電氣工程及其自動(dòng)化畢業(yè)設(shè)計(jì)

鄭州航空工業(yè)管理學(xué)院畢業(yè)論文（設(shè)計(jì)）2007屆電氣工程及其自動(dòng)化專(zhuān)業(yè)0706073班級(jí)題目鋰離子充電控制器姓名學(xué)號(hào)070607332指導(dǎo)教師蘇艷蘋(píng)職稱(chēng)講師二〇一〇年六月二十日內(nèi)容摘要本文根據(jù)近年來(lái)便攜式電子產(chǎn)品的迅速增長(zhǎng)，對(duì)電源管理的要求越來(lái)越高，設(shè)計(jì)了一款用于電源管理的智能電器。首先對(duì)廣泛采用的電源鋰電池的化學(xué)原理進(jìn)行了介紹，通過(guò)實(shí)驗(yàn)得出在不同影響因素下充放電時(shí)鋰離子電池電壓與容量的關(guān)系，另外還就充放電電流，過(guò)充，過(guò)放，及過(guò)溫對(duì)鋰電池的影響進(jìn)行了討論。在對(duì)鋰離子電池特性實(shí)驗(yàn)分析的基礎(chǔ)上，進(jìn)行了智能電器電路設(shè)計(jì)和軟件程序編寫(xiě)。設(shè)計(jì)的電源管理部分具備了充電過(guò)程的控制，結(jié)合Atmel公司的AT89C52單片機(jī)管理功能，包括：溫度控制、時(shí)間控制、電源關(guān)斷、蜂鳴報(bào)警和液晶顯示等，可以完成一個(gè)較為實(shí)用的電源管理系統(tǒng)。為了保護(hù)數(shù)據(jù)，抑制干擾，進(jìn)行了看門(mén)狗監(jiān)測(cè)電路功能設(shè)計(jì)，保證了智能電器工作的可靠性。最后對(duì)智能電器進(jìn)行了測(cè)試實(shí)驗(yàn)。結(jié)果表明智能電器能夠?qū)崿F(xiàn)設(shè)計(jì)的全部功能。能夠提供預(yù)期范圍的預(yù)充電流和終止充電電流，恒流充電時(shí)的電流值在設(shè)計(jì)范圍內(nèi)，恒壓充電時(shí)，能夠提供較理想的電池端壓。同時(shí)，也實(shí)現(xiàn)了相應(yīng)的過(guò)溫保護(hù)功能，及其出錯(cuò)報(bào)警等功能。關(guān)鍵詞智能電器，電源管理，鋰電池，AT89C52AbstractBasedontherapidgrowthoftheportableelectronicsinrecentyears,powermanagementhavebecomeincreasinglydemanding,thearticledesignsaintelligentpowermanagementforelectricalapparatus.Firstofall,thearticleintroducesthechemicalprincipleoflithiumbatteries,andthencarriesouttheexperimentsofthebatterychargeanddischargeindifferentfactors,findingouttherelationshipbetweenthebatteryvoltageandcapacity.Inaddition,discussingthechargeanddischargecurrent,charge-off,take-off,andover-temperaturetotheimpactoflithiumbatteries.Onthebasisofanalysisofthelithium-ionbatterycharacteristicsexperiments,carryoutaintelligentelectricalcircuitdesignandsoftwareprograms.Designofpowermanagementhassomecontroloverthechargingprocess,combinedwithAtmel'sAT89C52single-chipmanagementcapabilities,includingtemperaturecontrol,timecontrol,poweroff,beepalarmandliquidcrystaldisplay,andsoon,canbeamorepracticalpowermanagementsystem.Inordertoprotectthedata,interferencesuppression,thewatchdogfunctionofmonitoringcircuitdesignensuresthattheworkoftheintelligentapparatus.Finally,intelligentapparatustestingresultsshowthattheintelligentapparatusdesignedachievesfullfunctionality.Itcanbeexpectedtoprovidethescopeofthepre-chargecurrentandterminatingchargecurrent;thecurrentvalueisinthedesignwhenchargingcurrentanditcanprovideabetterbattery-sidepressurewhenchargingvoltage.ASwellastherealizationofthecorrespondingover-temperatureprotection,andotherfeaturessuchasalarmerror.KEYWORDSintelligentapparatus,powermanagement,lithiumbatteries,AT89C52目錄第一章：引言§1-1本文研究的智能充電控制器§1-2本課題的主要工作第二章：鋰電池的原理及電特性實(shí)驗(yàn)§2-1鋰電池的電特性實(shí)驗(yàn)2-1-12-1-22-1-32-1-42-1-5第三章：智能電器的主體設(shè)計(jì)§3-1電源控制方案§3-2充電控制器電路設(shè)計(jì)3-2-1硬件設(shè)計(jì)3-2-2軟件設(shè)計(jì)第四章：智能電器外圍電路設(shè)計(jì)§4-1液晶顯示模塊設(shè)計(jì)4-1-1GXM12864簡(jiǎn)介4-1-2GXM12864的接口設(shè)計(jì)4-1-3軟件設(shè)計(jì)4-2-1看門(mén)狗功能4-2-2MAX6304簡(jiǎn)介4-2-3硬件電路設(shè)計(jì)4-2-4軟件設(shè)計(jì)第五章：智能電器仿真調(diào)試§5-1設(shè)置仿真器§5-2編譯工具設(shè)置§5-3連接和測(cè)試§5-4設(shè)計(jì)中問(wèn)題調(diào)試§5-5實(shí)驗(yàn)測(cè)試結(jié)果第六章：結(jié)論及展望致謝注釋參考文獻(xiàn)第一章引言§1-1本文研究的智能充電控制器目前，電源管理已成為電子系統(tǒng)中必不可少的技術(shù)。便攜電子產(chǎn)品的迅速增長(zhǎng)是電源管理技術(shù)發(fā)展的最主要推動(dòng)力。便攜電子設(shè)備包括移動(dòng)蜂窩電話和無(wú)繩電話、無(wú)線接收機(jī)、手持式收發(fā)信機(jī)、計(jì)算器、筆記本電腦、醫(yī)療設(shè)備和由蓄電池供電的其他設(shè)備等。便攜式電子設(shè)備對(duì)電源的要求有以下幾點(diǎn)：體積小，重量輕，效率高，低壓差。鋰離子電池具有能量密度高，可循環(huán)充電次數(shù)多，使用壽命長(zhǎng)，價(jià)格也越來(lái)越低等諸多優(yōu)點(diǎn)，使得選用鋰離子電池供電的便攜式產(chǎn)品越來(lái)越多。然而鋰離子電池也存在一些不足，主要在于對(duì)充電控制器要求比較苛刻，需要保護(hù)電路。為有效利用電池容量，需將鋰離子電池充電至最大電壓，但是過(guò)壓充電會(huì)造成電池?fù)p壞，這就要求較高的控制精度。另外，對(duì)于電壓過(guò)低的電池需要進(jìn)行預(yù)充，充電控制器最好帶有熱保護(hù)和時(shí)間保護(hù)，為電池提供附加保護(hù)。充電方式的選擇直接影響著電池的使用效率和使用壽命，充電技術(shù)近年來(lái)發(fā)展非常迅速。充電控制器的發(fā)展經(jīng)歷了三個(gè)階段:1)限流限壓式充控制電器最原始的就是限壓式充電，然后過(guò)渡到限流限壓式充電，它使用的方式就是淺充淺放，其壽命表述就是時(shí)間，沒(méi)有次數(shù)，比如10年。這種充電模式的效果較差。2)恒流/限壓式充電控制器這是充電控制器發(fā)展的第二階段，這種模式的充電控制器占據(jù)了充電控制器市場(chǎng)近半個(gè)世紀(jì)。首先，以恒電流充電至預(yù)定的電壓值，然后，改為恒電壓完成剩余的充電。一般兩階段之間的轉(zhuǎn)換電壓就是第二階段的恒電壓。這種充電控制器充電電流總是低于電池的可接受能力，造成充電效率低，大大降低了電池的壽命。3)自適應(yīng)智能充電控制器隨著大規(guī)模集成IC的出現(xiàn)，充電設(shè)備進(jìn)入了一個(gè)全新的自適應(yīng)、智能階段，即稱(chēng)為第三代充電控制器。自適應(yīng)充電控制器遵循各類(lèi)電池的充、放電規(guī)律進(jìn)行充、放電。并且具有溫度補(bǔ)償功能。充電系統(tǒng)由具有特殊功能的單片機(jī)控制，不斷檢測(cè)系統(tǒng)參數(shù)，按模糊推理算法不斷調(diào)整充電參數(shù)，同一充電控制器可適應(yīng)不同種類(lèi)電池的充電，充電控制器自適應(yīng)調(diào)整自己的輸出電流，無(wú)需人工選擇，避免操作失誤。目前市場(chǎng)上很多采用大電流的快速充電法，所以在電池充滿后如不及時(shí)停止會(huì)使電池發(fā)燙，過(guò)度的過(guò)充會(huì)嚴(yán)重?fù)p害電池的壽命。也有一些低成本的充電控制器采用電壓比較法，為了防止過(guò)充一般充電到90%就停止大電流快充，采用小電流涓流補(bǔ)充充電。一般地，為了使得電池充電充分，容易造成過(guò)充，表現(xiàn)為有些充電控制器在充終了時(shí)電池經(jīng)常發(fā)燙(電池在充電后期明顯發(fā)燙一般說(shuō)明電池已過(guò)充)。對(duì)電池經(jīng)常出現(xiàn)過(guò)充和欠充的缺點(diǎn)已越來(lái)越不能滿足們的需要。鋰電池的使用壽命和單次循環(huán)使用時(shí)間與充電維護(hù)過(guò)程和使用情況密切相關(guān)[6]。一部好的充電控制器不但能在短時(shí)間內(nèi)將電量充足，而且對(duì)電池還能起到一定的維護(hù)作用，修復(fù)由于使用不當(dāng)而造成的記憶效應(yīng)，即容量下降(電池活性衰退)現(xiàn)象。因而傳統(tǒng)的普通充電控制器存在明顯的不足?；谝陨蠁?wèn)題的提出與分析本文將設(shè)計(jì)一款用于鋰離子電池的智能電器。所謂智能充電控制器是指能根據(jù)用戶的需要智能控制充電進(jìn)程，并且在充電過(guò)程中能對(duì)被充電電池進(jìn)行保護(hù)從而防止過(guò)電壓和溫度過(guò)高的一種智能化充電控制器。單片機(jī)控制的智能充電器，具備業(yè)界公認(rèn)較好的-⊿V檢測(cè)，可以檢測(cè)出電池充電飽和時(shí)的電壓變化信號(hào)，比較精確地結(jié)束充電工作。這些充電器芯片往往具備了充電過(guò)程的控制，加上單片機(jī)管理功能，包括：溫度控制、時(shí)間控制、電源關(guān)斷、蜂鳴報(bào)警和液晶顯示等，可以完成一個(gè)較為實(shí)用的智能充電控制器。隨著電子技術(shù)的發(fā)展，芯片體積小型化及其價(jià)格的降低，智能充電控制器大規(guī)模的批量生產(chǎn)已經(jīng)成為可能。而智能充電控制器具有操作簡(jiǎn)單、可靠性高和通用性強(qiáng)等優(yōu)點(diǎn)，是充電控制器家族中一個(gè)重要的組成部分，也是未來(lái)充電控制器發(fā)展的主要方向。因此，對(duì)充電控制器智能化的研究與應(yīng)用具有深遠(yuǎn)的現(xiàn)實(shí)意義?！?-2本課題的主要工作本文實(shí)現(xiàn)基于單片機(jī)控制的智能電器設(shè)計(jì)，這里主要針對(duì)鋰離子電池的智能電源管理控制器設(shè)計(jì)。根據(jù)鋰電池的特點(diǎn)，要求智能控制器的最基本需求有二：一是要求其能提供較高的充電電流以縮短充電時(shí)間，同時(shí)要具備最大充電電流和最大充電電壓的限制以保證充電系統(tǒng)的安全；二是要求為增加電池的充放次數(shù)及使用壽命，當(dāng)中包括對(duì)過(guò)放(over-discharged)的電池減少充電電流，對(duì)電池電壓的檢測(cè)或電池容量的檢測(cè)，輸入電流的限制，電池充飽時(shí)關(guān)閉智能控制器，對(duì)充飽電池經(jīng)過(guò)一段時(shí)間漏電后能自動(dòng)再充電功能，充電狀態(tài)的指示，外部智能控制器的開(kāi)關(guān)控制等。1)首先介紹鋰離子電池充放電原理及特性。在這一部分通過(guò)實(shí)驗(yàn)分析驗(yàn)證了鋰離子電池電壓在不同放電率下與電池容量的關(guān)系，環(huán)境溫度與電池放電容量的關(guān)系，并進(jìn)一步分析論述了充放電電流對(duì)鋰離子電池的影響，放電率對(duì)電池壽命的影響，過(guò)充過(guò)放及過(guò)溫對(duì)鋰離子電池的危害。2)然后為控制器設(shè)計(jì)進(jìn)行選型并設(shè)計(jì)其硬件電路和軟件部分，以實(shí)現(xiàn)其智能功能。這里在充電電路設(shè)計(jì)上在比較鋰電池充電主要的四種方法：恒流充電、恒壓充電、恒流恒壓充電和脈沖充電的優(yōu)缺點(diǎn)上，考慮到雖然恒流恒壓充電需要復(fù)雜得多的電路來(lái)實(shí)現(xiàn)，但由于其充電時(shí)間短，充電效率高，因此本文所設(shè)計(jì)的智能電器充電控制部分將采用恒流恒壓充電方法。智能電源控制器設(shè)計(jì)包括三部分：控制電路，充電電路，顯示等外圍電路。并完成這三部分相關(guān)的程序設(shè)計(jì)。實(shí)現(xiàn)智能充電，液晶顯示，看門(mén)狗功能。智能電器工作時(shí)不可避免會(huì)受到外界的干擾，這些干擾輕則導(dǎo)致系統(tǒng)內(nèi)部數(shù)據(jù)出錯(cuò),重則將嚴(yán)重影響程序的運(yùn)行。為了保護(hù)數(shù)據(jù)，抑制干擾，在單片機(jī)智能系統(tǒng)的開(kāi)發(fā)過(guò)程中需要進(jìn)行可靠性設(shè)計(jì)。這里看門(mén)狗功能設(shè)計(jì)可保證智能電器的正常工作。3)最后給出采用本智能電源管理控制器對(duì)鋰離子電池充電的實(shí)驗(yàn)結(jié)果，并對(duì)結(jié)果進(jìn)行分析論述，以期提出不足和可能的改進(jìn)措施。第二章鋰電池的原理及電特性實(shí)驗(yàn)§2-1鋰電池的電特性實(shí)驗(yàn)2-1-1鋰離子電池的開(kāi)路電壓與電池的正負(fù)極材料、電池的充電狀態(tài)有關(guān)。電池的額定電壓有3.6V和3.7V兩種，目前使用比較普遍的是3.7V的電池。該電池的充電終止電壓為4.2V，放電終止電壓一般為2.75V(不同的廠商有不同的推薦值)。從表2.1[可以看出，鋰離子電池的電壓相當(dāng)于鎳鎘、鎳氫電池的三倍，也就是說(shuō)，為了得到同樣的電池組端電壓，鋰離子電池的使用數(shù)目只有鎳鎘、鎳氫電池的1/3，大大減少了電池的數(shù)目，簡(jiǎn)化了電池組的設(shè)計(jì)、增加了整個(gè)電池組的穩(wěn)定性。但是鋰離子電池對(duì)電壓精度的要求很高，誤差不能超過(guò)1%。如果電池的終止充電電壓是4.2V，那么允許的誤差范圍就是0.042V。終止電壓過(guò)高，將會(huì)影響鋰離子電池的壽命，甚至造成過(guò)充現(xiàn)象(Overcharge)，對(duì)電池造成永久性的損壞：終止電壓過(guò)低，又會(huì)使充電不完全，電池的可使用時(shí)間變短。實(shí)驗(yàn)測(cè)得充放電時(shí)電池電壓隨電池容量變化的關(guān)系。如圖2.2，電池終止電壓為4.1V。可以發(fā)現(xiàn)充電時(shí)電池的端壓要比放電時(shí)高，這是因?yàn)殡姵乇旧砗统浞烹娀芈飞嫌幸欢ǖ碾娮?。圖2.2電池電壓與容量的關(guān)系Fig2.2Therelationshipbetweenthebatteryvoltageandcapacity我們把電阻等效為dR，如圖2.3，那么充電時(shí)的端電壓表達(dá)式為：(2.1)相應(yīng)的，放電時(shí)端電壓表達(dá)式為：(2.2)圖2.3電池充放電等效回路Fig2.3Batterycharginganddischargingequivalentcircuit從這兩個(gè)公式可以看出，在充電和放電時(shí)(這里假設(shè)充電電流等同于放電電流)，電池端壓所表示的值都不是真正電池的電動(dòng)勢(shì)，而是加上了電池組內(nèi)阻的影響。實(shí)驗(yàn)同時(shí)測(cè)得不同的放電率下，電池電壓的變化。放電率越大，相應(yīng)剩余容量下的電池電壓就越低，電池終止電壓為4.2V，如圖2.4所示。圖2.4不同放電率下，電池電壓與容量的關(guān)系Fig2.4Indifferentdischargerate,therelationshipbetweenthebatteryvoltageandcapacity鋰離子電池的使用環(huán)境溫度范圍比較寬，可以達(dá)到-20～60℃。但是環(huán)境溫度對(duì)電池的放電容量有很大影響。實(shí)驗(yàn)測(cè)得環(huán)境溫度對(duì)電池放電的影響，如圖2.5所示。采用0.2C放電速率，當(dāng)環(huán)境溫度為25℃時(shí)，可放出額定容量；當(dāng)環(huán)境溫度為-5℃時(shí)，電池容量下降約5%。電池放電曲線隨溫度的變化如圖圖2.5溫度為參變量的放電曲線（電池容量為650mAh）Fig2.5Temperatureparameterforthedischargeofthecurve2-1-2鋰離子電池和其他電池一樣，也存在使用壽命的問(wèn)題。在正確使用的前提下，容量也會(huì)隨著循環(huán)次數(shù)慢慢減少。造成這一現(xiàn)象的原因主要有一下兩點(diǎn)：1)負(fù)極材料(石墨)中的鋰逐漸被電解質(zhì)氧化，造成可使用的鋰離子數(shù)目減少。2)在循環(huán)中，正極材料的老化，降級(jí)，使晶狀結(jié)構(gòu)慢慢遭到破壞，可容納的鋰離子數(shù)目減少。圖2.6表示了不同循環(huán)次數(shù)下電池容量的變化。圖2.6電池在1C的放電率下容量隨循環(huán)次數(shù)的變化Fig2.6Inbatterydischargerateof1Cthecapacitychangeswiththenumberofcycles2-1-3鋰離子電池對(duì)充放電的最大電流都有一定的限制。充電時(shí)，一般常用的充電率為0.25C～1C（C為電池的容量，比如1500mAh的鋰離子電池，1C的充電率即為1500mA）。在大電流充電時(shí)，還應(yīng)檢測(cè)電池的溫度，以防過(guò)熱損壞電池或產(chǎn)生爆炸。同樣的，鋰離子電池的最大放電電流一般限制在2～3C左右，更大的放電電流會(huì)使電池發(fā)熱嚴(yán)重，對(duì)電池的組成物質(zhì)造成損壞，影響電池的使用壽命。同時(shí)，大電流放電還將影響電池能放出的容量，因?yàn)橐徊糠帜芰哭D(zhuǎn)化成了熱能。2-1-4當(dāng)加在鋰離子電池兩端的電壓超過(guò)4.5V時(shí)，就會(huì)產(chǎn)生過(guò)充現(xiàn)象。過(guò)充時(shí)負(fù)極的石墨嵌入的鋰離子完全飽和，鋰將在負(fù)極沉積下來(lái)，形成鋰枝晶，使電池的容量減少；同時(shí)電池繼續(xù)從正極抽出過(guò)量的鋰離子，造成正極材料的活性降低，也會(huì)對(duì)電池的容量造成損害。過(guò)放現(xiàn)象則是電池電壓低于放電終止電壓后，仍然繼續(xù)放電，使電池電壓繼續(xù)降低。過(guò)放時(shí)，電極產(chǎn)生晶枝，電路迅速短路。雖然此時(shí)由于電池已經(jīng)完全放電，不會(huì)造成安全方面的問(wèn)題，但是電池也已經(jīng)遭到了不可恢復(fù)的破壞，不能再繼續(xù)使用了。過(guò)溫時(shí)，鋰離子電池中的活性物質(zhì)(LiC6，LiNiO2)與電解液可能會(huì)發(fā)生化學(xué)反應(yīng)，產(chǎn)生更多的熱量。而電解質(zhì)中存在可燃的有機(jī)溶劑成分。在這種情況下，電池溫度將失去控制越來(lái)越高，最終導(dǎo)致電池燃燒，甚至爆炸。2-1-5本章簡(jiǎn)要介紹了鋰離子電池的化學(xué)原理，然后實(shí)驗(yàn)分析論證了鋰離子電池的電特性：1)由充放電實(shí)驗(yàn)電池電壓與電池容量的關(guān)系，表明充電時(shí)電池的端壓要比放電時(shí)高。這是因?yàn)殡姵乇旧砗统浞烹娀芈飞嫌幸欢ǖ碾娮?。所以在?jì)算充放電端電壓時(shí)，不要忘記內(nèi)阻值的影響。2)實(shí)驗(yàn)不同放電率下鋰離子電池電壓的變化。結(jié)論表明放電率越大，相應(yīng)剩余容量下的電池電壓就越低。3)環(huán)境溫度對(duì)電池放電的影響實(shí)驗(yàn)，結(jié)論表明溫度較低時(shí)，放電容量有所下降。另外還就循環(huán)次數(shù)，過(guò)充，過(guò)放，及過(guò)溫對(duì)鋰離子電池的影響和危害進(jìn)行了討論。根據(jù)電池的這些特點(diǎn)，可以通過(guò)設(shè)計(jì)一個(gè)完整的智能充放電管理系統(tǒng)來(lái)使電池的使用壽命和性能達(dá)到最優(yōu)化。第三章智能電器的主體設(shè)計(jì)§3-1電源控制方案充電管理是電源管理系統(tǒng)的重要組成部分，它對(duì)電池的特性及壽命有著至關(guān)重要的影響。隨著電源技術(shù)的不斷發(fā)展，充電的手段越來(lái)越豐富，充電方式對(duì)電池及應(yīng)用環(huán)境的針對(duì)性也越來(lái)越強(qiáng)。目前鋰電池充電主要有四種方法[22]：恒流充電、恒壓充電、恒流恒壓充電和脈沖充電。1）恒流充電（CC）恒流充電根據(jù)其充電電流的大小，又可分為浮充充電（又稱(chēng)涓流充電）、標(biāo)準(zhǔn)充電及快速充電。該方法在整個(gè)充電過(guò)程中采用恒定電流對(duì)電池進(jìn)行充電，如圖3.1所示。這種方法操作簡(jiǎn)單，易于做到，特別適合對(duì)由多個(gè)電池串聯(lián)的電池組進(jìn)行充電。但由于鋰電池的可接受電流能力是隨著充電過(guò)程的進(jìn)行而逐漸下降的，在充電后期，若充電電流仍然不變，充電電流多用于電解質(zhì)，產(chǎn)生大量氣泡，這不僅消耗電能，而且容易造成極板上活性物質(zhì)脫落，影響鋰電池的壽命。圖3.1恒流充電法曲線 Fig3.1Constantcurrentchargecurve 2）恒壓充電法（CV）在恒壓充電法中，充電電源的電壓在全部充電時(shí)間里保持恒定的數(shù)值，隨著鋰電池端電壓的逐漸升高，電流逐漸減少。充電曲線如圖3.2所示。從圖中可以看出，充電初期充電電流過(guò)大，這樣對(duì)鋰電池的壽命會(huì)造成很大影響。圖3.2恒壓充電法曲線Fig3.2Constantvoltagechargecurve3）恒流恒壓充電法（CC/CV）在CC/CV充電器中，充電通過(guò)恒定電流開(kāi)始。在恒流充電CC周期中，為了防止過(guò)度充電而不斷監(jiān)視電池端電壓。當(dāng)電壓達(dá)到設(shè)定的端電壓時(shí)，電路切換為恒定電壓充電，直到把電池充滿為止。在CC充電期間，電池可以以較高電流強(qiáng)度進(jìn)行充電，這期間電池被充電到大約85%的容量。在CV周期中，電池電壓恒定，充電電流逐漸下降，在電流下降到低于電池的1/10容量時(shí)，充電周期完成。恒流恒壓充電曲線如圖3.3所示。圖3.3恒流恒壓充電法曲線Fig3.3Constantcurrentandvoltagechargecurve4）脈沖充電法脈沖充電方式是比較新的一種充電方式。脈沖充電法是從對(duì)電池的恒流充電開(kāi)始的，大部分的能量在恒流充電過(guò)程中被轉(zhuǎn)移到電池內(nèi)部。當(dāng)電池電壓上升到充電終止電壓VCV后，脈沖充電法由恒流轉(zhuǎn)入真正的脈沖充電階段。在這一階段，脈沖充電方式以與恒流充電階段相同的電流值間歇性的對(duì)電池進(jìn)行充電。每次充電時(shí)間為T(mén)C后,然后關(guān)閉充電回路。充電時(shí)由于充電電流的存在，電池電壓將繼續(xù)上升并超過(guò)充電終止電壓VCV；當(dāng)充電回路被切斷后，電池電壓又會(huì)慢慢下降。電池電壓恢復(fù)到VCV時(shí)，重新打開(kāi)充電回路，開(kāi)始下一個(gè)脈沖充電周期。在脈沖充電電流的作用下，電池會(huì)漸漸充滿，電池端壓下降的速度也漸漸減慢，這一過(guò)程一直持續(xù)到電池電壓恢復(fù)到VCV的時(shí)間達(dá)到某個(gè)預(yù)設(shè)的值TO為止，可以認(rèn)為電池已接近充滿，如圖3.4所示。圖3.4脈沖充電法曲線Fig3.4chargingimpulsecurve在以上四種充電方法中，鋰電池充電仍以恒流恒壓的方法為主。雖然恒流恒壓充電需要復(fù)雜得多的電路來(lái)實(shí)現(xiàn)，但由于其充電時(shí)間短，充電效率高，因此在鋰離子電池充電中占主導(dǎo)地位。本文所設(shè)計(jì)的智能電器充電控制部分將采用這種充電方法。鋰離子電池充電方式可分為三種：1)交換式(switch-mode)2)脈沖式(pulse)3)線性式(linear)交換式充電控制器的效率較佳但其電路板面積較大，線路較為復(fù)雜及需較大的電感電容等被動(dòng)組件，其電路復(fù)雜且成本較高；脈沖式及線性式充電控制器其電路板面積較小及只需較少的外部組件，但脈沖式需要有限電流功能的交流適配器(ACadapter)，價(jià)格較昂貴且大部分的ACAdapter不具此功能；線性式的充電控制器其周邊組件不會(huì)占過(guò)多的電路板面積，只需小部分額外的面積以利晶體管的散熱即可，成本較小，盡管與前二種相比其效率略差，但性?xún)r(jià)比較高。綜合三種充電方式的優(yōu)缺點(diǎn)，本文采用線性式充電方式。一般有兩種方法實(shí)現(xiàn)電路的智能化控制。一種是利用集成電路芯片來(lái)實(shí)現(xiàn)控制。目前市場(chǎng)上有很多廠家生產(chǎn)的集成芯片，能夠以相對(duì)不高的成本完成各種充放電和保護(hù)功能。但是集成電路的應(yīng)用場(chǎng)合比較窄，一般限于小容量的單、雙節(jié)電池的控制。當(dāng)需求功率較大，電池串并聯(lián)數(shù)目較多時(shí)，集成電路就無(wú)能為力了。另一種方法就是采用單片機(jī)系統(tǒng)。單片機(jī)系統(tǒng)稍顯復(fù)雜，但是其靈活性是集成電路無(wú)法比擬的。特別是在有特殊需求的場(chǎng)合，單片機(jī)系統(tǒng)更能體現(xiàn)出它的優(yōu)勢(shì)。綜合考慮，我們選用ATMEL公司生產(chǎn)的AT89C52單片機(jī)。AT89C52含有非易失FLASH、并行可編程的程序存儲(chǔ)器，所有器件都是通過(guò)引導(dǎo)裝載器串行編程(ISP)。該單片機(jī)采用先進(jìn)CMOS工藝的單片8位微控制器，是80C51微控制器系列的派生，和80C51指令相同。圖3.5是AT89C52的內(nèi)部功能框圖。AT89C52的特性包括：●80C51中心處理單元；●片內(nèi)FLASH程序存儲(chǔ)器；●速度可達(dá)33MHz；●全靜態(tài)操作；●RAM可擴(kuò)展到64K字節(jié)；●4級(jí)中斷；●6個(gè)中斷源；●4個(gè)8位1/0口；●全雙工增強(qiáng)型UART●幀數(shù)據(jù)錯(cuò)誤檢測(cè)；●自動(dòng)地址識(shí)別；●電源控制模式；●時(shí)鐘的停止和恢復(fù)；●空閑模式；●掉電模式；●可編程時(shí)鐘輸出；●雙DPTR寄存器；●低EMI(禁止ALE)；●3個(gè)16位定時(shí)器；●外部中斷可以從掉電模式中喚醒。由于AT89C52具有8k片內(nèi)FLASH程序存儲(chǔ)器，所需擴(kuò)展片外ROM，而且與80C51系列單片機(jī)指令相同，因此非常適合用做智能管理系統(tǒng)的中心控制單片機(jī)。圖3.5AT89C52內(nèi)部功能框圖Fig3.5AT89C52internalfunctionblockdiagram智能電源管理控制器設(shè)計(jì)包括三部分：1)控制電路控制電路主要包括單片機(jī)及其外部的擴(kuò)展電路。其主要作用是控制充電電路的工作，同時(shí)對(duì)充電電池各項(xiàng)反饋的數(shù)據(jù)(如電流、電壓和溫度等)進(jìn)行處理。同時(shí)它還起著人機(jī)交互的作用(接收用戶發(fā)出的各種指令來(lái)控制充電),并將顯示的數(shù)據(jù)送至顯示電路。2)充電電路充電電路主要包括充電芯片和同步整流電路。它能夠根據(jù)CPU發(fā)出的指令給充電電池提供恒流或恒壓。3)顯示等外圍電路顯示電路主要包括顯示器及其驅(qū)動(dòng)芯片。其主要作用是方便用戶對(duì)智能控制器的操作和直觀地了解智能控制器的工作進(jìn)程。其它外圍電路由報(bào)警和傳感器等電路構(gòu)成。出于功能、性?xún)r(jià)比的考慮本文采用MAX1898作為充電管理芯片，MAX1898為線性式充電芯片；選用AT89C2052單片機(jī)作為電源管理控制器的主芯片，單片機(jī)負(fù)責(zé)輸電的控制和提示，智能電源管理控制器在單片機(jī)的管理下，能夠完成充電管理、充滿自停和充完顯示及報(bào)警等功能。MAX1898是性?xún)r(jià)比較高的線性充電芯片，其輸入電壓范圍為4.5V～12V；具有內(nèi)置檢流電阻；0.75%電壓精度；可編程充電電流；輸入電源自動(dòng)檢測(cè)；LED充電狀態(tài)指示；檢流監(jiān)視輸出等基本特點(diǎn)。MAX1898外接限流型充電電源和P溝道場(chǎng)效應(yīng)管，可以對(duì)單節(jié)鋰離子電池進(jìn)行安全有效的快充，其最大特點(diǎn)是在不使用電感的情況下仍能做到很低的功率耗散，可以實(shí)現(xiàn)預(yù)充電，具有過(guò)壓保護(hù)、溫度保護(hù)和最長(zhǎng)充電時(shí)間限制等優(yōu)點(diǎn)為鋰離子電池提供保護(hù)。MAX1898的典型充電電路如圖3.6所示。輸入電流調(diào)節(jié)電路用于限制電源的總輸入電流，包括系統(tǒng)負(fù)載電流與充電電流，當(dāng)檢測(cè)到輸入電流大于設(shè)定的限流門(mén)限時(shí)，通過(guò)降低電池充電電流可達(dá)到控制輸入電流的目的。因?yàn)橄到y(tǒng)工作時(shí)電源電流的變化范圍較大，如果控制器沒(méi)有輸入電流檢測(cè)功能，則輸入電源必須能夠提供最大負(fù)載電流與最大充電電流之和，這將使電源的成本增高、體積增大，而利用輸入限流功能則能夠降低控制器對(duì)直流電源的要求,同時(shí)也簡(jiǎn)化了輸入電源的設(shè)計(jì)。圖3.6MAX1898的典型充電電路Fig3.6MAX1898typicalchargingcircuit1)電源輸入：鋰離子電池要求的充電方式是恒流恒壓方式，電源的輸入需要采用恒流恒壓源，一般地，可以采用直流電源加上變壓器提供。2)輸出：MAX1898通過(guò)外接的場(chǎng)效應(yīng)管提供鋰電池的充電接口。3)充電時(shí)間的選擇：MAX1898充電時(shí)間可選擇通過(guò)外接的電容大小決定的。兩者關(guān)系為：(3.1)式中，的單位為小時(shí)，的單位為nF。標(biāo)準(zhǔn)的充電時(shí)間為1小時(shí)，最大不要超過(guò)2小時(shí)，根據(jù)這個(gè)標(biāo)準(zhǔn)，可以計(jì)算得到外接電容的容值。也可以采用單片機(jī)設(shè)定最大充電時(shí)間。4)設(shè)置充電電流：MAX1898充電電流在限制電流的模式下，可以通過(guò)選擇外接的電阻阻值大小決定。關(guān)系式如下：(3.2)式中，的單位為Ω，的單位為A。當(dāng)充電電源和電池在正常的工作溫度范圍內(nèi)時(shí)，插入電池將啟動(dòng)一次充電過(guò)程；充電結(jié)束的條件是平均的脈沖充電電流達(dá)到快充電流的1%，或者是充電時(shí)間超出片上預(yù)置的充電時(shí)間。MAX1898能夠自動(dòng)檢測(cè)充電電源，沒(méi)有電源時(shí)自動(dòng)關(guān)斷以減少電池的漏電。啟動(dòng)快充后打開(kāi)外接的P型場(chǎng)效應(yīng)管，當(dāng)檢測(cè)到電池電壓達(dá)到設(shè)定的門(mén)限時(shí)進(jìn)入脈沖充電方式，P溝道場(chǎng)效應(yīng)管打開(kāi)的時(shí)間會(huì)越來(lái)越短，充電結(jié)束時(shí)，LED指示燈將會(huì)呈現(xiàn)周期性的閃爍?！?-2充電控制器電路設(shè)計(jì)3-2-1硬件設(shè)計(jì)在單片機(jī)和MAX1898控制下,充電過(guò)程分為預(yù)充、快充、滿充、斷電和報(bào)警5個(gè)部分。主要原理如圖3.3和3.4所示：圖3.3單片機(jī)控制部分原理圖Fig3.3Thesingle-chipcontrolschematic圖3.4充電部分電路圖Fig3.4Partofchargingcircuit預(yù)充在安裝好電池后，接通輸入直流電源，當(dāng)控制器檢測(cè)到電池時(shí)則將定時(shí)器復(fù)位，單片機(jī)輸入高電平，充電芯片啟動(dòng)，從而進(jìn)入預(yù)充過(guò)程，在此期間控制器以快充電流的1/10給電池充電,使電池電壓、溫度恢復(fù)到正常狀態(tài)。預(yù)充時(shí)間由充電控制器確定，如果在規(guī)定的充電時(shí)間內(nèi)電池電壓達(dá)到標(biāo)準(zhǔn)以上，電池溫度正常，充電進(jìn)入快充過(guò)程；如果電池電壓低于標(biāo)準(zhǔn)，則認(rèn)為電池不可充電，控制器顯示電池故障。2)快充快充過(guò)程也稱(chēng)恒流充電，此時(shí)控制器以恒定電流對(duì)電池充電。根據(jù)電池廠商推薦的充電速率，一般鋰離子電池大多選用標(biāo)準(zhǔn)充電速率，充滿電池需要1個(gè)小時(shí)左右的時(shí)間。恒流充電時(shí)，電池電壓將緩慢上升，一旦電池電壓達(dá)到所設(shè)定的終止電壓，恒流充電終止，充電電流快速遞減，充電進(jìn)入滿充過(guò)程。3)滿充在滿充過(guò)程中，充電電流逐漸衰減，直到充電速率降到設(shè)置值以下或滿充時(shí)間超時(shí)，轉(zhuǎn)入頂端截止充電；頂端截止充電時(shí)，控制器以極小的充電電流為電池補(bǔ)充能量。由于控制器在檢測(cè)電池電壓是否達(dá)到終止電壓時(shí)有充電電流通過(guò)電池內(nèi)阻，盡管在滿充和頂端截止充電過(guò)程中充電電流逐漸下降，減小了電池內(nèi)阻和其他串聯(lián)電阻對(duì)電池端電壓的影響，但串聯(lián)在充電回路中的電阻形成的壓降仍然對(duì)電池終止電壓的檢測(cè)有影響，一般情況下，滿充和頂端終止充電可以延長(zhǎng)電池5%～10%的使用時(shí)間。4)斷電當(dāng)電池正常充滿后，MAX1898芯片的2引腳發(fā)送的脈沖電平將會(huì)被單片機(jī)檢測(cè)到，引起單片機(jī)的中斷，在中斷中判斷出充電完畢的狀態(tài)。由單片機(jī)將通過(guò)P2.0口輸出控制MAX1898芯片EN/OK腳，控制器停止充電，從而保證芯片和電池的安全，同時(shí)也減小功耗。同樣當(dāng)電池因短路或斷路不可充電時(shí)，也由單片機(jī)控制停止充電并顯示電池故障。5)報(bào)警當(dāng)電池充滿后，MAX1898芯片本身也會(huì)向外接的LED燈發(fā)出指令，LED燈會(huì)閃爍。同時(shí)單片機(jī)在檢測(cè)到充滿狀態(tài)的脈沖后，或檢測(cè)到電池故障不僅會(huì)自動(dòng)切斷MAX1898芯片的供電，而且會(huì)通過(guò)蜂鳴器報(bào)警，提醒用戶及時(shí)取出電池。監(jiān)測(cè)MAX1898的輸出信號(hào)CHG,當(dāng)MAX1898將要完成充電時(shí)，該引腳會(huì)發(fā)出1.5HZ信號(hào)的脈沖，單片機(jī)的INTO引腳接收中斷后，產(chǎn)生中斷，并使用單片機(jī)的T0計(jì)數(shù)器開(kāi)始計(jì)數(shù)，當(dāng)下一個(gè)脈沖到來(lái)時(shí)，在外中斷程序中判斷單片機(jī)的計(jì)數(shù)值是否在4S左右，如果是，則通過(guò)控制P1.2輸出控制MAX1898芯片EN/OK腳,控制器停止充電，并引發(fā)蜂鳴器報(bào)警。3-2-2軟件設(shè)計(jì)當(dāng)MAX1898完成充電時(shí)，其/CHG引腳會(huì)產(chǎn)生由低到高的跳變，該跳變引起單片機(jī)的INT0中斷。/CHG的輸出為高存在3種情況：一是電池未放進(jìn)充電器上或無(wú)充電輸入；二是充電完畢；三是充電出錯(cuò)。前兩種情況單片機(jī)都可以直接控制電源切斷，所以程序只需對(duì)待第三種充電出錯(cuò)的情況即可。該部分程序流程圖如下圖3.5：圖3.5智能控制器程序流程圖IFig3.5IntelligentcontrolprogramflowchartI圖3.5智能控制器程序流程圖IIFig3.5IntelligentcontrolprogramflowchartII圖3.5智能控制器程序流程圖IIIFig3.5IntelligentcontrolprogramflowchartIII主要程序如下：/*初始化*/voidinit(){EA=1;PT0=1;TMOD=0x01;ET0=1;IT0=1;EX0=1;GATE=1;BP=1;int0_count=0;}/*定時(shí)器0中斷服務(wù)子程序*/voidtimer0()interrupt1using1{TR0=0;TH0=-5000/256;TL0=-5000%256;t_count++;if(t_count>500){if(int0_count==1){GATE=0;BP=0;}else{GATE=1;BP=1;}ET0=0;EX0=0;int0_count=0;t_count=0;}elseTR0=1;}/*外部中斷0服務(wù)子程序*/voidint0()interrupt0using1{if(int0_count==0){TH0=-5000/256;TL0=-5000%256;TR0=1;t_count=0;}int0_count++;}第四章智能電器外圍電路設(shè)計(jì)§4-1液晶顯示模塊設(shè)計(jì)4-1-1GXM12864液晶顯示器（LCD）已經(jīng)經(jīng)歷了幾代發(fā)展，其應(yīng)用從第一代的以TN-LCD為代表的電子手表，計(jì)算器到第二代的以STN-LCD為代表的快譯通，商務(wù)通，家電設(shè)備，測(cè)量設(shè)備以及今天正繼續(xù)發(fā)展的第三代TFT-LCD以便攜式同臺(tái)計(jì)算機(jī)與多媒體顯示為代表的用于高級(jí)信息社會(huì)的各種辦公室自動(dòng)化與新型信息傳遞設(shè)備。本論文采用了內(nèi)含KS0108B/HD61202控制器的圖形液晶顯示模塊GXM12864，它是一種采用低功耗CMOS技術(shù)實(shí)現(xiàn)的點(diǎn)陣圖形LCD模塊，有8位的微處理器接口，通過(guò)內(nèi)部的128*64位映射DDRAM（DisplayDataRAM）實(shí)現(xiàn)128*64大小的平板顯示。該液晶顯示模塊使用KS0108B作為列驅(qū)動(dòng)器，同時(shí)使用KS0107B作為行驅(qū)動(dòng)器。KS0107B不與單片機(jī)發(fā)生聯(lián)系，只要提供電源就能產(chǎn)生行驅(qū)動(dòng)信號(hào)和各種同步信號(hào)。這樣的配置大大簡(jiǎn)化了設(shè)計(jì)，節(jié)約了單片機(jī)的資源。1）GXM12864的內(nèi)部邏輯電路圖GXM12864的內(nèi)部邏輯電路圖如4-1所示。其中，兩片KS0108B的ADC均接高電平，RST也接高電平，在使用不考慮這兩個(gè)引腳的作用。/CSA和KS01018B[1]的CS1相連接，/CSB和KS0108B[2]的CS1相連，因此/CSA，/CSB選通組合信號(hào)為/CSA，/CSB=01選通KS0108B[1]，/CSA，/CSB=10選通KS0108B[2]，為其它值時(shí)禁止選通，總線處于高阻態(tài)。圖4.1GXM12864的內(nèi)部邏輯電路圖Fig4.1GXM12864internallogiccircuit圖4.2KS0108B的內(nèi)部邏輯電路圖Fig4.2KS010Binternallogiccircuit2）GXM12864的引腳定義GXM12864共有20個(gè)引腳。其中DB0-DB7是8位雙向數(shù)據(jù)總線，它的方向由讀寫(xiě)控制腳R/W來(lái)決定，高電平為讀，此時(shí)數(shù)據(jù)出現(xiàn)在總線上，可以由CPU讀走；低電平為寫(xiě)，可以寫(xiě)入8位數(shù)據(jù)。E為使能信號(hào)腳，在E的下降沿?cái)?shù)據(jù)被鎖存在KS0108B，在E高電平期間數(shù)據(jù)被讀出。D/I是數(shù)據(jù)指令選擇腳，為高電平表示數(shù)據(jù)操作，低電平表示寫(xiě)指令或讀狀態(tài)。GXM12864引腳定義如表4.1所示：表4.1GXM12864引腳說(shuō)明Table4.1GXM12864pinsnote4-1-2GXM12864的接口設(shè)計(jì)在本設(shè)計(jì)中，GXM12864模塊的工作原理如圖4.3所示。圖4.3GXM12864模塊的工作原理Fig4.3GXM12864workingprinciple圖中電位器R10的作用是調(diào)節(jié)提供給驅(qū)動(dòng)器的供壓，從而調(diào)節(jié)液晶顯示的對(duì)比度。A，K引腳用于背光燈。RST是復(fù)位腳，接高電平VCC。數(shù)據(jù)線DB0-DB7和單片機(jī)的P0端口相連接，控制線D/I，R/W和片選線/CSA，/CSB分別與單片機(jī)P2端口的6，5，2，4腳相連。GXM12864最大的特點(diǎn)是驅(qū)動(dòng)芯片和LCD顯示屏的接口電路已經(jīng)做好在模塊內(nèi)部，設(shè)計(jì)時(shí)候只考慮驅(qū)動(dòng)芯片與單片機(jī)的接口和編寫(xiě)具體的驅(qū)動(dòng)程序。4-1-3軟件設(shè)計(jì)這里軟件設(shè)計(jì)的重點(diǎn)在于對(duì)液晶模塊的驅(qū)動(dòng)。本設(shè)計(jì)中的行驅(qū)動(dòng)芯片KS0107B不與單片機(jī)發(fā)生聯(lián)系，因此在設(shè)計(jì)中只用考慮KS0108B的工作方式和指令控制。KS0108B驅(qū)動(dòng)器具有以下特點(diǎn)：內(nèi)部有64*64=4096位顯示RAM，RAM中每位數(shù)據(jù)對(duì)應(yīng)LCD屏上的一個(gè)點(diǎn)的亮暗狀態(tài)；KS0108B列驅(qū)動(dòng)器，具有64路列驅(qū)動(dòng)輸出；KS01018B的占空比為1/32-1/64；KS0108B內(nèi)部有輸入輸出寄存器，它們相當(dāng)于是微控制器和內(nèi)部的顯示RAM之間的緩沖器。KS0108B內(nèi)部狀態(tài)由顯示控制指令控制，總共有7種指令，現(xiàn)分別介紹如下：1）顯示開(kāi)/關(guān)指令表4.2顯示開(kāi)/關(guān)指令Table4.2Displayon/offinstructions當(dāng)DB0=1時(shí)，LCD顯示RAM中的內(nèi)容；DB0=0時(shí)，關(guān)閉顯示。2）顯示起始行(ROW)設(shè)置指令表4.3顯示起始行設(shè)置指令Table4.3Displaystartlinesettingupinstructions該指令設(shè)置了對(duì)應(yīng)液晶屏最上一行的顯示RAM行號(hào)，有規(guī)律地改變顯示起始行，可以使LCD實(shí)現(xiàn)顯示滾屏的效果。3）頁(yè)(PAGE)設(shè)置指令表4.4頁(yè)設(shè)置指令Table4.4Pagesettingupinstructions顯示RAM共64行,分8頁(yè),每頁(yè)8行。4）列地址(YAddress)設(shè)置指令表4.5列地址設(shè)置指令Table4.5Columnsaddresssettingupinstructions設(shè)置了頁(yè)地址和列地址就唯一確定了顯示RAM中的一個(gè)單元，這樣MPU就可以用讀、寫(xiě)指令讀出該單元中的內(nèi)容或向該單元寫(xiě)進(jìn)一個(gè)字節(jié)數(shù)據(jù)。5）讀狀態(tài)指令表4.6讀狀態(tài)指令Table4.6Readingstateinstructions該指令用來(lái)查詢(xún)KS0108B的狀態(tài),各參量含義如下：BUSY＝1表示內(nèi)部在工作，BUSY＝1表示正常狀態(tài)；ON/OFF＝1表示顯示關(guān)閉，ON/OFF＝0表示顯示打開(kāi)；REST＝1表示復(fù)位狀態(tài)，REST＝0表示正常狀態(tài)；在BUSY和REST狀態(tài)時(shí)，除讀狀態(tài)指令外，其它指令均不對(duì)KS0108B產(chǎn)生作用；在對(duì)HD61202操作之前要查詢(xún)BUSY狀態(tài)，以確定是否可以對(duì)KS0108B進(jìn)行操作。5）寫(xiě)數(shù)據(jù)指令表4.7寫(xiě)數(shù)據(jù)指令Table4.7Datawrittinginstructions6）讀數(shù)據(jù)指令表4.8讀數(shù)據(jù)指令Table4.8Datareadinginstructions讀、寫(xiě)數(shù)據(jù)指令每執(zhí)行完一次讀、寫(xiě)操作,列地址就會(huì)自動(dòng)增1?！?-2看門(mén)狗功能設(shè)計(jì)4-2-1看門(mén)狗功能單片機(jī)系統(tǒng)通常工作在一些特定環(huán)境中，不可避免會(huì)受到外界的干擾，這些干擾輕則導(dǎo)致系統(tǒng)內(nèi)部數(shù)據(jù)出錯(cuò),重則將嚴(yán)重影響程序的運(yùn)行。為了保護(hù)數(shù)據(jù)，抑制干擾，在智能電源管理控制系統(tǒng)的開(kāi)發(fā)過(guò)程中需要進(jìn)行可靠性設(shè)計(jì)。一般說(shuō)來(lái)系統(tǒng)的可靠性應(yīng)從軟件、硬件以及結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)等方面全面考慮。如器件選擇、電路板的布線、看門(mén)狗、軟件冗余等。只有通過(guò)軟、硬件的聯(lián)合設(shè)計(jì)才能保證系統(tǒng)總體的可靠性指標(biāo)，以滿足系統(tǒng)在現(xiàn)場(chǎng)苛刻條件下的正常運(yùn)行。對(duì)于來(lái)自電網(wǎng)電壓的欠壓、過(guò)壓、掉電和瞬變現(xiàn)象，通常采用低通電源濾波器、隔離變壓器、光電隔離及使用UPS不間斷電源，或者給單片機(jī)系統(tǒng)配備專(zhuān)用電源。但這些措施仍然不能解決上述電源異常問(wèn)題，而且線路復(fù)雜、成本高。所以，單片機(jī)監(jiān)控電路應(yīng)運(yùn)而生。利用監(jiān)控芯片和少量外圍元件能方便地組成各種有效的復(fù)位電路，并能對(duì)電源異常情況進(jìn)行各種監(jiān)控。這種芯片具有監(jiān)視功能多、可靠性高、外圍元件少、監(jiān)控電路簡(jiǎn)單和體積小等優(yōu)點(diǎn)。因此它被廣泛應(yīng)用在計(jì)算機(jī)、微控制器應(yīng)用系統(tǒng)、便攜式智能儀器、自動(dòng)控制等領(lǐng)域?？撮T(mén)狗功能是指在系統(tǒng)設(shè)計(jì)中通過(guò)軟件或硬件的方式在一定的周期內(nèi)監(jiān)控單片機(jī)微處理器的運(yùn)行情況，如果在規(guī)定的時(shí)間內(nèi)沒(méi)有收到來(lái)自單片機(jī)微處理器的觸發(fā)信號(hào)，則系統(tǒng)會(huì)強(qiáng)制復(fù)位。4-2-2MAX6304簡(jiǎn)介Maxim公司生產(chǎn)的MAX6304是一款專(zhuān)用、高性能、低功耗的微處理器監(jiān)控芯片。它有如下特點(diǎn)：1)同時(shí)具有復(fù)位和看門(mén)狗功能。2)復(fù)位門(mén)限電壓在1.22V以上可調(diào)節(jié)。3)復(fù)位超時(shí)時(shí)間可調(diào)。4)看門(mén)狗超時(shí)時(shí)間可調(diào)，通過(guò)看門(mén)狗選擇腳還可以設(shè)置500倍超時(shí)時(shí)間。5)4μA供電電流。6)輸出結(jié)構(gòu)為：推/拉方式輸出、高電平復(fù)位。MAX6304有DIP、μMAX和SO三種封裝形式，其引腳分布如圖4.4所示。圖4.4MAX6304引腳分布圖Fig4.4MAX6304pinsmaps4-2-3硬件電路設(shè)計(jì)參考Maxim公司提供的MAX6304芯片資料，設(shè)計(jì)出如圖4.5所示的單片機(jī)監(jiān)控電路原理圖。圖4.5系統(tǒng)原理圖Fig4.5Systemschematic單片機(jī)AT89C2051監(jiān)控復(fù)位電路由MAX6304實(shí)現(xiàn)。單片機(jī)P1口的P1.0和P1.1用于LED指示燈的顯示，用紅、綠LED構(gòu)成，完成簡(jiǎn)單測(cè)試。P1.2口和MAX6304的看門(mén)狗監(jiān)測(cè)器輸入腳WDI相連，單片機(jī)程序控制它在一定時(shí)間周期內(nèi)(小于看門(mén)狗的超時(shí)時(shí)間)發(fā)生電平變化。如果在看門(mén)狗的超時(shí)時(shí)間內(nèi)MAX6304沒(méi)有檢測(cè)到這個(gè)變化，則認(rèn)為“程序跑飛”或者“死機(jī)”。這樣MAX6304的RESET輸出腳產(chǎn)生復(fù)位信號(hào)，對(duì)單片機(jī)復(fù)位。MAX6304的RESET輸出腳和89C2051的RESET輸入腳相連。MAX6304是否正常工作取決于它的外圍電路設(shè)計(jì)。監(jiān)控芯片MAX6304外圍電路的設(shè)計(jì)可以參考Maxim公司提供的芯片資料進(jìn)行。監(jiān)控芯片MAX6304外圍電路的設(shè)計(jì)主要是對(duì)圖5.2中R1、R2、C1、C2的取值計(jì)算。復(fù)位門(mén)限電壓滿足如下公式：(4.1)分別選擇為3.9kΩ，為10kΩ，由(4.1)式可得:(4.2)系統(tǒng)供電電源為+5V，所以復(fù)位電壓設(shè)置在4.35V是滿足要求的。MAX6304的RST腳用于設(shè)置復(fù)位超時(shí)時(shí)間，這個(gè)時(shí)間可以通過(guò)外部電容C1來(lái)調(diào)節(jié)。復(fù)位超時(shí)時(shí)間按下式計(jì)算:(4.3)式中，C1的單位為pf，的單位為。取C1=10pf，可得：(4.4)MAX6304的SWT腳用于設(shè)置看門(mén)狗超時(shí)時(shí)間，這個(gè)時(shí)間可以通過(guò)外部電容C2來(lái)調(diào)節(jié)?；究撮T(mén)狗超時(shí)時(shí)間按下式計(jì)算：(4.5)式中，C2的單位為pf，的單位為。取C2=100pf，可得：(4.6)WDS腳是MAX6304的看門(mén)狗選擇輸入腳，這個(gè)輸入腳可以選擇看門(mén)狗的模式，接低電平為正常模式，接高電平是擴(kuò)展模式。在擴(kuò)展模式下，看門(mén)狗超時(shí)時(shí)間為基本超時(shí)時(shí)間的500倍。在本系統(tǒng)中，WDS接高電平，故看門(mén)狗超時(shí)時(shí)間為：(4.7)因此，只需在單片機(jī)程序中每隔小于133.5ms的時(shí)間間隔讓P1.2產(chǎn)生電平跳變(即對(duì)MAX6304的WDI輸入腳提供“喂狗”信號(hào))，就可以實(shí)現(xiàn)看門(mén)狗功能。如果“程序跑飛”或者“死機(jī)”，程序就不會(huì)運(yùn)行到“喂狗”語(yǔ)句，超過(guò)看門(mén)狗超時(shí)時(shí)間，MAX6304的RESET就會(huì)產(chǎn)生有效的復(fù)位輸出，從而對(duì)單片機(jī)復(fù)位。4-2-4軟件設(shè)計(jì)對(duì)單片機(jī)的監(jiān)控只需要硬件電路就可以實(shí)現(xiàn)，而看門(mén)狗功能則需要軟件程序的配合，即在程序中放置“喂狗”語(yǔ)句?！拔构贰闭Z(yǔ)句的放置主要需要考慮間隔時(shí)間的問(wèn)題，必須在看門(mén)狗超時(shí)時(shí)間內(nèi)及時(shí)讓W(xué)DI產(chǎn)生電平變化。程序流程圖如圖4.6所示：主要程序如下：SbitLED_G=P1^0;SbitLED_R=P1^1;SbitWDI=P1^2;EA=0;tmp=0;WDI=0;While(1){LED_G=1;LED_R=1;/*延時(shí)*/for(i=0;i<250;i++){for(j=0;j<125;j++){tmp++;tmp--;}/*喂狗語(yǔ)句*/WDI=1;WDI=0;}LED_G=0;LED_R=0;}圖4.6程序流程圖Fig4.6Programflowchart第五章智能電器仿真調(diào)試一個(gè)單片機(jī)應(yīng)用系統(tǒng)經(jīng)過(guò)預(yù)研、總體設(shè)計(jì)、硬件設(shè)計(jì)、軟件設(shè)計(jì)、制板、元器件安裝后，在系統(tǒng)的程序存儲(chǔ)器中放入編制好的應(yīng)用程序，系統(tǒng)即可運(yùn)行。但一次性成功幾乎是不可能的，多少會(huì)出現(xiàn)一些硬件、軟件上的錯(cuò)誤，這就需要通過(guò)調(diào)試來(lái)發(fā)現(xiàn)錯(cuò)誤并加以改正。由于單片機(jī)在執(zhí)行程序時(shí)人工是無(wú)法控制的，為了能調(diào)試程序，檢查硬件、軟件運(yùn)行狀態(tài)，就必須借助某種開(kāi)發(fā)工具模擬用戶實(shí)際的單片機(jī)，并且能隨時(shí)觀察運(yùn)行的中間過(guò)程而不改變運(yùn)行中的數(shù)據(jù)性能和結(jié)果，從而進(jìn)行模仿現(xiàn)場(chǎng)的真實(shí)測(cè)試。完成這一仿真工作的就是單片機(jī)仿真器。本論文采用萬(wàn)利電子有限公司的Insight仿真器ME-52HU。§5-1設(shè)置仿真器MedWin集成開(kāi)發(fā)環(huán)境對(duì)仿真器的硬件控制是通過(guò)執(zhí)行菜單命令[設(shè)置|仿真器設(shè)置]實(shí)現(xiàn)的。仿真器設(shè)置功能是通過(guò)對(duì)仿真器CPU選擇，仿真器時(shí)鐘選擇，仿真器控制選項(xiàng)，程序存儲(chǔ)器映像和數(shù)據(jù)存儲(chǔ)器映像進(jìn)行的。在設(shè)置這些功能時(shí)，應(yīng)將仿真器的各項(xiàng)設(shè)置與目標(biāo)系統(tǒng)的要求一致或盡量接近。1)仿真CPU選擇MedWin是基于Insight系列仿真器硬件的集成開(kāi)發(fā)環(huán)境，集成環(huán)境所有窗口顯示的數(shù)據(jù)都是被仿真對(duì)象真實(shí)數(shù)據(jù)的體現(xiàn)，是完全真實(shí)的。在實(shí)際仿真時(shí)，應(yīng)合理選擇仿真CPU，使其與目標(biāo)CPU型號(hào)、功能最為接近。這里選擇ME-52HU。2)仿真器時(shí)鐘選擇ME-52HU仿真器提供12MHz，24MHz，11.0592MHz和22.1184MHz四種仿真器內(nèi)置時(shí)鐘源，以及仿真頭組件時(shí)鐘或目標(biāo)系統(tǒng)上的有源時(shí)鐘五個(gè)選項(xiàng)供選擇。這里選擇11.0592MHZ。當(dāng)選擇仿真器內(nèi)部時(shí)鐘提供仿真CPU時(shí)，時(shí)鐘信號(hào)還通過(guò)仿真頭送到目標(biāo)系統(tǒng)的時(shí)鐘引腳(XTAL1和XTAL2)上，此時(shí)需將仿真頭上的跳線開(kāi)路(拔出)，以免仿真頭組件上的振蕩器時(shí)鐘與仿真器內(nèi)部時(shí)鐘產(chǎn)生信號(hào)疊加。當(dāng)選擇仿真頭組件或目標(biāo)系統(tǒng)時(shí)鐘時(shí)，需在仿真頭組件時(shí)鐘或目標(biāo)系統(tǒng)時(shí)鐘中取其一者：1、短路仿真頭組件上的跳線，并在組件上振蕩器小板的插孔內(nèi)插入合適的晶體振蕩器，此時(shí)仿真頭組件時(shí)鐘提供給仿真CPU同時(shí)也提供給目標(biāo)系統(tǒng)。2、將仿真頭上的跳線開(kāi)路，仿真器的時(shí)鐘來(lái)源與目標(biāo)系統(tǒng)的振蕩器，此時(shí)目標(biāo)系統(tǒng)應(yīng)是有源時(shí)鐘?！?-2編譯工具設(shè)置MedWin集成開(kāi)發(fā)環(huán)境系統(tǒng)默認(rèn)使用萬(wàn)利電子有限公司的匯編器A51.EXE和連接器L51.EXE，支持匯編語(yǔ)言編寫(xiě)的程序開(kāi)發(fā)，如果使用其它外部編譯工具，需要對(duì)外部編譯工具的路徑和程序進(jìn)行設(shè)置。如圖5.1這是MedWinV3環(huán)境的初始默認(rèn)選項(xiàng)，用戶只使用匯編作為編程語(yǔ)言時(shí)，選擇此選項(xiàng)。本文使用指定路徑下的編譯工具KEILC51。圖5.1編譯工具選擇Fig5.1CompilertoolschoosingKeil是目前最流行的51單片機(jī)開(kāi)發(fā)軟件[37]，各仿真機(jī)廠商都宣稱(chēng)全面支持Keil的使用，對(duì)于使用C語(yǔ)言進(jìn)行單片機(jī)開(kāi)發(fā)的用戶，Keil已經(jīng)成為必備的開(kāi)發(fā)工具。KeilC51源程序結(jié)構(gòu)和一般C語(yǔ)言沒(méi)有什么差別。其編程要點(diǎn)如下：1)語(yǔ)言是由函數(shù)構(gòu)成的。一個(gè)C51源程序至少包含一個(gè)main()函數(shù)，也可以包含一個(gè)main()函數(shù)和若干其它函數(shù)。因此，函數(shù)是C51源程序的基本單位。被調(diào)用的函數(shù)可以是編譯器提供的庫(kù)函數(shù)，也可以是用戶根據(jù)需要自己編制設(shè)計(jì)的函數(shù)。2)一個(gè)C51源程序總是從main()函數(shù)開(kāi)始執(zhí)行的，而不管main()函數(shù)在整個(gè)程序中的位置如何。3)C51源程序書(shū)寫(xiě)格式自由，一行內(nèi)可以寫(xiě)幾個(gè)語(yǔ)句，一個(gè)語(yǔ)句可以分寫(xiě)在多行上，C51源程序無(wú)行號(hào)。4)每個(gè)語(yǔ)句和數(shù)據(jù)定義的最后必須有一個(gè)分號(hào)，分號(hào)是C51源程序語(yǔ)句的必要組成部分，它不可缺少，即使是程序中最后一個(gè)語(yǔ)句也應(yīng)該包含分號(hào)。5)C語(yǔ)言本身沒(méi)有輸入/輸出語(yǔ)句。輸入和輸出的操作是由庫(kù)函數(shù)scanf()和printf()等函數(shù)完成的。C51源程序?qū)斎?輸出實(shí)行“函數(shù)化”。6)可以用/*…*/對(duì)C51源程序中的任何部分作注釋。一個(gè)有使用價(jià)值的程序都應(yīng)該加上必要的注釋?zhuān)栽黾映绦虻目勺x性。§5-3連接和測(cè)試1)連接通訊電纜到計(jì)算機(jī)的LPT口，將25芯并行通訊電纜和電源插頭插入仿真器的LPT插座和電源插座，根據(jù)仿真頻率和目標(biāo)系統(tǒng)的具體情況，選擇200毫米或100毫米的扁平電纜分別與仿真器和仿真頭組件連接，將仿真頭組件插入目標(biāo)系統(tǒng)CPU插座，并將地線夾與目標(biāo)系統(tǒng)地線相連，如圖5.2：圖5.2連接仿真器與目標(biāo)系統(tǒng)Fig5.2Connectingsimulatorwiththetargetsystem2)將MS-100電源適配器插入市電插座，并接通220V交流電源此時(shí)仿真器上的電源指示LED(Power)和監(jiān)控狀態(tài)LED(Moni)亮，運(yùn)行狀態(tài)LED(Run)閃爍后滅，說(shuō)明仿真器硬件已經(jīng)正常工作。3)運(yùn)行MedWinV3軟件，執(zhí)行[選項(xiàng)|設(shè)備驅(qū)動(dòng)管理器]命令，對(duì)話框中點(diǎn)所選驅(qū)動(dòng)，如圖5.3圖5.3選擇設(shè)備驅(qū)動(dòng)Fig5.3Selectingdevicedriver4)執(zhí)行[選項(xiàng)|通訊設(shè)置]命令，選擇合適的通訊端口并確定，如圖5.4圖5.4通訊端口選擇Fig5.4Selectingcommunicationsport5)MedWinV3的狀態(tài)行出現(xiàn)通訊端口:仿真器信息和時(shí)鐘信息。正常時(shí)，狀態(tài)欄內(nèi)的通訊端口指示燈為黃色(與仿真器上的MoniLED對(duì)應(yīng))，時(shí)鐘指示燈為綠色，表示仿真器時(shí)鐘正常，如圖5.5：圖5.5仿真器狀態(tài)欄Fig5.5SimulatorstateColumn§5-4設(shè)計(jì)中問(wèn)題調(diào)試在完成智能電源管理系統(tǒng)的硬件和軟件設(shè)計(jì)以后，由于單片機(jī)的監(jiān)控電路部分起著十分重要的作用，它直接關(guān)系到整個(gè)系統(tǒng)的正常運(yùn)行，所以很有必要檢測(cè)這一部分設(shè)計(jì)是否正常工作[39]。以下方法用來(lái)檢測(cè)看門(mén)狗設(shè)計(jì)部分工作是否正常：1)單片機(jī)控制的智能電器正常工作時(shí)，時(shí)鐘引腳XTAL1和XTAL2的對(duì)地電壓分別約為2.0V和2.5V，用萬(wàn)用表測(cè)試這兩個(gè)電壓值分別為1.96V和2.48V，說(shuō)明智能電器工作正常。2)在單片機(jī)控制的智能系統(tǒng)上電工作不正常時(shí)，有可能是復(fù)位電路存在問(wèn)題。用短路線將RESET引腳和+5V短接一下，模擬上電復(fù)位，如果智能系統(tǒng)能夠正常工作了，說(shuō)明復(fù)位電路存在問(wèn)題。本系統(tǒng)上電工作正常，所以此步測(cè)試跳過(guò)。3)用SS-570220MHZ示波器觀察和WDI相連的單片機(jī)I/O口的信號(hào)波形，觀察發(fā)現(xiàn)端口電平以設(shè)置的時(shí)間為周期跳變，表明看門(mén)狗程序工作正?！?-5實(shí)驗(yàn)測(cè)試結(jié)果對(duì)智能電源管理控制器設(shè)計(jì)完成后，下面將進(jìn)行實(shí)驗(yàn)測(cè)試，并對(duì)實(shí)驗(yàn)結(jié)果進(jìn)行分析，以檢測(cè)智能電源管理控制器能否完成設(shè)計(jì)功能。實(shí)驗(yàn)中所用設(shè)備如下:1)數(shù)字萬(wàn)用表DT9205A2)Chroma63112型電子負(fù)載(240A/80V/1200W)3)SS-570220MHZ示波器4)電吹風(fēng)5)YOKOGAWA530型數(shù)字點(diǎn)溫計(jì)實(shí)驗(yàn)過(guò)程如下:1)充放電實(shí)驗(yàn)這里使用SS-570220MHZ示波器提供直流電源對(duì)智能電器供電，供電電壓調(diào)整為5V。在電池和電流檢測(cè)電阻的兩端分別使用萬(wàn)用表測(cè)量實(shí)時(shí)電壓，并記錄。將Chroma63112型電子負(fù)載調(diào)節(jié)為恒流模式，采用375mA的放電率對(duì)電池進(jìn)行放電，同時(shí)使用萬(wàn)用表測(cè)量電池端電壓，并記錄。2)自動(dòng)重復(fù)充電實(shí)驗(yàn)電池充電完畢后，保持充電電源的接入狀態(tài)不變，使用電子負(fù)載對(duì)直接電池電芯(越過(guò)充放電控制MOSFET)進(jìn)行小電流放電，觀察電池端壓，記錄自動(dòng)重復(fù)充電時(shí)的電壓值。3)過(guò)流、過(guò)壓過(guò)溫保護(hù)實(shí)驗(yàn)調(diào)節(jié)直流電源為恒流輸出，越過(guò)調(diào)整管直接將直流電源輸出接至電池兩端(保護(hù)線路仍為接入狀態(tài))，改變恒流輸出值，觀察過(guò)流保護(hù)動(dòng)作，并記錄動(dòng)作時(shí)的恒流值。保持直流電源恒流輸出模式不變，將恒流值變?yōu)镃/4，即375mA左右，越過(guò)調(diào)整管直接對(duì)電池進(jìn)行充電，同時(shí)使用萬(wàn)用表對(duì)電池端壓進(jìn)行實(shí)時(shí)測(cè)量，并記錄下過(guò)壓保護(hù)時(shí)的電壓值。在電池充電或者放電過(guò)程中，使用電吹風(fēng)對(duì)電池進(jìn)行加熱，直到溫度保護(hù)線路動(dòng)作，用點(diǎn)溫計(jì)記錄此時(shí)的電池溫度。本實(shí)驗(yàn)結(jié)果如下:對(duì)充滿的電池采用375mA(1/4C)的放電電流進(jìn)行放電實(shí)驗(yàn)的實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)曲線如圖6.1所示。}圖6.1電池的放電曲線圖Fig6.1Thecurveofthebatterydischarge由上面曲線可以看出，電池從滿充電壓開(kāi)始下降，一直到放電終止電壓2.5V左右為止，此時(shí)保護(hù)線路動(dòng)作，切斷了電池的放電回路。圖6.2是電池的充電曲線電流部分，圖6.3是電池的充電曲線電壓部分。根據(jù)曲線可以看出充電器先恒流后恒壓的充電過(guò)程。如果電池的電壓低于預(yù)充電閥值電壓，充電器還將對(duì)電池進(jìn)行預(yù)充電過(guò)程。圖6.2電池的充電曲線IFig6.2ThecurveofthebatterychargeI6.3電池的充電曲線IIFig6.2ThecurveofthebatterychargeII智能充電器使用的鋰離子電池?cái)?shù)據(jù)和充放電參數(shù)及實(shí)驗(yàn)測(cè)得的實(shí)際值如表6.1所示。由表中的數(shù)據(jù)，可以看出智能電器能夠?qū)崿F(xiàn)設(shè)計(jì)的全部功能。智能電器能夠提供0.081～O.084A的預(yù)充電流或者終止充電電流，恒流充電時(shí)的電流值在0.55