1、畢業設計說明書智能密封鉛酸蓄電池充電器設計專 業_電氣工程及其自動化_學生姓名_班級_學號_指導教師_完成日期_2012 年 5 月 26 日_鹽城工學院本科生畢業設計說明書（2012）智能密封鉛酸蓄電池充電器設計摘 要：鉛酸蓄電池的制造成本低、容量大、價格低廉，使用十分廣泛。由于其固 有的特性，若使用不當，壽命將大大縮短。影響鉛酸蓄電池壽命的因素很多，采用 正確的充電方式能有效延長蓄電池的使用壽命。因此，設計一種全新的智能型鉛酸 蓄電池是十分必要的。所設計的智能密封鉛酸蓄電池智能充電器，內容主要包括對蓄電池充電方法的 研究和充電系統的設計。在分析密封式鉛酸蓄電池的充電特性的基礎上，綜合涓流

2、充和恒流、恒壓等充電方式的優點，應用PIC16C54單片機，采用了脈寬調制技術， 根據電壓、電流反饋自動控制調節充電脈沖寬度，分快充、慢充、涓流充三階段改 變充電電流及電壓的大小。這種充電方法可以始終地使充電電流在總體上逼近蓄電 池的可接受充電電流曲線，并且在整個充電期間內適時地采取了去除蓄電池極化的 措施。研究表明，基于PIC16C54單片機控制的智能充電器，其效率高、 調節時間快的 良好充電特性可得到充分發揮，使得蓄電池具有較高的使用容量和較長的循環壽命， 具有良好的應用前景，為提高蓄電池的性能和可靠性提供一條新的、有效的途徑。關鍵詞:鉛酸蓄電池；智能充電；單片機；脈沖寬度調制（PWM）鹽

3、城工學院本科生畢業設計說明書（2012）The Design of Intelligent Sealed Lead-acid Battery ChargerAbstract：The lead - acid battery has many advantages, such as low cost of design, largecapacity, lower price and use widely. Due to its intrinsic attributes, if utilized improperly, the lifeexpectancy of the battery will b

4、e largely shortened. Therefore, it is necessary to design a newand intelligent lead-acid battery charger.The design of sealed lead-acid batteries intelligent charger, content mainly includes tobattery charg ing method of research and chargi ng system desig n. Based on the an alyzedresults of chargin

5、g characteristic of lead acid battery, using PIC16C54,combinestrickle charge,constant-current charge and constant-voltage charge s merits , a intelligent lead-acid batterycharger is desig ned to adjust the charg ing curre nt and voltage pulses amplitude and pulsewidth automatically by three phasesch

6、arging procedure of fast charging.This kind of chargingmethods can always to recharge current in overall approximation battery acceptable chargingelectric current curve, and throughout the chargi ng period timely adopted remove batterypolarizati on measures.The study show that based on the intellige

7、nt charging PIC16C54 single-chipmicrocomputer control charger, its high efficiency, regulating time quick good chargingcharacteristics can get fully, make battery has higher use capacity and long cycle life, canmeet the electric locomotive motive battery charging request, has a good application pros

8、pectfor improvi ng battery performa nee and reliability provides a new and effective way.Key Words:lead - acid batteries ;intelligent-charging ;single chip computer; pulse widthmodulati on鹽城工學院本科生畢業設計說明書（2012）目 錄1概述.11.1課題研究的背景.11.2課題研究的意義.12課題研究的方案.22.1課題總體設計方案 .22.2充電方法的選擇.22.3充電系統的整體結構 .63充電器硬件電路

9、設計 .63.1充電器的充電過程及工作原理 .63.2開關電源主回路設計 .73.3開關電源PWM控制電路的設計 .1.13.4輔助電源電路的設計.153.5充電控制電路的設計 .164充電器軟件設計.204.1軟件的功能.204.2 PIC系統指令設計 .204.3程序流程圖.215結束語.25參考文獻.26致謝.27附錄.28附錄1充電器電路的原理圖 .28附錄2充電器電路的PCB圖 .30附錄3程序清單 .31鹽城工學院本科生畢業設計說明書（2012）1智能密封鉛酸蓄電池充電器設計1 概述1.1課題研究的背景電池是一種化學電源，是通過能量轉換而獲得電能的器件。二次電池又稱為充 電電池或蓄

10、電池，是指在電池放電后可通過充電的方式使活性物質激活而繼續使用 的電池。當對二次電池充電時，電能轉變為化學能，實現向負荷供電，伴隨吸熱過 程。在充電電池（化學電池或物理電池）的應用過程中，充電器是其成功運用的重要裝 置，所以充電電池一經問世，充電器便是個關鍵問題，因為充電的模式及參數的好 壞直接影響到電池的兩個重要指標：充電電電池的使用容量和循環使用壽命。然而 直到二十世紀中期，充電器技術并未得到長足發展，普遍采用的模式是恒流或恒壓 充電方法，但效果較差。這種情況直到六十年代Mascc博士基于最低出氣率曲線原理 發現電池可接受充電電流大小隨時間按規律下降這一規律后，才證實恒流或恒壓充 電均不是

11、最合適的方法。根據Mascc曲線，又提出了所謂兩段式，三段式或多段式充 電。所謂兩段式指先對電池進行恒流或恒壓充電，當電池電壓達到一定程度，然后 對電池進行涓流充電；所謂三段式一般是對電池進行恒流充電，待電壓達到一定值 后轉入第二階段，即限壓充電階段，當充電電流小到某種程度后轉化為第三階段， 即為涓流充電。經過幾十年的發展，密封鉛酸蓄電池技術已較為成熟。由于這種電池的使用性 能接近了鎘鎳電池，且又無需維護，國內對密封鉛酸蓄電池的應用逐漸增多。而充 電器近年來取得長足發展，明顯的標志就是世界上大部分半導體廠商均推出了自己 的充電芯片，有的還帶有中央處理器。本文也將應用單片機PIC16C54,設計

12、一款智能型鉛酸蓄電池充電器。1.2課題研究的意義因為鉛酸蓄電池存在著很多影響電池使用壽命和容量的因素，為了提高鉛酸蓄 電池的充電效率，縮短充電時間，消除蓄電池的極化現象，在分析鉛酸蓄電池的充 電特性的基礎上，綜合涓流充和恒流、恒壓等充電方式的優點，應用PIC16C54單片 機，采用了脈寬調制技術，根據電壓、電流反饋自動控制調節充電脈沖寬度，分快 充、慢充、涓流充三階段改變充電電流及電壓的大小，設計了這一款智能密封鉛酸 蓄電池充電器，它可以在系統的控制下進行三段式充電過程，充電系統按照設定的 充電方法給電池充電，并能根據電池電壓和充電電流自動轉換充電狀態并顯示出來， 在蓄電池充滿電后，自動進入涓

13、充狀態。該充電器的一些技術指標有：a）基本輸入: 單相220VAC5%，50HZ土2%；b）充電參數：快充時充電電流為4A，慢充時充電 電壓為14.7V，涓充時充電電壓為14.1V;c）環境溫度：-10C至U 50T:空氣相對濕度不超過85%。智能密封鉛酸蓄電池充電器設計22 課題研究的方案2.1課題總體設計方案該設計采用逐個功能模塊分析再組合的方法來實現方案。分別對開關電源主回 路中的濾波電路、開關管的驅動電路，開關電源PWM控制電路。輔助電源電路和充電控制電路進行了分析設計。然后對每一部分的具體電路的特點進行組合。軟件 方面對軟件要實現的功能進行了述說，對PIC系統的指令進行了說明，繪制了

14、程序流程圖，對程序進行了分析解釋，最終把寫好的程序讀進所使用的單片機中來實現 充電器的功能。2.2充電方法的選擇充電方法的選擇對鉛酸蓄電池來說至關重要，不同的充電方法相差很大，其充 電效果也會有很大的差距，對電池性能的影響各不相同。在選擇最合適的充電方法 時，應考慮充電電池的使用頻率、放點倍率、用途等因素。下面是對不同充電方法 的簡要概述：A.恒流充電a）恒流充電充電器的交流電源的電壓通常會波動，充電時需要采用一個直流恒流電源，即 恒流充電器。當采用恒流充電時，可使電池具有較高的充電效率，可以很方便地根 據充電時間來決定充電是否中止，也可以改變電池的數目。恒流電源充電電路如圖圖 2-1恒流電源

15、充電電路b）準恒流充電準恒流充電電路中，通過在直流電源和電池之間串聯上一個電位器，以增加電 路內阻來產生恒定電流。電阻值根據充電末期的電流進行調整，使電流不會超過電 池的允許值，由于結構簡單、成本低廉，此種充電電路被廣泛應用在充電器中。對 同時具有交流和直流電源電路的電氣設備，不需要額外的充電器，而是采用電氣設 備內的直流電路對電池進行充電。如圖2-2所示。鹽城工學院本科生畢業設計說明書（2012）3TI電池組ITB.恒壓充電當電池進行恒壓充電時，電池兩端的電壓決定了充電電流。在這種充電方式下, 充電初期電流較大，充電末期電流會變小。充電電流會隨著電壓的波動而變化，因 此充電電流的最大值應設置

16、在充電電壓最高時，以免便電池過充電。另外，在此種充電方式中，充電末期充電電壓在達到峰值后會下降。電池的充 電電流將變大，會導致電池溫度升高。隨著電池溫度升高，電壓下降，將造成電池 的熱失控，損害電池的性能，因此不推薦采用恒壓充電方式。如圖2-3所示：C.浮充方式在浮充方式中，電池以很小的電流（C/30C/20）進行充電，以使電池保持在 滿充狀態。浮充方式應用于電池作為備用電源或應急電源的電氣設備中。常規浮充 方式充電電路如圖2-4所示。圖 2-2 準恒流充電電路圖 2-3 恒壓充電電路智能密封鉛酸蓄電池充電器設計4D.涓充方式電池與負載并聯，同時電池與直流電源（充電器）相連。正常情況下，直流電

17、 源作為負載的工作電源，并以涓充方式為電池充電，只有當負載變得很大、直流電 源端電壓低于電池端電壓或直流停止供電后， 電池才對負載放電。 在這種方式下，充電電流由使用模式決定。它通常使用在緊急電源、備用電源或電子表等不允許斷 電的場合。如圖2-5所示是簡單的涓充方式示意圖。E.分階段充電方式在分階段充電方式中，在電池充電的初始階段充電電流較大。當電池電壓達到 控制點時，電池轉為以涓流方式充電。分階段充電方式是電池最理想的充電方式，但缺點是充電電路復雜和成本較高。另外，需增設控制點的電池電壓的監測電圖。 如圖2-6所示：o-交流輸入直流電源交流輸入直流電源- 0圖 2-6 分階段充電的簡單示意圖

18、F.快速充電在用大電流短時間對電池進行充電時，需采用電池電壓檢測和控制電路。該電 路在電池充電末期實時檢測電池電壓和電池溫度，并根據檢測參數控制充電過程。a）電池電壓檢測在大電流充電末期，檢測電池電壓，當電池電壓達到設定值時，將大電流充電 轉成小電流充電。采用小電流充電方式是為了保證電池充電容量。控制電路設置的 充電截止電壓必須比充電峰值電壓低。b）AV檢測電池充電過程的充電電流是通過檢測電池充電末期的電壓降來進行控制的，采i圖 2-5涓流方式的簡單示意圖T電池組電池組鹽城工學院本科生畢業設計說明書（2012）5用V控制系統的充電控制電路，當充電峰值電壓確定后，若V檢測電路檢測的電壓降達到設定

19、值，控制電路將使大電流充電電路分斷。c）電池溫度檢測電池在充電末期，負極發生氧復合反應產生熱量，使電池溫度升高。由于電池 溫度升高將導致充電電流增大，為控制充電電流，可在電池外殼上設置溫度傳感器 或電阻等溫度檢測元件。當電池溫度達到設定值時，電池充電電路被切斷。下面即 給出了電池溫度檢測簡圖和電池溫度與充電時間的關系圖。如圖2-7所示：溫度傳感器溫度傳感器圖 2-7 電池溫度檢測簡圖智能密封鉛酸蓄電池往往采用恒壓充電或恒流充電。恒壓充電由于充電初期電 流太大，對蓄電池壽命有影響，對于智能密圭寸鉛酸蓄電池，甚至可能造成極板彎曲, 電池報廢。所以很多智能密封鉛酸蓄電池的充電電路采用恒流充電方式，電

20、路始終 以恒定的充電電流對蓄電池充電，至到蓄電池充滿時關斷電路，或者轉變為浮充形 式。相比而言，恒流充電對蓄電池的壽命是有好處的。而且恒流充電具有較大的電 流充放電，使充放電的速度大大加快。但是，如果采用恒流充電，在充電后期，由于電流保持原有數值，大部分電流 用在分解水上，于是冒氣很厲害，電解液沸騰很劇烈，不但消耗電能，而且對極板 也不利，容易造成極板上活性脫落。因此，對于智能密封鉛酸蓄電池，用分階段充電方式是一種比較好的方法，因 為隨著充電過程的進行， 充電電流逐漸下降。 采用這種方法， 可以使充電末期的電 解液沸騰的現象減弱，損失電能較少，而且能保護極板，并能防止過度充電和水解 的電力損失

21、。通過對上述幾種充電方式的分析比較，綜合其優點設計出具有快充和慢充的智 能型密封鉛酸蓄電池充電器。該充電器采用單片機控制，充電過程分為快充、慢充 及涓流充三個階段，充電效果更佳。智能密封鉛酸蓄電池充電器設計62.3充電系統的整體結構輔助電源圖 2-8 充電系統的結構框圖充電系統的結構框圖如圖2-8所示。整個充電裝置由電源變換電路，斬波電路, 隔離驅動電路和單片機控制系統組成。3 充電器硬件電路設計3.1充電器的充電過程及工作原理3.1.13.1.1 充電器的充電過程分析圖3-1所示為該充電器的充電電流、電壓曲線。1（A）、U（V）1C八U(t)0.09Ct(h)圖 3-1 充電器的充電電流、電

22、壓曲線從圖3-1可以看出：在快充階段（0t1），充電器以恒定電流1C對蓄電池充電, 由單片機控制快充時間，避免過量充電；在慢充階段（t1t2）,單片機輸出PWM控制信號，控制斬波開關通斷，以恒定電壓對蓄電池進行充電，此時充電電流按指 數規律下降，當電池電壓上升到規定值時，結束慢充，進入涓流充階段；在涓流充 階段（t2t3），單片機輸出的PWM控制信號，使充電器以約0.09C的充電電流對蓄 電池充電，在這種狀態下，可長時間對蓄電池充電，從而能最大限度地延長蓄電池 壽命。3.1.23.1.2 充電器的工作原理220V 交流電源斬波電鉛酸蓄電池電源變換電路隔離，驅動電路單片機快充t1慢充t2涓流充t

23、3鹽城工學院本科生畢業設計說明書（2012）7在2.3節中，提出了鉛酸蓄電池的充電系統的結構框圖， 在下面根據系統結構原 理圖給出一個具體的智能型密封鉛酸蓄電池的原理框圖，這個智能型密封鉛酸蓄電 池原理圖，主要由開關穩壓電源、斬波開關、控制器和輔助電源等四個部分組成， 并具有過流保護、過壓保護和超溫保護功能。交流電輸入經過整流電路同時有一個 輔助電源提供給單片機，再經過半橋式變換器在這里利用TL494設計了電壓監控和電流監控，在利用單片機控制斬波開關來對蓄電池進行智能化的充電，單片機控制 燈的運行和停止可以看到充電現在所處在的哪個充電狀態。在這個原理圖中首先要 設定每個階段的值，根據這些通過單

24、片機對充電器進行控制。具體的原理圖如圖3-2所示：圖 3-2 智能型鉛酸蓄電池原理框圖3.2開關電源主回路設計3.2.13.2.1 功率開關元件的選用目前在開關電源中用得比較多的開關器件主要有電力晶體管GTR、門極可關斷晶體管GTO、場效應晶體管MOSFET和絕緣柵極雙極型晶體管IGBT等。IGBT(Insulated Gate Bipolar Tranister)是MOS結構的雙極型器件，屬于具有功率M0SFET的高速性能與雙極型器件的低電阻特性的功率元件。但目前由于價格方面 的原因，還只能用在高功率變換的場合。通常我們選擇MOSFET管，主要考慮漏源擊穿電壓BVDS和導通電阻RDS(ON)

25、。漏源擊穿電壓BVDS就是漏區和溝道體區PN結上 的反偏電壓。這個電壓決定了器件的最高工作電壓。導通電阻是另外的一個非常重 要的參數，相當于雙極型晶體管功率器件的飽和電阻。漏源擊穿電壓BVDS值高，導通電阻RDS(ON)也較大，限制了功率場效應管在高反壓開關電源中的應用。場效應管 工作在開關狀態時，漏源極之間的電壓也是必須考慮的一個參數。鑒于目前工藝狀 況導通電阻RDS(ON)稍大，AC整流濾波輔助電源半橋式變換器nr驅動器單片機PC 16 C斬波開關Vref54TL49450Hz時鐘脈沖智能密封鉛酸蓄電池充電器設計8約1歐姆左右。低導通電阻RDS(ON)的管子價格偏高。導通 電壓 VDS(O

26、N)=RDS(ON)|D，相當于雙極型晶體管的飽和電壓VcE(sat)，而我選擇的雙極型 晶體管E13007的飽和電壓最大值只有0.25V。綜上所述，雙極型晶體管的飽和壓降 還是比較小。特別是成本也比MOSFET要低得多。雙極型晶體管由兩個背靠背PN結構成的具有電流放大作用的晶體三極管。起源于1948年發明的點接觸晶體三極管，50年代初發展成結型三極管即現在所稱的雙極 型晶體管。雙極型晶體管有兩種基本結構：PNP型和NPN型。在這3層半導體中，中間一層稱基區，外側兩層分別稱發射區和集電區。當基區注入少量電流時，在發 射區和集電區之間就會形成較大的電流，這就是晶體管的放大效應。下面是雙極型晶體管

27、的特點：a)輸入特性曲線：描述了在管壓降UCE一定的情況下， 基極電流iB與發射結 壓降uBE之間的關系稱為輸入伏安特性， 可表示為：硅管的開啟電壓約為0.7V， 鍺管的開啟電壓約為0.3V。b)輸出特性曲線：描述基極電流IB為一常量時，集電極電流iC與管壓降uCE之間的函數關系。可分為三個區：截止區：發射結和集電結均為反向偏置。IE0，IC0，UCEEC，管子失去放大能力。如果把三極管當作一個開關，這個狀態相當 于斷開狀態。飽和區：發射結和集電結均為正向偏置。在飽和區IC不受IB的控制，管子失去放大作用，UCE0,IC=EC/RC，把三極管當作一個開關，這時開關處于閉合狀態。放大區：發射結正

28、偏，集電結反偏。c)特征頻率：由于晶體管中PN結結電容的存在，晶體管的交流電流放大系數會隨工作頻率的升高而下降，當的數值下降到1時的信號頻率稱為特征頻率。另外還有直流參數、交流參數也是選擇晶體管時要考慮的因素。如：ICBO指發射極開路，集電結的穿透電流。|EB。一指集電極開路，發射結的穿透電流。極間反向電流越小，說明管子的特性越好，受溫度的影響會小些。V(BR)CBO發射極開路時，集-基極間的反向擊穿電壓 V(BR)CBO。這是集電極所允 許加的最高反向電壓。自然這個參數值是越高越好，同時考慮價格因素。V(BR)CEO基極開路時，集電極、發射極間的擊穿電壓。VCE(sat)集電極-發射極飽和壓

29、降從上述的分析中，在考慮到本設計的要求，選用了N型硅雙極型晶體管E13007。 具體的參數如下：ICBO(MAX)=100( VCB=400V，|E=0) ；(3-1)IEBO(MAX)=1mA(VEB=9V，|c=0) ；(3-2)V(BR)CBO(MIN)= 700V ( Ic=1mA，|E=0) ；(3-3)V(BR)CEO(MIN)=400V ( |c=10mA，|B= 0) ；(3-4)VCE(sat)(MAX)= 2.0V ( |C=5A， |B=1.0A )。(3-5)3.2.2濾波電路的設計鹽城工學院本科生畢業設計說明書（2012）9濾波電路常用于濾去整流輸出電壓中的紋波，一般

30、由電抗元件組成，如在負載 電阻兩端并聯電容器C，或與負載串聯電感器L，以及由電容，電感組成而成的各種 復式濾波電路。在設計交流濾波電路時，電源線引入的電磁噪聲會對整個電路有影響。電源線 噪聲分為兩大類：共模干擾、差模干擾。考慮差模干擾和共模干擾的區別，設置電 源線濾波電路，在其傳輸途徑上使用差模或共模濾波元件抑制它們的干擾，以達到 最好的濾波效果。圖 3-3 開關穩壓電源濾波電路在圖3-3中C1和C4叫做差模電容，LF1叫做共模電感，C2和C3叫做共模電 容。差模濾波元件和共模濾波元件分別對差模和共模干擾有較強的衰減作用。共模電感LF1是在同一個磁環上由繞向相反、匝數相同的兩個繞組構成。通常

31、使用環形磁芯，漏磁小，效率高，但是繞線困難。當市網工頻電流在兩個繞組中流 過時為一進一出，產生的磁場恰好抵消，使得共模電感對市網工頻電流不起任何阻 礙作用，可以無損耗地傳輸。如果市網中含有共模噪聲電流通過共模電感，這種共 模噪聲電流是同方向的，流經兩個繞組時，產生的磁場同相疊加，使得共模電感對 干擾電流呈現出較大的感抗，由此起到了抑制共模干擾的作用。實際使用中共模電感兩個電感繞組由于繞制工藝的問題會存在電感差值，不過 這種差值正好被利用作差模電感。所以，一般電路中不必再設置獨立的差模電感了。 共模電感的差值電感與電容C1及C4構成了一個n型濾波器。這種濾波器對差模干 擾有較好的衰減。除了共模電

32、感以外，圖中的電容C2及C3也是用來濾除共模干擾的。共模濾波 的衰減在低頻時主要由電感器起作用，而在高頻時大部分由電容C2及C3起作用。 電容C2、C3的選擇要根據實際情況來定，由于電容C2、C3接于電源線和地線之間，承受的電壓比較高，所以，需要有高耐壓、低漏電流特性。差模干擾抑制器通常使用低通濾波元件構成，最簡單的就是一只濾波電容接在 兩根電源線之間而形成的輸入濾波電路，只要電容選擇適當，就能對高頻干擾起到 抑制作用。該電容對高頻干擾阻抗甚低，故兩根電源線之間的高頻干擾可以通過它， 它對工頻信號的阻抗很高，故對工頻信號的傳輸毫無影響。該電容的選擇主要考慮 耐壓值，只要滿足功率線路的耐壓等級，

33、并能承受可預料的電壓沖擊即可。為了避智能密封鉛酸蓄電池充電器設計10免放電電流引起的沖擊危害，C1、C4電容容量不宜過大，一般在0.010.1卩之間。 電容類型為陶瓷電容或聚酯薄膜電容。323323 開關管驅動電路的設計在3.2.1節中，我們選擇了用雙極型晶體管E13007作為功率元件，因為雙極型 晶體管的驅動電流的波形并不是一個完美的脈沖波，在開始時驅動電流比較大，隨 后慢慢衰減。如圖3-4所示：然而驅動變壓器輸出的是一個方波信號。選擇一個合適的驅動電路使得驅動變 壓器的輸出信號盡量適合晶體管的基極驅動電流波形。這一點對于一個開關管的迅 速導通和安全使用都是很重要的。本設計的基極驅動電路如圖

34、3-5所示。圖 3-5 基極驅動電路系統中的開關管加速開關網絡，提供了較為理想的驅動電流波形。電路如圖3-5所示。電容C10、D3、R4、C11、D4、R8構成了開關管的加速開關網絡。變壓器一 開始輸出驅動脈沖信號，不但給加速開關網絡中電容C10、C11充電，而且還通過二 極管流向開關管的基極。因此流過晶體管基極的驅動電流lb比較陡，幅值大；隨著充電的進行，電容上的電壓逐漸建立，當電容充滿電后，驅動信號只能通過二極管回路，顯而易見此時的基極驅動電流幅值比電容未充滿電之前要低，構成基極驅動 電流的后半部分較平緩。電阻R1、R3、R5、R7是為了使開關管處于微導通狀態。 如果兩個開關管Q1、R12

35、70KQD1NR157Q1R22.2KQE1300715QR32.7KQ-1 +C104.7uFR444D3FR107R54.7uFD2N丈丈R157聲聲a Q2E130072.2QR72.7-JaR815QD4FR107圖 3-4 基極驅動電流的波形270QR6Q鹽城工學院本科生畢業設計說明書（2012）11Q2均處于關斷狀態，只有集電極漏電流的存在，而開關管Q1、Q2的集電極漏電流lc10、lc20是不可能完全一致的，從而導致A點電壓不是位于中 點電壓，有一個較大的誤差；例如300V的輸入，理想情況下每個開關管各應承受150V的電壓；如果沒有設置均壓電路，沒有使開關管處于微導通狀態，有可能

36、上一 個開關管承受較大的電壓，如200V， 下一個管子只承受100V，而半橋電路中輸出變壓器原邊電壓可能高于這個值，這種情況下電路是沒有輸出的，這無疑降低了變 換器的輸出效率。如果有了分壓網絡，能給開關管Q1、Q2的基極提供電流Ib1、lb2, 并使得Ib1=lb2，在集電極上就有Ic1=lc2，而Ic1lc10，Ic2lc20,使得由于漏電流 的不一致性導致對中點電位的影響微乎其微。例如：lc10=0.5mA,lc20=0.4mA,分壓網絡使得Ib1=Ib2=0.05mA，假設晶體管的電流放大倍數-100，則有lc1=lc2=5mAlc10=0.5mA，從而消除了由于開關管的特性不一致而導致

37、的影響，A點電壓位于輸入電壓中點值。驅動變壓器 T2產生脈沖信號,TL494脈寬調制器的8腳 和11腳輸出分別驅動晶體管Q3、Q4,經過三極管放大之后，再驅動變壓器 T2。這樣 也實現強電和弱電信號的隔離。圖中D7、D8是射極自舉電路，C12是旁路電容。3.3開關電源PWM控制電路的設計開關電源一般都米用脈沖寬度調制（PWM）技術，其特點是頻率咼，效率咼， 功率密度高，可靠性高。脈沖寬度調制是一種模擬控制方式，其根據相應載荷的變 化來調制晶體管柵極或基極的偏置，來實現開關穩壓電源輸出晶體管或晶體管導通 時間的改變，這種方式能使電源的輸出電壓在工作條件變化時保持恒定，是利用微 處理器的數字輸出來

38、對模擬電路進行控制的一種非常有效的技術。而調節開關電源 的占空比，可使輸出電壓基本上不隨負載變化或輸入電壓變化而變化的這種方法叫 做脈寬調制法。現在有許多的脈寬調制控制器，主要的生產廠家像美國德州的TI公司，其生產的脈寬調制控制器有TL598，SG2524,TL494等，而本設計中選用的是TL494型的脈寬調制器，其能夠產生兩路PWM俞出，并且具有穩壓、限流及保護功智能密封鉛酸蓄電池充電器設計12IN+IN-FBTCtRtGNDC116IN+15IN-14上COM12Vcc11109C2E2E1圖 3-6 TL494 管腳分配圖鹽城工學院本科生畢業設計說明書（2012）133.3.13.3.1

39、 TL494TL494 的簡介TL494是一種固定頻率脈寬調制電路，它包含了開關電源控制所需的全部功能，廣泛應用于單端正激雙管式、 半橋式、全橋式開關電源。TL494有S0-16和PDIP-16兩種封裝形式，以適應不同場合的要求，其主要的特征如下：a）集成了全部的脈寬調制電路；b） 片內置線性鋸齒波振蕩器，外置振蕩元件僅有兩個（一個電阻和一個電容）；c）內置誤差放大器；d）內置5V參考基準電壓源；e）可調整死區時間；f） 內置功率晶體管可提供500mA的驅動能力；g）推或拉兩種輸出方式。3.3.23.3.2 TL494TL494 的工作原理TL494的內部器件是由鋸齒波發生器、 觸發器、比較器

40、、誤差放大器1和2、5V基準電源與兩個驅動晶體管等組成。它是一種脈寬調制型開關電源集成控制器。管 腳分配如圖3-7所示。腳1、2和腳15、16分別為兩個比較器輸入端；腳3為相位控 制端；腳4為死區電平控制端；腳5、6為振蕩器的R、C輸入端；腳8、9和腳11、10分別為兩個內部驅動晶體管的集電極發射極， 通過它們發出的脈沖可以控制變換 器開關管的交替導通。 腳13為輸出狀態控制端，當腳13為低電平時， 兩個內部驅 動晶體管同時導通或截止， 此時只能控制變換器的一個開關管，就形成單端輸出； 當腳13為高電平時，就可推挽輸出。智能密封鉛酸蓄電池充電器設計14輸出脈波寬度調變之達成可借著在電容器CT端

41、的正鋸齒波形與兩個控制信號 中的任一個做比較而得之。電路中的NOR閘可用來驅動輸出三極管Q1與Q2,而且 僅當正反器的時鐘輸入信號是在低準位時，此閘才會在有效狀態，此種情況的發生 也是僅當鋸齒波電壓大于控制信號電壓的期間里。當控制信號的振幅增加時，此時 也會一致引起輸出脈波寬度的線性減少。如圖3-8所示：外部輸入端的控制信號可輸入至腳4的截止時間控制端，與腳1、2、15、16誤 差放大器的輸入端，其輸入端點的抵補電壓為120mV，其可限制輸出截止時間至最小值，大約為最初鋸齒波周期時間的4%。當13腳的輸出模控制端接地時，可獲得96%最大工作周期，而當13腳接制參考電壓時，可獲得48%最大工作周

42、期。如果我 們在第4腳截止時間控制輸入端設定一個固定電壓，其范圍由0V至3.3V之間，則附加的截止時間一定出現在輸出上。PWM比較器提供一個方法給誤差放大器，乃由最大百分比的導通時間來做輸出 脈波寬度的調整，此乃借著設定截止時間控制輸入端降至零電位，而此時再回授輸 入腳的電壓變化可由0.5V至3.5V之間， 此二個誤差放大器有其模態（common-mode）輸入范圍由-0.3V至（Vcc-2）V，而且可用來檢知電源供給器的輸出電壓與電流。誤差放大器的輸出會處于高主動狀態，而且在PWM比較器的非反相輸入端 與其誤差放大器輸出乃為或閘（OR）運算結合，依此電路結構，放大器需要最小輸出 導通時間，此

43、乃抑制回路的控制，通常第一個誤差放大器都使用參考電壓和穩壓輸 出的電壓做比較，其環路增益可依靠回授來控制。而第3腳通常用做頻率的補償，它主要目的是為了整個環路的穩定度，特別注意的是運用回授時必須避免第3腳輸入過載電流大于600pA，否則最大脈波寬度將會被不正常的限制，此兩種誤差放大 器，都可利用不管是正相或反相放大都可用來穩壓。第二個誤差放大器可用來做過 電流檢知回路，可使用檢知電阻來與參考電壓元作比較，這回路的工作電壓接近地卜時典ILHUM刖端棲I屮袒押卻I圖 3-8 TL494 控制器時序波形圖鹽城工學院本科生畢業設計說明書（2012）15端，而此誤差放大器的轉換速率(slew rate)

44、在7V之Vcc時為2V/聞。但無論如何在 高頻運用中。由于脈波寬度比較器和控制邏輯的傳播延遲使得他不能用為動態電流 限制器。它可運用于恒流限制電路或者外加元件作成電流回疊(current feed-back的限流裝置，而動態電流限制最好能使用截止時間控制輸入端的第4腳。當電容器CT放電時，在截止時間比較器輸出端會有正脈波信號輸出，此時鐘 脈波可控制操作正反器，且會抑制輸出三極管Q1與Q2,若將輸出模控制的第13腳 連接至參考電壓準位線，此時在推挽式操作下，則兩個輸出三極管在脈波信號調變 下會交替地導通，這時每一個輸出的轉換頻率是振蕩器頻率的一半。當以單端方式(single-endeQ操作時，最

45、大工作周期須少于50%，此時輸出驅動 可出三極管Q1或Q2取得，若在單端方式操作下需要較高的輸出電流，可以將Q1與Q2三極管以并聯方式連接，而且輸出模控制的第13腳必須接地，則使得正反器在失效(disable)狀態，此時輸出的轉換頻率乃相當于震蕩器之頻率。因此TL494約兩個輸出級可以用單端方式或是推挽式來輸出，兩個輸出關系是不被拘束的，兩個 集極和射極都有輸出端可以利用，在共射極狀態下，集極和射極電流在200mA時，集極和射極飽和電壓大約在1.1V，而在共集極結構下的電壓是15V，在輸出過載之 下兩個輸出都有保護作用，一般這兩個輸出在共射極的轉換時間為，所以我們可以 知道其轉換速度非常地快，

46、操作頻率可達300KHZ，在25C時輸出漏電流一般都小于1Ao3.3.33.3.3 TL494TL494 外圍電路的設計圖 3-9 TL494 外圍電路設計如圖3-9所示，TL494的外圍電路的設計比較固定，這里分幾個部分簡單介紹T11R213.9kQ廠22nF*315C1815N2L1R27N33kQMUR162 0R28 0.1Q/3WN4C21R24 4.7kQR23 22kQN5R15R25 3.9kQR20 5.6kQ10kQR261.5KQJ1KQ1KQC12L-C20R14D11FR104C1810nFC22470uF/63VD9MUR162 0+C15ID10D5FR104智能

47、密封鉛酸蓄電池充電器設計16A.軟啟動保護由前面的介紹可知，TL494的4腳是芯片的死區控制端。該腳上的落地電阻R13, 還有跨接在14腳（內部基準電源端）之間的電容C19,在開機時，落地電阻上沒有 電流流過，R13上無電壓。隨著輸入電源給電容C19充電，R13上開始流過電流， 即4腳上開始建立一定的電壓，芯片開始工作。這就是軟啟動。可見，充電電容C19的值決定了 軟啟動的快慢。C19越大，軟啟動過程越短。而死區時間的大小由落地 電阻R13上的電壓決定，該值越高，死區時間越長。B.恒流控制開關電源輸出電壓電流穩定是一個很重要的要求。TL494提供的內部基準電源 和兩個誤差放大器可以很方便的實現

48、這些功能。在此系統中，電阻R28串接在T1次級繞組N2和N3的中間抽頭與輸出地之間，作用是監控快充充電電流和過流保護。當充電電流超過恒定值1C時，R28上的壓降增大，該壓降經并聯電阻R24、R25反饋到IC1的15腳，使其電位變負，低于IC1的16腳，則內部電流誤差放大器輸 出高電平，使IC1的8腳和11腳輸出的PWM信號的脈沖變窄，從而縮短Q1和Q2的導通時間，使輸出電壓下降，維持充電電流恒定；隨著充電時間的延長，電池電 壓逐漸升高，充電電流按指數規律下降，IC1的15腳電位按指數規律上升，則IC1的8腳和11腳輸出的PWM信號脈沖變寬，從而延長Q1和Q2的導通時間，使輸出 電壓升高，充電電

49、流保持恒定。C.恒壓控制同恒流控制類似， 恒壓控制也是利用了內部電壓誤差放大器和輸出電壓之間構 成的負反饋。如圖3-8所示，電阻R15、R16、R17、R18及電容C16、C17組成電 壓取樣電路，取樣電壓輸入到IC1的1腳。當輸出電壓在允許電壓值內時，誤差放 大器沒有輸出，驅動晶體管輸出固定占空比的脈沖信號；一旦輸出過電壓，反饋到1腳的電壓高于2腳的電壓， 貝U放大器輸出高電平， 降低驅動晶體管輸出脈沖的占空 比， 使IC1的8腳和11腳輸出的PWM信號的脈寬改變，從而使Q1、Q2的導通時 間改變，維持輸出電壓恒定。D.其他IC1的5、6腳分別接定時元件C13和R12,構成三角波震蕩器，其中

50、R12=22k1，C13=1uF。三角波的振蕩頻率為：f =1.2/RC（KHZ）。3腳和15腳之間、3腳和2腳 之間的RC網絡都是濾波電路，分別根據電容電阻設定值去除相應頻段的干擾。13腳直接接到14腳（5V基準電壓），使兩個驅動晶體管工作于推挽輸出方式。芯片 內驅動晶體管射級9、10腳接地，集電極8、11腳輸出分別驅動外部電路中的晶體 管Q3、Q4,放大進而輸出給驅動變壓器，激勵主開關管Q1、Q2。3.4輔助電源電路的設計電子產品中，常見的三端穩壓集成電路有正電壓輸出的lm78XX系列和負電壓輸出的lm79XX系列。顧名思義，三端IC是指這種穩壓用的集成電路，只有三條引腳輸出，分別是輸入端

51、、接地端和輸出端。它的樣子象是普通的三 極管，TO- 220的標準封裝，也有lm9013樣子的TO-92封裝。用Im78/lm79系列三端穩壓IC來組成穩壓電鹽城工學院本科生畢業設計說明書（2012）17源所需的外圍元件極少，且有一定的電壓、電流輸出，能夠獲得不同的電壓和電流，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。該系列集成穩壓IC型號中的lm78或Im79后面的數字代表該三端集成穩壓電路的輸出電壓，如lm7806表示輸出電壓為正6V，Im7909表示輸出電壓為負9V。而Im7805的輸出電流可達1A，輸出電壓有5V，具有過熱保護和短路保護的特點，根據這些

52、特點設計出了本設計的輔助電源電路如圖3-10所示。圖 3-10 輔助電源電路輔助電源由工頻變壓器T3、整流元件B2、濾波元件C27、C28和三端穩壓集成電 路IC4（7805）組成，為單片機提供（+5）電源電壓。采用這種為單片機單獨供電方 式，可以增強抗干擾能力，提高可靠性。同時為單片機提供50Hz計時脈沖信號。3.5充電控制電路的設計根據本系統的特點，硬件電路采用單片機控制系統來實現。而單片機的種類繁 多，大致可以分為三類：通用型/專用型、總線型/非總線型及工控型/家電型。下面 是對兩種典型單片機的介紹對比選擇其中一種作為本設計的控制系統的中心控制芯 片。3.5.13.5.1 單片機的選擇A

53、. AT89C2051單片機a）AT89C2051單片機的介紹AT89C2051是美國ATMEL公司生產的低電壓、高性能CMOS的8位單片機， 片 內含2k bytes的可反復擦寫的只讀程序存儲器（PEROM）和128byteS勺隨機數據存儲 器（RAM），器件采用ATMEL公司的高密度、非易失性存儲技術生產，兼容標準MCS-51指令系統，片內置通用8位中央處理器和Flash存儲單元。帶有2K字節閃速可 編程可擦除只讀存儲器（EEPROM）的低電壓，高性能8位CMOS微處理器。它采用ATMEL的高密非易失存儲技術制造并和工業標準MCS-51指令集和引腳結構兼容。 它的標準功能有：2K字節閃速存

54、儲器，128字節RAM，15根I/O口，兩個16位定時器, 一個五向量兩級中斷結構，一個全雙工串行口，一個精密模擬比較器以及兩種可選 的軟件節電工作方式。空閑方停止CPU工作但允許RAM、定時器/計數器、串行工作 口和中斷系統繼續工作。掉電方式保存RAM內容但振蕩器停止工作并禁止有其它部 件的工作到下一個硬件復位。b）AT89C2051單片機的引腳圖智能密封鉛酸蓄電池充電器設計18圖 3-11 AT89C2051 單片機引腳圖AT89C2051芯片的20個引腳功能為：VCC電源電壓GND接地。RST復位輸入。當RST變為高電平并保持2個機器周期時，所有I/O引腳復位至“1”XTAL1反向振蕩放

55、大器的輸入及內部時鐘工作電路的輸入。XTAL2來自反向振蕩放大器的輸出。P1口8位雙向I/O口。引腳P1.2P1.7提供內部上拉，當作為輸入并被外部下 拉為低電平時，它們將輸出電流，這是因內部上拉的緣故。P1.0和P1.1需要外部上拉，可用作片內精確模擬比較器的正向輸入（AIN0）和反向輸入（AIN1），P1口輸 出緩沖器能接收20mA電流，并能直接驅動LED顯示器；P1口引腳寫入“1” 后, 可用作輸入。在閃速編程與編程校驗期間，P1口也可接收編碼數據。P3口：P3口的P3.0P3.5 P3.7是帶有內部上拉電阻 的七個雙向I/O口引腳。P3.6用于固定輸入片內比較器的輸出信號并且它作為一通

56、用I/O引腳而不可訪問。P3口緩沖器可吸收20mA電流。當P3口寫入“1”時，它們被內部上拉電阻拉高并 可用作輸入端。用作輸入時，被外部拉低的P3口腳將用上拉電阻而流出電流。RST:復位輸入。RST一旦變成高電平所有的I/O引腳就復位到“1”。當振蕩器 正在運行時，持續給出RST引腳兩個機器周期的高電平便可完成復位。每一個機器 周期需12個振蕩器或時鐘周期。XTAL1:作為振蕩器反相器的輸入和內部時鐘發生器的輸入。XTAL2:作為振蕩器反相放大器的輸出。B.PIC16C54單片機a）PIC16C54單片機的介紹PIC16C54屬CMOS單片機，是一個低價位高性能8位單片機，具有體積小，功 耗低

57、，性能強，體密性高，價格低等特點。使用率僅有33條精簡指令集、單字節單周期指令，每條指令執行時間最快可達200nso易于記憶和使用的指令系統可大大減 少產品的開發時間。它有兩個雙向I/O口線，其中A口作為輸入，用來檢測四種工RST/VPP(TXOJ P3.1 XTALZ XTAL1(INT0 P3.2 (INTL| P3 3(T0 P3 4 (THGNO :VCC一PI.7PI 6Pl.SP1.4P1.3PI.2P1+1 |AIN1|PI C (JUNojP3.7鹽城工學院本科生畢業設計說明書（2012）19作方式的按鍵情況，B口中除了RB0作為輸入，用來檢測電流強度控制鍵的按鍵情 況外，其余

58、都用作輸出，其中RB2-RB7分別用來控制六檔電流強度指示燈點亮和關 閉；RB1用于輸出脈沖信號，該信號經刺激隔離器，耦合到刺激電極上輸出，它的 振蕩源有四種，晶體振蕩（XT） ，低功耗振蕩（LP），高速振蕩（HP）及RC振蕩。 實多種時鐘振蕩電路睡眠低功耗省電模式及WDT（看門狗）帶碼保護功能，這些特 性具有較大優勢。PIC16C54系列單片機可廣泛應用于電機控制、汽車電路、家用電 器等領域。b） PIC16C54單片機主要性能RISC精簡指令集，指令僅有33條，指令長度為12位絕大部分均為單機器周期指令。工作速度高，最快可達200ns（20MHz時鐘時）數據長度為8位片內程序存儲器容量為5

59、12-2kbyte片內靜態數據存儲器（SRAM）為25-73byte硬件組成7個專用寄存器兩級硬件堆棧有直接、間接、相對和位尋址功能12-20條I/O引腳，每條引腳均可設置為輸入和輸出態多種時鐘振蕩電路及WDT定時器電路寬工作電壓范圍和低功耗模式：工作電壓為2.5V-6.0V，典型工作電流為2mA， 睡眠狀態僅為3uA。c） PIC16C54單片機引腳圖RAIRAOOSCIiCLKIKQ5C?；1 K-QiryVDDR.B7RBSKH4圖 3-12 PIC16C54 單片機引腳圖PIC16C54單片機的引腳功能為：RA0-RA3 I/O輸入輸出口A，對應內部的f5，是一個4位I/O端口，可位控

60、。RB0-RB7 I/O輸入輸出口B，對應內部的f6，是一個8位I/O端口，可位控RTCC實時時鐘/計數器輸入端，在此端口輸入信號的上升沿或下降沿計數，邊 沿可通過軟件選擇。MCLR主復位端，當MCLR為低電平時對單片機復位。KA2RA3TOCKIVSSFt no尺別RB2KHJl n門口M小u oi 匚匚匚匚匚匚匚一匚匚鹽城工學院本科生畢業設計說明書(2012)20OSC1振蕩信號輸入端。這個端口用于外部振蕩信號的輸入，用RC振蕩時，它接RC電路，用石英振蕩電路時，接石英晶體一端。OSC2振蕩信號輸出端。在用石英晶體振蕩器或陶瓷振蕩器時通過一個串聯電阻R接振蕩晶體一端，在RC振蕩時常作CLK