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作者：齐鲁工业大学 苏孟琪 于鹏

指导教师：汪宁

　　作品简介

　　使用方法：本系统使用方便，用户可以通过图形化的触摸交互界面进行功能及电压电流的设定并启动相应功能，运行完毕后便可以得知电池容量极其特性曲线，并可以通过上位机或U盘获取精确的测量数据。

　　如图1所示为整个系统的实物图：

　　图2

　　如图3所示为系统主界面：

　　如图6为运行界面：

　　平台选型说明

　　本系统采用了飞思卡尔K60系列微控制器，它是一款是基于ARM® CortexTM-M4 具有超强可扩展性的低功耗、混合信号微控制器。

　　设计说明

　　本设计的原理是通过单片机控制恒流源对电池充电，待电池充满后，以设定的放电电流进行放电，同时检测电池的电压，并对电流和电压做积分运算，待到电池的电压达到放点截至电压时停止放电，此时的积分结果便池放出的的容量或是能量值。

　　总体方案：本系统，采用了飞思卡尔K60系列微控制器，它是一款是基于ARM® CortexTM-M4 具有超强可扩展性的低功耗、混合信号微控制器。控制器通过AD实时采集并记录电池的电压与电流信息，通过DA配合充放电控制电路，控制电池充放电电压与电流的大小

　　系统框图：

　　如图7所示，本系统的硬件部分分为8个模块。

　　电源模块：

　　电池充电需要大于4.2A 4.2V电源，单片机需要3.3V 电源，U盘模块需要5V电源，充放电控制电路需要正负12V电源

　　方案一：使用工频变压器。工频变压器经过整流滤波线性稳压后得到各种数值的直流电压。需要配备很大容量的滤波电容，和大电流的线性稳压器件。大功率工频变压器体积大，笨重，，价格昂贵，电源转换率低。

　　方案二：使用开关变压器，开关变压器体积小巧，电压稳定，功率大，转换效率高，节能，但开关电源输出电压的纹波比较大，会产生高频干扰。

　　综上所述，电源模块同时采用了12V 20A 开关电源和小功率12V工频变压器。其中开关电源通过线性稳压7805、1117 3.3后为微控制器和LCD等控制部分供电，同时提供电池充电所需的电流。正负12V工频变压器通过整流滤波出稳定的+-12V电压为充放电控制电路供电。

　　下图为电源模块的原理图：

　　显示模块：本系统要求使用不小于VGA分辨率的显示屏。

　　方案一：使用640*480的单色点阵屏。单色点阵屏控制简单，电路简介，内置字库，节能低功耗，可以显示文字和图形。响应速度慢，高分辨率价格昂贵。

　　方案二：使用800*480分辨率的 TFT彩色液晶显示屏。TFT显示屏响应速度快，色彩逼真，可以显示各种文字图片，具有较低功耗，控制复杂，需要大量的程序控制该屏幕　。

　　综上所述，本系统采用TFT 彩色液晶屏，符合设计要求，还可以显示更加友好的界面。

　　信息输入模块：

　　方案一：采用4x4矩阵键盘，电路简洁，程序简单。

　　方案二：采用TFT显示屏自带的触摸屏，可以检测屏幕上任何一个位置的触摸，控制程序复杂。

　　综上所述，该模块采用触摸屏，可以设计出更加友好的人机界面，通过简单快捷的操控实现复杂功能的设置。

　　AD/DA转换器：

　　数字电路处理模拟信号需要AD/DA转换器，转换器精度很大程度上影响整个系统的精度。

　　微控制器内部具有16bit 模数转换器和12bit数模转换器，12bit的数模转换器精度太低，不符合本系统设计要求，故外接了一个16bit的数模转换器 DAC8830。

　　为了使AD/DA转换器更加稳定，本系统采用了基准电压芯片REF5030为其提供稳定的3V准。

　　REF5030的原理图如下所示：

　　外部存储模块：

　　本系统采集到的数据量很大，单片机自身无法存储，故需要外部储存器。本系统使用了型号为CH375的USB储存模块。该模块具有并行和串行两种传输方式，而且内置了文件级子程序库

　　充放电控制模块：

　　方案一：采用模拟电路实现恒流源与恒压源以及恒流负载。模拟电路调整速度快，缺点是原理、电路复杂，抗干扰能力差，设计电路时需要计算各个元器件的参数。

　　方案二：采用数字调节的方式实现恒流源与恒压源以及恒流负载。恒流电路需要高速的响应时间，对单片机处理速度也是一大挑战。

　　本系统采用了模拟与数字结合的方式，恒流源与恒流负载采用模拟电路实现，构成一个压控电流源，单片机控制输出电压的大小实现对电流源的控制，恒压过程则依靠单片机实时检测电压，一旦电压值超过设定电压便控制恒流电路减小电流，通过闭环控制实现输出电压的稳定，考虑到电池充电时电压变换缓慢，所以对单片机采样处理速度没有过高的要求。

　　下图为充放电控制模块的原理图：

　　图10

　　充放电控制模块的工作原理：

　　模块采用闭环控制使输出电流恒定。AR1采用精密运算放大器 OP07 采集采样电阻R14 R14’ 两端的电压并放大，放大后的电压值便表示电流的大小，把此值送入后继AR2构成的比较器中与AR2正向输入端输入的电压值VER比较，若是低于此值，则输出电流没有达到设定值，AR2的输出端的电压便会升高，升高后的电压通过模拟开关CD4053到达MOS管的栅极增加MOS管的导通量来增大电流;反之采样放大后的电压若是高于设定值AR2的输出端的电压便会降低，MOS管导通量减小，使电流降低。单片机可以通过AD采集AD_A处的电压值，通过计算便可以得到此时电路实际的电流值。

　　计算公式如下：I = AD_A/0.025;

　　同时，单片机控制DA输出电压输入到R16的输入端便可以改变输入电压值VER，从而改变电流大小。

　　OFF端可以控制电流源的关断，当OFF为高电平时，光耦的次级导通致使三极管Q4导通，由于Q4的E极为-0.7V，此时VER被拉低至负电压，AR 则输出负电压，使MOS管关断。

　　SET端是充放电切换端，SET为低电平时，三极管Q5截止，4053控制引脚为高电平，CD4053 X通道与放电MOS管接通，控制放电电流大小，当SET为高电平时，三极管Q5导通，4053控制引脚为低电平，CD4053 X　通道与充电MOS管的驱动三极管Q1接通，控制充电电流大小，而YZ通道则切换采样电阻与AR1的连接极性，使AR1输出的电压值总是为正，供AD采集及后级电路处理。

　　单片机软件系统原理：

　　单片机上电后初始化各个外围模块。然后检测触摸屏输入状态。设定好各种参数后系统即可启动，启动后单片机会自动控制电池充放电电压和电流并显示实时绘制出曲线。当电压和电流达到设定的数值，单片机便会控制充放电控制板关断充放电电路，同时蜂鸣器会发出提示。此时便可以读出电池容量

　　系统流程：

　　图11

　　充放电流程图：

　　图12