论文总字数：35989字

摘 要

目前电动自行车所用的铅酸蓄电池是世界上广泛使用的一种化学电源，但是由于普通充电器的充 电方法不合理 ，使蓄电池寿命大大缩短。研究发现：电池充电过程对电池寿命影响较大，也就是说，绝大多数的电池不是用坏的，而是充坏的。由此可见 ，一个性能良好的充电器对电池的使用寿命具有举足轻重的作用。本课题将用MSP430单片机根据电池充电特性设计出不同模式的充电，主要是三段式充电，恒流充电、恒压充电以及涓流充电模式。通过MSP430单片机的A/D转换系统对蓄电池的电压与电流进行采样分析，而控制电池的充电模式对电池进行智能充电，所以编程出一种高效、快速并对电池损伤小的充电系统。使电池的寿命大大增加，也节约大量资源。

关键词：电池；三段式；A/D转换；智能

MCU Smart Charger Software Based

Abstract

Lead-acid batteries currently used in electric bicycles is a chemical widely used in the power of the world, but because ordinary charger charging method is unreasonable, so that the battery life shortened. The study found: the battery is charging a larger impact on battery life, that is, the vast majority of battery is not with the bad, but bad charge. Thus, a good performance charger for battery life plays an important role. This issue will be used to design MSP430 microcontroller based on the battery charging characteristics of different models, mainly three-stage charging, constant current charging, constant voltage charging and trickle charge mode. / D conversion system of the battery voltage and current through the MSP430 microcontroller A sampling and analysis, and control the battery charging mode intelligent battery charging, so the programmer of an efficient, fast and less damage to the battery charging system. So greatly increased battery life, but also saves a lot of resources.

Keywords: Battery； Three-step method； A / D converter； intelligence

目 录

摘 要 I

Abstract II

第一章 绪 论 2

1.1 课题研究的背景及意义 2

1.1.1 课题背景 2

1.1.2 课题意义 2

1.2 本课题主要研究任务及内容 3

1.3 本章小结 3

第二章 系统需求分析与方案论证 4

2.1 电动车充电器的工作原理 4

2.1.1 恒流充电阶段及其充电曲线 4

2.1.2 恒压充电阶段及其充电曲线 4

2.1.3 涓流充电阶段及其充电曲线 5

2.2 电动车充电器结构简介 6

2.3系统整体方案设计 7

2.4可行性分析 7

2.5 本章小结 7

第三章 硬件设计 8

3.1 硬件设计原理 8

3.2 芯片介绍 8

3.3 MSP430端口概述 11

3.4 电流和电压采样模块设计 11

3.5 电流与电压显示模块 12

3.6 控制模块设计 13

3.6.1 UTC3842芯片介绍及其工作原理 13

3.6.2 系统设计 14

3.7 本章小结 15

第四章 系统软件设计 16

4.1 软件开发语言及工具 16

4.2 使用Grace配置ADC10 17

4.2.1 ADC10输入设置 17

4.2.2 基准设置 18

4.2.3 采样起始信号 19

4.3 Comparator _A 比较器 19

4.4使用Grace配置Comparator _A 21

4.5 利用Grace配置Timer_A3 21

4.6程序流程图 22

4.7 本章小结 24

第五章 调试及运行结果分析 25

5.1 测试仪器清单 25

5.2 实验结果及分析 25

5.2.1 10位AD转换测试 25

5.2.2 三阶段充电测试 26

5.3结果分析 27

5.4 本章小结 27

第六章 结束语 27

附录 30

第一章 绪 论

1.1 课题研究的背景及意义

1.1.1 课题背景

科技的不断进步，时代的不断发展，让人们从马车、脚踏车、步入到今天的电动自行车。电动自行车的出现不仅仅解决了人们出行难的问题，更加贴合节约能源创造绿色生态环境的时代的主题。但是电动车的能量有限有时候人们出行，骑着电动车几十公里，就很难再往前迈进。这个问题，越来越值得人们去认真思考，对于这种问题的出现，科研人员也在不断的进行研究，另外一个问题就是电池的使用年限，往往由于充电的不合理，而导致电池的使用寿命大大减少。

据调查分析，常用的铅酸蓄电池充电器主要采用两种充电方式：恒压充电与循环充电。但这两种充电方式都有一定量的缺点：在电池充电过程中，电池的电压会不断的升高，那么充电电流就会不断的下降，而恒压充电的方式的充电电压总是恒定的。这样会很大程度使得充电电池损坏。循环充电的原理就是采用较小的电流对电池充电，充电效果会明显的好转。但对充电容量较大的蓄电池 ，充电时间会变得很长，会有很多的不方便的地方。我国几乎所有电动车都使用无温度补偿的充电器，这种充电器会对电池造成一定的损害。因为时时刻刻温度都在变，而且过充和欠充都会使得造成电池失水和硫酸盐化。那么电池产生失水现象，就会使硫酸浓度升高，加强电池的板极腐蚀，这样的话容易产生硫酸盐化，而硫酸盐化的电池又容易失水，就会产生一种连锁反应 ，对电池的伤害很大。

对于目前国内的充电器均不能提高电池的充电效率，而且缺乏温度补偿的现实，本产品所设计的智能充电器，以三段式充电理论为基础。

1.1.2 课题意义

近年来随着城镇规模不断的扩大 、城市人口集聚增多，交通越来越拥挤，燃油机动车所放的尾气已经成为大气污染的主要原因之一。而电动自行车因其轻巧 、安全 、省力并有益于环保等优点 ，逐渐成为人们理想的步工具。

但由于充电器充电的方式不合理，就会导致蓄电池的寿命大大的下降，一般的蓄电池的寿命都在三到五年，这远远的低于初始指标十到十五年的标准。这样不但形成了一种浪费，也对人们的生活造成了很大的影响，对社会也会造成一定的负担。

研究发现，电池的充电过程与充电方式对电池的寿命起到决定性的作用。换句话说，大多数电池不是用坏的而是由于充电的不合理才导致电池的损坏的。所以我们要设计出一套全新的智能充电器来保障电池的寿命。

1.2 本课题主要研究任务及内容

本课题将设计单片机AD，检测电池电压、电流软件，通过单片机智能的对充电器充电，以及减少充电对电池寿命的影响，同时根据电池充电特性设计单片机DA进行不同模式的充电，为不同状态电池提供服务，具有过流、过压、过温等保护功能。编程出一种高效、快速并对电池损伤小的充电系统就成为了课题的重要环节。一般的充电方式是恒压充电或者恒流进行充电,根据理论分析对电池充电可以用脉冲式恒压充电的方式，这种方式可以让充电曲线与理想的充电曲线相似，是一种能对蓄电池进行快速充电并较小对蓄电池伤害的充电方式。

内容：1、理解电池充电机理、充电器各功能模块原理和设计方法。

2.、使用MSP430单片机AD检测电池电压与电流，再对采样电流电压值与设定值进行比较。

4、 掌握电池充电机理、充电器各功能模块原理和设计方法。

1.3 本章小结

本章介绍了电动车电池的发展历史、国内各类电池的发展情况与市场前景，以及规划出了课题的任务及内容。为下一章的设计提供了背景知识。

第二章 系统需求分析与方案论证

2.1 电动车充电器的工作原理

电动车充电器常用的充电方式通常是三段式充电。在充电过程中，充电器先以恒流模式对蓄电池进行快速充电，被充电控制电路检测后充电器会自动转入下一个充电阶段，就是恒压充电阶段，继续给蓄电池充电，但此时电压上升的幅度较小并且速度变慢，做到电压稳定为止。当充电电流小于300MA的转折电流时，就会自动的用涓流充电模式进行充电，来补足蓄电池的自放电流，并且还保养蓄电池。

下面具体介绍一下三段是充电，三段式充电主要分为恒流充电阶段、恒压充电阶段与涓流充电阶段。

2.1.1 恒流充电阶段及其充电曲线

在恒流充电的整个过程当中，始终保证着充电电流是恒定不变的。充电时，蓄电池的段电压不断升高但为了保持充电电流的恒定不变，就一定要提高充电电压才行。示意图如下

图2-1-1 恒流充电结构及其曲线图

2.1.2 恒压充电阶段及其充电曲线

在整个恒压充电过程当中，一定要保持一个恒定的电池充电电压，绝大多数电动车都用这种充电方式对蓄电池进行充电。开始充电的时候，有由于电动车电池电压比较低，所以充电器与蓄电池之间的电压差较大，导致了充电电流也比较大，从而对蓄电池的伤害也比较大。但随着充电的进行，蓄电池上的电压开始逐渐的变大，那么充电器与蓄电池之间的电压差会逐渐的减小，所以充电电流也会更着减小。如果充电器输出的电压不足，则在充电过程中很短的时间内就会导致充电电流下降为零，就会过早的结束充电。如果长时间这样的话，一定会导致蓄电池长期充电不足，容量下降，寿命缩短。如果充电器输出电压过高的话，充电电流会明显的增大，即使充电足够长的时间，但是端电压仍然会小于充电器的输出电压，可是充电电流还在充电一直进行中，一定会导致电池产生过充电的现象，就会加快电池内电解液的消耗，从而使得电池寿命缩短。所以在充电过程中要保持恒压充电，就是在充电过程中是使得电池电压稳定在某个电压值上，一般这电压的参考值在59.5V左右。恒压充电阶段的示意图如下

图2-1-2 恒压充电结构及其曲线图

2.1.3 涓流充电阶段及其充电曲线

经过前两段充电后，可能电池电量会显示充满，但实际上电池并没有真正的达到饱和状态。此时剩余的容量就会靠微小的脉冲电流充电，在涓流充电过程中会让电池充电暂停一段时间在充电，如此的循环直到电池达到饱和为止。当电池使用脉冲充电模式充满时，就会间歇性的使蓄电池由化学反应产生的氧气与氢气再次化合吸收掉，自然消除浓差化与欧姆化，减小蓄电池内部电压，使得下一轮的恒流充电更加的顺利的进行。从而保证电池充电饱和。

图2-1-3 涓流充电曲线

2.2 电动车充电器结构简介

充电器采用了典型的结构组成，主要有整流滤波电路、开关电源电路（PWM）、功率转换电路还有控制电路。在充电过程中，首先将220V的交流电通过整流滤波电路变换出直流电送入开关电源电路，再经过功率转换即电压变换成大约48V左右的电压给蓄电池。在蓄电池的出口处分别对电压与电流进行采样，经过恒流、恒压、涓流的充电控制电路对电流与电压的输出控制。然后驱动开关电源，再输出PWM波形的占空比，来实现阶段性充电方式。

图2-2 电动车充电器原理图及其最佳充电曲线

2.3系统整体方案设计

当今很多普通的电动车电池使用寿命只有3~5年，尤其是蓄电池，远远的低于设计指标10~15年的要求。一个好的充电器对电池是多么的重要，它不但可以延长电池的寿命，更可以节约资源。所以本文将用MSP430设计出一种新的可以避免以上缺点充电方式。

通过MSP430控制充电过程，实现开关管的功能，本文设计的智能充电器把对电动车电池充电的过程分为三个阶段。用MSP430内部的ADC10转换模块进行采样，然后与设定值进行比较。以小电流对电池进行快速充电，当电动车电池电压与额定电压相近时，以恒流的方式对电动车电池进行充电；当采样的电压值达到设定的电压值时，充电器会自动转入恒压充电阶段对电池充电；最后用小电流浮充，如果电流值低于设定的电流时，停止对电池进行充电。从而用MSP430代替 UTC3842芯片控制充电器充电模式，进而完成电池的三段式充电。

2.4可行性分析

本系统软件设计式用mps430完成的，程序用C语言编写，采用模块化程序设计方法。开始系统初始化，LED AD 定时初始化，然后设置充电参数开中断，判断AD转换是否结束中断，AD转换结束中断就调用数据处理程序。根据三段式充电理论，有恒流限压、恒压限流、浮充三阶段 ，用MSP430采取采样电压与电流值送给 AD转换器，AD转换器将模拟信号转换数字信号后送单片机进行处理 ，从而控制充电器的充电模式。这种充电方式会大大的延长电池寿命。

2.5 本章小结

本章中首先介绍了电动车电池的充电基本原理；然后进行了可行性分析；制定出了系统整体方案设计。这样有助于以下工作的开展。

第三章 硬件设计

3.1 硬件设计原理

本课题利用msp430g2553单片机、相压电蜂鸣器等，完成硬件设计，主要包括：电流和电压采样模块设计、电流与电压显示模块设计、开关电源等。

图 3-1 系统设计框图

3.2 芯片介绍

MSP430系列单片机的结构特征：16位精简指令集CPU通过地址总线和数据总线直接与存储器和片上外设相连； 单片机内部包含嵌入式仿真系统，具有JTAG/SBW接口； 智能时钟系统支持多种时钟，能够最大限度地降低功耗； DMA控制器可显著地提高程序执行效率。

1 12C扩展IO单元，IO口少是MSP430G2系列单片机的一个软助。如图3-2所示，扩展16个IO口中，8个作为输出口用于控制8个LED，4个作为输出口用于控制LCD驱动器，4个作为输入口用于识别4个机械按键。

图3-2-1 TCA6416A原理图

MSP430G2系列单片机中就包含一个比较器内外设模块，基于该模块扩展板上设计了由拨盘电位器模拟的传感器电阻，作为基准使用的定值电阻和积分电容，加上3个普通IO构成Slope ADC单元，如图3-2-2。

图3-2-2 Slope ADC单元

DAC单元选择了一款体积小、引脚少、外围元件极少的DAC8411。只有半厘米大小，6条腿，1个去耦电容就构成了DAC单元。通过3个0欧跳线电阻，可以选择对DAC输出信号进一步处理。

图3-3-3 DAC单元原理图

3.3 MSP430端口概述

通用I/O端口是MSP430单片机最重要也是最常用的外设模块。通过I/O端口不但能直接用于输入/输出，还可以为MSP430单片机提供必要的逻辑控制信号。

MSP430系列单片机最多有12个通用I/O端口（P1～P11和PJ），基本上所有的端口有8个引脚，少数端口引脚数少于8个。每个I/O引脚都可以被独立地设置为输入或者输出引脚，而且每个I/O引脚都可以被独立地读取或者写入，端口寄存器都可以被独立地置位或者清零。

P1和P2引脚具有中断能力。中断是从P1、P2口引入的，那么可以被独立的使能，如果设置上升沿或者下降沿的话，还会触发中断。P1IV包含了P1口所以IO引脚的中断，同样P2IV包含了P2口所以IO引脚的中断。

3.4 电流和电压采样模块设计

电流的采样由MSP430单片机内部8通道、采样频率200ksps，精度10位的 ADC10转换完成的。ADC10内部的基准1.5V或2.5V，也可以外接基准电压，内部通道可以直接对内部的温度传感器、芯片供电电压、外部基准电压采样。它共有4种转换方式，分别是单通道单次采样、单通道重复采样、多通道轮流采样、多通道重复采样。采样起始信号SHI控制完整的AD转换过程，AD转换需要若干个时钟周期才能完成。由于SHI信号和ADC10CLK信号不是同步信号，ADC10CLK收到命令的状态瞬间不定，所以需要延后一位做同步。采样时间T是要我们计算出来的，可以通过SAMPCON设定4/8/16/64个ADC10CLK周期，用来保证采样保持电容C上的电压与所测得信号电压误差小于0.5LSB。

3.5 电流与电压显示模块

在整个软件系统的设计过程中，电流电压的显示模块非常重要，在ADC10MEMO中的采样电压值如何保持平稳，是一个难点。在MSP430内部的ADC10模块，它是一种具有采集数据和保持功能转换器，共有10位。所以在本次研究的系统中，是可以有10位的转换精度。在整个模块的内部结构，依照其原理，将参考电压值设定为0~2.5V这个区间。在输入的模拟量中VDN与转换数字量NADC之间存在这样的关系： NADC=4095*(VDN-VREF-)/(VREF -VREF-) 
在其内部的转换参考电压VREF-实际上是0V。而与其不同的内部参考电压VREF 则为2.5V。将设计实验所得的数据结果通过含有8位移位寄存器的74HC595保存到其内部的存储器中。通过这样的设计之后，才能达到电流与电压显示模块的设计要求。
数码管接口的电路图如图3-5所示。

图3-5 数码管接口电路图

3.6 控制模块设计

3.6.1 UTC3842芯片介绍及其工作原理

图3-5-1-1 UTC3842设计电路图

图3-5-1-2 UTC内部结构原理图

UTC3842是一种离线式来固定频率脉宽调制（PWM）的控制电路，它的主要功能用于直流变换又称直流变换器。它能精确的控制占空比周期是因为它内部有个能修调的振荡器，它能驱动MOS管是因为误差放大器、基准电压源、电流检测比较器与一个大电流的图腾输出都集成在其中。UTC3842的特点是能启动电流较小、钳制最大占空比、有滞后的欠压关断功能和它的工作频率能达到500KHZ。

UTC3842是现在使用非常普遍的一种性能优良的芯片，它能通过输入的电流值控制输出脉宽的单端输出式调制器。它的主要功能是通过改变驱动信号的脉冲宽度来调整不稳定电压是其达到稳定的目的。UTC3842是一共有8个引脚的双列直插式芯片。它的1引脚称为补偿脚，顾名思义就是由内部放大器输出通过RC网络反馈到2脚从而起到补偿的功能。那么2脚就是电压反馈脚，3脚为电流检测脚可以调整输出的最大电流。4脚为振荡脚。5脚为接地脚。6脚为脉宽输出端。7脚为电源脚。8脚为基准电压输出端。

下面简述下UTC3842进行控制三阶段充电的工作原理。1、恒流充电阶段：一开始开关电源运行后，由于电池电压较低所以充电电流会很大。随着不断的充电，充电电流会不断的增大。当达到1.6A时，充电电流的压降就会与参考电压相等，那么3842内部的比较放大器就开始工作。 使得内部的光耦的亮度增强，此时3842的2脚电压升高，从而通过PWM控制器使得开关管的G极激励脉冲不断的减小，使得开关电源的输出降低，那么这样就会把充电电流限制在1.6A上，达到恒流充电的目的。

2、恒压充电阶段：在恒流充电进行快速充电后，电池电压会持续上升，到达58V时由采样电阻取样的电压增加到基准极电压等于0.16V后3842进行控制。只要充电器的输出电压不断的上升，那么基准极上的电压就会不断的升高。这是通过IC控制使得开关电源的输出电压不断的降低，最终稳定在58V上，到达恒压充电的目的。

3、涓流充电阶段：当充电电流小于0.5A时，进行对开关电源输出控制，R27上的电压会不断的下降，LM358的3脚电压会小于2脚电压，则1脚输出的电压较低，Q2关断LED熄灭，同时7脚输出的电压较高，会使得Q3导通。此外会到达反馈电路，使得电压降低，那么充电器就会进入涓流充电阶段，一般充电1-2小时后充电结束。

3.6.2 系统设计

由3-5-1可知UTC3842在充电器中的工作原理及控制电池三阶段充电的原理。那么我们可以用MSP430代替UTC3842控制电池的三阶段充电。当蓄电池充电时，先将220V交流电压过功率变换器变换为直流电压，再通过高频变压器对其降压，降到合适的电压对电池进行充电。然后对电压电流进行检测，同时对电压电流进行信号采集，再将信号送入MSP430中对反馈来的信号进行分析处理，调整其空比。

MSP430中有精度较高的10位AD转换模块。以当充电器对电池充电时，MSP430单片机对充电器的充电电流与电压进行采样，可由P1.5读出输出回路的电压值。输出回路就是由三个0.47欧姆的电阻组成的，即采样电压就是次电阻网络的电压值。再除以并联总电阻值就可以得到采样电流值。单片机会将此次的采样电流值寄存在ADC10MEM1寄存器中。但为了提高采样准确性，一般采样值为采样10次结果的平均值。采样电压与采样电流的方法大体一样，主要采样电路不同，采样电压是采样串联电阻网络中R4的电压值，并且将采样电压值放入ADC10MEM0中。但采样电压的基准范围就是以外部参考电压为基准AVSS~VACC，大小为0~0.33V。所以设计采样电压值小以0.16V时，此电压会加到LM358的3脚上，从1脚输出高电压，从而强迫Q2导通，那么充电器进入恒流充电阶段。当采样电压值在0.06~0.16V时，电池电压将会上升到58V左右，充电器将会进入恒压模式。当充电电流值小于0.5A时，那么就会进入涓流充电模式。

3.7 本章小结

本章介绍了控制系统的总体硬件设计思路，并详细分析了各功能模块。对MSP430芯片及其中的Slope ADC与DAC单元，并且还对芯片的引脚做了详细介绍。本章中还对电流电压采样模块与电流电压显示模块进行了设计。本章从充电器中的UTC3842的工作原理可以了解芯片是怎么样控制充电器的三段式充电的，那么我们就可以模仿UTC3842的工作原理来控制承担起三段式充电，而设计出合理方案与硬件系统。

第四章 系统软件设计

4.1 软件开发语言及工具

基于本课题的研究方便，笔者采用了C语言来进行整个软件的编写。软件开发语言的选择对程序的执行效率和优化有较大的影响，同时还要兼顾工程开发效率。在软件开发平台上面主要是选择了CCS软件开发平台。CCS软件开发平台主要是有TI公司设计开发的基于集成环境IDE方面的软件开发平台。它的功能异常的强大，可以实现设计项目的工程管理、软件程序的编译、程序代码的无条件下载、以及对设计的软件进行可调试等多方位、全方面的设计功能。在本次研究课题中，主要是采用了MSP430单片机为整个系统的主要控制核心。而且CCS软件开发平台，支持由TI公司所研发的MSP430芯片所以在整个系统的研究过程中。基于上述理由，选择了CCS软件开发平台。

图4-1 CCS软件操作界面

4.2 使用Grace配置ADC10

图4-2为ADC10的高级Grace设置，这个图解释了ADC10的八大部分的功能和寄存器。

图4-2 ADC10模块的Grace高级设置

4.2.1 ADC10输入设置

ADC10一共有8个外部输入，全部与IO复用。A3与A4通道也做外部基准的输入，或内部基准的输出引脚。我们可以设置内部的寄存器来决定引脚的用途。如下图4-2-1

图4-2-1 输入设置

4.2.2 基准设置

ADC10内部集有带隙电压基准，可以产生1.5V或2.5V的基准电压。带隙电压基准经过一个独立对的缓冲器才能输出最大1A的电流。电压基准和缓冲器分别可以关闭实现节能。操作时可以先开启内部基准需配置REFON位，且如果ADC输入通道选择了内部温度传感器，那么内部基准也会自动的开启，因为内部传感器的激励电压来着内部基准。原理图如下4-2-2

图4-2-2 基准设置

4.2.3 采样起始信号

由于很多程序中，不需要不停的AD转换，所以这里设计了采样起始控制信号SHI来决定一次AD转换的开始。用CCS写ADC10SC位时，一般情况下我们可以通过写ADC10SC位来开始一次AD转换。写完后ADC10SC后，它会自动复位，所以我们只管职位就可以了。有时候我们需要定时采样，这是就可以用TA定时器的TA0、TA1与TA2输出来自动的开启循环采样。原理图如下4-2-3

图4-2-3 采样起始信号的设定

4.3 Comparator _A 比较器

比较器的用途，比较器的原理简述起来也并不难，说白了就是比较两个模拟信号的大小。然后输入的模拟信号变成数字信号输出。一般常用的模数转换器分别是逐次比较型、并行比较型和积分型。

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