【正文】 邏輯電平（通常來(lái)自計(jì)算機(jī)的接口電路）轉(zhuǎn)換為 CMOS 電平，使開(kāi)關(guān)單元能用 TTL電平控制。INH 是地址輸入禁止端，它為高電平時(shí)，地址輸入無(wú)效。 CD4051 是 8 選 1 多路模擬開(kāi)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(kāi)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]。 CD4051 簡(jiǎn)介 CD4051 是一個(gè)多路 模擬開(kāi)關(guān)，又稱多路模擬轉(zhuǎn)換器。原理很簡(jiǎn)單，不再贅述。利用這個(gè)特點(diǎn)，可以將 TL431 應(yīng)用于很多恒流電路中。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。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(kāi)路時(shí)， Vout=。 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(guò)從陰極到陽(yáng)極很寬范圍的分流，控制輸出電壓。 （ 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 。 （ 4） 1mA～ 100mA 的灌 電流能力 。%。 陰極(K)陽(yáng)極(A)參考(R) 圖 TL431符號(hào)圖 2 .5 V re f參考(R)陽(yáng)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。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。 圖 是該器件的符號(hào)。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 ）。 (0 至 )。 ，包括接地 。 。15V） 。 ：?jiǎn)坞娫矗?3V～ 30V），雙電源（ 177。 (約 100dB)。它的引腳如圖 所示。 13 LM358 簡(jiǎn)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(wú)關(guān)。考慮到應(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。 其中 差動(dòng)比例運(yùn)算放大器 選用的是 LM358。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。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。 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(guò)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 。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(duì)電池提供較大的電流。 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。 P3 口還可以用于特殊的功能，如下表所示。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。 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。 Pl 口輸出緩沖器可灌入 20mA 電流并可直接驅(qū)動(dòng) LED。 AT89C2051 引腳如圖 所示 ?？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]。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 單片機(jī)的工作電壓范圍較寬，可在 ～ 6V電壓范圍內(nèi)工作。 AT89C2051 單片機(jī)的基本特點(diǎn) 如下 ： AT89C2051 是美國(guó) 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。 圖 硬件電路框 圖 控制 芯片 AT89C2051 簡(jiǎn)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。 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(kāi)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 。 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 。 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 。 鎳氫電池剛好充滿達(dá)到最高電壓時(shí)，會(huì)有一個(gè)短暫的電壓平穩(wěn)的時(shí)段， 高級(jí) 的充電器可以判斷出這個(gè)時(shí)間段，從而控制充電器停止充電或轉(zhuǎn)入涓流充電，但要判斷這個(gè)過(guò)程，難 度 很高，實(shí)現(xiàn)起來(lái) 很 困 難，只有高檔的充電器 才 采用這種方法 。 不過(guò)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(guò)早 停止快速充電 。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(duì)較高，所以一般中高檔充電器才會(huì)使用這種判斷方式。 因此 ， 這種方法主要適用 于 鎳鎘 電池 。 它的 缺點(diǎn) 是 ： 電池電壓出現(xiàn)負(fù)增量后 ， 電池已經(jīng)過(guò)充電 ， 因此電池的溫度較高 。 （ 2） 電壓負(fù)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(fù)增量 。本來(lái)從電池的充電過(guò)程來(lái)看， 這 可能 被 認(rèn)為是最準(zhǔn)確的充電方式 ， 但實(shí)際上 ，因?yàn)槊總€(gè)電池的特性不盡相同，可能這個(gè)電壓高 些 ， 那個(gè)低 些 ， 而 通常 充電器設(shè)置的是 一個(gè)固定 的電壓， 這個(gè) 電壓值 只是一般認(rèn)為應(yīng)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(méi)有充滿就停了，而有些可能充滿時(shí)也達(dá)不到這個(gè)電壓，這時(shí)充電器就不會(huì) 做出 判斷 而 任由 其 繼續(xù)充電了。 通過(guò)設(shè)置一定的充電時(shí)間來(lái)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(lái)控制。 1．定時(shí)控制 ： 采用 充電速率時(shí) ， 電池 1 小時(shí)可以 充滿 ， 采用 充電速率時(shí) ， 30min 可以 充滿 ， 因此 ， 根據(jù)電池容量和充電電流 ， 很容易確定所需的充電時(shí)間 。 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(kāi)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(duì)電池造成損害甚至產(chǎn)生危險(xiǎn)。 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。 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(guò) 。 1． 預(yù)充電 ： 剛 開(kāi)始充電時(shí)以小 電 流充電 ， 使 電池 滿足一定的充電條件 ， 然后轉(zhuǎn)入快速充電 。 圖 脈沖去極化法充電電流波形 本設(shè)計(jì)所做的快速充電器，正是基于 上面 的考慮，快速充電時(shí)采用的也是這種脈沖法加去極化反應(yīng)結(jié)合的方式，即在大電流充電之中穿插 短時(shí)間 大電流放電這種快速充電 方式 [5]。但從時(shí)間就是金錢的角度來(lái)看，快速充電器節(jié)省下來(lái)的時(shí)間所帶來(lái)的效益，遠(yuǎn)比損傷電池壽命 10%左右的損失大得多。 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。 這種 充電 方法的 波形 如圖 所示 ， 其中放電脈沖寬度一般要求是充電脈沖寬度的 2～ 倍，而 充電時(shí)間長(zhǎng)度應(yīng)遠(yuǎn)大于放電時(shí)間長(zhǎng)度 ?，F(xiàn)在國(guó)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。而且這類充電器還采用了電壓斜率法或 Δ 法來(lái)判斷電池是否充滿，一旦充滿就自動(dòng)轉(zhuǎn)入涓流充電，以免超過(guò)時(shí)間后大電流對(duì)電池造成傷害。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。 從波形上就可以看出，充電電流的輸出不是直線，而是 脈沖方 波。而由于充電電流在慢速 充電范圍，并不會(huì)引起電池過(guò)熱的問(wèn)題。 下面 引入恒流充電和脈沖充電的概念。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(guò)高的溫度對(duì)電池壽命有很大的影響。 這樣一來(lái)出現(xiàn)一個(gè)矛盾， 慢充不 損害 電池但是充電時(shí)間 很 長(zhǎng)；快充可以節(jié)省時(shí)間，但對(duì)電池有傷害，即使是目前 非常 高級(jí) 的 一種 充電器 松下 BQ390 也只能很好的降低傷害程度，但不可完全避免。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(duì)一節(jié) 700mAh 的電池則就是快充。 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。 充電方法 充電從充電電流來(lái)分，有快速充電和慢速充電 之分 。 從曲線中還可以看出，電池充滿后，鎳鎘電池的電壓下降幅度要比鎳氫電池的 大很多，鎳氫電池的電壓下降 （ 負(fù)壓 ） 不是很明顯。 本設(shè)計(jì)正是基于這一特性，具體參見(jiàn) 節(jié)。 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(kāi)始階段，電壓上升較快，當(dāng)電池電壓超過(guò) 后，電壓上升趨于平緩。 鎳 氫 電池 標(biāo)稱 開(kāi)路 電壓 為 ， 放電終止電壓一般規(guī)定為 1V。 鎳 氫 電池 的特點(diǎn) 鎳 氫 電池 和 鎳鎘電池 相比，由于制造材料不含重金屬 鎘 ， 其 最大的特點(diǎn)是清潔環(huán)保，不污染環(huán)境 [2]。 兩種充電 電池 的特點(diǎn) 鎳鎘 電池 的特點(diǎn) 鎳鎘 電池 特點(diǎn) 如下： 1．鎳鎘電池 的充放電周期 可 達(dá) 500 次以上， 是一種 經(jīng)濟(jì) 的電池 ； 2．內(nèi)阻小，可大電流放電，放電時(shí)電壓的變化很小， 因此 作為直流電源質(zhì)量極佳； 3．完全密封式 封裝 ，因此 正常操作 不會(huì)有電解液 泄漏 的現(xiàn)象，也不需要補(bǔ)充電解 液； 4．與其他種類電池相比，鎳鎘電池可耐過(guò)充電或過(guò) 放 電； 5．長(zhǎng)時(shí)間的放置 不用 也不會(huì)使性能劣化，當(dāng) 再次 充 滿 電后即可恢復(fù)原來(lái)的特性； 6．可使用在很廣的溫度范圍內(nèi) [1]。比如，鎳鎘電池只放出 80%的電量后就開(kāi)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)。 若是以一個(gè)月為單位來(lái)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%。 一般在相同體積下，鋰離子電池的能量密度是鎳鎘電池的 倍，是鎳氫電 3 池的 倍，因此在電池容量相等的情況下，鋰離子電池就會(huì)比鎳鎘、鎳氫電池的體積更小，重量更輕。 5．過(guò)充電（ Over charge） 電池在充電時(shí)，達(dá)到充滿狀態(tài)后，若 仍 繼續(xù)充電，可能導(dǎo)致電池內(nèi)壓升高、電池變形、漏 液等情況發(fā)生，電池的性能也會(huì)顯著降低， 甚至 使 電池 損壞 ，這一現(xiàn)象稱為過(guò)充電 。 電池的開(kāi)路電壓，會(huì)依電池正、負(fù)極與電解液的材料而異，