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论文初稿
邯郸学院本科毕业论文(设计)
题目蓄电池智能充放电系统的设计
学生谢晓苗
指导教师郭红俊
年级2011级
专业电子信息工程
二级学院信息工程学院
邯郸学院信息工程学院
2015年5月
郑重声明
本人的毕业论文(设计)是在指导教师郭红俊的指导下独立撰写完成的。
如有剽窃、抄袭、造假等违反学术道德、学术规范和侵权的行为,本人愿意承担由此产生的各种后果,直至法律责任,并愿意通过网络接受公众的监督。
特此郑重声明。
毕业论文(设计)作者(签名):
谢晓苗
2015年5月15日
蓄电池智能充放电系统的设计
摘 要
本文介绍了一种铅酸蓄电池智能充电以及放电的设计过程,其中包括了对电池充电方法的研究和充电放电系统的具体设计。
在对铅蓄电池充电方式研究的基础上,提出了采用恒流限压以及恒压限流充电相结合的方法进行充电。
此方法可以使充电过程更符合蓄电池的充电特性曲线,并且在整个充电的过程中,采取去蓄电池极化的措施,理论研究和实验数据均表明,此方式可以延长电池使用寿命,提高充电效率。
在本设计中,采用了降压高频开关电源,主回路包括一个24v/1A的直流电源,P沟道MOS管及开关降压电路以及P沟道MOS管和大功率LED构成的放电回路。
控制电路包括了STC12C5A60S2单片机最小系统、LCD12864液晶显示模块、按键选择电路以及执行机构。
P沟道MOS管选用IRF4905,大功率LED是1W的灯珠,显示屏使用的是自带字库的LCD12864;由于STC12C5A60S2内部自带10位ADC及PWM,所以超过5V模拟量的检测直接由分压电阻分压后接到ADC端口即可实现,而控制MOS管的PWM也由单片机直接产生。
通过采集采样电阻的电压,可以计算出充电电流。
而通过采集铅蓄电池的端电压,可以实现充电和放电电压的检测。
然后通过控制单片机进行PID调节,改变PWM的占空比达到控制电池充电电流曲线趋向理想状态的目的,从而实现铅酸蓄电池的智能充电。
放电则是通过按键控制MOS管开关大功率LED实现。
实验结果表明,基于STC12C5A60S2的智能充放电系统,充电效果好,充电电流曲线趋于最佳状态,充电后电池电量足,此系统的应用前景广阔。
关键词:
蓄电池;PID;恒流充电;恒压充电;LCD12864
Thedesignofthebatteryintelligentlycharginganddischargingsystem
XieXiaomiaoDirectedbytheAssociateProfessorGuoHongjun
ABSTRACT
Thisarticleismainlyintroducedaprocessthatabatterycharginganddischargingintelligently,includingthestudyofbatterychargingmethodandthespecificdesignofthecharginganddischargingsystem.Onthebasisoftheresearchofbatterychargingmethod,proposedbyadoptingthecombinationofconstantcurrentandconstantvoltagechargemethodtocharge.Thismethodcanmaketheprocessmoreaccordwithbatterychargingcharacteristiccurve,andi-ntheprocessofthecharging,takemeasurestobatterypolarization,boththeoreticalresearchandexperimentaldatashowthatthisapproachcanextendbatterylife,improvethechargingefficie-ncy.
Inthisdesign,useshigh-frequencystep-downswitchingpowersupply,themaincircuitincludesa24V/1ADCpowersupply,P-channelMOStransistorandtheswitchingstep-downcircuitandtheP-channelMOStransistorsandhigh-powerLEDconstituteadischargecircuit.ThecontrolcircuitincludesSTC12C5A60S2smallestsingle-chipsystem,thedisplaycircuit,aswellaskeycontrolcircuitimplementationofthecircuit.P-channelMOStransistorselectSIRF4905,highpowerLEDis1Wlampbeads,thedisplayusesitsownfontLCD12864;SinceSTC12C5A60S2owninternal10-bitADCandPWM,Somorethan5VanalogdetectiondirectlyafterdividingresistordividerconnectedtoADCportcanberealized,andPWMcontrolMOStubedirectlygeneratedbythemicrocontroller.BycollectingThevoltageacrossthebatteryandvoltagedifferenceofSamplingresistor,.canrealizethedetectionofChargingcurrentandthecharge-dischargevoltage.AndthendoPIDregulationBycontrollingthemicrocontroller,changetheDutycycleofPWMtothepurposethatcontrolthechargingcurrentandvoltage,soastorealizetheintelligentlychargingofbatteries,DischargeisaLampbeadslightornotbybuttoncontrolMOS.TheresultsofexperimentshowthattheintelligentlycharginganddischargingsystembasedonSTC12C5A60S2MCUcontrol,chargingefficiencyishigh,duringcharging,thechargingcurveadjustmentisquicklyandeffectively,chargingperformanceisgood,andwithagoodprospect.
KEYWORDS:
StoragebatteryPIDConstantcurrentchargingConstantvoltagechargingLCD12864
前 言
随着电子技术的进步,以及社会的不断发展,电子产品得到越来越广泛的应用,便携式的店址产品也变的日益普及,电量的存储技术显得越来越重要,电池成为越来越多电子产品的理想电源。
铅蓄电池由于其可循环再充电的特性以及成本较低、使用安全、耐腐蚀无污染等特点在电池市场中还占据着重要地位。
所以关于铅酸蓄电池的充电及放电技术也备受大家的关注。
但是,一方面,传统的充电方法是以10h或20h率电流进行充电。
这样导致充电时间过长,一般需要10多个小时,且使用不方便。
另一方面,铅酸蓄电池的充电过程在不能满足技术指标时,将会非常影响铅蓄电池的使用寿命等。
国内外多年来实践有力的证明了,铅酸蓄电池浮充电压偏差达到5%时,电池的浮充寿命就将会减少一半。
并且,在其他方面,由于充电方法的不正确,铅酸蓄电池也很难达到额定的循环充放电寿命。
智能充电是指使实际充电过程中,充电电流能动态的满足电池在不同阶段所需要的充电电流。
充电系统根据电池的当前状态确定充电电流及充电电压的参数,使得充电过程自始至终都满足电池理想状态下的充电过程,保持电池充电状态最优,这样既节约用电又能延长电池使用寿命而且对电池的损害很小。
现阶段,我国是铅蓄电池使用大国,但是铅蓄电池的充电方法很多都不科学,设备普遍落后,迫切需要一种新型高效的铅蓄电池充电系统以满足生产生活的需要。
本次毕业设计就是设计一种铅蓄电池组充放电系统,通过单片机实现对充电电路的控制,达到快速充电且最大限度保护电池的目的。
目录
摘 要I
ABSTRACTII
前 言1
1背景介绍4
1.1选题的背景4
1.2铅蓄电池充电系统现状4
1.3铅蓄电池充电系统的发展前景5
2设计要求5
2.1基本内容5
2.2具体要求5
3设计方案的选择6
3.1方案一6
3.2方案二6
3.3方案三6
4硬件系统设计7
4.1设计思路7
4.1.1系统的基本构成及工作原理7
4.1.2流程图8
4.1.3系统的设计步骤9
4.2STC12C5A60S2单片机10
4.2.1STC12C5A60S2系列单片机简介10
4.2.2STC12C5A60S2系列单片机特点12
4.3LCD1286413
4.4P沟道MOS管驱动电路14
4.5降压型开关电源电路15
4.65V电源电路15
4.7铅酸蓄电池充电方法及PID算法16
4.8铅蓄电池充放电原理图及PCB图18
5软件系统设计19
5.1程序的编译链接19
5.2仿真20
6调试20
6.1硬件调试20
6.2软件调试20
7总结20
参考文献22
附 录23
致谢24
1背景介绍
1.1选题的背景
铅蓄电池由于其可以循环充电,成本较低,放电稳定,耐腐蚀无污染等特点,在现在工农业生产中日益重要。
铅蓄电池的充电方法却是个很重要的方面,目前,我国关于铅蓄电池的充电设备都还很落后,迫切需要一种低成本且充电效率高的充电系统,以满足人们日常生产生活的需求。
1.2铅蓄电池充电系统现状
铅酸蓄电池的历史已经很久了,在铅酸蓄电池发明初期,其工艺还不科学,充电繁琐,还需要经常自行添加电解液等,使用并不方便。
后来,科学家们对铅蓄电池进行了一系列的改进,在硫酸溶液中加入了胶凝剂,做成了胶体蓄电池。
这样做的结果就是,电解液由液体变成胶体,离子的导电能力下降了,电池内阻也相应的增大很多,非常影响电池的放电容量和电池性能,并且充电过程中仍然存在水的分解,胶体失水,产生龟裂以及萎缩等问题,最终导致电池很快废弃。
1965年,科学实验发现了电池阴极吸收原理。
80年代初期,一位美国的科学家发明了免维护密封电池,后来经过不断的改进,最终发展成了今天的密封式免维护铅酸蓄电池。
其在设计上采用了内部循环的氧气系统,在放电时,正极产生的氧气与负极活性物质发生化学反应,并在充电时还原成水,当充电气体达到一定限值时,自动开启安全阀,内部压力释放然后自动关闭。
在充放电过程中,产生的气体内部发生化合反应,因此无酸液、酸雾的溢出,达到了密封免维护的效果。
20世纪80年代,日本实现了铅蓄电池化工业批量生产,其后又修改制定了JisCC8807-1992工业标准。
国际电工委员会制定了“携带式铅酸蓄电池(阀控式)”IEC1506-1推荐标准。
紧随其后,德、英和前苏联等国家也都制定了自己的铅酸蓄电池标准。
随着铅酸蓄电池工业的不断发展进步,它的应用范围越来越广,普及型越来越高。
近几年来,蓄电池的整体性能不断的改进完善,充电技术也在不断改进发展。
传统意义上铅蓄电池的充电技术,主要可以分为恒流充电、恒流限压充电、恒压充电以及恒压限流充电等,这些都是人工控制充电过程,没有根据电池的实际充电情况动态调节充电参数,这不仅仅造成了电池充电时间长,而且大多存在非常严重的虚冲、过充等现象,影响了蓄电池正常使用,远不能满足现代生产和生活的需求。
事实上,如果充电方式有效合理,电池的使用寿命将提高30%左右。
针对传统的充电方法的种种不足,国内外陆陆续续提出了一些新型高效的充电方法,努力改变现状。
当然,这些充电方法的实际工作原理大多数都是在传统的方法上进行改进,使蓄电池的充电电流能更好的逼近其可接受充电电流曲线。
这些充电方法开始摆脱传统充电方法的思路束缚,逐渐将模糊控制算法引入充电过程中,利用模糊控制技术本身适合处理多输入多输出非线性系统的优势,更好的处理蓄电池充电过程中的时变性和干扰性等问题。
1.3铅蓄电池充电系统的发展前景
铅蓄电池虽然相较现在的新型电池存在笨重,充电周期长灯光缺点。
但由于其成本低,放电过程平稳,使用寿命长且无污染等优点,在未来的几十年中,其还会发挥无与伦比的重要性。
那么,对铅蓄电池进行合理有效的充电方法显得至关重要。
传统的充电方式已经不能满足生活节奏不断加快的社会需求,新型高效的铅酸蓄电池充电系统日益显现出其重要性。
传统的充电方法也在实现从不智能到模糊控制应用再到数字化智能调节的转变。
蓄电池充电系统数字化管理可以方便的实现各种复杂的充电控制方法,能够对蓄电池的充电过程进行实时的监控和显示处理等,能很好的满足在无人监控和遥控方式的铅酸蓄电池充电需求。
2设计要求
2.1基本内容
主要是利用单片机的PWM通过PID算法控制铅蓄电池的充电电流。
2.2具体要求
(1)需要能够实现对铅酸蓄电池充电过程中充电电流的PID调节。
(2)12864液晶可显示电池电量,充放电状态信息,充电电流,充电电压等信息;
(3)通过液晶屏上的信息提示电池充电与否;
(4)充电和放电状态是相反的,即充电时放电无效,放电时充电无效,充放电状态的切换是通过按键进行控制的;
(5)通过按键选择液晶屏显示的信息并且能对蓄电池的充放电进行控制。
3设计方案的选择
3.1方案一
由于本设计需要用到PWM及10位的ADC,而STC12C5A60S2内部已经集成了这些资源,应用非常方便,所以采用STC12C5A60S2作为主控单片机,再通过LCD12864实时显示整个充放电系统的状态。
本方案系统是由STC12C5A60S2最小系统、24V/1A直流电源、STC12C5A60S2的PWM进行PID调节控制P沟道MOS管实现充电管理、并通过LCD12864实时显示充放电系统的主要参数信息。
3.2方案二
通过PWM波形发生器及TLC1549进行模拟量采样,再通过STC89C52进行数据处理及控制,使用LCD1602进行数据的显示,采样的电压值经PID调节后,通过MOS管控制铅蓄电池充放电的过程。
此方法和方案一功能类似,但是TLC1549由于电流采样的原因,需要使用两片,大大增加了系统设计的成本及复杂度。
3.3方案三
使用STM32系列单片机进行数据的处理,STM32属于32位单片机,系统资源丰富,完全能胜任本次设计的要求,但是STM32的成本相对来说也高些,本设计我们需要用到的资源主要有PWM及ADC,相对于STM32,资源会浪费许多。
通过如上整体分析可以得出结论,方案一拥有整体规划长处,因此本次毕业设计方案最终选择方案一。
4硬件系统设计
4.1设计思路
4.1.1系统的基本构成及工作原理
用单片机的ADC通道通过一个采样电阻采集铅蓄电池充电电流的大小,然后经过单片机的PID处理调节充电电流,使得充电电流能满足蓄电池充电电流曲线的要求,再加上LCD12864显示电池电压,充电电流,充电状态及放电状态信息等。
在此基础上,通过按键实现充电及放电状态的切换。
本系统以STC12C5A60S2为控制核心,与外围电路组成充放电管理系统。
由按键控制模块的充放电状态的切换,以LCD12864显示,完成铅蓄电池的充放电管理。
系统设计的总体结构框图,如图4-1所示:
图4-1系统的总体结构框图
当电源上电后,通过按键操作单片机是充电还是放电,如果是放电状态,充电电源断开,大功率LED灯亮,蓄电池处于放电状态,若电池电量过低,12864液晶会出现电池电量过低的提示,并断开灯的电源,结束放电状态;如果是充电状态,液晶上会直观的显示电池电压、充电电流等信息,电池在充电过程中会根据电池电压的状态通过PID算法智能调整充电电流大小,使得充电电流更贴近铅蓄电池充电电流的曲线,当电池充满后,系统会自动将充电电源断开,充电结束。
4.1.2流程图
主程序流程图,如图4-2所示:
图4-2主程序流程图
程序运行过程流程图,如图4-3所示:
图4-3程序运行过程流程图
4.1.3系统的设计步骤
(1)按照功能要求设计电路框图。
根据总体的设计要求,对系统的电路结构框图进行合理的设计。
(2)依据系统的电路结构框图设计出仿真电路,节省实际实验调试成本。
先安装Proteus仿真软件,然后在此仿真软件中放置各个硬件电路模块需要用到的各个部件,并对其进行连线。
由于51单片机的仿真需要将源程序的.HEX文件下载到仿真中的单片机中,所以仿真也需要进行单片机程序的编写。
通过编译器Keil编写51单片机的C语言程序,将生成的.hex文件下载到仿真图的单片机中,由于铅蓄电池的充放电系统在Proteus仿真软件中有些元器件是没有元件库的,所以仿真的程序以及电路跟实际的系统电路有一些差别,但是根据仿真电路可以使得系统在实际制作中解决很多电路问题。
(3)按照仿真电路,绘制电路原理图以及PCB图。
按照仿真图中验证的电路,使用AltiumDesigne绘制硬件电路原理图,当然,原理图与PCB的封装库也都需要先制作完成,然后将原理图导成PCB,并手动布线完成PCB电路板的制作。
(4)制作实物电路板并在腐蚀完成的电路板上焊接元器件。
完成PCB图之后,将PCB板做成电路板,去电子市场购买此次毕业设计所需要的元器件。
用电烙铁分别焊接各个元件,进而把整个系统焊接完成。
(5)编写实际系统的程序。
由于仿真电路与实际的调试电路有所区别,毕竟仿真与现实是有出入的,所以实际的单片机程序需要在仿真程序的基础上改善。
将编写的程序生成的.HEX文件通过串口的方式下载到单片机中,验证程序是否存在Bug。
并不断完善系统功能。
(5)调试,实现功能要求。
通过硬件调试和软件调试相结合,一个一个解决系统设计中的问题,完成铅蓄电池充放电系统的制作与调试,实现本次毕业设计中要实现的具体功能。
4.2STC12C5A60S2单片机
4.2.1STC12C5A60S2系列单片机简介
单片机,又叫单片微型控制器,它是把一个计算机系统集成到一个芯片上,相当于一个微型计算机。
它体积小巧、质量轻、价格低廉、开发周期短。
自从单片机诞生以来,其发展速度很快,目前已有几千个种类,应用越来越广泛。
宏晶公司生产的STC12C5A60S2系列单片机,是新一代8051单片机,其具有低功耗、高速、抗干扰能力强等优点,完全兼容传统8051的指令代码,但速度比普通51单片机快8-12倍。
内部集成2路PWM,8路高速10位A/D转换(250K/S)等资源。
STC12C5A60S2单片机有60K的Flash,1280字节的SRAM,资源丰富,且成本低廉,非常适合本铅蓄电池充放电系统的设计。
STC12C5A60S2有LQFN、QFN以及直插等几种封装,其引脚图如下图4-4所示:
图4-4STC90C52RC引脚图
4.2.2STC12C5A60S2系列单片机特点
STC12C5A60S2是8051系列单片机,其主要特点如下:
(1)增强型8051CPU,1T,单时钟/机器周期,是新一代8051单片机,其具有低功耗、高速、抗干扰能力强等优点,完全兼容传统8051的指令代码,但速度比普通51单片机快8-12倍;
(2)STC12C5A60S2系列单片机工作电压:
5.5V-3.3V
(3)用户应用程序空间60K字节;
(4)片上集成1280字节RAM;
(5)通用I/O口(36/40/44个),复位后为:
准双向口/弱上拉(普通8051传统I/O口),可设置成四种模式:
准双向口/弱上拉,推挽/强上拉,仅为输入/高阻,开漏,每个I/O口驱动能力均可达到20mA,但整个芯片最大不要超过55mA;
(6)无需专用仿真器,可通过串口(P3.0/P3.1)直接下载用户程序,数秒即可完成一片;
(7)有EEPROM功能(STC12C5A62S2/AD/PWM无内部EEPROM);
(8)看门狗;
(9)内部集成MAX810专用复位电路;
(10)外部掉电检测电路:
在P4.6口有一个低压门槛比较器,5V单片机为1.32V,误差为+/-5%,3.3V单片机为1.30V,误差为+/-3%;
(11)时钟源:
外部高精度晶体,内部RC振荡器(温漂为+/-5%到+/-10%以内),用户在下载用户程序时,可选择是使用内部RC振荡器还是外部晶体,常温下内部RC振荡器频率为:
11MHz~15.5MHz,精度要求不高时,可选择使用内部时钟,但因为有制造误差和温漂,以实际测试为准;
(12)共4个16位定时器,两个与传统8051兼容的定时器/计数器,16位定时器T0和T1,没有定时器2,但有独立波特率发生器做串行通讯的波特率发生器再加上2路PCA模块可再实现2个16位定时器;
(13)2个时钟输出口,可由T0的溢出在P3.4/T0输出时钟,可由T1的溢出在P3.5/T1输出时钟;
(14)两路PWM:
可用来再实现2个定时器,也可用来再实现2个外部中断(上升沿中断/下降沿中断均可分别或同时支持);
(15)A/D转换,10位精度ADC,共8路,转换速度可达250K/S(每秒钟25万次)18.通用全双工异步串行口(UART),由于STC12系列是高速的8051,可再用定时器或PCA软件实现多串口;
(16)STC12C5A60S2系列有双串口,后缀有S2标志的才有双串口,RxD2/P1.2(可通过寄存器设置到P4.2),TxD2/P1.3(可通过寄存器设置到P4.3);
4.3LCD12864
所使用的是自带中文字库的LCD12864,具有4位/8位并行、2线或3线串行等多种接口方式,内部含有国标一级、二级简体中文字库的点阵图形液晶显示模块;其显示分辨率为128*64,内置8192个16*16点汉字,和128个16*8点ASCII字符集。
利用该模块灵活的接口方式和简单、方便的操作指令,可构成全中文人机交互图形界面。
可以显示8×4行16×1
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