基于MSP430单片机的电动自行车充电系统.docx
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基于MSP430单片机的电动自行车充电系统
目录
引言1
第一章锂离子电池3
1.1锂离子电池简介3
1.2锂离子电池基本参数3
1.3锂离子电池的优缺点4
第二章MSP430单片机8
2.1MSP简介8
2.2工作模式12
第三章系统硬件设计18
3.1主电路设计18
3.2控制回路设计21
3.3MOSFEI驱动电路设计28
第四章软件设计28
4.1充电方式28
4.2软件设计32
4.3智能充电过程34
第五章总结37
致谢40
参考文献41
附录142
附录245
基于MSP430单片机的电动自行车充电系统
摘要设计了一种基于MSP430单片机的电动自行车充电器软硬件,讨论了该充电器的充电控制策略。
所设计的充电器分段采用电压、电流反馈,根据期望值和反馈值的偏差采用PID算法对PWM的占空比进行调节,以实现分段恒压恒流的充电控制。
随着能源的日益紧缺和大气污染的加剧,从我国国情和人们的消费水平出发,电动车具有广阔的发展前景。
开发实用、安全、清洁的移动电源,寻求相关的节能、环保解决方案一如发展新型电动车,成为当前各国的迫切任务。
作为电动车核心部件的电池及其充电器,其性能的优劣,直接影响电动车的质量状况,因此,研制性能良好的智能充电器,会带来显著的经济效益和良好的社会效益。
纯电动汽车具有低噪声、零排放、综合利用能源的优点,是汽车工业解决能源危机和环境污染这两大突出难题的重要途径,有着广阔的应用前景和巨大的发展空间。
如今限制电动汽车发展的瓶颈主要是动力电池能源问题,而改计。
进电池特性是一个漫长的过程,那么在车载电池能量不足时,需要用充电设备及时地对电池充电。
本文就是基于这样一个背景,以车载智能充电器为研究对象,对控制方法进行了研究,并对系统进行了设
电子技术的快速发展使得各种各样的电子产品都朝着便携式和小型轻量化的方向发展,也使得更多的电气化产品采用基于电池的供电系统。
目前,较多使用的电池有镍镉、镍氢、铅蓄电池和锂电池。
它们的各自特点决定了它们将在相当长的时期内共存发展。
由于不同类型电池的充电特性不同,通常对不同类型,甚至不同电压、容量等级的电池使用不同的充电器,但这在实际使用中有诸多不便。
关键词:
锂电池充电器电动自行车充电器
ChargingsystemforelectricbicyclecontrollerbasedonMSP430
AbstractDesignakindofelectricbicyclechargerhardwareandsoftwarebasedonMSP430SCM,discussesthechargingofthebatterychargerControlstrategy.Thedesignofthechargersegmentationusingvoltage,currentfeedback,accordingtotheexpectedvalueandthefeedbackvaluedeviationPIDalgorithmusingthedutyratioofPWMregulation,chargingtoimplementpiecewiseconstantvoltageandconstantcurrentcontrol.proceedingfromnationalconditionsofourcountryandpeople'sconsumptionlevel,electricvehiclehasabroaddevelopmentprospect.Mobilepowerdevelopmentofpractical,safety,clean,energysaving,environmentalprotectionforrelatedsolutionsasthedevelopmentofnewelectricvehicles,becomeanurgenttaskintheworld.Asthecorecomponentoftheelectriccarbatteryandcharger,itsperformancedirectlyaffectsthequalityofelectriccars.
Pureelectricvehicleswithlownoise,zeroemissions,comprehensiveutilizationofenergy,istheimportantwaythattwoprominentproblemoftheautomobileindustrytosolvetheenergycrisisandenvironmentalpollution,hasthebroadapplicationprospectandthehugedevelopmentspace.Thebottlenecklimitingthedevelopmentofelectricvehiclestodayarethemainpowerbatteryenergyproblem,insteadof.Thisarticleisbasedonsuchabackground.
Therapiddevelopmentofelectronictechnologymakesawiderangeofelectronicproductstowardportableandsmalllightweightdirection,alsomakesmoreuseofelectricproductsbasedonbattery'spowersupplysystem.Atpresent,moreuseofnickel-cadmiumbattery,nickel-hydrogenbatteriesandlithiumbatteries,lead.Theirrespectivecharacteristichaddecidedtheywillcoexistforalongperiodofdevelopment.Duetothedifferentcharacteristicsofdifferenttypesofbatterycharging,usuallyofdifferenttypes,andevendifferentvoltage,
Keywords:
ThelithiumbatteryThechargercharger
引言
随着信息技术的高速的发展,信息化正以令人惊叹的速度渗透到各个领域。
电池作为一个传统的产业,正经历着前所未有的变革,特别是在通信,动力等领域,对电池有了新的要求。
智能充电器就在这种环境下应运而生。
电子技术的快速发展使得各种各样的电子产品都朝着便携式和小型轻量化的方向发展,也使得更多的电气化产品采用基于电池的供电系统。
目前,较多使用的电池有镍镉、镍氢、铅蓄电池和锂电池。
它们的各自特点决定了它们将在相当长的时期内共存发展。
由于不同类型电池的充电特性不同,通常对不同类型,甚至不同电压、容量等级的电池使用不同的充电器,但这在实际使用中有诸多不便。
本文介绍一种基于单片机的智能充电器的设计方法。
该充电器可以实时采集电池的电压和电流,并对充电过程进行智能控制。
它可以自动计算电池的已充电量和剩余的充电时间,也可以改变参数来适应各种不同电池的充电。
系统中的管理电路还具有保护功能,可防止电池的过充和过放对电池造成。
为了缓解当前环境污染和能源短缺的问题,社会呼唤着一种无污染、噪声低、操作简单、速度适中的个人交通代步工具。
电动自行车作为一种理想的“绿色”代步工具,为人类带来了福音。
作为限制电动车市场发展的重要问题之一,蓄电池及其充电技术,已经成为十分重要的研究课题。
目前,市场上的电动自行车充电器多以恒压(恒流)、定时的方式进行充电。
这些充电方式没有根据蓄电池的充电特性,充电效率低,安全性能差,缩短蓄电池使用寿命甚至导致电池损坏和安全事故,不能满足市场的需要。
阐述了基于MSP430单片机的电动自行车充电器采用PWM控制的充电技术,根据实时检测到的蓄电池状态参数,调整充电电流及电压,从而达到提高充电效率,提高充电器安全性,延长蓄电池使用寿命的目的。
电池作为电动车动力来源,纯电动汽车是完全由二次电池(如铅酸电池、镍镉电池、镍氢电池或锂离子电池)提供动力的汽车。
由于纯电动汽车完全消除了车辆在运行中的废气排放,完全使用二次能源——电池,使其更符合能源持续利用战略;电动车节能,无尾气排放,无噪音,缓解了机动车尾气对大气的污染;是解决环境与能源问题的有效途径
目前应用于电动车的可充式二次电池主要有:
铅酸(LeadAcid)电池、镍镉电池、镍氢电池和锂电池。
电动汽车用电池的发展大致经历了三个阶段:
第一阶段采用铅酸蓄电池;第二阶段采用的有镍镉、镍氢、钠硫、钠氢化镍、锂聚合物、锂离子、锌空气和铝空气蓄电池等多种蓄电池;第三阶段采用以燃料电池和飞轮电池为代表的蓄电池,其它还有太阳能蓄电池等。
随着电池技术的发展,还会出现更高性能的电动汽车用蓄电池。
电动汽车动力电池的主要性能指标包括比能量、能量密度、比功率、功率密度、寿命、快速充电性能及成本。
另外,对动力电池的安全性、可靠性、充电方便性和维护性都有一定的要求。
该智能电池充电器能有效地解决电池和充电器的兼容问题,从而避免了因电池化学特性不同而给电池充电造成的各种麻烦。
另外,除了对电池电压的检测外,为了更好的保护电池,该充电器充电时还可对电池的温度及充电时间进行监测以作为辅助或后备保护方案。
因为多数充电器一般采用大电流的快速充电法,如果电池充满了,人们不及时断电就会使电池发烫,过度的充电会严重损害电池的寿命。
像一些成本比较低的充电器一般采用电压比较法,为了防止过度充充,基本上充电到一定的程度就停止大电流快充,转而用小电流涓流补充充电。
一部分的充电器不但能在很短时间内将电量充足,而且还可以对电池起到一定的维护作用,修复由于使用不当造成的记忆效应,即容量下降(电池活性衰退)现象。
设计比较科学的充电器往往采用专用充电控制芯片配合单片机控制的方式。
专用的充电芯片具有业界公认较好的-△v检测,可以检测出电池充电饱和时发出的电压变化信号,比较精确地结束充电工作,通过单片机对这些芯片的控制,可以实现充电过程的智能化,例如,在充电后增加及时关段电源、蜂鸣报警和液晶显示等功能。
充电器的智能化可以缩短充电的时间,同时能够维护电池,延长电池使用寿命。
随着信息技术的高速的发展,信息化正以令人惊叹的速度渗透到各个领域。
电池作为一个传统的产业,正经历着前所未有的变革,特别是在通信,动力等领域,对电池有了新的要求。
智能充电器就在这种环境下应运而生。
在人们日常工作和生活中,随着各种电子产品的广泛应用,各种充电器就不可或缺。
从电动刮胡刀到mp3,从手机到笔记本电脑,几乎只要用到电池的设备都会用到充电器。
这些充电器都有便携的特点,所以充电器为人们外出旅游和出差提供了相当大的方便。
单片机在电池充电器领域有着广泛的应用,利用它的处理控制能力可以实现充电器的智能化。
充电器种类品种繁多,但严格意义上讲,只有单片机参与处理和控制的充电器才能称为智能充电器。
电子技术的快速发展使得各种各样的电子产品都朝着便携式和小型轻量化的方向发展,也使得更多的电气化产品采用基于电池的供电系统。
目前,较多使用的电池有镍镉、镍氢、铅蓄电池和锂电池。
它们的各自特点决定了它们将在相当长的时期内共存发展。
由于不同类型电池的充电特性不同,通常对不同类型,甚至不同电压、容量等级的电池使用不同的充电器,但这在实际使用中有诸多不便。
本文介绍一种基于单片机的智能充电器的设计方法。
该充电器可以实时采集电池的电压和电流,并对充电过程进行智能控制。
它可以自动计算电池的已充电量和剩余的充电时间,也可以改变参数来适应各种不同电池的充电。
系统中的管理电路还具有保护功能,可防止电池的过充和过放对电池造成,在通用微机中央处理器(CPU)基础上,将输入/输出(I/O)接口电路、时钟电路以及一定容量的存储器等部件集成在同一芯片上,再加上必要的外围器件,如晶体振荡器,就构成了一个较为完整的计算机硬件系统。
由于这类计算机系统基本部件集成在同一芯片内,因此被称为单片微控制器(Single-Chip-MicroController)、微控制单元(MicrocontrollerUnit,MCU)或嵌入式控制器(EmbeddedController),简称单片机目前,8位高档机和16位机在单片机应用中占主导地位,产品众多,已有几十个系列、几百个型号,除了通用单片机以外,集成更多资源,如A/D转换器、D/A转换器、“看门狗”(Watchdog)电路、LCD控制器、网路控制模块等,将单片机嵌入式系统和Intenet连接起来已是一种趋势。
还有专用单片机产品,如专门用于数据处理(图像和语言处理等)的单片机。
总之,单片机正在向微型化、低功耗、高速、集成、高集成度、多资源、网络化、专用型方向发展。
第1章锂离子电池
1.1锂离子电池简介
锂是一种金属元素,化学符号Li,是一种银白色、十分柔软,化学性能活泼的金属,是金属中最轻的。
锂离子电池的正极材料通常有锂的活性化合物组成(主要成分是LiCo02),负极则是特殊分子结构的碳。
锂离子电池可以分成两大类:
不可充电型和可充电型,最大特点是比能量高。
比能量指的是单位重量或单位体积的能量,用Wh/Kg或Wh/L表示。
当对电池进行充电时,电池的正极上有锂离子生成,生成的锂离子经过电解液运动到负极。
而作为负极的碳呈层状结构,它有很多微孔,达到负极的锂离子就嵌入到碳层的微孔中,嵌入的锂离子越多,充电容量越高。
同样,当对电池进行放电时(即我们使用电池的过程),嵌在负极碳层中的锂离子脱出,又运动回正极。
回正极的锂离子越多,放电容量越高。
一般锂电池充电电流设定在0.2C至1C之间,电流越大,充电越快,同时电池发热也越大。
而且,过大的电流充电,容量不够满,因为电池内部的电化学反应需要时间。
就跟倒啤酒一样,倒太快的话会产生泡沫,反而不满。
电动汽车用电池的发展大致经历了三个阶段:
第一阶段采用铅酸蓄电池;第二阶段采用的有镍镉、镍氢、钠硫、钠氢化镍、锂聚合物、锂离子、锌空气和铝空气蓄电池等多种蓄电池;第三阶段采用以燃料电池和飞轮电池为代表的蓄电池,其它还有太阳能蓄电池等。
随着电池技术的发展,还会出现更高性能的电动汽车用蓄电池。
电动汽车动力电池的主要性能指标包括比能量、能量密度、比功率、功率密度、寿命、快速充电性能及成本。
另外,对动力电池的安全性、可靠性、充电方便性和维护性都有一定的要求。
此类蓄电池的比能量高,有较高的比功率,寿命长,材料来源丰富(我国有丰富的稀土资源),污染轻等优点,被认为是较好的电动车用蓄电池。
但是由于Nj—MH蓄电池的技术未臻成熟,格贵,单体电池电压低,使用时串联电池个数多,而且均匀一致性较差,限制了蓄电池组实际可使用的寿命。
尤其是镍氢电池在高温时自放电率会增高,造成电容量下降的缺点。
因此认为Ni—MH蓄电池在电动车上应用的地位是暂短的、过渡性的,将来的市场份额是有限的。
锂离子蓄电池和聚合物锂离子蓄电的比能量更高,有较高的比功率,寿命长,污染轻等优点,被认为是有希望的电动车用电池。
但因内含锂活性物质,易产生化学作用,遇火、氮、酸或氧化剂时,可能会有爆炸或着火危险等安全性问题成为影响锂离子蓄电池和聚合物锂离子蓄电池在电动自行车上应用的主要制约因素。
它们将成为用于高端电动车的电池,将是继铅酸蓄电池之后所占比例较大的电池。
但受价格限制,暂时所占比例不会很大。
锌空电池是金属一空气电池的一种,属于半燃料电池范畴。
它有比能量高,原材料丰富,价格不高,污染轻等优点,被认为是电动车用电池的有竞争力的候选者
1.2锂离子电池基本参数特性
1.高能量密度
锂电子电池的能量密度可以达到360Wh/L,158Wh/Kg,是NI-CD及NI-MH电池的两倍以上。
2.高工作电压
一般放电电压为3.7V。
3.高负载特性
一般锂电子电池的最大连续放电电流可达2CmA。
4.放电特性稳定
即使在电池寿命接近终止时,光宇锂离子电池仍保持着良好的放电稳定性。
5.快速充电特性
锂离子电池可接受的最大充电电流可达1CmA,而且恒流充电时间可达50分钟以上。
6.长循环寿命
重复使用次数多,循环充电特性好,可以重复500~1000次充放电。
锂离子电池的这些特点促进了便携式产品向更小更轻的方向发展,使得选用单节锂离子电池供电的产品也越来越多。
1.3锂离子电池的优缺点
虽然锂离子电池很少发生结晶化的反应,这种反应是产生记忆效应的原理。
但是,锂离子电池在多次充放电之后仍会性能下降,原因是非常复杂的。
最主要的是正负材料的变化,从分子角度看,正负极能容纳锂离子的空穴会塌陷,这样就会堵塞,影响电流的充放;从化学角度来看,正负极材料的钝化,会产生一些稳定的化合物,这样也会也会影响性能。
从物理角度看上,由于充放电过程中难免会有一些摩擦,碰撞,这样会使外部材料慢慢流失,甚至脱落。
这三方面的原因都会使锂离子电池在充放电过程中参加导电的锂离子丢失。
过度的充放电,都会对造成电池的损害或降低使用寿命,过度放电将导致负极碳过度释放出锂离子而使得其片层结构出现塌陷,过度充电将把太多的锂离子硬塞进负极碳结构里去,而使得其中一些锂离子再也无法释放出来。
这也是锂离子电池为什么通常配有充放电的控制电路的原因。
锂离子电池一般都带有管理芯片和充电控制芯片。
其中管理芯片中有一系列的寄存器,存有容量、温度、ID、充电状态、放电次数等数值。
这些数值在使用中都会逐渐变化。
虽然锂离子电池很少发生结晶化的反应,这种反应是产生记忆效应的原理。
但是,锂离子电池在多次充放电之后仍会性能下降,原因是非常复杂的。
最主要的是正负材料的变化,从分子角度看,正负极能容纳锂离子的空穴会塌陷,这样就会堵塞,影响电流的充放;从化学角度来看,正负极材料的钝化,会产生一些稳定的化合物,这样也会也会影响性能。
从物理角度看上,由于充放电过程中难免会有一些摩擦,碰撞,这样会使外部材料慢慢流失,甚至脱落。
这三方面的原因都会使锂离子电池在充放电过程中参加导电的锂离子丢失。
过度的充放电,都会对造成电池的损害或降低使用寿命,过度放电将导致负极碳过度释放出锂离子而使得其片层结构出现塌陷,过度充电将把太多的锂离子硬塞进负极碳结构里去,而使得其中一些锂离子再也无法释放出来。
这也是锂离子电池为什么通常配有充放电的控制电路的原因。
锂离子电池一般都带有管理芯片和充电控制芯片。
其中管理芯片中有一系列的寄存器,存有容量、温度、ID、充电状态、放电次数等数值。
这些数值在使用中都会逐渐变化。
充电控制芯片是控制电池的充电过程。
锂离子电池的充电过程分为两个阶段,恒流快充阶段(电池指示灯呈黄色时)和恒压电流递减阶段(电池指示灯呈绿色闪烁。
开始充电时,电池的电压以较大的斜率升压,当到达电池的标准电压,之后再控制芯片的控制下转入恒压充电状态,此过程中电压变化不大,电流在逐渐减小,当充电电流几乎降到零时,可认为电池电量已满,停止充电。
电量统计芯片通过记录放电曲线(电压、电流、时间)可以抽样计算出电池的电量。
而锂离子电池在多次使用后,放电曲线是会改变的,如果芯片一直没有机会再次读出完整的一个放电曲线,其计算出来的电量也就是不准确的。
所以我们需要深充放来校准电池的芯片。
锂离子电池的不足之处在于对充电器要求比较苛刻,需要保护电路。
锂离子电池要求的充电方式是恒流恒压方式,为有效利用电池容量,需将锂离子电池充电至最大电压,但是过压充电会造成电池损坏,这就要求较高的控制精度。
另外,对于电压过低的电池需要进行预充,充电器最好带有热保护和时间保护,为电池提供附加保护。
由此可见实现安全高效的充电控制成为锂离子电池推广应用的瓶颈。
充电控制芯片是控制电池的充电过程。
锂离子电池的充电过程分为两个阶段,恒流快充阶段(电池指示灯呈黄色时)和恒压电流递减阶段(电池指示灯呈绿色闪烁。
开始充电时,电池的电压以较大的斜率升压,当到达电池的标准电压,之后再控制芯片的控制下转入恒压充电状态,此过程中电压变化不大,电流在逐渐减小,当充电电流几乎降到零时,可认为电池电量已满,停止充电。
电量统计芯片通过记录放电曲线(电压、电流、时间)可以抽样计算出电池的电量。
而锂离子电池在多次使用后,放电曲线是会改变的,如果芯片一直没有机会再次读出完整的一个放电曲线,其计算出来的电量也就是不准确的。
所以我们需要深充放来校准电池的芯片。
锂离子电池的不足之处在于对充电器要求比较苛刻,需要保护电路。
锂离子电池要求的充电方式是恒流恒压方式,为有效利用电池容量,需将锂离子电池充电至最大电压,但是过压充电会造成电池损坏,这就要求较高的控制精度。
另外,对于电压过低的电池需要进行预充,充电器最好带有热保护和时间保护,为电池提供附加保护。
由此可见实现安全高效的充电控制成为锂离子电池推广应用的瓶颈。
第2章MSP43单片机
2.1MSP430简介
MSP430的CPU采用16位RISC架构,具有高度的应用开发透明性。
除了流程控制指令,所有的操作都以寄存器操作的形式进行,其中源操作数有七种寻址方式,目的操作数有四种寻址方式。
MSP430系列单片机是美国德州仪器(TI)1996年开始推向市场的一种16位超低功耗、具有精简指令集(RISC)的混合信号处理器(MixedSignalProcessor)。
称之为混合信号处理器,是由于其针对实际应用需求,将多个不同功能的模拟电路、数字电路模块和微处理器集成在一个芯片上,以提供“单片机”解决方案。
该系列单片机多应用于需要电池供电的便携式仪器仪表中。
MSP430单片机之所以有超低的功耗,是因为其在降低芯片的电源电压和灵活而可控的运行时钟方面都有其独到之处。
MSP430系列单片机是一个16位的单片机,采用了精简指令集(RISC)结构,具有丰富的寻址方式(7种源操作数寻址、4种目的操作数寻址)、简洁的27条内核指令以及大量的模拟指令;大量的寄存器以及片内数据存储器都可参加多种运算;还有高效的查表处理指令。
这些特点保证了可编制出高效率的源程序。
MSP430系列单片机能在25MHz晶体的驱动下,实现40ns的指令周期。
16位的数据宽度、40ns的指令周期以及多功能的硬件乘法器(能实现乘加运算)相配合,能实现数字信号处理的某些算法(如FFT等)。
首先,MSP430系列单片机的电源电压采用的是1.8-3.6V电压。
因而可使其在1MHz的时钟条件下运行时,芯片的电流最低会在165μA左右,RAM保持模式下的最低功耗只有0.1μA。
其次,独特的时钟系统设计。
在MSP430系列中有两个不同的时钟系统:
基本时钟系统、锁频环(FLL和FLL+)时钟系统和DCO数字振荡器时钟系统。
可以只使用一个晶体振荡器(32.768kHz)DT-26ORDT-38,也可以使用两个晶体振荡器。
由系统时钟系统产生CPU和各功能所需的时钟。
并且这些时钟可以在指令的控制下,打开和关闭,从而实现对总体功耗的控制。
由于系统运行时开启的功能模块不同,即采用不同的工作模式,芯片的功耗有着显著的不同。
在系统中共有一种
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