【正文】 .............. 32 參考文獻(xiàn) ............................................................. 34 附錄一 ............................................................... 35 附錄二 ............................................................... 36 遼寧石油化工大學(xué)繼續(xù)教育學(xué)院論文 1 第一章 緒論 如今，隨著越來越多的 手持式電器的出現(xiàn)，對高性能、小尺寸、重量輕的電池充電器的需求也越來越大。電池技術(shù)的持續(xù)進(jìn)步也要求更復(fù)雜的充電算法以實(shí)現(xiàn)快速、安全的充電。因此需要對充電過程進(jìn)行更精確的監(jiān)控，以縮短充電時間、達(dá)到最大的電池容量，并防止電池?fù)p壞。 與此同時， 對充電電池的性能和工作壽命的要求也不斷地提高。從 20世紀(jì) 60年代的商 用鎳鎘和密封鉛酸電池到近幾年的鎳氫和鋰離子技術(shù)，可充電電池容量和性能得到了飛速的發(fā)展。 目前各種電器使用的充電電池主要有鎳鎘電池（ NiCd）、鎳氫電池（ NiMH）、鋰電池（ LiIon） 和密封鉛酸電池（ SLA）四種類型。 電池充電是通過逆向化學(xué)反應(yīng)將能量存儲到化學(xué)系統(tǒng)里實(shí)現(xiàn)的。由于使用的化學(xué)物質(zhì)的不同，電池有自己的特性。設(shè)計充電器時要仔細(xì)了解這些特性以防止過度充電而損壞電。 目前，市場上賣得最多的是旅行充電器，但是嚴(yán)格從充電電路上分析，只有很 少部分充電器才能真正意義上被稱為智能充電器，隨著越來越多的手持式電器的出現(xiàn)，對高性能、小尺寸、輕重量的電池充電器的需求也越來越大。電池技術(shù)的持續(xù)進(jìn)步也要求更復(fù)雜的充電算法以實(shí)現(xiàn)快速、安全地充電，因此，需要對充電過程進(jìn)行更精確地監(jiān)控 (例如對充、放電電流、充電電壓、溫度等的監(jiān)控 )，以縮短充電時間，達(dá)到最大的電池容量，并防止電池?fù)p壞。因此，智能型充電電路通常包括了恒流／恒壓控制環(huán)路、電池電壓監(jiān)測電路、電池溫度檢測電路、外部顯示電路 (LED或 LCD 顯示 )等基本單元。其框圖如下： 遼寧石油化工大學(xué)繼續(xù)教育學(xué)院論文 2 圖 11 智能充電器基本框圖 常見充電電池特性及其充電方 式 電池充電是通過逆向化學(xué)反應(yīng)將能量存儲到化學(xué)系統(tǒng)里實(shí)現(xiàn)的，由于使用的化學(xué)物質(zhì)的不同，電池的特性也不同，其充電的方式也不大一樣。 (1)電池的安全充電 現(xiàn)代的快速充電器 ( 即電池可以在小于 3 個小時的時間里充滿電，通常是一個小時 ) 需要能夠?qū)卧妷骸⒊潆婋娏骱碗姵販囟冗M(jìn)行精確地測量，在充滿電的同時避免由于過充電造成的損壞。 (2)充電方法 SLA 電池和鋰電池的充電方法為恒定電壓法要限流； NiCd 電池和 NiMH 電池的充電方 法為恒定電流法，且具有幾個不同的停止充電的判斷方法。 (3)最大充電電流 最大充電電流與電池容量 (C) 有關(guān)。最大充電電流往往以電池容量的數(shù)值來表示。例如，電池的容量為 750 mAh，充電電流為 750 mA，則充電電流為 1C (1 倍的電池容量 )。若涓流充電時電流為 C/40，則充電電流即為電池容量除以 40。 (4)過熱 電池充電是將電能傳輸?shù)诫姵氐倪^程。能量以化學(xué)反應(yīng)的方式保存了下來。但不是所有的電能都轉(zhuǎn)化為了電池中的化學(xué)能。一些電能轉(zhuǎn)化成了熱能，對電池起了加熱的作用。當(dāng)電池充滿后，若繼續(xù)充電，則所有的 電能都將轉(zhuǎn)化為電遼寧石油化工大學(xué)繼續(xù)教育學(xué)院論文 3 池的熱能。在快速充電時這將使電池快速升溫，若不及時停止充電就會造成電池的損壞。因此，在設(shè)計電池充電器時，對溫度進(jìn)行監(jiān)控并及時停止充電是非常重要的。 現(xiàn)代消費(fèi)類電器主要使用如下四種電池： ? 密封鉛酸電池 (SLA) ? 鎳鎘電池 (NiCd) ? 鎳氫電池 (NiMH) ? 鋰電池 (LiIon) 在正確選擇電池和充電算法時需要了解這些電池的背景知識。 密封鉛酸電池 (SLA) 密封鉛酸電池主要用于成本比空間和重量更重要的場合，如 UPS和報警系統(tǒng)的備份電池。 SLA 電池以恒定電壓進(jìn)行充電，輔以電 流限制以避免在充電過程的初期電池過熱。只要電池單元電壓不超過生產(chǎn)商的規(guī)定 ( 典型值為)， SLA 電池可以無限制地充電。 鎳鎘電池 (NiCd) NiCd 電池目前使用得很普遍。它的優(yōu)點(diǎn)是相對便宜，易于使用；缺點(diǎn)是自放電率比較高。典型的 NiCd 電池可以充電 1000 次。失效機(jī)理主要是極性反轉(zhuǎn)。在電池包里第一個被完全放電的單元會發(fā)生反轉(zhuǎn)。為了防止損壞電池包，需要不間斷地監(jiān)控電壓。一旦單元電壓下降到 就必須停機(jī)。 NiCd 電池以恒定電流的方式進(jìn)行充電。 鎳氫電池 (NiMH) 在輕重量的手持設(shè)備中 如手機(jī)、手持?jǐn)z象機(jī)，等等鎳氫電池是使用最廣的。這種電池的容量比 NiCd 的大。由于過充電會造成 NiMH 電池的失效，在充電過程中進(jìn)行精確地測量以在合適的時間停止是非常重要的。和 NiCd 電池一樣，極性反轉(zhuǎn)時電池也會損壞。 NiMH 電池的自放電率大概為 20%/ 月。和 NiCd 電池一樣， NiMH 電池也為恒定電流充電。 鋰電池 (LiIon) 和本文中所述的其他電池相比，鋰電池具有最高的能量 / 重量比和能量 / 體積比。鋰電池以恒定電壓進(jìn)行充電，同時要有電流限制以避免在充電過程的初期電池過熱。當(dāng)充電電流下降到 生產(chǎn)商設(shè)定的最小電流時就要停止充電。過充電將造成電池?fù)p壞，甚至爆炸。 主要芯片的選擇 硬件電路的核心器件選用 ATMEL 公司的 AT89C51 芯片， AT89C51 是一種帶 4K 字節(jié)閃爍可編程可擦除只讀存儲器（ FPEROM— Falsh Programmable and Erasable Read Only Memory）的低電壓，高性能 CMOS8 位微處理器，俗稱單片機(jī)。 AT89C2051 是一遼寧石油化工大學(xué)繼續(xù)教育學(xué)院論文 4 種帶 2K 字節(jié)閃爍可編程可擦除只讀存儲器的單片機(jī)。 單片機(jī)的可擦除只讀存儲器可以反復(fù)擦除 100次。該器件采用 ATMEL 高密度非易失存儲器制造技術(shù)制造，與工業(yè)標(biāo)準(zhǔn)的 MCS51 指令集和輸出管腳相兼容。由于將多功能 8 位 CPU 和閃爍存儲器組合在單個芯片中， ATMEL 的 AT89C51 是一種高效微控制器 。 (1) 主要特性： 與 MCS51 兼容 4K 字節(jié)可編程閃爍存儲器 壽命： 1000 寫 /擦循環(huán) 數(shù)據(jù)保留時間： 10 年 全靜態(tài)工作： 0Hz24Hz 三級程序存儲器鎖定 128*8 位內(nèi)部 RAM 32 可編程 I/O 線 兩個 16 位定時器 /計數(shù)器 5 個中 斷源 可編程串行通道 低功耗的閑置和掉電模式 片內(nèi)振蕩器和時鐘電路 (2) 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。如采用外部時鐘源驅(qū)動器件， XTAL2應(yīng)不接。有余輸入至內(nèi)部時鐘信號要通過一個二分頻觸發(fā)器，因此對外部時鐘信號的脈寬無任何要求，但必須保證脈沖的高低電平要求的寬度。 (3)芯片擦除： 整個 PEROM陣列和三個鎖定位的電擦除可通過正確的控制信號組合，并保持 ALE管腳處于低電平 10ms 來完成。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，定時器，計數(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，禁止所遼寧石油化工大學(xué)繼續(xù)教育學(xué)院論文 5 用其他芯片功能，直到下一個硬件復(fù)位為止。 液晶顯示模塊的選擇 LCD 顯示模塊是一種被動顯示器，具有功耗低，顯示信息大，壽命長和抗干擾能力強(qiáng)等優(yōu)點(diǎn)，在低功耗的單片機(jī)系統(tǒng)中得到大 量使用。 液晶顯示模塊和鍵盤輸入模塊作為便攜式儀表的通用器件，在單片機(jī)系統(tǒng)的開發(fā)過程中也可以作為常用的程序和電路模塊進(jìn)行整體設(shè)計。液晶顯示的原理是利用液晶的物理特性，通過電壓對其顯示區(qū)域進(jìn)行控制，有電就顯示黑色，這樣即可顯示出圖形。 在單片機(jī)系統(tǒng)中使用液晶顯示模塊作為輸出器件有以下優(yōu)點(diǎn) : (1) 顯示質(zhì)量高 液晶顯示器每一個點(diǎn)在收到信號后就一直保持那種色彩和亮度，恒定發(fā)光，因此液晶顯示器畫質(zhì)高而且不會閃爍。 (2) 數(shù)字式接口 液晶顯示器都是數(shù)字式的，和單片機(jī)系統(tǒng)的接口更加簡單。 (3) 體積小，重量輕 (4) 功率消耗小 液晶顯示器的功耗 主要消耗在其內(nèi)部的電極和驅(qū)動 IC 上，因此耗電量比其它顯示器要小得多。 遼寧石油化工大學(xué)繼續(xù)教育學(xué)院論文 6 第二章 硬件電路設(shè)計 經(jīng)過前面對充電器原理、液晶模塊等的總體了解和掌握以及對各種元器件和電路圖的分析和比較后，現(xiàn)在就可以開始進(jìn)入硬件電路的設(shè)計了。在本章里，首先將介紹一下液晶模塊訪問方式的兩種接口電路，然后對 LCD 顯示電路原理圖作一個詳細(xì)的介 紹，接著介紹充電電路中所用到的各種芯片和元器件的原理和一些功能 . 選擇 單片機(jī)與液晶顯示模塊之間的連接方式分為直接 訪問方式和為間接控制方式兩種。如圖 21和圖 22所示，其中左為單片機(jī)，右為液晶顯示模塊。 (一 ) 直接訪問方式 數(shù)據(jù)總線 GND +5V 電位器 負(fù)電源 1 3 2 74LS00 A11 A10 A9 A8 MPU 圖 21 直接訪問方式電路圖 LCM 接口 PD0 PD1 PD2 PD3 PD4 PD5 PD6 PD7 RD WE DB0 DB1 DB2 DB3 DB4 DB5 DB6 DB7 GND VCC V0 E /CSA /CSB R/W D/I 10K 遼寧石油化工大學(xué)繼續(xù)教育學(xué)院論文 7 直接訪問方式就是將液晶顯示模塊的接口作為存儲器或 I/O設(shè)備直接掛在單片機(jī)總線上，單片機(jī)以訪問存儲器或 I/O 設(shè)備的方式操作液晶顯示模塊的工作。直接訪問方式的接口電路如圖 21 所示，在圖中，單片機(jī)通過高位地址 A11 控制 CSA，A10控制 CSB，以選通液晶顯示屏上各區(qū)的控制器；同時用地址 A9 作為 R/W 信號控制數(shù)據(jù)總線的數(shù)據(jù)流向；用地址 A8作為 D/I 信號控制寄存器的選擇， E(使能 )信號由 RD 和 WE 共同產(chǎn)生，這樣就實(shí)現(xiàn)了單片機(jī)對液晶顯示模塊的電路邊接。電位器用于顯示對比度的調(diào)節(jié)。 (二 )間接控制方式 10K 負(fù)電源 GND MPU LCM 接口 圖 22 間接控制方式電路圖 DB7 DB6 DB5 DB4 DB3 DB2 DB1 DB0 /CSA /CSB E R/W D/I VCC V0 GND 電 位 器 +5V 遼寧石油化工大學(xué)繼續(xù)教育學(xué)院論文 8 間接控制方式是單片機(jī)通過自身的或系統(tǒng)中的并行接口與液晶顯示模塊連接。單片機(jī)通過對這些接口的操作，以達(dá)到對液晶顯示模塊的控制。這種方式的特點(diǎn)就是電路簡單，控制時序由軟件實(shí)現(xiàn)，可以實(shí)現(xiàn)高速單片機(jī)與液晶顯示模塊的接口。電路圖如圖 22所示。在圖中以 P1口作為數(shù)據(jù)口， 為 CSA， 為 CSB， 為使能端， 為 R/W 和 為 D/I 信號。電位器用于顯示對比度的調(diào)節(jié)。 通過比較再結(jié)合本次設(shè)計的實(shí)際條件，由于 AT89C51 芯片有 WR、 RD 管腳， 為了 使電路簡單且方便軟件實(shí)現(xiàn)，所以最終決定采用 直 接控制的方式來設(shè)計 LCD 顯示電路。 1 AT89C51 主要引 腳功能： （ 1） .管腳說明 ： VCC：供電電壓。 GND：接地。 P0口： P0 口為一個 8位漏級開路雙向 I/O 口，每腳可吸收 8TTL 門電流。當(dāng) P1 口的管腳第