【文章內容簡介】 高。典型的 NiCd 電池可以充電 1000 次。失效機理主要是極性反轉。在電池包里第一個被完全放電的單元會發(fā)生反轉。為了防止損壞電池 包，需要不間斷地監(jiān)控電壓。一旦單元電壓下降到 就必須停機。 NiCd 電池以恒定電流的方式進行充電。 鎳氫電池 (NiMH) 在輕重量的手持設備中如手機、手持攝象機 等等 ， 鎳氫電池是使用最廣的。這種電池的容量比 NiCd 的大。由于過充電會造成 NiMH 電池的失效，在充電過程 中進行精確地測量以在合適的時間停止是非常重要的。和 NiCd 電池一樣，極性反轉時電池也會損壞。 NiMH 電池 的自放電率大概為 20%/月。和 NiCd 電池一樣， NiMH 電池也為恒定電流充電。 鋰離子電池基本參數(shù)特性 [7] 參數(shù)特性如下： （ 1） 高能量密度 鋰電子電池的能量密度可以達到 360Wh/L,158Wh/Kg,是 NICD 及 NIMH 電池的兩倍以上。 （ 2） 高工作電壓 一般放電電壓為 。 （ 3） 高負載特性 基于單片機的智能充電器設計 9 一般鋰電子電池的最大連續(xù)放電電流可達 2CmA。 （ 4） 放電特性穩(wěn)定 即使在電池壽命接近終止時，光宇鋰離子電池仍保持著良好的放電穩(wěn)定性。 （ 5） 快速充電特性 鋰離子電池可接受的最大充電電流可達 1CmA，而且恒流充電時間可達 50分鐘以上。 （ 6） 長循環(huán)壽命 重復使用次數(shù)多，循環(huán)充電特性好，可以重復 500~1000 次充放電。 鋰離 子電池的這些特點促進了便攜式產品向更小更輕的方向發(fā)展，使得選用單節(jié) 鋰離子電池供電的產品也越來越多。 鋰離子電池的優(yōu)缺點 鋰離子電池很少發(fā)生結晶化的反應，這種反應是產生記憶效應的原理。但是，鋰離子電池在多次充放電之后仍會性能下降，原因是非常復雜的。最主要的是正負材料的變化，從分子角度看，正負極能容納鋰離子的空穴會塌陷，這樣就會堵塞，影響電流的充放；從化學角度來看，正負極材料的鈍化，會產生一些穩(wěn)定的化合物，這樣也會也會影響性能。從物理角度看上，由于充放電過程中難免會有一些摩擦，碰撞，這樣會使外部材料慢 慢流失，甚至脫落。這三方面的原因都會使鋰離子電池在充放電過程中參加導電的鋰離子丟失。 過度的充 放電，都會對造成電池的損害或降低使用壽命。 過度的放電可能會導致負極碳過度釋放出鋰離子而使 其片層結構出現(xiàn)塌陷，過度 的 充電 則可能會 把太多的鋰離子硬塞進負極碳結構里 面去，從而使其中一些鋰離子再也沒辦法釋放出來。所以鋰離子電池 通常 會 配有充放電的控制 電路的，來實現(xiàn)智能的充電控制，以減少對電池的損害，延長使用壽命。 鋰離子電池一般都帶有管理芯片和充電控制芯片。其中管理芯片中有一系列的寄存器，存有容量、溫度 、 ID、 充電狀態(tài)、放電 次數(shù)等數(shù)值。這些數(shù)值在使用中都會逐漸變化。 電池的 智能化 充電過程 就是通過充電控制芯片的作用來實現(xiàn)的 。鋰離子電池的充電過程 具體 分為兩個階段， 一是恒流快充階段（電池指示燈呈黃色時），二是 恒壓電流遞減階段（電池指示燈呈綠色閃爍 ） 。開始充電時，電池的電壓以較大的斜率升壓，當?shù)竭_電池的標準電壓 之后 ，在 控制芯片的控制下轉入恒壓充電狀態(tài)，此過程中電壓變化不大，電流在逐漸減小，當充電電流幾乎降到零時，可認為電池電量已滿，停止充電 [8]。 電量統(tǒng)計芯片通過記錄放電曲線（電壓、電流、時間）可以抽樣計算出電池的電量。而鋰離子電池 在多次使用后，放電曲線是會改變的，如果芯片一直沒有機會再次讀出完整的一個放電曲線，其計算出來的電量也就是不準確的。所以我們需要深充放來校準電池的芯片。 鋰離子電池的缺點是 非常害怕過充，所以 對充電器要求比較高 ， 而且 必須 要 有 保護XXXX 本科畢業(yè)設計（論文） 10 電路。鋰離子電池 一般要求的充電方式是恒流恒壓 ，為 了 有效 的利用電池容量，還需要將鋰離子電池充電 調到 最大電壓 值 ，但是過壓充電 可能會對 成電池 造成 損壞，這就 對 充電器要求 有 很 高的 充電控制精度。另外， 電壓過低的電池 充電時還 需要進行預充， 所以充電器要 帶有熱保護和時間保護 功能 ，為電 池進行必要的充電保護 。 由此可見 ，要大力推廣使用鋰離子電池， 智能高效的充電器設計就成為必然選擇。 4 硬件電路的設計 硬件電路的總體設計思路 對充電器原理、 AT89S52 單片機 的功能特點有了 了解和掌握，并 對各種元器件和電 路圖 進行分析和比較后，開始進入硬件電路的設計 。 智能充電器總體 設計 框圖如圖 41所示 : 圖 41 智能充電器總體 設計 框圖 各模塊主要功能 單片機模塊：實現(xiàn)智能化控制，如 電壓電流控制 ,自動斷電 ,報警提示等。 充電過程控制模塊 :實現(xiàn)對充電 過程的控制。 電壓轉換 及光耦隔離 模塊：利用三端穩(wěn)壓集成電路 LM7805 將 輸入 電壓轉換為 5v 電壓 ，該電壓送至充電控制電路之前需經過光耦隔離電路 。 電源電路 部分 設計中， 要供電給 AT89S52 和 LCD 顯示模塊兩部分，而一個 LM7805 的輸出電流不足，所以 將 AT89S52 和顯示模塊分別供電，因此 實際電路中用到了兩 片 LM7805。下面就一個電源電路給出設計方案，另一個同理，其原理圖如 圖 42 所示 。 測溫電路部分 電池在充電末期，負極發(fā)生氧復合反應產生熱量，使電池溫度升高。由于電池溫度升高將導致充電電 流增大，為控制充電電流，可在電池外殼上設置溫度傳感器或電阻等溫度檢測元件。當電池溫度達到設定值時，電池充電電路被切斷 [9]。圖 43即給出了電蜂鳴報警器 充電狀態(tài)指示 AT89S52單片機 充電控制電路 光耦隔離電路 電壓轉換電路 電源 基于單片機的智能充電器設計 11 池溫度檢測簡圖和電池溫度與充電時間的關系圖。 圖 42 電源電路設計原理圖 圖 43 電池溫度檢測簡圖 圖 44 傳感器放大電路 傳感器電路包括傳感器測量電橋和放大電路兩部分，其電路結構如圖 44所示。 R 開關電源 恒流源 電池組 溫度傳感器 XXXX 本科畢業(yè)設計（論文） 12 R R4和 Pt100組成傳感器 的 測量電橋 電路，為了保證電橋輸出電壓信號的穩(wěn)定 ， 需要電橋的輸 入電壓通過 TL431調節(jié)穩(wěn)定到 。 然后 從電橋獲取的差分信號 會 通過兩級運放放大后輸入單片機 中 。電橋的一個橋臂采用可調 節(jié) 電阻 R3，通過調節(jié) R3電阻大小可以調整輸入的差分電壓信號大小，一般可以用來 調整零點。 放大電路使用的元器件是 LM358集成運算放大器，并且 放大電路采用兩級放大， 這樣可以避免 單級放大倍數(shù)過高 所引起 的非線性誤差， 提高準確性。 前一級 放大倍數(shù) 約為10倍，后一級 的放大倍數(shù) 約為 3倍。溫度在 一般在 0~100度 之間變化，當溫度升高 時， Pt100的電 阻值 會 變大，輸入放大電路的差分信號 也會隨之 變大，放大電 路的輸出電壓 Av相 應的會 升高。 模數(shù)轉換部分 為了便于單片機對 CS5522的控制，可將 CS5522的 CS與單片機直接相連，為低電平時，單片機可以對 CS5522進行相應的讀寫控制。 CS5522與單片機的接口如圖 45所示： 圖 45 CS5522 與單片機接口圖 利用 AD采集數(shù)據(jù)，進行溫度與電壓采集，從而控制充電器的充電電流大小，判讀充電器是否停止充電。 充電指示部分 通過對充電器的模擬采集信號的判斷，可以判斷出是充電還是停止充電狀態(tài)，其 充電指示電路如圖 46。 充電控制電路 充電控制 電路是智能充電器的關鍵部分 ,圖 47是其 充電控制電路原理圖。該 電路由單片機片內模擬電路模塊和片外的 MOSFET開關 管、肖特基二極管、濾波電感、濾波電容等器件組成。 單片機控制部分 單片機部分的電路原理圖見圖 48[10]。其中， U1為單片機 AT89S52，這是智能控制控制中心，其可通過外部中斷口 /INT0（ 12腳）響應充電芯片輸出的充電狀態(tài)，并通過 口輸出控制信號控制隔離光耦 6N137，隨時啟動或關斷充電電源。 LS1 是蜂鳴器，可由單片機的 腳控制發(fā)出報警聲提示。 CS SDI SDO SLK CS5522 AT89S52 基于單片機的智能充電器設計 13 圖 46 充電指示電路圖 圖 47 充電 控制 電路圖 1 2 3 4 5 6 7 8ABCD87654321DCBAE A / V P31X119X218R E S E T9RD17WR16I N T 012I N T 113T014T115P 1 01P 1 12P 1 23P 1 34P 1 45P 1 56P 1 67P 1 78P 0 039P 0 138P 0 237P 0 336P 0 435P 0 534P 0 633P 0 732P 2 021P 2 122P 2 223P 2 324P 2 425P 2 526P 2 627P 2 728P S E N29A L E / P30T X D11R X D10V C C40G N D20I C 1Y1C2C3G N D+ 5 VD1E C 1 C112C N 1E C 2R5R4S W 1+ 5 VG N D+ 5 VD5LEDD 1 1LEDR?330R?330+ 5 VXXXX 本科畢業(yè)設計（論文） 14 圖 48 單片機部分電路原理圖 5 軟件設計 軟件設計方面的程序編寫，使用的是 C語言 。 C語言 是一種 計算機的程序語言，兼具高級語言和匯編語言的的優(yōu)點。具有編譯型的結構化程序設計功能， 簡單的語法結構和強大的處理功能 ,可以實現(xiàn)對 硬 件 系統(tǒng)的直接控制 [11]。 程序流程圖 為了 方便程序的設計，使自己在設計過程中做到思路清晰 。這里首先畫出了程序流程圖，后面根據(jù) 流程圖具體設計 編寫 程序。 其 主程序流程圖 如圖 51。 具體來講 ，這次設計課題的主要內容是 在充電器的充電過程中，采集參數(shù)，進行電壓、電流、溫度的實時顯示與智能控制。 電池安裝完畢，接通電源后，程序進行初始化，進入空語句，等待中斷觸發(fā)。定時器中斷觸發(fā)后 3s，檢測是否有第二次中斷觸發(fā)，若沒有則認為充電完畢并關閉蜂鳴器，切斷充電電源。若有第二次觸發(fā)，則認為充電出錯并關閉外部中斷和定時器中斷。 單片機的主要 控制程序 根據(jù) 流程圖可以比較容易的編寫出單片機的 主要 控制程序，并實現(xiàn)智能化的充電器控制功能。 具體的 AT89S52 單片機主要控制程序見附 錄 [12]。 基于單片機的智能充電器設計 15 圖 51 主程序流程 圖 6 軟件仿真與調試 電源仿真 電源設計部分輸出 5V電壓，仿真時用 multisim軟件，畫好電路圖之后運行，打開示波器便顯示電壓值 [13]。 充電器兩端的電壓顯示部分 （ 1）在 Keil程序里邊新建項目，名稱為“充電 器顯示”，并選擇單片機型號為AT89S52。 （ 2）執(zhí)新建文件，輸入源程序保存為充電器顯示 .C，并保存，然后將源程序添加Yes No Yes 充電出錯 t _count ++ 關閉 T0 計數(shù) t _count 600? 定時器 0 服務子 程序 int 0_count=1? 充電完畢，蜂鳴器報警，切斷電源 結束 No 啟動 T0 計數(shù) , 同時進行 A/D轉換，顯示電壓 初始化 開始 關閉 T0 中斷和外部中斷 XXXX 本科畢業(yè)設計（論文） 16 到項目中。 （ 3）執(zhí)行菜單命令“ Project” “ Options for Target ‘ Target 1’” ,在彈出的對話框中選擇“ Output”選項卡，選中“ Greate HEX File”。 （ 4）編譯源程序，得到 HEX”文件。 （ 5）在 proteus仿真平臺上建立仿真原理圖，并將程序上載到虛擬芯片上調試及運行。 7 總結 通過本次畢業(yè)設計，切切實實加強了我獨立思考問題的能力，以及 克服著手查資料時的無聊不良情緒。一開始拿到這個課題確實也是一頭的霧水，不知道該如何