【正文】 池電壓，將其對(duì)應(yīng)的數(shù)字值保存在指定單元，并且根據(jù)標(biāo)準(zhǔn)電壓，通過除法運(yùn)算，得到 ； 定時(shí)器 T1中斷服務(wù)子程序用于實(shí)現(xiàn)快速充電過程中 脈沖法加去極化反應(yīng)結(jié)合的充電方法。 23 第 4章 程序設(shè)計(jì) 程序設(shè)計(jì)總體思路 本設(shè)計(jì)采用了軟件硬件結(jié)合的方式，這里重點(diǎn)結(jié)合程序?qū)﹄娐饭ぷ鬟^程再做一次分析 ， 同時(shí)這也是本設(shè)計(jì)軟件部分 的設(shè)計(jì)思路 。 本設(shè)計(jì) 軟件 部分 采用了這種方法。 干擾誤差：當(dāng)輸入電壓不穩(wěn)時(shí)，恒流源的輸出電流會(huì)有一定的影響，會(huì)產(chǎn)生干擾誤差。 由于 C1是 恒流充電，因此 C1上的電壓與充電時(shí)間成正比，即 V=T k。 電路工作過程分析 單片機(jī)初始 化之后，首先涓流充電電路工作，通過預(yù)充電，檢測電池端壓是否在設(shè)定范圍之內(nèi)，如不在（此時(shí)可能情況有多種，如 充電器電池座中 未放入電池、不是符合規(guī)格的電池或電池已報(bào)廢等），不進(jìn)行操作，紅色指示燈長亮。 我們知道，電容滿足下面的關(guān)系式： tui ddC? （ 35） 也可寫成 ： tui ddC? （ 36） 一個(gè)電容的容量是定值時(shí)，如果用恒定電流對(duì)電容充電，由上式可知， i一定，C一定，則tudd就一定，電容兩端的電壓在很短的時(shí)間內(nèi)就將隨時(shí)間增加而線性上升，利用單片機(jī)的定時(shí)器，選擇合適的電容和電流大小，就可以將模擬的電壓值轉(zhuǎn)換為相應(yīng)的數(shù)字值，這便是 A/D轉(zhuǎn)換電路的工作原理。由于其它六路輸入信號(hào)閑置，因此本設(shè)計(jì)有很大的擴(kuò)展空間。 CD4051 主要性能參數(shù)： ，數(shù)字信號(hào)： 3V～ 20V；模擬信號(hào)： ≤20VP－ P。 CD4051 簡介 CD4051 是一個(gè)多路 模擬開關(guān)，又稱多路模擬轉(zhuǎn)換器。顯然這個(gè)深度的負(fù)反 15 饋電路必然在 Vref 等于基準(zhǔn)電壓處穩(wěn)定，此時(shí)有： ?????? ??? R2R11V re fV out （ 31） 選擇不同的 R1 和 R2 的值可以得到從 到 36V 范圍內(nèi)的任意電壓輸出，特別地，當(dāng) R1=R2 時(shí)， Vout=5V，而 R1 開路時(shí)， Vout=。%。它的輸出電壓用兩個(gè)電阻就可以任意地設(shè)置到從 Vref（ ）到 36V范圍內(nèi)的任何值（如圖 ）。15V） 。 13 LM358 簡介 LM358 內(nèi)部有兩個(gè)獨(dú)立的、高增益、內(nèi)部頻率補(bǔ)償?shù)碾p運(yùn)算放大器，適用于電源電壓范圍很寬的單電源使用，也適用于雙電源工 作模式，在推薦的工作條件下，電源電流與電源電壓無關(guān)。同樣道理，放電電路中， R13兩 端電壓為 =，本設(shè)計(jì)中放電電流為 1A，是快速充電電流的兩倍，計(jì)算得 R13為 ，選為 3Ω。 P3 口還可以用于特殊的功能，如下表所示。 AT89C2051 引腳如圖 所示 。 AT89C2051 單片機(jī)的基本特點(diǎn) 如下 ： AT89C2051 是美國 ATMEL 公司生產(chǎn)的低電壓，高性能 CMOS 8 位單片機(jī)，內(nèi)含 2k 字節(jié)的可反復(fù)擦寫的 Flash 只讀程序存儲(chǔ)器和 128 字節(jié)的隨機(jī)存取數(shù)據(jù)存儲(chǔ)器 （ RAM） ，其 擦寫周期約 1000 次。 溫度控制的 方法 分為 ： （ 1） 最高溫度 （ Tmax）控制 ： 如前所述，電池充滿后，電池溫度上升很快，如果繼續(xù)快速充電，將對(duì)電池造成損害 ， 通常當(dāng)電池溫度達(dá)到 45℃ ～ 50℃ 時(shí) ， 應(yīng)立即停止快速充電 。 因此 ， 這種方法主要適用 于 鎳鎘 電池 。 通過設(shè)置一定的充電時(shí)間來控制充電終點(diǎn)，一般按照充入 120%～ 150%電池標(biāo)稱容量所需的對(duì)應(yīng)時(shí)間來控制。 3． 補(bǔ)足充電 ： 一般 采用快速充電終止法時(shí) ， 快速充電終止后 ， 電池并未 充滿電 ， 為了保證電池充入 100%的電量 ， 還應(yīng)加入補(bǔ)足充電 ， 補(bǔ)足充電速率一般不超過 。 這種方法一般只有比較專業(yè)的充電器 才 使用 ，這類充電器往往可以做到用 2C～ 3C 的電流對(duì)電池進(jìn)行充電。這樣設(shè) 計(jì)的目 的是為了讓電池有一個(gè)恢復(fù)時(shí)間，從而減少大電流產(chǎn)生的熱量，將 電池發(fā)熱控制在一個(gè)可接受的水平。大電流 只 是幫兇，真正的原因是由于大電流 而引起的發(fā)熱 ， 過高的溫度對(duì)電池壽命有很大的影響。 充電方法 充電從充電電流來分，有快速充電和慢速充電 之分 。 鎳 氫 電池 標(biāo)稱 開路 電壓 為 ， 放電終止電壓一般規(guī)定為 1V。 若是以一個(gè)月為單位來計(jì)算的話， 鎳鎘 電池自我放電約是 15%～ 30%、鎳氫電池自我放電約 25%～ 35%。 根據(jù)不同的電池類型及不同的放電條件，對(duì)電池的容量和壽命的要求也不同，因此規(guī)定的電池放電的終止電壓也不相同。 在理解 了 兩種電池 的 特點(diǎn)， 分析了它們的 充電曲線 和特性 以后 ，本文 對(duì) 幾種不同的 充電方法和 充電終止控制方法 作了詳細(xì)比較 ，分析 了各自 的 利弊 ，最終 采 用了 脈沖法加去極化反應(yīng)結(jié)合的 快速充電方法 以及 電壓負(fù)增量 （ ΔV） 的 充電終止控制方法 。 本論文 主要 分四個(gè)部分，首先 第一章 對(duì)本設(shè)計(jì)作了一下概述 。 基于以上分析， 本設(shè)計(jì) 采用了 一種 較好的 充電終止 控 制方法 —— 電壓負(fù)增量 控制 方法 ， 以 AT89C2051 單片機(jī)為核心 設(shè)計(jì)了一個(gè) 智能快速充電器 。 關(guān)鍵詞： 電壓 負(fù) 增量 ； 快速充電 ； 模數(shù)轉(zhuǎn)換 II Abstract The reference design discusses the issue of charge for NiCd/NiMH batteries。本設(shè)計(jì)中 用到了 A/D 轉(zhuǎn)換 ，第三章最后對(duì)影響該 A/D 轉(zhuǎn)換 電路的因素做了詳細(xì)分析并給出了誤差解決方案。 為了充分利用已有資源，降低成本，這個(gè) A/D 轉(zhuǎn)換電路 利用 的是恒流源對(duì)電容充電，電容兩端電壓與時(shí) 間呈線性關(guān)系這一 原理，將電池電壓 這個(gè)模擬量 轉(zhuǎn)換成單片機(jī)定時(shí)器中的數(shù)字 量 。 4．過放電（ Over discharge） 電池若是在放電過程中，超過電池放電的終止電壓值， 仍 繼續(xù)放電時(shí)就可能會(huì)造成電池內(nèi)壓升高，正、負(fù)極活性物質(zhì)的可逆性遭到損壞，使電池的容量明顯減少 ，這一現(xiàn)象稱為過放電 。 鎳氫電池 也 有記憶效應(yīng) ，只是沒有 鎳鎘電池 那樣明顯。 充 滿 電后，電池電壓開始下降， 這一特性可以作為一種有效的檢測電池是否充滿的方法， 而且對(duì)于鎳鎘和鎳氫電池都適用 [4]。 如果設(shè) 一節(jié)電池的標(biāo)稱容量為 1C，在 ～ 之間 的充電電流為慢充， 的為快充， 的為超快速充電，≤ 的則是涓流充電。在慢充時(shí)，基本上所有的充電器都采用了恒流的充電方法，這樣電路設(shè)計(jì)比較簡單，容易實(shí)現(xiàn)。 采用脈沖方式來制作快速充電器是不錯(cuò)的解決方法，但對(duì)于 某 些 特殊 的要求，比如 1 小時(shí)快速充電器，這時(shí)要采用大于 1C 的超高速充電電流來進(jìn)行充電，脈沖 6 法就力不從心了。這也是 快速充電器十分流行的原因。 正常充電時(shí)，電能轉(zhuǎn)換成 電池化學(xué)能，電池電壓上升。 不過 實(shí)現(xiàn)這種方式電路簡單、成本低，所以一般的 智能充電器都是使用這種判斷方式。 8 （ 3） 電壓零增量 （ 0ΔV） 控制 ： 鎳氫 電池充電中 ， 為了避免等待出現(xiàn)電壓負(fù)增量的時(shí)間過 久而損壞電池 ， 通常采用 0ΔV 控制方法 。 本設(shè)計(jì)的充電方式采用了脈沖法加去極化反應(yīng)結(jié)合的方式， 充電終止控制方法 用的是電壓負(fù)增量 控制方法，相對(duì)來說，這兩種都是比較先進(jìn)的 ，充分考慮了電池特性，充電效果是很好的。它的工作頻率為 0Hz～ 24MHz，支持 降至 0Hz 的靜態(tài)邏輯操作 ，充放電電路 電池 恒壓源 電壓變換 模擬開關(guān) 恒流源 電容 單 片 機(jī) 比較器 10 并支持兩種可選的節(jié)電工作模式 （低功耗空閑和掉電模式）， 空閑 方 式 下 停止 CPU的工作，但允許 RAM、 定時(shí) /計(jì)數(shù)器 、 串行通信口及中斷系統(tǒng)繼續(xù)工作。當(dāng) P1 口引腳寫入“ 1” 時(shí)可作輸入端，當(dāng)引腳 ～ 用作輸入并被外部拉低時(shí)，它們因內(nèi)部上拉電阻的作用而輸出電流（ IIL） 。為了提高三極管放大倍數(shù)，以提供大電流，充電與放電電路均采用了 PNP、 NPN兩個(gè)三極管構(gòu)成復(fù)合管，放大倍數(shù)為兩管放大倍數(shù)之積。 12 V C C12J2B A T TR 1 13 .9R 1 24 .3 kR 1 3 3R 1 42 .2 kR 1 5 39R 1 69 1 0V48 0 5 0V38 5 5 0V58 5 5 0V78 5 5 0V68 0 5 0單片機(jī)控制電壓變換V C CV inD IS C S M A L C H A R 圖 充放電電路 電壓變換 和模擬開關(guān)選通 電路 設(shè)計(jì) 一節(jié)鎳鎘鎳氫充電電池的電壓通常不會(huì)超出 1V～ 的范圍，兩節(jié)電池則在 2V～ 的范圍 ，為了充分利用定時(shí)器，提高 A/D 轉(zhuǎn)換精度，本設(shè)計(jì)采用了一個(gè)線性電壓變換電路，主要由一個(gè)差動(dòng)比例運(yùn)算 放大器 及電阻 構(gòu)成。 它具有如下的性能特點(diǎn)： 。 。 3 個(gè)引腳分別為：陰極（ CATHODE）、陽極（ ANODE）和 參考端（ REF）。 （ 5） 典型值為 50ppm/℃ 的等效全范圍溫度系數(shù) 。 R1R2V+ Vout 圖 TL431構(gòu)成 的恒壓電路 從前面的例子我們可以看到，器件作為分流反饋后， REF 端的電壓始終穩(wěn)定在 ，那么接在 REF 端和地間的電阻中流過的電流就應(yīng)是恒定的。 圖 CD4051引腳圖 圖 中 ， A、 B、 C 是 3 位二進(jìn)制地址輸入端，其輸入電平與 TTL 兼容。100pA。 電壓經(jīng)線性變換后，擴(kuò)大了范圍，有利 于提高 A/D轉(zhuǎn)換 的精度。電容兩端電壓上升，即 單 片機(jī)內(nèi)置的高精度比較器同相輸入端電壓上升。 當(dāng)電池電壓低于一定值后，進(jìn)入快速充電階段，此 時(shí)綠色指示燈快閃 ，充電電路與放電電路交替工作 ，在 1s內(nèi)，充電 850ms，停 50ms，然后放電 50ms，再停 50ms。 誤差分析及解決辦 法 本電路的誤差主要來自 A/D轉(zhuǎn)換電路， 下面對(duì)此進(jìn)行分析 。 對(duì)于定時(shí)器誤差，在單片機(jī)中可使 比較器的輸出端 采用帶電平變化中斷功 22 能的 I/O口，以提高反應(yīng)速度，同時(shí)減少恒流源的電流大小，或加大 C1電容容量，可以增加 T T2的測量 時(shí)間，使計(jì)數(shù)值加大，達(dá)到提高 A/D轉(zhuǎn)換精度的目的。但由于計(jì)數(shù)值小，由定時(shí)器造成的測量誤差也有可能加大。如電池電壓在 ～ ，再判斷 是否大 于 ，如大于 ，先進(jìn)行 預(yù) 放電 ，消除雙峰效應(yīng)的影響 ， 不過由于要充電的電池一般都是已經(jīng)放過電的，這個(gè)過程時(shí)間不會(huì)很長。模擬開關(guān)接 VI ACALL AVERG MOV NV1L,AVL 放電完全 ? 端 壓到預(yù)定值 ? 出現(xiàn)負(fù)壓 ? 不進(jìn)行充電操作 端壓在范圍內(nèi) ? 放電 充電 進(jìn)行負(fù)壓檢測 轉(zhuǎn)入涓流充電 N Y N N 充電 N 預(yù)充電 開始 Y Y Y 25 MOV NV1H,AVH 。未借位說明當(dāng)前值小于 ，繼續(xù)判斷 CPL LED1 AJMP REP1。放電約 10s 再次檢測 ACALL REP1 AJMP JUDG3 。本程序共累加了 8次，在求平均值時(shí)并未用除法，而是利用了 右移 操作 ，二進(jìn) 制數(shù)據(jù)右移一位相當(dāng)于除以 2，右移三位 則 相當(dāng)于除以 8， 流程圖如下 圖所示。 圖 T1中斷服務(wù)程序流程圖 開始 T1 置入初值 計(jì)數(shù)滿 17 次 ? 大電流充電 大電流放電 計(jì)數(shù)單元置入初值 17 指示燈狀態(tài)翻轉(zhuǎn) 中斷返回 N Y 31 結(jié) 論 本 設(shè)計(jì) 主要優(yōu)點(diǎn)是利用單片機(jī)做主控，硬件電路相對(duì)比較簡單， 采 用 了 ΔV檢測方法可以 更加精確地對(duì) 可充電電池進(jìn)行充電，整體電路成本不高但功能并未因此減少。 34 附錄 1 系統(tǒng)電路圖 VCCC1 1uVrefVI2V VinVCCC2 30pC3 30pVCCVCCVCCCHARSMALDISCSMALDISCCHARVCCVCCVCCTXDRXDRXDTXDC5 0.1uN2TL431N1TL431VCCD1REDP33P34D2GRE