基于單片機控制的鋰電池充電模塊

1、目目 錄錄Abstract.II引 言.11 概述.21.1 課題研究的背景.21.2 鋰電池充電特性.22 理論計算.32.1 方案論證與比較.32.1.1 BUCK 降壓電路選擇.32.1.2 電流控制.32.1.3 總體方案設計.42.2 理論分析與計算.52.2.1 輸出電流分析與計算.52.2.2 BUCK 電路元件參數分析與計算.62.2.3 BUCK 電路輸出效率分析計算.82.2.4 NTC 負溫度系數電阻計算.93 電路工作原理.123.1 系統(tǒng)供電部分.123.2 BUCK 降壓電路.123.3 恒流控制.143.4 輸出電壓、電流采集顯示.173.5 過壓、過溫保護.20

2、3.6 PI 控制原理 .224 系統(tǒng)設計.264.1 供電電源設計.264.2 BUCK 降壓電路設計.274.3 控制顯示電路設計.284.4 輸出電壓、電流檢測電路設計.294.5 輸出恒定電流電路設計.294.6 過溫、過壓保護電路設計.305 軟件設計.325.1 軟件設計原理及設計所用工具.325.2 軟件設計結構圖.326 系統(tǒng)測試.336.1 主要測試儀器、儀表.336.2 系統(tǒng)測試.336.2.1 測試方法.336.2.2 測試參數記錄表及測試數據.336.3 測試結果分析.347 結論.35總結與體會.36謝 辭.36參考文獻.37附錄.38程序源代碼如下.38電路原理圖.

3、48PCB 設計圖 .49實物圖.49I摘摘 要要 電子技術的飛速發(fā)展使得各種各樣的電子產品都朝著便攜式和小型輕量化的方向發(fā)展，也使得更多的電子產品采用基于電池的供電系統(tǒng)。目前，較多使用的電池有鎳鎘、鎳氫、鉛蓄電池和鋰電池，它們的各自特點決定了它們將在相當長的時期內共存與發(fā)展。由于不同類型電池的充電特性不同，通常對不同類型，甚至不同電壓、容量等級的電池使用不同的充電器，但這在實際使用中有許多不便。本設計以單片機 STC89C52 為控制核心，系統(tǒng)由指示燈電路、液晶顯示電路、保護電路、精確基準電壓產生電路、環(huán)境溫度采樣電路和開關控制電路組成。實現了電池充電、LED 指示、液晶顯示、保護機制及異常

4、處理等充電器所需要的基本功能。本文對鋰離子電池的參數特性、充電原理與充電方法進行了詳盡的描述，并提出了充電模塊的設計思想和系統(tǒng)結構。該電路具有安全快速充電功能，可以廣泛應用于室內外鋰離子電池的充電，如手機、數碼產品電池等。關鍵詞：鋰電池 STC89C52 指示燈電路 液晶顯示電路 保護電路 精確基準電壓產生電路 環(huán)境溫度采樣電路 IIAbstractElectronic technologys fast development causes that various electronic products towards portable type and the small lightwei

5、ght direction. It also causes the more electrification products to use power supply system which is based on battery. At present, a lot of used batteries contain the nickel cadmium, the nickel hydrogen, the lead accumulator and the lithium battery. Their respective characteristics have decided that

6、they will coexist in a long time development. Due to different types of batteries charge characteristic differently. In general, to different type, even different voltage, capacity rank battery use different battery chargers, but it leads some inconveniences in the actual use. The control core of th

7、e design is the single chip STC89C52 .The system is composed of the indicator light circuit, liquid crystal display circuit, protection circuit, precision reference voltage generating circuit, ambient temperature sampling circuit and a switch control circuit. The basic function of achieving the batt

8、ery charging, LED indicator, liquid crystal display, protection mechanism and exception handling charger is realized. In this paper, the charging parameter characteristics of lithium ion battery principle and charging method is not only described in detail but also putting forward the design idea an

9、d system structure of the charging module. The circuit provides safe and fast charging function, which can be widely used in indoor and outdoor lithium ion batteries, such as mobile phone, digital products and so on.Key words: Lithium-ion battery; STC89C52; The indicator light circuit; The liquid cr

10、ystal display circuit; Protection circuit; The precision reference voltage generating circuit; Environmental temperature sampling circuit;1引引 言言隨著社會的快速發(fā)展，電子產品小型化、便攜化也使得充電電池越來越重要，鋰離子電池有較高的比能量，放電曲線平穩(wěn)，自放電率低，循環(huán)壽命長，具有良好的充放電性能，可隨充隨放、快充深放，無記憶效應，不含鎘、鉛、汞等有害物質，對環(huán)境無污染，被稱為綠色電池?；谶@些特性，所以鋰電池得到了迅速的發(fā)展和廣泛的應用。鋰電池充電器是

11、為鋰離子充電電池補充能源的靜止變流裝置，其性能的優(yōu)劣直接關系到整個用電系統(tǒng)的安全性和可靠性指標。本文在綜合考慮電池安全充電及成本的基礎上，設計了一種基于 STC89C52單片機 PWM 控制的單片開關電源式鋰電池充電模塊，有效地克服了一般充電器過充電、充電不足、效率低等缺點，實現了對鋰電池組的智能充電，達到了預期效果。該方案設計靈活，可滿足多種型號的鋰電池充電需求。21 概述概述1.1 課題研究的背景課題研究的背景充電器是為化學電池設計的理想產品，它們使電池的三項關鍵指標達到最優(yōu)化，即容量、壽命和安全性。正是鋰離子電池在各個領域越來越廣泛的應用，推動了對鋰離子電池充電器的研究。目前一些大的廠家

12、生產的充電器都具有以下特點：具備限流保護，電流短路與反充保護線路設計，自動、快速充電、充滿電后自動關斷等等。有的還具有 LED 充電狀態(tài)顯示、低噪聲、模擬微電腦控制系統(tǒng)等特點。由于鋰離子的特點使得其對充電器的要求比較苛刻。其要求的充電方式是恒流恒壓方式，為有效利用電池容量，需將鋰離子電池充電至最大電壓，但是過壓充電會造成電池損壞，這就要求較高的控制精度（精度高于 1） 。另外，對于電壓過低的電池除了需要進行預充、充電終止檢測、電壓檢測外，還需采用其他的輔助方法，作為防止過充的后備措施，如檢測電池溫度、限制充電時間，為電池提供附加保護，由此可見實現安全高效的充電控制已成為鋰離子電池推廣應用的目標

13、。1.2 鋰電池充電特性鋰電池充電特性鋰電池充電需要控制它的充電電壓，限制其充電電流。鋰電池通常都采用三段充電法，即預充電、恒流充電和恒壓充電。鋰電池的充電電流通常應限制在 1C(C 為鋰電池的容量)以下，單體充電電壓一般為 42V，否則可能由于電壓過高造成鋰電池永久性損壞。預充電主要是完成對過放的鋰電池進行修復，若電池電壓低于 3V，則必須進行預充電，否則可省略該階段，這也是最普遍的情況。在恒流階段，充電器先給電池提供大的恒定電流，同時電池電壓上升，當電池電壓達到飽和電壓時，則轉入恒壓充電，充電電壓波動應控制在 50mv 以內，同時充電電流降低，當電流逐漸減小到規(guī)定的值時，可結束充電過程。電

14、池的大部分電能在恒流及恒壓階段從充電器流入電池。由此可知，充電器實際上是一個精密電源，其電流電壓都被限制在所要求的范圍之內。32 理論計算理論計算2.1 方案論證與比較方案論證與比較基于單片機控制的鋰電池充電模塊，選擇 LM2576-ADJ 集成電源芯片基于BUCK 降壓電路原理構成 BUCK 降壓電路，系統(tǒng)輸入電壓為 9V20V，輸出電流為 2A。微處理器選擇 STC8952 單片機；電流檢測由 INA168 集成電流檢測芯片完成，并將檢測結果送到微處理器 IO 口，通過 PI 算法程序控制反饋電路使得輸出電路電流維持在 2A， LCD1602 液晶顯示電路電流大小；輸出電壓檢測經過分壓電阻

15、送到 STC8952 單片機自帶的 10 位 AD 轉換 IO 口，經 AD 轉換將數據送到 P0 口，并在液晶上顯示電壓大小。電路過溫、過流保護均由 LM339比較器完成。過壓保護是在鋰電池電量充滿，電池兩端電壓超過額定電壓時控制電源芯片 0N/0FF 引腳使電源停止工作，進而實現停止充電；過溫保護由NTC（負溫度系數）溫度傳感器執(zhí)行，電池溫度超過 60 時停止充。2.1.1 BUCK 降壓電路選擇降壓電路選擇方案一：采用 LM2576-ADJ 集成電源芯片構成 BUCK 電路的恒流源控制系統(tǒng)。LM2576-ADJ 輸入電壓在 7 V40 V，FeedBack 引腳電壓恒定 1.23 V，輸

16、出電壓穩(wěn)定可調，電路設計和控制簡單。方案二：選用 MOSFET 場效應管構成 BUCK 降壓電路，處理器產生PWM，調節(jié) PWM 占空比控制電源輸出電流大小。方案比較：方案一 LM2576-ADJ 集成電源芯片，可直接構成 BUCK 電路，電路設計簡單，輸出電流容易控制，工作穩(wěn)定，可實現普通 BUCK 電路參數。方案二 MOSFET 構成的 BUCK 電路對場效應管選擇范圍廣，不同場管由于性能不同外圍輔助電路要求也不一樣。大多數場效應管需要外加驅動電路，PWM輸入要求有穩(wěn)定的占空比，最終設計參數的實現對電路各個反面設計都有一定的要求。結合以上分析，系統(tǒng) BUCK 降壓電路設計最終選擇方案一。

17、2.1.2 電流控制電流控制方案一：用 STC12C5A60S2 兩路 AD 轉換器采集采樣電阻兩端電壓值，最終得到采樣電阻兩端電壓，利用公式 I=U/R 計算得到電路中電流大小，通過計算測得的電流值與設定電流值大小比較，判斷比較結果由程序控制完成對電路4電流控制參數補償使電流輸出恒定為 2A。方案二：使用集成電流檢測芯片 INA168 檢測流過采樣電阻的電流大小，輸出端由 STC12C5A60S2 單片機轉換器完成轉換，測得的電流值通過 PI 控制算法程序調節(jié)電流控制電路實現電流輸出 1.5 A。方案比較：方案一，采樣電阻兩端電壓太小，AD 采樣最終得到的檢測電流不理想，普通的補償控制達不到

18、系統(tǒng)設計要求。方案二 INA168 為電流檢測專用芯片，檢測精確度高，能準確檢測電路中電流的大小，使用 PI 控制算法控制電流，使得系統(tǒng)響應速度和質量都得到了提高，是一種比較常用且擇優(yōu)的控制選擇方法。因此系統(tǒng)中電流控制選擇方 案二。2.1.3 總體方案設計總體方案設計由上述方案論證及方案選擇可知，其總體方案框架如圖 1-1、1-2 所示： 是由場效應管構成BUCK 降壓電路微處理器 STC89C52 過充保護LCD1602 液晶顯示AD 裝換器對電壓采樣，完成AD 轉換24V36V 直流電源5 V 電源圖 1-1 方案一總體方案框架圖5是否由 LM2576-ADJ 集成元件構成 BUCK 降壓

19、電路微處理器 STC8952過壓檢測LCD1602 液晶顯示輸出電壓電流檢測0 V36V 直流電源5 V 電源開啟保護電路斷開保護電路結合方案比較綜合考慮最終選選擇方案二。2.2 理論分析與計算理論分析與計算2.2.1 輸出電流分析與計算輸出電流分析與計算LM2576-ADJ 能構成易于調節(jié)和控制的 BUCK 電路。LM2576-ADJ 引腳 4為 FeedBack，該引腳感知調整輸出電壓進行反饋回路。由該引腳和運算放大器構成的反饋回路能通過編程實現電路恒定電流輸出。同相放大器同相端輸入電壓大小為采樣電阻上的分壓大小，即 V+=IsRs，根據同相放大器（圖 2-1）原理可列出計算式：圖 1-2

20、 方案二總體方案框架圖6 （公式 1） RavVVbfVV由設計電路關系計算可得 Is*Rs=1.23/Rav，設計中 Rs 大小為 0.1 歐姆（精度 1）的采樣電阻，因此可得 Is=12.3/Rav，在公式（1）中電阻單位為 K，通過調節(jié) Rav 的值可實現對輸出電流的控制。系統(tǒng)要求輸出電流大小為 1.5 A，計算可得 Rav 的取值為 8.2 K，選擇合適的編程求出電阻 R1 和 R2 的值。輸出電壓為：Vout=Vref（1.0+R2/R1） Verf=1.23V2.2.2 BUCK 電路元件參數分析與計算電路元件參數分析與計算經典 BUCK 電路如圖 2-2 所示，電路主要組成部分有

21、：場效應管（開關元件） 、電感（儲能元件） 、電容、續(xù)流二極管。通過開關管的開通和斷開，在儲能元件的作用下實現降壓?？刂崎_關時間的比例可實現對輸出電壓和電流的控制，電路設計中開關元件的通斷控制通常以 PWM 控制為主要選擇方法，微處理器可產生占空比可調的 PWM 波形。圖 2-27在系統(tǒng)設計中 BUCK 降壓電路由集成芯片 LM2576-ADJ、電感、電容構成。電路結構如圖 2-3 所示。輸入電容 C5 分析、計算與選擇1防止電壓瞬變在輸入中影響轉換器穩(wěn)定運行，鋁或鉭電解電容之間需要輸入引腳+ VIN 和接地引腳 GND，該電容應位于靠近 IC 且使用短引線。電路設計中考慮輸入電壓大小為 10

22、 V25 V 之間，結合安全裕量最后選擇 1000 uF/50 V 的點檢電容。續(xù)流二極管 D3 的分析、計算與選擇2由于二極管的最大峰值電流超過最大負荷調節(jié)電流，鉗位二極管電流等級必須為至少 1.2 倍的最大負載電流。一個強大的二極管設計，應該有一個額定電流相等的最大電流限制，LM2576 能夠經受連續(xù)輸出短路。.二極管的反向電壓等級應至少 1.25 倍的最大輸入電壓。系統(tǒng)設計負載輸出電流為 1.5A，最大輸出電壓為 8.4 V，因此設計中續(xù)流二極管選擇 INA5822。電感 L1 的分析、計算與選擇3由以下公式可計算電感（公式 2） E X T=（Vin -Vout）Vout/Vin x

23、106 / FHz計算出的 E X T 值與相應的匹配對電感值的選擇垂直軸數如圖 2-4 所示。這個 E X T 常數是一個能量處理能力和測量電感都取決于類型的核心、核心區(qū)、匝數和占空比。圖 2-3VinOUTGNDFBON/OFFLM 2576U2+1000uFC5+1000uFC6D31N5822150uHL1GNDVinFBc co on ns st ta an nt t c cu ur rr re en nt t p po ow we er rON/OFF470R133.3KR14Q080508下一步是確定區(qū)域分割的電感 E X T 值和對負載電流最大值。從電感的電感值的代碼及識別。然

24、后從表 1 中選擇一個合適的電感。電感的選擇必須額定的開關 52 kHz 和 1.15 倍負載電流的額定電流。電感電流額定值可計算電感的峰值電流：（公式 3） Ip（max）=ILode（max）+(Vin-Vout)ton/2L Ton 為電源開關時間：（公式 4） Ton= Vout/ Vin1/foscInductorCodeInductorValueThe 39Shott CorpPulse EngRencoL4747 uH77 212671 26980PE-53112RL2442L6868 uH77 262671 26990PE-92114RL2443L100100 uH77 312

25、671 27000PE-92108RL2444L150150 uH77 360671 27010PE-53113RL1954L220220 uH77 408671 27020PE-52626RL1953最后分析計算電路中取 150 uH 的工字形電感。2.2.3 BUCK 電路輸出效率分析計算電路輸出效率分析計算輸出電流 1.5 A，電壓為 8.4 V，輸出功率 P = IU = 1.58.4 = 11.6 W 。電路中有電感、續(xù)流二極管、電容和 LM2576-ADJ 造成以發(fā)熱的形式為主的功率損耗。電路設計要求充電電源效率不得低于 70%。圖 2-4表 1 電感的電感值代碼92.2.4 NT

26、C 負溫度系數電阻計算負溫度系數電阻計算熱敏電阻的電阻溫度特性可近似地用公式 5 表示。(公式5) R=Ro exp B(I/T-I/To)表 2 熱敏電阻的電阻溫度特性但實際上，熱敏電阻的 B 值并非是恒定的，其變化大小因材料構成而異，最大甚至可達 5 K/C。因此在較大的溫度范圍內應用公式 5 時，將與實測值之間存在一定誤差。此處，若將公式 5 中的 B 值用公式 6 所示的作為溫度的函數計算時，則可降低與實測值之間的誤差，可認為近似相等。(公式 6) BT=CT2+DT+E上式中，C、D、E 為常數。另外，因生產條件不同造成的 B 值的波動會引起常數 E 發(fā)生變化，但常數 C、D 不變。

27、因此，在探討 B 值的波動量時，只需考慮常數 E 即可。 常數 C、D、E 的計算：（公式 7） ToTnRoRnInBn11)/(（公式 8） )31)(32)(21()21)(32()32)(21(TTTTTTTTBBTTBBC（公式 9） 21)21)(21(21TTTTTTCBBD（公式 10） 1111TCTDTDE常數 C、D、E 可由圖 2-5 的(溫度、電阻值)數據 (T0, R0). (T1, R1). (T2, R2) and (T3, R3)，通過式 710 計算。首先由式 7 根據 T0 和 T1,T2,T3 的電阻值求出 B1,B2,B3,然后代入以下各式。電阻值計算

28、實例：試根據電阻溫度特性表，求 25C 時的電阻值為 5 (k)，B 值偏差為R溫度 T(K)時的電阻值Ro溫度 T0(K)時的電阻值B溫度 T0(K)時的電阻值*T(K)= t(C)+273.151050(K)的熱敏電阻在 10C30C 的電阻值。步驟： 根據電阻溫度特性表，求常數 C、D、E。1To=25+273.15 T1=10+273.15 T2=20+273.15 T3=30+273.15 代入 BT=CT2+DT+E+50，求 BT。2 將數值代入 R=5exp (BTI/T-I/298.15)，求 R。3*T = 10+273.1530+273.15電阻溫度特性圖如圖 2-5 所

29、示電阻溫度系數：所謂電阻溫度系數()，是指在任意溫度下溫度變化 1C(K)時的零負載電阻變化率。電阻溫度系數()與 B 值的關系，可將式 11 微分得到。 （公式 11） ）（/%10021001TBdTdRR這里 前的負號()，表示當溫度上升時零負載電阻降低。經過時間與熱敏電阻溫度變化率的關系如下表所示。表 3 熱敏電阻溫度變化率t121TTTTt63.2%2t86.5%3t95.0%4t98.2%5t99.4%圖 2-511目錄記錄值為下列測定條件下的典型值。表 4 熱敏電阻典型值另外應注意，散熱系數、熱響應時間常數隨環(huán)境溫度、組裝條件而變化。(1)靜止空氣中環(huán)境溫度從 50 C 至 25

30、 C 變化時，熱敏電阻的溫度變化至 34.2 C 所需時間。(2)軸向引腳、徑向引腳型在出廠狀態(tài)下測定。123 電路工作原理電路工作原理3.1 系統(tǒng)供電部分系統(tǒng)供電部分系統(tǒng) BUCK 降壓電路輸入電壓為 10 V25 V，STC12C5A60S2 單片機、LCD1602 液晶顯示等部分使用 5 V 電壓供電。5 V 供電電源產生采用 LM7805穩(wěn)壓芯片，系統(tǒng)中 LM7805 輸入電壓直接由 BUCK 輸入電壓端輸入。LM7805 是常用的三端穩(wěn)壓器，一般使用的是 TO-220 封裝，能提供 5 V 的輸出電壓，內含過流和過載保護電路。帶散熱芯片時能持續(xù)提供 1 A 的電流，如果使用外圍器件，

31、它還能提供不同的電壓和電流。3.2 BUCK 降壓電路降壓電路BUCK 電路基本結構如下：主要組成元件包括開關元件、儲能元件、續(xù)流二極管。通過控制場效應管的開通和關斷，在開通時輸入電源直接對負載供電，關斷后儲能元件中儲存電能對負載供電。開關導通時等效電路如圖 3-2 所示， 開關關斷時等效電路如圖3-3 所示。從電路可以看出，電感 L 和電容 C 組成低通濾波器，使 us(t)的直流分1132VVGNDINOUTLM 7805U10.1uFC2D11N4007GNDVin5V+ +5 5V V P Po ow we er r+10uFC4圖3-113量可以通過，而抑制 us(t) 的諧波分量通

32、過；電容上輸出電壓 uo(t)就是 us(t) 的直流分量再附加微小紋波 ur(t)。 電路工作頻率高，一個開關周期內電容充放電引起的紋波 ur(t) 很小，2相對于電容上輸出的直流電壓 Uo 有：|ur（t）|0 電容上電壓可以看作恒定。電路穩(wěn)態(tài)工作時，輸出電容上電壓由微小的紋波和較大的直流分量組成，可以看作是恒定直流。一個周期內電容充電電荷高于放電電荷時，電容電壓升高，導致后面周3期內充電電荷減小、放電電荷增加，使電容電壓上升速度減慢，這種過程的延續(xù)直至達到充、放電平衡，此時電壓維持不變；反之，如果一個周期內放電電荷高于充電電荷，將導致后面周期內充電電荷增加、放電電荷減小，使電容電壓下降速

33、度減慢，這種過程的延續(xù)直至達到充、放電平衡，最終維持電壓不變。這種過程是電容上電壓調整的過渡過程，在電路穩(wěn)態(tài)工作時，電路達到穩(wěn)定平衡，電容上充、放電也達到平衡，這是電路穩(wěn)態(tài)工作時的一個普遍規(guī)律。開關開通時，電感電流增加，電感儲能；而當開關關斷時，電感電流減4小，電感釋能。假定電流增加量大于電流減小量，則一個開關周期內電感上磁鏈增量為： =L（t）0 ；此增量將產生一個平均感應電勢：u=/t0 此電勢將減小電感電流的上升速度并同時降低電感電流的下降速度，最終將導致一個周期內電感電流平均增量為零；一個開關周期內電感上磁鏈增量小于零的狀況也一樣。這種在穩(wěn)態(tài)狀況下一個周期內電感電流平均增量（磁鏈平均增

34、量）為零的現象稱為：電感伏秒平衡。這也是電力電子電路穩(wěn)態(tài)運行時的又一個普遍規(guī)律。系統(tǒng)設計中選用 LM2576-ADJ 集成芯片構成 BUCK 電路。穩(wěn)壓器LM2576-ADJ 是單片集成電路的理想適合于開關穩(wěn)壓器的簡單方便的設計 Buck變換器。使用 LM2576-ADJ 集成芯片組成 BUCK 電路使整個電路設計更加簡單，輸出電流電壓易于控制。系統(tǒng)設計中利用 LM2576-ADJ FeedBack 引腳實現對恒定電流輸出的控制。續(xù)流二極管 IN5822 具有正向電流大，反向電壓高等特點。IN582214LM2576-ADJ 引腳圖如圖 3-4： LM2576 內部結構圖如圖 3-5:3.3

35、恒流控制恒流控制系統(tǒng)恒定電流輸出控制原理：LM2576-ADJ，FeedBack 引腳電壓為1.23V，通過運放組成同相放大器和該引腳構成反饋回路，可實現恒流輸出。運算放大器同相端電壓為采樣電阻上的分壓，反相端反饋電阻采用可編程數字電位器。數字電位器選擇 TPL0501（封裝為 SOT-23） 。TPL0501 是一個單通道、具有 256 個雨刷器位置的線性電阻分布的數字電位器，可被用作 3-終端電位器或作為 2-終端可變電阻器。TPL0501 目前提供 100 k 的端電阻。TPL0501 使用三線 SPI 兼容的串行數據接口。三個輸入接口：芯片選擇（CS） ，數據時鐘 圖 3-4圖 3-5

36、15（SCLK） ，數據輸入（DIN） 。驅動器 CS 為低電平串行接口，時鐘數據同步到SCLK 的上升沿移位寄存器。再將數據加載到移位寄存器，驅動 CS 高存到適當的電位器控制寄存器和禁用串行接口。把 CS 低在整個串行數據流，以避免數據損壞。TPL 阻值與對應數據表表 5 TPL 阻值與對應數據100kStepBinaryRHW( k)RWL( k)RHW /RWL000.00100.000.00110.3999.610.002100.7899.220.013111.1798.830.0141001.5698.440.0251011.9598.050.0261102.3497.660.02

37、71112.7397.270.03810003.1396.880.03910013.5296.480.041010103.9196.090.041110114.3095.700.041211004.6995.310.051311015.0894.920.051411105.4794.530.061511115.8694.140.0616100006.2593.750.0717100016.6493.360.0718100107.0392.970.0819100117.4292.580.0820101007.8192.190.0821101018.2091.800.0922101108.5991

38、.400.0923101118.9891.020.0124110009.3890.630.1025110019.7790.230.11261101010.1889.840.11271101110.5589.450.12281110010.9489.060.12291110111.3388.6707288.2801187.890.143210000012.5087.500.143310000112.8989.110.15163410001013.2886.720.153510001113.6788.330.163610010014.0685.9

39、40.163710010114.4585.550.173810011014.8484.770.173910011115.2384.380.184010100015.6383.980.194110100116.0283.590.194210101016.4183.200.204310101116.8082.810.204410110017.1982.420.214510110117.5682.030.214610111017.9781.640.224710111118.3681.250.224811000018.7580.860.234911000119.1480.470.24501100101

40、9.5380.060.245111001119.9279.690.255211010020.3179.300.255311010120.7078.910.265411011021.0978.520.275511011121.4678.130.275611100021.8677.730.285711100122.2777.340.295811101022.6676.950.295911101123.0576.560.306011110023.4476.170.316111110123.8375.780.316211111024.2275.390.326311111124.6175.000.336

41、4100000025.0074.610.3365100000125.3974.220.3466100001025.7673.830.3567100001126.1773.440.3568100010026.6672.660.3669100010126.9572.270.3770100011027.3471.880.38.17TPL0501 SPI 時序如圖 3-6：圖 3-6TPL0501 數字電位器引腳如圖 3-7：圖 3-73.4 輸出電壓、電流采集顯示輸出電壓、電流采集顯示輸出電壓經過兩個 100K 電阻分壓后直接送進 STC12C5A60S2 單片機一路IO 口完成 AD 轉換，AD

42、轉換后將數據送到 P0 口，編程控制 LCD1602 顯示出對應的電壓值。輸出端與負載串聯了一個 0.1（誤差 0.1%）采樣電阻，輸出電流就是流過采樣電阻的電流。設計中選用專門的電流檢測芯片 INA168 對電流完成檢測。INA168 將待檢測電流轉換成電壓輸出。其關系為 VO = ISRSRL/5k，將得到的電壓 VO送進單片機另一路 IO 口完成 AD 轉換，控制 LCD1602 液晶顯2501111101097.662.3441.572511111101198.051.9550.202521111110098.441.5563.002531111110198.631.1784.3325

43、41111111099.220.78127.002551111111199.610.39255.0018示對應電流大小。STC12C5A60S2 單片機的 AD 轉換口在 P1 口，有 8 路 10 位高速 A/D 轉換器，速度可達到 250 KHz。8 路電壓型輸入 A/D，可做溫度檢測、電池電壓檢測、按鍵掃描等。上電復位后 P1 口為弱上拉型 IO 口。STC12C5A60S2 單片機 A/D 轉換原理如圖 3-8 所示：圖 3-8STC12C5A602 單片機 ADC 由多路選擇器、比較器、逐次逼近寄存器、10DAC、轉換結果寄存器以及 ADC_CONTR 構成。STC12C5A602

44、單片機的 ADC 是逐次比較型 ADC，逐次比較型 ADC 由一個比較器和 D/A 轉換器構成，通過逐次比較邏輯，從最高位（MSB）開始，順序的對每一輸入電壓與內置的 DA 轉換器輸出進行比較，經過多次比較，使轉換所得的數字量逐次逼近輸入模擬量的對應值。從圖 3-8 可以看出，通過多路模擬開關，將通過 ADC0-7 的模擬量輸入送給比較器。用 D/A 轉換的模擬量與本次輸入的模擬量通過比較器進行比較，將比較結果保存到逐次比較器，并通過逐次比較器輸出轉換結果。A/D 轉換結束后，最終的結果保存到 ADC 轉換結果寄存器 ADC_FLASH。同時，置位ADC_CONTR 中的 AD 轉換結果標志位

45、 ADC_FLASH，以供程序查詢或發(fā)出中斷申請。INA168 和電流監(jiān)測高側，單極電流并聯監(jiān)視器，輸入共模電壓范圍寬。輸19入共模和電源電壓是獨立的可以從 2.7 V 至 36 V 的 INA168 范圍 2.7 V60 V的電流監(jiān)測。靜態(tài)電流僅為 25 A，這允許連接電源的任何一側具有最小誤差的分流電流測量。在圖 3-9 的電路，輸入電壓（VIN+，VIN）等于 RS 和輸出電壓、輸出電壓，等于 IORL的跨導。INA168 是 200 / V 的完整的傳遞函數為本設計的應用測量放大器。最大差分輸入電壓的精確測量為 0.5 V，產生一個 100 A 輸出電流多達 2 V 的差分輸入電壓不會

46、造成損害。差分測量（引腳 3 和 4）必須是單極應用到引腳 3 正向的電壓。如果一個無效電壓應用到引腳 3，輸出電流 IO將是零，但不會造成損害。INA168 檢測原理電路如下：圖 3-9已知系統(tǒng)中 Is=1.5 A，Rs=0.1 ，STC12C5A60S2 單片機 A/D 轉換參考電壓為供電電壓 Vcc，采樣電阻上的電壓 Vs=Is Rs = 0.1 1.5 =0.15 V。為了能滿足輸入電壓要求取 RL=100 K，采樣電壓達到 3 V 才能滿足采樣要求。該電壓送到單片機 A/D 轉換 I/O 口，編程控制完成 ADC 過程。INA168 管腳如圖 3-10：圖 3-10203.5 過壓、

47、過溫保護過壓、過溫保護系統(tǒng)設計要求充電電壓超過 8.4 V，充電溫度超過 60時，關斷充電電路。保護電路主要又 LM339N 比較器和邏輯或非門組成。在比較器同相端電壓超過設定值時電路產生控制信號，并傳送到控制電路輸入端。控制電路由 8050NPN三極管組成共射極開關電路，可以完成對 LM2576-ADJ 開通和關斷控制。LM339N 包括四個獨立工作電壓比較器，從一個單一的電源很寬的范圍內電壓。這兩者之間的分別供應 2 V 至 36 V，VCC 至少是 1.5 V 輸入共模電壓。漏極電流是獨立的電源電壓。輸出可以連接到其他的集電極開路輸出實現。LM339 和 LM339N 的操作特點是從 0

48、 C 70 C。LM339N 內部結構圖 3-10圖 3-10LM339N 管腳圖 3-11圖 3-11設計中過壓、過溫保護分別使用 LM339N 比較器，通過外圍電路的輔助電氣關系完成在輸出電壓和溫度達到門限時電路停止工作。一般三極管都是正向導通，反向截止。加在二極管上的反向電壓如果超過21二極管的承受能力，二極管就被要擊穿損毀。但是有一種二極管，它的正向特性與普通二極管相同，而反向特性卻比較特殊：當反向電壓加到一定程度時，雖然管子呈現擊穿狀態(tài)，通過較大電流卻不損毀，并且這種現象的重復性很好；相反，只要管子處在擊穿狀態(tài)，盡管流過管子的電流變化很大， 而管子兩端的電壓卻變化極小，起到穩(wěn)壓作用。

49、這種特殊的二極管叫穩(wěn)壓管。穩(wěn)壓管是利用反向擊穿區(qū)的穩(wěn)壓特性進行工作的， 因此，穩(wěn)壓管在電路中要反向連接。穩(wěn)壓管的反向擊穿電壓稱為穩(wěn)定電壓，不同類型穩(wěn)壓管的穩(wěn)定電壓也不一樣，某一型號的穩(wěn)壓管的穩(wěn)壓值固定在一定范圍。實際應用中，如果選擇不到穩(wěn)壓值符合需要的穩(wěn)壓 管，可以選用穩(wěn)壓值較低的穩(wěn)壓管，然后串聯一只或幾只硅二極管“枕墊” ，把穩(wěn)定電壓提高到所需數值。這是利用硅二極管的正向壓降為0607V 的特點來進行穩(wěn)壓。因此，二極管在電路中必須正向連接，這與穩(wěn)壓管不同。圖 3-12NTC 負溫度系數傳感器是 Negative Temperature Coefficient 的縮寫，意思是負溫度系數，泛指負

50、溫度系數很大的半導體材料或元器件。所謂 NTC 溫度傳感器就是負溫度系數溫度傳感器。它是以錳、鈷、鎳和銅等金屬氧化物為主要材料，采用陶瓷工藝制造而成的。這些金屬氧化物材料都具有半導體性質，因為在導電方式上完全類似鍺、硅等半導體材料。溫度低時，這些氧化物材料的載流子（電子和空穴）數目少，所以其電阻值較高；隨著溫度的升高，載流子數目增加，所以電阻值降低。NTC 溫度傳感器在室溫下的變化范圍在1001000000 ，溫度系數-2%-6.5%。NTC 溫度傳感器可廣泛應用于溫度測量、溫度補償、抑制浪涌電流等場合。NTC 熱敏電阻的溫度特性可用下式近似表示：TBAeRT 式中：22RT：溫度 T 時零功

51、率電阻值。A：與熱敏電阻器材料物理特性及幾何尺寸有關的系數。B：B 值。T：溫度（k） 。 更精確的表達式為：（公式 12） 32exp(TDTCTBART式中：RT：熱敏電阻器在溫度 T 時的零功率電阻值。T：為絕對溫度值，K；A、B、C、D：為特定的常數。3.6 PI 控制原理控制原理PI 設計過程部分包括檢測比較、控制器、執(zhí)行器。通過比較測量值與給定值產生偏差信號，控制器 對偏差信號修正處理，執(zhí)行器對輸出部分調整并控制，使系統(tǒng)實現自我調整、穩(wěn)定工作。圖 6-1比例(P)控制（公式 13） )()(tKpetU比例控制能迅速反應誤差，從而減少穩(wěn)態(tài)誤差。除了系統(tǒng)控制輸入為 0 和系統(tǒng)過程值等

52、于期望值這兩種情況，比例控制都能給出穩(wěn)態(tài)誤差。當期望值有一個變化時，系統(tǒng)過程值將產生一個穩(wěn)態(tài)誤差。但是比例控制不能消除穩(wěn)態(tài)誤差。比例放大系數的加大會引起系統(tǒng)的不穩(wěn)定。23響應曲線圖如圖 6-2 所示：圖 6-2 比例(P)控制階躍響應積分(I)控制在積分控制中，控制器的輸出與輸入誤差信號的積分成正比關系。為了減小穩(wěn)態(tài)誤差，在控制器中加入積分項，積分項的誤差取決于時間的積分，隨著時間的增加積分項會增大。這樣，即使誤差很小，積分項也會隨著時間的增加而加大，它推動控制器的輸出增大使穩(wěn)態(tài)誤差進一步減少，直到等于零。積分(I)和比例(P)通常一起使用，稱為比例+積分(PI)控制器，可以使系統(tǒng)在進入穩(wěn)態(tài)后

53、無穩(wěn)態(tài)誤差。如果單獨用積分(I)的話，由于積分輸出隨時間積累而逐漸增大，故調節(jié)動作緩慢，這樣會造成調節(jié)不及時，使系統(tǒng)穩(wěn)定裕下降。響應曲線圖如圖 6-3圖 6-3 積分(I)控制和比例積分(PI)控制階躍相應24比例+積分(PI)控制器（公式 1） t0dt) t (11)()(eTteKptU比較：PI 比 P 少了穩(wěn)態(tài)誤差，PID 比 PI 反應速度更快并且沒有了過沖。PID 比 PI有更快的響應和沒有了過沖。自動測試方法：為了確定過程的臨界周期 Pc 和臨界增益 Kc，控制器會臨時使它的 PI 算法失效，取而代之的是一個 ON/OFF 的繼電器來讓過程變?yōu)檎袷?。這兩個參數很好的將過程行為進

54、行了量化以決定 PID 控制器應該如何調整來得到理想的閉合回路性能。由 STC12C5A60S2 單片機組成的數字控制系統(tǒng)控制中，PI 控制器是通過 PI控制算法實現的。STC12C5A60S2 單片機 A/D 對信號進行采集，變成數字信號，再在單片機中通過算法實現 PI 運算，再把控制量反饋回控制源。PI 調節(jié)程序如下：ypedef struct PI double SetPoint; / 設定目標 Desired value double Proportion; / 比例常數 Proportional Const double Integral; / 積分常數 Integral Const

55、 double LastError; / Error-1 double PrevError; / Error-2 double SumError; / Sums of Errors PI; /*=PI 計算部分 =*/ double PICalc( PI *pp, double NextPoint ) double dError, Error; Error = pp-SetPoint - NextPoint; / 偏差 25pp-SumError += Error; / 積分 pp-PrevError = pp-LastError; pp-LastError = Error; return (

56、pp-Proportion * Error / 比例項 + pp-Integral * pp-SumError / 積分項 ); /*=Initialize PI Structure PI 參數初始化=*/ void PIInit (PI *pp) memset ( pp,0,sizeof(PI); 264 系統(tǒng)設計系統(tǒng)設計4.1 供電電源設計供電電源設計BUCK 電路輸入直流電源電壓為 10 V25 V，系統(tǒng)中STC12C5A60S2、LCD1602 液晶顯示、TPL0501 等供電由 LM7805 將 10 V25 V 的輸入電壓穩(wěn)定后提供。用 78/79 系列三端穩(wěn)壓 IC 來組成穩(wěn)壓電

57、源所需的外圍元件極少，電路內部還有過流、過熱及調整管的保護電路，使用起來可靠、方便，而且價格便宜。該系列集成穩(wěn)壓 IC 型號中的 78 或 79 后面的數字代表該三端集成穩(wěn)壓電路的輸出電壓，如 7806 表示輸出電壓為正 6 V，7909 表示輸出電壓為負 9 V。因為三端固定集成穩(wěn)壓電路的使用方便，電子制作中經常采用。LM7805 的內部框圖為圖 4-1，其電參數如表 6。圖 4-127表 6 LM7805 的電參數參數符號測試條件最小值典型值最大值單位Tj=254.85.05.2V50mAI01.0A, P015W輸出電壓V0Vi=7.5V to 20V4.755.005.25VTj=25

58、, Vi=7.5V to 25V4.0100mV線性調整率V0Tj=25, Vi=8V to 12V1.650mVTj=25, I0=5.0mA to 1.5A9100mV負載調整率V0Tj=25, I0=250mA to 750mA450mV靜態(tài)電流IQTj=255.08mVI0=5.0mA to 1.0A0.030.5mV靜態(tài)電流變化率IQVi=8V to 25V0.30.8mV輸出電壓溫漂V0/TI0=5.0mA0.8mV/輸出噪音電壓VNf=10HZ to 100kHZ,Ta=2542uV紋波抑制比RRf=120HZ, Vi=8V to 18V6273dB輸入輸出電壓差V0I0=T1.

59、0A ,j=252V輸出阻抗R0f=1kHZ15m短路電流IscVi=35V, Ta=25230mA峰值電流IpkTj=252.2A系統(tǒng)設計原理圖如圖 4-2。圖 4-24.2 BUCK 降壓電路設計降壓電路設計BUCK 電路輸入電壓為 10 V25 V，使用主要元件有：輸入電容、LM2576-ADJ、電感、輸出電容、續(xù)流二極管（IN5822） 。電路設計原理圖如圖 4-3。28VinOUTGNDFBON/OFFLM2576U2+1000uFC5+1000uFC6D31N5822150uHL1GNDVin0.05R1OUTGNDVin+Vin-V+INA168U45VR7GNDFBc co o

60、n ns st ta an nt t c cu ur rr re en nt t p po ow we er r0.1uFC10GNDAD1ON/OFF100KR11100KR12470R1312P-RL13284OPA2134AU71KR165VFBGNDHW3.3KR14VOUTAD2Q08050圖 4-3電路設計中輸入電容和輸出電容選擇 1000 uF/50V 電解電容，電感選擇 150 uH 工字形電感，續(xù)流二極管選擇 1N5822。1N5822 正向電流為 3 A，反向電壓 20 V40 V。4.3 控制顯示電路設計控制顯示電路設計系統(tǒng)控制器使用 STC12C5A60S2 單片機，通