基于单片机控制的铅酸蓄电池充电器设计Word格式.doc

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唐XX

指导教师职称：

副教授

2012年3月9日

SuZhouUniversity

Year2012BachelorGraduationassignment

Title:

Designofintelligencechargerbasedonsingle-chip

microprocessor

Author:

XXXXXX

StudentID:

200808XXXX

Department:

CollegeofmechanicalandElectronicEngineering

Major:

ElectricalengineeringandAutomation

Instructor:

Tang XXXXX

ProfessionalTitle:

AssociateProfessor

March,9,2012

摘要

本文所设计的铅酸蓄电池智能充电系统，内容主要包括对蓄电池充电方法的研究和充电系统的设计。

在通过对蓄电池充电原理和充电方法研究的基础上，提出采用恒压限流充电和脉冲充电相结合的充电方法。

这种充电方法可以始终地使充电电流在总体上逼近蓄电池的可接受充电电流曲线，并且在整个充电期间内适时地采取了去除蓄电池极化的措施。

理论研究和实验数据表明，这种充电模式可以大大缩短充电时间，提高充电效率。

实验结果表明，基于80196KB单片机控制的智能充电系统，其效率高、调节时间快的良好充电特性可得到充分发挥，使得蓄电池具有较高的使用容量和较长的循环寿命，可满足电机车动力蓄电池的充电要求，具有良好的应用前景，为提高蓄电池的性能和可靠性提供一条新的、有效的途径。

关键词：

铅酸蓄电池智能充电80C196KB单片机

Abstract

Inthispaperthedesignoflead-acidbatteriesintelligentchargingsystem,contentmainlyincludestobatterychargingmethodofresearchandchargingsystemdesign.Inthebatteryprincipleandchargingmethodsonthebasisofstudy,thepaperproposestheconstantpressureandpulsecurrentlimitingchargingchargingcombinationofchargingmethods.Thiskindofchargingmethodscanalwaystorechargecurrentinoverallapproximationbatteryacceptablechargingelectriccurrentcurve,andthroughoutthechargingperiodtimelyadoptedremovebatterypolarizationmeasures.Theoreticalandexperimentaldatashowsthatthismodelcangreatlyshortenchargingchargingtimeandimprovechargingefficiency.

Experimentalresultsshowthatbasedontheintelligentcharging80196KBsingle-chipmicrocomputercontrolsystem,itshighefficiency,regulatingtimequickgoodchargingcharacteristicscangetfully,makebatteryhashigherusecapacityandlongcyclelife,canmeettheelectriclocomotivemotivebatterychargingrequest,hasagoodapplicationprospectforimprovingbatteryperformanceandreliabilityprovidesanewandeffectiveway.

Keywords:

Lead-acidbatteriesIntelligentcharging80C196KBsinglechip

目录

第一章基本方案 2

1.1总体设计方案 2

1.1.1、系统的设计要求 2

1.1.2、智能充电方法的选择 2

1.1.3、系统的结构原理框图 3

1.1.4、充放电方法的控制与实现 4

1.2课题的研究现状 4

1.2.1充电技术的发展状况 4

1.2.2充电电源的发展状况 5

1.2.3传统的充电方式 5

第二章铅酸蓄电池智能充电的基本原理 7

2.1蓄电池的基本概念和工作原理 7

2.1.1电池的种类和特性 7

2.1.2铅酸蓄电池的基本概念 8

2.1.3铅酸蓄电池的工作原理 12

2.2铅酸蓄电池的充电特性 13

2.3J.A.马斯（J.A.Mas）三定律 15

2.4极化电压 16

2.5智能充电的基本原理和控制方法 17

2.5.1智能充电的基本原理 17

2.5.2智能充电的几种控制方法 18

第三章系统硬件设计 20

3.1开关电源原理 20

3.2充电系统的主电路原理与设计 21

3.2.1全桥变换电路的设计 21

3.2.2能量回馈电路的设计 23

3.2.3主回路中建波与抗干扰电路的设计 24

3.2.4移相控制电路的设计 26

3.3充电系统的控制回路原理与设计 32

3.3.180Cl96KB单片机最小系统的设计 32

3.3.2模拟量检测电路 35

3.3.3键盘电路 35

3.3.4显示电路 36

3.3.5执行电路 36

3.4系统保护措施的设计 37

3.4.1过流保护 37

3.4.2软启动保护 38

第四章系统软件设计 39

4.1充电系统的主程序设计 39

4.2实时时钟中断服务程序设计 40

4.3去极化子程序设计 42

4.4程序代码及说明（具体程序参见附录） 42

第五章软硬件仿真及测试 43

5.1软件仿真：

43

5.1.1仿真调试步骤：

5.1.2仿真调试结果：

5.2硬件测试 44

5.2.1线路连接 44

5.2.2硬件是否工作测试 44

5.2.3测试条件和测试环境 45

5.2.4硬件测试结果 45

总结 46

致谢 47

附录程序 48

参考文献 57

绪论

目前，大多数电机车使用的电源都是铅酸蓄电池组。

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，在目前的工农业生产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[1]。

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。

智能充电是使实际充电电流能够动态地跟踪电池可接受的充电电流。

充电系统根据电池的状态确定充电工艺参数，使充电电流自始至终处于电池的可接受充电电流曲线附近，使电池几乎在无气体析出的条件下充电，做到既节约用电又对电池无损害[2]。

如今，我国工农业运输设备对蓄电池用量极大，但是其充电设备很落后，充电方法也很不科学，急需设计出一种新型智能充电系统以满足工农业生产的需要。

第一章基本方案

1.1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。

1.1.1、系统的设计要求

A.系统的基本功能

a.可以在系统的控制下快速地完成充电过程;

b.充电过程中，实时监测并且随时显示电池的充电状态;

c.充电系统按照设定的充电方法给电池充电，并能根据电池电压和充电电流自动转换充电状态，在蓄电池充满电后，自动转入浮充状态。

B.系统的理想技术指标

根据本课题面向的对象，对本充电系统的充电电源提出下面的理想技术指标:

a.充电电源输出直流电压可在0V-180V范围内调整工农业生产使用的电机车所用的蓄电池组一般由48节铅酸蓄电池构成，每节电池的充电极限状态或高阻抗电池的充电饱和电压均假设为3V，则48节电池的极限端电压为144V。

因此充电电源开路电压必须在144V以上。

根据实际情况，要求充电系统输出的充电电压在0V-180V范围内调整。

b.充电电源输出直流电流可在0-60A范围内调整充电系统工作时，应能够根据使用者的需要来改变充电电流的大小。

例如:

对一个5Ah的电池组，当采用1倍速率充电时，充电电流应为5A;

当采用2倍速率充电时，充电电流应为10A。

根据实际情况，要求充电系统输出的充电电流在0-60A范围内调整。

1.1.2、智能充电方法的选择

充电方法的选择是十分重要的，不同的充电方法，其充电速度的差别可能很大，导致充电效果的差距也会很大。

系统所要求的充电方法，一方面要求能够最大程度地加快蓄电池的化学反应速度，缩短蓄电池达到满充状态的时间，使充电速度得到最大的提高;

另一方面，又要保证蓄电池负极的吸收能力，使负极能够跟得上正极氧气产生的速度，以避免电池的极化现象。

根据上面的标准和实际的对象，在分析了传统的充电方法和几种快速充电方法的基础上，本充电系统采用恒压限流充电和脉冲充电相结合的充电方法，将充电过程分成几个子充电过程，充电电流总体上呈逐级递减的趋势并保持恒定电压，而每个子充电过程按“正脉冲充电一停充一负脉冲放电一停充一再正脉冲充电”这种循环过程进行，直至电池的容量达到额定容量的80%以上。

之后转入浮充状态，使电池电量完全恢复，即达到额定容量。

1.1.3、系统的结构原理框图

本充电系统的结构原理框图如图1.3-1所示，它包括提供充电的电源和作为管理中心的控制系统。

在系统设计中，充电电源采用开关电源。

通常把采用“交流一直流一交流一直流