湖北师范学院物理与电子科学学院2014届学士学位论文
2. 系统设计概述
2.1设计内容和要求
一般市场上的万能充电器只能对4.2V的锂电池进行充电[4]，我们这次设计的可编程智能充电器，是在普通的万能充基础上进行升级，可以对充电的最大电压和最大电流进行设定，这样就可以使充电器的适用范围更广。要求：
①充电电压的范围为1V~13V，最大充电电流为0.5A-2.5A；
②能实现电池的充电与显示，显示的结果够精确，并且具备很好的稳定性； ③电路简单、成本要求低；
④操作简单、方便、易懂、数码管显示；
2.2总体设计方案 2.2.1设计思路
本设计的关键就是要知道电池充电过程的三个阶段，涓流充电，恒流充电，恒压充电，然后需要设计一个电路，具有恒流恒压功能。然后把这三个阶段的电压电流情况在数码管上显示出来。
2.2.2方案论证与比较
从设计思路出发，可以提出以下三个方案： 方案一：
电路原理图如图2-1所示。这种方案主要用到了一个基准源TL431，它是一种三端可调分流基准源[5]。DA的输出电压通过一个电阻R4接至TL431的参考极。当调节DA的输出电压使参考极电压高于2.5V时，三极管中有一个很大的电流通过。那么经过三极管输出的电流将会减小，电压也会随之下降。当调节DA的输出电压使参考极电压低于2.5V时，三极管相当于截止状态，通过R1经TL431到地的电流就很小，接近于0。那么三极管输出的电流将会增大，输出电压也会增加。当AD检测到输出电压超过4.2V时，又会自动调整增加DA的输出电压，使TL431导通，从而使三极管的输出电压减小。整个充电过程中，单片机会通过AD检测电池两端的输出电压和充电电流，过大或者过小都会通过控制DA的输出电压对电路进行调整，使得输出的电压和电流保持在一个相
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对稳定的状态。DA的输出电压取决于电路中电阻R4的大小。
3Q2211R11000R21.75kB23V锂电池B19V3U11R4MCU-DAC 调电压5kTL431R35kB38VR50.52 图2-1 方案一电路图
方案二：
电路原理图如图2-2所示，此方案用运放构成比较器对电池两端的电压进行控制。
图2-2 方案二原理图
电路运行分析：单片机的DA输出接运放的同相端5，与运放的反相端6进行比较，当电池两端的电压过高时，6脚的电压比5脚高，比较器输出将三极管的拉低，使电池两端电压降低；当电池两端电压偏低时，6脚的电压比5脚低，比较器输出将复合管抬
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高，使电池两端的电压升高。这样闭环控制使电池两端的电压维持不变，通过电压和电流检测的软件反馈可以调整DA输出。
方案三:
恒流源方案，采用硬件闭环控制方案。硬件闭环稳流的典型电路如图2-3所示，根据集成运算放大器的特性，可计算得：式中为负载电流，R1为取样电阻，为运算放大器同相端输入信号。若固定R1，则完全由决定，此时无论VCC或是RL发生变化，利用反馈环路的自动调节作用，都能使保持稳定。这样就可保证恒流源具有良好的线性关系。
图2-3 恒流源产生电路
对比三个方案可知，方案三更为合理，并且控制更为简单，方案三直接通过硬件闭环控制，使电池两端的电流恒定。方案二虽然能控制电流平衡，但是对AD的精度要求比较高，这样就没有硬件闭环控制实现恒流的方案好。方案一的TL431相对方案二中的运放来说，最大电压的范围就受限制了，所以此方案不是很好。最终选择方案三。
2.2.3系统设计总体框图
系统设计框图如图2-4所示。智能充电器采用单片机作为主控芯片，主要包括电源电路、恒流恒压电路[6]、键盘响应电路以及状态显示电路。
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外接电源直流12V恒流恒压电路PWM键盘电路电压检测电池MCU显示电路I/O接口图2-4 系统框图
ADC电流检测采样电阻
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3.1总体电路设计
3. 硬件电路设计
3.2.1单片机最小系统
3.2硬件功能模块分析
按键模块、LED显示模块和数码管显示模块。
图3-1 硬件电路图
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根据图3-1，设计出如图所示的硬件电路，完整硬件电路包括以下几个模块：系统
电源模块[7]、以单片机STC12C5A60S2为控制核心的单片机最小系统、恒流恒压源模块、
图3-2单片机最小系统
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