【文章內(nèi)容簡介】 ， 應(yīng)當(dāng)立即停止快速充電 。 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 。 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。 9 第 3章 硬件電路 設(shè)計(jì) 電路總體框架 本設(shè)計(jì)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(jī)內(nèi)置比較器構(gòu)成的 A/D轉(zhuǎn)換電路以及單片機(jī)控制電路幾個(gè) 部分 。 其 主要 組成 部分 如下圖 所示。 圖 硬件電路框 圖 控制 芯片 AT89C2051 簡介 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。電壓數(shù)字量的運(yùn)算比較、電路工作狀態(tài)的判斷與指示、快速充電放電與涓流充電的選擇以及負(fù)壓的檢測等等都是在 單片機(jī)控制下實(shí)現(xiàn)的。 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。 器件采用 ATMEL 公司的高密度、非易失性存儲(chǔ)技術(shù)生產(chǎn)，兼容標(biāo)準(zhǔn) MCS51 指令系統(tǒng)，內(nèi)置通用 8 位 中 央處理器和 Flash存儲(chǔ)單元，功能強(qiáng)大。 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。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。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。 AT89C2051 還具有兩級(jí)加密程序存儲(chǔ)器，使用者可以根據(jù)需要對程序進(jìn)行加密，實(shí)現(xiàn)版權(quán)保護(hù)的目的?？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]。 AT89C2051 內(nèi)部資源主要有： 2k字節(jié) Flash 閃速存儲(chǔ)器， 128 字節(jié)內(nèi)部 RAM，15 個(gè) I/O 口線 （ 其中 P1 是一個(gè)完整的 8 位雙向 I/O 口 ） ，兩個(gè) 16 位定時(shí) /計(jì)數(shù)器，一個(gè) 5 向量兩級(jí)中斷結(jié)構(gòu)，一個(gè)全雙工串行通信口 （可編程串行 UART 通道） ，精密 模擬 比較器 ， 片內(nèi)振蕩器 以及 時(shí)鐘電路。 AT89C2051 引腳如圖 所示 。 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。 Pl 口輸出緩沖器可灌入 20mA 電流并可直接驅(qū)動(dòng) LED。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） 。 2． P3 口： P3 口的 ～ 、 是帶有內(nèi)部上拉電阻的 7 個(gè)雙向 I/O 口。 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(hào)， P3 口緩沖器可吸收 20mA 電流。當(dāng) P3 口寫入“ 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。作輸入端時(shí)，被外部拉低的 P3 口由于上拉電阻的存在而輸出電流（ IIL） 。 P3 口還可以用于特殊的功能，如下表所示。 表 31 P3口引腳 功能 引腳 功能特性 RXD（串行輸入口） TXD（串行輸出口） INT0＿＿＿＿ （外中斷 0） INT1＿＿＿＿ （外中斷 1） T0（定時(shí)器 /計(jì)數(shù)器 0外部輸入） T1（定時(shí)器 /計(jì)數(shù)器 1外部輸入） 充放電電路 設(shè)計(jì) 充放電電路由三部分構(gòu)成 ： 大電流充電（快速充電）電路、放電電路、涓流充電電路， 如圖 。 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。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。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。而涓流充電部分由于電流 較小，因此只用了一個(gè)三極管 V7。 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 。設(shè) V3與 V4構(gòu)成的 復(fù)合管放大倍數(shù)為 5000，可得 V3基極電流為， V3飽和時(shí)，其 BE極間壓降為 ， R12兩端電壓應(yīng)為 =，計(jì)算得 R12為 。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。和計(jì)算 R12方法一樣，得到 R14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。 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。 其中 差動(dòng)比例運(yùn)算放大器 選用的是 LM358。 為了使 A/D 轉(zhuǎn)換 有一個(gè)基準(zhǔn)電壓， 同時(shí)為 差動(dòng)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?？紤]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。 為了對 A/D 轉(zhuǎn)換提供 基準(zhǔn)電壓 ，電路中還要對兩 路不同輸入信號(hào)進(jìn)行選擇，這就需要一個(gè)多 路開關(guān)，本設(shè)計(jì)選用了模擬開關(guān) CD4051 構(gòu)成這個(gè)多 路開關(guān)。 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)。它可用于包括傳感放大器、直流增益模塊和其他所有可用單電源供電的使用運(yùn)算放大器的場合。它的引腳如圖 所示。 它具有如下的性能特點(diǎn)： 。 (約 100dB)。 （約 1MHz） 。 ：單電源（ 3V～ 30V），雙電源（ 177。1 .5V～ 177。15V） 。 ，適合于電池供電 。 。 。 ，包括接地 。 ，等于電源電 壓范圍 。 (0 至 )。 圖 LM358引腳圖 TL431 簡介 德州儀器公司（ TI）生產(chǎn)的 TL431 是一個(gè)有良好的熱穩(wěn)定性能的三端可調(diào)分流基準(zhǔn)源。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 ）。該器件的典型動(dòng)態(tài)阻抗為 ，在很多應(yīng)用中可以用它代替齊納二極管，例如 數(shù)字電壓表、 運(yùn)放電路 、 可調(diào)壓電源 、 開關(guān)電 源等 [7]。 圖 是該器件的符號(hào)。 3 個(gè)引腳分別為：陰極（ CATHODE）、陽極（ ANODE）和 參考端（ REF）。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。由運(yùn)放的特性可知，只有當(dāng) REF 端（同相端）的電壓非常接近 VI（ ）時(shí)，三極管中才會(huì)有一個(gè)穩(wěn)定的非飽和電流通過，而且隨著 REF 端電壓的微小變化，通過三極管的電流 可以在 1mA～ 100mA 的范圍內(nèi) 變化 [8]。 陰極(K)陽極(A)參考(R) 圖 TL431符號(hào)圖 2 .5 V re f參考(R)陽極(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。 （ 2） 電壓參考端 （ REF） 誤差： 25℃ 時(shí)典型值為 177。%。 （ 3） 低動(dòng)態(tài)輸入阻抗，典型值為 。 （ 4） 1mA～ 100mA 的灌 電流能力 。 （ 5） 典型值為 50ppm/℃ 的等效全范圍溫度系數(shù) 。 （ 6） 在整個(gè)額定工作溫度范圍內(nèi)可進(jìn)行工作溫度補(bǔ)償 。 （ 7） 低輸出噪聲電壓 。 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)，器件可以通過從陰極到陽極很寬范圍的分流，控制輸出電壓。如圖 所示的電路，當(dāng) R1 和 R2 的阻值確定時(shí)，兩者對 Vout 的分壓引入反饋，若 Vout 增大，反饋量增大， TL431 的分流也就增加，從而又導(dǎo)致 Vout 下降。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=。需要注意的是，在選擇電阻時(shí)必須保證 TL431 工作的必要條件，就是通過陰極的電流要大于 1mA。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。 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。利用這個(gè)特點(diǎn)，可以將 TL431 應(yīng)用于很多恒流電路中。 RV+ I 圖 TL431構(gòu)成的恒流電路 圖 是一個(gè)實(shí)用的精密恒流源電路。原理很簡單，不再贅述。但值得注意的是， TL431 的溫度系數(shù)為 30ppm/℃，所以輸出恒流的溫度特性要比普通鏡像恒 16 流源或恒流二極管好得多，因而在應(yīng)用中無需附加溫度補(bǔ)償電路。 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。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(hào)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(hào)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(hào)送到 N 個(gè)輸出端中的某一端輸出 [9]。 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(gè) 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]。 圖