多功能充電器設(shè)計

多功能充電器設(shè)計摘要電子技術(shù)的快速開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開展，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。它們的各自特點決定了它們將在相當(dāng)長的時期內(nèi)共存開展。由于不同類型電池的充電特性不同，通常對不同類型，甚至不同電壓、容量等級的電池使用不同的充電器，但這在實際使用中有諸多不便。本文介紹一種基于單片機的智能充電器的設(shè)計方法。該充電器可以實時采集電池的電壓和電流，并對充電過程進行智能控制。它可以自動計算電池的已充電量和剩余的充電時間，也可以改變參數(shù)來適應(yīng)各種不同電池的充電。系統(tǒng)中的管理電路還具有保護功能，可防止電池的過充和過放對電池造成損壞。關(guān)鍵詞：科技/電子產(chǎn)品/充電器/多功能MultifunctionalchargerdesignABSTRACTTherapiddevelopmentofelectronictechnologytomakeallkindsofelectronicproductsarelightweightportableandsmalltowardsthedirectionofdevelopment,butalsomakesthemoreelectrificationproductsbasedonbatterypowersupplysystem.Atpresent,moreuseofthebatteryisnickelcadmium,leadnimh,batteryandlithiumbattery.Theirrespectivecharacteristicdecidedtheywillcoexistinalongtime.Duetothedifferenttypebatterychargecharacterisdifferent,usuallyfordifferenttypes,andevendifferentvoltage,capacitygradesofbatterycharger,butitisdifferentinpracticaluseinconvenience.Thispaperintroducesakindofintelligentbatterychargersbasedonsinglechipdesignmethod.Thechargercancollectreal-timebatteryvoltage,current,andtochargeprocessofintelligentcontrol.Itcanautomaticallycalculatethebatterychargingandtheremainingamountalreadychargingtime,alsocanchangeparametertomeetthevariousbatterycharge.Systemofmanagementcircuitalsohastheprotectionfunction,canpreventbatteryoverchargeandputonbatteriesdamage.KEYWORDS:technology/electronics/charger/multi-functional目錄中文摘要Ⅰ英文摘要Ⅱ一、電子技術(shù)的開展對人們生活的影響1二、進出門自動問候裝置12.1進出門自動問候裝置第一種方案2工作原理2電路原理圖4元器件選擇42.2進出門自動問候裝置第二種方案5工作原理52.2.2電路原理圖82.2.3元器件選擇10三、進出門自動裝置的應(yīng)用10致謝11參考文獻12〔附錄〕13多功能充電器設(shè)計一、多功能充電器對人們生活的影響隨著數(shù)碼相機、MP3和CD碟機等電器逐步進入愛好者手中。充電電池的使用也更加普及。對充電器的要求也愈來愈高了。充電器應(yīng)以實用方便為主，原那么要求：可以對常用的1～4節(jié)鎳鎘、鎳氫和鋰電池進行單獨或同時充電?；ゲ挥绊?；可以選用多種電流進行充電。以滿足不同種類、不同容量電池充電的需要。充電器應(yīng)具有保護措施。防止過充電；為消除鎳鎘電池的記憶效應(yīng)和恢復(fù)電池的容量。二、多功能充電器本文介紹一種基于單片機的智能充電器的設(shè)計方法。該充電器可以實時采集電池的電壓和電流，并對充電過程進行智能控制。充電器采用單片機GMS97C2051作編程控制器，其內(nèi)部的比擬器用作電池最高溫度檢測，用1片LM324和1支TL431以及假設(shè)干分立元件構(gòu)成恒壓—恒流電路、電壓檢測電路、基準電壓源〔兼作單片機電源〕電路。它可以自動計算電池的已充電量和剩余的充電時間，也可以改變參數(shù)來適應(yīng)各種不同電池的充電。系統(tǒng)中的管理電路還具有保護功能，可防止電池的過充和過放對電池造成損壞。2.1工作原理充電器采用單片機GMS97C2051作編程控制器，其內(nèi)部的比擬器用作電池最高溫度檢測，用1片LM324和1支TL431以及假設(shè)干分立元件構(gòu)成恒壓—恒流電路、電壓檢測電路、基準電壓源〔兼作單片機電源〕電路。基準電壓源作為電池電壓檢測基準，同時作單片機電源。電路由TL431、T3、R18、R19、R20、C5組成。由電路可知，當(dāng)R19=R20時，晶體管T3的發(fā)射極〔e極〕電壓等于TL431內(nèi)部基準電壓〔UR=2.5V〕的兩倍，即2UR=5V。恒壓——恒流電路如圖1中由U1A和U1B及其周圍元器件所組成的一個典型的雙環(huán)反應(yīng)控制電路。其中U1A為電壓控制的運放，U1B為電流控制的運放。由電路分析知：電壓控制的輸出電壓U0控制著電流控制的電流設(shè)定值，因此電壓控制先于電流控制，這時電流控制電路是恒壓控制的組成局部。電路工作原理如下：恒壓控制電路由運放U1A、電阻R1～R10、電位器W1、電容C1、二極管D1、以及開關(guān)SW等組成。其作用是鋰離子電池充電時，控制電池電壓不超過設(shè)定值。恒壓設(shè)定值US由R1、R2和W1對基準電壓5V分壓確定，當(dāng)SW聯(lián)接電池的正極后，反應(yīng)電壓UC由R8、R9對Ub+分壓引入，加上R6、R7、C1形成電流控制電路.由電路可知，設(shè)誤差電壓E=Ua一Uc，那么有U1=Ua+E·(P+I·∫dt)，式中比例系數(shù)P=R6/R7，常數(shù)I=1/(R7·C1)。當(dāng)反應(yīng)電壓UC較小即E>0時，U1會不斷增大直到消除誤差〔E=0〕，否那么U1會到達最大值，但由于二極管D1的鉗位作用使UO＝5.6V，從而使電流控制電路的設(shè)定電壓Ud=UO·R12/(R11+R12〕不變，相應(yīng)地電池以恒流方式充電。反之，當(dāng)反應(yīng)電壓UC較大即E<0時，U1會不斷減小直到消除誤差〔E=0〕，否那么U1會到達最小值U1=0，從而使電流控制電路的設(shè)定電壓Ud逐漸減小直到零，相應(yīng)電池以恒壓方式充電。顯然，恒壓控制是通過調(diào)節(jié)電流控制電路的設(shè)定電壓，即改變電池充電流完成的。電路主要參數(shù)由下面方程計算：

Ubt=Ub+－Ub-(1)(Us－Ua)/R3=Ua/R4+(Ua－Ub-)/R5(2)當(dāng)恒壓控制電路處于平衡狀態(tài)時，電容C1無電流，那么有：Uc=R8·Ub+/(R8+R9)(3)Uc=Ua(4)式中:Ub+

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電池正極對地電壓；Ub-

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電池負極對地電壓；Ubt

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電池端電壓；US

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設(shè)定控制電壓。恒壓控制的目標是電池端電壓等于設(shè)定電壓，即Ubt=Us〔5〕另外，還隱含了一個約束條件就是恒壓控制與Ub-的取值無關(guān)，這就是在方程組中消去Ub-必須滿足：R3=R5(6)這里，Us為確定量；其余Ubt，Ub+，Ub－，Ua，Uc，R3，R4，R5，R8，R9等10個參變量應(yīng)滿足上述方程〔1〕～〔6〕。由于變量數(shù)比方程數(shù)多4個，因此需要確定的參數(shù)R3，R4，R5，R8，R9有無窮多組解。為了求解只需要增加四個約束方程，不妨設(shè)：R3=R4=R5=R8=R〔R取標稱電阻值〕將其代入上述方程組，不難解得：R9=2R。取R=12kΩ，那么有：R3=R4=R5=R8=12kΩ，R9=24kΩ。當(dāng)電壓反應(yīng)開關(guān)SW接地(即充鎳鎘電池時)或者電池端電壓小于設(shè)定電壓(即Ubt<U8)時運放U1A飽和輸出，但由于二極管D1的鉗位作用使U0=5.6V，這時電流控制的設(shè)定值為常數(shù)(由電阻R11，和R12對U0分壓確定)，相應(yīng)地電池以恒流方式充電．電流控制電路由運放U1B、三極管T1、T2、功率三極管TP、電阻R11、R12、R13、R14、R15、R16、R17、RF、電容C2、C3等組成，其中R11、R12對電壓U0進行分壓得Ud作為設(shè)定值；R13、R14、C2構(gòu)成比例積分電路，運放U1B的輸出通過T1和TP控制充電電流，RF作為電流一電壓反應(yīng)電阻，電壓Ub一為反應(yīng)電壓．由于電流控制電路能消除靜差，因此當(dāng)調(diào)節(jié)平衡時Ub一=Ud,充電電流為Ud／RF．由以上分析可知：當(dāng)Ubt<U8時，U0=5．6V，假設(shè)經(jīng)R11和R12分壓后設(shè)定值為Ud=160mv，取RF=0.5Ω，那么恒流方式充電電流Is=320mA．通過改變RF的阻值，那么能調(diào)節(jié)Ir的大?。龢O管T可控制晶格管，與T2飽和導(dǎo)通時，使T1截止，Tp也無電流輸出。充鋰離子電池時，開關(guān)SW接電池的正極．當(dāng)電池端電壓小于設(shè)定電壓(即Ubt<Us)時，以恒流方式充電；當(dāng)Ubt=Us時,恒壓控制起作用，通過降低輸出電壓U0使充電電流逐漸減小，以恒壓方式充電.電壓檢測電路通過電壓檢測電路，對電池電壓檢測，到達識別電池充電狀態(tài)以便進行控制的目的。電路由兩個運放U1C、U1D、三極管T4和T5以及電阻R21～R26、電容C6、二極管D4構(gòu)成，其中U1D組成積分電路，U1C作上、下限電壓比擬器。這里，當(dāng)三極管T5截止時上限電壓為基準電壓5V；當(dāng)三極管T5飽和導(dǎo)通時下限電壓由R25、R26分壓確定，取R25=R26，那么下限電壓2.5V〔電阻值較大T5的飽和壓降很小〕，從而保證運放工作在線性區(qū)。由電路圖1可知，開關(guān)三極管T4控制積分電容的充電和放電，當(dāng)其飽和導(dǎo)通時，電容C6充電。假設(shè)忽略電阻RX的壓降〔因RX=RF其壓降不大于160mV〕，取R21=R22那么充電電流Ic=0.5Ubt/R24〔略去管壓降〕〔7〕而當(dāng)T4截止時，使電容C6放電,那么放電電流Id=0.5Ubt/(R23+R24)〔8〕取R23=470kΩ,R24=5.1kΩ,RX=RF=0.5Ω，那么R23>>R24，放電比充電緩慢得多，且放電過程不受開關(guān)三極管T4的影響，因此，利用放電過程來檢測電池電壓可保證較高的精度。運放U1D輸出電壓從5V降到2.5V，即電容C6的端電壓因放電下降ΔU=5-2.5=2.5V時，所需時間T可由下式導(dǎo)出：由C6=dq/dU〔dq——電容電荷增量，dU——電容電壓增量〕得dq=C6dU〔9〕流經(jīng)電容C6的電流：Id=dq/dt=C6dU/dt也就是Id·dt=C6·dU〔10〕對兩邊定積分得ID·T=C6ΔU即T=C6ΔU/ID=C6·2.5(R23+R24)/(0.5Ubt)將R23=470kΩ，R24=5.1kΩ，C6=0.1μF代入上式可得T=237.55ms/Ubt〔Ubt單位為伏時，T單位為ms〕可見放電時間T僅與電池電壓成反比，1/T與Ubt是線性關(guān)系。當(dāng)Ubt=8V時，可得T8=29.69ms，這對于采用6MHz晶振的單片機而言，因其計時可精確到2μs，故可以做到很高的精度，很容易使電壓檢測電路的分辨率到達5mV。由于是積分檢測，故對電池電壓的高頻干擾完全可以消除，因此工作穩(wěn)定可靠。

觸發(fā)，Q2端輸出高電平，又將發(fā)聲電路IC5觸發(fā)，使其發(fā)出“謝謝光臨〞的問候語。同時Q2端的高電平通過R11向C7充電，使甲端高電平延時。在Q2端為高電平時，幣2端為低電平，這一低電平加至IC3a的DI端，將IC3a封鎖，使其不得翻轉(zhuǎn)，IC4也不會發(fā)聲。模擬聲發(fā)聲電路由KD5603“歡送光臨〞發(fā)聲集成電路和KD5604“謝謝光臨〞發(fā)聲集成電路組成。當(dāng)它們的2腳受到高電平觸發(fā)時就會發(fā)聲。其中，在電路中附加的晶體管VT4和VT5為功率放大晶體管，它將發(fā)聲電路發(fā)出的語言聲放大，使揚聲器發(fā)出足夠大的聲音。圖所示為JS1和JS2的實際電路CX20236的實用連接圖，JS的1、2,3腳分別與CX20236的1、2,3腳對應(yīng)。2.1ICl選用LM7905三端集成穩(wěn)壓器；ICZ選用NE555、VA555或SI555等時基集成電路；IC3選用CD4013數(shù)字集成電路；IC4選用KD5603語言集成電路；IC5選用KD5604語言集成電路；IC選用CX20236紅外線接收解調(diào)專用集成電路。VTl一VT3選用9012或3CGI2型硅PNP中功率晶體管，要求電流放大系數(shù)β＞100；VT4一VT5選用9013、3DG12或3DK4型硅NPN中功率晶體管，要求電流放大系數(shù)β＞100。VLI、VL2選用紅外發(fā)射二極管，如SE303型；VD1一VD4、VD爪VD6均選用1N4004型硅整流二極管。T用220V/7.5V、5W優(yōu)質(zhì)電源變壓器，要求長時間運行不過熱。其他元器件均無特殊要求，可按圖所標型號及參數(shù)進行選擇。2.2第二種電路方案工作原理電子禮儀語音器電路由電源、紅外線發(fā)射、紅外線接收、語言、觸發(fā)器和控制等局部電路組成，如下圖。與VT2組成；紅外線發(fā)射電路由紅外發(fā)射尋極管VL3和限流電阻器R9組成；觸發(fā)器電路由六非門集成電路IC1內(nèi)部的非門D1~D4和電阻器R5~R8組成；控制電路由三極管VT3－VT6、二極管VD1一VD6等組成；語言電落由語言集成電路IC2、IC3和揚聲器BI、B2等組成。接通電源，220V交流電壓經(jīng)T降壓、QD整流及C6濾波后，產(chǎn)生約8V的直流電壓并分為兩路：一路經(jīng)IC4穩(wěn)壓、C8濾波產(chǎn)生6V直流電壓，供應(yīng)紅外線接收電路和觸發(fā)器電路；另一路經(jīng)IC5穩(wěn)壓和VD7降壓后，產(chǎn)生4.5V直流電壓，作為語言電路的工作電源。平時，紅外發(fā)射二極管VU發(fā)出的紅外光使VLI和VL2導(dǎo)通，VTl和VT2因基極為低電平也處于導(dǎo)通狀態(tài)，VTI和VT2集電極輸出的高電平經(jīng)非門集成電路反相后，使非門D2和D4的輸出端也變?yōu)楦唠娖剑琕D3、VD4和VT3~VT6均截止，語言電路IC2和IC3均不工作。當(dāng)有顧客進門并將VU發(fā)出的紅外線擋住時，使VLl和VT2截止，非門D2的輸出端由高電平變?yōu)榈碗娖剑说碗娖矫}沖經(jīng)C1、VD3加至VT5的基極，使VT5瞬間導(dǎo)通，IC2受觸發(fā)而工作，驅(qū)動揚聲器B1發(fā)出“歡送光臨’戶歡送語。同時IC2輸出的語言信號的一局部經(jīng)VD5整流后使VT4導(dǎo)通，IC3無法工作，揚聲器B2不發(fā)聲。當(dāng)有顧客出門并將VU發(fā)出的紅外線擋住時，會使VL2和VT2均截止，非門D4的輸出端由高電平變?yōu)榈碗娖?，此低電平脈沖經(jīng)C2和VD4加至VT6的基極，使VT6瞬間導(dǎo)通，IC3受觸發(fā)而工作，驅(qū)動揚聲器B2發(fā)出，“謝謝光臨〞歡送語。同時IC3輸出的語言信號的一局部經(jīng)VD6整流后使VT3導(dǎo)通，IC2無法工作，揚聲器B1不發(fā)聲。元器件選擇IC1選用CD4069六非門集成電路；IC2選用KD5603語言集成電路：IC3選用KD5604語言集成電路；IC4選用LM7906三端集成穩(wěn)壓器；IC5選用LM7905三端集成穩(wěn)壓器。IC1選用CD4069六非門集成電路；IC2選用KD5603語言集成電路：IC3選用KD5604語言集成電路；IC4選用LM7906三端集成穩(wěn)壓器；IC5選用LM7905三端集成穩(wěn)壓器。VTl~VT6選用9014或9011、3DG8型硅NPN小功率三極管，要求電流放大系數(shù)β＞100。VLl和VL2選用普通紅外光敏二極管，如2CU1或2CU2型；VI3選用紅外發(fā)射二極管，如SE303型。VD1~VD6均選用1N4148型硅開關(guān)二極管：VD7選用1N4007型硅整流二極管。QD選用QL－La/50V型硅全橋。R1~R9均選用RTX一1/4W型碳膜電阻器或RJ一1/4W型金屬膜電阻器。Cl一C4和C7均選用CT4D型獨石電容器；C5、C6和C8選用CD11一16V型電解電容器。B1、B2均選用YD57一2型等8Ω、0.5W小型動圈式揚聲器。T用220V/7.5一9V、5W優(yōu)質(zhì)電源變壓器，要求長時間運行不過熱。將焊接好的電路板連同電源變壓器T、揚聲器等一起裝人體積適宜的塑料盒內(nèi)，在盒面為揚聲器開釋音孔，紅外發(fā)射管VU與接收管VLl、VL3應(yīng)安裝大門的兩側(cè)，應(yīng)使發(fā)射管與接收兩管中心線相對，以保證發(fā)射光能被人體擋住。接通電源后，在發(fā)射管與接收管的對面放置一塊反射擋板，改變發(fā)射電路的R9的阻值，使接收電路非門D2或D4的輸出端由高電平變?yōu)榈碗娖郊纯伞?.3第三種方案工作原理采用tx05d的紅外線控制電子禮儀語音器電路由進出門檢測、語言發(fā)聲、進出發(fā)聲互鎖控制、功率放大和電源等局部電路組成，如圖8一30所示。進出門檢測電路由兩組tx05d組成，分別作進出門檢測電路。當(dāng)有人進門時，進門檢測電路icl輸出高電平；有人出門時，出門檢測電路ic2輸出高電平。ic1輸出的高電平加至語言發(fā)聲電路ic3的觸發(fā)端tg1，ic2輸出的高電平加至ic3的另一觸發(fā)端tg4。語言發(fā)聲電路由一只hfc5218五合一語音集成電路組成，該電路內(nèi)存儲有“您好，歡送光臨〞、“您好，謝謝光臨〞、“歡送光臨〞、“謝謝光臨〞和“您好〞五段禮貌用語，可分別通過其外設(shè)的五個觸發(fā)端進行觸發(fā)。觸發(fā)信號可以是高電平，也可以是正脈沖。本電路使用其中兩段問候語，即“您好，歡送光臨〞和“您好，謝謝光臨〞，分別通過觸發(fā)端tgl和tg4進行觸發(fā)。當(dāng)有人進門時，進門檢測電路ic1輸出的高電平通過tg1一將其觸發(fā)，使電路發(fā)出“您好，歡送光臨〞的問候語。當(dāng)有人出門時，出門檢測電路ic2輸出的高電平通過tg4將其觸發(fā)，使電路發(fā)出“您好，謝謝光臨〞的問候語。語言發(fā)生電路的工作電壓和觸發(fā)電壓均為3v，所以通過穩(wěn)壓管vs1、vs2和vs3分別將電源電壓和觸發(fā)電壓調(diào)整為3v，供電路使用。r6為發(fā)聲電路振蕩器的外接電阻器，用來調(diào)節(jié)發(fā)聲電路發(fā)聲的速度和音調(diào)。由語言發(fā)聲電路直接發(fā)出的聲音功率較小，在噪聲較大的公共場所，人有可能聽不清楚。因此需通過功率放大電路將其放大，使揚聲器發(fā)出洪亮清晰的問候聲。本電路采用lm386小功率集成功率放大電路，它的最大輸出功率為660mw。由于進出門檢測電路具有相同的檢測功能。通常，當(dāng)人們進門時，在通過進門檢測器后緊接著又要通過出門檢測器，這就有可能使語言發(fā)聲電路在發(fā)出“歡送光臨〞之后又會發(fā)出“謝謝光臨〞。因此必須設(shè)置互鎖電路，以防電路發(fā)出錯誤的問候語?；ユi電路由晶體管vtl和vt2組成的開關(guān)電路組成，它們分別設(shè)置在語言電路hfc5218的觸發(fā)端元1和tc4o當(dāng)有人進門時，icl輸出的檢測信號通過tgl將語言電路觸發(fā)，使其發(fā)聲，這時由功放電路輸出端輸出的語言信號一方面涌討楊聲器發(fā)出“您好．歡送光臨〞的問候語；另一方面又通過vd1整流、電容器c1濾波將語言信號變?yōu)橹绷麟妷?。這一直流電壓菇。經(jīng)r4使vt1,vt2導(dǎo)通，將兩個觸發(fā)端tgl、tg4對地短接。對于tg1來說，這時已完成了它的觸發(fā)任務(wù)，它的工作已不受影響。但對于tg4來說，這時恰好處在行人通過出門檢測電路的時刻并使ic2輸出高電平，由于vt2的導(dǎo)通，將加至tc4的高電平對地短路，無法實現(xiàn)對語言發(fā)聲電路的觸發(fā)。這就使語言發(fā)聲電路不會再發(fā)出“您好，謝謝光臨〞的聲音。語言發(fā)聲電路hfc5218也可由兩片單獨的發(fā)聲電路來代替，它們是kd5603〔內(nèi)儲歡送光臨〕和kd5604〔內(nèi)儲謝謝光臨〕。代用時，將ic1的輸出端接kd5603的觸發(fā)端，將ic2的輸出端接kd5604的觸發(fā)端。vtl,vt2分別接kd5603和kd5604的觸發(fā)端。由于該電路工作電壓為3v，所以穩(wěn)壓管vs1一vs3是不可少的。互鎖控制電路與icl、ic2、ic4采用交流供電、全波整流、三端集成穩(wěn)壓器穩(wěn)壓后供電，工作電壓為12v。元器件選擇ic1,ic2選用tx05d低功率消耗紅外線反射開關(guān)，它內(nèi)部采用了低功率消耗器件和抗外界干擾的電路，其詳