單片機(jī)的智能電源管理系統(tǒng)

1、q260046902 專業(yè)做論文中國(guó)石油大學(xué)（華東）現(xiàn)代遠(yuǎn)程教育畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文）題目：?jiǎn)纹瑱C(jī)的智能電源管理系統(tǒng)學(xué)習(xí)中心： 重慶信息工程專修學(xué)院奧鵬學(xué)習(xí)中心年級(jí)專業(yè)：0404 級(jí) 電氣工程及自動(dòng)化學(xué)生姓名：黃大吉學(xué) 號(hào)：0451480125 指導(dǎo)教師：韓亞軍職 稱：講師導(dǎo)師單位：重慶信息工程專修學(xué)院中國(guó)石油大學(xué) （華東）遠(yuǎn)程與繼續(xù)教育學(xué)院論文完成時(shí)間：2007 年12 月24 日q260046902 專業(yè)做論文中國(guó)石油大學(xué)（華東）現(xiàn)代遠(yuǎn)程教育畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文）任務(wù)書發(fā)給學(xué)員 黃大吉1設(shè)計(jì) (論文)題目：?jiǎn)纹瑱C(jī)的智能電源管理系統(tǒng)2學(xué)生完成設(shè)計(jì) (論文)期限：年月日至年月日3設(shè)計(jì) (論文)課題要求：本

2、論文詳以理論聯(lián)系實(shí)際，詳細(xì)闡述了基于單片機(jī)的智能電源管理系統(tǒng)。以嚴(yán)密的邏輯思維對(duì)本設(shè)計(jì)進(jìn)行了全面的論證，所引用的文獻(xiàn)都進(jìn)行過仔細(xì)篩選。最后嚴(yán)格按照學(xué)校規(guī)定格式排序。對(duì)于不熟悉的知識(shí)點(diǎn)，也在指導(dǎo)老師的指導(dǎo)下完成。4實(shí)驗(yàn)（上機(jī)、調(diào)研）部分要求內(nèi)容：在完成論文的過程中，利用所學(xué)的電路設(shè)計(jì)軟件protel99 ，設(shè)計(jì)論文中需要用到的圖形，用學(xué)習(xí)過的c或者 vb語(yǔ)言編寫相應(yīng)程序。最后用office 2003排版論文版面和圖象處理軟件加工文中圖表。5文獻(xiàn)查閱要求：在學(xué)校圖書館查閱到的相關(guān)資料、文獻(xiàn)都經(jīng)過嚴(yán)格篩選，以確保其準(zhǔn)確性、真實(shí)性。本論文的完成過程中還充分利用了當(dāng)今資源豐富的互聯(lián)網(wǎng)。在網(wǎng)上查找了很多符

3、合題材的相關(guān)資料。本著尊重他人成果，以及避免侵權(quán)，本論文中對(duì)所有查閱引用到的資料都詳細(xì)注明了出處。6發(fā)出 日 期：年月日7學(xué)員完成日期：年月日指導(dǎo)教師簽名：學(xué)生 簽 名：q260046902 專業(yè)做論文i 摘 要本文介紹了基于cygnalc8051f020 單片機(jī)為主控單元的智能電源管理系統(tǒng)，詳細(xì)闡述了該系統(tǒng)的工作原理、控制策略及其硬件、軟件實(shí)現(xiàn)。本系統(tǒng)具有配置靈活、可擴(kuò)展性強(qiáng)等特點(diǎn)，適用于便攜式設(shè)備和無人值守設(shè)備的電源管理。隨著對(duì)移動(dòng)性要求的提高，以及使用便利性的要求，多數(shù)電子產(chǎn)品采用可充電電池作為主要供電方式。通常來說，設(shè)計(jì)者一般會(huì)使用專用電池管理芯片來控制充電電壓、電流及整個(gè)充電流程。

4、但使用專用芯片，會(huì)帶來設(shè)計(jì)成本增加， pcb 板面積增大的問題， 同時(shí)所設(shè)計(jì)的電路只能針對(duì)于選定的電池，如更換不同型號(hào)的電池則需要重新設(shè)計(jì)電路。針對(duì)于此，本文提出了一種利用單片機(jī)剩余資源的電池管理電路，具有電路簡(jiǎn)單、成本低、功耗小、可靠性強(qiáng)、靈活性高的特點(diǎn)。關(guān)鍵詞： 電源管理； cygnal 單片機(jī)；電量監(jiān)測(cè)q260046902 專業(yè)做論文i 目 錄摘 要 . i目 錄 . i第 1 章前言 . 1第 2 章c8051fxxx 系列單片機(jī)的特點(diǎn) . 3第 3 章 電源管理系統(tǒng)的工作原理與硬件結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì). 63.1 電池充電特性 . 63.2 補(bǔ)償轉(zhuǎn)換器工作特性 . 83.3 補(bǔ)償轉(zhuǎn)換器電感的確定

5、. 93.4 電壓與電流檢測(cè) . 103.5 電能狀態(tài)檢測(cè) . 113.6 電源輸入輸出控制 . 113.7 鍵盤與 lcd 顯示 . 113.8 通訊擴(kuò)展 . 12第 4 章 電源管理控制策略 . 134.1 涓流充電階段 . 144.2 容積充電階段 . 144.3 定壓充電階段 . 15第 5 章 電源管理軟件設(shè)計(jì) . 16第 6 章 結(jié)論 . 17致謝. 18參考文獻(xiàn)： . 19q260046902 專業(yè)做論文1 第 1 章前言隨著人們生活質(zhì)量的提高及工業(yè)技術(shù)的發(fā)展，人們已經(jīng)不再滿足于樓上樓下，電燈電話的生活，各種簡(jiǎn)單、易用、智能化的電子產(chǎn)品成為人們的迫切需求。而近幾年迅速發(fā)展起來的便

6、攜式產(chǎn)品更是受到人們的熱烈追捧，致使便攜式產(chǎn)品設(shè)計(jì)方案在電子產(chǎn)品設(shè)計(jì)中被廣泛采用。其具備移動(dòng)性強(qiáng)、便于攜帶、易操作等優(yōu)點(diǎn)。在這些設(shè)備中，單片機(jī)扮演著重要的角色。它是一種廣泛應(yīng)用于各種產(chǎn)品的半導(dǎo)體器件，它是在一枚芯片上集成了一個(gè)完整的計(jì)算機(jī)（常被稱為“系統(tǒng)級(jí)芯片”） ，而普通臺(tái)式計(jì)算機(jī)則是由機(jī)箱內(nèi)的不同部分協(xié)同操作所構(gòu)成的。無論臺(tái)式計(jì)算機(jī)還是大型主機(jī)系統(tǒng)，任何計(jì)算機(jī)都有共通之處。它們都有運(yùn)行程序的中央處理器（ cpu） 、儲(chǔ)存可變數(shù)據(jù)的隨機(jī)存取存儲(chǔ)器（ram ） 、可擦除的編程制度存儲(chǔ)器（ eprom） 、輸入 /輸出(i/o)、定時(shí)器和中斷控制器。臺(tái)式機(jī)屬于“通用計(jì)算機(jī)” ，可運(yùn)行數(shù)以千計(jì)的成

7、訊。單片機(jī)則屬于“專用計(jì)算機(jī)” ，經(jīng)編程后可以執(zhí)行若干特殊任務(wù)。特別是當(dāng)需要把所有或大部分內(nèi)部元件都集中在一枚芯片上的時(shí)候，單片機(jī)便可大顯身手。單片機(jī)還具有的特點(diǎn)包括：?jiǎn)纹瑱C(jī)通常嵌入在某些其他設(shè)備中，負(fù)責(zé)控制產(chǎn)品的功能或動(dòng)作；專門針對(duì)一項(xiàng)具體任務(wù)，并負(fù)責(zé)運(yùn)行某一具體程序。 該程序存儲(chǔ)于片上程序存儲(chǔ)器中，通常不會(huì)改變，新型單片機(jī)的存儲(chǔ)器均為閃存，可進(jìn)行多達(dá)百萬次的重新編程；通常情況下都是低功耗器件。臺(tái)式計(jì)算機(jī)通常需要連接電源適配器，耗電為50瓦左右；但以電池供電的單片機(jī)卻只需耗費(fèi)用千分之一的電力，即 50 毫瓦； 配備專用輸入裝置，而且在大多數(shù)情況下會(huì)附設(shè)作為輸出的小型led或 lcd 屏幕?？?/p>

8、以從所控制的電子設(shè)備中獲得輸入信號(hào)，然后把信號(hào)發(fā)送至設(shè)備的不同組件，確保設(shè)備正常運(yùn)行呢。有的甚至能連接互聯(lián)網(wǎng)或其他網(wǎng)絡(luò)，用于自動(dòng)售貨機(jī)等設(shè)備，以確保用戶可以遠(yuǎn)程檢查庫(kù)存；體q260046902 專業(yè)做論文2 積小、成本低并且經(jīng)久耐用。例如大多數(shù)的廚房電器中都有單片機(jī)，最常見的是一些配備發(fā)光二極管（led）或液晶顯示屏（ lcd）的小鍵盤的產(chǎn)品（如微波爐）。即使像烤面包爐結(jié)和攪拌機(jī)這種沒有屏幕顯示的新型家電，往往也用到了單片機(jī)。時(shí)至今日，所有的現(xiàn)代汽車內(nèi)都可能配備少則 1 個(gè)，多則 70多個(gè)單片機(jī)。 新推出的汽車平均使用25至 35個(gè)單片機(jī)，應(yīng)用范圍涉及引擎控制、防抱死剎車系統(tǒng)、衛(wèi)星導(dǎo)航控制及安

9、全氣囊系統(tǒng)?？梢哉f差不多任何帶遙控功能的電子設(shè)備或電器都有單片機(jī)的應(yīng)用。單片機(jī)是大部分消費(fèi)類電子產(chǎn)品不可或缺的元件，這些產(chǎn)品包括：數(shù)碼相機(jī)、手機(jī)、攝像機(jī)、自動(dòng)應(yīng)答系統(tǒng)、激光打印機(jī)、特殊功能電話、尋呼機(jī)、新型電冰箱、洗碗機(jī)及洗衣干衣機(jī)等等。但很多便攜式設(shè)備需要自身獨(dú)立的內(nèi)置電源管理系統(tǒng)，保證其在移動(dòng)或無人職守狀態(tài)下工作，它們一般采用可充電的鋰離子電池或鎳氫電池作為設(shè)備內(nèi)置電源(連續(xù)使用三到五年不更換， 甚至更長(zhǎng)時(shí)間 )。 因?yàn)樾铍姵氐氖褂煤捅Ｗo(hù)方法及剩余電量監(jiān)測(cè)對(duì)電池壽命有著重大的影響，是產(chǎn)品性能的一個(gè)重要方面。所以合理的充電策略對(duì)維持畜電池性能延長(zhǎng)其使用壽命都有重要的意義。電源管理是一個(gè)完整的

10、系統(tǒng)，它不僅包含對(duì)畜電池的電量檢測(cè)和充放電管理和為設(shè)備提供標(biāo)準(zhǔn)電壓等級(jí)和定制電壓等級(jí)的電源輸出，還應(yīng)有人機(jī)交互的功能。因此我們將使用單片機(jī)來實(shí)現(xiàn)這一系統(tǒng)的各種功能。本文利用 cygnalc8051fxxx 系列單片機(jī)作為核心構(gòu)成的控制器，實(shí)時(shí)檢測(cè)電源輸入、蓄電池電壓、充放電電流等參數(shù)，自動(dòng)完成電源管理過程，并將電源信息通過lcd顯示以便用戶及時(shí)了解設(shè)備狀態(tài)。本設(shè)計(jì)還具有人機(jī)交互接口和通訊接口，可實(shí)現(xiàn)控制功能的擴(kuò)展。q260046902 專業(yè)做論文3 第 2 章c8051fxxx系列單片機(jī)的特點(diǎn)cygnalc8051fxxx 系列單片機(jī) c8051fxxx 單片機(jī)采用流水線結(jié)構(gòu)，機(jī)器周期由標(biāo)準(zhǔn)的

11、12 個(gè)系統(tǒng)時(shí)鐘周期降為1 個(gè)系統(tǒng)時(shí)鐘周期， 處理能力大大提高，峰值性能可達(dá) 25mips。c8051fxxx 單片機(jī)是真正能獨(dú)立工作的片上系統(tǒng)（ soc）。每個(gè)mcu 都能有效地管理模擬和數(shù)字外設(shè)，可以關(guān)閉單個(gè)或全部外設(shè)以節(jié)省功耗。flash 存儲(chǔ)器還具有在系統(tǒng)重新編程能力，可用于非易失性數(shù)據(jù)存儲(chǔ)，并允許現(xiàn)場(chǎng)更新8051固件。應(yīng)用程序可以使用 movc 和 movx 指令對(duì) flash 進(jìn)行讀或改寫，每次讀或?qū)懸粋€(gè)字節(jié)。這一特性允許將程序存儲(chǔ)器用于非易失性數(shù)據(jù)存儲(chǔ)以及在軟件控制下更新程序代碼。片內(nèi)jtag 調(diào)試支持功能允許使用安裝在最終應(yīng)用系統(tǒng)上的產(chǎn)品mcu 進(jìn)行非侵入式（不占用片內(nèi)資源）、

12、全速、在系統(tǒng)調(diào)試。該調(diào)試系統(tǒng)支持觀察和修改存儲(chǔ)器和寄存器，支持?jǐn)帱c(diǎn)、單步、運(yùn)行和停機(jī)命令。在使用jtag 調(diào)試時(shí)，所有的模擬和數(shù)字外設(shè)都可全功能運(yùn)行。 每個(gè) mcu 都可在工業(yè)溫度范圍 （-45到+85）內(nèi)用2.7v-3.6v （f018/019為 2.8v-3.6v） 的電壓工作。端口 i/o、 /rst 和 jtag引腳都容許 5v 的輸入信號(hào)電壓。 c8051fxxx 系列器件使用 cygnal 的專利 cip-51 微控制器內(nèi)核。 cip-51 與 mcs-51tm 指令集完全兼容，可以使用標(biāo)準(zhǔn) 803x/805x 的匯編器和編譯器進(jìn)行軟件開發(fā)。cip-51 內(nèi)核具有標(biāo)準(zhǔn) 8052 的

13、所有外設(shè)部件，包括3個(gè) 16 位的計(jì)數(shù)器 /定時(shí)器、一個(gè)全雙工 uart、256 字節(jié)內(nèi)部 ram 空間、 128 字節(jié)特殊功能寄存器（ sfr）地址空間及 4 個(gè) 8 位的 i/o 端口。 cip-51 還另外有增加的模擬和數(shù)字外設(shè)或功能部件。 cip-51 采用流水線結(jié)構(gòu)， 與標(biāo)準(zhǔn)的 8051結(jié)構(gòu)相比指令執(zhí)行速度有很大的提高。 在一個(gè)標(biāo)準(zhǔn)的 8051中，除 mul 和 div 以外所有指令都需要 12 或 24 個(gè)系統(tǒng)時(shí)鐘周期。而對(duì)于cip-51 內(nèi)核， 70%的指令的執(zhí)行時(shí)間為 1 或 2 個(gè)系統(tǒng)時(shí)鐘周期，只有4 條指令的執(zhí)行時(shí)間大于4q260046902 專業(yè)做論文4 個(gè)系統(tǒng)時(shí)鐘周期。

14、 c8051fxxx 系列 mcu 在與標(biāo)準(zhǔn) 8051 相比，在 cpu內(nèi)核的內(nèi)部和外部有幾項(xiàng)關(guān)鍵性的改進(jìn)提高了整體性能，更易于在最終應(yīng)用中使用。擴(kuò)展的中斷系統(tǒng)向cip-51 提供 22（c8051f3xx 為 12）個(gè)中斷源（標(biāo)準(zhǔn) 8051 只有 7 個(gè)中斷源），允許大量的模擬和數(shù)字外設(shè)中斷微控制器。一個(gè)中斷驅(qū)動(dòng)的系統(tǒng)需要較少的mcu 干預(yù)，卻有更高的執(zhí)行效率。在設(shè)計(jì)一個(gè)多任務(wù)實(shí)時(shí)系統(tǒng)時(shí)，這些增加的中斷源是非常有用的。mcu 可有多達(dá) 7 個(gè)復(fù)位源：一個(gè)片內(nèi)vdd 監(jiān)視器、一個(gè)看門狗定時(shí)器、一個(gè)時(shí)鐘丟失檢測(cè)器、一個(gè)由比較器0 提供的電壓檢測(cè)器、一個(gè)強(qiáng)制軟件復(fù)位、 cnvstr 引腳及 /rs

15、t 引腳。 /rst 引腳是雙向的，可接受外部復(fù)位或?qū)?nèi)部產(chǎn)生的上電復(fù)位信號(hào)輸出到/rst 引腳。除了vdd監(jiān)視器和復(fù)位輸入引腳以外，每個(gè)復(fù)位源都可以由用戶用軟件禁止。mcu 內(nèi)部有一個(gè)能獨(dú)立工作的時(shí)鐘發(fā)生器，在復(fù)位后被默認(rèn)為系統(tǒng)時(shí)鐘。如有需要，時(shí)鐘源可以在運(yùn)行時(shí)切換到外部振蕩器。外部振蕩器可以使用晶體、陶瓷諧振器、電容、rc 或外部時(shí)鐘源產(chǎn)生系統(tǒng)時(shí)鐘。這種時(shí)鐘切換功能在低功耗系統(tǒng)中是非常有用的，它允許mcu 從一個(gè)低頻率（節(jié)電）外部晶體源運(yùn)行，當(dāng)需要時(shí)再周期性地切換到高速（可達(dá)16mhz 的內(nèi)部振蕩器。 是完全集成的高速高集成度具有獨(dú)立工作的片上系統(tǒng)的混合信號(hào)系統(tǒng)級(jí)芯片5，特別適用于電池供電

16、的場(chǎng)合及便攜式設(shè)備中，其特點(diǎn)如下：1、低功耗：在 2.7v電壓32khz 條件下工作電流僅為 20ua ，這時(shí)單片機(jī)所有外設(shè)模塊都可使用， 關(guān)閉flash 更可使功耗降低至 10ua，正在達(dá)到了微安級(jí)。 25m 的高速功耗也僅 10ma 。2、硬件資源豐富：在 f02x 系列單片機(jī)內(nèi)集成了片內(nèi)看門狗定時(shí)器、vdd 監(jiān)視器和溫度傳感器、 64kbflash、4kbram、2個(gè)串行通信總線、 5個(gè)16位定時(shí)器、可編程計(jì)數(shù)器陣列（ pca ） 、8個(gè)12位adc 帶pga 和模擬多路開關(guān)、2個(gè)可編程 12位dac 、32個(gè)i/o 口。q260046902 專業(yè)做論文5 3、先進(jìn)的非侵入式在系統(tǒng)調(diào)試技

17、術(shù)：所有信號(hào)都支持 jtag 標(biāo)準(zhǔn)測(cè)試接口，方便進(jìn)行片上在線仿真， 固化flash 存儲(chǔ)器內(nèi)的程序易于在線升級(jí)和調(diào)試。4、專用 ide集成開發(fā)環(huán)境，提供全系列單片機(jī)配置向?qū)В奖阌脩羰褂脜R編和 c 語(yǔ)言編程。綜上所述， c8051f02x 系列單片機(jī)具有極低的功耗、強(qiáng)大的處理能力、豐富的片上資源、高效的開發(fā)環(huán)境。q260046902 專業(yè)做論文6 第 3 章 電源管理系統(tǒng)的工作原理與硬件結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)本文所述的電源管理系統(tǒng)采用混合信號(hào)設(shè)計(jì)技術(shù)，以單片機(jī)為核心的數(shù)字電路對(duì)電源進(jìn)行動(dòng)態(tài)管理，以模擬電路實(shí)現(xiàn)對(duì)電路的控制驅(qū)動(dòng)及電源電壓的轉(zhuǎn)換和監(jiān)測(cè)。電源管理系統(tǒng)由單片機(jī)、電能狀態(tài)檢測(cè)電路、電源輸入輸出控制電路

18、、鍵盤與lcd 顯示模塊和遠(yuǎn)程通訊模塊等構(gòu)成，結(jié)構(gòu)如圖 3-1 所示。圖 3-1 電源管理模塊結(jié)構(gòu)圖3.1 電池充電特性對(duì)于不同化學(xué)特性的電池（鋰電池、鎳氫電池、鎳鎘電池），充電方式各不相同。 然而，大多數(shù)電池的充電過程都可以歸納為以下三個(gè)階段，q260046902 專業(yè)做論文7 示意圖如圖 3.1-1 所示。涓流充電階段；定流充電階段；定壓低電流充電階段以及充電終止。電池充電過程是將電能經(jīng)過轉(zhuǎn)化以后存儲(chǔ)到電池內(nèi)。電池的充電電流由電池的額定容量所決定，單位為c 。例如，一塊容量為 1000mah的電池，如果充電電流為1000ma 的話，則可以說電池以1c（1 倍于電池容量）進(jìn)行充電。通常所說的

19、涓流充電，一般是指電池以1/50c，甚至更低的電流進(jìn)行充電?？焖俪潆姡话悴皇褂娩噶鞒潆姺绞?。充電器在對(duì)電池進(jìn)行充電時(shí)，一般使用涓流和恒流（容積）充電兩種方式。自發(fā)熱通常是導(dǎo)致充電過早結(jié)束的主要原因，因此充電的初始階段采用涓流充電，以最大程度上控制電池的自發(fā)熱。在到達(dá)電池的大部分能量已經(jīng)恢復(fù)的中間階段時(shí)，采用容積充電。一般采用測(cè)量充電電壓和充電電流來判斷充電過程是否結(jié)束，具體方法與電池的化學(xué)特性有關(guān)。例如，大多數(shù)鋰電池充電器將充電電壓設(shè)定為恒值，用檢測(cè)充電的最小電流的方法來判斷充電是否結(jié)束，而鎳鎘電池需要根據(jù)電壓及溫度的變化來判斷充電是否結(jié)束。對(duì)電池充電時(shí)，絕大部分的電能都被轉(zhuǎn)化為化學(xué)能存儲(chǔ)起

20、來，然而轉(zhuǎn)換效率卻不可能達(dá)到100。未被轉(zhuǎn)化為化學(xué)能的電能被轉(zhuǎn)化為熱能，致使電池溫度上升。當(dāng)電池接近充滿狀態(tài)時(shí)，幾乎所有的電能都被轉(zhuǎn)化為熱能，造成電池的溫度上升，在這種情況下，如果沒有及時(shí)終止充電，將會(huì)損壞電池甚至徹底毀壞電池?？焖俪潆姡▋尚r(shí)內(nèi)將電池充滿）通常使用大電流進(jìn)行充電，以盡量縮短充電時(shí)間。此時(shí)，對(duì)電池溫度的檢測(cè)就顯得極其重要，特別是鋰電池，如果過充可能導(dǎo)致爆炸。因此，在整個(gè)充電期間都應(yīng)該檢測(cè)電池溫度。一旦檢測(cè)到溫度超限，應(yīng)該立即終止充電。相對(duì)于別的電池，由于鋰電池較高的能量體積比以及能量重量q260046902 專業(yè)做論文8 比，已成為大多數(shù)便攜式系統(tǒng)設(shè)計(jì)的首選（本文后續(xù)介紹都以以

21、鋰電池為例） 。 多數(shù)鋰電池充電器在充電結(jié)束階段采用充電電流極小的遞減充電方式。鋰電池充電示意圖如圖3-2 所示圖 3-2 鋰電池充電階段示意圖3.2 補(bǔ)償轉(zhuǎn)換器工作特性圖 3-3 所舉例子為補(bǔ)償轉(zhuǎn)換器示意圖。 通過單片機(jī)的片上 8 位 pwm（脈寬調(diào)制）的pca 輸出控制旁路開關(guān)。開關(guān)閉合時(shí)，電流流向如圖3.2-1a 所示，輸入的電流對(duì)電容和電感充電。開關(guān)打開時(shí)如圖 3.2-1b 所示，電感的特性會(huì)保持流過自身的電流不會(huì)突變。電流隨即會(huì)流過續(xù)流二極管，同時(shí)繼續(xù)對(duì)電容充電。以上兩個(gè)階段進(jìn)行循環(huán)。總體說來，如果pwm 控制信號(hào)中占空比減少的話，平均電壓會(huì)下降，反之亦然。因此，通過控制占空比的大小

22、，可調(diào)節(jié)電壓和電流的大小。q260046902 專業(yè)做論文9 a b 圖 3-3 補(bǔ)償轉(zhuǎn)換器示意圖3.3 補(bǔ)償轉(zhuǎn)換器電感的確定由于在占空比為 50狀態(tài)下，轉(zhuǎn)換器工作效率最高，因此在計(jì)算補(bǔ)償轉(zhuǎn)換器的電感時(shí)設(shè)定pwm 輸出信號(hào)在該狀態(tài)。占空比計(jì)算公式如公式3-4 所示，t 為 pwm 周期（設(shè)定 t = 10.5s） 。占空比 ton/t 公式 3-4 選擇上述設(shè)定 50的 pwm 占空比，電感的計(jì)算公式如公式3-5 所示ltontmax2)(oosatiitonvvvl公式 3-5 pwm 周期 ton 電感量l。設(shè)定單片機(jī)采用8 位的pwm 模式，使用 24.5mhz 時(shí)鐘，進(jìn)行 256 分頻

23、后可以產(chǎn)生 95.7khz 的q260046902 專業(yè)做論文10 18851.07740.0)1()1()1()1()1()1(rrrrvrrrviainain開關(guān)頻率。充電電壓vi為 15v；飽和電壓 vsat為 0.5v；輸出電壓 vo為4.2v；最大輸出電流 iomax為 1500ma，由公式 3-5 可計(jì)算出電感約為18h。電路中的電容的作用用來減少電壓波紋，效果與電容的大小成正比。3.4 電壓與電流檢測(cè)ain0.0 和 ain0.1 與單片機(jī)的 ad 口相連。電池電壓經(jīng)r5 和 r8 分壓后送單片機(jī) ad 端檢測(cè)。 r5 與 r8 的分壓比應(yīng)根據(jù)電池電壓的不同來選擇，使得 ain0

24、.1 端的電壓最高不能高于單片機(jī)ad 采樣的參考電壓。電流的測(cè)量采用分壓電阻網(wǎng)絡(luò)的方法。r1 為阻值為 1 歐的功率電阻， 其兩端的電壓差即為充電電流。設(shè)定r1 左端電壓為 v0，右端電壓為 v1。則充電電流 i 由如下公式 3-6 確定。假設(shè) r4-r7 電阻的精度為 ，則最大的測(cè)量電流如公式3-7 所示。經(jīng)計(jì)算，測(cè)量電流的誤差與電阻精度相當(dāng)，對(duì)于電池電流的測(cè)量采用1的電阻已足夠。如需更加精確地測(cè)量電壓、電流，可使用插值算法。由于測(cè)量電阻兩端的分壓網(wǎng)絡(luò)無非線性器件，因此可認(rèn)為電壓、電流呈線性特性。如公式3-8 所示。bvki因此需要首先測(cè)量出兩點(diǎn)的電壓和電流值來確定公式中的兩個(gè)未知數(shù) k、b

25、。一點(diǎn)應(yīng)接近零值，另一點(diǎn)接近于滿幅電壓。求得的k、b 值存儲(chǔ)在單片機(jī)片上 flash中，后續(xù)的電流值可由公式3-8 計(jì)算求得。18851.07740.0110rrrrvrrrvrvviainainq260046902 專業(yè)做論文11 3.5 電能狀態(tài)檢測(cè)狀態(tài)檢測(cè)模塊主要采集輸入電源電壓、電池電壓、電池電流等信號(hào)。電壓信號(hào)從電阻分壓器獲得，無須放大；電流信號(hào)來自采樣電阻，采樣電阻串聯(lián)在系統(tǒng)地回路，采樣信號(hào)要求小于0.1v，需要一單端放大電路對(duì)信號(hào)進(jìn)行調(diào)理。所有信號(hào)送到單片機(jī)的a/d 輸入端， a/d 轉(zhuǎn)換器的基準(zhǔn)電壓設(shè)定為 +2.5v。3.6 電源輸入輸出控制電源輸入接口性能對(duì)電源管理系統(tǒng)及設(shè)備

26、的穩(wěn)定工作是十分重要的， 基于國(guó)家半導(dǎo)體公司生產(chǎn)的dc/dc 可調(diào)電壓變換器 lm2678 的電源接入方式可為設(shè)備提供穩(wěn)定可靠的工作電源。lm2678 的優(yōu)點(diǎn)在于可以接受 8-40v 寬范圍的直流電壓輸入，減少外界電壓波動(dòng)和不穩(wěn)定造成對(duì)設(shè)備的不利影響；可提供最高達(dá)60w 輸出功率時(shí)轉(zhuǎn)換效率仍可高達(dá)92%3?？紤]到鋰電池的充電飽和電壓為8.4v，在電路設(shè)計(jì)時(shí)將lm2678 的輸入電壓設(shè)為 9v。 輸入電源再通過一級(jí)線性穩(wěn)壓器后直接轉(zhuǎn)換為標(biāo)準(zhǔn)的+3.3v 和+5v 電源供給設(shè)備。以三極管和場(chǎng)效應(yīng)管組成的可控復(fù)合開關(guān)為電源管理系統(tǒng)輸出非標(biāo)準(zhǔn)電壓等級(jí)電源留出擴(kuò)展接口，以實(shí)現(xiàn)單片機(jī)對(duì)電能輸出的完全可控。

27、3.7 鍵盤與 lcd 顯示鍵盤與 lcd 顯示是進(jìn)行人機(jī)交互的重要手段。單片機(jī)具有豐富的io，擴(kuò)展鍵盤不需要增加成本，本系統(tǒng)采用低電平中斷方式設(shè)置了6 個(gè)按鍵。系統(tǒng)狀態(tài)信息顯示采用點(diǎn)陣式液晶顯示屏，本系統(tǒng)采用24065點(diǎn)陣 mobi2007 模塊，可顯示圖形及各種字符， 使用 1616 字庫(kù)可顯示q260046902 專業(yè)做論文12 4 行，每行 15個(gè)漢字符。電源狀態(tài)信息以圖文結(jié)合的方式顯示在屏上。3.8 通訊擴(kuò)展單片機(jī)的兩個(gè)串行通訊接口為電源管理系統(tǒng)提供了擴(kuò)展功能，結(jié)合鍵盤與 lcd 顯示模塊， 可結(jié)合設(shè)備的整體設(shè)計(jì)完成特殊的擴(kuò)展功能，方便的實(shí)現(xiàn)多 cpu 協(xié)同工作體系，也使得硬件資源得

28、到充分的利用。q260046902 專業(yè)做論文13 第 4 章 電源管理控制策略蓄電池的管理是完全受控于單片機(jī)的，電池與輸入電源是備用關(guān)系。充分參考電池參數(shù)與特性定制以下充電控制原則：優(yōu)化充電過程，縮短充電時(shí)間；控制充電電流，無損傷充電；減少充電循環(huán)，延長(zhǎng)電池壽命。以聚合物鋰電池充放電特性曲線如圖4-1 為依據(jù)，將充電過程分為三個(gè)階段，分別是預(yù)充電、快速充電和補(bǔ)充充電4， 在不同階段單片機(jī)以pwm波對(duì)充電電流進(jìn)行控制，以剩余電量為判斷依據(jù)實(shí)現(xiàn)對(duì)電池充電過程自動(dòng)控制，此過程接受人工干預(yù)，用戶可對(duì)充放電過程進(jìn)行手動(dòng)控制。圖 4-1 充放電特性曲線充電流程如圖 4-2 所示，分為三個(gè)階段。q2600

29、46902 專業(yè)做論文14 圖 4-2 充電流程圖4.1 涓流充電階段當(dāng)電池已經(jīng)被初始放電后，充電流程控制程序進(jìn)入涓流充電階段。由于初始狀態(tài)下，對(duì)電池充電發(fā)熱量較大，因此為保證安全，充電電流極小，被限制在ilowcurrent。并時(shí)刻監(jiān)測(cè)電池溫度，如溫度超限，應(yīng)立即停止充電。ilowcurrent的典型值一般為1/50c。涓流充電狀態(tài)一直持續(xù)到電池電壓達(dá)到最小容積充電電壓vtminvoltbulk。4.2 容積充電階段當(dāng)電池電壓達(dá)到最小容積充電電壓vtminvoltbulk時(shí)，充電進(jìn)入容積充電階段。根據(jù)圖1 所示的鋰電池充電過程，該階段應(yīng)該保證充電電流為恒值。此時(shí)，控制開關(guān)的單片機(jī)pwm 信號(hào)

30、控制充電電壓，使得充電電流保持為容積充電的恒值ibulk。 （通常來說容積充電電流為1c） 。q260046902 專業(yè)做論文15 4.3 定壓充電階段當(dāng)充電電壓達(dá)到vtop（通常一塊鋰電池的典型值為4.2v） ，充電程序應(yīng)該進(jìn)入定壓充電階段。此時(shí)，應(yīng)通過單片機(jī)輸出的pwm 信號(hào)來控制充電電壓為恒值。此階段電池繼續(xù)被充電，而充電電流在逐漸下降，直到充電電流將到最小容積充電電流iminibulk1。此后，為保證充電飽和性， 應(yīng)繼續(xù)保持充電狀態(tài)30 分鐘后結(jié)束整個(gè)充電過程。通常來說，充電第三階段占用時(shí)間較前兩個(gè)階段稍長(zhǎng)。在大部分實(shí)際應(yīng)用中的便攜式嵌入式系統(tǒng)，可能在電池的任何一種狀態(tài)下開始充電。此時(shí)

31、充電電路需要首先檢測(cè)充電的電流狀態(tài)，判斷電池應(yīng)處于何種充電狀態(tài)，并從該狀態(tài)開始充電。q260046902 專業(yè)做論文16 第 5 章 電源管理軟件設(shè)計(jì)軟件采用 c 語(yǔ)言編寫，采用中斷采集與主循環(huán)計(jì)算相互配合的雙層結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)。系統(tǒng)主時(shí)鐘為24mhz，定時(shí)器定時(shí) 200ms產(chǎn)生中斷，在中斷處理中采樣電源信息。主循環(huán)計(jì)算當(dāng)前狀態(tài)，控制各開關(guān)動(dòng)作，并將系統(tǒng)狀態(tài)顯示在液晶屏上。本設(shè)計(jì)的一個(gè)特色就是用軟件實(shí)現(xiàn)電量計(jì)量，它是一個(gè)動(dòng)態(tài)的過程，其原理是以一次充放電的最大電量差值做作為電池100%的容量4。每次充放電過程中都會(huì)記錄充電量最大值和放電量最大值，兩個(gè)量的差作為當(dāng)前剩余電量百分比的判斷依據(jù)。主程序流程圖如圖5-1 所示。圖 5-1 主程序流程圖q260046902 專業(yè)做論文17 第 6 章 結(jié)論本文所介紹的電源管理系統(tǒng)采用了高性能的單片機(jī)，其豐富的片內(nèi)資源使得外圍擴(kuò)展器件少，體積小，方便制板和安裝，降低了成本，減少了硬件故障率，使之便于應(yīng)用在便攜式移動(dòng)測(cè)試設(shè)備中。本系統(tǒng)以單片機(jī)為核心，軟件與硬件相結(jié)合，用動(dòng)態(tài)的方法對(duì)電能的輸入輸出進(jìn)行智能化的管理，為設(shè)計(jì)便攜式設(shè)備提供了安全可靠的電源解決方案。cygn