基于单片机的铅酸蓄电池充电装置的设计

I(A)、U（V）1CU(t)I（t）0.09C0t(h) 在快充阶段（0～t1），充电器以恒定电流1C对蓄电池充电，由单片机控制快充时间，避免过量充电；在慢充阶段（t1～t2），单片机输出PWM控制信号，控制斩波开关通断，以恒定电压对蓄电池进行充电，此时充电电流按指数规律下降，当电池电压上升到规定值时，结束慢充，进入涓流充阶段；在涓流充阶段（t2～t3），单片机输出的PWM控制信号，使充电器以约0.09C的充电电流对蓄电池充电，在这种状态下，可长时间对蓄电池充电，从而能最大限度地延长蓄电池寿命。 系统的结构框图如下： 快充t1慢充t2涓流充t3 220V交流电源 电源变换电路 斩波电路 隔离、驱动电路 铅酸蓄电池 辅助电源 单片机 电流、电压检测电路 三、设计（论文）的研究重点及难点： 1、重点 （1）、滤波电路中电容和电感的选择 （2）、开关电源的设计 （3）、单片机程序的设计 （4）、恒流恒压闭环反馈回路的设计 2、难点 （1）、电路图和PCB图的绘制 （2）、仿真调试 （3）、采样电路的设计 （4）、控制程序的编写 四、 设计（论文）研究方法及步骤（进度安排）： 1、第1周：选题，下达设计任务书，理解相应的设计内容； 2、第2-6周：查阅和收集资料，确定设计方案，完成开题报告； 3、第7-8周：根据设计方案设计硬件电路，选择合适的元件、仪器仪表，进行

电路参数计算，完成电路图的绘制； 4、第9-12周：进行软件系统的设计和调试，优化硬件及软件系统； 5、第13-14周：开始撰写论文，完成初稿并提交； 6、第15周：论文修改阶段； 说明：特殊情况下日程安排可作弹性调整。 五、进行设计（论文）所需条件： 1、参考文献 [1] 扬帮文.实用电池充电器与保护器电路集锦[TM].北京：电子工业出版社.2000. [2] 王鸿钰.实用电源技术手册[TM].上海：上海科学技术出版社.2002. [3] 梁廷贵.现代集成电路实用手册（集成运算放大器 电压比较器分册）[M].北京：科学技术文献出版社.2002. [4] 张占松，蔡宣三.开关电源的原理与设计[TN].北京：电子工业出版社.2004. [5] Marty Brown著，徐德鸿，沈旭译.开关电源设计指南[TN].北京：机械工业出版社.2004. [6] 王兆安,黄俊.电力电子[TM].北京： 机械工业出版社,2000. [7] 周志敏,周纪海,纪爱华.充电器电路设计与应用[TM].北京：人民邮电出版社,2005. [8] 杨郑成.智能充电器的设计[J].湖州职业技术学院学报,2004.(6):120～123. [9] 丁志亮等.智能铅酸电池充电器的设计[J].电源技术应用,2006.9(4):17～18. [10] 胡湘娟,杨毅.多功能充电器的设计[J].湖南技术学院学报,2005.26(11):53～54. 2、所需计算机软件有：protel99，keil，Proteus,altium designer 六、指导教师意见： 签名： 年 月 日

摘要：铅酸蓄电池容量大、制造成本低、价格低廉，使用广泛。由于其固有的特性，若使用不当，使用寿命将大大缩短。很多的因素都会影响铅酸蓄电池的使用寿命，为延长蓄电池的使用寿命，必须采用正确的充电方式。因此，设计一种全新的智能型铅酸蓄电池充电器是十分必要的。

设计的铅酸蓄电池智能充电器，包括对充电方法的选择和充电装置系统的设计。根据对铅酸蓄电池的充电特性的分析，集合恒流、恒压、涓流三个充电方式的优点，采用单片机PIC16C54控制，根据电流、电压的自动反馈，采用脉宽调制技术来调节电压，分为快充、慢充、涓流充电三阶段。这种充电方法可以使充电电流在总体上逼近蓄电池的可接受充电电流曲线。

实验证明，基于单片机PIC16C54控制的铅酸电池智能充电器，它能有效发挥快速调整时间和充电的特性，可以提高电池的使用容量并延长电池的使用寿命，它通过提供了一个全新的有效的方式来提高电池的性能和可靠性，将会有一个好的应用前景。

关键词：铅酸蓄电池；智能充电；单片机；脉冲宽度调制(PWM)

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Abstract:Lead-acid battery has many advantages, such as large capacity, low manufacturing cost, low price and wide scope of application. Because of its inherent characteristics, if it used improperly, the service life will be greatly shortened. A lot of factors will affect the life of lead-acid batteries, to prolong the battery life, choosing a correct charging method is necessary. Therefore, it is necessary to design a new intelligent lead-acid battery charger.

A intelligent lead-acid battery charger was designed, including the selection of the charging method and the charging device system. Gathering three charging way’s advantages, three charging way includs constant current charging, constant voltage charging and trickle charging. According to automatical feedback of the current and voltage, the single chip microcomputer PIC16C54 is used to control and the pulse width modulation techniques are used to regulate the voltage, the whole charging process can be divided into three stages, they are quick charging, slow charging and trickle charging. This charging method can be made to approach the battery charging current on the overall acceptable charging current curve.

Experiments show that the lead-acid battery smart charger which is based on single chip microcomputer PIC16C54’s control can effectively adjust the time and charge fastly, as the same time, it can improve the capacity of the battery and prolong the service life of the battery. The smart charger provides a new effective way to improve performance and reliability of the battery, it will be a good application prospect.

Key words: lead - acid batteries; intelligent-charging; single chip computer; pulse width modulation

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目录

引言 ................................................................ 1 1 概述 .............................................................. 2

1.1 课题研究的背景 .............................................. 2 1.2 课题研究的意义 .............................................. 2 2 充电方案的选择及系统的整体结构 .................................... 3

2.1 课题的总体设计方案 .......................................... 3 2.2 充电方法的选择 .............................................. 3

2.2.1 恒流充电 ............................................... 3 2.2.2 恒压充电 ............................................... 3 2.2.3 浮充方式 ............................................... 4 2.2.4 涓充方式 ............................................... 4 2.2.5 分阶段充电方式 ......................................... 5 2.3 系统的整体结构 .............................................. 6 2.4 本章小结 .................................................... 6 3 充电器硬件部分的设计 .............................................. 7

3.1 充电器的充电过程及工作原理 .................................. 7

3.1.1 充电过程分析 ........................................... 7 3.1.2 充电器的工作原理 ....................................... 7 3.2 充电控制电路的设计 .......................................... 8

3.2.1 单片机的选择 ........................................... 9 3.2.2 控制电路的设计 ........................................ 10 3.3 开关电源PWM控制电路的设计 ................................. 12

3.3.1 TL494的简介 .......................................... 13 3.3.2 TL494的工作原理 ...................................... 13 3.3.3 TL494外围电路的设计 .................................. 17 3.4 开关电源主回路设计 ......................................... 19

3.4.1 功率开关元件的选用 .................................... 19 3.4.2 滤波电路的设计 ........................................ 21 3.4.3 开关管驱动电路的设计 .................................. 22 3.5 辅助电源电路的设计 ......................................... 24 3.6 显示电路的设计 ............................................. 25 3.7 本章小结 ................................................... 27 4 软件部分的设计 ................................................... 28

4.1 软件的功能 ................................................. 28 4.2 PIC系统指令设计 ............................................ 28

4.2.1 指令系统基本说明 ...................................... 28 4.2.2 指令寻址方式 .......................................... 29 4.3 程序流程图 ................................................. 30 5 总结 ............................................................. 35 参考文献 ........................................................... 36 谢辞 ............................................................... 37 附录一 主电路图 ................................................... 39 附录二 程序清单 ................................................... 40

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毕业设计(论文)

题 目 铅酸蓄电池充电装置的设计 学院名称 电 气 工 程 学 院 指导教师 职 称 班 级 学 号 学生姓名

2013年 06 月 03 日

南 华 大 学

毕业设计（论文）任务书

起 止

学 院： 电气工程学院

题 目： 铅酸蓄电池充电装置的设计

间：2012年12月20日至2013年06月 学 生 姓 名：

专 业 班 级： 指 导 教 师： 教研室主 任： 院 长：

2012年 12月 20日

时 日

论文 (设计) 内容及要求： 一、毕业设计（论文）原始依据 牵引式铅酸蓄电池是应用广泛的蓄电池之一，蓄电池放电后的充电问题一直是一有争议的问题，目前很多所配的充电机由于性能技术不完善，常常导致蓄电池提前损坏的现象，比如蓄电池生产厂家标明的蓄电池循环使用次数为750次，其使用年限应该为2～3年左右，但统计表明，目前电池的的平均寿命仅为一年多，这里面除了有蓄电池使用不当的因素外，另一主要原因就是充电机的原因。针对牵引式铅酸蓄电池的特点，设计一个恒流-恒压-恒流的充电装置，自动完成充电过程，减小对蓄电池的伤害，以延长电池的使用寿命。 二、毕业设计（论文）主要内容 利用单片机的软、硬件技术，设计一台具有IUIa特性的牵引式铅酸蓄电池智能充电装置，该装置能够实现对蓄电池的电压进行检测、判别，按IUIa特性曲线进行充电，对充电过程进行自动监控。学习设计利用计算机控制技术和SCR控制方法，完成对蓄电池的恒流-恒压-恒流的充电过程的自动控制。设计出系统的总体方案，设计数据采集、放大、转换电路，给出硬件电路和软件流程图。 1、设计单片机接口电路；设计充电控制电路； 2、设计蓄电池电压、充电电流、蓄电池温度等参数的测量转换电路； 3、设计电压、电流、温度等参数的显示电路； 4、设计充电过程的软件流程并调试程序； 5、绘制符合标准的设计图纸；编写设计资料、论文。 三、毕业设计（论文）基本要求 1、 2、 3、 4、 5、

按设计任务、内容的要求完成充电装置的软、硬件设计工作。 毕业设计论文字数要求在15000字以上，论文格式规范，应包括目录、画出电路原理图，原理框图及程序流程图，图文符合规范要求。 论文所有电路图要求全部打印装订。程序清单作为附录附在最后。 翻译一篇相关的英文专业论文，字数不少于3000单词。 摘要、关键词、正文、参考文献等。摘要和关键词译成英文。

四、毕业设计（论文）进度安排 设计的 第1周，下达设计任务书，理解相应的设计内容； 第2~4周，查阅资料阶段； 第5~6周，写文献综述，大致确定设计方案，在第六周完成开题报告； 利用寒假期间完成英文文献的翻译工作。 第7~9周，硬件电路设计阶段，包括各电路参数计算，元器件的选择，仪表的选型，并绘制各单元电路和总电路图； 第10~12周，软件设计和调试阶段； 第13~15周，设计论文撰写阶段，在设计第十四周前完成论文初稿。 五、主要参考文献 [1] 高飞燕. 智能牵引式蓄电池IUIa特性充电机[J].电子技术，30(7)，10～13，2003 [2] 黄俊、王兆安. 电力电子变流技术[M]. 北京：机械工业出版社，2005 [3] 贾英江、王立冬、王维斌. 铅酸蓄电池充电方法初探[J].电源技术.2001年2月:27~28 [4] 郭亮.电动车用蓄电池充电技术的进展[J].电池.2002年8月：245~246 [5] 郭鑫、袁海文、黄进文.电池充电控制技术的研究[J].电力电子.2006年4期：24~27 [6] 张幸、杨伟民 、李纲园.智能化电池充电装置的研究[J].上海理工大学学报.2004年11月：381~384 [7] 赵禹唐、王希业.铅酸电池充电技术[J].电源技术.2001年10月：375~377 [8] 李学海．PIC单片机原理、PIC单片机实践[M]．北京：北京航空航天大学出版社，2004 指导老师： （签 名） 年 月 日

南华大学本科生毕业设计（论文）开题报告

设计（论文）题目 设计（论文）题目来源 铅酸蓄电池充电装置的设计 自选课题 起止时间 2012.12.20~2013.6 设计（论文）题目类型 工 程设计类 一、设计（论文）依据及研究意义： 中国在全球试铅酸蓄电池的产销大国，铅酸蓄电池已有200多年的历史，是应用广泛的一种动力电源。具有价格低廉、原材料易得、可靠性好等优点，目前约有96％的市场占有率。铅酸蓄电池作为稳定电源和直流电源，需求广泛，用量巨大，与我们的社会生活息息相关。由于铅酸蓄电池维护简单、供电可靠、价格低廉、使用寿命长，广泛作为飞机、汽车、轮船等机动车辆或发电机组的启动电源，也在各类便携式仪器仪表和需要不间断供电的电子设备中用作一些电器及控制回路的工作电源。 蓄电池放电后的充电问题一直是具有争议的问题，目前很多充电机由于性能技术不完善，常常导致蓄电池损坏的现象。随着经济的发展，蓄电池的应用迅速增加，人们希望能快捷、安全地对蓄电池进行充电。因此，为了适应市场的需求，我们需要设计一种恒流-恒压-恒流铅酸蓄电池智能充电器。 二、设计（论文）主要研究的内容、预期目标：（技术方案、路线） 此次设计利用单片机的软、硬件技术，设计一台具有恒压-恒流特性的牵引式铅酸蓄电池智能充电装置，该装置能够实现对蓄电池的电压进行检测、判别，按U-I特性曲线进行充电，对充电过程进行自动监控。基本内容有： 1、有关铅蓄电池的电化学原理和充放电原理。 2、关于充电器对铅蓄电池充电的原理及其电路设计。 3、涓电流对电池充电的原理及其特点。 4、充电器对充电过程的检测及其自动转换。 5、充电器在充电过程中对电池的保护功能。 6、电路设计及其元件的选择调试等。 本次设计采用的方案是分阶段充电方法，充电曲线图如下：

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引言

电池是一种化学电源，是通过能量转换而获取电能的器件。化学电源是在氧化还原的电化学过程中将化学能转化为电能的。一次电池是一次性使用的电池，二次电池是可多次反复使用的电池。二次电池又称可充电电池或蓄电池，能将化学能和直流电能相互转化且放电后能经充电复原重复使用的装置叫蓄电池。常用的蓄电池有铅酸、福镍、氢镍和锉离子电池。目前所有二次电池中使用最广泛、技术最成熟的是铅酸蓄电池。整个电池使用中铅酸蓄电池占有很大的比重，据统计大约在65%以上。铅酸蓄电池具有电动势高、能进行大电流放电、使用温度范围宽、性能稳定、工作可靠、价格低廉、原材料来源丰富等优点，因此广泛应用在国民经济的各个领域，尤其在电动汽车动力电源、工矿电机车动力电源、汽车起动电源等方面。

铅酸蓄电池因其可循环再充电的特性，以及成本低廉、使用安全、无污染等优点，在目前生活中的需求正日益增大。相应的，蓄电池的充电技术也引起了普遍地关注。一方面，传统的充电方法正常充电时，以10h或20h率电流进行充电。这时需要时间一般为10多个小时，甚至20多个小时，充电时间长，而且使用不便。另一方面，充电技术不能适应铅酸蓄电池的特殊要求，会严重影响蓄电池的寿命。国内外多年来的实践证明，铅酸蓄电池浮充电压偏差5%，电池的浮充寿命将减少一半。在其他方面，由于充电方法不正确，铅酸蓄电池也很难达到规定的循环寿命。衡量蓄电池的性能指标，常常以①工作电压;②电池容量;③工作温区;④循环寿命四方面的性能参数来表征。其中影响电池的循环寿命最关键的有二点，一是使用时不过放不过充，二是蓄电池的充电机的性能好坏，充电机的充电方法选择不当，会直接影响电池的循环寿命。目前很多所配的充电机由于性能技术不完善，常常导致蓄电池提前损坏的现象。因此，研究如何延长蓄电池的寿命，提高蓄电池的使用效率，设计一种全新的智能型铅酸蓄电池充电器显得十分重要。针对铅酸蓄电池的特点，设计一个恒流-恒压-恒流的充电装置，自动完成充电过程，减小对蓄电池的伤害，以延长电池的使用寿命。

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1 概述

1.1 课题研究的背景

电池是一种化学电源，是通过能量转换而获得电能的设备。也被称为可再充电电池或蓄电池被激活的充电电池的放电后的活性物质继续使用的二次电池。当对电池充电时，电能转变为化学能，实现向负荷供电，伴随吸热过程。应用过程中的可充电电池，充电器是使用的设备，是其成功的关键，可充电电池一问世，充电器设计就是一个关键问题，因为直接影响充电电池的两个重要方面：充电电池的使用容量及循环寿命。因此，直到二十世纪中叶，充电器的技术都没有取得大的进展，常用的恒流或恒压充电方法，效果比较差。这种情况一直持续，直到六十年代MASCC博士基于最低出气率曲线原理，发现可接受的电池充电电流的大小随时间而减少这一规律，证实恒流或恒压充电是不是最合适的方法。根据MASCC的曲线，提出了两阶段，三阶段的多段充电方式。所谓的两阶段的第一阶段以恒定电流或恒定电压对电池进行充电，当电池电压达到一定的水平，然后涓流充电；所谓的三阶段充电先以恒定电流充电，直到电池电压达到一定值时，转入第二阶段，即恒定电压充电阶段，当电流降到某种程度时，进入第三阶段涓流充电。

经过几十年的发展，铅酸蓄电池充电技术已较为成熟。由于使用这种电池的性能接近镍镉电池，而且不需要维护，国内铅酸电池使用量逐渐增加。充电器在近几年的进步已经取得明显进步的标志就是世界上最的半导体制造商纷纷推出自己的充电芯片，其中一些还带有中央处理器。本文也将应用单片机PIC16C54，设计一款智能型铅酸蓄电池充电器。

1.2 课题研究的意义

由于铅酸电池有许多因素影响电池的寿命和容量，为了提高效率，消除偏振，缩短充电时间，在分析铅酸电池的充电特性的基础上，集合涓流充电和恒定电流，恒定电压充电，PIC16C54微控制器，脉宽调制技术的优点，根据电压、电流反馈自动调节充电脉冲宽度，设计一个可以在系统控制下进行三阶段充电的铅酸蓄电池智能充电器。该充电器根据设计的充电方法对12V、4AH蓄电池充电。该充电器的一些技术指标有：a）基本输入：单相220VAC±5%，50HZ±2%；b）充电参数：快充时充电电流为4A，慢充时充电电压为14.7V，涓充时充电电压为14.1V；c）环境温度：-10℃到50℃：空气相对湿度不超过85%。

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2 充电方案的选择及系统的整体结构

2.1 课题的总体设计方案

该设计采用逐个功能模块分析再组合的方法来实现方案。分别对充电控制电路，开关电源PWM控制电路，开关电源主回路中的滤波电路、开关管的驱动电路以及辅助电源电路和显示电路进行了分析设计。然后对每一部分的具体电路的特点进行组合。软件方面阐述了软件实现的功能，说明了PIC系统的指令，绘制了程序流程图，分析和解释了程序。

2.2 充电方法的选择

铅酸蓄电池充电方法的选择是至关重要的，不同的充电方法差别很大，充电效果有很大的差距，对电池性能的影响也不相同。选择最合适的充电方法，你应该考虑使用充电电池的频率，放点的放大倍率以及其他因素。下面是对不同充电方法的简要概述：

2.2.1 恒流充电

充电器的交流电源电压通常是波动的，充电需要的是直流恒流电源。当使用恒定电流充电时，电池可以具有高充电效率，可以很容易地根据充电时间来决定是否充电中止，并且还可以改变的电池的数目。恒流电源充电电路如图2.1所示。

图2.1 恒流电源充电电路

2.2.2 恒压充电

在该充电模式中，充电电路随电池两端的电压波动而变化，初始充电电流比较大，到最后阶段，充电电流变小。充电电流中的最大充电电流应设置为最高充电电压，以便将电池过度充电。

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此外，在用恒压方式充电时，充电电压在充电末期达到峰值后会有所下降。电池充电电流会加大，会导致电池温度上升。当电池温度上升时，电压下降将导致热失控的电池，电池的性能损坏，因此，不建议使用恒压充电。如图2.2所示：

图2.2 恒压充电电路

2.2.3 浮充方式

在浮充模式下，电池以小电流（C/30号C/20）充电，以保持电池在完全充电的状态。浮充法适用于电池作为应急电源或备用电源的电气设备。常规浮充方式充电电路如图2.3所示。

图2.3 浮充方式充电电路

2.2.4 涓充方式

电池与负载并联，同时电池与直流电源（充电器）相连。一般情况下，作为负载的工作电源，直流电源以涓流充电模式对电池进行充电，只有当负载变大，在直流电源的端电压低于电池端电压或直流电源停止供电时，电池对负载放电。在这种方式下，充电电流由使用模式决定。它通常使用在紧急电源、备用电源或电子表等不允许断电的场合。如图2.4所示是简单的涓充方式示意图。

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图2.4 涓流方式的简单示意图

2.2.5 分阶段充电方式

在分阶段充电方式中，在电池充电的初始阶段充电电流较大。当电池电压达到控制点时，电池转为以涓流方式充电。分阶段充电模式是最好的电池充电模式，但缺点是，所述充电电路的复杂性和更高的成本。另外，需增设控制点的电池电压的监测电图。如图2.5所示：

图2.5 分阶段充电的简单示意图

铅酸蓄电池往往采用恒压充电或恒流充电。恒压充电的初始充电电流过大，影响电池寿命铅酸电池，甚至可能导致极板弯曲，损坏电池。因此，大量的铅酸蓄电池充电电路以恒流充电方式充电，恒流充电电路始终是一个恒定的充电电流给电池充电，直到电池充满后关断电路，或进入浮充形式。相比而言，恒流充电对蓄电池的寿命是有好处的。而且恒流充电具有较大的电流充放电，使充放电的速度大大加快。

但是，如果恒定电流充电，充电电流，以保持原始值，大部分电流消耗在分解水上，使冒气非常强大，电解液沸腾十分激烈，不仅消耗能量，而且容易使极板活性脱落，对极板极其不利。

因此，对于铅酸蓄电池分阶段充电方法是一个更好的办法，因为在充电过程中的，充电电流逐渐下降。使用这种方法中，充电结束的电解质沸腾现象减弱，能量损失少，而且保护极板，以防止过度充电和水解带来的功率损耗。

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分析几种充电方式，综合快充和慢充铅酸电池充电器设计的优势。使用微控制器控制的充电器，充电过程分为快速充电，慢速充电，涓流充电三个阶段，充电更好。

2.3 系统的整体结构

220V交流电源 电源变换电路 斩波电路 隔离，驱动电路 铅酸蓄电池

辅助电源 单片机 电流、电压检测电路

图2.6 系统的整体结构

充电系统的结构框图如图2.6所示。整个充电装置由单片机控制系统，斩波电路，辅助电源电路，电流电压反馈电路，隔离驱动电路和电源变换电路组成。

单片机控制系统由PIC16C54及其外围电路组成，单片机接收到电压电流检测电路反馈的信号后，控制斩波电路的导通，使电压或电流稳定。

斩波电路由晶体管组成，主要作用是可以实现占空比的调节从而达到电流电压稳定的效果。

辅助电源电路是将整流的电压降压，滤波，为单片机提供工作电压。 电流电压检测电路是检测蓄电池两端的充电电压或充电电流是否稳定的设定值。

电源变换电路由滤波电路和整流电路组成，将市网电处理。 驱动隔离电路的主要作用是有基极驱动电路驱动变压器输出。

2.4 本章小结

本章着重对比各种充电方案，综合各种充电方案的优点，确定了充电器的设计方案，以单片机为控制核心的恒流—恒压—恒流三阶段充电方式。搭建了系统的总体框图，接下来就总体框图来进行各部分的硬件设计。

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3 充电器硬件部分的设计

3.1 充电器的充电过程及工作原理

3.1.1 充电过程分析

图3.1所示为该充电器的充电电流、电压曲线。

I(A)、U（V）1CU(t)I（t）0.09C0t(h)快充t1慢充t2涓流充t3

图3.1 充电器的充电电流、电压曲线

可以看出，在图3.1中：快充阶段（0至t1），充电器以恒定电流1C充电，由单片机控制快速充电时间，避免充电过量，慢充阶段（t1至t2），单片机输出PWM控制信号来控制斩波器开关通断，以一个恒定的电压，对电池进行充电时，充电电流呈指数下降，当电池电压上升到规定值时，慢充结束；进入涓流充电阶段（t2至t3），单片机输出的PWM控制信号，使充电器以约0.09C的充电电流充电，在此状态下，很长一段时间，可以对电池进行充电，从而延长电池寿命。

3.1.2 充电器的工作原理

根据框图中所示的系统结构中，铅酸蓄电池的充电装置的原理图，主要包括开关稳压器的，斩波器开关，控制器和辅助电源四个部分，并设有过电流保护，过电压保护和过温保护。交流电流输入整流电路和辅助电源，辅助电源给单片机提供工作电压，再输入半桥式转换器，然后通过使用TL494设计的电压控制和电流监测，使用单片机控制半桥变换器斩波开关实现对蓄电池充电的智能控制，单片机还可以控制灯运行和停止，可以看到现在处于那个阶段的充电状态。在此示意图中，必须先设定值，然后由微控制器控制的每个阶段的充电。具体的原理图如图3.2所示：

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图3.2铅酸蓄电池充电器原理图

3.2 充电控制电路的设计

根据本系统的特点，硬件电路采用单片机控制系统来实现。

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3.2.1 单片机的选择

PIC16C54单片机的介绍：

PIC16C54属CMOS单片机，是一个低价位高性能8位单片机，具有体积小，功耗低，性能强，体密性高，价格低等特点。仅使用了33条精简指令集、单字节单周期指令，每条指令的执行时间最快可达到200ns。易于记忆和使用的指令系统可大大减少产品的开发时间。它有两个双向I/O口线，其中A口用来检测四种工作方式的按键情况，作为输入，B口中除RB0作为输入，用来检测电流强度控制键的按键情况外，其余都用作输出，RB1用于输出脉冲信号，该信号刺激隔离器，耦合到刺激电极上输出，它的振荡源有四种，晶体振荡（XT），低功耗振荡（LP），高速振荡（HP）及RC振荡。多种时钟振荡电路低功耗睡眠省电模式和WDT（看门狗）代码保护功能，这些功能有更大的优势。RB2--RB7是用来控制六档电流强度指示灯的开启和关闭；PIC16C54系列单片机可广泛应用于电机控制、汽车电路、家用电器等领域。 PIC16C54单片机主要性能：

RISC精简指令集，指令仅有33条，指令长度为12位 绝大部分均为单机器周期指令。

工作速度高，最快可达200ns（20MHz时钟时） 数据长度为8位

片内程序存储器容量为512-2kbyte 片内静态数据存储器(SRAM)为25-73byte 硬件组成7个专用寄存器 两级硬件堆栈

有直接、间接、相对和位寻址功能

12-20条I/O引脚，每条引脚均可设置为输入和输出态 多种时钟振荡电路及WDT定时器电路

宽工作电压范围和低功耗模式：工作电压为2.5V-6.0V，典型工作电流为2mA，睡眠状态仅为3uA。 PIC16C54单片机引脚图：

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图3.3 PIC16C54单片机引脚图

PIC16C54单片机的引脚功能为：

RA0-RA3 I/O输入和输出端口A，与内部的F5对应，为一个4位I/O端口，可进行位控。

RB0-RB7 I/O输入和输出端口B，与内部的F6对应，为一个8位I/O端口，可进行位控。

RTCC实时时钟/计数器输入计数在这个端口输入信号的上升沿或下降沿，边缘可通过软件选择。

MCLR主复位端，当MCLR为低电平时对单片机复位。

OSC1振荡信号输入端。此端口用于外部振荡信号的输入，使用RC振荡，当它连接到RC电路，使用石英晶体的一端连接到一个石英振荡电路。

OSC2振荡信号输出端。石英晶体谐振器或陶瓷谐振器通过一个串联电阻R连接到晶体振荡器的一端，往往RC振荡器作为的CLKOUT输出（CLKOUT的1/4fosc）的。

VDD电源电压。一般为5V，其范围在2.5-6.25V之间。Vss地端。

3.2.2 控制电路的设计

电路包含控制主芯片PIC16C54、振荡电路、复位电路。振荡电路是由晶体振

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图3.4 控制电路的电路图

荡器及电容构成；复位电路是由二极管、电阻及极性电容构成。

快速充电阶段，IC3的6脚输出高电平，通过一个电阻器R32的连接Q7的基极，斩波器开关导通时，通过电流监测电路，以恒定电流对电池进行充电。达到快速充电时间，IC3的6脚输出低电平，斩波开关关闭，停止充电，快速充电阶段的结束。慢速充电阶段，IC3的6脚输出PWM控制信号，斩波开关到一个固定的导通占空比，充电器恒压为电池充电，充电电流随电池电压上升指数下降。当电池电压

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上升到一个预定值，电阻R33，R34，R35对电池的电压进行采样，并送到比较器IC2的第3脚（同相输入端子），跟引脚2（反相输入端）的参考电压比较，1脚输出高电平，IC3的17脚输出高电平，软件过滤和延迟后，以确定检测正确，慢充结束。涓流充电阶段，IC3的6脚输出PWM控制信号到斩波切换到较小的占空比导通，充电电流维持在约0.09C，为电池充电。

过热保护是通过外接电池的正温度特性热敏电阻RT2，R36，R37完成的。当电池的温度升高，热敏电阻RT2阻值正在增大，IC2引脚5（同相输入端）电位升高，电池温度上升到一个特定的值，5脚电位超6脚（反相输入端）的电位，7脚高电平输出，IC3的18引脚输入高电平，IC3的6脚输出PWM信号，将充电器的浮动电压给电池充电，有效地保护电池。

系统用发光二极管表示充电状态。即快充和慢充阶段，绿色发光二极管亮；涓流充阶段，黄色发光二极管亮。

3.3 开关电源PWM控制电路的设计

采用脉冲宽度调制（PWM）技术，其特点是一个高频率，高效率，高功率密度，高可靠性。脉冲宽度调制的开关电源一般是一个模拟的控制模式下，按照与相应的改变负载，通过调节偏置的晶体管的栅极或基极来实现的开关电源输出晶

IN+IN-FBTCtRtGNDC112345678TL494161514131211109IN+IN-COMVccC2E2E1

图3.5 TL494管脚分配图

体管或晶体管的导通时间，这种方式的变化，使得电源的输出电压在工作条件的变化时保持恒定，是使用单片机的数字输出来控制模拟电路的一个非常有效的方式。调节的开关电源的占空比，输出电压基本上不随负载的变化或输入电压变化的方法称为脉冲宽度调制方法。

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现在有许多的脉宽调制控制器，主要的生产厂家像美国德州的TI公司，其生产的脉宽调制控制器有TL598，SG2524，TL494等，而本设计中选用的是TL494型的脉宽调制器，其能够产生两路PWM输出，并且具有稳压、限流及保护功能。

3.3.1 TL494的简介

TL494是一款固定频率脉宽调制电路，它包含了开关电源控制所需的全部功能，被广泛应用于单端正激双管式，半桥式，全桥式开关电源。 TL494的SO-16 PDIP-16两种封装形式，以适应不同场合的要求，其主要特点如下：

集成了全部的脉宽调制电路；

芯片内置线性锯齿波振荡器，外接振荡器件只有两个（一个电阻和一个电容） 内置误差放大器； 内置5V参考基准电压源； 可调整死区时间；

内置功率晶体管可提供500mA的驱动能力； 推或拉两种输出方式。

3.3.2 TL494的工作原理

TL494的内部器件是由锯齿波发生器、触发器、比较器、误差放大器1和2、5V基准电源与两个驱动晶体管等组成。它是一种脉宽调制型开关电源集成控制器。管脚分配如图3.6所示。脚1、2和脚15、16分别为两个比较器输入端；脚3为相位控制端；脚4为死区电平控制端；脚5、6为振荡器的R、C输入端；8,9脚11,10脚分别为两个内部驱动晶体管集电极 、 发射极。他们所发出的脉冲，可控制转换器开关交替导电管。引脚13为输出控制端子，两个内部驱动晶体管导通或关闭时，引脚13为低电平，转换器只能控制一个开关，以形成一个单端输出;当脚13为高电平时，就可推挽输出。

达到输出的脉冲宽度调制，可以通过任何一个在电容器CT侧的正的锯齿波形与两个控制信号来比较。仅当锯齿波电压时，NOR门电路驱动的输出晶体管Q1和Q2，只有当正反器的时钟输入信号是在低的水平，这个门会是在有效状态，这种情况的发生是锯齿波信号电压大于控制信号电压的期间。当控制信号的振幅增加时，此时也会一致引起输出脉波宽度的线性减少。如图3.7所示：

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图3.6 TL494的内部结构图

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图3.7 TL494控制器时序波形图

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参考文献

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谢辞

通过努力这次设计顺利完成了，内心充满了感激，在此我要感谢我的指导老师高飞燕老师对我的悉心的指导，感谢老师给我的帮助。在设计过程中，高老师在百忙之中还挤出休息时间为我指点迷津，为我耐心讲解，给我提供大量的资料和教我查阅资料的便捷方法，还经常为我提供各方面的帮助，为我排忧解难。

在这次毕业设计中，同学们都很热情，不断地帮助我，意见不同的地方我们就在一起商量，这样有利于我们更好的理解知识，也使我们的同学关系更进一步。所以，在此，我向各位老师及同学们表示我最衷心的感谢！同时，我也感谢我的所有任课老师，是他们把我带入了这个学科的殿堂。

在整个设计过程中我学到了不少东西，培养了我的独立工作能力，对今后的学习工作生活有着非常重要的影响。而且大大提高了动手能力，使我充分体会到了在创造过程中探索的艰难和成功时的喜悦。

我会带着这份求学精神，带着老师寄予我的厚望，好好地把握机会，在以后的生活、工作岗位上发挥自己最大的优势，实现自己的人生价值。

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附录一 主电路图 第 39 页 共 53 页 南华大学电气工程学院毕业设计

附录二 程序清单

PIC16C54 EQU 1FFH RTCC EQU 1

ORG PIC16C54 GOTO MAIN ORG 0

WENDU ;温度检测子程序 MOVF PORTA,0 ANDLW B'00000001' BTFSC STATUS,2 GOTO FANHUI1 BSF PORTB,1 ;绿灯灭 BCF PORTB,2 ;黄灯亮 BSF PORTB,0 ;6脚为1 MOVLW D'100' MOVWF 10

LOOP5 DECFSZ 10,1 ;延时200us GOTO LOOP5 BCF PORTB,0 ;6脚为0 MOVWF 10 LOOP6 NOP ;延时800us NOP NOP NOP NOP

DECFSZ 10,1 GOTO LOOP6 GOTO WENDU FANHUI RETLW 0

MAIN ;主程序

MOVLW A'11111111' ;A口用作输入 MOVWF TRISA

MOVLW B'00000000' ;B口用作输出 MOVWF TRISB BCF PORTB,1 ;绿灯亮 BSF PORTB,2 ;黄灯灭

CLRF RTCC ;记数器清零

MOVLW B'00110111' ;记数方式，分频256 OPTION

MOVLW B'00001001' MOVWF CONFIG

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