基于單片機(jī)的智能充電器

基于單片機(jī)的鋰電池充電器設(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。本課題設(shè)計(jì)是一種基于單片機(jī)的鋰離子電池充電器，在設(shè)計(jì)上，選擇了簡(jiǎn)潔、高效的硬件，設(shè)計(jì)穩(wěn)定可靠的軟件，詳細(xì)說(shuō)明了系統(tǒng)的硬件組成，包括單片機(jī)電路、充電控制電路、電壓轉(zhuǎn)換及光耦隔離電路，并對(duì)本充電器的核心器件—MAX1898充電芯片、AT89C2051單片機(jī)進(jìn)行了較詳細(xì)的介紹。闡述了系統(tǒng)的軟硬件設(shè)計(jì)。以C語(yǔ)言為開(kāi)發(fā)工具，進(jìn)行了詳細(xì)設(shè)計(jì)和編碼。實(shí)現(xiàn)了系統(tǒng)的可靠性、穩(wěn)定性、安全性和經(jīng)濟(jì)性。該智能充電器具有檢測(cè)鋰離子電池的狀態(tài)；自動(dòng)切換充電模式以滿足充電電池的充電需要；充電器短路保護(hù)功能；充電狀態(tài)顯示的功能。在生活中更好的維護(hù)了充電電池，延長(zhǎng)了它的使用壽命。關(guān)鍵詞：充電器；單片機(jī)；鋰電池；MAX1898LithiumBatteryChargerDesignBasedOnSingleChipAbstractElectronictechnology'sfastdevelopmentcausesvariouselectronicproductsdevelopstowardportableandthesmalllightweightdirection,Italsocausesthemoreelectrificationproductstousebasedonbattery'spowersupplysystem.Atpresent,themanyuse'sbatterieshavethenickelcadmium,thenickelhydrogen,theleadaccumulatorandthelithiumbattery.Theirrespectivecharacteristichaddecidedtheywillcoexistinalongtimedevelop.Becausethedifferenttypebattery'schargecharacteristicisdifferent,usuallytodifferenttype,evendifferentvoltage,capacityrankbatteryusedifferentbatterycharger,butthishasmanyinconveniencesintheactualuse.ThistopicdesignisonekindlithiumionbatterychargerwhichisbasedonSingleChip,inthedesign,ithaschosensuccinctly,thehighlyeffectivehardware,thedesignstablereliablesoftware,explainedindetailsystem'shardwarecomposition,includingthemonolithicintegratedcircuitelectriccircuit,thechargecontrolelectriccircuit,thevoltagetransformationandthelightpairisolatingcircuit,andtothisbatterycharger'scorecomponent-MAX1898chargechip,at89C2051monolithicintegratedcircuithascarriedonthedetailedintroduction.Elaboratedsystem'ssoftwareandhardwaredesign.TaketheClanguageasthedevelopmentkit,hascarriedonthedetaileddesignandthecode.Hasrealizedsystem'sreliability,thestability,thesecurityandtheefficiency.Theintelligencebatterychargerhastheexaminationlithiumionbattery'scondition;Theautomaticcutoverchargepatternmeetswhenrechargeablebattery'schargeneeds;Batterychargerhasshortcircuitprotectionfunction;Thechargeconditiondemonstration'sfunction.Thebatterychargerhasmadethebettermaintenancerechargeablebatteryinthelife，andlengthenedtherechargeablebattery’sservicelife.Keywords：Charger;SCM;Lithiumbattery;MAX1898目錄引言 1第1章緒論 21.1課題研究的背景 21.2課題研究的主要工作 3第2章電池的充電方法與充電控制技術(shù) 52.1電池的充電方法和充電器 52.1.1電池的充電方法 52.1.2充電器的要求和結(jié)構(gòu) 92.1.3單片機(jī)控制的充電器的優(yōu)點(diǎn) 102.2充電控制技術(shù) 102.2.1快速充電器介紹 102.2.2快速充電終止控制方法 11第3章鋰電池充電器硬件設(shè)計(jì) 143.1單片機(jī)電路 143.2電壓轉(zhuǎn)換及光耦隔離電路 173.3電源電路 183.4充電控制電路 203.4.1MAX1898充電芯片 203.4.2充電控制電路的實(shí)現(xiàn) 24第4章鋰電池充電器軟件設(shè)計(jì) 264.1程序功能 264.2主要變量說(shuō)明 264.3程序流程圖 26結(jié)論與展望 29致謝 30參考文獻(xiàn) 31附錄A電路原理圖 32附錄B外文文獻(xiàn)及其譯文 33附錄C主要參考文獻(xiàn)的題錄及摘要 40附錄D主要源程序 42插圖清單圖2-1恒流電源充電電路 5圖2-2準(zhǔn)恒流充電電路 5圖2-3恒壓充電電路 6圖2-4浮充方式充電電路 6圖2-5涓流方式的簡(jiǎn)單示意圖 6圖2-6分階段充電的簡(jiǎn)單示意圖 7圖2-7－△V控制系統(tǒng)框圖 7圖2-8充電電池、電池電壓和充電時(shí)間的關(guān)系 8圖2-9電池溫度檢測(cè)簡(jiǎn)圖 8圖2-10電池溫度和充電時(shí)間的關(guān)系 9圖2-11充電器結(jié)構(gòu)框圖 10圖2-12鋰電池的充電特性 11圖2-13快速充電器原理框圖 12圖3-16N137光耦合器 18圖3-2lm7805樣品 18圖3-3LM7805內(nèi)部結(jié)構(gòu)框圖 19圖3-4LM7805功能框圖 20圖3-5MAX1898的引腳 21圖3-6MAX1898的典型充電電路 22圖3-7基于MAX1989的智能充電器的原理圖 23圖3-8鋰離子電池充電電路 25圖4-1(a)等待外部信號(hào)輸入 27圖4-1(b)外部中斷程序 27圖4-1(c)定時(shí)器程序 28圖4-1智能充電器的程序流程圖 28項(xiàng)沖：基于單片機(jī)的鋰電池充電器設(shè)計(jì)安徽工程大學(xué)畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文）4847---表格清單表1-1鉛酸、鎳鎘、鎳氫和鋰離子電池的性能比較 2表4-1P3口 15表4-2LED指示燈狀態(tài)說(shuō)明 22表5-1變量及說(shuō)明 26引言社會(huì)信息化進(jìn)程的加快對(duì)電力、信息系統(tǒng)的安全穩(wěn)定運(yùn)行提出了更高的要求。在人們的生產(chǎn)、生活中，各種電氣、電子設(shè)備的應(yīng)用也越來(lái)越廣泛，與人們的工作、生活的關(guān)系日益密切，越來(lái)越多的工業(yè)生產(chǎn)、控制、信息等重要數(shù)據(jù)都要由電子信息系統(tǒng)來(lái)處理和存儲(chǔ)。而各種用電設(shè)備都離不開(kāi)可靠的電源，如果在工作中間電源中斷，人們的生產(chǎn)和生活都將受到不可估量的經(jīng)濟(jì)損失。對(duì)于由交流供電的用電設(shè)備，為了避免出現(xiàn)上述不利情況，必須設(shè)計(jì)一種電源系統(tǒng)，它能不間斷地為人們的生產(chǎn)和生活提供以安全和操作為目的可靠的備用電源。為此，以安全和操作為目的的備用電源設(shè)備上都使用充電電池。這樣，即使電力網(wǎng)停電，也可利用由充電電池構(gòu)成的安全和操作備用電源，從容地采用其他應(yīng)急手段，避免重大損失的發(fā)生。而對(duì)于采用充電電池供電的用電設(shè)備，從生產(chǎn)、信息、供電安全角度來(lái)說(shuō)，充電電池在系統(tǒng)中處于及其重要的地位。同時(shí)，具體到生活方面，隨著社會(huì)的快速發(fā)展，電子產(chǎn)品小型化、便攜化也使得充電電池越來(lái)越重要，鋰離子電池有較高的比能量，放電曲線平穩(wěn)，自放電率低，循環(huán)壽命長(zhǎng)，具有良好的充放電性能，可隨充隨放、快充深放，無(wú)記憶效應(yīng)，不含鎘、鉛、汞等有害物質(zhì)，對(duì)環(huán)境無(wú)污染，被稱為綠色電池?；谶@些特性，所以鋰電池得到了迅速的發(fā)展和廣泛的應(yīng)用。鋰電池充電器是為鋰離子充電電池補(bǔ)充能源的靜止變流裝置，其性能的優(yōu)劣直接關(guān)系到整個(gè)用電系統(tǒng)的安全性和可靠性指標(biāo)。本論文從鋰電池技術(shù)特性、充電技術(shù)、充電器電路結(jié)構(gòu)、充電器典型電路和電池保護(hù)等方面，多角度地闡述了充電技術(shù)發(fā)展和應(yīng)用。項(xiàng)沖：基于單片機(jī)的鋰電池充電器設(shè)計(jì)第1章緒論1.1課題研究的背景電池是一種化學(xué)電源，是通過(guò)能量轉(zhuǎn)換而獲得電能的器件。二次電池是可多次反復(fù)使用的電池，它又稱為可充電池或蓄電池。當(dāng)對(duì)二次電池充電時(shí)，電能轉(zhuǎn)變?yōu)榛瘜W(xué)能，實(shí)現(xiàn)向負(fù)荷供電，伴隨吸熱過(guò)程。對(duì)于二次電池，其性能參數(shù)很多，主要有以下4個(gè)指標(biāo)：①工作電壓：電池放電曲線上的平臺(tái)電壓。②電池容量：常用單位為安時(shí)(Ah)和毫安時(shí)(mAh)。③工作溫區(qū)：電池正常放電的溫度范圍。④電池正常工作的充、放電次數(shù)。二次電池的性能可由電池特性曲線表示，這些特性曲線包括充電曲線、放電曲線、充放電循環(huán)曲線、溫度曲線等。二次電池的安全性可用特性的安全檢測(cè)方式進(jìn)行評(píng)估。二次電池能夠反復(fù)使用，符合經(jīng)濟(jì)使用原則。對(duì)于市場(chǎng)上二次電池的種類，大致分為：鉛酸(LA)電池、鎳鎘(NiCd)電池、鎳氫(NiMH)電池和鋰離子(Li–ion)電池。1.二次電池的性能比較鉛酸、鎳鎘、鎳氫和鋰離子電池的性能比較見(jiàn)表1-1。表1-1鉛酸、鎳鎘、鎳氫和鋰離子電池的性能比較電池類型工作電壓(V)重量比能量(Wh/kg)體積比能量(Wh/L)循環(huán)次數(shù)記憶效應(yīng)自放電率(%/月)鉛酸電池2.0——400～600無(wú)3鎳鎘電池1.250150400～500有15～30鎳氫電池1.260～80240～300＞500無(wú)25～35鋰離子電池3.6120～140300＞1000無(wú)2～52.鎳氫電池、鎳鎘電池與鋰離子電池之間的差異(1)重量方面以每一個(gè)單元電池的電壓來(lái)看，鎳氫電池與鎳鎘電池都是1.2V，而鋰離子電池為3.6V，鋰離子電池的電壓是鎳氫、鎳鎘電池的3倍。并且，同型電池的重量鋰離子電池與鎘鎳電池幾乎相等，而鎳氫電池卻比較重。但鋰離子電池因端電壓為3.6V，在輸出同電池的情況下，單個(gè)電池組合時(shí)數(shù)目可減少2/3從而使成型后的電池組重量和體積都減小。(2)記憶效應(yīng)鎳氫電池與鎳鎘電池不同，它沒(méi)有記憶效應(yīng)。對(duì)于鎳鎘電池來(lái)說(shuō)，定期的放電管理是必需的。這種定期放電管理屬于模糊狀態(tài)下的被動(dòng)管理，甚至是在鎳鎘電池荷電量不確切的情況下進(jìn)行放電(每次放電或者使用幾次后進(jìn)行放電都因生產(chǎn)廠的不同有所差異)，這種煩瑣的放電管理在使用鎳鎘電池時(shí)是無(wú)法避免的。相對(duì)而言，鋰離子電池沒(méi)有記憶效應(yīng)，在使用時(shí)非常方便，完全不用考慮二次電池殘余電壓的多少，可直接進(jìn)行充電，充電時(shí)間自然可以縮短。記憶效應(yīng)一般認(rèn)為是長(zhǎng)期不正確的充電導(dǎo)致的，它可以使電池早衰，使電池?zé)o法進(jìn)行有效的充電，出現(xiàn)一充就滿、一放就完的現(xiàn)象。防止電池出現(xiàn)記憶效應(yīng)的方法是，嚴(yán)格遵循“充足放光”的原則，即在充電前最好將電池內(nèi)殘余的電量放光，充電時(shí)要一次充足。通常鎳鎘電池容易出現(xiàn)記憶效應(yīng)，所以充電時(shí)要特別注意；鎳氫電池理論上沒(méi)有記憶效應(yīng)，但使用中最好也遵循“充足放光”的原則，這也就是很多充電器提供放電附加功能的原因。對(duì)于由于記憶效應(yīng)而引起容量下降的電池，可以通過(guò)一次充足再一次性放光的方法反復(fù)數(shù)次，大部分電池都可以得到修復(fù)。(3)自放電率鎳鎘電池為15%～30%月，鎳氫電池為25%～35%月，鋰離子電池為2%～5%。鎳氫電池的自放電率最大，而鋰離子電池的自放電率最小。(4)充電方式鋰離子電池已易受到過(guò)充電、深放電以及短路的損害。單體鋰離子電池的充電電壓必須嚴(yán)格限制。充電速率(蓄電池的充電電流通常用充電速率C表示，C為蓄電池的額定容量，例如用2A的電流對(duì)1Ah電池充電，充電速率就是2C；同樣地，用2A電流對(duì)500mAh電池充電，充電速率就是4C)通常不超過(guò)1C，最低放電電壓為2.7～3.0V，如再繼續(xù)放電，則會(huì)損害電池。鋰離子電池以恒流轉(zhuǎn)恒壓方式進(jìn)行充電。采用1C充電速率充電至4.1V時(shí)，充電器應(yīng)立即轉(zhuǎn)入恒壓充電，充電電流逐漸減??；當(dāng)電池充足電后，進(jìn)入涓流充電過(guò)程。為避免過(guò)充電或過(guò)放電，鋰離子電池不僅在內(nèi)部設(shè)有安全機(jī)構(gòu)，充電器也必須采取安全保護(hù)措施，以監(jiān)測(cè)鋰離子電池的充放電狀態(tài)。3.課題研究的意義本課題研究的對(duì)象主要是鋰離子電池的充電原理和充電控制。鋰離子電池的充電設(shè)備需要解決的問(wèn)題有:(1)能進(jìn)行充電前處理，包括電池充電狀態(tài)鑒定、預(yù)處理。(2)解決充電時(shí)間長(zhǎng)、充電效率低的問(wèn)題。(3)改善充電控制不合理，而造成過(guò)充、欠充等問(wèn)題，提高電池的使用性能和使用壽命。(4)通過(guò)加強(qiáng)單片機(jī)的控制，簡(jiǎn)化外圍電路的復(fù)雜性，同時(shí)增加自動(dòng)化管理設(shè)置，減輕充電過(guò)程的勞動(dòng)強(qiáng)度和勞動(dòng)時(shí)間，從而使充電器具有更高的可靠性、更大的靈活性，且成本低。本課題研究的意義在于：(1)充分研究鋰離子電池的充放電特性，尋找有效的充電及電池管理途徑。(2)使充電設(shè)備具有完善的自診斷功能和適時(shí)處理功能。(3)實(shí)現(xiàn)充電器具備強(qiáng)大的功能擴(kuò)展性，以便為該充電器的后續(xù)功能升級(jí)提供平臺(tái)。1.2課題研究的主要工作本文主要研究鋰電池的充電方法，在此基礎(chǔ)上進(jìn)行系統(tǒng)設(shè)計(jì)和電路設(shè)計(jì)，并通過(guò)實(shí)驗(yàn)結(jié)果對(duì)充電控制方法測(cè)試驗(yàn)證。具體結(jié)構(gòu)如下:第一章緒論。首先介紹了課題研究的背景，再介紹了鋰電池的特點(diǎn)和在應(yīng)用中存在的主要問(wèn)題及課題研究的意義和主要工作，這是該論文的設(shè)計(jì)基礎(chǔ)。第二章電池的充電方法與充電控制技術(shù)。主要介紹了電池的充電方法和鋰電池的快速充電終止控制方法，確保在充電控制過(guò)程中不過(guò)充、不損壞電池。第三章鋰電池充電器電路設(shè)計(jì)。選擇控制芯片進(jìn)行介紹和比較。在此基礎(chǔ)之上，對(duì)該電路的充電控制芯片進(jìn)行選擇、介紹與分析。第四章通過(guò)C語(yǔ)言軟件編程設(shè)計(jì)出鋰電池快速充電器電路，來(lái)實(shí)現(xiàn)對(duì)鋰電池的自動(dòng)化控制充電。第2章電池的充電方法與充電控制技術(shù)2.1電池的充電方法和充電器2.1.1電池的充電方法1.恒流充電(1)恒流充電充電器的交流電源電壓通常會(huì)波動(dòng)，充電時(shí)需采用一個(gè)直流恒流電源(充電器)。當(dāng)采用恒流充電時(shí)，可使電池具有較高的充電效率，可方便地根據(jù)充電時(shí)間來(lái)決定充電是否終止，也可改變電池的數(shù)目。恒流電源充電電路如圖2-1所示。圖2-1恒流電源充電電路(2)準(zhǔn)恒流充電準(zhǔn)恒流充電電路如圖2-2所示。在此種電路中，通過(guò)直流電源和電池之間串聯(lián)上一個(gè)電位器，以增加電路內(nèi)阻來(lái)產(chǎn)生恒定電流。電阻值根據(jù)充電末期的電流進(jìn)行調(diào)整，使電流不會(huì)超過(guò)電池的允許值。由于結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、成本低廉，此種充電電路被廣泛應(yīng)用充電器中。圖2-2準(zhǔn)恒流充電電路2.恒壓充電恒壓充電電路如圖2-3所示。恒壓充電是指每只單體電池均以某一恒定電壓進(jìn)行充電。當(dāng)對(duì)電池進(jìn)行這一充電時(shí)，電池兩端的電壓決定了充電電流。這種充電方式的充電初期電流較大，末期電流較小。充電電流會(huì)隨著電壓的波動(dòng)而變化，因此充電電流的最大值應(yīng)設(shè)置在充電電壓最高時(shí)，以免時(shí)電池過(guò)充電。另外，這種充電方式的充電末期電壓在達(dá)到峰值后會(huì)下降。電池的充電電流將變大，會(huì)導(dǎo)致電池溫度升高。隨著電池溫度升高，電壓下降，將造成電池的熱失控，損害電池的性能。圖2-3恒壓充電電路3.浮充方式在浮充方式中，電池以很小的電流(C/30～C/20)進(jìn)行充電，以使電池保持在滿充狀態(tài)。浮充方式廣泛應(yīng)用于電池作為備用電源或應(yīng)急電源的電氣設(shè)備中。常規(guī)浮充方式充電電路如圖2-4所示。圖2-4浮充方式充電電路4.涓充方式電池與負(fù)載并聯(lián)，同時(shí)電池與電源(充電器)相連。正常情況下，直流電源作為負(fù)載的工作電源，并以涓充方式為電池充電，只有當(dāng)負(fù)載變得很大、直流電源端電壓低于電池端電壓或直流電源停止供電后，電池才對(duì)負(fù)載放電。在這種方式下，充電電流由使用模式?jīng)Q定。它通常使用在緊急電源、備用電源或電子表等不允許斷電的場(chǎng)合。下圖2-5為涓充方式的簡(jiǎn)單示意圖。圖2-5涓流方式的簡(jiǎn)單示意圖5.分階段充電方式在分階段充電方式中，在電池充電的初始階段充電電流較大。當(dāng)電池電壓達(dá)到控制點(diǎn)時(shí)，電池轉(zhuǎn)為以涓流方式充電。分階段充電方式是電池最理想的充電方式，但缺點(diǎn)是充電電路復(fù)雜和成本較高。另外，需增設(shè)控制點(diǎn)的電池電壓的監(jiān)測(cè)電路。分階段充電方式的簡(jiǎn)單示意圖如圖2-6所示。圖2-6分階段充電的簡(jiǎn)單示意圖6.快速充電在用大電流短時(shí)間對(duì)電流充電時(shí)，需用電池電壓檢測(cè)和控制電路。該電路在電池充電末期實(shí)時(shí)檢測(cè)電池電壓和電池溫度，并且根據(jù)檢測(cè)參數(shù)控制充電過(guò)程。(1)電池電壓檢測(cè)在大電流充電末期，檢測(cè)電池電壓，當(dāng)電池電壓達(dá)到設(shè)定值時(shí)，將大電流充電轉(zhuǎn)成小電流充電。采用小電流充電方式是為了保證電池充電容量?？刂齐娐吩O(shè)置的充電截止電壓必須比充電峰值電壓低。(2)－△V檢測(cè)電池充電過(guò)程的充電電流是通過(guò)檢測(cè)電池充電末期的電壓降來(lái)進(jìn)行控制的，－△V控制系統(tǒng)框圖如圖2-7所示。采用－△V控制系統(tǒng)的充電控制電路，當(dāng)充電峰值電壓確定后，若－△V檢測(cè)電路檢測(cè)的電壓降達(dá)到設(shè)定值，控制電路將使大電流充電電路分?jǐn)?。電池的充電電流、電池電壓和充電時(shí)間的關(guān)系如圖2-8所示。圖2-7－△V控制系統(tǒng)框圖圖2-8充電電池、電池電壓和充電時(shí)間的關(guān)系(3)電池溫度檢測(cè)電池在充電末期，負(fù)極發(fā)生氧復(fù)合反應(yīng)產(chǎn)生熱量，使電池溫度升高。由于電池溫度升高將導(dǎo)致充電電流增大，為控制充電電流，可在電池外殼上設(shè)置溫度傳感器或電阻等溫度檢測(cè)元件。當(dāng)電池溫度達(dá)到設(shè)定值時(shí)，電池充電電路被切斷。下面即給出了電池溫度檢測(cè)簡(jiǎn)圖和電池溫度與充電時(shí)間的關(guān)系圖。圖2-9電池溫度檢測(cè)簡(jiǎn)圖圖2-10電池溫度和充電時(shí)間的關(guān)系2.1.2充電器的要求和結(jié)構(gòu)1.充電器的要求對(duì)充電器的要求是：安全，快速，省電，功能全，使用方便，價(jià)格便宜?？焖俪潆娖?1C～4C的充電器)的安全更為重要，終止快速充電的檢測(cè)方法要可靠、精確，以防止過(guò)充電。另外，一些充電器集成電路還設(shè)有充電時(shí)間定時(shí)器來(lái)作為一種附加的安全措施。功能全的充電器一般具有電池電壓檢測(cè)功能。若充電電池的電壓大于終止放電電壓，為防止“記憶效應(yīng)”產(chǎn)生，應(yīng)先放電至終止放電電壓，然后自動(dòng)充電。先進(jìn)行快速充電，到終止快速充電時(shí)自動(dòng)轉(zhuǎn)為涓流充電，各個(gè)充、放電過(guò)程都有LED指示。功能較齊全的充電器還應(yīng)具有充電率的設(shè)定(選擇)、充電電池?cái)?shù)的設(shè)定、涓流電流大小設(shè)定、定時(shí)器時(shí)間設(shè)定、充電前電池狀態(tài)測(cè)定(判斷電池好壞及安裝是否良好)等功能，并可根據(jù)電池的溫度來(lái)選擇充電參數(shù)(電池溫度過(guò)低時(shí)不宜快充)。當(dāng)充電電流較小時(shí)可采用線性電源，充電電流較大時(shí)常采用開(kāi)關(guān)電源，它既省電又解決發(fā)熱問(wèn)題，并有可能由市電直接整流經(jīng)AC／DC變換獲得低壓直流電，可省去笨重的工頻變壓器。2.充電器的結(jié)構(gòu)框圖早期的充電器是沒(méi)有處理器的,它主要由充電器集成電路及電源部分組成，其內(nèi)部結(jié)構(gòu)較復(fù)雜，引腳也較多。一般的功能較完善的充電器結(jié)構(gòu)框圖如圖2-11AA線右邊所示。圖2-11充電器結(jié)構(gòu)框圖2.1.3單片機(jī)控制的充電器的優(yōu)點(diǎn)目前，市場(chǎng)上有大量的電池管理芯片，針對(duì)充電器開(kāi)發(fā)的電池充電管理芯片業(yè)很多，可以直接使用這些芯片進(jìn)行充電器的設(shè)計(jì)。但是，充電器實(shí)現(xiàn)的方式不同導(dǎo)致其充電效果不同。由于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。一些低成本的充電器采用電壓比較法，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。一般的，為了使得電池充電充分，容易造成過(guò)充，表現(xiàn)為有些充電器在充電終了時(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。設(shè)計(jì)比較科學(xué)的充電器采用專業(yè)充電控制芯片，具備業(yè)界公認(rèn)較好的―ΔV檢測(cè)，可以檢測(cè)出電池充電飽和時(shí)發(fā)出的電壓變化信號(hào)，比較精確地結(jié)束充電工作。這些芯片往往具備了充電過(guò)程控制，加上單片機(jī)對(duì)充電后的功能，如圖2-11所示。還可加入關(guān)斷電源、蜂鳴報(bào)警和液晶顯示等，就可以完成一個(gè)比較實(shí)用的充電器。2.2充電控制技術(shù)2.2.1快速充電器介紹快速充電器的特點(diǎn)是對(duì)充電電池采用大電流充電。常用的充電電流值為0.3～2小時(shí)率電流。小時(shí)率電流值是由公式C(Ah)/t(h)規(guī)定的，其中C代表電池額定容量，t代表時(shí)間。例如用1小時(shí)率電流對(duì)5號(hào)鋰電池快速充電，根據(jù)0.5(Ah)／1(h)＝500(mA)，即采用500mA的充電電流(一般慢速充電，選用10小時(shí)率電流)。性能完善的快速充電器，其原理圖如圖2-12所示：圖2-12快速充電器原理框圖其中的主控電路有多種類型：(1)定時(shí)型對(duì)電池進(jìn)行定時(shí)充電，主控電路采用定時(shí)電路，定時(shí)時(shí)間可由充電電流決定。定時(shí)主控電路常設(shè)置不同的時(shí)間以控制不同的小時(shí)率電流對(duì)電池按時(shí)間分擋充電，使用很方便。由于定時(shí)器制作容易，所以常用它自制定時(shí)快速充電器。自制時(shí)，為了充電安全，最好選大于5小時(shí)率的電流充電。(2)電壓峰值增量△V型有的可充電電池在充電時(shí)端電壓隨充電時(shí)間的增長(zhǎng)而上升，但充足電后端電壓開(kāi)始下降。設(shè)計(jì)主控電路時(shí)，利用該特性監(jiān)測(cè)電池電壓出現(xiàn)峰值之后的微量下降，以控制充電結(jié)束，達(dá)到自動(dòng)充電的目的。這也稱為－△V法。由于這種控制電路比較復(fù)雜，故不適于自制。(3)其他主控電路主控電路除上述兩種以外，還有溫度監(jiān)測(cè)和脈寬調(diào)制(PWM)控制電路。溫度監(jiān)測(cè)常用熱敏電阻監(jiān)測(cè)電池溫度。當(dāng)電池溫度高于設(shè)定值時(shí)，立即停止快速充電，即使電池溫度下降后，充電器也不會(huì)啟動(dòng)工作。只有它復(fù)位(人工或自動(dòng))后，才能啟動(dòng)再次轉(zhuǎn)人快速充電。2.2.2快速充電終止控制方法充電控制技術(shù)是充電器系統(tǒng)中軟件設(shè)計(jì)的核心部分。根據(jù)充電電池的原理，將鋰電池的電壓曲線分為三段，具體見(jiàn)圖2-13。圖2-13鋰電池的充電特性由于鋰電池的最佳充電過(guò)程無(wú)法用單一量實(shí)現(xiàn)，在這三段應(yīng)分別采用不同的控制方式。具體為:進(jìn)入B—C段之前，電池電量己基本用完，此時(shí)采用恒定的小電流充電。當(dāng)進(jìn)入B—C段時(shí)，若采用恒流充電，電流過(guò)大會(huì)損壞電池，電流過(guò)小使充電時(shí)間過(guò)長(zhǎng)，根據(jù)電壓變化情況控制充電電流，使電池充電已滿，若此時(shí)停止充電，電池會(huì)自放電。為防止自放電現(xiàn)象發(fā)生，采用浮充維護(hù)充電方式，用小電流進(jìn)行涓流充電。在恒流充電狀態(tài)下，不斷檢測(cè)電池端電壓，當(dāng)電池電壓達(dá)到飽和電壓時(shí)，恒流充電狀態(tài)終止，自動(dòng)進(jìn)入恒壓充電狀態(tài)；恒壓充電時(shí)，保持充電電壓不變。由于電池內(nèi)阻不斷變大，導(dǎo)致充電電流不斷下降，當(dāng)充電電流下降到恒流狀態(tài)下充電電流的1/10時(shí)，終止恒壓充電，進(jìn)入浮充維護(hù)充電階段。電池在充滿電后，如果不及時(shí)停止充電，電池的溫度將迅速上升。溫度的升高將加速板柵腐蝕速度及電解液的分解，從而縮短電池壽命、容量下降。為了保證電池充足電又不過(guò)充電，可以采用定時(shí)控制、電壓控制和溫度控制等多種終止充電的方法。(1)定時(shí)控制該方法適用于恒流充電。采用恒流充電法時(shí)，根據(jù)電池的容量和充電電流，可以很容易的確定所需的充電時(shí)間。充電的過(guò)程中，達(dá)到預(yù)定的充電時(shí)間后，定時(shí)器發(fā)出信號(hào)，使充電器迅速停止充電或者將充電電流迅速將至浮充維護(hù)充電電流，這樣可以避免電池長(zhǎng)時(shí)間大電流過(guò)充電。這種控制方法較簡(jiǎn)單，但有其缺點(diǎn)：充電前，電池的容量無(wú)法準(zhǔn)確知道，而且電池和一些元器件的發(fā)熱使充電電能有一定的損失，實(shí)際的充電時(shí)間很難確定。而該方法充電時(shí)間是固定的，不能根據(jù)電池充電前的狀態(tài)而自動(dòng)調(diào)整，結(jié)果使有的電池可能充不足電，有的電池可能過(guò)充電，因此，只有充電速率小于0.3C時(shí)，才采用這種方法。(2)電池電壓控制在電壓控制法中，最容易檢測(cè)的是電池的最高電壓。常用的電壓控制法有：最高電壓(VMAX)：從充電特性曲線可以看出，電池電壓達(dá)到最大值時(shí)，電池即充足電。充電過(guò)程中，當(dāng)電池電壓達(dá)到規(guī)定值后，應(yīng)立即停止快速充電。這種控制方法的缺點(diǎn)是：電池充足電的最高電壓隨環(huán)境溫度、充電速率而變，而且電池組中各單體電池的最高充電電壓也有差別，因此采用這種方法不可能非常準(zhǔn)確地判斷電池己足充電。電壓負(fù)增量(－△V)：由于電池電壓的負(fù)增量與電池組的絕對(duì)電壓無(wú)關(guān)，而且不受環(huán)境溫度和充電速率等因素影響，因此可以比較準(zhǔn)確地判斷電池己充足電。這種控制方法的缺點(diǎn)是：①?gòu)亩啻慰焖俪潆妼?shí)驗(yàn)中發(fā)現(xiàn)，電池充足電之前，也有可能出現(xiàn)局部電壓下降的情況，使電池在未充足電時(shí)，由于檢測(cè)到了負(fù)增量而停止快充；②鎳鎘電池充足電后，電池電壓要經(jīng)過(guò)較長(zhǎng)時(shí)間，才出現(xiàn)負(fù)增量，此時(shí)過(guò)充電較嚴(yán)重，此時(shí)電池的溫度較高，對(duì)電池有所損害。因此，這種控制方法主要適用于鎳鎘電池。電壓零增量(△V)：鋰電池充電器中，為了避免等待出現(xiàn)電壓負(fù)增量的時(shí)間過(guò)久而損壞電池，通常采用0△V控制法。這種方法的缺點(diǎn)是：未充足電以前，電池電壓在某一段時(shí)間內(nèi)可能變化很小，若此時(shí)誤認(rèn)為0△V出現(xiàn)而停止充電，會(huì)造成誤操作。為此，目前大多數(shù)鋰電池快速充電器都采用高靈敏0△V檢測(cè)，當(dāng)電池電壓略有降低時(shí)，立即停止快速充電。(3)電池溫度控制為了避免損壞電池，電池溫度上升到規(guī)定數(shù)值后，必須立即停止快速充電。常用的溫度控制方法有：最高溫度(TMAX)：充電過(guò)程中，通常當(dāng)電池溫度達(dá)到40℃溫度變化率(△T/△t)：充電電池在充電的過(guò)程中溫度都會(huì)發(fā)生變化，在充足電后，電池溫度迅速上升，而且上升速率△T/△t基本相同，當(dāng)電池溫度每分鐘上升1℃采用溫度控制法時(shí)，由于熱敏電阻響應(yīng)時(shí)間較長(zhǎng)，再加上環(huán)境溫度的影響，因此，不能準(zhǔn)確的檢測(cè)電池的充足電狀態(tài)。(4)綜合控制法以上各種控制方法各有其優(yōu)缺點(diǎn)：由于存在電池個(gè)體的差異和個(gè)別的特殊電池，若只采用一種方法，則會(huì)很難保證電池較好的充電。為了保證在任何情況下均能可靠的檢測(cè)電池的充足電狀態(tài)，可采用具有定時(shí)控制、溫度控制和電池電壓控制功能的綜合控制法。鑒于定時(shí)控制、溫度控制、最高電壓控制等單獨(dú)作為終止條件使用的局限性，有的系統(tǒng)中鋰電池的充電終止也采用綜合控制法。鋰電池是以零增量檢測(cè)為主，時(shí)間、溫度和電壓檢測(cè)為輔的方式。系統(tǒng)在充電過(guò)程檢測(cè)有無(wú)零增量(△V)出現(xiàn)，作為判斷電池已充滿的正常標(biāo)準(zhǔn)，同時(shí)判斷充電時(shí)間、電池溫度及端電壓，是否已超過(guò)預(yù)先設(shè)定的保護(hù)值作為輔助檢測(cè)手段。當(dāng)電池電壓超過(guò)檢測(cè)門限時(shí)，系統(tǒng)會(huì)檢測(cè)有無(wú)零增量出現(xiàn)，若出現(xiàn)△V，則認(rèn)為電池正常充滿，進(jìn)入浮充維護(hù)狀態(tài)；在充電過(guò)程中，系統(tǒng)會(huì)一直判斷充電時(shí)間、電池溫度及端電壓是否己到達(dá)或超過(guò)了充電保護(hù)條件。若其中有一個(gè)條件滿足，系統(tǒng)會(huì)終止現(xiàn)有充電方式，進(jìn)入浮充維護(hù)狀態(tài)。第3章鋰電池充電器硬件設(shè)計(jì)3.1單片機(jī)電路部分1．AT89C51AT89C51是一種帶4K字節(jié)閃爍可編程可擦除只讀存儲(chǔ)器（FPEROM—FalshProgrammableandErasableReadOnlyMemory）的低電壓，高性能CMOS8位微處理器，俗稱單片機(jī)。AT89C2051是一種帶2K字節(jié)閃爍可編程可擦除只讀存儲(chǔ)器的單片機(jī)。單片機(jī)的可擦除只讀存儲(chǔ)器可以反復(fù)擦除100次。該器件采用ATMEL高密度非易失存儲(chǔ)器制造技術(shù)制造，與工業(yè)標(biāo)準(zhǔn)的MCS-51指令集和輸出管腳相兼容。由于將多功能8位CPU和閃爍存儲(chǔ)器組合在單個(gè)芯片中，ATMEL的AT89C51是一種高效微控制器，AT89C2051是它的一種精簡(jiǎn)版本。AT89C系列單片機(jī)為很多嵌入式控制系統(tǒng)提供了一種靈活性高且價(jià)廉的方案。(1)主要特性：

·與MCS-51兼容

·4K字節(jié)可編程閃爍存儲(chǔ)器

·壽命：1000寫/擦循環(huán)

·數(shù)據(jù)保留時(shí)間：10年

·全靜態(tài)工作：0Hz-24Hz

·三級(jí)程序存儲(chǔ)器鎖定

·128*8位內(nèi)部RAM

·32可編程I/O線

·兩個(gè)16位定時(shí)器/計(jì)數(shù)器

·5個(gè)中斷源

·可編程串行通道

·低功耗的閑置和掉電模式

·片內(nèi)振蕩器和時(shí)鐘電路(2)管腳說(shuō)明：VCC：供電電壓。GND：接地。P0口：P0口為一個(gè)8位漏級(jí)開(kāi)路雙向I/O口，每腳可吸收8TTL門電流。當(dāng)P1口的管腳第一次寫1時(shí)，被定義為高阻輸入。P0能夠用于外部程序數(shù)據(jù)存儲(chǔ)器，它可以被定義為數(shù)據(jù)/地址的第八位。在FIASH編程時(shí)，P0口作為原碼輸入口，當(dāng)FIASH進(jìn)行校驗(yàn)時(shí)，P0輸出原碼，此時(shí)P0外部必須被拉高。P1口：P1口是一個(gè)內(nèi)部提供上拉電阻的8位雙向I/O口，P1口緩沖器能接收輸出4TTL門電流。P1口管腳寫入1后，被內(nèi)部上拉為高，可用作輸入，P1口被外部下拉為低電平時(shí)，將輸出電流，這是由于內(nèi)部上拉的緣故。在FLASH編程和校驗(yàn)時(shí)，P1口作為第八位地址接收。P2口：P2口為一個(gè)內(nèi)部上拉電阻的8位雙向I/O口，P2口緩沖器可接收，輸出4個(gè)TTL門電流，當(dāng)P2口被寫“1”時(shí)，其管腳被內(nèi)部上拉電阻拉高，且作為輸入。并因此作為輸入時(shí)，P2口的管腳被外部拉低，將輸出電流。這是由于內(nèi)部上拉的緣故。P2口當(dāng)用于外部程序存儲(chǔ)器或16位地址外部數(shù)據(jù)存儲(chǔ)器進(jìn)行存取時(shí)，P2口輸出地址的高八位。在給出地址“1”時(shí)，它利用內(nèi)部上拉優(yōu)勢(shì)，當(dāng)對(duì)外部八位地址數(shù)據(jù)存儲(chǔ)器進(jìn)行讀寫時(shí)，P2口輸出其特殊功能寄存器的內(nèi)容。P2口在P3口：P3口管腳是8個(gè)帶內(nèi)部上拉電阻的雙向I/O口，可接收輸出4個(gè)TTL門電流。當(dāng)P3口寫入“1”后，它們被內(nèi)部上拉為高電平，并用作輸入。作為輸入，由于外部下拉為低電平，P3口將輸出電流（ILL）P3口也可作為AT89C51的一些特殊功能口，如下表3-1所示：表3-1P3口口管腳備選功能P3.0/RXD（串行輸入口）P3.1/TXD（串行輸出口）P3.2/INT0（外部中斷0）P3.3/INT1（外部中斷1）P3.4T0（記時(shí)器0外部輸入）P3.5T1（記時(shí)器1外部輸入）P3.6/WR（外部數(shù)據(jù)存儲(chǔ)器寫選通）P3.7/RD（外部數(shù)據(jù)存儲(chǔ)器讀選通）P3口同時(shí)為閃爍編程和編程校驗(yàn)接收一些控制信號(hào)。RST：復(fù)位輸入。當(dāng)振蕩器復(fù)位器件時(shí)，要保持RST腳兩個(gè)機(jī)器周期的高電平時(shí)間。

ALE/PROG：當(dāng)訪問(wèn)外部存儲(chǔ)器時(shí)，地址鎖存允許的輸出電平用于鎖存地址的地位字節(jié)。在FLASH編程期間，此引腳用于輸入編程脈沖。在平時(shí)，ALE端以不變的頻率周期輸出正脈沖信號(hào)，此頻率為振蕩器頻率的1/6。因此它可用作對(duì)外部輸出的脈沖或用于定時(shí)目的。然而要注意的是：每當(dāng)用作外部數(shù)據(jù)存儲(chǔ)器時(shí)，將跳過(guò)一個(gè)ALE脈沖。如想禁止ALE的輸出可在SFR8EH地址上置0。此時(shí)，ALE只有在執(zhí)行MOVX，MOVC指令是ALE才起作用。另外，該引腳被略微拉高。如果微處理器在外部執(zhí)行狀態(tài)ALE禁止，置位無(wú)效。PSEN：外部程序存儲(chǔ)器的選通信號(hào)。在由外部程序存儲(chǔ)器取指期間，每個(gè)機(jī)器周期兩次PSEN有效。但在訪問(wèn)外部數(shù)據(jù)存儲(chǔ)器時(shí)，這兩次有效的PSEN信號(hào)將不出現(xiàn)。EA/VPP：當(dāng)EA保持低電平時(shí)，則在此期間外部程序存儲(chǔ)器（0000H-FFFFH），不管是否有內(nèi)部程序存儲(chǔ)器。注意加密方式1時(shí)，EA將內(nèi)部鎖定為RESET；當(dāng)EA端保持高電平時(shí)，此間內(nèi)部程序存儲(chǔ)器。在FLASH編程期間，此引腳也用于施加12V編程電源（VPP）。XTAL1：反向振蕩放大器的輸入及內(nèi)部時(shí)鐘工作電路的輸入。XTAL2：來(lái)自反向振蕩器的輸出。(3)振蕩器特性：XTAL1和XTAL2分別為反向放大器的輸入和輸出。該反向放大器可以配置為片內(nèi)振蕩器。石晶振蕩和陶瓷振蕩均可采用。如采用外部時(shí)鐘源驅(qū)動(dòng)器件，XTAL2應(yīng)不接。有余輸入至內(nèi)部時(shí)鐘信號(hào)要通過(guò)一個(gè)二分頻觸發(fā)器，因此對(duì)外部時(shí)鐘信號(hào)的脈寬無(wú)任何要求，但必須保證脈沖的高低電平要求的寬度。(4)芯片擦除：整個(gè)PEROM陣列和三個(gè)鎖定位的電擦除可通過(guò)正確的控制信號(hào)組合，并保持ALE管腳處于低電平10ms來(lái)完成。在芯片擦操作中，代碼陣列全被寫“1”且在任何非空存儲(chǔ)字節(jié)被重復(fù)編程以前，該操作必須被執(zhí)行。

此外，AT89C51設(shè)有穩(wěn)態(tài)邏輯，可以在低到零頻率的條件下靜態(tài)邏輯，支持兩種軟件可選的掉電模式。在閑置模式下，CPU停止工作。但RAM，定時(shí)器，計(jì)數(shù)器，串口和中斷系統(tǒng)仍在工作。在掉電模式下，保存RAM的內(nèi)容并且凍結(jié)振蕩器，禁止所用其他芯片功能，直到下一個(gè)硬件復(fù)位為止。2．AT89C2051AT89C2051單片機(jī)是51系列單片機(jī)的一個(gè)成員，是8051單片機(jī)的簡(jiǎn)化版。內(nèi)部自帶2K字節(jié)可編程FLASH存儲(chǔ)器的低電壓、高性能COMS八位微處理器，與IntelMCS-51系列單片機(jī)的指令和輸出管腳相兼容。由于將多功能八位CPU和閃速存儲(chǔ)器結(jié)合在單個(gè)芯片中，因此，AT89C2051構(gòu)成的單片機(jī)系統(tǒng)是具有結(jié)構(gòu)最簡(jiǎn)單、造價(jià)最低廉、效率最高的微控制系統(tǒng)，省去了外部的RAM、ROM和接口器件，減少了硬件開(kāi)銷，節(jié)省了成本，提高了系統(tǒng)的性價(jià)比。AT89C2051是一個(gè)有20個(gè)引腳的芯片，引腳配置如圖3所示。與8051相比，AT89C2051減少了兩個(gè)對(duì)外端口（即P0、P2口），使它最大可能地減少了對(duì)外引腳下，因而芯片尺寸有所減小。AT89C2051芯片的20個(gè)引腳功能為：VCC電源電壓。GND接地。RST復(fù)位輸入。當(dāng)RST變?yōu)楦唠娖讲⒈３?個(gè)機(jī)器周期時(shí)，所有I/O引腳復(fù)位至“1”XTAL1反向振蕩放大器的輸入及內(nèi)部時(shí)鐘工作電路的輸入。XTAL2來(lái)自反向振蕩放大器的輸出。P1口8位雙向I/O口。引腳P1.2～P1.7提供內(nèi)部上拉，當(dāng)作為輸入并被外部下拉為低電平時(shí)，它們將輸出電流，這是因內(nèi)部上拉的緣故。P1.0和P1.1需要外部上拉，可用作片內(nèi)精確模擬比較器的正向輸入（AIN0）和反向輸入（AIN1），P1口輸出緩沖器能接收20mA電流，并能直接驅(qū)動(dòng)LED顯示器；P1口引腳寫入“1”后，可用作輸入。在閃速編程與編程校驗(yàn)期間，P1P3口引腳P3.0～P3.5與P3.7為7個(gè)帶內(nèi)部上拉的雙向I/0引腳。P3.6在內(nèi)部已與片內(nèi)比較器輸出相連，不能作為通用I/O引腳訪問(wèn)。P3口的輸出緩沖器能接收20mA的灌電流；P3口寫入“1”后，內(nèi)部上拉，可用輸入。P3口也可用作特殊功能口，其功能見(jiàn)表1。P33.2電壓轉(zhuǎn)換及光耦隔離電路部分耦合器（opticalcoupler，英文縮寫為OC）亦稱光電隔離器，簡(jiǎn)稱光耦，是開(kāi)關(guān)電源電路中常用的器件。耦合器以光為媒介傳輸電信號(hào)。它對(duì)輸入、輸出電信號(hào)有良好的隔離作用，所以，它在各種電路中得到廣泛的應(yīng)用。目前它已成為種類最多、用途最廣的光電器件之一。光耦合器一般由三部分組成：光的發(fā)射、光的接收及信號(hào)放大。輸入的電信號(hào)驅(qū)動(dòng)發(fā)光二極管（LED），使之發(fā)出一定波長(zhǎng)的光，被光探測(cè)器接收而產(chǎn)生光電流，再經(jīng)過(guò)進(jìn)一步放大后輸出。這就完成了電—光—電的轉(zhuǎn)換，從而起到輸入、輸出、隔離的作用。由于光耦合器輸入輸出間互相隔離，電信號(hào)傳輸具有單向性等特點(diǎn)，因而具有良好的電絕緣能力和抗干擾能力。又由于光耦合器的輸入端屬于電流型工作的低阻元件，因而具有很強(qiáng)的共模抑制能力。所以，它在長(zhǎng)線傳輸信息中作為終端隔離元件可以大大提高信噪比。在計(jì)算機(jī)數(shù)字通信及實(shí)時(shí)控制中作為信號(hào)隔離的接口器件，可以大大增加計(jì)算機(jī)工作的可靠性。本次設(shè)計(jì)選擇了6N137光耦合器：6N137光耦合器是一款用于單通道的高速光耦合器，其內(nèi)部有一個(gè)850nm波長(zhǎng)AlGaAsLED和一個(gè)集成檢測(cè)器組成，其檢測(cè)器由一個(gè)光敏二極管、高增益線性運(yùn)放及一個(gè)肖特基鉗位的集電極開(kāi)路的三極管組成。具有溫度、電流和電壓補(bǔ)償功能，高的輸入輸出隔離，LSTTL/TTL兼容，高速(典型為10MBd)，5mA的極小輸入電流。特性：①轉(zhuǎn)換速率高達(dá)10MBit/s;②擺率高達(dá)10kV/us;③扇出系數(shù)為8;④邏輯電平輸出;⑤集電極開(kāi)路輸出;工作參數(shù)：最大輸入電流，低電平：250uA最大輸入電流，高電平：15mA最大允許低電平電壓(輸出高)：0.8v最大允許高電平電壓：Vcc最大電源電壓、輸出：5.5V扇出(TTL負(fù)載)：8個(gè)(最多)工作溫度范圍：-40°Cto+85°C典型應(yīng)用：高速數(shù)字開(kāi)關(guān)，馬達(dá)控制系統(tǒng)和A/D轉(zhuǎn)換等6N137光耦合器的內(nèi)部結(jié)構(gòu)、管腳如圖所示。6N137光耦合器的真值表輸入使能輸出HHLLHHHLHLLHHNCLLNCH圖3-16N137光耦合器6N137光耦合器的真值表需要注意的是，在6N137光耦合器的電源管腳旁應(yīng)有—個(gè)0.1uF的去耦電容。在選擇電容類型時(shí)，應(yīng)盡量選擇高頻特性好的電容器，如陶瓷電容或鉭電容，并且盡量靠近6N137光耦合器的電源管腳；另外，輸入使能管腳在芯片內(nèi)部已有上拉電阻，無(wú)需再外接上拉電阻。6N137光耦合器的使用需要注意兩點(diǎn)：第一是6N137光耦合器的第6腳Vo輸出電路屬于集電極開(kāi)路電路，必須上拉一個(gè)電阻；第二是6N137光耦合器的第2腳和第3腳之間是一個(gè)LED，必須串接一個(gè)限流電阻。3.3電源產(chǎn)生電路部分LM7805介紹電子產(chǎn)品中，常見(jiàn)的三端穩(wěn)壓集成電路有正電壓輸出的lm78××系列和圖3-2lm7805樣品負(fù)電壓輸出的lm79××系列。顧名思義，三端IC是指這種穩(wěn)壓用的集成電路，只有三條引腳輸出，分別是輸入端、接地端和輸出端。它的樣子象是普通的三極管，TO-220的標(biāo)準(zhǔn)封裝，也有l(wèi)m9013樣子的TO-92封裝。用lm78/lm79系列三端穩(wěn)壓IC來(lái)組成穩(wěn)壓電源所需的外圍元件極少，且有一定的電壓、電流輸出，能夠獲得不同的電壓和電流，電路內(nèi)部還有過(guò)流、過(guò)熱及調(diào)整管的保護(hù)電路，使用起來(lái)可靠、方便，而且價(jià)格便宜。該系列集成穩(wěn)壓IC型號(hào)中的lm78或lm79后面的數(shù)字代表該三端集成穩(wěn)壓電路的輸出電壓，如lm7806表示輸出電壓為正6V，lm7909表示輸出電壓為負(fù)9V。因?yàn)槿斯潭煞€(wěn)壓電路的使用方便，電子制作中經(jīng)常采用。2.LM7805主要特點(diǎn)①輸出電流可達(dá)1A②輸出電壓有：5V③過(guò)熱保護(hù)④短路保護(hù)⑤輸出晶體管SOA保護(hù)內(nèi)部結(jié)構(gòu)框圖如圖3-3所示：圖3-3LM7805內(nèi)部結(jié)構(gòu)框圖功能框圖：圖3-4LM7805功能框圖3.4充電控制電路部分3.4.1MAX18981.如何選擇電池充電芯片選擇電池充電芯片時(shí)需要結(jié)合實(shí)際的應(yīng)用，具體的選擇標(biāo)準(zhǔn)有以下幾點(diǎn)。①封裝：即芯片的大小，對(duì)于體積有要求的場(chǎng)合需要選擇合適的封裝。②電流大?。撼潆姷碾娏鞔笮Q定充電時(shí)間。③充電方式：即是快充、慢充還是可以控制充電過(guò)程。④使用的電池類型：不同的電池需要不同的充電器。2．MAX1898(1)如何使用MAX1898MAX1898是本次設(shè)計(jì)充電器中的一個(gè)關(guān)鍵的器件。首先需要了解MAX1898的一些基本的特性和功能。MAX1898配合外部PNP或PMOS晶體管可以組成完成的單節(jié)鋰電池充電器。MAX1898提供精確的恒流/恒壓充電。電池電壓調(diào)節(jié)精度為±0.75%，提高了電池性能并延長(zhǎng)了使用壽命。充電電流由用戶設(shè)定，采用內(nèi)部檢流，無(wú)需外部檢流電阻。MAX1898提供了用于監(jiān)視充電狀態(tài)的輸出、輸入電源是否與充電器連接的輸出指示和充電電路指示。MAX1898可對(duì)所有化學(xué)類型的鋰離子電池進(jìn)行安全充電。電池調(diào)節(jié)電壓為4.2V，采用10引腳、超薄型μMAX封裝，在更小的尺寸內(nèi)集成了更多的功能，只需少數(shù)外部元件。MAX1898的基本特點(diǎn)如下：①4.5V~12V輸入電壓范圍；②內(nèi)置檢流電阻；③±0.75%電壓精度；④可編程充電電流；⑤輸入電源自動(dòng)檢測(cè)；⑥LED充電狀態(tài)指示；⑦檢流監(jiān)視輸出。MAX1898的引腳如圖3-5所示。圖3-5MAX1898的引腳MAX1898的引腳功能如下。①IN：傳感器輸入，檢測(cè)輸入電壓和電流。②CHG：LED驅(qū)動(dòng)電路。③EN/OK：邏輯電平輸入允許/電源輸入“好”。④ISET：電流調(diào)節(jié)。⑤CT：安全的充電時(shí)間設(shè)置。⑥RSTRT：自動(dòng)重新啟動(dòng)控制引腳。⑦BATT：接單個(gè)Li+的正極。⑧GND：地。⑨DRV：外接電阻驅(qū)動(dòng)器。⑩CS：電流傳感器輸入。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效耗散，可以實(shí)現(xiàn)預(yù)充電，具有過(guò)壓保護(hù)和溫度保護(hù)功能，最長(zhǎng)充電時(shí)間限制為鋰離子電池提供二次保護(hù)。MAX1898的典型充電電路如圖3-6所示。圖3-6中的MAX1898內(nèi)部電路包括：輸入調(diào)節(jié)器、電壓檢測(cè)器、充電電流檢測(cè)器、定時(shí)器、溫度檢測(cè)器和主控制器。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，如果充電器沒(méi)有輸入電流檢測(cè)功能，則輸入電源(墻上適配器或其他直流電源)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充電器對(duì)直流電源的要求，同時(shí)也簡(jiǎn)化了輸入電源設(shè)計(jì)。圖3-6MAX1898的典型充電電路(Ⅰ)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，一般的，可以采用直流電源加上變壓器提供。(Ⅱ)輸出：MAX1898通過(guò)外接的場(chǎng)效應(yīng)管提供理電池的充電接口。(Ⅲ)充電時(shí)間的選擇：MAX1898充電時(shí)間的選擇是通過(guò)外接的電容大小決定的。標(biāo)準(zhǔn)的充電時(shí)間為1.5小時(shí)，最大不要超過(guò)3小時(shí)，根據(jù)這個(gè)標(biāo)準(zhǔn)，可以計(jì)算得到外接的電容的容值，如下所示：定時(shí)電容C和充電時(shí)間Tchg的關(guān)系式滿足：C[nF]=34.33×Tchg[hours](Ⅳ)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。最大充電電流Imax和限流電阻Rset的關(guān)系式滿足：Imax＝1400/Rset當(dāng)充電電源和電池充電電流達(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)定的門限時(shí)進(jìn)入脈沖充電方式，P溝道場(chǎng)效應(yīng)管打開(kāi)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)出周期性的閃爍。具體的閃爍含義如下表3-2所示：表3-2LED指示燈狀態(tài)說(shuō)明充電狀態(tài)LED指示狀態(tài)電池或充電器沒(méi)有安裝關(guān)閉快充或脈沖浮充亮快充結(jié)束或初始化LED以2Hz頻率閃爍充電結(jié)束LED閃爍周期為4s(2)如何在單片機(jī)系統(tǒng)中使用MAX1898鋰離子電池具有較高的能量重量比、能量體積比，具有記憶效應(yīng)，可重復(fù)充電多次，使用壽命較長(zhǎng)、價(jià)格也越來(lái)越低。鋰離子電池的這些特點(diǎn)使得選用單節(jié)鋰離子電池供電的產(chǎn)品也越來(lái)越多。然而，鋰離子電池的不足之處在于對(duì)充電器要求比較苛刻，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)。針對(duì)這些應(yīng)用特點(diǎn)，本設(shè)計(jì)提出了一種基于單片機(jī)AT89C2051和MAX1898的智能充電器，其基本的原理和功能如圖3-7所示圖3-7基于MAX1989的智能充電器的原理圖該充電器有如下的功能：①具有預(yù)充電功能。②具有充電保護(hù)功能。③具有自動(dòng)斷電功能。④具有充電完成報(bào)警指示功能。在MAX1898內(nèi)置的充電狀態(tài)控制和外圍的單片機(jī)控制下，充電過(guò)程分為預(yù)充、快充、滿充和報(bào)警5個(gè)部分。以下分別介紹。預(yù)充在安裝好電池之后，接通輸入直流電源，當(dāng)充電其檢測(cè)到電池時(shí)將定時(shí)器復(fù)位，從而進(jìn)入預(yù)充過(guò)程，在此期間充電器以快充電流的10%給電池充電，使電壓、溫度恢復(fù)到正常狀體。預(yù)充電時(shí)間由CT口外接電容確定，如果在預(yù)充時(shí)間內(nèi)電池電壓達(dá)到2.5V，且電池溫度正常，則進(jìn)入快充過(guò)程；如果超過(guò)預(yù)充時(shí)間后，電池電壓低于2.5V，則認(rèn)為電池不可充電，充電器顯示電池故障，由單片機(jī)發(fā)出故障指令，LED指示燈閃爍。②快充快充過(guò)程也稱恒流充電，此時(shí)充電器以恒流電流對(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，充電電池快速遞減，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)，充電器以極小的充電電池為電池補(bǔ)充能量。由于充電器在檢測(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，減少了電池內(nèi)阻和其他串聯(lián)電阻對(duì)電流端電壓的影響，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)。此時(shí)，單片機(jī)將通過(guò)P1.2口控制光耦，切斷7805向MAX1898芯片的供電，從而保證芯片和電池的安全，同時(shí)也減少功耗。⑤報(bào)警當(dāng)電池充滿后，MAX1898芯片本身會(huì)向外接的LED燈發(fā)出指令，LED燈會(huì)閃爍。但是，為了安全起見(jiàn)，單片機(jī)在檢測(cè)到充滿狀態(tài)的脈沖后，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。3.4.2充電控制電路的實(shí)現(xiàn)1．電路原理和器件選擇在這里列出和本次設(shè)計(jì)相關(guān)的、關(guān)鍵部分的器件名稱及其在電路中的主要功能：①AT89C2051:充電器的控制器，控制MAX1898的充電過(guò)程，并在充電完畢后切斷電源和進(jìn)行報(bào)警。②MAX1898:電池充電芯片,在單片機(jī)的控制下實(shí)現(xiàn)對(duì)鋰離子電池的充電控制。③LM7805:電壓轉(zhuǎn)換芯片，將外部的12V電壓轉(zhuǎn)化為5V電壓，作為單片機(jī)和MAX1898的電源。④PNP:P溝道場(chǎng)效應(yīng)管或三極管。⑤LEDR:紅色的表貼發(fā)光二極管，表示電源接通。⑥LEDG:綠色的表貼發(fā)光二極管，表示充電狀態(tài)。⑦U14:蜂鳴器。⑧6N137:光耦，連接LM7805和MAX1898的電源輸入端。2．地址分配和連接只列出了和本次設(shè)計(jì)相關(guān)的、關(guān)鍵部分單片機(jī)與各個(gè)功能管腳的連接和相關(guān)的地址分配：①CHG:MAX1898充電狀態(tài)輸出，連接到單片機(jī)的INT0,單片機(jī)判斷充電完畢后，通過(guò)P1.2引腳切斷MAX1898的電源輸入。②GATE:連接單片機(jī)的P1.2引腳，當(dāng)單片機(jī)判斷充電完畢后，P1.2管腳輸出低電平，光耦不導(dǎo)通，從而切斷MAX1898的電源輸入。③BEEP:單片機(jī)控制蜂鳴器的引腳。④5V:LM7805的輸出端，為+5V電壓。⑤5VIN:光耦輸出到MAX1898的電源輸出端，該端口的導(dǎo)通與否是通過(guò)單片機(jī)的GATE信號(hào)控制的。3．功能簡(jiǎn)介首先，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)出周期為4s的脈沖，單片機(jī)的INT0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)，在定時(shí)器程序中判斷單片機(jī)的計(jì)數(shù)值是否在4s左右，如果是，則通過(guò)控制P1.2和P1.3引腳關(guān)斷電源，并引發(fā)蜂鳴器報(bào)警。利用MAX1898、LM7805和AT89C2051單片機(jī)共同構(gòu)成的鋰離子電池充電器電路，具體的電路如圖3-8所示：圖3-8鋰離子電池充電電路第4章鋰電池充電器軟件設(shè)計(jì)4.1程序功能基于單片機(jī)AT89C2051和MAX1898的智能電池充電器的程序需要完成以下的功能：①通過(guò)CHG信號(hào)引起INT0外中斷。②在兩次中斷中使用T0計(jì)數(shù)，判斷是否充電完畢。③如果充電完畢，則控制P1.2和P1.3引腳，輸出低電平。4.2主要變量說(shuō)明程序中的變量及說(shuō)明如表4-1所示。表4-1變量及說(shuō)明變量說(shuō)明GATE單片機(jī)的P1.2口，控制電源的開(kāi)關(guān)BEEP單片機(jī)的P1.3口，控制蜂鳴器t_countT0的計(jì)數(shù)值int0_count外部中斷脈沖int0()外中斷0服務(wù)程序timer0()定時(shí)器0中斷服務(wù)程序4.3程序流程圖單片機(jī)控制的智能充電器的程序流程圖如圖4-1所示開(kāi)始開(kāi)始初始化while(1)圖4-1(a)等待外部信號(hào)輸入YY外部中斷入口Int0_count=0?啟動(dòng)定時(shí)器0：t_count=0返回Int0_count++N圖4-1(b)外部中斷程序YYNNNYY定時(shí)器0服務(wù)程序關(guān)閉T0計(jì)數(shù)重設(shè)計(jì)數(shù)初值3s<t_count<5s?Int0_count為1？充電完畢，蜂鳴器報(bào)警，切斷電源關(guān)閉T0中斷和外部0中斷返回啟動(dòng)T0計(jì)時(shí)充電出錯(cuò)圖4-1(c)定時(shí)器程序Int0_count=0?t_count++圖4-1智能充電器的程序流程圖外部中斷0設(shè)為邊沿觸發(fā)。程序的簡(jiǎn)單介紹：中斷第一個(gè)下降沿T0開(kāi)始計(jì)數(shù)第二次下降沿停止T0計(jì)數(shù)讀取T0計(jì)數(shù)器中斷返回結(jié)論與展望總結(jié)本論文描述了鋰離子電池快速充電過(guò)程的基本原理,設(shè)計(jì)了對(duì)單節(jié)4.2V鋰離子電池充電的充電器，它能夠快速完成鋰離子電池的充電過(guò)程。根據(jù)對(duì)鋰離子電池的充放電特性和充電控制方法的分析得出：鋰離子電池充電器常采用三段充電法，即預(yù)處理、恒流充電(快充)和恒壓充電(充滿)。開(kāi)始以設(shè)定的恒流充電，鋰離子電池的電壓以較高的斜率增長(zhǎng)，在充電過(guò)程中斜率逐步降低，充到接近4.2V時(shí)，恒流充電階段結(jié)束，接著以4.2V恒壓充電。在恒壓階段充電時(shí)，電壓幾乎不變(或稍有增加)，充電電流不斷下降。當(dāng)充電速率下降到0.1C時(shí)，表示電池已充滿，應(yīng)終止充電。沒(méi)有及時(shí)終止的話，此后最明顯的特征是電池溫度升高，發(fā)熱，在整個(gè)快充電過(guò)程中都應(yīng)當(dāng)注意電池的溫度，尤其是過(guò)充電時(shí)，鋰離子電池溫度過(guò)高，會(huì)造成過(guò)熱而損壞電池或發(fā)生爆炸。在鋰離子電池進(jìn)入恒壓充電狀態(tài)前，必須適時(shí)停止快速充電。為此，設(shè)計(jì)了此種鋰離子電池快速充電器,利用快速充電的方法，并在此基礎(chǔ)之上進(jìn)行電壓、溫度的檢測(cè)和控制來(lái)保證該充電器能對(duì)鋰離子電池進(jìn)行安全可靠而又快速的充電。本電路具有溫度保護(hù)功能,當(dāng)電池溫度過(guò)高時(shí),即刻停止快速充電,這樣就能避免過(guò)充電對(duì)鋰離子電池造成的損害.根據(jù)鋰離子電池的充電特性可知，鋰電池或充電器在電池充滿后應(yīng)當(dāng)停止充電，并不存在鎳電充電器所謂的持續(xù)10幾小時(shí)的“涓流”充電。也就是說(shuō)，如果你的鋰電池在充滿后，放在充電器上也是白充，反而會(huì)造成內(nèi)壓升高、電池發(fā)熱等現(xiàn)象，而我們誰(shuí)都無(wú)法保證電池的充放電保護(hù)電路的特性永不變化和質(zhì)量的萬(wàn)無(wú)一失，所以電池將長(zhǎng)期處在危險(xiǎn)的邊緣徘徊。這也是本次設(shè)計(jì)中當(dāng)充滿電后自動(dòng)斷開(kāi)充電的一個(gè)理由。此外，不可忽視的另外一個(gè)方面就是鋰電池同樣也不適合過(guò)放電，過(guò)放電對(duì)鋰電池同樣也很不利。展望目前一些大的廠家生產(chǎn)的手機(jī)充電器都具有以下特點(diǎn)：寬范圍AC輸入或多個(gè)電壓可選；具備限流保護(hù)，電流短路與反充保護(hù)線路設(shè)計(jì)；體積小、重量輕；自動(dòng)、快速充電，充滿電后自動(dòng)關(guān)斷等等。另外，有的充電器還有自動(dòng)識(shí)別鋰離子、鎳氫、鎳鎘電池組；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；具有放電功能；LED或LCD充電狀態(tài)顯示；低噪聲；模擬微電腦控制系統(tǒng)等特點(diǎn)。因此，設(shè)計(jì)一款真正由微電腦控制單片機(jī)控制，且價(jià)格低廉的智能控制充電器，成為各廠家努力的方向。致謝通過(guò)努力這次設(shè)計(jì)順利完成了，并最終定稿，看著自己的勞動(dòng)結(jié)晶，內(nèi)心充滿了感激，在此我要感謝我的指導(dǎo)老師生芳老師對(duì)我的悉心的指導(dǎo)，感謝老師給我的幫助。在設(shè)計(jì)過(guò)程中，生芳老師在百忙之中還擠出休息時(shí)間給我用電子郵件和電話的方式為我指點(diǎn)迷津，為我耐心講解，給我提供大量的資料和教我查閱資料的便捷方法，還經(jīng)常為我提供各方面的幫助，為我排憂解難。在這次畢業(yè)設(shè)計(jì)中許多同學(xué)也為我加油、鼓勁，也使我們的同學(xué)關(guān)系更進(jìn)一步，同學(xué)之間互相幫助，有什么不懂的大家在一起商量，聽(tīng)聽(tīng)不同的看法對(duì)我們更好的理解知識(shí)，所以，在此，我向各位老師及同學(xué)們表示我最衷心的感謝！同時(shí)，我也感謝我的所有任課老師，是他們把我?guī)肓穗娮訉W(xué)科學(xué)殿堂。在整個(gè)設(shè)計(jì)中我懂得了許多東西，也培養(yǎng)了我獨(dú)立工作的能力，樹(shù)立了對(duì)自己工作能力的信心，相信會(huì)對(duì)今后的學(xué)習(xí)工作生活有非常重要的影響。而且大大提高了動(dòng)手能力，使我充分體會(huì)到了在創(chuàng)造過(guò)程中探索的艱難和成功時(shí)的喜悅。雖然這個(gè)設(shè)計(jì)做的也不很好，但是在設(shè)計(jì)過(guò)程中所學(xué)到的東西是這次設(shè)計(jì)的最大收獲和財(cái)富，使我終身受益。我會(huì)帶著這份求學(xué)精神，帶著老師和同學(xué)們寄予我的厚望，好好地把握機(jī)會(huì)，在以后的生活、工作崗位上發(fā)揮自己最大的優(yōu)勢(shì)，實(shí)現(xiàn)自己的人生價(jià)值。作者:2010.6.15

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