【正文】 參考文獻(xiàn) [1]趙暉 .鋰 離子電池手機充電器現(xiàn)況及前景 .中國電子網(wǎng) [2]余永權(quán) .Flash 單片機原理及應(yīng)用 .北京電子工業(yè)出版社 [3]胡漢才 .單 片機原理及系統(tǒng)設(shè)計 .北京 :清華大學(xué)出版社 [4]薛競成 SMT 可制造性設(shè)計講義〔 J].世界產(chǎn)品技術(shù)， 2021 [5]清源計算機工作室編著 .Prote199SE 原理圖與 CPB 及仿真，北京 :機械工業(yè)出版社， [6]江秀漢等，計算機控制原理及其應(yīng)用 .西安電子科技大學(xué)出版社 .1999 [7]李維逞等 .液晶顯示應(yīng)用技術(shù) .北京 :電子工業(yè)出版社， 2021 [8]王輝靜等 .字符點陣式液晶顯示器在測控系統(tǒng)中的應(yīng)用 .工具技術(shù)， 2021 [9]清華大學(xué)電子學(xué)教研組編 .模擬電子技術(shù)基礎(chǔ) .高等教育出版社 . [10]清華大學(xué)電子學(xué)教研組編 .數(shù)字電子技術(shù)基礎(chǔ) .高等教育出版社 .。有效地控制了成本，實現(xiàn)了便捷管理，達(dá)到了設(shè)計目的。 5） 本課題有效地解決了對不同手機進行在線充電的問題。從而 滿足了設(shè)計需要。本文探討了軟件設(shè)計的一般原則。并進而確定選用40引腳 PCI16F877 單片機作為控制器。 3） 計算機控制系統(tǒng)是所有機電一體化系統(tǒng)的核心。包括電源、控制電路、采樣電路、手機充電接口、計算機控制系統(tǒng)。 1） 首先，在對市場進行深入調(diào)查研究的 基礎(chǔ)上，分析得出智能手機充電器必須具備的基本特征。 PWM 脈寬調(diào)制輸出子程序結(jié)構(gòu)框圖如下圖 46。從控制端口輸出控偉叢信號，向電池充電 ； (5)清中斷標(biāo)志位 ， 輸出 PWM 信號完成后，清中斷標(biāo)志位，為下一中斷做好準(zhǔn)備。進入中斷子程序后，將 PC 值入棧，保護現(xiàn)場 ； (2)檢查 PWM 脈寬寄存器，看是否允許 PWM 輸出 ； (3)重置定時器 1，開始 PWM 周期計時。通過改變輸出脈沖的寬度，可以達(dá)到改變輸出電壓大小的目的。 圖 44 采樣子程序結(jié)構(gòu)框圖 啟動 A/D 轉(zhuǎn)換 讀 A/D 轉(zhuǎn)換結(jié)果希爾緩沖區(qū) 通道計數(shù)器 +1 計數(shù)器 =2 返回 開始 31 PWM 脈寬調(diào)制輸出子程序 PWM 脈寬調(diào)制輸出子程序的作用，是將量化的值調(diào)制成相應(yīng)的 PWM 脈寬信號輸出，并控制控制電路的開關(guān)，向電池充電。 (1)啟動 AD 轉(zhuǎn)換 ， 給相應(yīng)的特殊功能寄存器置值，啟動 A/D 轉(zhuǎn)換 ； (2)讀 A/D 轉(zhuǎn)換結(jié)果寫入緩沖區(qū) ； (3)通道計數(shù)器 +1。正是有了采樣保持，實際上采樣后的信號是階梯形的連續(xù)函數(shù)。 圖 41 軟件總體流程框圖 初始化 鍵盤掃描程序 采樣 量化 PWM 脈寬調(diào)制輸出 人機界面 開始 30 采樣子程序 1)采樣或稱為抽樣，是利用采樣脈沖序列 p(t)，從連續(xù)時間信號 x(t)中抽取一系列離散樣值，使之成為采樣信號 x(nTs)的過程下 n=0， .1?Tst 稱為采樣間隔，或采樣周期， 1/Ts=fs 稱為采樣頻率。 TD由 0 增大，逐步試湊多組 PID 參數(shù)，從中找出最優(yōu)者。反復(fù)試湊多組 KP， KI值，從中確定合適的參數(shù) 【 22】 。如果相應(yīng)時間，超調(diào)，靜差已達(dá)到要求，則只需要用比例控制即可，并由此確定比例增益 KP。 根據(jù)上述結(jié)論，可按如下步驟對參數(shù)是行先比例，后積分，再微分的整定步驟。 PID 各參數(shù)對系統(tǒng)品質(zhì)的定性影響： 1)增益 KP與系統(tǒng)快速性成正比，與系統(tǒng)的靜差成反比。本文采用的是試湊法。 基本型 PID 控制器需要整定參數(shù)有比例增益 KP，積分時間 TI，微分時間 TD和采樣周期 T。 PID 控制方式確定后，還要解決參數(shù)整定問題。 如果由于負(fù)載突變等原因，引起誤差的階躍，若根據(jù) PID 算法公式計算出控制變量 U超出控制范圍，例如 U≥Umax ，那么事實上控制變量 U就只能取上屆值，而不是計算值，此時 系統(tǒng)變量 Y 輸出值雖在不斷上升，但由于控制量受到限制，其增長要比沒有受到限制時慢，誤差 e 將正比正常情況下持續(xù)更長的時間保持在正值，而使積分項的累積值很大，還要經(jīng)過一段時間后，控制變量 u才脫離飽和區(qū)，這樣使系統(tǒng)出現(xiàn)明顯的超調(diào)。 PID 算法的改進 在實際的控制系統(tǒng)中，控制變量實際輸出往往受到執(zhí)行機構(gòu)性能的約束，如放大器的飽和，閥門旋轉(zhuǎn)角度的限制，而被限制在有限的范圍內(nèi)，即： Umin≤U≤Umax () 其變化也局限在一定的范圍內(nèi)，即由此引起的不期望的效應(yīng)，稱為飽和效應(yīng)。 2)為實現(xiàn)手動 —— 自動無擾切換，在切換瞬時，計算機的輸出值應(yīng)設(shè)置為原始閥門開度，若采用增量型算法，其輸出對應(yīng)于閥門位置的變化部分，即算式中不出現(xiàn) u0項，所以易于實現(xiàn)從手動刀自動的無擾動切換。所以在實際中當(dāng)執(zhí)行機構(gòu)需要的不是控制量的絕對值，而是其增量時， 可以采用增量型 PID 算法，縣推導(dǎo)如下： u(k)=u(k)u(k1) =KP{e(k)+T/TIΣe(j)+TD/T[e(k)e(k1)]+ T/TIΣe(j)+TD/T[e(k1)e(k2)] =KP{e(k)e(k1)+T/TI*e(k)+TD/T[e(k)2e(k1)+e(k2)]} () 令 KI=KPT/TI,KD=KPTD/T,則式中可寫成 ： 1u(k)=KP[e(k)e(k1)]+KIE(k)+KD[e(k)2e(k1)+e(k2)] () 為了更易于編程，可將上式進一步寫成： u(k)=a0e(k)+a1e(k1)+a2e(k2) () 式中， a0=KP+KI+KD a1=KP2KD a2=KD 當(dāng)控制系統(tǒng)中的執(zhí)行期為步進電機，電動調(diào)節(jié)閥，多圈電位器等具有保持歷 28 史為之的功能的這類裝置時，一般均采用增量 PID 的控制算法。從上式可以看出， u（ k）是全量值輸出，每次輸出值都與執(zhí)行機構(gòu)的位置（如控制閥門的開度）一一對應(yīng)，所以稱之為位置型 PID 算法。 標(biāo)準(zhǔn)數(shù)字 PID 的控制算 為了實現(xiàn)微機控制生產(chǎn)過程變量，必須將模擬的 PID 算式進行離散化，變?yōu)閿?shù)字 PID 算式，為此，在采樣周期 T 遠(yuǎn)小于信號變化周期時，作如下近似（ T是足夠小時，如下逼近相當(dāng)準(zhǔn)確，被控過程與連續(xù)系統(tǒng)十分接近）： u(t)≈u(k) () e(t)≈e(k) () ∫0t edt≈Σe(j)△ t=Tσe(j) () de/dt≈[e(k)e(k1)]/△ t=[e(k)e(k1)]/T () 式中 T 為采用周期， k 為采樣序號， k=0， 1， 2， …… ， j， …… ， k。與模擬化設(shè)計方法相比更具有一般 的意義，它完全是根據(jù)采樣系統(tǒng)的特點進行分析與綜合，并導(dǎo)出相應(yīng)的控制規(guī)律的 【 23】 。選擇較大的采樣周期后對控制質(zhì)量有較高的要求時，就不能采用數(shù)字控制器的模擬化的設(shè)計方法，而應(yīng)該選擇數(shù)字控制器的直接設(shè)計方法。數(shù)字 PID控制算法，是立足于連續(xù)系統(tǒng) PID 控制器的設(shè)計，然后用微機進行數(shù)字模擬，這種方法稱為模擬化設(shè)計方法。 PID 調(diào)節(jié)的傳遞函數(shù)為： D（ S） =U（ S） /E（ S） =KP+KP/TI*1/S+KPTD*s （ ） 在工業(yè)過程控制中，模擬 PID 調(diào)節(jié)器的執(zhí)行機構(gòu)有電動，氣動，液動等類型，PID 調(diào)節(jié)規(guī)律用硬件實現(xiàn)。 在 PID 三作用調(diào)節(jié)器中，微分調(diào)節(jié)主要是用來加快系統(tǒng)的響應(yīng)速度，減小超調(diào)，克服振蕩。因此在實際生產(chǎn)中往往在積分調(diào)節(jié)的基礎(chǔ)上加入比例調(diào)節(jié)，把比例作用的及時性與積分作 用的消除靜差的優(yōu)點結(jié)合起來構(gòu)成比例積分調(diào)節(jié)器 【 22】 。在被調(diào)量的偏差消除后，由于積分規(guī)律的特點，輸出將停留在新的圍子而不回復(fù)原位，因此能保持靜差為零。 2)比例積分調(diào)節(jié)器 采用比例調(diào)節(jié)的系統(tǒng)存在靜差，為了消除靜差，在比例調(diào)節(jié)器的基礎(chǔ)上加入積分調(diào)節(jié)器，組成比例積分調(diào)節(jié)器，其控制規(guī)律為： u= KP（ e+1/Ti∫ 0T dt） +u0 () 式中 Ti 為積分常數(shù)， Ti 越大積分作用越小。只有在控制作KP KP/TIS KP TDS 控制對象 26 用為 u0 時才會出現(xiàn)零靜差（此時偏差 e=0）。 【 18】 PID 控制規(guī)律的基本作用： PID 調(diào)節(jié)器是一種線形調(diào)節(jié)器，其框圖如下： 圖 41 PID 調(diào)節(jié)器控制方框圖 下面分別討論比例調(diào)節(jié)器 P，積分調(diào)節(jié)器 I，微分調(diào)節(jié)器 D的作用： 1)比例調(diào)節(jié)器（ P） 式中， KP為比例系數(shù)， u0為偏差 e=ry=0 時的控制作用（如原始閥門開度，基準(zhǔn)電壓等）。 PID調(diào)節(jié)是連續(xù)系統(tǒng)中技術(shù)最成熟，應(yīng)用最廣泛的一種控制算法，它結(jié)構(gòu)靈活，不僅可以用常規(guī)的 PID 調(diào)節(jié)，而且可以根據(jù)系統(tǒng)的要求，采用各種 PID 的變形，如PI， PD 控制及改進的 PID 控制等。 圖 313 放電電路 當(dāng)單片機端口 Discharger 為低電平時，三極管基極通過電阻分壓足以導(dǎo)通三極管，電池處于放電狀態(tài)。 圖 312按鍵電路 放電電路 放電電路如圖 313 所示，通過電阻 R2， R3 和一個三極管 8050 組成的放電電路，通過單片機 IO口的高低電平，來控制三極管導(dǎo)通和關(guān)斷，來控制電池的 24 放電，電池和電阻 R4 還有三極管組成放電回路。 可以用一個晶體三極管驅(qū)動 ， 采用 P1 端子用來在出現(xiàn)故障時，可以人為的停止蜂鳴器報警。壓電式蜂鳴器約需 10mA的驅(qū)動電流 .因此可以使用 TTL系列集成電路低電壓驅(qū)動 .如下圖 311 所示 :驅(qū)動器的輸入端的 RC6,當(dāng) RC6 輸出高電平 1時 ,使壓電蜂鳴器引線獲得將近 5V的直流電壓 ,而產(chǎn)生蜂鳴音響 .當(dāng) RC6輸出低電平 0 時 ,壓電蜂鳴器的兩引線間的直流電壓降至接近于 0V，發(fā)音停止 .蜂鳴音報警的發(fā)音器件常用壓電式蜂鳴器 【 16】 。但對于一些緊急情況，則需以特殊的方式，提醒現(xiàn)場操作人員注意或采取緊急措施。 【 15】 在微型機控制系統(tǒng)中，常規(guī)的報警可通過指示燈或數(shù)碼管顯示給予指示。當(dāng)沖電結(jié)束后指示為 電池充電完成，請及時更換充電電池。 圖 39 溫度檢測模塊 22 充電指示電路 310 溫度指示電路 充電指示電路如圖 所示，該電路主要是用來完成對電池充放電狀態(tài)的指示，采用 12864 液晶顯示模塊來進行顯示，采用并行通信方式，單片機 IO 口充足的情況下。 在快速充電的過程中，電池的溫度會隨著充電容量的增加而上升，尤其在接近充電終止時，溫度變化率 ? T/? t最大，該特性是判斷電 池是否充滿的主要條件之一，因此，及時 ,快速和準(zhǔn)確的監(jiān)測電池的溫度變化是本電路的關(guān)鍵 【 13】 。 這次測試中 ,充電方式改進成了設(shè)計中要采用的脈沖充電方式 ,充電時先將次世代電池放電完畢 ,第一階段 ,用采集電壓數(shù)據(jù)采用中值濾波 (60點 ),采集電壓紋波很小 (≤1mV), 當(dāng)電壓變化幅度比較平穩(wěn)時 ,第一階 段充電結(jié)束。提高 PWM的頻率可以減小紋波電壓 ,PIC16F877采用最高的 4MHz晶振 ,輸出的頻率設(shè)置成了最大 20kHz,仍無法滿足要求。紋波電壓是噪聲干擾和輸入不穩(wěn)造成的。充 990ms,關(guān)閉 10ms后再采樣數(shù)據(jù) 【 12】 。必須對采集到的電壓進行軟件濾波才能得知電池充電狀態(tài)真實值關(guān)閉 。電池容 量 1800mAh,充電效率 ： Q =(1115/60)==% ， 而在 21 充電過程中不關(guān)閉輸入電壓的情況下采集到的電壓波動非常大 ,最大達(dá)到了。用 ,電池 2min左右察到了電壓負(fù)增量 (ΔV), 視為電池已經(jīng)充滿。該電路可以穩(wěn)定輸出 電壓。 TL431就是一個比較理想的選擇?；鶞?zhǔn)電壓直接影響電壓和電流采樣的結(jié)果。設(shè)計中 ,R4=, 再用 LM358運算放大器把電壓進行放大 20倍后 ,送 A/D轉(zhuǎn)換器 。設(shè)計中通過一個傳感電阻 R4把流過電池的電流轉(zhuǎn)換成電壓再進行 A/D轉(zhuǎn)換取樣。通過濾波器后 ,經(jīng)過多路選擇開關(guān) CD4051分路進行采集，再通過電壓跟隨器 LM258D輸入到 AD574進行采樣，轉(zhuǎn)換成數(shù)字量后輸入 到單片機內(nèi)部，進行相應(yīng)處理。為了抑制 BUCK變換電路輸出級中的紋波 ， 設(shè)計中采用濾波電路如圖 35所示。 對于給定輸入電壓和輸出電壓 ,電感的峰峰值幅度是個的恒量。當(dāng) PWM輸出低時 ， 電感兩 端的電壓反向 ，電流由二極 管提供 。 BUCK變換器運行遵循規(guī)則 ： 當(dāng) PWM輸出高電平時 ， 電流通過晶體管和電感到電池。 BUCK變換電路如圖 34所示。設(shè)計采用容易控制的、效率高的 BU