【正文】 .. 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， 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) 、 電動玩具等產(chǎn)品中來。 6．能量密度（ Energy density） 電池的平均單位體 積或質(zhì)量所釋放出的電能 稱為能量密度 。 電池充滿后，電池電壓下降的同時(shí)，多余的能量將 轉(zhuǎn)化成熱量，且電池內(nèi)部壓力增加，這時(shí)就應(yīng)停止充電或采取其它措施，比如本設(shè)計(jì) 中，電池 充滿后 采用了涓流充電。到了用較大電流快速 充電的問題上，再使用恒流方式， 便 無法避免電池過熱的問題，因此恒流的方法就被摒棄 ， 取而代之的是脈沖方式 。 充電過程 充電 過程 一般分為四個(gè)階段： 預(yù)充電 ， 快速充電 ， 補(bǔ)足充電 ， 涓流充電 。 由于電池電壓的負(fù)增量與電池組的絕對電壓無關(guān) ， 而且不受環(huán)境溫度和充電速率等因素影響 ， 因此可以比較準(zhǔn)確地判斷電池 是 否 充滿 。 其 主要 組成 部分 如下圖 所示。 沒有引出管腳，它作為一個(gè)通用 I/O 口但不可訪問，可作為片內(nèi)比較器的輸出信號， P3 口緩沖器可吸收 20mA 電流。 為了使 A/D 轉(zhuǎn)換 有一個(gè)基準(zhǔn)電壓， 同時(shí)為 差動比例運(yùn)算放大器 反相端提供一個(gè)恒定電壓，本設(shè)計(jì)采用了一個(gè)恒壓源。 ，等于電源電 壓范圍 。 （ 7） 低輸出噪聲電壓 。 CD4051 有 8 個(gè)輸入 /輸出端、 1 個(gè)輸出 /輸入端，一個(gè)正電源 VDD 和兩個(gè)負(fù)電源 VSS、 VEE。 差動比例運(yùn)算放大器反相輸入端的電壓為 2V，可由 Vref經(jīng)電阻分壓獲得。出現(xiàn)負(fù)壓后，轉(zhuǎn)入涓流充電，綠色指示燈慢閃。 AT89C2051單片機(jī)內(nèi)置的比較器 靈敏度是很高的。 充電過程中， 當(dāng)檢測 到電池電壓大于 預(yù)定值 ，負(fù)壓檢測程序開始工作，每間隔一定時(shí)間（ 結(jié)合一些快速充電器的實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)， 程序中設(shè)置為 42s），進(jìn)行一次負(fù)壓判斷，如沒有檢測到負(fù)壓，延時(shí)并重新檢測。繼續(xù)采集電壓 。 流程圖如下 圖所示。與此同時(shí)，在設(shè)計(jì)過程中，實(shí)驗(yàn)室的工作人員和其他老師也給予了 我莫大的支持和幫助，在此也 一并 向他們表示感謝。涓流 充電 SMAL1:CLR TR0 CLR TR1 。繼續(xù)采集電壓 。 單片機(jī)初 始 化后，首先 控制 涓流充電電路對電池預(yù)充電， 剛充電時(shí)，可以將電池 看作 電阻 ， 由于 鎳鎘 鎳氫 充電 電池 的內(nèi)阻較小 ，因此 預(yù)充電 后電池兩端電壓也較小 。 誤差解決辦法 對 Vref造成的誤差，只能通過提高 Vref電壓精度來解決，它相當(dāng)于 A/D轉(zhuǎn)換的基準(zhǔn)電壓。如在范圍內(nèi)，先對未完全放電電池放電，綠色指 示燈長亮 。另外需要注意的是，由于本設(shè)計(jì)的電源只能提供 0V～ 5V 的工作電壓，因此設(shè)計(jì)中，將 VDD 直接連到 5V，而 VEE、 VSS 直接接地。多路模擬開關(guān)由地址譯碼器和多路雙向開關(guān)組成，根據(jù)外部地址輸入信號經(jīng)內(nèi)部地址譯碼器譯碼，選通與地址碼相應(yīng)的模擬開關(guān)單元，從 N 路模擬輸入信號中選取特定某一路傳送到輸出端，或與之相反，把一路模擬輸入信號送到 N 個(gè)輸出端中的某一端輸出 [9]。 （ 3） 低動態(tài)輸入阻抗，典型值為 。 ，適合于電池供電 。和計(jì)算 R12方法一樣，得到 R14為 。 圖 AT89C2051引腳圖 AT89C2051I/O 口功能說明： 1． P1 口： P1 口是一組 8 位雙向 I/0 口， ～ 提供內(nèi)部上拉電阻，由于 和 是內(nèi)部精密比較器的同相輸入端（ AIN0）和反相輸入端（ AIN1），所以內(nèi)部無上拉電阻，如果需要作為通用 I/O 口，應(yīng)在外部接上拉電阻。 （ 2） 溫度變化率 （ ΔT/Δt） 控制 ： 鎳氫鎳鎘電池在 充滿 電后 ， 電池溫度迅速上升 ， 而且上升速率 ΔT/Δt 基本相同 ， 當(dāng)電池溫度 每分鐘 上升 1℃ 時(shí) ， 應(yīng)當(dāng)立即停止快速充電 。 2． 電壓控制 ： 主要分為以下三種： （ 1） 最高電壓 （ Vmax） 控制 ： 此種方法根據(jù)電池 峰值電壓，設(shè)置充電器的最高電壓 ， 當(dāng)電池達(dá)到設(shè)置的電壓時(shí)，判斷電路就會 認(rèn) 為 已經(jīng) 充滿 ，從 而發(fā)出信號觸發(fā)充電器的控制電路，停止充電或轉(zhuǎn)入涓流充電。 相比較而言 ，從電池使用壽命 的 角度來看，慢速恒流充電無疑是 保證電池壽命最好的方法。所以大電流并不可怕， 關(guān)鍵 是怎樣來解決發(fā)熱的問題。 充電曲線 鎳鎘鎳氫電池的電壓充電曲線如下 圖所示。 3．開路電壓（ Open circuit voltage） 電池不放電時(shí)，電池兩極之間的電位差稱為開路電壓。第二章介紹了鎳鎘 鎳氫電池 的特點(diǎn)、充電曲線、充電方法、充電過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是重點(diǎn)內(nèi)容，正是在研究了兩種電池充電曲線的基礎(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。 其中快速充電過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，充電過程中檢測電路檢測到 電池出現(xiàn)負(fù)壓后 ， 快速充電終止 。 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 。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(yīng)。 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。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(shí)間后大電流對電池造成傷害。 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。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較高，所以一般中高檔充電器才會使用這種判斷方式。 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。 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。它的引腳如圖 所示。 圖 是該器件的符號。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。 ，當(dāng) VDDVEE＝ 18V 時(shí)，漏極電流典型值為 177。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(jī)控制端置為 1， V2導(dǎo)通且進(jìn)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(jī)控制端置為 0，這時(shí) V2處于截止?fàn)顟B(tài)，由于恒流源作用，電容兩端電壓線性上升， 單片機(jī)控制端置為 0的同時(shí)，計(jì)時(shí) 器開始計(jì)時(shí)。由此可以得到： T2VT1Vref ? （ 38） 即 ： T1T2VrefV ?? （ 39） 由于 Vref是基準(zhǔn)電壓（ ），因此只要利用單片機(jī)的定時(shí)器測出 T1和 T2，就可以計(jì)算出被測電壓 V的值。 電容 C1的大小：其道理與前一點(diǎn)一樣，當(dāng)電容 越 小時(shí)，電壓上升速度就越快，到達(dá) 參考電壓 的時(shí)間也會越短，轉(zhuǎn)換速度就越快。 24 圖 主程序流程圖 主程序代碼 設(shè)計(jì) 根據(jù)流程圖，設(shè)計(jì)主程序代碼如下： CLR SMAL ACALL DEL500M SETB SWTH 。延時(shí)直至 1s AJMP DI2 DI1:ACALL DEL50M AJMP DI3 DI2:DJNZ R6,DISC1 。 完整程序代碼見附錄 2。 電路需要改進(jìn)的地方主要在于只能對兩節(jié)串聯(lián)電池進(jìn)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 。大電流充電 CHAR1:SETB SMAL MOV R1,0 CR6:CJNE R1,42,CR1 。保存上次 VI 對應(yīng)數(shù)值 REP1: ACALL REPS 。 單片機(jī)的工作頻率：由于 A/D轉(zhuǎn)換值是經(jīng)過乘除運(yùn)算后完成的，因此單片機(jī)的運(yùn)算速度也會對 A/D轉(zhuǎn)換速度有影響，尤其當(dāng)計(jì)數(shù)器值為 16位時(shí)。 A/D 轉(zhuǎn)換 誤差分析 基準(zhǔn)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(shí)際的 A/D轉(zhuǎn)換誤差小于 1%。而比較器反相輸入端接 模擬開關(guān)輸出端的 參考電壓，當(dāng)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(shí) 令 定時(shí)器停止計(jì)時(shí)，定時(shí)器計(jì)時(shí)終值便是轉(zhuǎn)換后的數(shù)字量。 ，當(dāng) VDDVEE＝ 15V 時(shí)， rON典型值為 5Ω。利用這個(gè)特點(diǎn)，可以將 TL431 應(yīng)用于很多恒流電路中。由圖 可以看到， VI 是一個(gè)內(nèi)部的 ，接在運(yùn)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。 (約 100dB)。由于 AT89C2051單片機(jī)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(dǎo)通并進(jìn)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。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(gè)硬件復(fù)位。 不過也有其 缺點(diǎn) ： 充滿 電以前 ， 電池電壓在某一段時(shí)間內(nèi)可能變化很小 ， 從而造成過早 停止快速充電 。 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(shí)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(xiǎn)?，F(xiàn)在國際上采用的基本都是脈沖法加去極化反應(yīng)結(jié)合的方式。以一節(jié) 1400mAh 的鎳氫電池為例，充電電流在 140mA～280mA 之間的為慢速充電，而同樣 280mA 的充電電流，對