电动自行车智能充电器.docx

1、扬州职业大学毕业设计（论文）1扬州市职业大学电气与汽车工程学院毕业设计说明书(论文)作 者 : 学 号：教 研 室 : 电气教研室 专 业 : 电气自动化 题 目 : 电动自行车智能充电器 指导者： 评阅者： 年 月扬州职业大学毕业设计（论文）2扬州市职业大学电气与汽车工程学院毕 业 设 计 （ 论 文 ） 评 语学生姓名： 班级、学号： 题 目： 电 动 自 行 车 智 能 充 电 器 综合成绩： 扬州职业大学毕业设计（论文）3指导者评语：指导者(签字 )： 年 月 日扬州职业大学毕业设计（论文）4毕 业 设 计 （ 论 文 ） 评 语评阅者评语：评阅者 (签字)： 年 月 日答辩委员会（小

2、组）评语：答辩委员会负责人(签字)： 2013 年 5 月 20 日扬州职业大学毕业设计（论文）1摘要伴随着全球变暖的趋势，能源紧缺和空气污染加剧，电动自行车车作为新型代步工具之一越来越受到很多人的欢迎，并且在日常生活中，很多人都是以电动车为代步工具。因为它具有很多优势，比如绿色环保，交通便捷，价格低廉等，而且市场占据也比较大，现在在中国每一个家庭基本都有一辆电动自行车。然而一般的电动车充电器都有寿命短，充电时间长等比较常见的缺点，所以充电器也是衡量一个电动车优劣的重要组成之一。铅酸蓄电池是而今市场上普遍使用的一种无机化学电源，该产品拥有杰出的可逆性和平稳的电压特性，其使用寿命长，普及范围广，

3、可以再生及成本低等优点被市场所喜爱，从而得到广泛的使用，但是如果使用不当，这将会使其寿命缩短，而影响其使用，甚至有可能导致资源浪费。在生活中，影响铅酸蓄电池寿命成分方方面面，如果能够寻找到一种可靠的充电方法，让蓄电池不会被冲坏，从而能够增加蓄电池的使用的更长久。然而在生活中普通的充电器时常充电不平衡，从而对蓄电池造成伤害，让蓄电池的寿命进一步减少，以致电动车电力不足，电动车不能持久运转，从而不能满足我们的日常生活需求，正因为如此，我们更要寻找到一电动自行车智能充电器，进一步提高电池的使用寿命，考虑到便民性，决定在普通充电器的基础上进行设计。本次设计需要运用三年学习的单片机知识，还有 C 语言编

4、程知识，同时采用芯片 AT89S52 设计出这款新型的智能充电器，在本文中，为了能够让它均衡充电，选用了电流型的控制方案，能够不影响充电器运转和充电质量，并且利用了集成电路把大功率管和控制芯片集成在一起。熟练运用 C 语言知识来编程完成该系统软件部分，用模拟智能充电器的各种输入信号完成其硬件部分。从全文来看，本次设计是在C 语言和单片机的基础上共同完成的设计。扬州职业大学毕业设计（论文）2关键词： AT89S52；单片机；C 语言；充电器；电池寿命扬州职业大学毕业设计（论文）3目录前言 .2第一章 绪论 电动自行车及充电器的概述 31.1 电动自行车简介 .41.2 电动自行车的蓄电池 .51

5、.3 电动自行车智能充电器任务和要求 .61.4 章节小结 .7第二章 电动自行车智能充电器的方案设计 .82.1 电动自行车智能充电器的工作原理 .92.2 方案概述 102.2.1 方案比较 112.2.2 方案认证 .122.2.3 方案选择 .132.3 主要芯片介绍 142.3.1 主芯片 AT89C52 单片机 .152.3.2 LM331 芯片介绍 .162.4 芯片选择 .172.5 章节小结 .18第三章 电动自行车智能充电器的硬件系统设计 .193 .1 电动自行车智能充电器的设计框架 .203.2 单片机的系统最小电路 213.3 显示电路 223.4 电源电路 233.

6、5 充电电路 243.6 AD 转换电路 .25第四章 电动自行车智能充电器的软件系统设计 .264.1 软件设计总流程 274.2 显示程序 28总结 29致谢 30附录 A 程序 .33附录 B 电动自行车智能充电器的系统设计原理图 34扬州职业大学毕业设计（论文）4前言在 21 世纪这个年代里，我们的科技日新月异，飞速发展，但是我们的环境不断恶化，很多地方已经不认识人居住，这时追求绿色和环保是我们的必然趋势，由于电动自行车价格亲民、操作简单易学、出行安全、舒适，最可观的是绿色环保方面优势，电动车逐渐代替了各个都会的摩托车，包括在世界各大地区也有了遍及，从环保和能源两个方面来看，将来的电动

7、自行车行业须要有一个大的成长，它的开拓可能在不久的将来会牵涉到大多数产业的长久发展。随着众多的电动车品牌新起，电动车技术基本处于成熟的阶段，我们可以在电动车充电器加以改进，基于资源充分利用的原则让电动自行车铅蓄电池达到无损充电，拥有一定的广泛性、有效性和可研究性。可是想要做到完全智能化，要求充电器具有自动检测能力，更能自觉探测电动车蓄电池的类型，比如 48V，60V 蓄电池等。同样要专门针对探测到的电动车蓄电池的电压类型，提供分档式智能充电和液晶显示功能，拥有电池类型识别，电压检测，充电闭环控制能力，最后还需要铅蓄电池充电的修复功能。通过这次毕业设计，我参考了很多关于资料，也重新温习了这三年的

8、知识，对本专业有了更加深刻的理解，更加深入了解到单片机的应用方法和途径，也同样感受了知识的重要性。要想更加将知识融汇贯通，必须通过实践来检验。当初我找到这个课题的时候，我很担心我能不能如期的完成这个设计，我很庆幸能够在老师和同学的帮助下完成了这篇文章。俗话说，有付出必定哟汇报，在这次设计中，遇到很多问题，通过的我努力和老师同学的帮忙，一步步克服了这些困难。一路走来，尽管路途坎坷也很遥远，只要我们坚持不懈、脚踏实地、不放弃，我想我们终会成功。扬州职业大学毕业设计（论文）5第 1 章 电动自行车及其充电器的概述绪论 1.1 电动自行车简介 电动自行车，是指通过蓄电池作为辅助能源在自行车的基础上的个

9、人交通工具，其安装了电机、控制器、蓄电池、转把闸把等操作不见和显示仪表系统。现在市场上电动自行车是集蓄电池技术，电力电子技术，电动机技术，和精密传动技术于一体的新型自行车，因其无污染、低噪音、低能耗、高性能、小尺寸、便捷等特点而成为国际上流行且大力推广的绿色私人交通工具之一。图 1.1 市场上的电动车实物图图 1.1 实物图 1.2 电动自行车的蓄电池电动自行车蓄电池，即为电动车提供能量输入的蓄电池。蓄电池的分类及特点：扬州职业大学毕业设计（论文）6（1）铅酸蓄电池：如图 1.2 铅酸蓄电池实物图图 1.2 铅酸蓄电池铅酸蓄电池：成本低、性价比高，其中阀控密封式铅酸蓄电池是如今市面上使用量最大

10、的。（2）镍氢电池如图 1.2 镍氢电池实物图图 1.2 镍氢电池实物图扬州职业大学毕业设计（论文）7镍氢电池:优点：耐过冲过放、高速放电能力、使用安全、相对便宜、功率密度大；缺点：电压低、能量密度低。（3）锂离子电池如图 1.3 锂离子电池实物图图 1.3 锂离子电池锂离子电池：工作电压高、能量密度大、自放电率低、无记忆效应；缺点：不能过度充电和放电，不耐高温和严寒等。（4）聚合物锂电池 图 1.4 聚合物锂电池实物图 图 1.4 聚合物锂电池扬州职业大学毕业设计（论文）8聚合物锂电池：超薄、能量密度高、轻巧、安全和低成本，是一个新型电池。本文设计所涉及的蓄电池是铅酸蓄电池这一类。正极、负极

11、和和电解质三个构成铅酸电池，在蓄电池工作时，正极生成二氧化铅，负极生成海绵状铅。在电解液中，正负极发生的反应均可逆。如图15 铅酸蓄电池的工作原理图。图 1.5 工作原理图其化学方程式：正极： PbO2 + 2e- + SO4 2- + 4H+ = PbSO4 + 2H2O负极： Pb -2e -+ SO4 2- = PbSO4阴极：PbSO 4 + 2e- = Pb + SO42-；阳极：PbSO 4 + 2H2O - 2e- = PbO2 + 4H+ + SO42-.总反应： PbO2 + 2 H2SO4 + Pb = 2 PbSO4 + 2H2O（正向放电,逆向充电)扬州职业大学毕业设计

12、（论文）91.3 电动自行车智能充电器的任务和要求设计任务主要以对电动车蓄电池充电为目的，通过研究采用一种单片机智能控制方案来实现电动车铅蓄电池的无损充电，要求充电器具有电动车蓄电池充电的能力，要求充电器具有一定的智能性和普适性。性能参数：（1）充电器具有自动监测功能，能够自动识别市面上电动车蓄电池的电压类型，例如 48V 蓄电池、60V 蓄电池等（2）能够进行自动识别的蓄电池的电压类型，提供分档式智能充电，液晶显示。（3）无损充电主要体现在自动分档式恒流充电，同时有涓流充电能力。（4）发挥部分：铅蓄电池充电修复功能。（5）能够对电池温度检测、电压监测充电闭环控制。图 1.4 示意图扬州职业大

13、学毕业设计（论文）101.4 章节总结通过查阅资料和社会调查中，了解到电动自行车的发展史和了解到的它的发展状况，更加坚定了我做这个课题的信念，也处到了社会发展的速度日新月异，让我对未来发展打下了坚实的基础。这让我对未来充满了憧憬，对自己以后要走的方向有了一个大概的方向。虽然未来的道路并不是一路平坦的，充满了坎坷，我相信我一定会坚强的走出来。扬州职业大学毕业设计（论文）11第 2 章 电动智能充电器的方案设计2.1 电动自行车智能充电器的工作原理在 21 年世纪，市场上常见的电动车大多数会选用铅酸蓄电池作为动力能源，之所以用铅酸蓄电池，是因为铅酸蓄电池优势很多。第一方面，它能够拥有较大的充电容量

14、，这样它就有充足的电量供给电动车，让电动车跑的更远；另一方面也考虑到价格，成本肯定是要考虑的，如果成本太高，大多数人也不会采用，方案更不能普及。其中蓄电池充电器的价格也比较便宜，成本比较低。同时蓄电池没有记忆效应，在每次充电的时候，都不会互相影响。有利也有弊，蓄电池也有自己的缺点:（1）蓄电池不能长时间的过度充电，否则会造成蓄电池一定的损坏，影响到电池的寿命；（2）也不能过度放电，这样也会加大蓄电池的损坏程度；（3）一般电池体积大而且质量重，不过电动车本身是能够承受一部分就是携带重量的，它的车架承受能力还是很大的。蓄电池的充电过程主要可以分成四个阶段：第一：涓流充电，也可以称为深度放电，铅蓄电

15、池在充电开始的阶段，它产生的电流是比较大的，而且也会产生热量，使得蓄电池温度上升，最终蓄电池充电的质量会下降，同时也对电池有一定的损害。解决方法：可以通过微处理器检测铅酸蓄电池的电压大小，控制电扬州职业大学毕业设计（论文）12流，使其保持稳定的输出小电流，从而能够达到快速稳定的充电，到达下一个充电阶段。第二：快速充电，如图 2.1图 2.1特点：电压上升，达到一个电压值；第三：均衡充电，其逐渐回到初始容量，电压稳定，电压下降。当电流降到一个值时，进入进行下一阶段；第四：泛充电，补充在充电过程中消耗的能量。最后充电整个过程就结束了。电动自行车充电器可以在充满时自动转入浮充时期，但不能自动结束浮充

16、；电动车如果采用铅酸电池，浮充时间最好以 2 小时左右为宜，充电不足或过充都会对电池不利。如果接近 8 小时或超过 8 小时仍未充满，就应该进行加液维护修理，这就是电动车充电器的原理。扬州职业大学毕业设计（论文）132.2 方案概述2.2.1 方案比较单片机 AD 转换芯片 显示器方案一 AT89S51 AD0804 2 个 LDD 数码管方案二 AT89S52 LM331 2 个 LDD 数码管表 2.1 方案的比较2.2 方案认证 开发难度 稳定性芯片数量材料可否买价钱综合评价方案一 一般 稳定性 一般 2 易买 高 9方案二 简单 稳定性 可以 2 易买 低 10表 2.2 方案认证2.

17、2.3 方案选择综合上面 2 个图的比较和分析，在这个设计中，主要需要考虑从两个大的方面：开发难度和开发成本，方案二中，AT89S52 在市场中比较常见，而且价格相对来说比较廉价，而且它在开发难度上比较客观，其次它的稳定性稳定，另外 LM331 的性能比较好，易买常见。相对于方案一，方案一所需的成本比较高，不适合。综上得到结论，我选择方案二。扬州职业大学毕业设计（论文）142.3 主要芯片介绍2.3.1 主芯片 AT89S52 单片机如图 2.3 AT89S52 引脚图图 2.3 AT89S52 单片机引脚图1.主要性能参数：(1)与 MCS-51 系列引脚和指令完全兼容。(2)8k 可反复擦

18、写（大于 1000 次）Flash ROM,具有一千字的擦写周期。(3)拥有低功耗掉电和低功能空闲两个模式。(4)8K 字节 boot flash memory USB/UART 下载代码(5)3 级加密程序储存器；(6).可降至 0HZ 静态逻辑操作；扬州职业大学毕业设计（论文）15(7).8 个中断源；(8).32 个可编程 I/O 口；(9).3 个 16 位可编程定时计数器中断。(10).可编程串行 UART 通道。（11）.256*8 字节的内部数据存储器(12)快速编写周期2.功能特性概述：（1)功耗低、性能高 CMOS8 位微控制器（2)具有 8K 在系统可编程 Flash 存储

19、器。（3)能够与工业 89S51 指令和引脚兼容。（4)Flash 允许程序存储器在系统可编程，也适用常规编程。（5)在单芯片上，8 位 CPU 和在系统可编程 Flash，使得许多控制应用系统变得更加灵活，提高了效率。（6)AT89S51 包含 40 个引脚端口，包括 2 个读写口线，2 个全工串行通信口，32 个外部双向 I/O 端口，还有 2 个外中端口。（7)AT89S51 比 AT89S52 少了一个定时/计数器。（8)AT89S52 在降至 0HZ 静态逻辑操作的情况下，有 2 种模式可以选择：1、空闲模式，CPU 停止工作，RAM、定时器/计数器、串口、中断能够继续工作。2、掉电

20、保护方式，在下一个中断或硬件复位之前，RAM 内容保存，振荡器冻结，单片机工作停止。AT89S52 在性能上比较优越，故此选用 AT89S52 单片机。P0 口：8 位 I/O 复用口，P0 口置1时，端口可以当作高阻抗输入端，其也能用来接受指令字节。TTTL 逻辑门电路中，当 P1 端口置 1 时，电阻到达高电平，输出电流，其中 P1.0 的作用是 I2，时钟输出，P1.1 是定时/计数器。其第二功能如下表 2.5引脚号 第二功能扬州职业大学毕业设计（论文）16P1.0 T2（定时器/ 计数器 T2 的外部计数输入），时钟输入P1.1 Y2EX(定时器/ 计数器 T2 的捕捉/重载触发信号和

21、方向控制）P1.2 MOSI（在系统编程用）P1.6 MISO（在系统编程用）P1.7 SCK（在系统编程用）表 2.5P2 口：一个输入/输出口，内部有上拉电阻，功能与 P1 口相似。第二功能，可以接受高位地址和一些控制信号，然它在编程和校验的时候，P2 口是有内部上拉电阻的 8 位双向 I/O 口。P3 口：可以作为输入/输出口线，在 flash 编程和校验时，P3口也接收高 8 位地址字节和一些控制信号，它有一个第二功如下表2.6引脚号 第二功能P3.0 EXD(串行输入）P3.1 TXD(串行输出）P3.2 INTO(外部中断 o）P3.3 INTO(外部中断 o）P3.4 T0(定时

22、器 0 外部输入）P3.5 T1(定时器 1 外部输入）P3.6 WR(外部输入存储器写选通）P3.7 RD(外部输入存储器写选通）表 2.6RST:复位输入，在工作中持续 2 个周期以上将单片机复位。ALE/PROG:地址锁存控制信号（ALE）是访问外部程序存储器时，锁存低 8 位地址的输出脉冲。这一位置1,ALE 仅在执行 MOVC 或MOVX 指令时有效。否则，ALE 将被微弱拉高。这个 ALE 使能标志位的设置对微控制器处于外部执行模式下无效。PSEN:访问外部程序存储器选通信号（PSEN）是外部程序存储器选通信号。EA/VPP：一个外部访问允许，在 EA 端接地时，CPU 仅会执行外

23、部程序存储器，和它相反，当 EA 端接电源端时，CPU 就会访问内部扬州职业大学毕业设计（论文）17指令。访问外部程序存储器控制信号，为了能从 0000HFFFFH 的外部程序存储器读取指令，EA 端必须保持低电平（接地）。为了执行内部程序指令，EA 必须接 VCC。flash 编程期间，EA 也可以接受 12伏 VPP 电压。XTAL1：振荡器反相放大器和内部时钟发生电路的输入端。XTAL2：振荡器反相放大器的输出端。2.3.2 LM331 芯片介绍如图 2.6LM331 引脚图2.6LM331 引脚图1、主要描述LM331 是美国 NS 公司生产的性能价格比较高的集成芯片。LM331 可用

24、作精密的频率电压（F/V）转换器、A/D 转换器、线性频率调制解调、长时间积分器以及其他相关的器件。LM331 为双列直插式 8 脚芯片，LM331 采用了新的温度补偿能隙基准电路，在整个工作温度范围内和低到 4.0V 电源电压下扬州职业大学毕业设计（论文）18都有极高的精度。同时它动态范围宽，可达 100dB；线性度好，最大非线性失真小于 0.01，工作频率低到 0.1Hz 时尚有较好的线性；变换精度高，数字分辨率可达 12 位；外接电路简单，只需接入几个外部元件就可方便构成 V/F 或 F/V 等变换电路，并且容易保证转换精度。LM331 内部有：（1）输入比较电路（2）定时比较电路（3）

25、R-S 触发电路（4）复零晶体管（5）输出驱动管（6）能隙基准电路（7）精密电流源电路（8）电流开关输出保护点路等部分。2.引脚描述 如表 2.7引脚号 引脚名称 引脚功能1 Current Output 电流输出2 Ref Current 基准电流3 Frequency Output 频率输出4 GND 接地扬州职业大学毕业设计（论文）195 R/C 接 RC 定时电路6 Thresholod 阈值7 Comparator 比较输入8 VS 电源表 2.7 引脚描述3.内部结构如图 2.8 内部结构图 2.8 内部结构2.4 芯片选择在本次设计中，我选用了 AT89S52 单片机和 LM33

26、1 集成芯片。选择它们的理由是:（1）在制作电动车智能充电器时，AT89S52 和 LM331 在功能上能够满足设计需求（2）价格便宜，俩者在市场上很常见（3）易编程，开发难度不高（4）低消耗，效率高和可靠性强扬州职业大学毕业设计（论文）202.5 章节小结通过这个设计方案，掌握到 AT89S52 的主要性能参数和其各个端口的功能、用法。这让我能够更好的运用 AT89S51 和 LM331 集成芯片，为以后工作打下了一个很好的基础。让我领会到电气行业并不是那么枯燥、无味，渐渐的从中发现了一些乐趣，更让我对以后的工作而憧憬。这次设计方案，通过两个方案比较中，得到一个更好的方案，让我了解到大胆的去

27、尝试新方案，也许会出现意想不到的结果。在本次论文中需要大量查阅单片机的知识，翻阅有关芯片运用的一些书籍。让我了解到写一篇设计的流程，在做之前必须要有一个大概的思路，有了方向才有前进的动力，过程中，锻炼了自己的实践能力，更好的与老师、同学讨论设计所涉及的一些问题，增加了我的沟通和组织能力。我相信从这次设计中突破自己，找到自己的方向，为以后发展增添道路。扬州职业大学毕业设计（论文）21第三章 电动智能充电器的硬件系统设计3.1 电动车智能充电器的设计框架 如图 3.1图 3.1 电动车智能充电器的设计与制作框架这次论文中，运用了在国外比较先进且性价比比较高的 LM331 芯片，LM331 芯片在本

28、次设计中起着至关重要的角色，作为高精密频率的电压转换器，通过控制单片机 AT89S52 实现对显示电路和控制充电电路的控制，从而使得电源电路充分运用起来，对电池进行充电，达到无损充电的效果。以实现本次设计的主要目的。扬州职业大学毕业设计（论文）223.2 单片机的系统最小电路如图 3.2图 3.2 单片机的系统最小电路加入振荡器可能会出现 2 个方面的问题：1.加入了振荡器，振荡器不起振，单片机系统有可能不能正常运转，信号不能传递下去；2.振荡器运行不规范，系统在运行程序时系统并不能更好的完成程序，导致系统不能继续运转：电路无法通信。注意：两个瓷片电容相连的那端接地。单片机最小系统电路主要由时

29、钟电路和复位电路组成。时钟电路的频率和质量在电路中影响单片机执行速度和稳定运转。在时钟电路设计有两种：内部时钟方式和外部时钟方式，在这次设计当中我选择了内部时钟方式电路。扬州职业大学毕业设计（论文）233.3 显示电路 如图 3.3图 3.3 显示电路本设计采用了七段发光二极管作为显示器，通过其显示数值，能够在液晶屏上清晰的看出数值，并依据其数据进行识别，选取正确的充电电路，对蓄电池进行充电。二极管体积小、工作电压电流低、发光稳定等特点，节省了生产成本，符文本次设计原则。扬州职业大学毕业设计（论文）243.4 电源电路 如图 3.4图 3.4在熟知的电器中比如手机，它们都需要电能提供能量才能运

30、转，其系统才能够运行， 在提供电能的时候，会产生一部分热能等。同样电动车充电器在给电池充电的时候也需要电能，这样充电器的系统才能正常运转，所以我们在充电器中加一个电源电路，为充电器提供电能。为了得到直流电，在其中加一个滤波电路利，这就是电源电路。本设计采用整流电源，将 220v 的高压交流电转变成低压交流电，在用整流电路变成脉动的直流电，最后用滤波电路转换为最后的直流电。扬州职业大学毕业设计（论文）253.5 充电电路 如图 3.5图 3.5 充电电路蓄电池充电：电动车在行驶会消耗蓄电池里的电量，这时蓄电池需要充电，通过充电器转换的直流电经过蓄电池，蓄电池得以充电。当蓄电池充电的期间里，这时电

31、源的正极与电池的负极相接，实现电动势，使得充电器能够继续运转。充电的方式有两种：恒压和恒流，考虑到充电器的需求，采用恒压充电，恒压有利益延长电池的使用时间和提高电路的稳定性。蓄电池在充电的时候，一个稳定的数值上，比恒流充电更加稳定。最佳充电曲线如图 3.6扬州职业大学毕业设计（论文）263.6 最佳充电曲线3.6 AD 转换电路 如图 3.7图 3.7 AD 转换电路A/D 转化器：模拟信号转换成数字信号，转换是指数字量转换成信号所需要的时间。转换精度：实际输出电压值与输入量的误差。由于实现转换的要求和工艺不同，A/D 转换需要的芯片也是各种各样，其分辨率分为：4 位、6 位、8 位、10 位、14 位、16 位和 bcd 码的31/2 位和 51/2 未等。、