池组是充电器实现其功能的基础。 电源电路是由降压电路、整流线路、滤波电路和电压升降控制电路组成，该模块为电池组提供了充电电源。 报警电路主要组成元器件是蜂鸣器，当电池充满或温度超过警戒值时，单片机会做出判断，从而是向报警电路发出指令，之后报警电路做出应答。 此电路主要是提醒用户，充电温度过高或者是已经充满电了。 电压检测电路实现的功能是通过检测到的电压与所设的标准值进行比较后UI 界 面 电池组 电源电路 单片机 ( STM32 ) 电压 检测 温度 检测 开关 控制 上位机（ PC 机） 通信 报警电路 第 7 页 共 37 页 进行一定的量化从而确定目前电池的电量。 温度检测电路实现的功能是通过温度传感器检测到的温度，判断温度数值是否处在安全范围内，如果超出范围，立即断开电源，并进行报警，从而控制充电过程，保证充电安全。 单片机 STM32 控制电路以 STM32 为核心组成。 STM32 是一款功能强大、高性能、低成本、低功耗并且片内资源非常丰富的嵌入式应用。 STM32 主控制电路作为整个智能充电器系统的中心，主要完成数据处理、数据分析和 A/D 转换等功能。 其中 A/D 转换器将转换后的模拟信号转换为数字信号以完成数据的处理。 上位机和 UI 界面模块主要是电脑通过串口通信，获取单片机采集的数据，在 Qt 工程中对数据进行处理和显示。 本系统具有操作简单，功耗低， 人机交互能力强 ， 安全性能高 等优点。 本充电器的要实现的功能是，在对锂电池的充电过程中一直显示电池的动态电量和充电时间以及整个充电器的温度；当充电 器或电池的温度超过警戒值时，自动断电并且进行报警；当电池充满电时，单片机通过判断检测到的电压数据后发送指令，使继电器工作，自动停止充电。 对所要设计的充电器性能要求有如下几项： :对锂电池充电时，如何保证人员的人身安全和电池组的安全是至关重要的。 :充电器应具有较高的智能性，不需要操作人员过多干预充电过程。 ：充电器应该具有更好的人机交互性，使得操作人员能更直观的感受充电器对锂电池的充电过程。 电源模块 电源方案的选择 （ 1）方案一 普通电源：用变压器将家用的 220V 交流电变压为低压交流电，之后将变压后的低压交流电整流滤波，然后将家用的交流电变换为输出稳定的低压直流电，最终能作为电池组的充电电源。 使用该方案设计的电源电路输出的电压较为稳定并且波纹震荡相对较小，但是缺点比较明显，如能选择的电压范围比较窄，中间 第 8 页 共 37 页 浪费的电能多。 （ 2）方案二 开关电源：家用交流电通过变压器变压后，输出低压交流电，之后经过整流堆桥，滤波电容（大的电解电容）后，除高频杂波和同相干扰信号，输出低压直流电，之后经过电感线圈等作用下，进一步滤除高频杂波，在交直流电转 换后，电流进入开关电路，开关电路是整个电源电路的关键。 开关电路的核心是两个开关管，两个开关管的轮流导通和截止，直流电便能转换为高频率的脉动直流电，之后再送到高频开关变压器上进行降压处理。 经过高频开关变压器降压后的脉动电压，同样要使用二极管和滤波电容进行整流和滤波，除此之外还有一两个电感线圈和滤波电容一同滤除电流中的高频交流成分，最后输出为较为理想的低压直流电。 开关电源具有电压可调范围宽、效率高，输出电压相对稳定等特点。 经过上述两种方案的比较后，该设计选取方案二的开关电源设计，开关电源设计一般采用集成芯片， 像 SG352 BD49 SAQ881 TL494 等芯片都属于此类，这些芯片功能强大，包含了开关电源控制所需的全部功能。 由于芯片 TL494实用性最强，稳定性最高，所以在开关电源电路中实用非常可靠。 确定开关电源的技术指标。 开关电源的设计指标是为了符合本电池组的充电参数，具体如下 : 1)输入电压 :AC 220V 2)输出电压 :DC + 3)恒定电流 ，最大电流 2A，最小电流 1A 4)电网频率 :(5060)HZ 5)输出精度 :2% 6)输出功率 :19W(额定 ) 7)电源效率 :期望值为 80% 充电方法 锂电池的充电特性 充电方法依据的是电池的充电特性 [23]，本设计针对的是锂电池，所以要对锂电池的充电特性做研究，锂电池的充电特性分析和充电方案具体选择如下文。 锂电池通常分为锂金属电池和锂离子电池两大类 [25]，因为锂离子电池能充 第 9 页 共 37 页 电，所以常说的锂电池也指锂 电子电池。 而锂离子电池又有很多种类，像锰酸锂电池、磷酸铁锂电池、三元锂电池等，它们能反复充电，并且储能多，能成为动力电池。 由于各种类锂电池的充放电特性差别不大，下面便以磷酸铁锂电池为例进行锂电池充电特性研究。 锂离子电池 [26]的充电过程比较复杂，不同类型的锂离子电池在不同的充电条件下充电特性会有不同，不过整体差别不大，所以研究磷酸铁锂电池的充放电特性具有代表性。 研究充电特性，提出针对性的充电方案能提高充电的安全性和增加电池的使用次数。 不管是钻酸锂电池和锰酸锂电池，还是磷酸铁锂电池都有相同的充电特性，端电压 是唯一区别，所以，研究磷酸铁锂电池的充电特性得出的结论适用与别的类型的锂电池，针对锂离子电池的充电特性，要使得电池不受损的前提下又想使电池充满电，则电池组的充电电压需要限定覆盖在额定输出值1%以内，即 士 50mV。 锂电池的充电特性中需要注意的一点就是，充电在给电池组充电时，不能再电池组达到电压临界值时断电，电池组将会就产生不可修复的损坏。 磷酸铁锂电池本身的电化学特性决定了在其充电时，正极中的锂离子通过聚合物隔膜移动到负极，锂离子从 Fe04 层面间迁移出来，经过电解液进入负极C 附近与 C 复合，且发 Fe2+/Fe3+的氧化反应，为平衡电荷，电子从外电路到达负极，电池负极显然无法吸收所有的电子，且随着充电过程的进行符合还原的效率下降，当负极电子饱和时仍然有一些锂离子，这将导致电池电压再度上升，造成二次过充，破坏了负极材料又降低其使用寿命，甚至会引发安全问题 [24]。 充电方案的选择 （ 1） 方案一 恒流充电法：恒流充电法顾名思义就是充电过程中保持电流恒定，如图 所示。 采用恒流充电法充电，由于电路简单，所以比较好控制，但从图中能明显看出，恒流对应的直线与充电过程中的电流曲线相差比较大，会对电池损害较大。 第 10 页 共 37 页 （ 2）方案二 恒压充电法：在整个充电过程中，充电电压保持不变，随着电池组的端电压升高，电流慢慢减小。 如图 所示，该方法充电，充电过程更接近于最佳充电曲线。 采用恒压充电，电池组产生的电解水很少，能防止蓄电池过充，从而延长电池使用寿命。 该方案由于电流较大，对电池寿命也有损害。 方案二和方案一相比较，方案二优势 更为明显，所以选择方案二。 SOC 估算方法 SOC 估算方法的选择 (1) 方案一 内阻法：用阻抗仪检测电池组的直流电阻。 所谓的直流内阻指的是极短时间内，电池组的端电压变化量与电流变化量相比所得的数值。 针对某些种类电池来说，用此方法估算电池的剩余容量比较精准，但对于直流内阻比较小的动力锂电池组而言，并不合适。 所以用内阻法进行估算锂电池组的电量不是一种很好的选择。 (2) 方案二 安时法：此方法的基本原理是将电池组看作一个黑箱子，认为进电池的电量等于电池放电的电量，在对温度、电池老化、充放电率、自放电率进行很好补偿的情况下，在短暂时间内此方法估算的电池的剩余容量值比较准确。 尽管这种方法估算 SOC 比较 简单，易于实现，但是会出现累计误差，其中计算数值的一个重要参数也就是补充系数 k 难以确定，所以该方法并不合适。 (3) 方案三 开路电压法：电动车锂电池组开路电压指的是静态时电池组的端电压，负载电压对应的是充放电时电池端电压，开路电压和负载电压两者都是直接测量值。 图 图 第 11 页 共 37 页 电动车锂电池蓄电池组开路电压法是一种最为简单的 SOC 测量方法，其基本工作原理是将检测到的电池开路电压对应电压和 SOC 对照表来查找电池剩余容量。 以单体锂电池为例， 单体锂电池的剩余容量和电压有对应关系，具体如下表。 表 电压与剩余电量关系表 电压 剩余容量 电压 剩余容量 0% 55% 5% 60% 10% 65% 15% 70% 20% 75% 25% 80% 30% 85% 35% 90% 40% 95% 45% 99% 50% 100% 本设计做的是锂电池充电器针对的是电动自行车锂电池组。 上面三种方案经过比较后，最后的开路电压法满足检测实用原则，所以最为合适。 通信方式 通信方式的选择 本设计的总的方案是将温度检测电路和电压采集电路采集的数据发给上位机后进行处理和显示，所以需要单片机和上位机进行通讯，具体采用哪一种通信方式需要进行方案比较和选择，具体如下。 (1) 方案一 串口通信：一般用于上下位机通信。 上位机一般指的是电脑，本设计用的也是电脑。 下位机一般指的是单片机，本设计所使用的单片机是 STM32。 串口通信是在工程应用中很常见。 在 PC 机与单片机通信中常通过有线的串口进行通信。 单片机机通常将模拟信号经过 AD 采集进行模数转换处理，之后经数字信号处理，最终通过串口发送数字信号给 PC机，反之 PC机可以给单片机机发送指令等信息。 第 12 页 共 37 页 常见的通信串口包括 RS23 RS48 RS422 等。 不同的串口在电平特性会有差别，但是在 PC 机与单片机进行通信时，其电平特性不会影响通信，各种转接接口的使用使串口通信特别方便。 (2) 方案二 蓝牙通信 ： 蓝牙看技术最初是一种为了替代 RS232 数据线 的无线技术标准。 能通过无线电波实现设备间的通信。 使得设备间能实现无线连接，其通信本质还是串口通信。 对于本设计来说采用蓝牙通信模块进行通信，性价比不高。 上述两种方案进行比较后，第一种串口通信方式比较合适本设计。 本章小结 通过 对所要设计充电器功能需求和总体设计框架的介绍，明确了设计充电器所需实现的功能。 对锂电池的充电特性的介绍和 比较图 和图 后，可以看出， 在采用开关电源设计方案下，利用恒压充电方法充电相比较恒流充电法充电对电池保护更好。 经过对三种 SOC 估算方法的比较，最终选择了最为合适的开路电压法，并介绍了锂电池的电压电量关系表，为电池剩余电量的计算提供了依据。 同时确定了串口通信为本设计通信方式。 第 13 页 共 37 页 3 硬件设计与实现 此部分介绍的是硬件的设计与实现。 对硬件的各功能模块进行了原理图、实物图等方面的介绍。 同时详细的说明了硬件的具体实现。 单片机电路 本设计采用的是 STM32F103VBT6 芯片， STM32 具有性能高、成本低、功耗低等特点。 其基于 ARM CortexM3 内核， STM32F103 属于“增强型”系列。 其时钟能达到 72MHz。 本设计采用的单片机型号具有 128K 内存。 具体实物如下图。 该单片机的最小系统电路原理图包含 MCU、 I/O 口、电源电路、 RS485 电路和 JTAG电路，具体原理图分别对应如下图 ，图 ，图 ，图 ，图 ，图。