畢業(yè)設(shè)計(jì)多功能充電器

1、 多功能充電器設(shè)計(jì) i 多功能充電器設(shè)計(jì) 摘 要 電子技術(shù)的快速發(fā)展使得各種各樣的電子產(chǎn)品都朝著便攜式和小型輕量化的 方向發(fā)展，也使得更多的電氣化產(chǎn)品采用基于電池的供電系統(tǒng)。目前，較多使用 的電池有鎳鎘、鎳氫、鉛蓄電池和鋰電池。它們的各自特點(diǎn)決定了它們將在相當(dāng) 長(zhǎng)的時(shí)期內(nèi)共存發(fā)展。由于不同類型電池的充電特性不同，通常對(duì)不同類型，甚 至不同電壓、容量等級(jí)的電池使用不同的充電器，但這在實(shí)際使用中有諸多不便。 本文介紹一種基于單片機(jī)的智能充電器的設(shè)計(jì)方法。該充電器可以實(shí)時(shí)采集電 池的電壓和電流，并對(duì)充電過程進(jìn)行智能控制。它可以自動(dòng)計(jì)算電池的已充電量 和剩余的充電時(shí)間，也可以改變參數(shù)來(lái)適應(yīng)各種不同電池

2、的充電。系統(tǒng)中的管理 電路還具有保護(hù)功能，可防止電池的過充和過放對(duì)電池造成損壞。 關(guān)鍵詞： 科技/電子產(chǎn)品/充電器/多功能 多功能充電器設(shè)計(jì) ii multifunctional charger design abstract the rapid development of electronic technology to make all kinds of electronic products are lightweight portable and small towards the direction of development, but also makes the more e

3、lectrification products based on battery power supply system. at present, more use of the battery is nickel cadmium, lead nimh, battery and lithium battery. their respective characteristic decided they will coexist in a long time. due to the different type battery charge character is different, usua

4、lly for different types, and even different voltage, capacity grades of battery charger, but it is different in practical use inconvenience. this paper introduces a kind of intelligent battery chargers based on single chip design method. the charger can collect real-time battery voltage, current, an

5、d to charge process of intelligent control. it can automatically calculate the battery charging and the remaining amount already charging time, also can change parameter to meet the various battery charge. system of management circuit also has the protection function, can prevent battery overcharge

6、and put on batteries damage. key words: technology/electronics/charger/multi-functional 多功能充電器設(shè)計(jì) 目 錄 中文摘要. 英文摘要. 一、多功能充電器對(duì)人們生活的影響.1 二、多功能充電器設(shè)計(jì) 2.1.工作原理.1 2.1.1 電路原理圖.1 2.1.2 基準(zhǔn)電壓源.2 2.1.3 恒壓恒流電路.2 2.1.4 電壓檢測(cè)電路.5 2.1.5 電池最高溫度檢測(cè)電路.6 2.1.6 放電電路.6 2.2 編程控制實(shí)現(xiàn)方法.7 2.2.1 i/o 口分配.7 2.2.2 程序功能及實(shí)現(xiàn)方法.7 2.3 實(shí)驗(yàn)結(jié)

7、果及結(jié)論.9 2.4 元器件的選擇.9 三、多功能充電器的應(yīng)用.10 致謝.11 參考文獻(xiàn).12 （附錄）.13 多功能充電器設(shè)計(jì) 1 多功能充電器設(shè)計(jì) 一、多功能充電器對(duì)人們生活的影響 隨著數(shù)碼相機(jī)、 mp 3 和 cd 碟機(jī)等電器逐步進(jìn)入愛好者手中。 充電電池 的使用也更加普及。 對(duì)充電器的要求也愈來(lái)愈高了。充電器應(yīng)以實(shí)用方便為主， 原則要求：可以對(duì)常用的 1 4 節(jié)鎳鎘、鎳氫和鋰電池進(jìn)行單獨(dú)或同時(shí)充電。 互不影響；可以選用多種電流進(jìn)行充電。以滿足不同種類、不同容量電池充電的 需要。充電器應(yīng)具有保護(hù)措施。防止過充電；為消除鎳鎘電池的記憶效應(yīng)和恢復(fù) 電池的容量。 二、多功能充電器設(shè)計(jì) 本文介

8、紹一種基于單片機(jī)的智能充電器的設(shè)計(jì)方法。該充電器可以實(shí)時(shí)采集 電池的電壓和電流，并對(duì)充電過程進(jìn)行智能控制。充電器采用單片機(jī) gms97c2051 作編程控制器，其內(nèi)部的比較器用作電池最高溫度檢測(cè)，用 1 片 lm324 和 1 支 tl431 以及若干分立元件構(gòu)成恒壓恒流電路、電壓檢測(cè)電路、基準(zhǔn)電壓源（兼 作單片機(jī)電源）電路。它可以自動(dòng)計(jì)算電池的已充電量和剩余的充電時(shí)間，也可 以改變參數(shù)來(lái)適應(yīng)各種不同電池的充電。系統(tǒng)中的管理電路還具有保護(hù)功能，可 防止電池的過充和過放對(duì)電池造成損壞。 2.1 工作原理 充電器采用單片機(jī) gms97c2051 作編程控制器，其內(nèi)部的比較器用作電池最 高溫度檢測(cè)，

9、用 1 片 lm324 和 1 支 tl431 以及若干分立元件構(gòu)成恒壓恒流電路、 電壓檢測(cè)電路、基準(zhǔn)電壓源（兼作單片機(jī)電源）電路。 2.1.1 電路原理圖 多功能充電器設(shè)計(jì) 2 圖 1 電路原理圖 2.1.2基準(zhǔn)電壓源 圖 2 基準(zhǔn)電壓源原理圖 作為電池電壓檢測(cè)基準(zhǔn)，同時(shí)作單片機(jī)電源。電路由 tl431、t3、r18、r19、r20、c5 組成。由電路可知，當(dāng) r19=r20 時(shí)，晶體管 t3 的發(fā)射極（e 極）電壓等于 tl431 內(nèi)部基準(zhǔn)電壓（ur=2.5v）的兩倍，即 2ur=5v。 2.1.3恒壓恒流電路 多功能充電器設(shè)計(jì) 3 圖 3 恒壓-恒流電路原理圖 如圖 1 中由 u1a 和

10、 u1b 及其周圍元器件所組成的一個(gè)典型的雙環(huán)反饋控制 電路。其中 u1a 為電壓控制的運(yùn)放，u1b 為電流控制的運(yùn)放。由電路分析知：電 壓控制的輸出電壓 u0 控制著電流控制的電流設(shè)定值，因此電壓控制先于電流控 制，這時(shí)電流控制電路是恒壓控制的組成部分。 電路工作原理如下： 恒壓控制電路由運(yùn)放 u1a、電阻 r1r10、電位器 w1、電容 c1、二極管 d1、以及開關(guān) sw 等組成。其作用是鋰離子電池充電時(shí)，控制電池電壓不超過設(shè) 定值。恒壓設(shè)定值 us 由 r1、r2 和 w1 對(duì)基準(zhǔn)電壓 5v 分壓確定，當(dāng) sw 聯(lián)接電池 的正極后，反饋電壓 uc 由 r8、r9 對(duì) ub+分壓引入，加上

11、 r6、r7、c1 形成電流控 制電路.由電路可知，設(shè)誤差電壓 e=ua 一 uc，則有 u1=ua + e(p + idt)， 式中比例系數(shù) p=r6/r7，常數(shù) i=1/ (r7c1)。當(dāng)反饋電壓 uc 較小即 e0 時(shí)，u1 會(huì)不斷增大直到消除誤差（e=0），否則 u1 會(huì)達(dá)到最大值，但由于二極管 d1 的 鉗位作用使 uo5.6v，從而使電流控制電路的設(shè)定電壓 ud=uor12/(r11+ r12）不變，相應(yīng)地電池以恒流方式充電。反之，當(dāng)反饋電壓 uc 較大即 e0 時(shí)，u1 會(huì)不斷減小直到消除誤差（e=0），否則 u1 會(huì)達(dá)到最小值 u1=0，從而使電流控制電路的設(shè)定電壓 ud 逐漸

12、減小直到零，相應(yīng)電池以恒壓方 式充電。 顯然，恒壓控制是通過調(diào)節(jié)電流控制電路的設(shè)定電壓，即改變電池充電流 完成的。電路主要參數(shù)由下面方程計(jì)算： ubt=ub+ub- (1) (usua)/r3=ua/r4+(uaub-)/r5 (2) 多功能充電器設(shè)計(jì) 4 當(dāng)恒壓控制電路處于平衡狀態(tài)時(shí)，電容 c1 無(wú)電流，則有： uc=r8ub+/(r8+r9) (3) uc = ua (4) 式中: ub+ 電池正極對(duì)地電壓；ub- 電池負(fù)極對(duì)地電壓； ubt 電池端電壓； us 設(shè)定控制電壓。 恒壓控制的目標(biāo)是電池端電壓等于設(shè)定電壓，即 ubt=us （5） 另外，還隱含了一個(gè)約束條件就是恒壓控制與 ub

13、-的取值無(wú)關(guān)，這就是在方程組 中消去 ub- 必須滿足： r3=r5 (6) 這里，us 為確定量；其余 ubt，ub+，ub，ua，uc，r3，r4，r5，r8，r9 等 10 個(gè)參變量應(yīng)滿足上述方程（1）（6）。由于變量數(shù)比方程數(shù)多 4 個(gè)，因 此需要確定的參數(shù) r3，r4，r5，r8，r9 有無(wú)窮多組解。為了求解只需要增加四 個(gè)約束方程，不妨設(shè)：r3= r4=r5=r8=r（r 取標(biāo)稱電阻值）將其代入上述方程組， 不難解得：r9 =2r。取 r=12k，則有：r3= r4=r5=r8=12k，r9=24k。 當(dāng)電壓反饋開關(guān) sw 接地(即充鎳鎘電池時(shí))或者電池端電壓小于設(shè)定電壓 (即 u

14、btu8)時(shí)運(yùn)放 u1a 飽和輸出，但由于二極管 d1 的鉗位作用使 u0=5.6 v，這 時(shí)電流控制的設(shè)定值為常數(shù)(由電阻 r11，和 r12 對(duì) u0 分壓確定)，相應(yīng)地電池以 恒流方式充電 電流控制電路由運(yùn)放 u1b、三極管 t1、t2、功率三極管 tp、電阻 r11、r12、r13、r14、r15、r16、r17、rf、電容 c2、c3 等組成，其中 r11、r12 對(duì)電壓 u0 進(jìn)行分壓得 ud 作為設(shè)定值；r13、r14、c2 構(gòu)成比例積分電路，運(yùn)放 u1b 的輸出通過 t1 和 tp 控制充電電流，rf 作為電流一電壓反饋電阻，電壓 ub 一為反饋電壓由于電流控制電路能消除靜差，

15、因此當(dāng)調(diào)節(jié)平衡時(shí) ub 一=ud,充 電電流為 udrf 由以上分析可知：當(dāng) ubtu8 時(shí)，u0=56v，若經(jīng) r11 和 r12 分壓后設(shè)定值 多功能充電器設(shè)計(jì) 5 為 ud=160 mv，取 rf=0.5，則恒流方式充電電流 is=320ma通過改變 rf 的阻 值，則能調(diào)節(jié) ir 的大小三極管 t 可控制晶格管，與 t2 飽和導(dǎo)通時(shí)，使 t1 截 止，tp 也無(wú)電流輸出。 充鋰離子電池時(shí)，開關(guān) sw 接電池的正極當(dāng)電池端電壓小于設(shè)定電壓(即 ubtr24，放電比充電緩慢 得多，且放電過程不受開關(guān)三極管 t4 的影響，因此，利用放電過程來(lái)檢測(cè)電池 電壓可保證較高的精度。 運(yùn)放 u1d 輸

16、出電壓從 5v 降到 2.5v，即電容 c6 的端電壓因放電下降 u=5- 2.5=2.5v 時(shí)，所需時(shí)間 t 可由下式導(dǎo)出： 由 c6= dq/du （dq電容電荷增量，du電容電壓增量）得 dq=c6du （9） 流經(jīng)電容 c6 的電流 ：id= dq/dt =c6du/dt 也就是 iddt=c6du （10） 對(duì)兩邊定積分得：idt=c6u （11） 由（8），（11）得：t = c6u/ id=c62.5(r23+r24)/(0.5ubt) （12）將 r23=470k，r24= 5.1k，c6=0.1f 代入上式可得： t = 237.55ms/ubt（ubt 單位為伏時(shí)，t 單位

17、為 ms） 由以上分析可知放電時(shí)間 t 僅與電池電壓成反比，1/t 與 ubt 是線性關(guān)系。當(dāng) ubt=8v 時(shí)，可得 t8=29.69ms，這對(duì)于采用 6mhz 晶振的單片機(jī)而言，因其計(jì)時(shí)可 精確到 2s，故可以做到很高的精度，很容易使電壓檢測(cè)電路的分辨率達(dá)到 5mv。由于是積分檢測(cè)，故對(duì)電池電壓的高頻干擾完全可以消除，因此工作穩(wěn)定 可靠。 2.1.5電池最高溫度檢測(cè)電路 圖 5 電池最高溫度檢測(cè)電路原理圖 利用 gms97c2051 內(nèi)部比較器和手機(jī)電池內(nèi)設(shè)置的熱敏電阻就能實(shí)現(xiàn)電池最 多功能充電器設(shè)計(jì) 7 高溫度檢測(cè)控制。原理圖中，內(nèi)部比較器反相輸入端接 2.5v 作為比較基準(zhǔn)電壓， 電阻

18、 rp 與電池內(nèi)熱敏電阻 rt（未畫出）對(duì) 5v 基準(zhǔn)電壓的分壓作為被檢測(cè)電壓, 接內(nèi)部比較器同相輸入端 p1.0。由于 rt 為負(fù)溫度特性，當(dāng)電池溫度升高時(shí)，rt 的阻值相應(yīng)減小，其分壓即被檢測(cè)電壓也同時(shí)降低，當(dāng)?shù)陀?2.5v 時(shí)，內(nèi)部比較 器輸出（p3.6）低電平，這時(shí)即認(rèn)為電池溫度達(dá)到最高控制溫度。 2.1.6放電電路 圖 6 放電電路原理圖 放電電路由三極管 t6 和電阻 rd 組成，并受單片機(jī) p3.7 控制，放電電流大 約為 idis=ubt/rd。 2.2 編程控制實(shí)現(xiàn)方法 2.2.1i/o 口分配 p1.2 輸入檢測(cè)放電請(qǐng)求鍵 dis-k 的狀態(tài)；p1.3 輸入檢測(cè)恒壓控制反饋

19、開關(guān) sw 的狀態(tài)，以確定充電模式；p1.5 和 p1.7 輸出驅(qū)動(dòng) led 作充電器狀態(tài)顯示； p3.2、p3.3 和 p3.4 為電壓檢測(cè)（單積分 a/d 轉(zhuǎn)換）專用，p3.4 輸出驅(qū)動(dòng) t4 用 以控制積分電容 c6 的充電和放電；p3.2 輸出驅(qū)動(dòng) t5 用以選取比較基準(zhǔn)電壓 5v 或 2.5v；p3.3 輸入檢測(cè)電容 c6 從 5v 放電到 2.5v 時(shí)的時(shí)間 t（與單片機(jī)定時(shí)器 配合）；p3.5 輸出驅(qū)動(dòng) t2 用以控制電池充電；p3.6 輸入檢測(cè)電池最高溫度；p3.7 輸出驅(qū)動(dòng) t6 用以控制電池放電。 2.2.2程序功能及實(shí)現(xiàn)方法 程序采用模塊結(jié)構(gòu)，主要有定時(shí)中斷及 i/o 刷

20、新子程序，a/d 轉(zhuǎn)換及濾波子 程序，鋰離子電池充電方式控制及其狀態(tài)識(shí)別子程序，鎳鎘/鎳氫電池充電方式 控制及其狀態(tài)識(shí)別子程序，主控程序。各程序模塊的功能如下： （1）定時(shí)中斷及 i/o 刷新子程序 提供時(shí)間基準(zhǔn)； 多功能充電器設(shè)計(jì) 8 輸入刷新，即讀入 p1.2、p1.3、p3.6 狀態(tài),并使相應(yīng)的軟標(biāo)志置位或復(fù)位； 輸出刷新，即根據(jù)輸入刷新和程序狀態(tài)識(shí)別處理結(jié)果，通過 p1.5、p1.7、p3.5 和 p3.7 進(jìn)行輸出控制。 （2）充電時(shí) a/d 轉(zhuǎn)換及濾波子程序 將模擬電壓轉(zhuǎn)換為數(shù)字量，通過數(shù)字濾波處理提高抗干擾能力和可靠性。它 是識(shí)別電池充電狀態(tài)的基礎(chǔ)。一般認(rèn)為當(dāng)充電電流減少到最大充

21、電電流(恒流)的 10時(shí)可認(rèn)為電池充滿為了間接檢測(cè)充電電流在電流回路中加入一電阻 rx，使 流經(jīng) rx 的電流轉(zhuǎn)換成電壓變化，再配合充電狀態(tài)下的 ad 轉(zhuǎn)換數(shù)值和停止充電 狀態(tài)下的 ad 轉(zhuǎn)換數(shù)值的比較結(jié)果，就能識(shí)別是恒流方式充電還是恒壓方式充 電. (3) 鋰離子電池充電方式控制及其狀態(tài)識(shí)別子程序 鋰離子電池充電方式是當(dāng)電池電壓低于 42v 時(shí)，以恒流方式充電；當(dāng)電池 電壓達(dá)到 42v 時(shí)，以恒壓方式充電(這由硬件保證)另外還有充電 45s 停充電 ls 的要求，這由軟件實(shí)現(xiàn). 鎳鎘/鎳氫電池充電方式控制及其狀態(tài)識(shí)別子程序鎳鎘/鎳氫電池一般以恒流 方式充電，也有以脈沖方式（恒流充電停充放電往

22、復(fù)循環(huán)，當(dāng)然放電量遠(yuǎn)小 于充電量）充電.鎳鎘/鎳氫電池充電狀態(tài)由電池電壓增量u 識(shí)別，根據(jù)有關(guān)資 料和用本充電器進(jìn)行的多次試驗(yàn)結(jié)果（見圖 7），證實(shí)電壓增量u 為負(fù)時(shí)電池 充滿，此時(shí)電池的溫度顯著升高. 圖 7 電池充電曲線 多功能充電器設(shè)計(jì) 9 為了提高識(shí)別電池充滿的靈敏度，根據(jù)電池電壓檢測(cè)的最大值估計(jì)電池節(jié)數(shù)， 設(shè)置相應(yīng)的判別閥值us，一般取us6n（mv）。為了提高電池充滿識(shí)別 的可靠性,要求連續(xù)三次滿足電池充滿條件(即u=us)才予以確認(rèn)。 主控程序?qū)⒏鱾€(gè)子程序有機(jī)地結(jié)合在一起，此外還有識(shí)別有無(wú)電池和識(shí)別放 電終止電壓等功能。 2.3.實(shí)驗(yàn)結(jié)果及結(jié)論 充電器品質(zhì)的高低取決于電壓 a/d

23、 轉(zhuǎn)換的精度和可靠性。為了檢驗(yàn)本充電器 的電壓 a/d 轉(zhuǎn)換的性能，在充電器控制程序中有及時(shí)將電池電壓檢測(cè)數(shù)據(jù)向外串 行發(fā)送的功能，用仿真機(jī)可以接收電壓數(shù)據(jù)通過串行口向 pc 機(jī)傳遞數(shù)據(jù)并顯示 電池充電曲線（見圖 8）。這樣就能對(duì)整個(gè)充電過程實(shí)行監(jiān)測(cè)，并有助于進(jìn)一步 的研究。經(jīng)過對(duì)幾種電池?cái)?shù)十次的充電實(shí)驗(yàn)表明： 本充電器電壓 a/d 轉(zhuǎn)換的精 度（很容易達(dá)到 5mv）和可靠性（無(wú)失誤）都很高，而且測(cè)量電壓的范圍也很寬。 可以說，高性能低價(jià)位的電壓 a/d 轉(zhuǎn)換是充電器品質(zhì)的根本保證。 圖 8 jy-battery 電池充電 is-t 曲線 2.4.元器件的選擇 多功能充電器設(shè)計(jì) 10 ic1 采用可編程集成電路 gms97c2051 作編程控制器，用于作為主控對(duì)充電 方式及鋰電池溫度進(jìn)行檢測(cè)；ic2 采用四運(yùn)算放大器 lm324 作為運(yùn)放電壓控制的 運(yùn)放、電流控制運(yùn)放及用于電壓檢測(cè)電路；采用 6mhz 晶體振蕩器作為時(shí)鐘源電 路的振蕩器；采用發(fā)光二極管 l1、l2 顯示充電器的充電狀態(tài)；按鍵 disk 作為放 電控制開關(guān)；二極管 d1-d4 選用 in4004 型二極管；三極管 t1-t6 選用 npn 型的 9014 三極管，要求 80；tp 選用 pnp 型的 9013 三極管，要求 80；具有 良好熱穩(wěn)定性的三端可調(diào)分流基準(zhǔn)穩(wěn)壓源 tl431。 三、多