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1、成绩 课 程 设 计 说 明 书课程设计名称：电子技术课程设计题 目：充电器设计学 院：电气信息学院学 生 姓 名：专 业：学 号：指 导 教 师：日期：2012年 6 月 22 日充电器设计摘 要：便携式电子产品的快度发展，促使电池的品种增加及性能提高，并且使可充电电池的产量大增，同时对充电器的要求也趋于效率高、体积小、成本低、重量轻并且安全实用。本设计主要介绍用于镍镉可充电电池的全自动充电器。该充电电路用时基电路NE555接成施密特触发器构成的充电器具有电路结构简单，取材容易，使用外围原件少，易于操作，电池充满后自动停止的特点，适合对26节的镍镉电池充电，效果良好。充电时只要设定电池充电电
2、压的上、下限，充电器便能自动给电池充电。关键词：NE555,LM7809,电池，充电器Abstract： Portable electronic products faster development degree to increase the variety of battery and improve performance, and make rechargeable battery output growth, at the same time for the requirements of the charger, tend to be high efficiency, low c
3、ost, small volume, light weight and safe and practical. This design mainly introduces used for nickel cadmium rechargeable batteries fully automatic charger. The charging circuit, pick up into NE555 circuit s Schmitt toggle circuit has a charger simple structure, based on the easy, use the original
4、less periphery, easy to operate, the battery filled the characteristics of automatic stop suitable for 2, 6 section of the nickel cadmium battery, the effect is good. Charge the battery voltage as long as set upper and lower limit, charger can be automatically to the battery.Keywords：NE555，LM7809,Ba
5、ttery，Charger目 录1前言11.1设计背景11.2设计目标11.3实施计划12总体方案设计22.1方案比较22.1.1方案一22.1.2方案二22.1.3方案三32.2方案论证32.3方案选择33单元模块设计43.1各单元模块功能介绍及电路设计43.1.1电源电路模块设计43.1.2电压比较器模块设计73.1.3指示电路模块设计83.2电路参数的计算及元器件的选择93.2.1电源电路93.2.2电压比较器电路93.2.3显示电路93.3器件的介绍93.3.1LM7809器件介绍124系统调试144.1调试环境144.2仿真调试155结论176总结与体会187谢辞198参考文献20附
6、录211 前言 从18世纪法拉第发现了电磁现象以来，人类社会便进入了电子时代。经过不断发展，电子产品越来越多的呈现在我们面前。由于电能的清洁高效、易于转变成其它形式的能源的特点，电子技术越来越被人们重视。我将从设计背景、设计目标以及实施计划三个方面来简单介绍我的作品。1.1 设计背景充电器是伴随着充电电池的发展而发展的，随着消费者和产业的环保意识增强，碱性一次电池和含有有毒金属镉等二次电池使用日益受到限制，可充电电池得到了广泛的使用。镍氢电池作为一种便携式电源，具有体积小、容量大、内阻小、输出电压平稳以及可反复充电等特点，正被越来越广泛地应用于计算机、电子测量仪表和各类通信设备中，由于其价格比
7、普通的锌锰电池昂贵，因此科学合理地使用镍氢电池显得非常重要，而选择正确、可靠的充电方式是充分发挥镍氢电池效能和保证其寿命的关键。1.2 设计目标通过NE555和集成稳压器件共同组成该充电器，可以根据需要对2节、4节或6节电池充电，电池充足电后，电路能自动停充1.3 实施计划先通过收集资料，比较选择一种较优的方案，即选用较少的元器件，比较简单的方式来连接。然后通过Proteus软件仿真，画出原理图和PCB图。2 总体方案设计从18世纪法拉第发现了电磁现象以来，人类社会便进入了电子时代。经过不断发展，电子产品越来越多的呈现在我们面前。由于电能的清洁高效、易于转变成其它形式的能源的特点，电子技术越来
8、越被人们重视。我将从设计背景、设计目标以及实施计划三个方面来简单介绍我的作品。2.1 方案比较对同一种目标的实现，可以用不同的方案，下面我将介绍三种方案对同一目标的实现方法，并进行比较，确定最终的方案。2.1.1 方案一方案一原理框图如图2-1所示图2-1 方案一的原理框图方案一是通过典型的直流稳压电源和555构成的施密特触发器组成的全自动充电器。该方案主要是电源模块、电压比较器模块和指示电路模块三部分组成。在电源部分主要有降压、RC桥式整流、滤波、和稳压这四个环节。降压部分用变压器就可以完成，RC桥式整流通过整流桥来实现，滤波就直接通过电容来实现，稳压环节可以通过集成器件来实现，本设计可以用
9、的集成器件有LM7809、LM317。2.1.2 方案二方案二原理框图如图2-2所示图2-2 方案二的原理框图方案二是恒流源快速充电器电路，只需两小时便可完成对两节五号镉镍电池充电。2.1.3 方案三方案三原理框图如图2-3所示图2-3 方案三的原理框图方案三是典型的并联式镉镍电池充电器电路，它弥补了串联式镉镍充电器会造成残留电量较大的电池发生过过充电，而残留电量较小的电池可能还没有充足。2.2 方案论证方案一的优点：1.思维简单，电路模块相对比较熟悉，容易想到，电路结构也简单。方案一的缺点：1.充电电流较小，一般在50-100mA间方案二的优点：1.充电时间短，节约时间，充充电时间可以自行定
10、义方案二的缺点：1电路复杂，不易实现方案三的优点：1.弥补了串联式镉镍充电器会造成残留电量较大的电池发生过过充电，而残留电量较小的电池可能还没有充足。方案三的缺点：1.该方案所用元器件较多，成本较高2.3 方案选择以上几种方案都可以实现对多节镉镍电池充电的功能，相对比较之下，我选择方案一。方案一所用到的相关知识都是我们最近才学的，能够更好的学以致用，同时，该电路较简单，成本相对比较低。3 单元模块设计本节主要介绍系统各单元模块的具体功能、电路结构、工作原理、以及各个单元模块之间的联接关系；同时本节也会对相关电路中的参数计算、元器件选择、以及核心器件进行必要说明。3.1 各单元模块功能介绍及电路
11、设计本系统主要分为3个单元模块，它们分别是：电源电路模块、电压比较器模块和指示电路模块。各单元模块功能及相关电路的具体说明如下。3.1.1 电源电路模块设计稳压电源一般由变压器、整流器和稳压器三大部分组成，变压器把市电交流电压变为所需要的低压交流电。整流器把交流电变为直流电。经滤波后，稳压器再把不稳定的直流电压变为稳定的直流电压输出。如下图所示：把220V交流变成低压直流的四个组成部分：降压整流滤波稳压图3-1 仿真电路原理图1电源变压器:把输入U1的有效值220V，频率50HZ的电网电压变换成所需要的电压U1，一般情况下，直流电压的数值和电网电压有效值相差很大，因此需要通过电源变压器降压后，
12、再对交流电压进行处理。下面介绍一下变压器的工作原理变压器是变换交流电压、电流和阻抗的器件，当初级线圈中通有交流电流时，铁芯（或磁芯）中便产生交流磁通，使次级线圈中感应出电压（或电流）。变压器由铁芯（或磁芯）和线圈组成，线圈有两个或两个以上的绕组，其中接电源的绕组叫初级线圈，其余的绕组叫次级线圈。如下图所示的原理图：图3-2变压器原理图 变压器的基本原理是电磁感应原理，现以单相双绕组变压器为例说明其基本工作原理（如上图）：当一次侧绕组上加上电压1时，流过电流1，在铁芯中就产生交变磁通1，这些磁通称为主磁通，在它作用下，两侧绕组分别感应电势1，2，感应电势公式为：E=4.44fNm式中：E-感应电
13、势有效值f-频率N-匝数m-主磁通最大值由于二次绕组与一次绕组匝数不同，感应电势E1和E2大小也不同，当略去内阻抗压降后，电压1和2大小也就不同。当变压器二次侧空载时，一次侧仅流过主磁通的电流（0），这个电流称为激磁电流。当二次侧加负载流过负载电流2时，也在铁芯中产生磁通，力图改变主磁通，但一次电设计背景设计背景分为用来平衡2，所以这部分电流随着2变化而变化。当电流乘以匝数时，就是磁势。上述的平衡作用实质上是磁势平衡作用，变压器就是通过磁势平衡作用实现了一、二次侧的能量传递.2.桥式整流电路:整流电路的目的是利用其具有单向导电性的整流元件，将正负交替的正弦交流电压U1整流成单方的脉动电压U2。
14、D1 D4 为四只相同的整流二极管，接成电桥形式，故称桥式整流电路。利用二极管的导引作用，使在负半周时也能把次级输出引向负载。具体接法如图所示，从图中可以看到，在正半周时由D1、D2导引电流自上而下通过RL，负半周时由D3、D4导引电流也是自上而下通过 RL ， 从而实现了全波整流。 在这种结构中，若输出同样的直流电压，变压器次级绕组与全波整流相比则只须一半绕组即可，但若要输出同样大小的电流，则绕组的线径要相应加粗。 至于脉动，和前面讲的全波整流电路完全相同。如图3-3所示的整流桥形状：图3-3 电路中的整流桥形状由于整流电路的输出电压都含有较大的脉动成分。为了尽量压低脉动成分，另一方面还要尽
15、量保留直流成分，使输出电压接近理想的直流，这种措施就是滤波。3.滤波电路整流电路虽然可将交流电变成直流电，但其脉动成分较大，在一些要求直流电平滑的场合是不适用的，需加上滤波电路，以减小整流后直流电中的脉动成分。为了减小电压U2的脉动，需通过低通滤波使输出电压平滑，理想情况下，应将交流分量全部滤掉，使滤波电路的输出电压仅有直流电压，然而，由于滤波电路为无源电路，所以，接入负载后势必会影响滤波效果，对电源电压稳定性要求不高的电子电路滤波，整流后的直流电压U3可作为供电电源。下面介绍一下电容滤波的原理 。在小功率整流电路中主要采用电容滤波。电容滤波的电路图如下所示，当电刚接通时，U2从正半周的零值开
16、始增加，二极管D1,D3导通，导通电流一路向负载RL供电+另一路向电容充电，由于二极管的导通电阻很小，充电时间常数很小，电容两端电压UC几乎与U2同步增大。当UC= U2时，U2开始下降，此时U2小于UC。二极管收反向电压作用而截止，电容C向RL放电，由于放电常数很小，UC按照指数规律缓慢下降当UC=|U2|时，U2的负半周使D2,D4正偏导通。下面是电容滤波电路原理图如图3-4所示：图3-4 整流滤波电路原理图4.稳压电路交流电压通过整流，滤波后虽然变为交流分量较小的直流电压，但当电网波动或负载变化时，平均值也将随之变化。因此，稳压电路的功能是：使输出直流电压U4基本不受电网电压波动和负载变
17、化影响，从而获得足够高的稳定性3.1.2 电压比较器模块设计比较器是由运算放大器发展而来的，比较器电路可以看作是运算放大器的一种应用电路。由于比较器电路应用较为广泛，所以开发出了专门的比较器集成电路。图3-5电压比较器原理图 图3-2由运算放大器组成的差分放大器电路，输入电压V1经分压器R2、R3分压后接在同相端，V2通过输入电阻R1接在反相端，RF为反馈电阻，若不考虑输入失调电压，则其输出电压Vo与V1、V2及4个电阻的关系式为：若R1=R2，R3=RF，的表达式为：RF/R1为放大器的增益。当R1=R2=0(相当于R1、R2短路)，R3=RF=(相当于R3、RF开路)时，Vo=。3.1.3
18、 指示电路模块设计LED被广泛用于种电子仪器和电子设备中，可作为电源指示灯、电平指示或微光源之用。红外发光管常被用于电视机、录像机等的遥控器中 ,本设计中采用了以发光二极管为主的自动充电器的充电显示电路。3.2 电路参数的计算及元器件的选择下面就相关电路中的参数计算以及元器件的选择进行说明。3.2.1 电源电路变压环节则只需要220V/12V、5VA小型优质电源变压器，整流部分选用IN4001型硅整流二极管，滤波部分选用CD11-25V型铝电解电容，稳压部分则用LM7809型三端稳压集成块3.2.2 电压比较器电路用NE555来实现比较功能3.2.3 显示电路选用普通红色发光二极管3.3 器件
19、的介绍本系统中主要使用了如下一些功能器件：三端集成稳压器件LM7809、NE555、lLED。下面就这些器件的功能特点、主要参数和使用方法作相应说明。NE555是一种应用特别广泛作用很大的的集成电路，属于小规模集成电路，在很多电子产品中都有应用。NE555的作用是用内部的定时器来构成时基电路，给其他的电路提供时序脉冲。NE555时基电路有两种封装形式有，一是DIP双列直插8脚封装，另一种是SOP-8小型（SMD）封装形式。 NE555的内部结构可等效成23个晶体三极管.17个电阻.两个二极管.组成了比较器.RS触发器.等多组单元电路.利用NE555可以组成相当多的电路，例如家用电器控制装置，报
20、警器，门铃，信号发生器，自动控制装置及其他应用电路，这是因为NE555巧妙的将数字电子和模拟电子结合起来的缘故，下面我将对其进行介绍。1.555的外形图图3-6NE555的两种封装形式 2.引脚介绍 图3-7NE555引脚图表3-1 NE555引脚功能介绍： 管脚标号12345678功能地触发输出复位控制电压门限放电电源3.555应用（1） 构成施密特触发器，用于TTL系统的接口，整形电路或脉冲鉴幅等；电路原理图如图3-7所示。图3-8 555施密特触发器（2）构成多谐振荡器，组成信号产生电路； 振荡周期： 电路原理图如图3-8所示。图3-9 多谐振荡器器 （3） 构成单稳态触发器，用于定时延
21、时整形及一些定时开关中。电路原理图如图3-9所示。图3-10 单稳态触发器 555应用电路采用这3种方式中的1种或多种组合起来可以组成各种实用的电子电路，如定时器、分频器、脉冲信号发生器、元件参数和电路检测电路、玩具游戏机电路、音响告警电路、电源交换电路、频率变换电路、自动控制电路等。3.3.1 LM7809器件介绍集成稳压器是指将不稳定的直流电压变为稳定的直流电压的集成电路。由于集成稳压器具有稳压精度高、工作稳定可靠、外围电路简单、体积小、重量轻等显箸优点，在各种电源电路中得到了普遍的应用。常用的集成稳压器有：金属圆形封装、金属菱形封装、塑料封装、带散热板塑封、扁平式封装、双列直插式封装等。
22、在电子制用中应用较多的是三端固定输出稳压器。78xx系列集成稳压器是常用的固定正输出电压的集成稳压器，输出电压有5V、6V、9V、12V、15V、18V、24V等规格，最大输出电流为1.5A。它的内部含有限流保护、过热保护和过压保护电路，采用了噪声低、温度漂移小的基准电压源，工作稳定可靠。78xx系列集成稳压器为三端器件：1脚为输入端，2脚为接地端，3脚为输出端，使用十分方便它的电路符号外形如图下所示。 要特别注意，不同型号，不同封装的集成稳压器,它们三个电极的位置是不同的，要查手册确定。 图3-11 78系列电路符号图3-12 78系列外形图表3-2 LM7809集成电路的引脚功能及数据：引
23、脚功能电压在路电阻（K）开路电阻(K)红笔测试黑笔测试红笔测试黑笔测试1输入12充电充电225.52输出9充电充电363地00000三端集成稳压器有如下几种：三端固定正输出集成稳压器，国标型号为CW78/CW78M/CW78L三端固定负输出集成稳压器，国标型号为CW79/CW79M/CW79L三端可调正输出集成稳压器，国标型号为CW117/CW117M/CW117L4 系统调试4.1 调试环境Proteus软件是英国Labcenter electronics公司出版的EDA工具软件（该软件中国总代理为广州风标电子技术有限公司）。它不仅具有其它EDA工具软件的仿真功能，还能仿真单片机及外围器件。
24、它是目前最好的仿真单片机及外围器件的工具。虽然目前国内推广刚起步，但已受到单片机爱好者、从事单片机教学的教师、致力于单片机开发应用的科技工作者的青睐。Proteus是世界上著名的EDA工具(仿真软件)，从原理图布图、代码调试到单片机与外围电路协同仿真，一键切换到PCB设计，真正实现了从概念到产品的完整设计。是目前世界上唯一将电路仿真软件、PCB设计软件和虚拟模型仿真软件三合一的设计平台，其处理器模型支持8051、HC11、PIC10/12/16/18/24/30/DsPIC33、AVR、ARM、8086和MSP430等，2010年又增加了Cortex和DSP系列处理器，并持续增加其他系列处理器
25、模型。在编译方面，它也支持IAR、Keil和MPLAB等多种编译器。Altium Designer 提供了唯一一款统一的应用方案，其综合电子产品一体化开发所需的所有必须技术和功能。Altium Designer 在单一设计环境中集成板级和FPGA系统设计、基于FPGA和分立处理器的嵌入式软件开发以及PCB版图设计、编辑和制造。并集成了现代设计数据管理功能,使得Altium Designer成为电子产品开发的完整解决方案一个既满足当前，也满足未来开发需求的解决方案。Altium Designer 的统一平台 用一个统一的数据模型来代表所设计的系统 已被有效地运用，而且已有效地解决了在确保不断增长
26、的产品性能增强和革新的要求的同时，提供更高的数据完整性的问题。其结果是一个设计数据管理模式的执行，允许关于设计世界和最终负责构建实际产品的供应链这二者之间的链接进行正式的定义。4.2 仿真调试仿真电路如图4-1：图4-1仿真电路图 在上图中，通过电压探针来监测整个电路中的电压，同时用示波器来观察输入的波形分别在通过整流、滤波、稳压等环节的波形图。整流前后波形图的对比如图4-2图4-2 整流波形在上图中，从上到下，第一个波形为整流前的波形，第二个图为整流后的波形，讲两个波形放在同一个图中，能够很好的看出波形的差异。稳压前后的波形如图4-3所示：图4-3 稳压的波形在上图中，从上至下第一个波形是稳
27、压前的波形，电压值大约为14v；第二个波形为该波形经过LM7809后的波形，该波形近似为一条直线，电压幅值为9v。5 结论本次课程设计是本人到目前为止觉得最有意义也是收获最大的一次实习。身为电子类专业的学生，设计是我们将来必需的技能。而这次课程设计恰恰给我们提供了一个应用自己所学知识的平台。从通过理论设计，到仿真软件仿真，再到确定具体方案，再到安装实际电路，最后到调试电路、成型。整个过程都需要我充分利用所学的知识进行思考、借鉴。可以说，本次课程设计是针对前面所学的知识进行的一次比较综合的检验。总的来说，这次课程设计虽然累，但非常充实。在这次实习中，正确的思路是很重要的，只有你的设计思路是正确的
28、，那你的设计才有可能成功。因此我们在设计前必须做好充分的准备，认真查找详细的资料，为我们设计的成功打下坚实的基础。要做好本次的课程设计，熟练地掌握课本上的理论知识是前提。这样才能对试验中出现的问题进行一定的分析和解决。 6 总结与体会课程设计是我们大学学习过程中一个十分重要的环节。在我们刚深入接触专业课知识的时候，课程设计成为我们把专业知识转化为实际应用的实验桥梁。这对我们来说意义非常重大。是锻炼我们运用所学知识正确分析和解决实际问题的一个重要方面，也是培养应用型专门人才的要求。经两个星期的选题研究，从选题和资料、分析和计划、实际产品设计、调试维护阶段、课程设计说明书写等等中，我对电子产品的制
29、作产生了浓厚的兴趣,对于所选的课题，我们经过反复的研究。综合我们所学的知识以及成品制作的可靠性。我们选择了全自动充电器的实验来完成我们的课程设计。通过这次课程设计我学到了很多电路知识,电脑知识，以及相关软件的知识，如Protel99SE、Altium Designer、Microsoft Office等等，特别是通过本次课程设计巩固我所学过的专业知识。我会在日后的工作中深入学习，加深研究，争取把本系统应用到实际工作中，使之产生商业价值。在以后的研发中加入新技术，使之更趋完善，本次课程设计是我的电子研发之路的良好开端。我会以此为契机，在以后从事的与电子有关工作中取得更好的成绩。经过两个星期的课程
30、设计，我深刻明白了理论知识与社会实践相结合的道理。以前总以为看看课本就能学会，可一旦到了实践部分，就无从下手，无法把所学的知识应用到实际操作中去。通过本次设计，我学到了许多东西，更加明白了如今信息时代电子技能知识的重要性。课程设计增强了我对实际工艺技术、电子技术和设备技术等方面的认识，掌握了分析处理问题的方法，并具有了一定程度的实际工作能力。面对如此激烈的市场竞争体系，只有努力掌握好技能知识才能立于不败之地，通过这次锻炼使我对电子产品的开发和研究产生了浓厚的兴趣。希望以后能通过自己的不断努力获得更多知识和技术经验。7 谢辞在陈永强老师的指导下，本文从选题到完成，从理论上的探讨到实际问题的解决，
31、无处不饱含着陈老师的心血。陈永强老师的悉心指导和建议给了我极大的帮助和支持，使我受益匪浅，在此论文完成之际，谨向陈永强老师致以深深的谢意和崇高的敬意。陈老师在这次课程设计过程中耐心指导答辩，尤其是在设计内容和论文格式等多个问题上，使我们更加了解了一些重要芯片的使用和对数电知识的更深层次的了解。陈老师对这次课程设计抱着认真负责的态度，他极力做好安排、指导、答辩等各个环节，只为我们能通过这两周多的课程设计学到更多知识，更快地提高我们的能力。在陈老师的指导下，我学到了很多平时没有学到的东西，尤其是学到了很多依托我们的专业知识在实际生活中广泛应用的东西。我还要感谢学校安排了这次课程设计，为我们熟悉我们
32、的专业相关知识提供了平台，为我们以后的毕业设计打下了基础。8 参考文献1 陈有卿实用555实际电路300例 M中国电力出版社，2005年2 史久贵基于Altium Designer的原理图与Pcb设计M机械工业出版社，2010年3康华光、陈大钦、张林.电子技术基础模拟部分M.高等教育出版社，2008年4 康华光、邹寿彬、秦臻.电子技术基础数字部分M.高等教育出版社，2011 年5过军、华容茂电工电子技术实习与课程设计M.电子工业出版社，2011年6 石生.电路分析（第二版）M.高等教育出版社，2008年7 衣承斌、刘金南模拟集成电子技术基础M,2010年8 谢沅清、解月珍电子电路基础M,机械工业出版社，2005年9 陈梓城实用电子电路设计与调试 M. 北京：中国电力出版社，2006年.10 日户川治朗.高玉苹，译.实用电源电路设计 M.北京：科学出版社，2006年.11 日青木英彦.周南生，译.模拟电路设计与制作 M.北京：科学出版社，2005年.12 刘南平，模拟电子电路 M.北京：科学出版社，2006年. 附录附录1 系统的原理电路图附录2 系统PCB图