【正文】 基本都是脈沖法加去極化反應結(jié)合的方式。 圖 脈沖去極化法充電電流波形 本設(shè)計所做的快速充電器，正是基于 上面 的考慮，快速充電時采用的也是這種脈沖法加去極化反應結(jié)合的方式，即在大電流充電之中穿插 短時間 大電流放電這種快速充電 方式 [5]。 從鎳鎘 鎳氫 電池快速充電特性 曲線 可以看出，充滿 電后，電池電壓開始下降， 這時電能將大部分轉(zhuǎn)化成熱能，使 電池的溫度和內(nèi)部壓力迅速上升， 對電池造成損害甚至產(chǎn)生危險。 （ 2） 電壓負增量 （ ΔV） 控制 ： 從鎳鎘鎳氫電池的電壓充電曲線中可以看出，這兩種電池 充 滿電后，電壓均出現(xiàn)下降 ，即出現(xiàn)電壓負增量 。 不過也有其 缺點 ： 充滿 電以前 ， 電池電壓在某一段時間內(nèi)可能變化很小 ， 從而造成過早 停止快速充電 。 9 第 3章 硬件電路 設(shè)計 電路總體框架 本設(shè)計的 電路主要分為充放電電路、 電池電壓采集變換電路、恒壓源、模擬開關(guān)、由恒流源、電容和單片機內(nèi)置比較器構(gòu)成的 A/D轉(zhuǎn)換電路以及單片機控制電路幾個 部分 。掉電方式下 保存 RAM 中的內(nèi)容，但振蕩器停止工作并禁止其它所有部件工作直到下一個硬件復位。 2． P3 口： P3 口的 ～ 、 是帶有內(nèi)部上拉電阻的 7 個雙向 I/O 口。由于 AT89C2051單片機是低電平有效，以充電電路為例，如 R12端接低電平則 V3很容易導通并進入飽和狀態(tài)，調(diào)節(jié)電阻 R12大小同樣使 V4飽和，可以對電池提供較大的電流。 其中 差動比例運算放大器 選用的是 LM358。 (約 100dB)。 ，包括接地 。由圖 可以看到， VI 是一個內(nèi)部的 ，接在運放VCC+ 輸出 (2) 反相輸入端 (2) 同相輸入端 (2) VCC－ 同相輸入端 (1) 反相輸入端 (1) 輸出 (1) 1 2 3 4 5 6 7 8 － + － + 14 的反相輸入端。 （ 6） 在整個額定工作溫度范圍內(nèi)可進行工作溫度補償 。利用這個特點，可以將 TL431 應用于很多恒流電路中。INH 是地址輸入禁止端，它為高電平時，地址輸入無效。 ，當 VDDVEE＝ 15V 時， rON典型值為 5Ω。 為了使 A/D轉(zhuǎn)換具有一個基準電壓，電路中采用了一個 TL431構(gòu)成的恒壓源，電壓值為 Vref=，通過模擬開關(guān) CD4051控制 Vref和 VI的選通，控制端 A為 0時，Vref選通，為后面的 A/D轉(zhuǎn)換電路提供 ，接著控制端 A置為 1， VI選通，為后面的 A/D轉(zhuǎn)換電路提供另一個參考電壓。而比較器反相輸入端接 模擬開關(guān)輸出端的 參考電壓，當同相輸入端電壓上升到與 參考電壓 相等后，比較器翻轉(zhuǎn)，此時 令 定時器停止計時，定時器計時終值便是轉(zhuǎn)換后的數(shù)字量。當快速充電到一定程度后，開始負壓判斷（為了防止可能出現(xiàn)的電壓兩次下降現(xiàn)象――“雙峰效應”，一開始并未進行負壓判斷 ,而是當電池電壓達到設(shè)定值后才開始判斷） ，然后按預定時間間隔重復檢測。 A/D 轉(zhuǎn)換 誤差分析 基準電壓 Vref誤差 ：在該 A/D轉(zhuǎn)換 電路 中， Vref電壓是造成 A/D轉(zhuǎn)換誤差的主要原因，如果 Vref電壓精度較高，則 A/D轉(zhuǎn)換誤差可以很小，在 Vref電壓精度為%情況下，實際的 A/D轉(zhuǎn)換誤差小于 1%。 選用靈敏度高的比較器可解決比較器輸入端導致的誤差問題。 單片機的工作頻率：由于 A/D轉(zhuǎn)換值是經(jīng)過乘除運算后完成的，因此單片機的運算速度也會對 A/D轉(zhuǎn)換速度有影響，尤其當計數(shù)器值為 16位時。放電 到電 壓低于 ，開始快速充電，放電和充電過程中， 電壓采集子程序一直在工作 ，獲得電池電壓，并且通過運算得到 ，用于主程序中電壓的判斷 。保存上次 VI 對應數(shù)值 REP1: ACALL REPS 。 。大電流充電 CHAR1:SETB SMAL MOV R1,0 CR6:CJNE R1,42,CR1 。 圖 求平均值程序流程圖 開始 初使化 電容放電 延時，以放電完全 電容充電 T0 計時 比較器翻轉(zhuǎn) ? T0 停止計時 T0 值累加至寄存單元 累加值整體右移 3 位，相當于除以 8 返回 累加滿 8 次 ? YN YN N N 29 電壓采集 通過控制模擬開關(guān)選通 ， A/D轉(zhuǎn)換后 ， 分別 獲得 值和線性變換的 電池電壓 VI對應的數(shù) 值 ， 并通過運算，獲得 對應數(shù)值。 電路需要改進的地方主要在于只能對兩節(jié)串聯(lián)電池進行充電，并且只用了 ΔV一種檢測方法，如果和其它檢測方法 如溫度檢測結(jié)合起來，可以使 功能更加完善 。 本文在撰寫過程中， 也得到了老師 們 的指導和同學們熱情的幫助，在此向他們表示衷心的感謝。 完整程序代碼見附錄 2。停止定時器工作 SETB DISC SETB LAGR CLR SMAL SL2:MOV R4,6 SL1:ACALL DEL500M DJNZ R4,SL1 CPL LED2 AJMP SL2 子程序 設(shè)計 求平均值 為了使求得電池電壓值誤差盡可能小，將多次采集所得電壓對應的數(shù) 值累加 28 起來，再除以累加次數(shù)，便可得到電池電壓的平均值。延時直至 1s AJMP DI2 DI1:ACALL DEL50M AJMP DI3 DI2:DJNZ R6,DISC1 。判斷電池電壓是否大于 JUDG2:MOV V33L,NV1L MOV V33H,NV1H MOV A,V01L ADD A,V33L MOV V33L,A MOV A,V01H ADDC A,V33H MOV V33H,A CLR C MOV A,V5L SUBB A,V33L MOV A,V5H SUBB A,V33H JNC JUDG3 。 24 圖 主程序流程圖 主程序代碼 設(shè)計 根據(jù)流程圖，設(shè)計主程序代碼如下： CLR SMAL ACALL DEL500M SETB SWTH 。 一段時間后，電壓采集子程序 開始 工作 ，獲得電池電壓，與設(shè)定的端壓范圍（ ～ ）比較，不在此范圍內(nèi) ， 認為電池不屬于 鎳鎘 鎳氫 充電 電池 ，不對電池充電，指示燈給出狀態(tài)指示。 電容 C1的大小：其道理與前一點一樣，當電容 越 小時，電壓上升速度就越快，到達 參考電壓 的時間也會越短，轉(zhuǎn)換速度就越快。在本設(shè)計中采用高精度的穩(wěn)壓管 TL431來提供 Vref電壓。由此可以得到： T2VT1Vref ? （ 38） 即 ： T1T2VrefV ?? （ 39） 由于 Vref是基準電壓（ ），因此只要利用單片機的定時器測出 T1和 T2，就可以計算出被測電壓 V的值。 此時放電電路工作，不過因為放電電流很大，長時間連續(xù)放電 會對電池和放電電路均造成損害，因此放電電路采用間歇放電的方式，通過軟件控制，每 1s內(nèi)放電 50ms，取平均值相當于以50mA電流連續(xù)放電 。與圖 ， TL431穩(wěn)壓管陰極 與陽極之間電壓恒定為 （ Vref） ，與圖 之處在于本電路恒流源要對外提供電流，因此三極管改用 PNP型的，由于三極管EB極之間管壓降為 ，因此 恒流源提供的 電流為 ： 2R ?? （ 37） 20 A/D轉(zhuǎn)換電路 工作過程：首先單片機控制端置為 1， V2導通且進入飽和狀態(tài)，飽和管壓降近似為 0，對電容放電，放電完畢后， 單片機控制端置為 0，這時 V2處于截止狀態(tài)，由于恒流源作用，電容兩端電壓線性上升， 單片機控制端置為 0的同時，計時 器開始計時。 電路 功能 及 參數(shù) 的 確定 本設(shè)計 中只用到 LM358的一個運算放大器， 線性電壓變換電路 由這個 運算放大器和電阻構(gòu)成， 即圖 U3A和 R R R R8， 根據(jù) 差動比例運算放大器的計算公式 ： ? ? ifRRVVVo ??? ?? （ 32） 其中同相輸入端接電池正極 ，反相輸入端接 2V恒定電源， 代入 電阻阻值 有 ： ? ? 072522m inVo ???? （ 33） 8 7 VSS VEE 11 10 9 6 A B C INH TG TG TG TG TG TG TG TG 4 2 6 1 12 15 16 13 7 6 5 4 3 2 1 0 地址輸入輸出 3 串行輸 出輸入 邏輯電平轉(zhuǎn)換 帶禁止端的二進制地址譯碼 16 VDD 18 ? ? a xVo ???? （ 34） 由此可知 線性變換 電路 的 功能 是將 2V～ 0V～ 5V。 ，當 VDDVEE＝ 18V 時，漏極電流典型值為 177。 CD4051 是 8 選 1 多路模擬開關(guān)，它由邏輯電平轉(zhuǎn)換電路、 8 選 1 譯碼電路和8 個 CMOS 開關(guān)單元 S1～ S8 三部分組成，其引腳如圖 所示，原理如圖 所示 [10]。當然，這個電路并不是很實用，但它清晰地展示了該器件的應用方法。 （ 4） 1mA～ 100mA 的灌 電流能力 。 圖 是該器件的符號。 。它的引腳如圖 所示。涓流充電電路中電流為 50mA， V7放大倍數(shù)設(shè)為 100，計算得到 R15為 39Ω， R16為 910Ω。 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。 Pl 口輸出緩沖器可灌入 20mA 電流并可直接驅(qū)動 LED。 AT89C2051 單片機的工作電壓范圍較寬，可在 ～ 6V電壓范圍內(nèi)工作。 4． 綜合控制 ： 上述控制方法各有優(yōu) 缺點 ， 為了保證在任何情況下 ， 充電器 均能準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 括定時控制 ，電壓控制 ， 溫度控制 ， 高精度電壓負增量的綜合控制 方法 。要實現(xiàn)這種判斷方式，電路較為復雜，投入的成本也就相對較高，所以一般中高檔充電器才會使用這種判斷方式。本來從電池的充電過程來看， 這 可能 被 認為是最準確的充電方式 ， 但實際上 ，因為每個電池的特性不盡相同，可能這個電壓高 些 ， 那個低 些 ， 而 通常 充電器設(shè)置的是 一個固定 的電壓， 這個 電壓值 只是一般認為應該充滿或接近充滿的數(shù)值，所以使用這種限壓判斷方式的充電器，有些電池可能還沒有充滿就停了，而有些可能充滿時也達不到這個電壓，這時充電器就不會 做出 判斷 而 任由 其 繼續(xù)充電了。 充電終止控制方法 采用快速充電法時，充電電流為常規(guī)充電電流的幾十倍。但從時間就是金錢的角度來看，快速充電器節(jié)省下來的時間所帶來的效益，遠比損傷電池壽命 10%左右的損失大得多。而且這類充電器還采用了電壓斜率法或 Δ 法來判斷電池是否充滿，一旦充滿就自動轉(zhuǎn)入涓流充電，以免超過時間后大電流對電池造成傷害。 下面 引入恒流充電和脈沖充電的概念。 快充 和 慢充 的概念如下： 首先一個充電電池的 容量 一定， 其單位是 mAh，如果充電電流大，那么相應的充電時間就應該短，這就是快充，反之亦然。 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 從曲線中可以看出，不管是鎳鎘 電池 還是鎳氫電池，充電開始階段，電壓上升較快，當電池電壓超過 后，電壓上升趨于平緩。比如，鎳鎘電池只放出 80%的電量后就開始充電， 充滿 電后，該電池也只能放出 80%的電量，這種現(xiàn)象稱為記憶效應。 電池的開路電壓，會依電池正、負極與電解液的材料而異，如果電池正、負極的材料完全一樣，那么不管電池的體 積有多大，幾何結(jié)構(gòu)如何變化，開路電壓都 是 一樣的。 本 設(shè)計 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 重要組成 部分 是 A/D 轉(zhuǎn)換 電路 。第三章分三個部分對本設(shè)計的硬件電路做了詳細分析，其中包括 電路工作原理和每一部分參數(shù)的設(shè)置。