【正文】 使用中有 諸多不便?；?89C51 的智能電池充電器的設(shè)計(jì) （硬件部分） 系 別 ： 自動(dòng)化 系 專 業(yè) 班： 電氣 自動(dòng)化技術(shù) 0601 班 姓 名： 陳 琪 學(xué) 號(hào)： 20202822020 指導(dǎo)教師： 李川香 段麗娜 2020 年 5 月 19 日 基于 89C51 的智能電池充電器的設(shè)計(jì) （硬件部分） 89C51based smart battery charger design (Hardware part) I 摘 要 目前，較多使用的電池有鎳鎘、鎳氫、鉛蓄 電池和鋰電池。它們的各自特點(diǎn)決定了它們將在相當(dāng)長(zhǎng)的時(shí)期內(nèi)共存發(fā)展。所研究課題根據(jù)電池兩端不同的電壓值采取不同的方案進(jìn)行充電。 這次設(shè)計(jì)中 ，單片機(jī)電路主要包括 89C51和 ADC0809 兩塊芯片， DM74163N 用做分頻器， 74F138SJ 用來產(chǎn)生和選擇地址。電路有 2 個(gè)輸入輸出端口， Analog Voltage Input 是作為電池組電壓的輸入， PWM contraltor 是做為電池組控制脈寬的輸出 。小到從電子表手表、 CD唱機(jī)、移動(dòng)電話、 MP MP照相機(jī)、攝影機(jī)、各種遙控器、剔須刀、手槍鉆、兒童玩具等。還有可以滿足各種特殊要求的專用電池等。 電池 (Batteries)，是一種能量轉(zhuǎn)化與儲(chǔ)存的裝置，它通過反應(yīng)將化學(xué)能或物理能轉(zhuǎn)化為電能。在這種電池中，化學(xué)反應(yīng)產(chǎn)生的各種氣體不用排出，可以在電池內(nèi)部化合。鎳鎘電池在 20 世紀(jì) 80年代得到了迅猛發(fā)展。 2020 年，中國鎳氫電池產(chǎn)量超過， 2020 年產(chǎn)量繼續(xù)以超過 15%的速度增長(zhǎng)，達(dá)到 11億只左右。對(duì)于鉛酸蓄電池來講，傳統(tǒng)的充電方法有恒流限壓充電和恒壓限流充電。 充電器是伴隨著充電電池的發(fā)展而發(fā)展的，早期出現(xiàn)的充電器多為鎳鎘電池充電器，當(dāng)鎳氫電池逐漸替代鎳鎘電池后，充電器也主要以鎳氫電 池充電器為主。 第一類是簡(jiǎn)單的定時(shí)充電器，充電時(shí)間是固定的，時(shí)間一到，就自動(dòng)停止充電。 第二類是所謂的“通宵”充電器，它的充電速率就非常低。 第三類疾速充電器，它給鎳氫電池充電，不需要多余的電路，一旦電池充滿后，充電停止。在充電過程中，電池變得很熱，那么這就是 過度充電的征兆。像這種現(xiàn)象稱之為過度充電，過度充電會(huì)使電池的 壽命縮短。 3 1 總體設(shè)計(jì) 智能充電器原理 單片機(jī)電路主要 包括 89C51和 ADC0809 兩塊芯片， DM74163N 如圖 11 所示 用做分頻器， 74F138SJ 如圖 12 所示 用來產(chǎn)生和選擇地址。其中， 8051 的的晶振頻率為 。本次設(shè)計(jì)通過 ADC 轉(zhuǎn)到單片機(jī)，在單片機(jī)端接收到信號(hào)后，根據(jù)電池兩端不同的電壓值采取不同的方案進(jìn)行充電。 圖 11 DM74163N芯片 圖 12 74F138SJ芯片 4 PWM 技術(shù)的應(yīng)用 隨著電子技術(shù)的發(fā)展，出現(xiàn)了多種 PWM 技術(shù)，其中包括：相電壓控制 PWM、脈寬PWM法、隨機(jī) PWM、 SPWM 法、線電壓控制 PWM 等，而本文介紹的是在鎳氫電池智能充電器中采用的脈寬 PWM 法?？梢酝ㄟ^調(diào)整 PWM 的周期、 PWM 的占空比而達(dá)到控制充電電流的目的。本方法所要求的單片機(jī)必須具有 ADC 端口和 PWM 端口這兩個(gè)必須條件，另外 ADC 的位數(shù)盡量高，單片機(jī)的工作速度盡量快。在軟件 PWM 的調(diào)整過程中要注意ADC的讀數(shù)偏差和電源工作電壓等 引入的紋波干擾，合理采用算術(shù)平均法等數(shù)字濾波技術(shù)。 優(yōu)點(diǎn)： 簡(jiǎn)化了 PWM 的硬件電路，降低了硬件的成本。 可控制涓流大小。 電池喚醒充電。 5 缺點(diǎn)： 電流控制精度低。若設(shè)定采樣電阻為 Rsample（單位為Ω），采樣電阻的壓降為 Vsample（單位為 mV）， 10 位 ADC 的參考電壓為 。一個(gè) 5mV 的數(shù)值轉(zhuǎn)換成電流值就是 50mA，所以軟件 PWM 電流控制精度最大為 50mA。 PWM 采用軟啟動(dòng)的方式。 充電效率不是很高。 為了克服 2和 3缺點(diǎn)帶來的充電效率低的問題，我們可以采用充電時(shí)間比較長(zhǎng)，而停止充電時(shí)間比較短的充電方式，例如充 2s 停 50ms，再加上軟啟動(dòng)時(shí)的電流慢速啟動(dòng)折合成的停止充電時(shí)間，設(shè)定為 50ms，則實(shí)際充電效率為（ 2020ms－ 100ms）/2020ms＝ 95％，這樣也可以保證充電效率在 90%以上 [4] 。現(xiàn)在智能充電器中采用的 PWM 控制芯片主要有 TL494 等 ,本PWM 控制芯片的工作頻率可以達(dá)到 300kHz 以上，外加阻容元件就可以實(shí)現(xiàn)對(duì)電池充電過程中的恒流限壓作用，單片機(jī)只須用一個(gè)普通的 I/O 端口控制 TL494 使能即可。采用純硬件 PWM 具有以下優(yōu)缺點(diǎn)。充電電流的控制精度只與電流采 樣電阻的精度有關(guān)，與單片機(jī)沒有關(guān)系。 充電效率高。 對(duì)電池?fù)p害小。 缺點(diǎn)： 硬件的價(jià)格比較貴。 涓流控制簡(jiǎn)單，并且是脈動(dòng)的。單片機(jī)的普通 I/O 控制端口無法實(shí)現(xiàn) PWM 端口的功能，即使可以用軟件模擬的方法實(shí)現(xiàn)簡(jiǎn)單的 PWM 功能，但由于單片機(jī)工作的實(shí)時(shí)性要求，其軟件模擬的 PWM 頻率也比較低，所以最終采用的還是脈沖充電的方式，例如在 10%的時(shí)間是充電的，在另外 90%時(shí)間內(nèi)不進(jìn)行充電 ,這樣對(duì)充滿電的電池的沖擊較小。 在充電過程中可以這樣控制充電電流：采用恒流大電流快速充電時(shí)，可以把單片機(jī)的 PWM 輸出全部為高電平（ PWM 控制芯片高電平使能）或低電平（ PWM 控制芯片低電平使能）；當(dāng)進(jìn)行涓流充電時(shí)，可以把單片機(jī)的 PWM 控制端口輸出 PWM 信號(hào)，然后通過測(cè)試電流采樣電阻上的壓降來調(diào)整 PWM的占空比，直到符合要求為止。查詢法是在單片機(jī)把啟動(dòng)命令送到 ADC 之后，執(zhí)行別的程序，同時(shí)對(duì) ADC 的狀態(tài)進(jìn)行查詢，以檢查 ADC變 換是否已經(jīng)結(jié)束，則讀入轉(zhuǎn)換完畢的數(shù)據(jù)。當(dāng) ADC 變換結(jié)束并向單片機(jī)發(fā)出中斷請(qǐng)求信號(hào)時(shí)，單片 7 機(jī)相應(yīng)次中斷請(qǐng)求，進(jìn)入中斷 服務(wù)程序。 本章小結(jié) 本章主要介紹智能電池充電器的原理和相關(guān)的技術(shù)， PWM 脈寬控制技術(shù)和其分類， 89C51 與 ADC0809 的接口技術(shù)。 AT89C2051 是一種帶 2K 字節(jié)閃爍可編程可擦除只讀存儲(chǔ)器的單片機(jī)。該器件采用 ATMEL 高密度非易失存儲(chǔ) 器制造技術(shù)制造，與工業(yè)標(biāo)準(zhǔn)的 MCS51 指令集和輸出管腳相兼容。 AT89C 單片機(jī)為很多嵌入式控制系統(tǒng)提供了一種靈活性高且價(jià)廉的方案 [6] 。 GND：接地。當(dāng) P1口的管腳第一次寫 1 時(shí)，被定義為高阻輸入。在 FIASH 編程時(shí)， P0 口作為原碼輸入口，當(dāng) FIASH進(jìn)行校驗(yàn)時(shí)， P0 輸出原碼，此時(shí) P0外部必須被拉高。 P1 口管腳寫入 1 后，被內(nèi)部上拉為高，可用作輸入， P1 口被外部下拉為低電平時(shí)，將輸出電流，這是由于內(nèi)部上拉的緣故。 P2口： P2 口為一個(gè)內(nèi)部上拉電阻的 8 位雙向 I/O 口， P2 口緩沖器可接收，輸出4個(gè) TTL 門電流，當(dāng) P2 口被寫“ 1”時(shí)，其管 腳被內(nèi)部上拉電阻拉高，且作為輸入。這是由于內(nèi)部上拉的緣故。在給出地址“ 1”時(shí)，它利用內(nèi)部上拉優(yōu)勢(shì)，當(dāng)對(duì)外部八位地址數(shù)據(jù)存儲(chǔ)器進(jìn)行讀寫時(shí)， P2 口輸出其特殊功能寄存器的內(nèi)容。 P3口： P3 口管腳是 8個(gè)帶內(nèi)部上拉電阻的雙向 I/O 口，可接收輸出 4 個(gè) TTL 門電流。作為輸入，由于外部下拉為低電平， P3 口將輸出電流（ ILL）這是由于上拉的緣故。 RST：復(fù)位輸入。 ALE/PROG：當(dāng)訪問外部存儲(chǔ)器時(shí)，地址鎖存允許的輸出電平用于鎖存地址的地位字節(jié)。在平時(shí)， ALE 端以不變的頻率周期輸出正脈沖信號(hào)，此頻率為振蕩器頻率的 1/6。然而要注意的是：每當(dāng)用作外部數(shù)據(jù)存儲(chǔ)器時(shí)，將跳過一個(gè) ALE脈沖。此時(shí)， ALE 只有在執(zhí)行 MOVX，MOVC 指令是 ALE 才起作用。如果微處理器在外部執(zhí)行狀態(tài) ALE 禁止，置位無效 。在由外部程序存儲(chǔ)器取指期間，每個(gè)機(jī)器周期兩次 /PSEN 有效。 /EA/VPP：當(dāng) /EA 保持低電平時(shí)，則在此期間外部程序存儲(chǔ)器（ 0000HFFFFH），不管是否有內(nèi)部程序存儲(chǔ)器。在 FLASH 編程期間，此引腳也用于施加 12V編程電源（ VPP）。 XTAL2：來自反向振蕩器的輸出。該反向放大器可以配置為片內(nèi)振蕩器。如采用外部時(shí)鐘源驅(qū)動(dòng)器件， XTAL2 應(yīng)不接。 芯片擦除 整個(gè) PEROM 陣列和三個(gè)鎖定位的電擦除可通過正確的控制信號(hào)組合，并保持 ALE管腳處于低電平 10ms 來完成。 11 此外， AT89C51 設(shè)有穩(wěn)態(tài)邏輯，可以在低到零頻率的條件下靜態(tài)邏輯，支持兩種軟件可選的掉電模式。但 RAM，定時(shí)器，計(jì)數(shù)器，串口和中 斷系統(tǒng)仍在工作。 結(jié)構(gòu)特點(diǎn) （ 1） 8 位 CPU （ 2） 片內(nèi)振蕩器和時(shí)鐘電路 （ 3） 32 根 I/O 線 （ 4） 外部存貯器尋址范圍 ROM、 RAM64K （ 5） 2 個(gè) 16 位的定時(shí)器 /計(jì)數(shù)器 （ 6） 5 個(gè)中斷源，兩個(gè)中斷優(yōu)先級(jí) （ 7） 全雙工串行口 （ 8） 布爾處理器 圖