【正文】 放電電路設(shè)計(jì) ...................................................................................... 11 電壓變換和模擬開(kāi)關(guān)選通電路設(shè)計(jì) ...................................................... 12 A/D 轉(zhuǎn)換電路設(shè)計(jì) ................................................................................... 18 電路其它組成部分 .................................................................................. 20 電路工作過(guò)程分析 .................................................................................. 20 誤差分析及解決辦法 .............................................................................. 21 影響 A/D 轉(zhuǎn)換速度的因素及提高辦法 ................................................. 22 第 4 章 程序設(shè)計(jì) ................................................................................................... 23 程序設(shè)計(jì)總體思路 .................................................................................. 23 主程序代碼設(shè)計(jì) ...................................................................................... 24 子程序設(shè)計(jì) .............................................................................................. 27 結(jié) 論 ....................................................................................................................... 31 參考文獻(xiàn) ................................................................................................................. 32 致 謝 ....................................................................................................................... 33 附錄 1 系統(tǒng)電路圖 ................................................................................................ 34 附錄 2 主要源代碼 ................................................................................................ 35 1 第 1章 概 述 隨著數(shù)碼行業(yè)的爆破性增長(zhǎng)， 鎳鎘 鎳氫電池以其 經(jīng)濟(jì) 實(shí)惠的 優(yōu) 點(diǎn) 得到眾人的青睞，用途也從傳統(tǒng)的小家電產(chǎn)品收音機(jī)、錄音機(jī)、剃須刀等 擴(kuò)展 到我們新興的MP PDA、數(shù)碼相機(jī) 、 電動(dòng)玩具等產(chǎn)品中來(lái)。第二章介紹了鎳鎘 鎳氫電池 的特點(diǎn)、充電曲線(xiàn)、充電方法、充電過(guò)程和充電終止控制方法，它們是本設(shè)計(jì)的基礎(chǔ)，其中兩種電池的充電曲線(xiàn)是重點(diǎn)內(nèi)容，正是在研究了兩種電池充電曲線(xiàn)的基礎(chǔ)上， 本設(shè)計(jì)采用了脈沖法加去極化反應(yīng)結(jié)合的充電方法和電壓負(fù)增量的充電終止控制方法。這兩種電池具有相似的特性，可以設(shè)計(jì)出兩種電池都適用的充電器。 該充電器 主要 利用模數(shù)轉(zhuǎn)換，將電池電壓 這一 模擬量轉(zhuǎn)換為單片機(jī)定時(shí)器中的數(shù)字量 ，經(jīng)過(guò)數(shù)字量的運(yùn)算、比較，對(duì)電池 的 工作狀態(tài)進(jìn)行 判斷， 并相應(yīng) 地 采取不同的充電方法 。 I 基于 AT89C2051 單片機(jī)的智能快速充電器 摘 要 本設(shè)計(jì)討論了鎳鎘、鎳氫電池 的充電問(wèn)題， 以此為基礎(chǔ)設(shè)計(jì)了一個(gè)快速充電器。 其中快速充電過(guò)程采用了大電流脈沖充放電的方法，消除了電池極化反應(yīng)這一現(xiàn)象，充電過(guò)程中檢測(cè)電路檢測(cè)到 電池出現(xiàn)負(fù)壓后 ， 快速充電終止 。本設(shè)計(jì)在討論了兩種電池特性基礎(chǔ)上，以 AT89C2051 單片機(jī)為核心設(shè)計(jì)了一個(gè) 可對(duì) 鎳鎘 鎳氫電池 充電， 具有 電壓負(fù)增量（ ΔV） 控制功能的快速充電器。第三章分三個(gè)部分對(duì)本設(shè)計(jì)的硬件電路做了詳細(xì)分析，其中包括 電路工作原理和每一部分參數(shù)的設(shè)置。 鎳鎘 鎳氫電池 各有各的特點(diǎn)，可分別 滿(mǎn)足 特定 的 需 求 。 本 設(shè)計(jì) 的硬件電路 中 ， 充電和電壓變換部 分 屬于模擬電路，而控制部 分 屬于數(shù)字電路 ， 連接 這兩部分 電路 的一個(gè) 重要組成 部分 是 A/D 轉(zhuǎn)換 電路 ?？梢杂盟鼇?lái)估算工作時(shí)間 ， 例如， C=1600mAh 的電池 ， 如果 工作電流為 400mA，則可估算工作時(shí)間約為 4 小時(shí)。 電池的開(kāi)路電壓，會(huì)依電池正、負(fù)極與電解液的材料而異，如果電池正、負(fù)極的材料完全一樣，那么不管電池的體 積有多大，幾何結(jié)構(gòu)如何變化，開(kāi)路電壓都 是 一樣的。 一般在相同體積下，鋰離子電池的能量密度是鎳鎘電池的 倍，是鎳氫電 3 池的 倍，因此在電池容量相等的情況下，鋰離子電池就會(huì)比鎳鎘、鎳氫電池的體積更小，重量更輕。比如，鎳鎘電池只放出 80%的電量后就開(kāi)始充電， 充滿(mǎn) 電后，該電池也只能放出 80%的電量，這種現(xiàn)象稱(chēng)為記憶效應(yīng)。 鎳 氫 電池 的特點(diǎn) 鎳 氫 電池 和 鎳鎘電池 相比，由于制造材料不含重金屬 鎘 ， 其 最大的特點(diǎn)是清潔環(huán)保，不污染環(huán)境 [2]。 0. 81. 01. 21. 41. 61. 82. 00 20 40 60 80 100 120鎳鎘鎳氫電壓(V)容量( % ) 圖 鎳鎘鎳氫電池 的電壓充電曲線(xiàn) 從曲線(xiàn)中可以看出，不管是鎳鎘 電池 還是鎳氫電池，充電開(kāi)始階段，電壓上升較快，當(dāng)電池電壓超過(guò) 后，電壓上升趨于平緩。 從曲線(xiàn)中還可以看出，電池充滿(mǎn)后，鎳鎘電池的電壓下降幅度要比鎳氫電池的 大很多，鎳氫電池的電壓下降 （ 負(fù)壓 ） 不是很明顯。 快充 和 慢充 的概念如下： 首先一個(gè)充電電池的 容量 一定， 其單位是 mAh，如果充電電流大，那么相應(yīng)的充電時(shí)間就應(yīng)該短，這就是快充，反之亦然。 這樣一來(lái)出現(xiàn)一個(gè)矛盾， 慢充不 損害 電池但是充電時(shí)間 很 長(zhǎng)；快充可以節(jié)省時(shí)間，但對(duì)電池有傷害，即使是目前 非常 高級(jí) 的 一種 充電器 松下 BQ390 也只能很好的降低傷害程度，但不可完全避免。 下面 引入恒流充電和脈沖充電的概念。 從波形上就可以看出，充電電流的輸出不是直線(xiàn)，而是 脈沖方 波。而且這類(lèi)充電器還采用了電壓斜率法或 Δ 法來(lái)判斷電池是否充滿(mǎn)，一旦充滿(mǎn)就自動(dòng)轉(zhuǎn)入涓流充電，以免超過(guò)時(shí)間后大電流對(duì)電池造成傷害。 這種 充電 方法的 波形 如圖 所示 ， 其中放電脈沖寬度一般要求是充電脈沖寬度的 2～ 倍，而 充電時(shí)間長(zhǎng)度應(yīng)遠(yuǎn)大于放電時(shí)間長(zhǎng)度 。但從時(shí)間就是金錢(qián)的角度來(lái)看，快速充電器節(jié)省下來(lái)的時(shí)間所帶來(lái)的效益，遠(yuǎn)比損傷電池壽命 10%左右的損失大得多。 1． 預(yù)充電 ： 剛 開(kāi)始充電時(shí)以小 電 流充電 ， 使 電池 滿(mǎn)足一定的充電條件 ， 然后轉(zhuǎn)入快速充電 。 充電終止控制方法 采用快速充電法時(shí)，充電電流為常規(guī)充電電流的幾十倍。 1．定時(shí)控制 ： 采用 充電速率時(shí) ， 電池 1 小時(shí)可以 充滿(mǎn) ， 采用 充電速率時(shí) ， 30min 可以 充滿(mǎn) ， 因此 ， 根據(jù)電池容量和充電電流 ， 很容易確定所需的充電時(shí)間 。本來(lái)從電池的充電過(guò)程來(lái)看， 這 可能 被 認(rèn)為是最準(zhǔn)確的充電方式 ， 但實(shí)際上 ，因?yàn)槊總€(gè)電池的特性不盡相同，可能這個(gè)電壓高 些 ， 那個(gè)低 些 ， 而 通常 充電器設(shè)置的是 一個(gè)固定 的電壓， 這個(gè) 電壓值 只是一般認(rèn)為應(yīng)該充滿(mǎn)或接近充滿(mǎn)的數(shù)值，所以使用這種限壓判斷方式的充電器，有些電池可能還沒(méi)有充滿(mǎn)就停了，而有些可能充滿(mǎn)時(shí)也達(dá)不到這個(gè)電壓，這時(shí)充電器就不會(huì) 做出 判斷 而 任由 其 繼續(xù)充電了。 它的 缺點(diǎn) 是 ： 電池電壓出現(xiàn)負(fù)增量后 ， 電池已經(jīng)過(guò)充電 ， 因此電池的溫度較高 。要實(shí)現(xiàn)這種判斷方式，電路較為復(fù)雜，投入的成本也就相對(duì)較高，所以一般中高檔充電器才會(huì)使用這種判斷方式。 鎳氫電池剛好充滿(mǎn)達(dá)到最高電壓時(shí)，會(huì)有一個(gè)短暫的電壓平穩(wěn)的時(shí)段， 高級(jí) 的充電器可以判斷出這個(gè)時(shí)間段，從而控制充電器停止充電或轉(zhuǎn)入涓流充電，但要判斷這個(gè)過(guò)程，難 度 很高，實(shí)現(xiàn)起來(lái) 很 困 難，只有高檔的充電器 才 采用這種方法 。 4． 綜合控制 ： 上述控制方法各有優(yōu) 缺點(diǎn) ， 為了保證在任何情況下 ， 充電器 均能準(zhǔn)確可靠地控制電池的充電狀態(tài) ， 目前快速充電器中通常采用包 括定時(shí)控制 ，電壓控制 ， 溫度控制 ， 高精度電壓負(fù)增量的綜合控制 方法 。 圖 硬件電路框 圖 控制 芯片 AT89C2051 簡(jiǎn)介 本設(shè)計(jì)中 ， AT89C2051 單片機(jī)是核心器件，它控制著電路各部分的工作，內(nèi)部的精密比較器和定時(shí)器同時(shí)還是 A/D 轉(zhuǎn)換電路 的組成部分。 AT89C2051 單片機(jī)的工作電壓范圍較寬，可在 ～ 6V電壓范圍內(nèi)工作?？紤]到在單片機(jī)的很多應(yīng)用中，需要使用發(fā)光二極管（ LED）進(jìn)行指示， AT89C2051 的輸出端口被設(shè)計(jì)成可直接驅(qū)動(dòng) LED，可以省去外加的驅(qū)動(dòng)電路，節(jié)省資源 [6]。 Pl 口輸出緩沖器可灌入 20mA 電流并可直接驅(qū)動(dòng) LED。當(dāng) P3 口寫(xiě)入“ 1”時(shí)，它們被內(nèi)部上拉(RXD) (TXD) XTAL2 RST/VPP XTAL1 (INT0) (INT1) (T0) (T1) GND VCC (AIN1) (AIN0) 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12 13 14 15 16 17 18 19 20 11 電阻拉高并可作為輸入端口。 其中 R1 R1 V V4構(gòu)成大電流充電電路； R1R1 V V6構(gòu)成放電電路； R1 R1 V7構(gòu)成涓流充電電路。 電路參數(shù)的確定如下：假設(shè)兩節(jié)電池電壓為 3V，充電電路正常工作時(shí)， V4飽和，飽和管壓降為 ，此時(shí) R11兩端電壓應(yīng)為 =，本設(shè)計(jì)中快速充電電流為 ，通過(guò)計(jì)算得到 R11為 ，考慮到應(yīng)選用標(biāo)準(zhǔn)電阻，因此 R11阻值最終選為 。涓流充電電路中電流為 50mA， V7放大倍數(shù)設(shè)為 100，計(jì)算得到 R15為 39Ω， R16為 910Ω。考慮到應(yīng)該盡量提高電壓的穩(wěn)定性，該恒壓源 用 高穩(wěn)定性的 TL431 構(gòu)成。它的引腳如圖 所示。 ：?jiǎn)坞娫矗?3V～ 30V），雙電源（ 177。 。 (0 至 )。 圖 是該器件的符號(hào)。 陰極(K)陽(yáng)極(A)參考(R) 圖 TL431符號(hào)圖 2 .5 V re f參考(R)陽(yáng)極(A)陰極(K) 圖 TL431原理圖 的 主要性能參數(shù) 如下： （ 1） 可編程輸出電壓，可從 Vref 到 36V。 （ 4） 1mA～ 100mA 的灌 電流能力 。 TL431 的內(nèi)部含有一個(gè) 的基準(zhǔn)電壓，所以當(dāng)在 REF 端引入輸出反饋時(shí)，器件可以通過(guò)從陰極到陽(yáng)極很寬范圍的分流，控制輸出電壓。當(dāng)然，這個(gè)電路并不是很實(shí)用，但它清晰地展示了該器件的應(yīng)用方法。原理很簡(jiǎn)單，不再贅述。 CD4051 是 8 選 1 多路模擬開(kāi)關(guān)，它由邏輯電平轉(zhuǎn)換電路、 8 選 1 譯碼電路和8 個(gè) CMOS 開(kāi)關(guān)單元 S1～ S8 三部分組成，其引腳如圖 所示，原理如圖 所示 [10]。邏輯電平轉(zhuǎn)換電路的主要作用是把地址輸入端 A、 B、 C 和地址輸入禁止端 INH 輸入的 TTL邏輯電平（通常來(lái)自計(jì)算機(jī)的接口電路）轉(zhuǎn)換為 CMOS 電平，使開(kāi)關(guān)單元能用 TTL電平控制。 ，當(dāng) VDDVEE＝ 18V 時(shí)，漏極電流典型值為 177。 。 電路 功能 及 參數(shù) 的 確定 本設(shè)計(jì) 中只用到 LM358的一個(gè)運(yùn)算放大器， 線(xiàn)性電壓變換電路 由這個(gè) 運(yùn)算放大器和電阻構(gòu)成， 即圖 U3A和 R R R R8， 根據(jù) 差動(dòng)比例運(yùn)算放大器的計(jì)算公式 ： ? ? ifRRVVVo ??? ?? （ 32