【正文】 tronic scale[J].Powder and Bulk Engineering. 1995： 7781 24 附 錄 附錄 A 系統(tǒng)程序 25 致 謝 本次畢業(yè)設計蓄電池智能充放電系統(tǒng)的設計，我是在指導教師郭紅 俊的精心指導和嚴格要求下完成的。很多問題在我解決時恍然大悟，原來這就是課本上說講的內(nèi)容。通過本次畢業(yè)設計，把四年來所學習的各種專業(yè)知識，專業(yè)技能融匯貫通。畢業(yè)設計綜合了大學里我們所學到的專業(yè)知識，雖然還有很多細節(jié)性的問題，并且所做的電子設計也只是處于實驗室階段，但是其可行性以及重要性卻得以全面體現(xiàn)。畢業(yè)設計的完成固然讓人高興，更讓我興奮的是我看到了我學習的方向，體會到了電子世界的神奇。同時，在做畢業(yè)設計的過程中，我也學到了很多東西，從 KEIL 的使用，程序的編譯編寫，到 Protuse 單片機仿真的制作，再到 Altium Designer 原理圖、 PCB 的繪制以及電路板的制作。但是在調試液晶顯示時，由于第一版把 12864 與單片機接口順序顛倒，所以通過按位交替數(shù)據(jù)的方式改變了數(shù)據(jù)的高低位然后實現(xiàn)液晶讀寫命令及數(shù)據(jù)的控制。由于仿真與實物有一定差別，且仿真部分難度較低，探討仿真程序調試意義不大，下面主要講解實物程序調試的過程。 設計中所用的放電系統(tǒng)為通過 MOS 管控制的串聯(lián)的 3 個 1W 燈珠，由于燈珠額定電壓較低，而其供電電壓為電池電壓，所以和普通的小型發(fā)光二極管一樣，在回路中串聯(lián)了一個限流電阻以實現(xiàn)燈珠正常工作的目的。 在本設計中，電池充電控制是采用 MOS 管與電感電容二極管等元件組成的開關降壓電路，充電過程中 ，使用 1Ω /3W 的電阻作為采樣電阻，在采樣電阻后，加上了一個二極管，是放置電池電壓對充電電源以及電流檢測的影響。 電路在最初調試時， MOS 管前面的三極管驅動部分直接用 24V 電壓驅動，電源供電后，三極管就會燒壞，后來查閱資料發(fā)現(xiàn)是因為 S9013 三極管集電極 發(fā)射極電壓雖然能達到25V，但是由于本設計電源為開關電源，所以電網(wǎng)的波動導致 9013 三極管的擊穿。第二種情況是單片機與 12864 液晶的某一個或者某幾個接口接觸不良或者接線錯誤。 21 硬件調試 本系統(tǒng)的硬件原理圖如圖 411，由于仿真與實際有區(qū)別，所以硬件電路的問題很多，需要一步步的調試，直至完成目標任務為止。其系統(tǒng)運行效果圖如下圖 51 所示。 20 仿真 本設計所使用 的仿真軟件為 Protuse，由于 Protuse 中，沒有 STC12C5A60S2 系列的單片機的封裝庫，所以以普通型 51 單片機為仿真模型，以 8 位模 —— 數(shù)轉換芯片 ADC0804作為 ADC 轉換器。在程序編寫的過程中，還要注意程序的邏輯關系，學會程序的模塊化編程。由于串口通信需要進行電平轉換，本設計所用電平是 TTL 電平，當然，也可以使用 RS232 電平，其下載方式和用法類似。 圖 411 鉛蓄電池充放電原理圖 19 圖 412 鉛蓄電池充放電 PCB圖 5 軟件系統(tǒng)設計 程序的編譯鏈接 單片機的程序是通過 KEIL 編寫編譯的，生成的 .HEX 文件通過串口下載到單片機中。 需要注意的是最終的輸出結果應該為 u(K)+增量調節(jié)值。 微分環(huán)節(jié)用斜率的形式表示，即 [err(K)err(K1)]/T。 如圖 410 分壓電路 關于 PID算法連續(xù)狀態(tài)的公式如下： 假設采樣時間間隔為 T，則在第 KT時刻：偏差 Err(k)=Rin(k)Rout(k)。 由于充電電壓為 915V,而單片機的檢測電壓為 05V，所以充電電壓的檢測需要進行17 分壓然后再送到單片 機進行采樣處理。若出現(xiàn)問題，單片機立即關斷 MOS 管，并通過 LCD12864 提示錯誤。 基于以上原因，系統(tǒng)根據(jù)蓄電池的充電特性，采用模糊 PID 控制算法，它能夠實時采集電池充電過程中的電流、電壓等模擬量，使充電始終 在最佳狀態(tài)下進行，實現(xiàn)了高效、快速、無損的充電過程。 16 圖 49 智能降壓模塊 鉛酸蓄電池充電方法及 PID 算法 傳統(tǒng)的鉛酸蓄電池充電方法由于充電狀態(tài)的不合理性，可能會導致電池充電不足、過充等問題，而且這些方法充電時間過長，溫升過快。本設計中使用可調 降壓模塊降壓。開關斷開時， C2對負載放電，這有利于維持 Uo和 Io不變。 （ 2）當開關斷開時， L1與 UI斷開，但由于通過電感的電流不能在瞬間發(fā)生突變，因此在 L1上就產(chǎn)生反向電動勢以維持通過電感的電流不變。（由公式 L*di/dt=U可以看出， U、 L不變，則 di/dt為常數(shù)，即 I線性增加。這是因為開關型降壓電路控制方便，電路簡單明了，可以在進行 PID恒流充電時進行快速而精確的控制。其電路原理圖如下圖 47 所示。 14 圖 46 LCD12864液晶管腳定義 P 溝道 MOS 管驅動電路 本設計系統(tǒng)中所用 MOS 管為 P 溝道 MOS 管，且屬于低壓控制 高壓，如果直接驅動，會遇到單片機高電平時 MOS 管不能完全關斷的情況，為了解決這個問題，特設計如下電路，第一級三極管起到高電壓電平置高置低的目的，后面的互補輸出級可以實現(xiàn)保證高低電平迅速切換的目的。 LCD12864的實物圖如下圖 45所示。該液晶模塊，通信方式可以選擇串口或并口。利用該模塊靈活的接口方式和簡單、方便的操作指令，可構成全中文人機交互圖形界面。 （ 16） STC12C5A60S2 系列有雙串口，后綴有 S2 標志的才有雙 串口， RxD2/(可通過寄存器設置到 )， TxD2/(可通過寄存器設置到 )。 （ 14）兩路 PWM：可用來再實現(xiàn) 2 個定時器，也可用來再實現(xiàn) 2 個外部中斷 (上升沿中斷 /下降沿中斷均可分別或同時支持 )。 （ 12）共 4 個 16 位定時器，兩個與傳統(tǒng) 8051 兼容的定時器 /計數(shù)器 ,16 位定時器 T0 和T1，沒有定時器 2，但有獨立波特率發(fā)生器 做串行通訊的波特率發(fā)生器 再加上 2 路 PCA模塊可再實現(xiàn) 2 個 16 位定時器 。 （ 9）內(nèi)部集成 MAX810 專用復位電路； （ 10）外部掉電檢測電路 :在 口有一個低壓門檻比較器， 5V 單片機為 ，誤差為 +/5%, 單片機為 ，誤差為 +/3%。 （ 7）有 EEPROM 功能 (STC12C5A62S2/AD/PWM 無內(nèi)部 EEPROM)。 （ 5）通用 I/O 口 (36/40/44 個 )，復位后為：準雙向口 /弱上拉 (普通 8051 傳統(tǒng) I/O 口 )，可設置成四種模式：準雙向口 /弱上拉， 推挽 /強上拉，僅為輸入 /高阻，開漏，每個 I/O 口驅動能力均可達到 20mA，但整個芯片最大不要超過 55mA。 STC12C5A60S2 有 LQFN、 QFN 以及直插等幾種封裝，其 引腳圖如下圖 44 所示： 11 圖 44 STC90C52RC引腳圖 12 STC12C5A60S2 系列單片機特點 STC12C5A60S2 是 8051 系列 單片機，其主要特點如下： （ 1）增強型 8051 CPU， 1T，單時鐘 /機器周期，是新一代 8051 單片機，其具有低功耗、高速、抗干擾能力強等優(yōu)點，完全兼容傳統(tǒng) 8051 的指令代碼 ,但速度比普通 51 單片機快812 倍； （ 2） STC12C5A60S2 系列單片機工作電壓： （ 3）用戶應用程序空間 60K 字節(jié) 。內(nèi)部集成 2 路 PWM,8 路高速 10 位 A/D 轉換 (250K/S)等資源。自從單片機誕生以來，其發(fā)展速度很快，目前已有幾千個種類，應用越來越廣泛。 STC12C5A60S2 單片機 STC12C5A60S2 系列單片機簡介 單片機，又叫單片微型控制器 ,它是把一個計算機系統(tǒng)集成到一個芯片上，相當于一個微型計算機。 （ 5） 調試，實現(xiàn)功能要 求。將編寫的程序生成的 .HEX文件通過串口的方式下載到單片機中，驗證程序是否存在 Bug。 （ 5）編寫實際系統(tǒng)的程序。 完成 PCB圖之后，將 PCB板做成電路板，去電子市場購買此次畢業(yè)設計所需要的元器件。 按照仿真圖中驗證的電路，使用 Altium Designe 繪制硬件電路原理圖，當然，原理圖與 PCB 的封裝庫也都需要先制作完成，然 后將原理圖導成 PCB，并手動布線完成 PCB 電路板的制作。通過編譯器 Keil 編寫 51 單片機的C 語言程序，將 生成的 .hex 文件下載到仿真圖的單片機中，由于鉛蓄電池的充放電系統(tǒng)在Proteus 仿真軟件中有些元器件是沒有元件庫的，所以仿真的程序以及電路跟實際的系統(tǒng)電10 路有一些差別，但是根據(jù)仿真電路可以使得系統(tǒng)在實際制作中解決很多電路問題。 先安裝 Proteus 仿真軟件，然后在此仿真軟件中放置各個硬件電路模塊需要用到的各個部件，并對其進行連線。 根據(jù)總體的設計要求，對系統(tǒng)的電路結構框圖進行合理的設計。 系統(tǒng)設計的總體結構框圖，如圖 41 所示： 圖 41 系統(tǒng)的總體結構框圖 當電源上電后，通過按鍵操作單片機是充電還是放電，如果是放電狀態(tài)，充電電源斷開，大功率 LED 燈亮，蓄電池處于放電狀態(tài)，若電池電量過低， 12864 液晶會出現(xiàn)電池電量過低的提示，并斷開燈的電源，結束放電狀態(tài)；如果是充電狀態(tài)，液晶上會直觀的顯示電池電壓、充電電流等信息，電池在充電過程中會根據(jù)電池電壓的狀態(tài)通過 PID算法智能8 調整充電電流大小，使得充電電流更貼近鉛蓄電池充電電流的曲線，當電池充滿后，系統(tǒng)會自動將充電電源 斷開，充電結束。 本系統(tǒng)以 STC12C5A60S2 為控制核心，與外圍電路組成充放電管理系統(tǒng)。 7 4 硬件系統(tǒng)設計 設計思路 系統(tǒng)的基本構成及工作原理 用單片機的 ADC通道通過一個采樣電阻采集鉛蓄電池充電電流的大小，然后經(jīng)過單片機的 PID 處理調節(jié)充電電流，使得充電電流能滿足蓄電池充電電流曲線的要求，再加上LCD12864顯示電池電壓，充電電流，充電狀態(tài)及放電狀態(tài)信息等。 方案三 使用 STM32 系列單片機進行數(shù)據(jù)的處理， STM32 屬于 32 位單片機，系統(tǒng)資源豐富，完全能勝任本次設計的要求，但是 STM32 的成本相對來說也高些，本設計我們需要用到的資源主要有 PWM 及 ADC，相對于 STM32，資源會浪費許多。 方案二 通過 PWM波形發(fā)生器及 TLC1549 進行模擬量采樣，再通過 STC89C52 進行數(shù)據(jù)處理及控制，使用 LCD1602 進行數(shù)據(jù)的顯示，采樣的電壓值經(jīng) PID 調節(jié)后，通過 MOS 管控制鉛蓄電池充放電的過程。 6 3 設計方案的選擇 方案一 由于本設計需要用到 PWM及 10位的 ADC，而 STC12C5A60S2 內(nèi)部已經(jīng)集成了這些資源，應用非常方便，所以采用 STC12C5A60S2作為主控單片機，再通過 LCD12864 實時顯示整個充放電系統(tǒng)的狀態(tài)。 具體要求 （ 1）需要能夠實現(xiàn)對鉛酸蓄電池充電過程中充電電流的 PID 調節(jié)。蓄電池充電系統(tǒng)數(shù)字化管理可以方便的實現(xiàn)各種復雜的充電控制方法，能夠對蓄電池的充電過程進行實時的監(jiān)控和顯示 處理等，能很好的滿足在無人監(jiān)控和遙控方式的鉛酸蓄電池充電需求 。傳統(tǒng)的充電方式已經(jīng)不能滿足生活節(jié)奏不斷加快的社會需求，新型高效的鉛酸蓄電池充電系統(tǒng)日益顯現(xiàn)出其重要性。但由于其成本低，放電過程平穩(wěn)，使用壽命長且無污染等優(yōu)點，在未來的幾十年中，其還會發(fā)揮無與倫比的重要性。這些充電方法開始擺脫傳統(tǒng)充電方法的思路束縛，逐漸將模糊控制算法引入充電過程中，利用模糊控制技術本身適合處理多輸入多輸出非線性系統(tǒng)的優(yōu)勢，更好的處理蓄電池充電過程中的時變性和干擾性等問題。針對傳統(tǒng)的充電方法的種種不足，國內(nèi)外陸陸續(xù)續(xù)提出了一些新型高效的充電方法，努力 改變現(xiàn)狀。傳統(tǒng)意義上鉛蓄電池的充電技術，主要可以分為恒流充電、恒流限壓充電、恒壓充電以及恒壓限流充電等，這些都是人工控制充電過程，沒有根據(jù)電池的實際充電情況動態(tài)調節(jié)充電參數(shù)，這不僅僅造成了電池充電時間長，而且大多存在非常嚴重的虛沖、過充等現(xiàn)象，影響 了蓄電池正常使用，遠不能滿足現(xiàn)代生產(chǎn)和生活的需求。 隨著鉛酸蓄電池工業(yè)的不斷發(fā)展進步，它的應用范圍越來越廣，普及型越來越高。國際電工委 員會制定了“攜帶式鉛酸蓄電池 (閥控式 )” IEC15061推薦標準。在充放電過程中，產(chǎn)生的氣體內(nèi)部發(fā)生化合反應，因此無酸液、酸霧的溢出，達到了密封免維護的效果。 80 年代初期，一位美國的科學家發(fā)明了免維護密封電池，后來經(jīng)過不斷的改進，最終發(fā)展成了今天的密封式免維護鉛酸蓄電池。這樣做的結果就是，電解液由液體變成膠體，離子的導電能力下