【正文】 洛陽理工學院畢業(yè)設計（論文）數字式智能充電器設計畢業(yè)論文目　錄前　言 1第1章 緒論 2 充電器的開發(fā)背景 2 數字式智能充電器的開發(fā)要求 3第2章 方案的選擇 4 方案選擇的原理 4 方案選擇的特點 4第3章 電池的充電特性和控制算法 6 電池的充電特性 6 鋰離子電池 6 鎳鎘、鎳氫電池 6 密封鉛酸蓄電池 7 電池的充電控制算法 8第4章 硬件設計 9 系統控制電路的組成部分 9 MCU模塊 9 10 12 12 14第5章 軟件設計 15 用C語言開發(fā)單片機的優(yōu)勢 15 系統程序流程圖 15 液晶顯示 17結　論 18謝 辭 19參考文獻 20附　錄 21外文資料翻譯 530前　言伴隨著電子技術的發(fā)展，充電電池被用作為移動電子設備提供能量的裝置，其在許多方面的應用也越來越廣泛。目前使用的充電電池有很多類型，比如鎳鎘電池、鎳氫電池、鋰電池和小容量的密封鉛酸蓄電池。不同類型的電池具有不一樣的充電特性。現在市場上針對不同類型和電壓，甚至不同容量等級的電池，需要有不同類型的充電器，這在平時的使用中有諸多不便。因此，我設計了一種通用數字式智能型的充電器。使用單片機技術的數字式智能充電器在我們國家的研究發(fā)展還比較晚，因為其體積小、動態(tài)響應速迅速、輸出紋波小、效率高等特點，近年來受到國內外的廣泛關注與研究，特別是在通信、電力等領域中，目前已經得到了普遍的研究和使用。在國外市場大部分智能充電器都采用的充電方式更科學、合理，因此大大提高了充電電池的使用壽命，很大程度上降低了使用和維護成本，簡化了充電過程，減少了操作人員的工作強度，市場前景非常廣闊。近年來，國內外技術人員正致力于智能充電器的研究，智能化程度高的充電器解決了動態(tài)跟蹤電池能夠接受充電電流曲線的關鍵技術，使充電電流始終與可以接受的充電電流保持良好的匹配關系，使充電過程保持在最佳狀態(tài)下進行，比常規(guī)充電模式可節(jié)約30%50%左右的電能，大大提高了充電的質量和效率，為充電技術和充電設備的數字式智能化的發(fā)展闖出了一條新道路。 第1章 緒論隨著越來越多的便攜式電器的出現，對電池的性能、尺寸、重量等的要求也越來越高。充電電池技術的不斷進步同時也要求更復雜的充電算法來實現快速、安全的充電；所以需要對充電過程的監(jiān)控要求更精確，以便縮短充電時間、且能達到最大的電池容量，同時還要防止電池被損壞。AVR在對充電技術的控制芯片領域中有了很豐富的經驗，為下一代充電器的研發(fā)提供了多方面的技術支持。Atmel AVR微處理器在當前市場上可以以單片方式提供Flash、EEPROM 和10位ADC高效的8位RISC 微處理器。因為程序存儲器為Flash，所以可以不用像MASK ROM一樣，有多少個軟件版本就庫存多少種型號。Flash可以在發(fā)貨之前進行編程，也可以在PCB貼裝之后通過ISP編程，從而允許在最后的時間里進行軟件更新。EEPROM 可以用來保存標定系數和不同類型電池的特性參數，10位A/D 轉換器可以提供足夠的數據測量精度，使得充好后的電池容量更接近最大容量。然而其他方案想達到此目的，可能還需要外部的ADC，不但占用PCB 空間，也提高了產品成本。 充電器的開發(fā)背景目前為了更高效、快速、無損害地對電池進行有效的充電，一直是電池界里最關心的問題。雖然電池的問世到現在有100多年的歷史，但是以為技術條件的限制，其充電模式一直主要采用恒壓、恒壓限流、恒流等，這些充電方法不能遵從電池內部結構的物理化學規(guī)律，許多存在著很嚴重的過充和析氣等現象?，F在的各種充電方法中，因為種種原因，充電電流不能根據電池的狀態(tài)變化；動態(tài)地跟蹤理想的的充電電流曲線，因此充電質量和效果還不理想。因為充電效率低，在充電過程時將會產生大量的氣體析出，析氣可以使電池正極板腐蝕，導致電池損壞，嚴重地縮短電池的使用壽命。作為電池使用者來說，電池的管理維護非常重要，但高效、無傷害的充電器裝置更是對改善電池的使用效率、延長電池的使用壽命起著很關鍵的作用。所以，既能使能量利用效率提高和加快充電速度，又不影響電池的使用壽命的新型高效、快速、無損害的充電技術成為快速發(fā)展的現代電力電子技術一直關注的研究方向。隨著信息電子技術的發(fā)展，電池逐漸的應用到各大領域，例如說汽車、輪船、通信和各種電子產品等。所以，研制出一種能快速充電且可以延長電池壽命的充電器也就成為了現在很重要的任務。如何改善充電器的充電質量需要從兩個方面來考慮，第一是充電技術，第二是硬件電路的設計。伴隨著快速高頻電力電子器件的產生和功能強大的集成芯片的不斷出現，數字式智能充電器的功能將會在將來越來越完善和安全。 數字式智能充電器開發(fā)的基本要求從20世紀60年代用于商業(yè)的鎳鎘和密封鉛酸蓄電池一直到最近幾年的鎳氫和鋰離子電池，可充電電池的容量和性能有了快速的發(fā)展。現在各種電器或電子設備使用的充電電池主要有密封鉛酸蓄電池（SLA）、鎳氫電池（NiMH）、鎳鎘電池（NiCD）和鋰電池（LiIon）四種類型。電池充電是通過逆向的化學反應將其能量存儲到化學系統里來實現的。因為使用的化學物質的不同，所以不同的電池有自己的特性。設計充電器時需要仔細研究這些特性來防止過度充電給電池造成不必要的傷害。目前，市場上大部分銷售的是旅行充電器，如果嚴格地從充電電路上分析，僅有很少部分的充電器才能被真正意義上稱為智能充電器，隨著越來越多的便攜式電器的出現，對小尺寸、輕重量、高性能的電池充電器的需求也逐漸變大。電池技術的不斷進步也同時需求更復雜的充電算法以實現安全、快速地充電，所以，要求對充電過程的監(jiān)控更精確(例如對充放電電流、溫度、充電電壓等的監(jiān)控)，以便縮短充電的時間，來達到最大的電池容量，并且能夠防止電池損壞。因此，智能型充電電路一般包括了恒流和恒壓控制電路路、電池電壓和電流的監(jiān)測電路、電池溫度檢測電路、外部顯示電路(LCD或LED顯示)等基本單元。第2章 方案的選擇 方案選擇的原理對于充電電池，傳統的充電方法主要是恒流充電、恒壓充電或兩者結合充電等方法，這些充電方法都沒有動態(tài)的跟蹤電池能夠接受的充電電流的大小，事實證明這些充電方法不僅充電時間長而且比較容易對電池過沖，縮短了電池的壽命。本設計通過對恒流充電和恒壓充電兩種方法的改進，實現了另一種傳統的充電方法，即分段式充電方法。此種方法包括了三階段充電法和二階段充電法。二階段充電方法，采用恒電壓和恒電流相結合的快速充電的方法。首先，使用恒電流充電到達預定的電壓值，然后，再改為恒電壓完成最后的充電。一般兩階段之間轉換的電壓也就是第二階段的恒壓。三階段充電法，開始是采用恒流充電法至設定的電壓值之后轉為第二階段，即高恒壓充電階段，當充電電流小到設定值之后就轉為了第三階段充電，即涓流充電，此時的電壓值變?yōu)楦〕潆妷骸?方案選擇的特點上述傳統的充電方法優(yōu)點是：技術實現比較簡單，基本能夠滿足充電要求，而且成本低。缺點是：它不能區(qū)別電池的放電深度；而且容易造成過充電，以至于使電池內部電壓過高，造成嚴重的極化現象，使電池的失水過多，對充電電池造成不能恢復的傷害，縮短電池的壽命。針對傳統的充電方法；其充電時間長和不安全等特點，目前國內提出了一些新的比較快速的充電方法，比如說變電流間歇充電方法、分階段充電法等，這些充電方法都是在傳統充電方法上的改進，以滿足馬斯提出的最佳電池充電曲線。分階段充電法結合了恒壓充電法和恒流充電法的特點，在充電第一階段采用盡可能大的充電電流充電，使電池在短時間內充入盡可能多的容量，第二階段采用恒壓充電，最后采用涓流充電，使電池完全充滿電。它有更有效的防止了恒壓充電法和恒流充電法中所存在的問題，實現相對簡單，是近年來應用最為廣泛的充電方法。數字式智能充電方法是使實際充電電流能夠動態(tài)跟蹤能夠接受的充電電流，此種充電方法不可能對電池造成過充電，而且充電時間比較短，一般在5~6個小時左右。智能充電方法一般由智能控制回路、充電系統和電池組成，將檢測到的電池的充電電流和充電電壓送到控制模塊；根據電池可接受充電電流曲線來動態(tài)調整充電電流，讓電池在析氣最小的情況時充電，既能夠延長電池的壽命，同時也能縮短充電時間。目前盡管有很多不同的充電方法，但是因為各種條件的約束，仍然還不能達到最佳充電電流曲線的要求。市場上使用的充電器最廣泛的還是三階段充電方法。數字式智能充電器的系統圖如下：圖21 系統組成框圖4洛陽理工學院畢業(yè)設計（論文）第3章 電池的充電特性和控制算法 電池的充電特性 鋰離子電池單節(jié)鋰離子電池的正常工作電壓為 ，充足電時的電壓可達 。鋰離子電池通常采用恒流轉恒壓的充電方法。鋰離子電池先經過恒流充電，待電壓上升至最高電壓 A點，即 UA=，轉至恒壓充電。此時，電池端電壓保持不變，充電電流會逐漸降低，待電流降至 B點，即電流為恒流充電電流的1/10時，認為電池已充滿電，終止充電 。圖31 鋰離子電池的充電特性 鎳鎘、鎳氫電池單節(jié)鎳鎘電池正常工作時的電壓為 ，放完電后。充電時主要采用電池電壓負增量（ΔU）控制充電方法。（a）示出其典型的鎳鎘電池充電曲線。由圖可見，在充電的起始狀態(tài)，電池的端電壓上升很快，經過 A點后，電壓緩慢上升至 B點，然后電池電壓又快速上升至最高點C。從C點處開始繼續(xù)充電，電池電壓會下降，出現ΔU，并且電池有明顯的溫升，此時可判定電池已充足電 。鎳氫電池的特性與鎳鎘電池的基本相同，主要區(qū)別在于鎳氫電池充電時，其最高電壓約為 ，并且鎳氫電池的記憶效應很弱。圖 （b）示出典型的鎳氫電池充電曲線。由圖可見，其充電曲線與鎳鎘電池相似，在充電電壓達到最高點 C后鎳氫電池的端電壓變化比較平坦，繼續(xù)充電會出現很小的ΔU，但比鎳鎘電池的小，而且電池有明顯的溫升，此時可視其為零增量（0ΔU），判定電池已充足電。根據鎳鎘、鎳氫電池的充電特性，系統采取電壓控制和溫度控制。圖32 鎳鎘、鎳氫電池的充電特性 密封鉛酸蓄電池通過研究發(fā)現電池的充電過程對電池壽命影響很大,放電過程的影響較少。絕大多數的鉛酸蓄電池不是用壞的,而是“充壞”的。一個好的充電器對鉛酸蓄電池的使用壽命具有非常大的影響。單節(jié)密封鉛酸電池的正常工作電壓為 ，充滿電時的電壓可達 ，放完電時的電壓可降至1V。密封鉛酸蓄電池通常采用三段式充電方法，即恒流轉恒壓，再到浮充到滿為止。如圖33示出密封鉛酸蓄電池的典型充電曲線。此電池先經過偏大點的恒流充電，等待電壓升高到最高點時，即 UA=，開始轉至恒壓充電。此時，電池端電壓要保持不變，充電電流將會逐漸降低，待電流降至最低點時，開始對電池進行浮充，此時電流應為恒流充電電流的1/10，認為此電池已充滿電，然后終止充電 。圖33 密封鉛酸蓄電池的充電特性 電池的充電控制算法在充電開始時，系統檢測電池電壓和溫度，如果電池電壓過低，則需要用小電流進行預充電，等到電池電壓達到正常范圍后，轉入快充階段，則用大電流進行充電。在快充階段，將采用恒流充電，若電流過大，將會損壞電池；電流過小，將使充電時間過長，而且該系統采取ΔU和零ΔU來判斷電池是否充滿，如果充電電流過小，則ΔU變換不明顯，所以充電電流不宜太小。綜合考慮，在快充階段采用PID控制方法，參數的監(jiān)測在測控系統中占有非常重要的地位，對信號進行采集與處理，實現對參數的測量、控制及顯示，根據偏差的比例( P) 、積分( I) 、微分(D) 來進行控制，目前它仍是控制系統一種最基本的控制算法.，在本設計中根據電壓的變化情況，控制PWM的占空比，從而控制充電電流的變化，使電池電壓按比較理想的充電模式變化，以能夠達到最佳充電效果。在充電過程中，為了可靠判斷電池是否充滿，系統采取多種方式來作為充電中止標志：①針對鎳鎘電池，準確檢測ΔU，針對鎳氫電池準確檢測0ΔU，若檢測到ΔU和0ΔU，則停止充電；②若電池的ΔU變化不明顯時，電池電壓將持續(xù)出現極大值，若該極大值持續(xù) 5min不變化時，認為電池充滿；③根據電池溫度判斷，若電池溫度超過 40℃，則停充。7 第4章 硬件設計 系統控制電路的組成部分整個系統的硬件設計組成部分主要包括MCU模塊、電源模塊、充放電模塊、信號采集模塊、按鍵和顯示模塊；通過上述幾個模塊的有力配合，實現了對充電電池的有效充電。 MCU模塊在硬件設計所用的單片機是Atmel 公司生產的ATmega16高級8 位AVR 微處理器，它是目前市場上可以以單片方式提供Flash、 EEPROM和10位ADC 的最高效的8 位RISC微處理器。其所提供的10 位 A/D 轉換器能夠提供足夠高的測量精度，讓電池充好后的容量更能接近它的最大容量。如圖41所示：引腳說明：(1) VCC：5V電源(2) GND：地端(3)端口A(PA7～PA0)：端口A 作為A/D 轉換器的模擬量輸入端。(4)端口B(PB7～PB0)：端口B 為8 位雙向I/O 口，有可以對其編程的內部上拉電阻。(5)端口C(PC7～PC0)：端口C 為8 位雙向I/O 口，有可以對其編程的內部上拉電阻。(6)端口D((PD7～PD0)：端口D 為8 位雙向I/O 口，有可以對其編程的內部上拉電阻。它的輸出緩沖器有對稱的驅動特性，可以吸收和輸出大電流。使用輸入模式時，如果內部上拉電阻生效，當端口被外部電路拉低時，將輸出電流。在復位的過程中，即便系統時鐘還不能夠起振，端口D也處于高阻狀態(tài)。 (7)RESET：復位的輸入引腳；將引起系統復位的條件是持續(xù)時間超過最小門限時間的低電平。(8)XTAL1：反向振蕩放大器和片內時鐘操作電路的輸入端口。(9)XTAL2：振蕩放大器的反向輸出端口。(10)AVCC：AVCC是端口A與A/D轉換器的電源。不使用ADC時，該引腳應直接與VCC連接。使用ADC時應通過一個低通濾波器與VCC相連。(11)AREF：A/D 的模擬基準量輸入引腳。 圖41 ATmega16單片機 電源模塊圖42 反激式開關電源電路在圖4