【正文】 究 背景 單片機在 蓄電池充電器領(lǐng)域有著 比較 廣泛的應(yīng)用，利用它的可編程及處理控制能力可以實現(xiàn)充電器的智能化 設(shè)計。并且 充電控制 系統(tǒng)中的管理電路還 應(yīng)具有保護功能， 可 以避免 電池的過充和過放對電池造成 損害 。充電可分為兩個方面的控制 ：一是充電過程的 程序控制；二是 提供基本充電電壓， 充電電壓波動應(yīng)控制在 穩(wěn)定范圍 以 內(nèi)，同時 降低 充電電流 ，當充電 電流逐漸減小到 某一 規(guī)定的值時，可結(jié)束充電過程。引入單片機 實時采集電池的電壓和電流 信號 ，并對充電過程進行智能控 制，以實現(xiàn)智能化。 不但 可以自動計算電池的已充電量和剩余的充電時間 ,還 可以改變參數(shù)來適應(yīng)各種不同電池的充電，以及防止電池過充或過放電對電池造成損害。一些成本比較低的普通充電器可能采用電壓比較法，為了防止過度充電，基本上充電到一定的程度就停止大電流快充，轉(zhuǎn)而用小電流來補充充電。設(shè)計比較好的充電器往往采用專用充電控制芯片配合單片機控制的方式。充電器的智能化可以縮短充電的時間，同時能夠維護電池，延長電池使用壽命。在眾多的 51系列單片機中， AT89 系列單片機在我國得到了極其廣泛的應(yīng)用， AT89 系列單片機是美國 Atmel 公司的 8位機產(chǎn)品。 單片機的 功能 特點 介紹 在 微機中央處理器（ CPU）基礎(chǔ)上，將 I/O接口電路、時鐘電路和 一定容量的 存儲器等部 件集成在一個 芯片上，再加上 一些必須的外圍組 件，如晶體振蕩器 等，就可以組成了一個比較完整的計算機處理系統(tǒng)。 目前， 8位高檔機和 16 位機在單片機應(yīng)用中占主導(dǎo)地位，產(chǎn)品眾多，已有幾十個系列、幾百個型號，除了通用單片機以外，集成更多資源，如 A/D 轉(zhuǎn)換器、 D/A轉(zhuǎn)換器、“看門狗”（ Watchdog）電路、 LCD 控制器、網(wǎng)路控制模塊等，將單片機嵌入式系統(tǒng)和Inte 連接起來已是一種趨勢?？傊?，單片機正在向微型化、低功耗、高速、集成、高集成度、多資源、網(wǎng)絡(luò)化、專用型方向發(fā)展 [3]。 單片機 處理器 的發(fā)展方向 和技術(shù)特性如下 ： （ 1）單片機 中的 CPU 具有很強的抗干擾性，并且具有很寬的溫度工作范圍 （按工作溫度分類，有民用級 、 工業(yè)級、汽車級及軍用級）。在工控過程中， 任何 一點 差錯都有可能造成非常嚴重的后果，所以單片機芯片大都采用 看門狗技術(shù) 來保證可靠性 ，通過定時“復(fù)位”方式喚醒處于“失控”狀態(tài)下的單片機芯片。高可靠性和低電磁輻射指標決定了單片機系統(tǒng)的時鐘頻率很低。XXXX 本科畢業(yè)設(shè)計（論文） 4 雙總線結(jié)構(gòu)能提高數(shù)據(jù)的吞吐率，以便在不降低數(shù)據(jù)吞吐率的條件下使用較低的時鐘頻率。 （ 5）單片機的指令系統(tǒng)比較簡單。 （ 7）單片機 CPU 采用嵌入式結(jié)構(gòu)。 單片機的應(yīng)用 因為 單片機具有如上所述 眾多的優(yōu) 點，因此在生活以及工業(yè)生產(chǎn)等諸多領(lǐng)域，得到了越來越 廣泛的應(yīng)用，單片機的主要應(yīng)用領(lǐng)域有：工業(yè)控制 方面 ，如在工業(yè)生產(chǎn)過程中參數(shù)（如 壓力、 溫度、 液位、流量 等）的控制， 集數(shù)據(jù) 處理功能于一體，如轉(zhuǎn)速測試儀 、 流量監(jiān)控儀、 智能手機 及電子秤等 等。 由于單片機體積小，控制能力強，且片內(nèi)有 定時器 /計數(shù)器，所以廣泛應(yīng)用于家用設(shè)備中，如空調(diào)、洗衣機、微波爐及智能報警器 等 等 。 AT89S52 單片機的選用 單片機 AT89S52， 是美國 ATMEL 公司生產(chǎn)的 一種低功耗 ，高性能 COMS8 位微控制器 ，片內(nèi) 具有 8K 在系統(tǒng) 下 可編程封裝 Flash 存儲器。 同時 AT89S52 與 C51 產(chǎn)品指令和引腳完全兼容 ，可適用于眾多的 控 制 領(lǐng) 域。 AT89S52 部分 管腳定義說明 [5]: (1) VCC 管腳：系統(tǒng)供電電源。 (3) P0 端口（ ~）：此端口是 8 位開環(huán)的雙向 I/O 端口。 （ 5） P2 端口：此端口也是一組具有內(nèi)部上拉電阻 的雙向 I/O端口。 （ 7） RST 管腳： 復(fù)位輸入 ， 振蕩器工作時，單片機 在 RST 引腳 出現(xiàn)兩個機器 周期以上高電平 時 復(fù)位。 （ 9） /PSEN 管腳： 程序儲存允許（ PSEN）輸出是外部程序 存儲器 的讀選通信號，當 AT89S52 由外部 程序存儲器 取指令（或數(shù)據(jù)）時，每個 機器周期 輸出兩個脈沖。 (10) XTAL1 管腳： 振蕩器反相放大器 及 內(nèi)部時鐘發(fā)生器的輸入端 。 模數(shù)轉(zhuǎn)換器 CS5522 芯片 模 擬 數(shù) 字 轉(zhuǎn)換器 ，即 A/D 轉(zhuǎn)換器， 簡稱 ADC， 它可以將 一個將 模擬信號 轉(zhuǎn)變 為一個 數(shù)字信號 。 又因為 數(shù)字信號本身 沒 有實際意義， 而 僅僅表示 了 一個相對 的 大小 ，所以任何 一個模 擬 數(shù) 字 轉(zhuǎn)換器都 要 有 一個 模擬 的參考 量 來 作為 其 轉(zhuǎn)換的標準， 通常情況下 的參考標準為最大的可轉(zhuǎn)換信號 量 大小。 轉(zhuǎn)換的 精度 是 模 擬數(shù)字 轉(zhuǎn)換器最 為 重要的 指標 ，通常 會 用輸出的數(shù)字信號的位數(shù)的多少 來 表示。 在這里，我 選擇 了 24 位的 高精度串行 A/D 轉(zhuǎn)換器 CS5522。 它含有多通道 的多路編程增益放大器，數(shù)字濾波器以及片內(nèi)系統(tǒng)校準和自校準 標準電路。通 過單片機對 CS5522 寄存器的讀寫控制，可以實現(xiàn)多通道、高精度的 A/D 轉(zhuǎn)換。 需 要注意的是，在 A/D轉(zhuǎn)換數(shù)據(jù)結(jié)束后，需要先寫 8 個 1 給 A/D，使其返回到命令狀態(tài)，再用 24 個脈沖讀出轉(zhuǎn)換數(shù)據(jù)，如果先寫 8個 0給 A/D，則 A/D 轉(zhuǎn)換器不是返回命令狀態(tài)而是繼續(xù)進行 A/D轉(zhuǎn)換。 鉑熱電阻的線性較好，在 0~100 攝氏度之間變化時，最大非線性偏差小于 攝氏度?？梢?Pt100在常溫 0~100 攝氏度之間變化時線性度非常好，其阻值表達式可近似簡化為： RPt=100（ 1+At），當溫度變化 1 攝氏度， Pt100 阻值近似變化 歐。 密封鉛酸電池 (SLA) 密封鉛酸電池主要用于成本比空間和重量更重要的場合，如UPS和報警系統(tǒng)的備份電池。只要電池單元電壓不超過生產(chǎn)商的規(guī)定 ( 典型值為 )， SLA電池可以無限制地充電。鋰電池以恒定電 壓進行充電，同時必須要 有電流限制以避免在充電過程的初期電池過熱。過充電將造成電池損壞，甚至爆炸。比能量指的是單位重量或單位體積的能量，用 Wh/Kg 或 Wh/L 表示。它的優(yōu)點是相對便宜，易于使用；缺點是自放電率比較高。失效機理主要是極性反轉(zhuǎn)。為了防止損壞電池 包，需要不間斷地監(jiān)控電壓。 NiCd 電池以恒定電流的方式進行充電。這種電池的容量比 NiCd 的大。和 NiCd 電池一樣，極性反轉(zhuǎn)時電池也會損壞。和 NiCd 電池一樣， NiMH 電池也為恒定電流充電。 （ 2） 高工作電壓 一般放電電壓為 。 （ 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。 （ 6） 長循環(huán)壽命 重復(fù)使用次數(shù)多，循環(huán)充電特性好，可以重復(fù) 500~1000 次充放電。 鋰離子電池的優(yōu)缺點 鋰離子電池很少發(fā)生結(jié)晶化的反應(yīng)，這種反應(yīng)是產(chǎn)生記憶效應(yīng)的原理。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(xué)角度來看，正負極材料的鈍化，會產(chǎn)生一些穩(wěn)定的化合物，這樣也會也會影響性能。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(dǎo)電的鋰離子丟失。 過度的放電可能會導(dǎo)致負極碳過度釋放出鋰離子而使 其片層結(jié)構(gòu)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(jié)構(gòu)里 面去，從而使其中一些鋰離子再也沒辦法釋放出來。 鋰離子電池一般都帶有管理芯片和充電控制芯片。這些數(shù)值在使用中都會逐漸變化。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 ） 。 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。所以我們需要深充放來校準電池的芯片。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(diào)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。 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(shè)計就成為必然選擇。 智能充電器總體 設(shè)計 框圖如圖 41所示 : 圖 41 智能充電器總體 設(shè)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。 電壓轉(zhuǎn)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(zhuǎn)換為 5v 電壓 ，該電壓送至充電控制電路之前需經(jīng)過光耦隔離電路 。下面就一個電源電路給出設(shè)計方案，另一個同理，其原理圖如 圖 42 所示 。由于電池溫度升高將導(dǎo)致充電電 流增大，為控制充電電流，可在電池外殼上設(shè)置溫度傳感器或電阻等溫度檢測元件。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(zhuǎn)換電路 電源 基于單片機的智能充電器設(shè)計 11 池溫度檢測簡圖和電池溫度與充電時間的關(guān)系圖。 R 開關(guān)電源 恒流源 電池組 溫度傳感器 XXXX 本科畢業(yè)設(shè)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(diào)節(jié)穩(wěn)定到 。電橋的一個橋臂采用可調(diào) 節(jié) 電阻 R3，通過調(diào)節(jié) R3電阻大小可以調(diào)整輸入的差分電壓信號大小，一般可以用來 調(diào)整零點。 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。 模數(shù)轉(zhuǎn)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(yīng)的讀寫控制。 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。該 電路由單片機片內(nèi)模擬電路模塊和片外的 MOSFET開關(guān) 管、肖特基二極管、濾波電感、濾波電容等器件組成。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(yīng)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(guān)斷充電電源。 CS SDI SDO SLK CS5522 AT89S52 基于單片機的智能充電器設(shè)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(shè)計（論文） 14 圖 48 單片機部分電路原理圖 5 軟件設(shè)計 軟件設(shè)計方面的程序編寫，使用的是 C語言 。具有編譯型的結(jié)構(gòu)化程序設(shè)計功能， 簡單的語法結(jié)構(gòu)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]。這里首先畫出了程序流程圖，后面根據(jù) 流程圖具體設(shè)計 編寫 程序。 具體來講 ，這次設(shè)計課題的主要內(nèi)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。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(guān)閉蜂鳴器，切斷充電電源。 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。 基于單片機的智能充電器設(shè)計 15