基于單片機(jī)的智能充電器.doc

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1、基于單片機(jī)的鋰電池充電器設(shè)計(jì)基于單片機(jī)的鋰電池充電器設(shè)計(jì) 摘摘 要要 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(lèi)型電池的充電特性不同，通常對(duì)不同類(lèi)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

2、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)鍵詞關(guān)鍵詞：充電器；單片機(jī)；鋰電池；MAX1898 Lithium Battery Charger Design Based On Single Chip Abstract Electronic

3、technologys fast development causes various electronic products develops toward portable and the small lightweight direction, It also causes the more electrification products to use based on batterys power supply system. At present, the many uses batteries have the nickel cadmium, the nickel hydroge

4、n, the lead accumulator and the lithium battery. Their respective characteristic had decided they will coexist in a long time develop. Because the different type batterys charge characteristic is different, usually to different type, even different voltage, capacity rank battery use different batter

5、y charger, but this has many inconveniences in the actual use. This topic design is one kind lithium ion battery charger which is based on Single Chip, in the design, it has chosen succinctly, the highly effective hardware, the design stable reliable software, explained in detail systems hardware co

6、mposition, including the monolithic integrated circuit electric circuit, the charge control electric circuit, the voltage transformation and the light pair isolating circuit, and to this battery chargers core component - MAX1898 charge chip, at89C2051 monolithic integrated circuit has carried on the

7、 detailed introduction. Elaborated systems software and hardware design. Take the C language as the development kit, has carried on the detailed design and the code. Has realized systems reliability, the stability, the security and the efficiency. The intelligence battery charger has the examination

8、 lithium ion batterys condition; The automatic cut over charge pattern meets when rechargeable batterys charge needs; Battery charger has short circuit protection function; The charge condition demonstrations function. The battery charger has made the better maintenance rechargeable battery in the l

9、ife，and lengthened the rechargeable batterys service life. Key words：Charger; SCM; Lithium battery; MAX1898 目目 錄錄 引引 言言.1 第第 1 章章 緒論緒論.2 1.1 課題研究的背景2 1.2 課題研究的主要工作3 第第 2 章章 電池的充電方法與充電控制技術(shù)電池的充電方法與充電控制技術(shù).5 2.1 電池的充電方法和充電器5 2.1.1 電池的充電方法5 2.1.2 充電器的要求和結(jié)構(gòu)9 2.1.3 單片機(jī)控制的充電器的優(yōu)點(diǎn).10 2.2 充電控制技術(shù)10 2.2.1 快速充電器介

10、紹10 2.2.2 快速充電終止控制方法11 第第 3 章章 鋰電池充電器硬件設(shè)計(jì)鋰電池充電器硬件設(shè)計(jì).14 3.1 單片機(jī)電路14 3.2 電壓轉(zhuǎn)換及光耦隔離電路17 3.3 電源電路18 3.4 充電控制電路20 3.4.1 MAX1898 充電芯片20 3.4.2 充電控制電路的實(shí)現(xiàn) 24 第第 4 章章 鋰電池充電器軟件設(shè)計(jì)鋰電池充電器軟件設(shè)計(jì).26 4.1 程序功能.26 4.2 主要變量說(shuō)明26 4.3 程序流程圖26 結(jié)論與展望結(jié)論與展望.29 致致 謝謝.30 參考文獻(xiàn)參考文獻(xiàn).31 附錄附錄 A 電路原理圖電路原理圖.32 附錄附錄 B 外文文獻(xiàn)及其譯文外文文獻(xiàn)及其譯文.33

11、 附錄附錄 C 主要參考文獻(xiàn)的題錄及摘要主要參考文獻(xiàn)的題錄及摘要.40 附錄附錄 D 主要源程序主要源程序.42 插圖清單插圖清單 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-

12、1 6N137 光耦合器18 圖 3-2 lm7805 樣品.18 圖 3-3 LM7805 內(nèi)部結(jié)構(gòu)框圖.19 圖 3-4 LM7805 功能框圖.20 圖 3-5 MAX1898 的引腳21 圖 3-6 MAX1898 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 安徽工程大學(xué)畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文） - -5 表格清單表格清單 表 1-1 鉛酸、鎳鎘、鎳氫和鋰離子電池的性能比較

13、2 表 4-1 P3 口.15 表 4-2 LED 指示燈狀態(tài)說(shuō)明 .22 表 5-1 變量及說(shuō)明26 項(xiàng)沖：基于單片機(jī)的鋰電池充電器設(shè)計(jì) 6 引引 言言 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

14、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(chēng)為綠色電池。基于

15、這些特性，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。 安徽工程大學(xué)畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文） - - 7 - 第第 1 章章 緒論緒論 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(chēng)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

16、以下 4 個(gè)指標(biāo)： 工作電壓：電池放電曲線上的平臺(tái)電壓。 電池容量：常用單位為安時(shí)(Ah)和毫安時(shí)(mAh)。 工作溫區(qū)：電池正常放電的溫度范圍。 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(lèi)，大致分為： 鉛酸(LA)電池、鎳鎘(NiCd)電池、鎳氫(NiMH)電池和鋰離子(Liion)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、

17、鎳氫和鋰離子電池的性能比較 電池類(lèi)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 400600無(wú)3 鎳鎘電池1.250150400500有1530 鎳氫電池1.26080240300500無(wú)2535 鋰離子電 池 3.61201403001000無(wú)25 2.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。

18、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 項(xiàng)沖：基于單片機(jī)的鋰電池充電器設(shè)計(jì) - 8 - 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

19、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

20、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 2.73.0V，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

21、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

22、 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: 安徽工程大學(xué)畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文） - - 9 - 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

23、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。 項(xiàng)沖：基于單片機(jī)的鋰電池充電器設(shè)計(jì) - 10 - 第第 2 章章 電池的充電方法與充電控制技術(shù)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

24、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

25、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 安徽工程大學(xué)畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文） - - 11 - 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/30C/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

26、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

27、項(xiàng)沖：基于單片機(jī)的鋰電池充電器設(shè)計(jì) - 12 - 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。控制電路設(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

28、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)唷?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 安徽工程大學(xué)畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文） - - 13 - 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

29、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 項(xiàng)沖：基于單片機(jī)的鋰電池充電器設(shè)計(jì) - 14 - 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)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。 快速充電器(1C4C 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

30、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) ACDC 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

31、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 2-11 AA 線右邊 所示。 安徽工程大學(xué)畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文） - - 15 - 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)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)

32、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(zhuān)業(yè)充電控制芯片，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)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介紹 項(xiàng)沖：基于單片機(jī)的鋰電池充電器設(shè)計(jì) - 16 - 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

33、充電電流值為 0.32 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(lèi)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

34、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(chēng)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

35、動(dòng)再次轉(zhuǎn) 人快速充電。 2.2.2 快速充電快速充電終止控制方法終止控制方法 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。 安徽工程大學(xué)畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文） - - 17 - 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BC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BC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，

36、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)

37、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

38、： 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 項(xiàng)沖：基于單片機(jī)的鋰電池充電器設(shè)計(jì) - 18 - 方法的缺點(diǎn)是：從多次快速充電實(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

39、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；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0V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0V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0V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

40、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時(shí)，應(yīng)立即停止快速充 電，否則會(huì)損害電池。電池的溫度可通過(guò)與電池裝在一起的熱敏電阻來(lái)檢測(cè)。這種方 法的缺點(diǎn)是熱敏電阻的響應(yīng)時(shí)間較長(zhǎng)，溫度檢測(cè)有一定滯后。 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時(shí)，應(yīng) 當(dāng)立即終止快速充電。應(yīng)當(dāng)說(shuō)明，由于熱敏電阻的阻值與溫度關(guān)系是非線性的，因此， 為了提高檢測(cè)精度應(yīng)設(shè)法減小熱敏電阻非線性的影響。 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

41、， 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)

42、值作為輔助檢測(cè)手段。當(dāng)電池電壓超過(guò)檢測(cè)門(mén)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)。 安徽工程大學(xué)畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文） - - 19 - 第第 3 章章 鋰電池充電器硬件設(shè)計(jì)鋰電池充電器硬件設(shè)計(jì) 3.1 單片機(jī)電路部分 1AT89C51 AT89C51 是一種帶 4K 字節(jié)閃爍可編程可擦除只讀存儲(chǔ)器（FPEROMFalsh Programmable and Erasable Read Only Memory）

43、的低電壓，高性能 CMOS8 位微處理器， 俗稱(chēng)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

44、：1000 寫(xiě)/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 項(xiàng)沖：基于單片機(jī)的鋰電池充電器設(shè)計(jì) - 20 - 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(mén)電流。當(dāng) P1 口的管腳第一次寫(xiě) 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)，P

45、0 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(mén)電流。P1 口管腳寫(xiě)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(mén)電流，當(dāng) P2 口被寫(xiě)“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

46、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(xiě)時(shí)，P2 口輸出其特殊功能寄存器的內(nèi)容。P2 口在 FLASH 編程和校驗(yàn)時(shí)接收 高八位地址信號(hào)和控制信號(hào)。 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(mén)電 流。當(dāng) P3 口寫(xiě)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）這是由于上拉的緣故。 P3 口也可

47、作為 AT89C51 的一些特殊功能口，如下表 3-1 所示： 表 3-1 P3 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） P3.4 T0（記時(shí)器 0 外部輸入） P3.5 T1（記時(shí)器 1 外部輸入） P3.6/WR（外部數(shù)據(jù)存儲(chǔ)器寫(xiě)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

48、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。 安徽工程大學(xué)畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文） - - 21 - 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)

49、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

50、。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(xiě)“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

51、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。 2AT89C2051 AT89C2051 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 Intel MCS-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(xiāo)，節(jié)省了

52、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?2 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。 項(xiàng)沖：基于單片機(jī)的鋰電池充電器設(shè)計(jì) - 22 - XTAL2 來(lái)自反向振蕩放大器的輸出。 P1 口 8 位雙

53、向 I/O 口。引腳 P1.2P1.7 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(xiě)入“1” 后，可用作 輸入。在閃速編程與編程校驗(yàn)期間，P1 口也可接收編碼數(shù)據(jù)。 P3 口 引腳 P3.0P3.5 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

54、20mA 的灌電流；P3 口寫(xiě)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。P3 口同時(shí)也可為閃速存儲(chǔ)器編程和編程校驗(yàn)接收控制信號(hào)。 3.2 電壓轉(zhuǎn)換及光耦隔離電路部分 耦合器（optical coupler，英文縮寫(xiě)為 OC）亦稱(chēng)光電隔離器，簡(jiǎn)稱(chēng)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(lèi)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

55、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) 850 nm 波長(zhǎng) AlGaAs LED 和一個(gè)集成檢測(cè)器組成，

56、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： 轉(zhuǎn)換速率高達(dá) 10MBit/s; 擺率高達(dá) 10kV/us; 扇出系數(shù)為 8; 邏輯電平輸出; 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：-40C to +85C 典型應(yīng)

57、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 安徽工程大學(xué)畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文） - - 23 - 6N137 光耦合器的內(nèi)部結(jié)構(gòu)、管腳如圖所示。 圖 3-1 6N137 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(lèi)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

58、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 1. 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 6N137 光耦合器的真值表 輸入使能輸出 HHL LHH HLH LLH HNCL LNCH 項(xiàng)沖：基于單片機(jī)的鋰電池充電器設(shè)計(jì) - 24 - 圖 3-2 lm7805 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 lm90

59、13 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，lm 7909 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) 輸出電流可達(dá) 1A 輸出電壓有：5V 過(guò)熱保護(hù) 短路保護(hù) 輸出晶體管 SOA 保護(hù)

60、內(nèi)部結(jié)構(gòu)框圖如圖 3-3 所示： 圖 3-3 LM7805 內(nèi)部結(jié)構(gòu)框圖 功能框圖： 安徽工程大學(xué)畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文） - - 25 - 圖 3-4 LM7805 功能框圖 3.4 充電控制電路部分 3.4.1 MAX1898 充電芯片充電芯片 1.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)。 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。 電流大小：充電的電流大小決定充電時(shí)間。 充電方式：即是快充、慢充還是可以控制充電過(guò)程。 使用的電池類(lèi)型：不同的電池需要不同的充電器。 2MAX1898 (1)如何使用 MAX1898 MAX1898 是本

61、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(lèi)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 MAX 封裝，在更小的尺寸內(nèi)集成了更多的功能，只需

62、少數(shù)外部元件。 MAX1898 的基本特點(diǎn)如下： 4.5V12V 輸入電壓范圍； 內(nèi)置檢流電阻； 項(xiàng)沖：基于單片機(jī)的鋰電池充電器設(shè)計(jì) - 26 - 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。 MAX1898 的引腳如圖 3-5 所示。 IN 1 CHG 2 EN/OK 3 ISET 4 CT 5 RST RT 6 BAT T 7 GND 8 DRV 9 CS 10 MAX1898 圖 3-5 MAX1898 的引腳 MAX1898 的引腳功能如下。 IN：傳感器輸入，檢測(cè)輸入電壓和電流。 CHG：LED 驅(qū)動(dòng)電路。 EN/OK：邏輯電平輸

63、入允許/電源輸入“好” 。 ISET：電流調(diào)節(jié)。 CT：安全的充電時(shí)間設(shè)置。 RSTRT：自動(dòng)重新啟動(dòng)控制引腳。 BATT：接單個(gè) Li+的正極。 GND：地。 DRV：外接電阻驅(qū)動(dòng)器。 CS：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、 安

64、徽工程大學(xué)畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文） - - 27 - 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(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)。 IN 1 CHG 2 EN/OK 3 ISET 4 CT 5 RST RT 6 BAT T 7

65、GND 8 DRV 9 CS 10 MAX1898 充充充充充充 on/off + BAT T ERY 4.5V /12V GND 圖 3-6 MAX1898 的典型充電電路 ()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。 ()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。 ()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：CnF=34.33Tchghours ()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：Imax1400/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(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)時(shí)間會(huì)越來(lái)越短，充電結(jié)束時(shí)，LED 指示燈