電動車充電站充電電路設計.doc

南 陽 理 工 學 院 本科生畢業(yè)設計（論文） 學院（系）：電子與電氣工程學院專 業(yè)： 電子信息工程 學 生： 指導 教師： 完成日期 2012 年 5 月 南陽理工學院本科生畢業(yè)設計（論文） 電動車充電站充電電路設計Charging Circuit Design of Electric Vehicle Charging Station總 計： 27 頁表 格： 2 個插 圖： 22 幅南 陽 理 工 學 院 本 科 畢 業(yè) 設 計（論文）電動車充電站充電電路設計Charging Circuit Design of Electric Vehicle Charging Station 學 院（系）： 電子與電氣工程學院 專 業(yè)： 電子信息工程 學 生 姓 名： 學 號： 指 導 教 師（職稱）： 評 閱 教 師： 完 成 日 期： 南陽理工學院 Nanyang Institute of Technology電動車充電站充電電路設計電動車充電站充電電路設計電子信息工程專業(yè) XXX摘 要 隨著電動車的普及，電動車充電技術也受到人們的關注。我國的電動車用動力蓄電池大多為鉛酸蓄電池，這主要是由于鉛酸蓄電池具有技術成熟、成本低、電池容量大、跟隨負荷輸出特性好、無記憶效應等優(yōu)點。但傳統(tǒng)的常規(guī)充電時間過長，快速充電技術至今仍未能完全解決，嚴重地制約著電動車的發(fā)展?；诖?，本文提出了一種用于全密封免維護鉛酸蓄電池的智能充電設計方案，針對蓄電池充電過程中出現(xiàn)的種種問題，分析解決方法，提出一種可對鉛酸蓄電池實現(xiàn)四段式慢脈沖充電的智能充電設計方案?？刂崎_關電源的脈沖頻率和占空比，從而調節(jié)充電電流和電壓，實現(xiàn)對蓄電池的分級慢脈沖充電。這個方案不僅可實現(xiàn)快速充電，同時可以減少析氣，消除硫化，進行均衡充電，從而大大地延長了鉛酸蓄電池的使用壽命。關鍵詞 慢脈沖充電；蓄電池；單片機；智能 Charging Circuit Design of Electric Vehicle Charging Station Electronic Information Engineering Speciality XXXAbstract:With the popularity of the electric car,Electric vehicle charging technology is also got the concern of the public.In our courtry, lead acid battery which is used as electric vehicle power battery occupied a very big market.This is mainly due to the lead-acid battery has mature technology, low cost, battery capacity, with load output characteristics and no memory effects, etc.But the traditional conventional charging time is too long,fast charging technology is still not fully resolved, seriously restricted the development of the electric car. Based on this status, it puts forward a kind of seal free maintenance lead-acid battery used for intelligence charge design scheme in this thesis.With regard to all sorts of problems for battery charging appeared in the process, analyzes the existing solutions, and put forward a kind of lead acid battery to realize four stages of intelligent charging slow pulse charger design scheme. Control of switch power pulse frequency and duty cycle, which regulates charging electric current and voltage, and to realize the classification battery charging with slow pulse. The scheme not only make rapid charging,at the same time could reduce gas chromatography, eliminate vulcanization, charging for equilibrium, thus greatly extended the lead acid battery service life.Key words: Slow pulse charging;storagebattery;single-chip microcomputer;intelligent目 錄1 引言11.1 課題研究背景及意義11.2 課題研究的內容22 充電原理22.1 蓄電池與充電技術22.2 蓄電池的充電原理32.3 充電方法研究42.3.1 恒流充電法42.3.2 恒壓充電法42.3.3 階段充電法52.3.4 四階段充電法63 總體設計方案63.1 系統(tǒng)設計63.2 方案比較與選擇74 充電電路的硬件設計94.1 電路總體設計94.2 芯片選擇94.2.1 AT89C51型單片機94.2.2 ADC0809模數(shù)轉換芯片114.2.3 LM324是四運放集成芯片134.3 功能模塊電路設計134.3.1 整流濾波電路設計134.3.2 充電主電路設計144.3.3 單片機電路設計154.3.4 信號采樣與放大電路設計164.3.5 模數(shù)轉換電路設計184.3.6 電源電路設計195 充電電路的軟件設計215.1 主程序設計215.2 充電電路軟件設計215.3 ADC0809軟件設計225.4 電源通斷控制軟件設計23結束語24參考文獻25附錄25致謝27III電動車充電站充電電路設計1 引言1.1 課題研究背景及意義電動車是一種非常理想的中短途日常交通工具，電動車的應用有效地解決了能源和環(huán)境兩大難題，因此，在我國有著得天獨厚的發(fā)展條件和廣闊的應用前景。目前,RFID作為一種非接觸式的自動識別通信技術，可通過無線電訊號識別特定目標并讀寫相關數(shù)據(jù)，而無需識別系統(tǒng)特定目標之間建立機械或光學接觸。RFID的研究和應用都得到了前所未有的發(fā)展，本課題設計內容把射頻識別技術與電動車充電站結合起來，以AT89C51單片機為核心，利用RFID技術電子錢包功能實現(xiàn)用戶身份識別和電子支付充電費用功能，防盜報警，安全可靠；充滿自停，來電續(xù)充，付費合理，并加上LCD顯示費用余額方便簡單。電動車蓄電池按電極材料和工作原理的不同，應用最廣泛的包括鉛酸蓄電池、鎳鎘電池、鎳氫電池、鋰離子電池等四類。這四類電池的性能和優(yōu)缺點如表1所示：表1 各材料電池性能比較性能等指標鉛酸蓄電池鎳鎘電池鎳氫電池鋰離子電池電池容量3Ah-3000Ah100mAh-7Ah10mAh-3Ah50mAh-50Ah重量比能量35Wh/Kg50Wh/Kg70Wh/Kg120Wh/Kg體積比能量90Wh/L100Wh/L140Wh/L360Wh/L工作溫度-4060-4050-4050-2060大電流放電性能高較高較低較低充放電壽命較低一般高高記憶效應無有略有無安全性高較高較高較低回收循環(huán)利用高低低低技術成熟度高較高較高一般成本低較低較高高鉛酸蓄電池的主要優(yōu)點是技術成熟、成本低、容量大、大電流放電性能好、使用溫度范圍廣、安全性高，并且能夠做到完全回收和再生利用，缺點是重量大、比能量低。而鎳鎘電池、鎳氫電池、鋰離子電池等目前都存在大容量制造技術不成熟的問題，只能實現(xiàn)中小容量電池的規(guī)?；a，不能滿足大功率動力的需求。鉛酸蓄電池自發(fā)明以來，至今已有150年的歷史，技術十分成熟。在現(xiàn)階段，以電動助力車為主的小型電動車輛目前也主要以鉛酸蓄電池作為動力電源，在這一市場上，鉛酸蓄電池由于具備突出的性價比優(yōu)勢，占據(jù)了95%以上的市場份額。1.2 課題研究的內容本課題通過采用單片機技術和RFID技術實現(xiàn)電動車充電站設計,主要有三個功能，電量檢測功能、RFID電子錢包功能和充電功能。如圖1所示：電量測量模塊電源模塊鍵盤模塊單片機小系統(tǒng)RFID模塊顯示模塊充電接口圖1 基于RFID的電動車充電站示意圖此設計的內容是將220V市電通過一系列的轉換與控制輸出穩(wěn)定的48V電壓對電動車進行充電。本文通過六部分電路的設計來實現(xiàn)充電的功能，即交流220V整流濾波電路、充電主電路、單片機電路、信號采樣與放大電路、模數(shù)轉換電路、電源模塊電路。該電路能夠采用單片機(MCU)實時檢測充電電流和蓄電池電壓的實際值，分級控制開關電源的脈沖頻率和實時調節(jié)脈沖占空比，從而調節(jié)充電電流和電壓，實現(xiàn)對蓄電池的分級慢脈沖充電。設計中系統(tǒng)可以分為控制部分和信號檢測部分。用橋式整流、濾波將220V交流電轉換成311V直流電，經變壓器反饋振蕩得到48V充電電壓，在設計過程方面，從總體方案、單元電路、元器件選擇和設計等都進行了細致的介紹。2 充電原理2.1 蓄電池與充電技術蓄電池通常是指鉛酸蓄電池，屬于二次電池。它的工作原理：充電時利用外部的電能使內部活性物質再生，把電能儲存為化學能，需要放電時再次把化學能轉換為電能輸出。電化學反應方程式如下： PbO2 + 2H2SO4 + Pb PbSO4 + 2H2O2 + PbSO4 (放電反應) （1） PbSO4 + 2H2O2 + PbSO4 PbO2 + 2H2SO4 + Pb (充電反應) （2）電池充電通常要完成兩個任務，首先是盡可能快地使電池恢復額定容量，另一是使用小電流充電，補充電池因自放電而損失的能量，以維持電池的額定容量1。在充電過程中，鉛酸電池負極板上的硫酸鉛逐漸析出鉛，正極板上的硫酸鉛逐漸生成二氧化鉛。當正負極板上的硫酸鉛完全生成鉛和二氧化鉛后，電池開始發(fā)生過充電反應，產生氫氣和氧氣。這樣，在密封鉛酸蓄電池中，采用中等充電速率時，氫氣和氧氣能夠重新化合為水。過充電開始的時間與充電的速率有關。當充電速率大于C/5時，電池容量恢復到額定容量的80%以前，即開始發(fā)生過充電反應。只有充電速率小于C/100，才能使電池在容量恢復到100%后，出現(xiàn)過充電反應。為了使電池容量恢復到100%，必須允許一定的過充電反應。過充電反應發(fā)生后，單格電池的電壓迅速上升，達到一定數(shù)值后，上升速率減小，然后電池電壓開始緩慢下降。由此可知，電池充足電后，維持電容容量的最佳方法就是在電池組兩端加入恒定的電壓。浮充電壓下，充入的電流應能補充電池因自放電而失去的能量。浮充電壓不能過高，以免因嚴重的過充電而縮短電池壽命。采用適當?shù)母〕潆妷海芊忏U酸蓄電池的壽命可達10年以上。實踐證明，實際的浮充電壓與規(guī)定的浮充電壓相差5%時，免維護蓄電池的壽命將縮短一半。鉛酸電池在環(huán)境溫度為25時工作在理想狀態(tài)，當環(huán)境溫度降到0時，電池就不能充足電，當環(huán)境溫度上升到50時，電池將因嚴重的過充電而縮短壽命。因此，為了保證在很寬的溫度范圍內，都能使電池剛好充足電，充電器的各種轉換電壓必須隨電池電壓的溫度系數(shù)而變。2.2 蓄電池的充電原理理論和實踐證明，蓄電池的充放電是一個復雜的電化學過程。一般地說,充電電流在充電過程中隨時間呈指數(shù)規(guī)律下降,不可能自動按恒流或恒壓充電。充電過程中影響充電的因素很多,諸如電解液的濃度、極板活性物的濃度、環(huán)境溫度等的不同,都會使充電產生很大的差異。隨著放電狀態(tài)、使用和保存期的不同,即使是相同型號、相同容量的同類蓄電池的充電也大不一樣。 上世紀60年代中期，美國科學家馬斯對開口蓄電池的充電過程作了大量的試驗研究，并提出了以最低出氣率為前提的，蓄電池可接受的充電曲線，如圖2所示。實驗表明，如果充電電流按這條曲線變化，就可以大大縮短充電時間，并且對電池的容量和壽命也沒有影響。原則上把這條曲線稱為最佳充電曲線，從而奠定了快速充電方法的研究方向2。ti0圖2 最佳充電曲線由圖2可以看出：初始充電電流很大，但是衰減很快。主要原因是充電過程中產生了極化現(xiàn)象。在密封式蓄電池充電過程中，內部產生氧氣和氫氣，當氧氣不能被及時吸收時，便堆積在正極板（正極板產生氧氣），使電池內部壓力加大，電池溫度上升，同時縮小了正極板的面積，表現(xiàn)為內阻上升，出現(xiàn)所謂的極化現(xiàn)象。2.3 充電方法研究常規(guī)充電制度是依據(jù)1940年前國際公認的經驗法則設計的。其中最著名的就是“安培小時規(guī)則”：充電電流安培數(shù)，不應超過蓄電池待充電的安培時數(shù)。實際上，常規(guī)充電的速度被蓄電池在充電過程中的溫升和氣體的產生所限制。這個現(xiàn)象對蓄電池充電所必須的最短時間具有重要意義。一般來說，常規(guī)充電有恒流充電、恒壓充電法、階段充電法。2.3.1 恒流充電法恒流充電，又叫定電流充電法，恒流充電法是用調整充電裝置輸出電壓或改變與蓄電池串聯(lián)電阻的方法，保持充電電流強度不變的充電方法，如圖3所示。而電池的可接受電流能力是隨著充電過程的進行而逐漸下降的。在充電過程中，由于蓄電池的段電壓逐漸升高，為了保持充電電流的恒定，必須相應提高充電電壓。采用恒流充電法，可以將不同容量的蓄電池串聯(lián)在一起進行充電。但是各個蓄電池的容量應當盡可能相同，否則應當以容量最小的蓄電池計算充電電流。恒流充電法的優(yōu)點是可以任意選擇充電電流，有益于延長蓄電池的使用壽命。缺點是充電時間長，并且需要經常調整充電電流。充電曲線如下圖所示：充電電壓充電電流tu,i0圖3 恒流充電曲線2.3.2 恒壓充電法恒壓充電又叫定電壓充電法，在充電過程中，始終保持一個恒定的充電電壓，絕大多數(shù)汽車都采用這種充電方法對車載蓄電池進行充電。充電初期，由于蓄電池的端電壓較低，充電電路輸出電壓與蓄電池的電壓差較大，所以充電電流也大。隨著充電的進行，蓄電池端電壓逐漸上升，充電電路輸出電壓與蓄電池的電壓差也減小，所以充電電流減小。如果充電電路輸出電壓不足，則充電很短時間就導致充電電流下降為零，過早地結束了充電，長期如此，勢必導致蓄電池長期充電不足，容量下降，壽命縮短。如果充電電路輸出電壓過高，充電電流將顯著增大，即使蓄電池已經充足電，但端電壓仍然低于充電器的輸出電壓，充電電流仍然純在，充電始終在進行，勢必導致蓄電池過充電，加快電解液的消耗，使用壽命縮短。與恒流充電法相比，其充電過程更接近于最佳充電曲線。用恒定電壓快速充電，如圖4所示： 充電電壓充電電流u,it0 圖4 恒壓充電法曲線2.3.3 階段充電法此方法包括二階段充電法和三階段充電法。二階段法采用恒電流和恒電壓相結合的快速充電方法，如圖3所示。首先，以恒電流充電至預定的電壓值，然后，改為恒電壓完成剩余的充電。一般兩階段之間的轉換電壓就是第二階段的恒電壓。如圖5所示：充電電流充電電壓0恒流恒壓tu,i 圖5 二階段法曲線三階段充電法在充電開始和結束時采用恒電流充電，中間用恒電壓充電。當電流衰減到預定值時，由第二階段轉換到第三階段。這種方法可以將出氣量減到最少，但作為一種快速充電方法使用，受到一定的限制。2.3.4 四階段充電法目前，電動自行車主要以鉛酸蓄電池為動力。鉛酸蓄電池的主要優(yōu)點是： 電池容量大、價格便宜并具有無記憶效應;但存在的缺點是： 體積大、重量重和不能過充或過放。根據(jù)鉛酸蓄電池的上述特點， 鉛酸蓄電池的充電過程一般分為四個階段：預充電、脈沖快速充電、補足充電、浮充電。（1）預充電對長期不用的電池、新電池或在充電初期已處于深度放電狀態(tài)的蓄電池充電時，一開始就采用快速充電會影響電池的壽命。為了避免這一問題要先對蓄電池實行穩(wěn)定小電流充電，使電池電壓上升，當電池電壓上升到能接受大電流充電的閾值時再進行大電流快速充電。（2）脈沖快速充電 在快速充電過程中，采用分級定電流脈沖快速充電法，將充電電流分成三級，開始充電時采用大電流，隨著電池容量的增加，電壓逐漸升高，電流等級開始降低，使充電電流的脈沖幅度和寬度隨蓄電池端電壓的升高而分級減小。采用這種方法可以消除充電接近充滿時易出現(xiàn)的振蕩現(xiàn)象及過充電問題。（3）補足充電快速充電終止后，電池并不一定充足電，為了保證電池充入100的電量，對電池還要進行補足充電。此階段充電采用恒壓充電，可使電池容量快速恢復。此時充電電流逐漸減小，當電流下降至某一閾值時，轉入浮充階段。（4）浮充電此階段主要用來補充蓄電池自放電所消耗的能量，只要電池接在充電電路上并且接通電源，充電電路就會給電池不斷補充電荷，這樣可使電池總處于充足電狀態(tài)。此時也標志著充電過程已結束。3 總體設計方案3.1 系統(tǒng)設計根據(jù)題目的要求，系統(tǒng)采用開關電源，通過脈沖電流的方式來實現(xiàn)充電的目的。由市電送來的220V交流電經整流、濾波后，經脈沖變壓器降壓送給蓄電池進行充電。系統(tǒng)可以分為控制部分和信號檢測部分。 控制部分則包括單片機模塊、電源通斷控制模塊、開關管驅動模塊三個基本部分。信號檢測部分由充電電流測量及充電電壓測量模塊組成，其中電流測量用以測量蓄電池充電時的充電電流，電壓測量模塊模塊測量蓄電池充電時蓄電池的實時電壓。這兩個實時信號反饋給單片機，由單片機判斷后，控制PWM波形的占空比。從而控制充電電壓和電流的大小。當蓄電池的電壓達到額定值后，說明蓄電池已經充滿電，單片機控制開關，斷開電源，停止充電。3.2 方案比較與選擇對系統(tǒng)信號進行采樣和控制，一般有兩到三種方法，傳統(tǒng)的方法多數(shù)是將充電的電壓和電流信號反饋回PWM信號發(fā)生器，由PWM信號發(fā)生器控制開關管通斷的占空比完成的，現(xiàn)在比較新的方法是單片機和用狀態(tài)機來實現(xiàn)。（1）方案一：用PWM信號發(fā)生器(比如UC3842)實現(xiàn)的方案。蓄電池充電時，電壓、電流采樣電路將蓄電池的電壓、電流信號進行采樣，采樣的信號經過各種處理后，分別送進PWM信號發(fā)生器的電壓和電流反饋引腳。PWM信號發(fā)生器對反饋回來的電壓、電流信號進行分析，然后調整PWM輸出信號的占空比。這個PWM信號送給開關電源開關管，從而調節(jié)開關管在一個周期內關斷和導通的時間，也就是控制了高頻變壓器通斷的時間，從而實現(xiàn)控制高頻變壓器輸出電壓和電流的大小。這種方法是目前市場充電器流行使用的方法，也是一種很技術非常成熟的方法。這種方案的優(yōu)點是，技術簡單、成熟、有多年的實用經驗、所需的元器件少、成本低，但其在沒充滿電的情況下就會產生過充電的現(xiàn)象，增加蓄電池的損耗，使蓄電池的壽命減少，方案圖如圖6所示：蓄電池PWM波形發(fā)生器電流電壓反饋高頻變壓器圖6 方案一（2）方案二：用單片機實現(xiàn)的方案。由AT89C51系列單片機代替PWM信號發(fā)生器輸出PWM波形控制開關管在一個周期內的導通與斷開。電壓、電流采樣電路將蓄電池的電壓、電流信號進行采樣，采樣信號分別送進模數(shù)轉換器，將電壓和電流的模擬信號轉換為數(shù)字信號。數(shù)字信號送入單片機（MCU），由單片機對數(shù)字信號進行分析和處理。然后單片機調整PWM輸出信號的占空比。這個脈沖寬度調制（PWM）信號送給開關電源開關管，從而調節(jié)開關管在一個周期內關斷和導通的時間，也就是控制了高頻變壓器通斷的時間，從而實現(xiàn)控制高頻變壓器輸出電壓和電流的大小。當蓄電池充電滿后，由單片機輸出信號控制開關斷開電源，充電器便停止對蓄電池的充電。這是充電器目前比較新的一種方法，這種方案的特點是，技術比較復雜，單片機使用軟件來控制整個充電過程，使得充電的過程易于控制。方案圖如圖7所示：電源高頻變壓器繼電器開關管指示電路MCU蓄電池模數(shù)轉換采樣電路 圖7 方案二（3）方案三：用VHDL設計實現(xiàn)。用VHDL設計主要是利用有限狀態(tài)機來實現(xiàn)。用狀態(tài)機來控制A/D采樣，包括將采得的數(shù)據(jù)存入RAM，整個采樣周期需要4至5個狀態(tài)即可完成。由FPGA代替PWM信號發(fā)生器輸出PWM波形控制開關管在一個周期內的導通與斷開。電壓、電流采樣電路將蓄電池的電壓、電流信號進行采樣，采樣信號分別送進模數(shù)轉換器，將電壓和電流的模擬信號轉換為數(shù)字信號。數(shù)字信號送入FPGA，由FPGA的有限狀態(tài)機對數(shù)字信號進行分析和處理。然后FPGA調整PWM輸出信號的占空比。這個PWM信號送給開關電源開關管，從而便調節(jié)的開關管在一個周期內關斷和導通的時間，也就是控制了高頻變壓器通斷的時間，從而實現(xiàn)控制高頻變壓器輸出電壓和電流的大小。當蓄電池充電滿后，由單片機輸出信號控制開關斷開電源，充電電路便停止對蓄電池的充電。這是充電電路目前比較新的一種方法，這種方案的特點是，技術最復雜、使用VHDL編程較復雜，成本比上兩個方案都要高。FPGA的晶振頻率一般為幾十兆赫茲，故信號的采樣頻率高。在充滿電的情況下才會產生過充電的現(xiàn)象，減少蓄電池的損耗，延長蓄電池的壽命，方案圖如圖8所示：電源高頻變壓器開關管指示電路FPGA蓄電池模數(shù)轉換采樣電路繼電器圖8 方案三綜合以上三個方案，方案一雖然所需的成本是最低，技術簡單、成熟，但是與本次題目的要求不甚相符。，并不是理想的設計方案。方案三需要的成本最高，技術復雜，編寫VHDL語言程序復雜，在此不選用這種方案。方案二成本比方案一略高一點，易于接受，而且編程沒有那么的復雜，在本次設計選擇此方案。4 充電電路的硬件設計4.1 電路總體設計由市電送來的220V的交流電經繼電器進行整流濾波，得到大約300V的直流電送入給脈沖變壓器，高頻變壓器的次級繞組輸出電壓為48V給蓄電池充電。在蓄電池的出口處分別的進行電壓和電流的采樣，采樣信號送入低通濾波器以濾掉諧波的干擾。低通濾波器輸出的信號送入A/D模數(shù)轉換器，將模擬信號轉換為單片機可識別的數(shù)字信號送入單片機中。單片機通過軟件將送進來的電壓和電流信號轉換為實際值，并將它們與上一次的實際值進行比較，然后再調節(jié)輸出的PWM波形的頻率和占空比，并控制指示燈的亮滅來指示充電的過程。當單片機檢測到蓄電池充滿電時，控制繼電器斷開電源，停止充電。同時蓄電池通過DC-DC變換器經整流濾波后給單片機、A/D模數(shù)轉換器、指示電路和其它的電路提供電源。如圖9所示：交流220V繼電器A/D模數(shù)轉換單片機（MCU）指示電路開關管DCDC整流濾波直流5V電源高頻變壓器整流濾波電壓采樣低通濾波低通濾波蓄電池電流采樣圖9 電路總體設計方框圖4.2 芯片選擇4.2.1 AT89C51型單片機在本設計中控制部分的單片機是核心，它作為本系統(tǒng)的微控制器，負責整個系統(tǒng)的控制和監(jiān)控任務. ATMEL公司生產的89系列單片機是市場上比較常見，也是比較具有代表性的MCS-51單片機。其中AT89C51是我們在學習生活中常常用到或見到的，它的功能非常強大，在許多方面都得到應用。（1）功能特性描述AT89C51是一種帶4K字節(jié)FLASH存儲器的低電壓、高性能CMOS 8位微處理器，俗稱單片機。AT89C51 提供以下標準功能：4k 字節(jié)Flash 閃速存儲器，128字節(jié)內部RAM，32 個I/O 口線，兩個16位定時/計數(shù)器，一個5向量兩級中斷結構，一個全雙工串行通信口，片內振蕩器及時鐘電路。同時，AT89C51可降至0Hz的靜態(tài)邏輯操作，并支持兩種軟件可選的節(jié)電工作模式?？臻e方式停止CPU的工作，但允許RAM，定時/計數(shù)器，串行通信口及中斷系統(tǒng)繼續(xù)工作。掉電方式保存RAM中的內容，但振蕩器停止工作并禁止其它所有部件工作直到下一個硬件復位3。（2）管腳說明AT89C51有兩種通用的封裝方式，一種是40腳的雙列直插（DIP）方式，另一種是44腳的PLCC方形貼片封裝方式。在本設計中采用DIP方式，其引腳功能如表2所示： 表2 AT89C51的引腳功能符號引腳功能P0口3932P0口為一個8位漏級開路雙向I/O口，每位能驅動8個LS型TTL負載P1口18P1口是一個內部有上拉電阻的8位準雙向I/O口，可驅動4個LS型TTL負載，T2（P1.1），T2EX（P1.1）P2口2128P2口為一個內部有上拉電阻的8位I/O口。當CPU以總線方式訪問片外存儲器時，P2輸出高8位地址。作為一般I/O口使用時，為準雙向I/O口可驅動4個LS型TTL負載P3口1017P3口內部有上拉電阻的8位I/O口，還有一個全雙功能口。作為一般I/O口使用時，為準雙向I/O口可驅動4個LS型TTL負載RST9復位輸入，高電平有效。當振蕩器復位器件時，要保持RST腳兩個機器周期的高電平時間ALE30當訪問外部存儲器時，地址鎖存允許的輸出電平用于鎖存地址的地位字節(jié)29外部程序存儲器的選通信號31當保持低電平時，則在此期間外部程序存儲器（0000HFFFFH），不管是否有內部程序存儲器XTAL119反向振蕩放大器的輸入及內部時鐘工作電路的輸入XTAL218來自反向振蕩器的輸出VCC：40該引腳接5V電源正端VSS20該引腳接5V電源地端4.2.2 ADC0809模數(shù)轉換芯片ADC0809是美國國家半導體公司生產的CMOS工藝8通道，8位逐次逼近式A/D模數(shù)轉換器。其內部有一個8通道多路開關，它可以根據(jù)地址碼鎖存譯碼后的信號，只選通8路模擬輸入信號中的一個進行A/D轉換。是目前國內應用最廣泛的8位通用A/D芯片。（1）主要特性l 輸入通道，8位A/D轉換器，即分辨率為8位l 具有轉換起停控制端l 轉換時間為100sl 單個5V電源供電l 模擬輸入電壓范圍05V，不需零點和滿刻度校準l 工作溫度范圍為-4085攝氏度l 低功耗，約15mW（2）內部結構ADC0809是CMOS單片型逐次逼近式A/D轉換器，內部結構如圖所示，它由8路模擬開關、地址鎖存與譯碼器、比較器、8位開關型A/D轉換器、逐次逼近寄存器、邏輯控制和定時電路組成。如下圖所示： 圖10 ADC0809內部結構（3）外部特性ADC0809芯片有28條引腳，采用雙列直插式封裝，下面說明各引腳功能：l IN0IN7：8路模擬量輸入端 l 2-12-8：8位數(shù)字量輸出端 l ADDA、ADDB、ADDC：3位地址輸入線，用于選通8路模擬輸入中的一路 l ALE：地址鎖存允許信號，輸入，高電平有效 l START： A/D轉換啟動脈沖輸入端，輸入一個正脈沖（至少100ns寬）使其啟動（脈沖上升沿使0809復位，下降沿啟動A/D轉換） l EOC： A/D轉換結束信號，輸出，當A/D轉換結束時，此端輸出一個高電平（轉換期間一直為低電平）l OE：數(shù)據(jù)輸出允許信號，輸入，高電平有效。當A/D轉換結束時，此端輸入一個高電平，才能打開輸出三態(tài)門，輸出數(shù)字量l CLK：時鐘脈沖輸入端。要求時鐘頻率不高于640KHZ l REF（+）、REF（-）：基準電壓l Vcc：電源，+5Vl GND：地（4）ADC0809的工作過程首先輸入3位地址，并使ALE=1，將地址存入地址鎖存器中。此地址經譯碼選通8路模擬輸入之一到比較器。START上升沿將逐次逼近寄存器復位。下降沿啟動 A/D轉換，之后EOC輸出信號變低，指示轉換正在進行。直到A/D轉換完成，EOC變?yōu)楦唠娖?，指示A/D轉換結束，結果數(shù)據(jù)已存入鎖存器，這個信號可用作中斷申請。當OE輸入高電平 時，輸出三態(tài)門打開，轉換結果的數(shù)字量輸出到數(shù)據(jù)總線上。 轉換數(shù)據(jù)的傳送 A/D轉換后得到的數(shù)據(jù)應及時傳送給單片機進行處理。數(shù)據(jù)傳送的關鍵問題是如何確認A/D轉換的完成，因為只有確認完成后，才能進行傳送。為此可采用下述三種方式。 l 定時傳送方式 ：對于一種A/D轉換器來說，轉換時間作為一項技術指標是已知的和固定的。例如ADC0809轉換時間為128s，相當于6MHz的MCS-51單片機共64個機器周期?？蓳?jù)此設計一個延時子程序，A/D轉換啟動后即調用此子程序，延遲時間一到，轉換肯定已經完成了，接著就可進行數(shù)據(jù)傳送。 l 查詢方式 ：A/D轉換芯片由表明轉換完成的狀態(tài)信號，例如ADC0809的EOC端。因此可以用查詢方式，測試EOC的狀態(tài)，即可確認轉換是否完成，并接著進行數(shù)據(jù)傳送。 l 中斷方式：把表明轉換完成的狀態(tài)信號（EOC）作為中斷請求信號，以中斷方式進行數(shù)據(jù)傳送。 不管使用上述哪種方式，只要一旦確定轉換完成，即可通過指令進行數(shù)據(jù)傳送。首先送出口地址并以信號有效時，OE信號即有效，把轉換數(shù)據(jù)送上數(shù)據(jù)總線，供單片機接收。4.2.3 LM324是四運放集成芯片LM324系列器件帶有真差動輸入的四運算放大器。與單電源應用場合的標準運算放大器相比，它們有一些顯著優(yōu)點。該四放大器可以工作在低到3.0伏或者高到32伏的電源下。共模輸入范圍包括負電源，因而消除了在許多應用場合中采用外部偏置元件的必要性4。它有5個引出腳，其中“+”、“-”為兩個信號輸入端，“V+”、“V-”為正、負電源端，“Vo”為輸出端。兩個信號輸入端中，Vi-為反相輸入端，表示運放輸出端Vo的信號與該輸入端的位相反；Vi+為同相輸入端，表示運放輸出端Vo的信號與該輸入端的相位相同。LM324本身具有許多特點，比如：一是具有短路保護輸出；二是真差動輸入級；三是可單電源工作；四是低偏置電流，最大為100nA；五是每個封裝含有四個運算放大器；六是具有內部補償?shù)墓δ埽黄呤枪材７秶鷶U展到負電源；八是行業(yè)標準的引腳排列；九是輸入端具有靜電保護功能。LM324系列由四個獨立的，高增益，內部頻率補償運算放大器。 由于LM324四運放電路具有電源電壓范圍寬，靜態(tài)功耗小，可單電源使用，價格低廉等優(yōu)點，因此被廣泛用在各種電路中。應用領域包括傳感器放大器，有源帶通濾波器，測溫電路，單穩(wěn)態(tài)觸發(fā)器，直流增益模塊和所有傳統(tǒng)的運算放大器。4.3 功能模塊電路設計4.3.1 整流濾波電路設計交流220V整流濾波電路由繼電器電路、橋形濾波整流電路和保護電路組成。其中繼電器電路用于接通和斷開電源，橋形濾波整流電路用于將交流電轉換為直流電源，保護電路用于過壓和過流保護。繼電器J1驅動電路由光電耦合器NEC2501、PNP三極管Q3和續(xù)流電路構成，光電耦合器NEC2501為了防止現(xiàn)場強電磁干擾或工頻電壓通過輸出通道反串到單片機系統(tǒng)。它通過電光電這種轉換，利用“光”這一環(huán)節(jié)完成隔離功能，因為光信號的傳送不受電場、磁場的干擾，可以有效地隔離電信號，提高電路的抗干擾能力。三極管Q3用于將光電耦合器NEC2501的信號放大，以確保有效的驅動繼電器，其中R16、R17和R18為限流電阻。二極管D5和電阻R1構成續(xù)流電路，當繼電器的線圈斷電后，二極管D5和電阻R1為線圈產生的反向電壓提供續(xù)流通道。整流濾波電路由四個二極管D1D4、四個電容C31C34和一個濾波電容C1組成，電容C31C34(0.01UF)對交流50Hz阻抗很大，而對高頻干擾的阻抗很小，基本上可以通過它順利入地。此外，C31C34對整流二極管也有保護作用，在電路剛接通的瞬間，大電容C1的充電電流很大，在沒有C31C34的情況下，將全部通過二極管。由于C31C34兩端的電壓不能突變，C31C34處于短路狀態(tài)，二極管上不全流過很大的電流，從而保護了二極管。濾波電容C1將整流電路出來的脈動電流變?yōu)橹绷麟娫矗妷捍笮閁=1.414220=311V。保護電路的熔斷器用保護電路過流，壓敏電阻RT1用于保護電路的過壓。如圖11所示： 圖11 交流220V整流濾波電路4.3.2 充電主電路設計本課題是基于單片機技術和RFID技術的電動車充電站設計，設計內容把射頻識別技術與電動車充電站結合起來，以AT89C51單片機為核心進行控制，主要包括電量檢測功能、RFID電子錢包功能以及充電功能三部分，各部分功能模塊及外圍接口模塊連接成了一個功能齊全的電動車充電站系統(tǒng)。充電電路部分是電動車充電站三大功能的一部分，主要實現(xiàn)智能充電功能。本課題經整流濾波的300V直流電源送給脈沖變壓器T1的初級繞組，初級繞組的下端與開關管DFF4N60相連，開關管DFF4N60由光電耦合器NEC2501(U11)和PNP三極管Q2來控制和驅動。其中，光電耦合器NEC2501(U11)用于隔離強電與弱電，防止強電部分干擾單片機系統(tǒng)，PNP三極管Q2用于驅動開關管DFF4N60，確保開關管的導通，R8R11為限流電阻。R2、C2、D6和C6、R3、D7構成開關管DFF4N60的保護電路，在變壓器的初級繞組上電的瞬間，如果沒有C6、R3、D7，則就會有一個階躍的電壓加在開關管的漏源極，產生一個過高的du/dt加在開關管的兩端，使開關容易被擊穿。而有了C6、R3、D7組成的緩沖電路，在變壓器上電一瞬間，由于電容C6兩端的電壓不能突變，有個上升的過程，它兩端的電壓隨著電容的充電而升高，從而起到緩沖的作用。當開關管斷開后，初級繞組將會產生一個反向電壓，此時， R2、C2、D6為反向電壓提供了一個通路，反向電壓返回到初級組，將能量消耗在RC回路上。次級繞組接D8、D9、D10和D15構成二次整流電路，然后用一個470UF的大電容進行濾波。J2為繼電器用于在充滿電時斷開電源，R4和D12為繼電器線圈的吸收電路，光電耦合器NEC2501(U10)和PNP三極管Q4來控制和驅動繼電器。R15R17構成蓄電池實際電壓的采樣電路，在本電路采樣蓄電池的1/10的電壓。蓄電池的負極經0.1歐姆的采樣電阻接到地上構成電流采樣電路。如圖12所示：圖12 充電主電路模塊4.3.3 單片機電路設計單片機小系統(tǒng)電路如圖13所示：圖13 單片機電路模塊單片機采用的是AT89C51型芯片，在18和19腳上接一個12MHz晶振，并聯(lián)兩個30PF的瓷介電容，為單片機提供時鐘基準。單片機的復位電路為上電復位，電源通過22UF的電解電容加到單片機的復位腳9腳上一個高電平復位信號，RC常數(shù)t為t=2210-610103=0.022S=220mS,因此，上電復位電路能給單片機提供高電平的時間遠大于2個機械周期的時間(即2mS),即單片機在加電后，單片機能完成復位。單片機的P0口通過排阻RR5與電源相連，為P0口的每個引腳接了一個10K的上拉電阻。P0口與ADC0809的數(shù)據(jù)口相連，用于讀取取樣的電壓和電流信號。單片機的地址鎖存輸出引腳經過四分頻后為ADC0809提供時鐘信號，P2.7為ADC0809的地址線，P2.4P2.6用于控制光電耦合器，P3.6(WR)和P3.7(RD)為ADC0809的讀寫控制引腳，P3.2(INT0)用于接收來自ADC0809模數(shù)轉換結束的中斷5。4.3.4 信號采樣與放大電路設計整體信號采樣與放大模塊電路圖如下所示:圖14 信號采樣與放大模塊電路圖（1）電壓采樣信號處理電路如圖14所示，信號采樣與放大模塊由電流和電壓信號的采樣電路和放大電路組成。其中，電流采樣信號經過兩級放大和量程自動轉換電路調整后級放大電路的放大倍數(shù)。由電壓采樣電路出來的電壓信號送入由R15和C24組成的低通濾波器，其截止頻率為fH=1/23.14R15C24=1/23.141.510310-810.6KHz。對于頻率大于10.6KHz的干擾信號經電容C24流入地，而對頻率小于10.6KHz的有用信號進入電壓跟隨器電路中，再將信號送進模數(shù)轉換芯片中。電壓跟隨器具有電壓隔離的作用，也稱為電壓隔離器，電壓隔離器輸出電壓近似輸入電壓幅度，并對前級電路呈高阻狀態(tài)，對后級電路呈低阻狀態(tài)，因而對前后級電路起到“隔離”作用。電壓跟隨器的電壓放大倍數(shù)恒小于且接近1，具有輸入阻抗高、輸出阻抗低的特點，極端一點去理解，當輸入阻抗很高時，就相當于對前級電路開路，當輸出阻抗很低時，對后級電路就相當于一個恒壓源，即輸出電壓不受后級電路阻抗影響。一個對前級電路相當于開路，輸出電壓又不受后級阻抗影響的電路當然具備隔離作用，即使前、后級電路之間互不影響。（2）前置放大電路 對電流信號的處理經過一個低通濾波器和兩級電路放大電路。由于蓄電池充電時電流的信號從20mA3A，范圍很大，它有一段的信號是很小，并且經過0.1電阻的采樣電路的后，采樣電流信號幅值變?yōu)?mA0.3A，為此在本設計中對采樣電流信號進行兩級放大，既前置放大電路和后級放大電路6。如圖14所示，采樣電流經過由R15和C6組成的低通濾波器，讓10 KHz的有用信號能進入到前置放大器中，而10 KHz以上的諧波信號則從電容C24流入地中，提高了電路的搞干擾能力。為了提高對充電采樣電流測量的精度，利用放大器AD620對采樣電流進行精確的放大10倍，其中電阻R44的阻值為：R44=49.4K/(A-1)=49.4K/(10-1)=5.5K。（3）高精度自動換擋比例運放電路從前置放大電路輸出電流信號的幅值為20mA3A，變化的范圍很大，為了方便對電流信號的處理，在本設計中采用了高精度自動換擋比例運放電路，將前置放大電路輸出電流信號分成了四個量程:第一檔為20mA100mA；第二檔為100mA500mA；第三檔為500mA1000mA；第四檔為1A5A，在這范圍內的電流信號放大1倍，放大后的信號幅值為1V5V；高精度自動換擋比例運放電路分為電壓比較電路。由四電壓比較器LM339構成的電壓比較電路組成，在電壓比較器的同相輸入端接一個基準電壓，在反相輸入端輸入采樣的電流信號7。這四個基淮電壓信號分別為1V、0.5V、0.1V和0.02V,當采樣信號大于基準電壓時，電壓比較器LM339輸出低電平，當采樣信號小于基準電壓時，電壓比較器LM339輸出高電平。采樣信號在不同的范圍時，就會對應一個或幾個電壓比較器輸出低電平，再由譯碼器74HC154進行譯碼使對應的引腳輸出低電平，以便用于分析電流信號的范圍和實現(xiàn)放大倍數(shù)自動轉換。（4）繼電器陣列驅動電路在后級放大電路中采用了由繼電器陣列組成的放大倍數(shù)自動轉換電路，由于譯碼器74HC154引腳最大的輸出電流只有幾十毫安，不足以驅動繼電器，所以需要一個繼電器陣列驅動電路，以驅動繼電器實現(xiàn)放大倍數(shù)的自動轉換。繼電器陣列驅動由PNP三極管A1015所構成的放大電路，其中5V直流繼電器，線圈額定電壓為3.75V，額定功率為0.2W，由此可算出限流電阻R的阻值為：R=U2/P=(5V-3.75V)2/0.27.8。在這用的是4.7的電阻。三極管A1015的放大倍數(shù)為200倍，故流入基極的電流I為：I=U/AR=(5V-3.75V)/2007.8=0.8mA所以基極的限流電阻R為：R=UEB/I=(5V-0.7V)/ 0.8mA=5.4K,在本電路中用4.7 K的電阻。其電路如圖15所示：圖15 繼電器陣列驅動電路（5）后級放大電路后級放大電路由低噪聲高精度運放OP07對前置放大電路輸出的信號進行放大，而放大倍數(shù)自動轉換則由繼電器陣列所構成 。其中電位器RTR2用于調零，以提高運放的精度，R45為限流電阻，電容C28為濾波電容，用于濾去諧波信號提高電路的抗干擾能力。繼電器陣列用于實現(xiàn)放大倍數(shù)的自動轉換，當充電電流為20mA100mA時，引腳15和16所接的線圈通電，使最左邊的繼電器導通。此時，由R46和R56構成運放OP07的反饋電路，放大51倍。當充電電流為100mA500mA時，引腳13和14所接的線圈通電，從左邊數(shù)第二個繼電器導通。此時，由R47和R56構成運放OP07的反饋電路，放大11倍。當充電電流為500mA1000mA時，引腳11和12所接的線圈通電，從左邊數(shù)第三個繼電器導通。此時，由R48和R56構成運放OP07的反饋電路，放大6倍8。當充電電流為1000mA2250mA時，引腳9和10所接的線圈通電，最右邊的繼電器導通。此時，由R49和R56構成運放OP07的反饋電路，放大兩倍。4.3.5 模數(shù)轉換電路設計模數(shù)轉換芯片為8通道模擬輸入