單片機(jī)的智能電源管理系統(tǒng)

1、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)員黃大吉設(shè)計(jì)（論文）題目：學(xué)生完成設(shè)計(jì)（論文）期限： _年_月_日至_年_月日設(shè)計(jì)（論文）課題要求：本論文詳以理論聯(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

2、了全面的論 證，所引用的文獻(xiàn)都進(jìn)行過(guò)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。實(shí)驗(yàn)（上機(jī)、調(diào)研）部分要求內(nèi)容：在完成論文的過(guò)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(guò)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。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(guò)嚴(yán)格篩 選，以確保其準(zhǔn)確性、真實(shí)性。本論文的完成過(guò)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

3、詳細(xì)注 明了出處。 發(fā)出日期：年月日 學(xué)員完成日期：年月日指導(dǎo)教師簽名：學(xué)生簽名：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(wú)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(lái)說(shuō)，設(shè)計(jì)者一般會(huì)使用專用 電池管理芯片來(lái)控制充電電壓、電流及整個(gè)充電流程。但使用專用芯片， 會(huì)帶來(lái)設(shè)計(jì)成本增加，PCB板面積增大的問(wèn)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

4、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)目錄 TOC o 1-5 h z 摘 要 i目 錄 i HYPERLINK l bookmark4 o Current Document 第 1 章前言 1第 2 章C8051FXXX 系列單片機(jī)的特點(diǎn) 3 HYPERLINK l bookmark6 o Current Document 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) 6 HYPERLINK l bookmark8 o Current Doc

5、ument 3.1 電池充電特性 6 HYPERLINK l bookmark10 o Current Document 3.2 補(bǔ)償轉(zhuǎn)換器工作特性8 HYPERLINK l bookmark12 o Current Document 補(bǔ)償轉(zhuǎn)換器電感的確定9 HYPERLINK l bookmark14 o Current Document 電壓與電流檢測(cè) 10 HYPERLINK l bookmark16 o Current Document 電能狀態(tài)檢測(cè) 11 HYPERLINK l bookmark18 o Current Document 3.6 電源輸入輸出控制11 HYPERLIN

6、K l bookmark20 o Current Document 3.7 鍵盤與 LCD 顯示 11 HYPERLINK l bookmark22 o Current Document 3.8 通訊擴(kuò)展 12 HYPERLINK l bookmark24 o Current Document 第 4 章 電源管理控制策略 13 HYPERLINK l bookmark26 o Current Document 涓流充電階段14 HYPERLINK l bookmark28 o Current Document 容積充電階段14 HYPERLINK l bookmark30 o Current

7、 Document 定壓充電階段 15 HYPERLINK l bookmark32 o Current Document 第 5 章 電源管理軟件設(shè)計(jì) 16 HYPERLINK l bookmark34 o Current Document 第 6 章 結(jié)論 17致 謝 18 HYPERLINK l bookmark38 o Current Document 參考文獻(xiàn)：19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(lái)的便攜式產(chǎn)品更是受到人們的 熱烈追捧，致使便攜式

8、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(wú)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)的成訊。單片機(jī)則屬于“專用計(jì)算機(jī)”，經(jīng)編程后可以

9、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(wàn)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?？梢詮乃刂频碾娮釉O(shè)備中獲得輸入信

10、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 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(jiàn)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(méi)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)航控制及安全 氣囊系統(tǒng)?？梢哉f(shuō)差不多任何帶遙控功能的電子設(shè)備或

11、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(wú)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)完整的系統(tǒng)，它不僅包含對(duì)畜電池的電量檢 測(cè)和

12、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(lái)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(guò)程，并將電源信息通過(guò) 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。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 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

13、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 寫一個(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）、全速、 在系統(tǒng)調(diào)試。該調(diào)試系統(tǒng)支持

14、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（-45C至【+85C）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(kāi)發(fā)。CIP-51內(nèi)核具有 標(biāo)準(zhǔn)8052的所有外設(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

15、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 4 個(gè)系統(tǒng)時(shí)鐘周期。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

16、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/RST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

17、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的場(chǎng)合及便攜式設(shè) 備中，其特點(diǎn)如下：1、低功耗：在2.7 V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

18、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(kāi) 關(guān)、2個(gè)可編程12位DAC、32個(gè)1/0口。3、先進(jìn)的非侵入式在系統(tǒng)調(diào)試技術(shù)：所有信號(hào)都支持J TAG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(kāi)發(fā)環(huán)境，提供全系列單片機(jī)配置向?qū)?，方便用?使用匯編和C語(yǔ)言編程。綜上所述，C8051F

19、02X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(kāi)發(fā)環(huán)境。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、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(guò)程都可以歸納為以下三個(gè)階段, 示意圖如圖 3.1-1

20、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(guò)程是將電能經(jīng)過(guò)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lOOOmAh 的電池，如果充電電流為1000mA的話，則可以說(shuō)電池以1C（1倍于電 池容量）進(jìn)行充電。通常所說(shuō)的涓流充電，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(guò)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

21、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(lái)判斷充電過(guò)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(lái)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(lái)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)起來(lái)，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(méi) 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)

22、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(guò)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 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32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(guò)單片機(jī)的片上8位PWM （脈寬調(diào)制）的PCA輸出控制旁路開(kāi)關(guān)。開(kāi)關(guān)閉合時(shí)，電流流向如圖 3.2-1A所示

23、，輸入的電流對(duì)電容和電感充電。開(kāi)關(guān)打開(kāi)時(shí)如圖3.2-1B所示，電感的特性會(huì)保持流過(guò)自身的電流不 會(huì)突變。電流隨即會(huì)流過(guò)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)?？傮w說(shuō)來(lái)，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(guò)控制占空比的大小，可調(diào)節(jié)電壓 和電流的大小。電磁開(kāi)關(guān)閉合電磁圖3-3圖3-3補(bǔ)償轉(zhuǎn)換器示意圖33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 = 10.5 口 s)。占空比=ton/T公式3-4選擇上述設(shè)定

24、50%的PWM占空比，電感的計(jì)算公式如公式3-5所示 T ton L J_ (V V V )ton公式 3-5L i sat oPWM周期I - ton I2心電感量L I。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分頻后可以產(chǎn)生95.7kHZ的開(kāi)關(guān)頻率。充電電壓Vi為15V；飽和電壓V如為0.5V；輸出電壓 V為 isato4.2V；最大輸出電流IOmax為1500mA,由公式3-5可計(jì)算出電感約為18 口H。電路中的電容的作用用來(lái)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

25、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(lái) 選擇，使得AIN0.1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。R + RR + RV-47 V-58,V VI =01 二RAIN 0.0RAIN 0.1R78R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?！?R (1 + ) + R (1 -R (1 ) + R (1 + ) TOC o 1-5 h z V- 47 V - 5

26、8AIN 0.0R 仃一)AIN 0.1R (1 + )I =78sR1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(wú)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。I 二 k - V + b因此需要首先測(cè)量出兩點(diǎn)的電壓和電流值來(lái)確定公式中的兩個(gè)未知 數(shù)k、b。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。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

27、信號(hào)從電阻分壓器獲得，無(wú)須放大；電流信號(hào)來(lái)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0.1 V,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

28、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(guò)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(kāi)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。37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10,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240X65 點(diǎn)陣M0BI2007模塊，可顯示圖形及各種字符，使用16X16字庫(kù)可顯示4 行，每行 15 個(gè)漢字

29、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，也使得硬件資源得到充分的利用。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(guò)程，縮短 充電時(shí)間；控制充電電流，無(wú)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(guò)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

30、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(guò)程自 動(dòng)控制，此過(guò)程接受人工干預(yù)，用戶可對(duì)充放電過(guò)程進(jìn)行手動(dòng)控制。充電流程如圖4-2所示，分為三個(gè)階段。41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電壓達(dá)到最小容積充電電壓VTMINVOLTBULK的典型值一般為Ilowcurrent電壓達(dá)到最小容積充電電壓VTMINVOLTBULK42容積充電階段當(dāng)電池電壓達(dá)到最小容積充電電壓Vtmi

31、nvoltbulk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(guò)程，該階段應(yīng)該保證充電電流 為恒值。此時(shí)，控制開(kāi)關(guān)的單片機(jī)PWM信號(hào)控制充電電壓，使得充電電流 保持為容積充電的恒值【bulk。（通常來(lái)說(shuō)容積充電電流為1C）。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(guò)單片機(jī)輸出的 PWM 信號(hào)來(lái)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(guò)程。通常來(lái)說(shuō)，充電

32、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(kāi)始充電。此時(shí)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(kāi)始充電。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(kāi)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(guò)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。每次 充放電過(guò)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