于單片機智能電器控制原理設計

...v.本文由kexuelou337奉獻pdf文檔可能在WAP端瀏覽體驗不佳。建議您優(yōu)先選擇TXT，或下載源文件到本機查看。工業(yè)大學碩士學位論文基于單片機的智能電器控制原理及設計：郭東太申請學位級別：碩士專業(yè)：物理電子學指導教師：紅東20211001工業(yè)大學碩士學位論文基于單片機的智能電器控制原理及設計摘要智能電器是以微控制器/微處理器為核心，除具有傳統電器的切換、控制、保護、檢測、變換和調節(jié)功能外，還具有顯示、外部故障和部故障診斷與記憶、運算與處理以及與外界通信等功能的電子裝置。本文根據近年來便攜式電子產品的迅速增長，對電源管理的要求越來越高，設計了一款用于電源管理的智能電器。首先對廣泛采用的電源鋰電池的化學原理進展了介紹，通過實驗得出在不同影響因素下充放電時鋰離子電池電壓與容量的關系，另外還就充放電電流，過充，過放，及過溫對鋰電池的影響進展了討論。在對鋰離子電池特性實驗分析的根底上，進展了智能電器電路設計和軟件程序編寫。設計的電源管理局部具備了充電過程的控制，結合Atmel公司的AT89C52單片機管理功能，包括：溫度控制、時間控制、電源關斷、蜂鳴報警和液晶顯示等，可以完成一個較為實用的電源管理系統。為了保護數據，抑制干擾，進展了看門狗監(jiān)測電路功能設計，保證了智能電器工作的可靠性。最后對智能電器進展了測試實驗。結果說明智能電器能夠實現設計的全部功能。能夠提供預期圍的預充電流和終止充電電流，恒流充電時的電流值在設計圍，恒壓充電時，能夠提供較理想的電池端壓。同時，也實現了相應的過溫保護功能，及其出錯報警等功能。關鍵詞：智能電器，電源管理，鋰電池，AT89C52I基于單片機的智能電器控制原理及設計THEINTELLIGENTCONTROLTHEORYANDDESIGNOFELECTRICALAPPARATUSBASEDONMCUABSTRACTIntelligentapparatusbasedonmicrocontrollerandmicroprocessorcore,notonlyhavefunctionsoftraditionalelectricalswitches,control,protection,detection,transformationandadjustment,butalsohaveshownthattheexternalandinternalfaultandthefaultdiagnosisofmemory,andprocessingoperations,aswellasmunicationwiththeoutsideworld,andotherfunctionsofelectronicdevices.Basedontherapidgrowthoftheportableelectronicsinrecentyears,powermanagementhavebeeincreasinglydemanding,thearticledesignsaintelligentpowermanagementforelectricalapparatus.Firstofall,thearticleintroducesthechemicalprincipleoflithiumbatteries,andthencarriesouttheexperimentsofthebatterychargeanddischargeindifferentfactors,findingouttherelationshipbetweenthebatteryvoltageandcapacity.Inaddition,discussingthechargeanddischargecurrent,charge-off,take-off,andover-temperaturetotheimpactoflithiumbatteries.Onthebasisofanalysisofthelithium-ionbatterycharacteristicsexperiments,carryoutaintelligentelectricalcircuitdesignandsoftwareprograms.Designofpowermanagementhassomecontroloverthechargingprocess,binedwithAtmel'sAT89C52single-chipmanagementcapabilities,includingtemperaturecontrol,timecontrol,poweroff,beepalarmandliquidcrystaldisplay,andsoon,canbeamorepracticalpowermanagementsystem.Inordertoprotectthedata,interferencesuppression,thewatchdogfunctionofmonitoringcircuitdesignensuresthattheworkoftheintelligentapparatus.Finally,intelligentapparatustestingresultsshowthattheintelligentapparatusdesignedachievesfullfunctionality.Itcanbeexpectedtoprovidethescopeofthepre-chargecurrentandterminatingchargecurrent;thecurrentvalueisinthedesignwhenchargingcurrentanditcanprovideabetterbattery-sidepressurewhenchargingvoltage.ASwellastherealizationofthecorrespondingover-temperatureprotection,andotherfeaturessuchasalarmerror.KEYWORDS:intelligentapparatus,powermanagement,lithiumbatteries,AT89C52II工業(yè)大學碩士學位論文第一章引言§1-1智能電器概述1-1-1智能電器定義電器在國民經濟的各部門和國防領域均占有非常重要的位置，起著不可或缺的作用。電器的主要發(fā)展趨勢是高性能、高可靠、小型化、電子化、數字化、組合化、集成化、多功能化、智能化及可通信化/網絡化，其核心是智能化和網絡化[1][2]。關于智能電器的定義或闡釋已有很多，這里從構成智能電器的核心部件及其功能出發(fā)，給出智能電器的定義：智能電器是以微控制器/微處理器為核心，除具有傳統電器的切換、控制、保護、檢測、變換和調節(jié)功能外，還具有顯示、外部故障和部故障診斷與記憶、運算與處理以及與外界通信等功能的電子裝置。該定義指出，智能電器的核心部件為微控制器/微處理器；與傳統電器相比，智能電器的功能有“質〞的飛躍；智能電器是電子裝置，而傳統電器是電氣設備。1-1-2智能電器的種類從大的方面講，智能電器可分為智能電器元件/裝置、智能開關柜和智能供配電系統；從電力系統的一次設備和二次設備的角度講，智能電器可分為二次智能設備(如智能測控裝置、智能保護裝置)和一次智能設備(如智能開關、智能開關柜、智能箱式變電站)。1-1-3智能電器所涉及的技術智能電器是在傳統電器的根底上開展起來的，因此智能電器所涉及的理論首先是傳統電器的理論。此外，智能電器還涉及以下技術，這里只對本文涉及的微控制器技術和電磁兼容技術作重點介紹，其它技術只簡要介紹。1)電子技術電子技術包括模擬電子技術和數字電子技術，或稱為根底電子技術和集成電子技術。2)微處理機/微控制器技術微處理機/微控制器技術主要包括微處理機/微控制器的硬件構造、指令系統、中斷系統、定時器/計數器、串行口，程序存儲器和數據存儲器的擴展、I/O接口的擴展，鍵盤、顯示器、撥盤、打印機的接口設計，D/A、A/D的接口設計，隔離與驅動(功率)電路設計，微處理機/微控制器程序設計、應用系統可靠性設計。3)檢測與轉換技術檢測與轉換技術主要有：誤差理論；電量測量技術；非電量測量方法；檢測信號的處理與轉換技術。4)數字信號處理技術數字信號處理技術主要包括信號的描述及其分類、信號的分解，正交函數，傅立葉變換，連續(xù)時間系統的傅立葉分析，連續(xù)時間信號的采樣，離散傅立葉級數、離散傅里葉變換、快速傅里葉變換，數字濾波器的原理、構成與設計。5)電磁兼容技術電磁兼容性(Electromagneticpatibility，EMC)是指設備或系統在其電磁環(huán)境中能正常工作1[3][4][3]基于單片機的智能電器控制原理及設計且不對該環(huán)境中任何事物構成不能承受的電磁騷擾的能力。電磁兼容包括電磁干擾(EMI)和電磁敏感度(EMS)兩局部，其技術主要包括電磁干擾與電磁環(huán)境，電磁干擾的耦合與傳播，屏蔽理論及其應用，孔縫泄漏的預制措施，接地技術與搭接技術，濾波技術及其應用，電磁兼容標準與規(guī)，電磁兼容性分析與設計，電磁兼容性試驗與測量。6)現場總線技術現場總線(Fieldbus)是當今3C技術，即通信(munication)、計算機(puter)、控制(Control)技術開展的結合點，是電氣工程與自動化領域技術開展的熱點之一。7)數據庫技術/高級語言編程技術在構建智能供配電系統等現場總線系統時需用到數據庫技術/高級語言編程技術。換言之，對于開發(fā)智能電器系統來說，需要用到更多的計算機技術。8)人工神經網絡(ANN，ArtificialNeuralNetworks)人工神經網絡是人工智能技術的一種，它具有優(yōu)秀的學習能力，現已被廣泛應用于模式識別、分類辨識、信號處理、圖像處理、控制與優(yōu)化、計算機科學、機器人、預報和智能信息管理等領域。9)數學形態(tài)學(MM，MathematicalMorphology)數學形態(tài)學以集論根底，是幾何形態(tài)分析和描述的有力工具，目前已廣泛應用于信號處理、圖像處理等工程領域。§1-2本文研究的智能電器目前，電源管理已成為電子系統中必不可少的技術。便攜電子產品的迅速增長是電源管理技術開展的最主要推動力。便攜電子設備包括移動蜂窩和無繩、無線接收機、手持式收發(fā)信機、計算器、筆記本電腦、測試設備、醫(yī)療設備和由蓄電池供電的其他設備等。便攜式電子設備對電源的要求有以下幾點：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)充電次數多，使用壽命長，價格也越來越低等諸多優(yōu)點，使得選用鋰離子電池供電的便攜式產品越來越多。然而鋰離子電池也存在一些缺乏，主要在于對充電控制器要求比較苛刻，需要保護電路。為有效利用電池容量，需將鋰離子電池充電至最大電壓，但是過壓充電會造成電池損壞，這就要求較高的控制精度。另外，對于電壓過低的電池需要進展預充，充電控制器最好帶有熱保護和時間保護，為電池提供附加保護。充電方式的選擇直接影響著電池的使用效率和使用壽命，充電技術近年來開展非常迅速。充電控制器的開展經歷了三個階段: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，其壽命表述就是時間，沒有次數，比方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開展的第二階段，這種模式的充電控制器占據了充電控制器市場近半個世紀。首先，以恒電流充電至預定的電壓值，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承受能力，造成充電效率低，大大降低了電池的壽命。3)自適應智能充電控制器隨著大規(guī)模集成IC的出現，充電設備進入了一個全新的自適應、智能階段，即稱為第三代充電控制2[7][6][5]工業(yè)大學碩士學位論文器。自適應充電控制器遵循各類電池的充、放電規(guī)律進展充、放電。并且具有溫度補償功能。充電系統由具有特殊功能的單片機控制，不斷檢測系統參數，按模糊推理算法不斷調整充電參數，同一充電控制器可適應不同種類電池的充電，充電控制器自適應調整自己的輸出電流，無需人工選擇，防止操作失誤。目前市場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停頓會使電池發(fā)燙，過度的過充會嚴重損害電池的壽命。也有一些低本錢的充電控制器采用電壓比較法，為了防止過充一般充電到90%就停頓大電流快充，采用小電流涓流補充充電。一般地，為了使得電池充電充分，容易造成過充，表現為有些充電控制器在充終了時電池經常發(fā)燙(電池在充電后期明顯發(fā)燙一般說明電池已過充)。對電池經常出現過充和欠充的缺點已越來越不能滿足們的需要。鋰電池的使用壽命和單次循環(huán)使用時間與充電維護過程和使用情況密切相關。一部好的充電控制器不但能在短時間將電量充足，而且對電池還能起到一定的維護作用，修復由于使用不當而造成的記憶效應，即容量下降(電池活性衰退)現象。因而傳統的普通充電控制器存在明顯的缺乏?；谝陨蠁栴}的提出與分析本文將設計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用戶的需要智能控制充電進程，并且在充電過程中能對被充電電池進展保護從而防止過電壓和溫度過高的一種智能化充電控制器。單片機控制的智能充電器，具備業(yè)界公認較好的-⊿V檢測，可以檢測出電池充電飽和時的電壓變化信號，比較準確地完畢充電工作。這些充電器芯片往往具備了充電過程的控制，加上單片機管理功能，包括：溫度控制、時間控制、電源關斷、蜂鳴報警和液晶顯示等，可以完成一個較為實用的智能充電控制器。隨著電子技術的開展，芯片體積小型化及其價格的降低，智能充電控制器大規(guī)模的批量生產已經成為可能。而智能充電控制器具有操作簡單、可靠性高和通用性強等優(yōu)點，是充電控制器家族中一個重要的組成局部，也是未來充電控制器開展的主要方向。因此，對充電控制器智能化的研究與應用具有深遠的現實意義。[6]§1-3本課題的主要工作本文實現基于單片機控制的智能電器設計，這里主要針對鋰離子電池的智能電源管理控制器設計。根據鋰電池的特點，要求智能控制器的最根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間，同時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的平安；二是要求為增加電池的充放次數及使用壽命，當中包括對過放(over-discharged)的電池減少充電電流，對電池電壓的檢測或電池容量的檢測，輸入電流的限制，電池充飽時關閉智能控制器，對充飽電池經過一段時間漏電后能自動再充電功能，充電狀態(tài)的指示，外部智能控制器的開關控制等。1)首先介紹鋰離子電池的化學原理，充放電原理及特性。在這一局部通過實驗分析驗證了鋰離子電池電壓在不同放電率下與電池容量的關系，環(huán)境溫度與電池放電容量的關系，并進一步分析論述了充放電電流對鋰離子電池的影響，放電率對電池壽命的影響，過充過放及過溫對鋰離子電池的危害。2)然后為智能電器設計進展選型并設計其硬件電路和軟件局部，以實現其智能功能。這里在充電電路設計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)缺點上，考慮到雖然恒流恒壓充電需要復雜得多的電路來實現，但由于其充電時間短，充電效率高，因此本文所設計的智能電器充電控制局部將采用恒流恒壓充電方法。智能電源管理控制器設計包括三局部：控制電路，充電電路，顯示等外圍電路。并完成這三局部相關的程序設計。實現智能充電，液晶顯示，看門狗功能。智能電器工作時不可防止會受到外界的干3[8]基于單片機的智能電器控制原理及設計擾，這些干擾輕那么導致系統部數據出錯,重那么將嚴重影響程序的運行。為了保護數據，抑制干擾，在單片機智能系統的開發(fā)過程中需要進展可靠性設計。這里看門狗功能設計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鋰離子電池充電的實驗結果，并對結果進展分析論述，以期提出缺乏和可能的改進措施。4工業(yè)大學碩士學位論文第二章鋰電池的原理及電特性實驗本文設計的智能電源管理控制器主要針對鋰電池，因此有必要對鋰電池的構造和特性進展必要的討論和實驗。本章對鋰電池化學原理作了簡要介紹，并對其電特性進展了相關實驗還就鋰電池在使用過程中必須注意的問題進展了說明?！?-1鋰電池的化學原理鋰電池主要分為兩大類：一次鋰電池和二次可充電鋰電池。一次鋰電池不可充電，只適用于某些特殊的場合，在這里不作詳細的介紹。二次可充電鋰電池，主要包括鋰離子電池(Lithium-Ion)和鋰聚合物電池(Lithium-Polymer)。由于鋰離子電池和鋰聚合物電池的特性根本一致，所以接下來選取鋰離子電池作為我們討論的對象[9][10]。鋰是元素周期表中原子量最小(6.94)、比重量小(0.5349/cm3，20℃)、電化學當量最小(0.26g/(Ak))、電極電勢最負(-3.045V)的金屬。鋰作為負極的鋰電池具有開路電壓高(3V以上)，比功率高(超過200whk-和400wkL-1)，放電電壓平穩(wěn)，適用圍大和使用壽命長等特點從負極轉移到正極，如圖2.1所示[12]1[11]。所謂鋰離子電池，是在正極和負極中采用可以容納鋰離子的晶狀構造活性材料，使鋰離子隨著充放電從正極轉移到負極或者。圖2.1鋰離子電池的構造示意圖Fig2.1Lithium-ionbatterystructurediagram電池通過鋰金屬氧化物正極產生的鋰離子在負極碳材中的嵌入與遷出來實現電池的充放電過程。當對電池進展充電時，電池的正極上有鋰離子生成，生成的鋰離子經過電解液運動到負極。而作為負極的碳呈層狀構造，它有很多微孔，到達負極的鋰離子就嵌入到碳層的微孔中，嵌入的鋰離子越多，充電容量越高。同樣道理，當對電池進展放電時(即使用電池的過程)，嵌在負極碳層中的鋰離子脫出，又運動回到正極?；氐秸龢O的鋰離子越多，放電容量越高。通常所說的電池容量指的就是放電容量下[13][10]。一般鋰離子電池的負極由碳(C)材料構成，正極由鋰金屬氧化物(LiMO2)構成，主要的化學反響如：5基于單片機的智能電器控制原理及設計負極反響：Li+e+6CLiC6正極反響：LiMO2Li(1x)MO2+xLi+xe++總反響式：LiMO2+6xCLi(1x)MO2+xLiC6對于鋰離子電池，使用不同的活性材料，包括電池的正極材料，負極材料和電解質，電池的性能特性也會有所區(qū)別。負極材料中，目前常用的有焦碳和石墨。其中，石墨由于低本錢、低電壓〔可以得到高的電池電壓〕、高容量和高可恢復的優(yōu)點，被廣泛采用。、〔LiNiO2〕、正極材料中，主要以鋰金屬氧化物為主。目前常用的有鋰鈷氧化物〔LiCoO2〕鋰鎳氧化物鋰錳氧化物〔LiMn2O4〕以及納米錳氧化物。其中，鋰鈷氧化物具有電壓高、放電平穩(wěn)、適合大電流放電、比能量高、循環(huán)性好的優(yōu)點，并且生產工藝簡單、電化學性質穩(wěn)定，其作為鋰離子電池的正極材料，適合鋰離子的嵌入和脫出。鋰鎳氧化物自放電率低，沒有環(huán)境污染，對電解液的要求較低,與鋰鈷氧化物相比，具有一定的優(yōu)勢。鋰錳氧化物優(yōu)點是穩(wěn)定性好，無污染，工作電壓高、本錢低廉。鋰離子電池中的電解質使用有機溶劑作為鋰離子的傳輸介質。鋰離子電池對電解質溶劑的要：高導電性、高分解電壓、無污染、平安。通常用鋰鹽作為有機溶液。目前使用的鋰鹽主要有LiClO4、LiAsF6、LiPF6等[14]。[15]在正、負極、電解質三者中任何一種使用高分聚合物的鋰離子電池就可以成為鋰聚合物電池?，F在常見的是使用高分子膠體取代常規(guī)液體電解質的鋰聚合物電池效應，更重要的是，鋰聚合物電池可以制成任意形狀的多，因此更加平安。[16]。鋰聚合物電池不僅具有鋰離子電池的優(yōu)點，即體積小、重量輕、能量密度高、自放電小、無記憶。鋰聚合物電池中的電解液比鋰離子電池要少§2-2鋰電池的電特性實驗2-2-1電池電壓鋰離子電池的開路電壓與電池的正負極材料、電池的充電狀態(tài)有關。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[17]可以看出，鋰離子電池的電壓相當于鎳鎘、鎳氫電池的三倍，也就是說，為了得到同樣的電池組端電壓，鋰離子電池的使用數目只有鎳鎘、鎳氫電池的1/3，大大減少了電池的數目，簡化了電池組的設計、增加了整個電池組的穩(wěn)定性。表2.1電池工作電壓Table2.1Batteryvoltage電池種類鎳鎘電池鎳氫電池鋰離子電池充電電壓〔V〕1.431.434.2額定電壓〔V〕1.21.23.6放電終止電壓〔V〕1.111.112.75但是鋰離子電池對電壓精度的要求很高，誤差不能超過1%。如果電池的終止充電電壓是4.2V，那么允許的誤差圍就是0.042V。終止電壓過高，將會影響鋰離子電池的壽命，甚至造成過充現象(Overcharge)，對電池造成永久性的損壞：終止電壓過低，又會使充電不完全，電池的可使用時間變短。6工業(yè)大學碩士學位論文實驗測得充放電時電池電壓隨電池容量變化的關系。如圖2.2，電池終止電壓為4.1V?？梢园l(fā)現充電時電池的端壓要比放電時高，這是因為電池本身和充放電回路上有一定的電阻。圖2.2電池電壓與容量的關系Fig2.2Therelationshipbetweenthebatteryvoltageandcapacity我們把電阻等效為Rd，如圖2.3，那么充電時的端電壓表達式為：VO=Vcell+RdIcharge相應的，放電時端電壓表達式為：(2.1)(2.2)VO=Vcell-RdIcharge圖2.3電池充放電等效回路Fig2.3Batterycharginganddischargingequivalentcircuit從這兩個公式可以看出，在充電和放電時(這里假設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勢，而是加上了電池組阻的影響。實驗同時測得不同的放電率下，電池電壓的變化。放電率越大，相應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。7基于單片機的智能電器控制原理及設計圖2.4不同放電率下，電池電壓與容量的關系Fig2.4Indifferentdischargerate,therelationshipbetweenthebatteryvoltageandcapacity鋰離子電池的使用環(huán)境溫度圍比較寬，可以到達-20～60℃。但是環(huán)境溫度對電池的放電容量有很大影響。實驗測得環(huán)境溫度對電池放電的影響，如圖2.5所示。采用0.2C放電速率，當環(huán)境溫度為25℃時，可放出額定容量；當環(huán)境溫度為-5℃時，電池容量下降約5%。電池放電曲線隨溫度的變化如圖2.5所示。圖2.5溫度為參變量的放電曲線〔電池容量為650mAh〕Fig2.5Temperatureparameterforthedischargeofthecurve2-2-2電池壽命鋰離子電池和其他電池一樣，也存在使用壽命的問題。在正確使用的前提下，容量也會隨著循環(huán)8工業(yè)大學碩士學位論文次數慢慢減少。造成這一現象的原因主要有一下兩點：1)負極材料(石墨)中的鋰逐漸被電解質氧化，造成可使用的鋰離子數目減少。2)在循環(huán)中，正極材料的老化，降級，使晶狀構造慢慢遭到破壞，可容納的鋰離子數目減少。圖2.6表示了不同循環(huán)次數下電池容量的變化。圖2.6電池在1C的放電率下容量隨循環(huán)次數的變化Fig2.6Inbatterydischargerateof1Cthecapacitychangeswiththenumberofcycles2-2-3充放電電流鋰離子電池對充放電的最大電流都有一定的限制。充電時，一般常用的充電率為0.25C～1C〔C為電池的容量，比方1500mAh的鋰離子電池，1C的充電率即為1500mA〕檢測電池的溫度，以防過熱損壞電池或產生爆炸。同樣的，鋰離子電池的最大放電電流一般限制在2～3C左右，更大的放電電流會使電池發(fā)熱嚴重，對電池的組成物質造成損壞，影響電池的使用壽命。同時，大電流放電還將影響電池能放出的容量，因為一局部能量轉化成了熱能。2-2-4過充，過放及過溫現象當加在鋰離子電池兩端的電壓超過4.5V時，就會產生過充現象。過充時負極的石墨嵌入的鋰離子完全飽和，鋰將在負極沉積下來，形成鋰枝晶，使電池的容量減少；同時電池繼續(xù)從正極抽出過量的鋰離子，造成正極材料的活性降低，也會對電池的容量造成損害。過放現象那么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。過放時，電極產生晶枝，電路迅速短路。雖然此時由于電池已經完全放電，不會造成平安方面的問題，但是電池也已經遭到了不可恢復的破壞，不能再繼續(xù)使用了。過溫時，鋰離子電池中的活性物質(LiC6，LiNiO2)與電解液可能會發(fā)生化學反響，產生更多的熱量。而電解質中存在可燃的有機溶劑成分。在這種情況下，電池溫度將失去控制越來越高，最終導致電池燃燒，甚至爆炸[19][20][21][18]。在大電流充電時，還應。9基于單片機的智能電器控制原理及設計2-2-5小結本章簡要介紹了鋰離子電池的化學原理，然后實驗分析論證了鋰離子電池的電特性：1)由充放電實驗電池電壓與電池容量的關系，說明充電時電池的端壓要比放電時高。這是因為電池本身和充放電回路上有一定的電阻。所以在計算充放電端電壓時，不要忘記阻值的影響。2)實驗不同放電率下鋰離子電池電壓的變化。結論說明放電率越大，相應剩余容量下的電池電壓就越低。3)環(huán)境溫度對電池放電的影響實驗，結論說明溫度較低時，放電容量有所下降。另外還就循環(huán)次數，過充，過放，及過溫對鋰離子電池的影響和危害進展了討論。根據電池的這些特點，可以通過設計一個完整的智能充放電管理系統來使電池的使用壽命和性能到達最優(yōu)化。10工業(yè)大學碩士學位論文第三章智能電器的主體設計§3-1電源管理方案充電管理是電源管理系統的重要組成局部，它對電池的特性及壽命有著至關重要的影響。隨著電源技術的不斷開展，充電的手段越來越豐富，充電方式對電池及應用環(huán)境的針對性也越來越強。目前鋰電池充電主要有四種方法1〕恒流充電〔CC〕恒流充電根據其充電電流的大小，又可分為浮充充電〔又稱涓流充電〕、標準充電及快速充電。該方法在整個充電過程中采用恒定電流對電池進展充電，如圖3.1所示。這種方法操作簡單，易于做到，特別適合對由多個電池串聯的電池組進展充電。但由于鋰電池的可承受電流能力是隨著充電過程的進行而逐漸下降的，在充電后期，假設充電電流仍然不變，充電電流多用于電解質，產生大量氣泡，這不僅消耗電能，而且容易造成極板上活性物質脫落，影響鋰電池的壽命。[22]：恒流充電、恒壓充電、恒流恒壓充電和脈沖充電。圖3.1恒流充電法曲線Fig3.1Constantcurrentchargecurve2〕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間里保持恒定的數值，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大，這樣對鋰電池的壽命會造成很大影響。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，充電通過恒定電流開場。在恒流充電CC周期中，為了防止過度充電而不斷監(jiān)11基于單片機的智能電器控制原理及設計視電池端電壓。當電壓到達設定的端電壓時，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度進展充電，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，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。脈沖充電法是從對電池的恒流充電開場的，大局部的能量在恒流充電過程中被轉移到電池部。當電池電壓上升到充電終止電壓VCV后，脈沖充電法由恒流轉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一樣的電流值間歇性的對電池進展充電。每次充電時間為TC后,然后關閉充電回路。充電時由于充電電流的存在，電池電壓將繼續(xù)上升并超過充電終止電壓VCV；當充電回路被切斷后，電池電壓又會慢慢下降。電池電壓恢復到VCV時，重新翻開充電回路，開場下一個脈沖充電周期。在脈沖充電電流的作用下，電池會漸漸充滿，電池端壓下降的速度也漸漸減慢，這一過程一直持續(xù)到電池電壓恢復到VCV的時間到達某個預設的值TO為止，可以認為電池已接近充滿，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雜得多的電路來實現，但由于其充電時間短，充電效率高，因此在鋰離子電池充電中占主導地位。本文所設計的智能電器充電控制局部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)12[23]：工業(yè)大學碩士學位論文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，線路較為復雜及需較大的電感電容等被動組件，其電路復雜且本錢較高；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)，價格較昂貴且大局部的ACAdapter不具此功能；線性式的充電控制器其周邊組件不會占過多的電路板面積，只需小局部額外的面積以利晶體管的散熱即可，本錢較小，盡管與前二種相比其效率略差，但性價比較高本文采用線性式充電方式。一般有兩種方法實現電路的智能化控制。一種是利用集成電路芯片來實現控制。目前市場上有很多廠家生產的集成芯片，能夠以相對不高的本錢完成各種充放電和保護功能。但是集成電路的應用場合比較窄，一般限于小容量的單、雙節(jié)電池的控制。當需求功率較大，電池串并聯數目較多時，集成電路就無能為力了。另一種方法就是采用單片機系統。單片機系統稍顯復雜，但是其靈活性是集成電路無法比擬的。特別是在有特殊需求的場合，單片機系統更能表達出它的優(yōu)勢。綜合考慮，我們選用ATMEL公司生產的AT89C52單片機[25][24]。綜合三種充電方式的優(yōu)缺點，。AT89C52含有非易失FLASH、并行可編程的程序存儲器，所有器件都是通過引導裝載器串行編程(ISP)。該單片機采用先進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指令一樣。圖3.5是AT89C52的部功能框圖。AT89C52的特性包括：●80C51中心處理單元；●片FLASH程序存儲器；●速度可達33MHz；●全靜態(tài)操作；●RAM可擴展到64K字節(jié)；●4級中斷；●6個中斷源；●4個8位1/0口；●全雙工增強型UART●幀數據錯誤檢測；●自動地址識別；●電源控制模式；●時鐘的停頓和恢復；●空閑模式；●掉電模式；●可編程時鐘輸出；●雙DPTR存放器；●低EMI(制止ALE)；●3個16位定時器；●外部中斷可以從掉電模式中喚醒。由于AT89C52具有8k片FLASH程序存儲器，所需擴展片外ROM，而且與80C51系列單片機指令一樣，因此非常適合用做智能管理系統的中心控制單片機。13基于單片機的智能電器控制原理及設計圖3.5AT89C52部功能框圖Fig3.5AT89C52internalfunctionblockdiagram智能電源管理控制器設計包括三局部：1)控制電路控制電路主要包括單片機及其外部的擴展電路。其主要作用是控制充電電路的工作，同時對充電電池各項反響的數據(如電流、電壓和溫度等)進展處理。同時它還起著人機交互的作用(接收用戶發(fā)出的各種指令來控制充電),并將顯示的數據送至顯示電路。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動芯片。其主要作用是方便用戶對智能控制器的操作和直觀地了解智能控制器的工作進程。其它外圍電路由報警和傳感器等電路構成。出于功能、性價比的考慮本文采用MAX1898作為充電管理芯片，MAX1898為線性式充電芯片；選用AT89C2052單片機作為電源管理控制器的主芯片，單片機負責輸電的控制和提示，智能電源管理控制器在單片機的管理下，能夠完成充電管理、充滿自停和充完顯示及報警等功能。MAX1898是性價比較高的線性充電芯片，其輸入電壓圍為4.5V～12V；具有置檢流電阻；0.75%電壓精度；可編程充電電流；輸入電源自動檢測；LED充電狀態(tài)指示；檢流監(jiān)視輸出等根本特點[26]。MAX1898外接限流型充電電源和P溝道場效應管，可以對單節(jié)鋰離子電池進展平安有效的快充，其最大特點是在不使用電感的情況下仍能做到很低的功率耗散，可以實現預充電，具有過壓保護、溫度保護和最長充電時間限制等優(yōu)點為鋰離子電池提供保護。MAX1898的典型充電電路如圖3.6所示[27]。輸入電流調節(jié)電路用于限制電源的總輸入電流，包括系統負載電流與充電電流，當檢測到輸入電流大于設定的限流門限時，通過降低電池充電電流可到達控制輸入電流的目的。因為系統工作時電源電流的變化圍較大，如果控制器沒有輸入電流檢測功能，那么輸入電源必須能夠提供最大負載電流與最大充電電流之和，這將使電源的本錢增高、體積增大，而利用輸入限流功能那么能夠降低控制器對直流電源的要求,同時也簡化了輸入電源的設計。14工業(yè)大學碩士學位論文圖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通過外接的場效應管提供鋰電池的充電接口。兩者關系為：3)充電時間的選擇：MAX1898充電時間tCHG可選擇通過外接的電容CCT大小決定的。CCT=34.33×tCHG式中，tCHG的單位為小時，CCT的單位為nF?？梢圆捎脝纹瑱C設定最大充電時間。(3.1)標準的充電時間為1小時，最大不要超過2小時，根據這個標準，可以計算得到外接電容的容值。也4)設置充電電流：MAX1898充電電流在限制電流的模式下，可以通過選擇外接的電阻阻值RSET大小決定。關系式如下：IFSTCHG=1400RSET式中，RSET的單位為，IFSTCHG的單位為A。(3.2)當充電電源和電池在正常的工作溫度圍時，插入電池將啟動一次充電過程；充電完畢的條件是平均的脈沖充電電流到達快充電流的1%，或者是充電時間超出片上預置的充電時間。MAX1898能夠自動檢測充電電源，沒有電源時自動關斷以減少電池的漏電。啟動快充后翻開外接的P型場效應管，當檢測到電池電壓到達設定的門限時進入脈沖充電方式，P溝道場效應管翻開的時間會越來越短，充電完畢時，LED指示燈將會呈現周期性的閃爍?！?-2智能電器電路設計3-2-1硬件設計在單片機和MAX1898控制下,充電過程分為預充、快充、滿充、斷電和報警5個局部。主要原理如圖3.3和3.4所示：15基于單片機的智能電器控制原理及設計圖3.3單片機控制局部原理圖Fig3.3Thesingle-chipcontrolschematic圖3.4充電局部電路圖Fig3.4Partofchargingcircuit1)預充16工業(yè)大學碩士學位論文在安裝好電池后，接通輸入直流電源，當控制器檢測到電池時那么將定時器復位，單片機輸入高電平，充電芯片啟動，從而進入預充過程，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、溫度恢復到正常狀態(tài)。預充時間由充電控制器確定，如果在規(guī)定的充電時間電池電壓到達標準以上，電池溫度正常，充電進入快充過程；如果電池電壓低于標準，那么認為電池不可充電，控制器顯示電池故障。2)快充快充過程也稱恒流充電，此時控制器以恒定電流對電池充電。根據電池廠商推薦的充電速率，一般鋰離子電池大多項選擇用標準充電速率，充滿電池需要1個小時左右的時間。恒流充電時，電池電壓將緩慢上升，一旦電池電壓到達所設定的終止電壓，恒流充電終止，充電電流快速遞減，充電進入滿充過程。3)滿充在滿充過程中，充電電流逐漸衰減，直到充電速率降到設置值以下或滿充時間超時，轉入頂端截止充電；頂端截止充電時，控制器以極小的充電電流為電池補充能量。由于控制器在檢測電池電壓是否到達終止電壓時有充電電流通過電池阻，盡管在滿充和頂端截止充電過程中充電電流逐漸下降，減小了電池阻和其他串聯電阻對電池端電壓的影響，但串聯在充電回路中的電阻形成的壓降仍然對電池終止電壓的檢測有影響，一般情況下，滿充和頂端終止充電可以延長電池5%～10%的使用時間。4)斷電當電池正常充滿后，MAX1898芯片的2引腳發(fā)送的脈沖電平將會被單片機檢測到，引起單片機的中斷，在中斷中判斷出充電完畢的狀態(tài)。由單片機將通過P2.0口輸出控制MAX1898芯片EN/OK腳，控制器停頓充電，從而保證芯片和電池的平安，同時也減小功耗。同樣當電池因短路或斷路不可充電時，也由單片機控制停頓充電并顯示電池故障。5)報警當電池充滿后，MAX1898芯片本身也會向外接的LED燈發(fā)出指令，LED燈會閃爍。同時單片機在檢測到充滿狀態(tài)的脈沖后，或檢測到電池故障不僅會自動切斷MAX1898芯片的供電，而且會通過蜂鳴器報警，提醒用戶及時取出電池。監(jiān)測MAX1898的輸出信號CHG,當MAX1898將要完成充電時，該引腳會發(fā)出1.5HZ信號的脈沖，單片機的INTO引腳接收中斷后，產生中斷，并使用單片機的T0計數器開場計數，當下一個脈沖到來時，在外中斷程序中判斷單片機的計數值是否在4S左右，如果是，那么通過控制P1.2輸出控制MAX1898芯片EN/OK腳,控制器停頓充電，并引發(fā)蜂鳴器報警。3-2-2軟件設計當MAX1898完成充電時，其/CHG引腳會產生由低到高的跳變，該跳變引起單片機的INT0中斷。/CHG的輸出為高存在3種情況：一是電池未放進充電器上或無充電輸入；二是充電完畢；三是充電出錯。前兩種情況單片機都可以直接控制電源切斷，所以程序只需對待第三種充電出錯的情況即可。該局部程序流程圖如以下圖3.5：17基于單片機的智能電器控制原理及設計圖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IIFig3.5IntelligentcontrolprogramflowchartII18工業(yè)大學碩士學位論文圖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;}/*定時器0中斷效勞子程序*/19基于單片機的智能電器控制原理及設計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效勞子程序*/voidint0()interrupt0using1{if(int0_count==0){TH0=-5000/256;TL0=-5000%256;TR0=1;t_count=0;}int0_count++;}20工業(yè)大學碩士學位論文第四章智能電器外圍電路設計§4-1液晶顯示模塊設計4-1-1GXM12864簡介液晶顯示器〔LCD〕已經經歷了幾代開展，其應用從第一代的以TN-LCD為代表的電子手表，計算器到第二代的以STN-LCD為代表的快譯通，商務通，家電設備，測量設備以及今天正繼續(xù)開展的第三代TFT-LCD以便攜式同臺計算機與多媒體顯示為代表的用于高級信息社會的各種辦公室自動化與新型信息傳遞設備[28]。[29]本論文采用了含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技術實現的點陣圖形LCD模塊，有8位的微處理器接口，通過部的128*64位映射DDRAM〔DisplayDataRAM〕實現128*64大小的平板顯示。該液晶顯示模塊使用KS0108B作為列驅動器，同時使用KS0107B作為行驅動器。KS0107B不與單片機發(fā)生聯系，只要提供電源就能產生行驅動信號和各種同步信號。這樣的配置大大簡化了設計，節(jié)約了單片機的資源。1〕GXM12864的部邏輯電路圖[30]GXM12864的部邏輯電路圖如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選通組合信號為/CSA，/CSB=01選通KS0108B[1]，/CSA，/CSB=10選通KS0108B[2]，為其它值時制止選通，總線處于高阻態(tài)。圖4.1GXM12864的部邏輯電路圖Fig4.1GXM12864internallogiccircuit21基于單片機的智能電器控制原理及設計圖4.2KS0108B的部邏輯電路圖Fig4.2KS010Binternallogiccircuit2〕GXM12864的引腳定義GXM12864共有20個引腳。其中DB0-DB7是8位雙向數據總線，它的方向由讀寫控制腳R/W來決定，高電平為讀，此時數據出現在總線上，可以由CPU讀走；低電平為寫，可以寫入8位數據。E為使能信號腳，在E的下降沿數據被鎖存在KS0108B，在E高電平期間數據被讀出。D/I是數據指令選擇腳，為高電平表示數據操作，低電平表示寫指令或讀狀態(tài)。GXM12864引腳定義如表4.1所示：表4.1GXM12864引腳說明Table4.1GXM12864pinsnote引腳名稱/CSA/CSBVSSVDDVOD/IR/WEDB0-DB7RSTVEEAK引腳定義片選1片選2數字地邏輯電源+5V比照度調節(jié)指令數據通道讀/寫選擇使能信號，數據在下降沿是被寫入LCM，在高電平時被讀出LCM8位數據線復位信號液晶驅動電源背光正電源背光接地端22工業(yè)大學碩士學位論文4-1-2GXM12864的接口設計在本設計中，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的作用是調節(jié)提供給驅動器的供壓，從而調節(jié)液晶顯示的比照度。A，K引腳用于背光燈。RST是復位腳，接高電平VCC。數據線DB0-DB7和單片機的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P2端口的6，5，2，4腳相連。GXM12864最大的特點是驅動芯片和LCD顯示屏的接口電路已經做好在模塊部，設計時候只考慮驅動芯片與單片機的接口和編寫具體的驅動程序。4-1-3軟件設計這里軟件設計的重點在于對液晶模塊的驅動。本設計中的行驅動芯片KS0107B不與單片機發(fā)生聯系，因此在設計中只用考慮KS0108B的工作方式和指令控制。KS0108B驅動器具有以下特點：部有64*64=4096位顯示RAM，RAM中每位數據對應LCD屏上的一個點的亮暗狀態(tài)；KS0108B列驅動器，具有64路列驅動輸出；KS01018B的占空比為1/32-1/64；KS0108B部有輸入輸出存放器，它們相當于是微控制器和部的顯示RAM之間的緩沖器。KS0108B部狀態(tài)由顯示控制指令控制，總共有7種指令，現分別介紹如下1〕顯示開/關指令表4.2顯示開/關指令Table4.2Displayon/offinstructionsR/W0D/I0DB70DB60DB51DB41DB31DB21DB11DB01/0[31]：當DB0=1時，LCD顯示RAM中的容；DB0=0時，關閉顯示。2〕顯示起始行(ROW)設置指令23基于單片機的智能電器控制原理及設計表4.3顯示起始行設置指令Table4.3DisplaystartlinesettingupinstructionsR/W0D/I0DB71DB61DB5DB4DB3DB2DB1DB0顯示起始行(0～7)該指令設置了對應液晶屏最上一行的顯示RAM行號，有規(guī)律地改變顯示起始行，可以使LCD實現顯示滾屏的效果。3〕頁(PAGE)設置指令表4.4頁設置指令Table4.4PagesettingupinstructionsR/W0D/I0DB71DB60DB51DB41DB31DB2DB1DB0頁號(0～7)顯示RAM共64行,分8頁,每頁8行。4〕列地址(YAddress)設置指令表4.5列地址設置指令Table4.5ColumnsaddresssettingupinstructionsR/W0D/I0DB70DB61DB5DB4DB3DB2DB1DB0顯示列地址(0～63)設置了頁地址和列地址就唯一確定了顯示RAM中的一個單元，這樣MPU就可以用讀、寫指令讀出該單元中的容或向該單元寫進一個字節(jié)數據。5〕讀狀態(tài)指令表4.6讀狀態(tài)指令Table4.6ReadingstateinstructionsR/W1D/I0DB7BUSYDB60DB5ON/OFFDB4RESTDB30DB20DB10DB00該指令用來查詢KS0108B的狀態(tài),各參量含義如下：BUSY＝1表示部在工作，BUSY＝1表示正常狀態(tài)；ON/OFF＝1表示顯示關閉，ON/OFF＝0表示顯示翻開；REST＝1表示復位狀態(tài)，REST＝0表示正常狀態(tài)；在BUSY和REST狀態(tài)時，除讀狀態(tài)指令外，其它指令均不對KS0108B產生作用；在對HD61202操作之前要查詢BUSY狀態(tài)，以確定是否可以對KS0108B進展操作。5〕寫數據指令表4.7寫數據指令Table4.7DatawrittinginstructionsR/W06〕讀數據指令24D/I1DB7DB6DB5DB4寫數據DB3DB2DB1DB0工業(yè)大學碩士學位論文表4.8讀數據指令Table4.8DatareadinginstructionsR/W1D/I1DB7DB6DB5DB4DB3DB2DB1DB0讀顯示數據讀、寫數據指令每執(zhí)行完一次讀、寫操作,列地址就會自動增1?！?-2看門狗功能設計4-2-1看門狗功能單片機系統通常工作在一些特定環(huán)境中，不可防止會受到外界的干擾，這些干擾輕那么導致系統部數據出錯,重那么將嚴重影響程序的運行。為了保護數據，抑制干擾，在智能電源管理控制系統的開發(fā)過程中需要進展可靠性設計[32]。一般說來系統的可靠性應從軟件、硬件以及構造設計等方面全面考慮。如器件選擇、電路板的布線、看門狗、軟件冗余等。只有通過軟、硬件的聯合設計才能保證系統總體的可靠性指標，以滿足系統在現場苛刻條件下的正常運行。對于來自電網電壓的欠壓、過壓、掉電和瞬變現象，通常采用低通電源濾波器、隔離變壓器、光電隔離及使用UPS不連續(xù)電源，或者給單片機系統配備專用電源。但這些措施仍然不能解決上述電源異常問題，而且線路復雜、本錢高。所以，單片機監(jiān)控電路應運而生。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位電路，并能對電源異常情況進展各種監(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)控電路簡單和體積小等優(yōu)點。因此它被廣泛應用在計算機、微控制器應用系統、便攜式智能儀器、自動控制等領域[32]?？撮T狗功能是指在系統設計過軟件或硬件的方式在一定的周期監(jiān)控單片機微處理器的運行情況，如果在規(guī)定的時間沒有收到來自單片機微處理器的觸發(fā)信號，那么系統會強制復位。4-2-2MAX6304簡介Maxim公司生產的MAX6304是一款專用、高性能、低功耗的微處理器監(jiān)控芯片。它有如下特點1)同時具有復位和看門狗功能。2)復位門限電壓在1.22V以上可調節(jié)。3)復位超時時間可調。4)看門狗超時時間可調，通過看門狗選擇腳還可以設置500倍超時時間。5)4μA供電電流。6)輸出構造為：推/拉方式輸出、高電平復位。MAX6304有DIP、μMAX和SO三種封裝形式，其引腳分布如圖4.4所示。[33]：25基于單片機的智能電器控制原理及設計圖4.4MAX6304引腳分布圖Fig4.4MAX6304pinsmaps4-2-3硬件電路設計參考Maxim公司提供的MAX6304芯片資料，設計出如圖4.5所示的單片機監(jiān)控電路原理圖。圖4.5系統原理圖Fig4.5Systemschematic單片機AT89C2051監(jiān)控復位電路由MAX6304實現。單片機P1口的P1.0和P1.1用于LED指示燈的顯示，用紅、綠LED構成，完成簡單測試。P1.2口和MAX6304的看門狗監(jiān)測器輸入腳WDI相連，單片機程序控制它在一定時間周期(小于看門狗的超時時間)發(fā)生電平變化。如果在看門狗的超時時間MAX6304沒有檢測到這個變化，那么認為“程序跑飛〞或者“死機〞。這樣MAX6304的RESET輸出腳產生復位信號，對單片機復位。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26工業(yè)大學碩士學位論文外圍電路設計。監(jiān)控芯片MAX6304外圍電路的設計可以參考Maxim公司提供的芯片資料進展。監(jiān)控芯片MAX6304外圍電路的設計主要是對圖5.2中R1、R2、C1、C2的取值計算。復位門限電壓滿足如下公式：VRST=1.22×(R1+R2)/R2分別選擇R1為3.9kΩ，R2為10kΩ，由(4.1)式可得:VRST=1.22×(R1+R2)/R2=4.35V系統供電電源為+5V，所以復位電壓設置在4.35V是滿足要求的。(4.1)(4.2)MAX6304的RST腳用于設置復位超時時間，這個時間可以通過外部電容C1來調節(jié)。復位超時時間按下式計算:tRP=2.67×C1式中，C1的單位為pf，tRP的單位為μs。取C1=10pf，可得：(4.3)tRP=2.67×C1=26.7μs時時間按下式計算：(4.4)MAX6304的SWT腳用于設置看門狗超時時間，這個時間可以通過外部電容C2來調節(jié)。根本看門狗超tRP=2.67×C2式中，C2的單位為pf，tRP的單位為μs。取C2=100pf，可得：(4.5)tRP=2.67×C2=267μs(4.6)WDS腳是MAX6304的看門狗選擇輸入腳，這個輸入腳可以選擇看門狗的模式，接低電平為正常模式，接高電平是擴展模式。在擴展模式下，看門狗超時時間為根本超時時間的500倍。在本系統中，WDS接高電平，故看門狗超時時間為：tRP=267×500=133500μS=133.5ms(4.7)因此，只需在單片機程序中每隔小于133.5ms的時間間隔讓P1.2產生電平跳變(即對MAX6304的WDI輸入腳提供“喂狗〞信號)，就可以實現看門狗功能。如果“程序跑飛〞或者“死機〞，程序就不會運行到“喂狗〞語句，超過看門狗超時時間，MAX6304的RESET就會產生有效的復位輸出，從而對單片機復位。4-2-4軟件設計對單片機的監(jiān)控只需要硬件電路就可以實現，而看門狗功能那么需要軟件程序的配合，即在程序中放置“喂狗〞語句?！拔构法曊Z句的放置主要需要考慮間隔時間的問題，必須在看門狗超時時間及時讓WDI產生電平變化。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;27基于單片機的智能電器控制原理及設計WDI=0;While(1){LED_G=1;LED_R=1;/*延時*/for(i=0;i<250;i++){for(j=0;j<125;j++){tmp++;tmp--;}/*喂狗語句*/WDI=1;WDI=0;}LED_G=0;LED_R=0;}圖4.6程序流程圖Fig4.6Programflowchart28工業(yè)大學碩士學位論文第五章智能電器仿真調試一個單片機應用系統經過預研、總體設計、硬件設計、軟件設計、制板、元器件安裝后，在系統的程序存儲器中放入編制好的應用程序，系統即可運行[34]。但一次性成功幾乎是不可能的，多少會出現一些硬件、軟件上的錯誤，這就需要通過調試來發(fā)現錯誤并加以改正。由于單片機在執(zhí)行程序時人工是無法控制的，為了能調試程序，檢查硬件、軟件運行狀態(tài)，就必須借助某種開發(fā)工具模擬用戶實際的單片機，并且能隨時觀察運行的中間過程而不改變運行中的數據性能和結果，從而進展模仿現場的真實測試。完成這一仿真工作的就是單片機仿真器。本論文采用萬利電子的Insight仿真器ME-52HU?！?-1設置仿真器MedWin集成開發(fā)環(huán)境對仿真器的硬件控制是通過執(zhí)行菜單命令[設置|仿真器設置]實現的。仿真器設置功能是通過對仿真器CPU選擇，仿真器時鐘選擇，仿真器控制選項，程序存儲器映像和數據存儲器映像進展的。在設置這些功能時，應將仿真器的各項設置與目標系統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發(fā)環(huán)境，集成環(huán)境所有窗口顯示的數據都是被仿真對象真實數據的表達，是完全真實的。在實際仿真時，應合理選擇仿真CPU，使其與目標CPU型號、功能最為接近。這里選擇ME-52HU。2)仿真器時鐘選擇ME-52HU仿真器提供12MHz，24MHz，11.0592MHz和22.1184MHz四種仿真器置時鐘源，以及仿真頭組件時鐘或目標系統上的有源時鐘五個選項供選擇。這里選擇11.0592MHZ。中選擇仿真器部時鐘提供仿真CPU時，時鐘信號還通過仿真頭送到目標系統的時鐘引腳(XTAL1和XTAL2)上，此時需將仿真頭上的跳線開路(拔出)，以免仿真頭組件上的振蕩器時鐘與仿真器部時鐘產生信號疊加。中選擇仿真頭組件或目標系統時鐘時，需在仿真頭組件時鐘或目標系統時鐘中取其一者：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插入適宜的晶體振蕩器，此時仿真頭組件時鐘提供給仿真CPU同時也提供給目標系統。2、將仿真頭上的跳線開路，仿真器的時鐘來源與目標系統的振蕩器，此時目標系統應是有源時鐘。[35][36]?！?-2編譯工具設置MedWin集成開發(fā)環(huán)境系統默認使用萬利電子的匯編器A51.EXE和連接器L51.EXE，支持匯編語言編寫的程序開發(fā)，如果使用其它外部編譯工具，需要對外部編譯工具的路徑和程序進展設置。如圖5.1這是MedWinV3環(huán)境的初始默認選項，用戶只使用匯編作為編程語言時，選擇此選項。本文使用指定路徑下的編譯工具KEILC51。29基于單片機的智能電器控制原理及設計圖5.1編譯工具選擇Fig5.1pilertoolschoosingKeil是目前最流行的51單片機開發(fā)軟件沒有什么差異。其編程要點如下[38][37]，各仿真機廠商都宣稱全面支持Keil的使用，對于使用C語言進展單片機開發(fā)的用戶，Keil已經成為必備的開發(fā)工具。KeilC51源程序構造和一般C語言：1)語言是由函數構成的。一個C51源程序至少包含一個main()函數，也可以包含一個main()函數和假設干其它函數。因此，函數是C51源程序的根本單位。被調用的函數可以是編譯器提供的庫函數，也可以是用戶根據需要自己編制設計的函數。2)一個C51源程序總是從main()函數開場執(zhí)行的，而不管main()函數在整個程序中的位置如何。3)C51源程序書寫格式自由，一行可以寫幾個語句，一個語句可以分寫在多行上，C51源程序無行號。4)每個語句和數據定義的最后必須有一個分號，分號是C51源程序語句的必要組成局部，它不可缺少，即使是程序中最后一個語句也應該包含分號。5)C語言本身沒有輸入/輸出語句。輸入和輸出的操作是由庫函數scanf()和printf()等函數完成的。C51源程序對輸入/輸出實行“函數化〞。6)可以用/*…*/對C51源程序中的任何局部作注釋。一個有使用價值的程序都應該加上必要的注釋，以增加程序的可讀性?！?-3連接和測試1)連接通訊電纜到計算機的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，根據仿真頻率和目標系統的具體情況，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系統CPU插座，并將地線夾與目標系統地線相連，如圖5.2：30工業(yè)大學碩士學位論文圖5.2連接仿真器與目標系統Fig5.2Connectingsimulatorwiththetargetsystem2)將MS-100電源適配器插入市電