于单片机的智能电器控制原理及设计文档格式.docx
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能够提供预期范围的预充电流和终止充电电流，恒流充电时的电流值在设计范围内，恒压充电时，能够提供较理想的电池端压。
同时，也实现了相应的过温保护功能，及其出错报警等功能。
关键词：
智能电器，电源管理，锂电池，AT89C52
I
基于单片机的智能电器控制原理及设计
THEINTELLIGENTCONTROLTHEORYANDDESIGNOFELECTRICALAPPARATUSBASEDONMCU
ABSTRACT
Intelligentapparatusbasedonmicrocontrollerandmicroprocessorcore,notonlyhavefunctionsoftraditionalelectricalswitches,control,protection,detection,transformationandadjustment,butalsohaveshownthattheexternalandinternalfaultandthefaultdiagnosisofmemory,andprocessingoperations,aswellascommunicationwiththeoutsideworld,andotherfunctionsofelectronicdevices.Basedontherapidgrowthoftheportableelectronicsinrecentyears,powermanagementhavebecomeincreasinglydemanding,thearticledesignsaintelligentpowermanagementforelectricalapparatus.Firstofall,thearticleintroducesthechemicalprincipleoflithiumbatteries,andthencarriesouttheexperimentsofthebatterychargeanddischargeindifferentfactors,findingouttherelationshipbetweenthebatteryvoltageandcapacity.Inaddition,discussingthechargeanddischargecurrent,charge-off,take-off,andover-temperaturetotheimpactoflithiumbatteries.Onthebasisofanalysisofthelithium-ionbatterycharacteristicsexperiments,carryoutaintelligentelectricalcircuitdesignandsoftwareprograms.Designofpowermanagementhassomecontroloverthechargingprocess,combinedwithAtmel'
sAT89C52single-chipmanagementcapabilities,includingtemperaturecontrol,timecontrol,poweroff,beepalarmandliquidcrystaldisplay,andsoon,canbeamorepracticalpowermanagementsystem.Inordertoprotectthedata,interferencesuppression,thewatchdogfunctionofmonitoringcircuitdesignensuresthattheworkoftheintelligentapparatus.Finally,intelligentapparatustestingresultsshowthattheintelligentapparatusdesignedachievesfullfunctionality.Itcanbeexpectedtoprovidethescopeofthepre-chargecurrentandterminatingchargecurrent;
thecurrentvalueisinthedesignwhenchargingcurrentanditcanprovideabetterbattery-sidepressurewhenchargingvoltage.ASwellastherealizationofthecorrespondingover-temperatureprotection,andotherfeaturessuchasalarmerror.
KEYWORDS:
intelligentapparatus,powermanagement,lithiumbatteries,AT89C52
II
第一章引言
§
1-1智能电器概述
1-1-1智能电器定义电器在国民经济的各部门和国防领域均占有非常重要的位置，起着不可或缺的作用。
电器的主要发展趋势是高性能、高可靠、小型化、电子化、数字化、组合化、集成化、多功能化、智能化及可通信化/网络化，其核心是智能化和网络化
[1][2]
。
关于智能电器的定义或阐释已有很多，这里从构成智能电器的核心部件及其功能出发，给出智能电器的定义：
智能电器是以微控制器/微处理器为核心，除具有传统电器的切换、控制、保护、检测、变换和调节功能外，还具有显示、外部故障和内部故障诊断与记忆、运算与处理以及与外界通信等功能的电子装置。
该定义指出，智能电器的核心部件为微控制器/微处理器；
与传统电器相比，智能电器的功能有“质”的飞跃；
智能电器是电子装置，而传统电器是电气设备。
1-1-2智能电器的种类从大的方面讲，智能电器可分为智能电器元件/装置、智能开关柜和智能供配电系统；
从电力系统的一次设备和二次设备的角度讲，智能电器可分为二次智能设备（如智能测控装置、智能保护装置）和一次智能设备（如智能开关、智能开关柜、智能箱式变电站）。
1-1-3智能电器所涉及的技术智能电器是在传统电器的基础上发展起来的，因此智能电器所涉及的理论首先是传统电器的理论。
此外，智能电器还涉及以下技术，这里只对本文涉及的微控制器技术和电磁兼容技术作重点介绍，其它技术只简要介绍。
1）电子技术电子技术包括模拟电子技术和数字电子技术，或称为基础电子技术和集成电子技术。
2）微处理机/微控制器技术微处理机/微控制器技术主要包括微处理机/微控制器的硬件结构、指令系统、中断系统、定时器/计数器、串行口，程序存储器和数据存储器的扩展、I/O接口的扩展，键盘、显示器、拨盘、打印机的接口设计，D/A、A/D的接口设计，隔离与驱动（功率）电路设计，微处理机/微控制器程序设计、应用系统可靠性设计。
3）检测与转换技术检测与转换技术主要有：
误差理论；
电量测量技术；
非电量测量方法；
检测信号的处理与转换技术。
4）数字信号处理技术数字信号处理技术主要包括信号的描述及其分类、信号的分解，正交函数，傅立叶变换，连续时间系统的傅立叶分析，连续时间信号的采样，离散傅立叶级数、离散傅里叶变换、快速傅里叶变换，数字滤波器的原理、构成与设计。
5）电磁兼容技术电磁兼容性（ElectromagneticCompatibility，EMC）是指设备或系统在其电磁环境中能正常工作
1
[3][4][3]
且不对该环境中任何事物构成不能承受的电磁骚扰的能力。
电磁兼容包括电磁干扰（EMI）和电磁敏感度（EMS）两部分，其技术主要包括电磁干扰与电磁环境，电磁干扰的耦合与传播，屏蔽理论及其应用，孔缝泄漏的预制措施，接地技术与搭接技术，滤波技术及其应用，电磁兼容标准与规范，电磁兼容性分析与设计，电磁兼容性试验与测量。
6）现场总线技术现场总线（Fieldbus）是当今3C技术，即通信（Communication）、计算机（Computer）、控制（Control）技术发展的结合点，是电气工程与自动化领域技术发展的热点之一。
7）数据库技术/高级语言编程技术在构建智能供配电系统等现场总线系统时需用到数据库技术/高级语言编程技术。
换言之，对于开发智能电器系统来说，需要用到更多的计算机技术。
8）人工神经网络（ANN，ArtificialNeuralNetworks）人工神经网络是人工智能技术的一种，它具有优秀的学习能力，现已被广泛应用于模式识别、分类辨识、信号处理、图像处理、控制与优化、计算机科学、机器人、预报和智能信息管理等领域。
9）数学形态学（MM，MathematicalMorphology）数学形态学以集论基础，是几何形态分析和描述的有力工具，目前已广泛应用于信号处理、图像处理等工程领域。
1-2本文研究的智能电器
目前，电源管理已成为电子系统中必不可少的技术。
便携电子产品的迅速增长是电源管理技术发展的最主要推动力。
便携电子设备包括移动蜂窝电话和无绳电话、无线接收机、手持式收发信机、计算器、笔记本电脑、测试设备、医疗设备和由蓄电池供电的其他设备等。
便携式电子设备对电源的要求有以下几点：
体积小，重量轻，效率高，低压差。
锂离子电池具有能量密度高，可循环充电次数多，使用寿命长，价格也越来越低等诸多优点，使得选用锂离子电池供电的便携式产品越来越多。
然而锂离子电池也存在一些不足，主要在于对充电控制器要求比较苛刻，需要保护电路。
为有效利用电池容量，需将锂离子电池充电至最大电压，但是过压充电会造成电池损坏，这就要求较高的控制精度。
另外，对于电压过低的电池需要进行预充，充电控制器最好带有热保护和时间保护，为电池提供附加保护。
充电方式的选择直接影响着电池的使用效率和使用寿命，充电技术近年来发展非常迅速。
充电控制器的发展经历了三个阶段:
1）限流限压式充控制电器最原始的就是限压式充电，然后过渡到限流限压式充电，它使用的方式就是浅充浅放，其寿命表述就是时间，没有次数，比如10年。
这种充电模式的效果较差。
2）恒流/限压式充电控制器这是充电控制器发展的第二阶段，这种模式的充电控制器占据了充电控制器市场近半个世纪。
首先，以恒电流充电至预定的电压值，然后，改为恒电压完成剩余的充电。
一般两阶段之间的转换电压就是第二阶段的恒电压。
这种充电控制器充电电流总是低于电池的可接受能力，造成充电效率低，大大降低了电池的寿命。
3）自适应智能充电控制器随着大规模集成IC的出现，充电设备进入了一个全新的自适应、智能阶段，即称为第三代充电控制
2
[7][6][5]
器。
自适应充电控制器遵循各类电池的充、放电规律进行充、放电。
并且具有温度补偿功能。
充电系统由具有特殊功能的单片机控制，不断检测系统参数，按模糊推理算法不断调整充电参数，同一充电控制器可适应不同种类电池的充电，充电控制器自适应调整自己的输出电流，无需人工选择，避免操作失误。
目前市场上很多采用大电流的快速充电法，所以在电池充满后如不及时停止会使电池发烫，过度的过充会严重损害电池的寿命。
也有一些低成本的充电控制器采用电压比较法，为了防止过充一般充电到90%就停止大电流快充，采用小电流涓流补充充电。
一般地，为了使得电池充电充分，容易造成过充，表现为有些充电控制器在充终了时电池经常发烫（电池在充电后期明显发烫一般说明电池已过充）。
对电池经常出现过充和欠充的缺点已越来越不能满足们的需要。
锂电池的使用寿命和单次循环使用时间与充电维护过程和使用情况密切相关。
一部好的充电控制器不但能在短时间内将电量充足，而且对电池还能起到一定的维护作用，修复由于使用不当而造成的记忆效应，即容量下降（电池活性衰退）现象。
因而传统的普通充电控制器存在明显的不足。
基于以上问题的提出与分析本文将设计一款用于锂离子电池的智能电器。
所谓智能充电控制器是指能根据用户的需要智能控制充电进程，并且在充电过程中能对被充电电池进行保护从而防止过电压和温度过高的一种智能化充电控制器。
单片机控制的智能充电器，具备业界公认较好的-⊿V检测，可以检测出电池充电饱和时的电压变化信号，比较精确地结束充电工作。
这些充电器芯片往往具备了充电过程的控制，加上单片机管理功能，包括：
温度控制、时间控制、电源关断、蜂鸣报警和液晶显示等，可以完成一个较为实用的智能充电控制器。
随着电子技术的发展，芯片体积小型化及其价格的降低，智能充电控制器大规模的批量生产已经成为可能。
而智能充电控制器具有操作简单、可靠性高和通用性强等优点，是充电控制器家族中一个重要的组成部分，也是未来充电控制器发展的主要方向。
因此，对充电控制器智能化的研究与应用具有深远的现实意义。
[6]
1-3本课题的主要工作
本文实现基于单片机控制的智能电器设计，这里主要针对锂离子电池的智能电源管理控制器设计。
根据锂电池的特点，要求智能控制器的最基本需求有二：
一是要求其能提供较高的充电电流以缩短充电时间，同时要具备最大充电电流和最大充电电压的限制以保证充电系统的安全；
二是要求为增加电池的充放次数及使用寿命，当中包括对过放（over-discharged）的电池减少充电电流，对电池电压的检测或电池容量的检测，输入电流的限制，电池充饱时关闭智能控制器，对充饱电池经过一段时间漏电后能自动再充电功能，充电状态的指示，外部智能控制器的开关控制等。
1）首先介绍锂离子电池的化学原理，充放电原理及特性。
在这一部分通过实验分析验证了锂离子电池电压在不同放电率下与电池容量的关系，环境温度与电池放电容量的关系，并进一步分析论述了充放电电流对锂离子电池的影响，放电率对电池寿命的影响，过充过放及过温对锂离子电池的危害。
2）然后为智能电器设计进行选型并设计其硬件电路和软件部分，以实现其智能功能。
这里在充电电路设计上在比较锂电池充电主要的四种方法：
恒流充电、恒压充电、恒流恒压充电和脉冲充电的优缺点上，考虑到虽然恒流恒压充电需要复杂得多的电路来实现，但由于其充电时间短，充电效率高，因此本文所设计的智能电器充电控制部分将采用恒流恒压充电方法。
智能电源管理控制器设计包括三部分：
控制电路，充电电路，显示等外围电路。
并完成这三部分相关的程序设计。
实现智能充电，液晶显示，看门狗功能。
智能电器工作时不可避免会受到外界的干
3
[8]
扰，这些干扰轻则导致系统内部数据出错,重则将严重影响程序的运行。
为了保护数据，抑制干扰，在单片机智能系统的开发过程中需要进行可靠性设计。
这里看门狗功能设计可保证智能电器的正常工作。
3）最后给出采用本智能电源管理控制器对锂离子电池充电的实验结果，并对结果进行分析论述，以期提出不足和可能的改进措施。
4
第二章锂电池的原理及电特性实验
本文设计的智能电源管理控制器主要针对锂电池，因此有必要对锂电池的结构和特性进行必要的讨论和实验。
本章对锂电池化学原理作了简要介绍，并对其电特性进行了相关实验还就锂电池在使用过程中必须注意的问题进行了说明。
2-1锂电池的化学原理
锂电池主要分为两大类：
一次锂电池和二次可充电锂电池。
一次锂电池不可充电，只适用于某些特殊的场合，在这里不作详细的介绍。
二次可充电锂电池，主要包括锂离子电池（Lithium-Ion）和锂聚合物电池（Lithium-Polymer）。
由于锂离子电池和锂聚合物电池的特性基本一致，所以接下来选取锂离子电池作为我们讨论的对象
[9][10]
锂是元素周期表中原子量最小（6.94）、比重量小（0.5349/cm3，20℃）、电化学当量最小（0.26g/（Ak））、电极电势最负（-3.045V）的金属。
锂作为负极的锂电池具有开路电压高（3V以上），比功率高（超过200whk-和400wkL-1），放电电压平稳，适用范围大和使用寿命长等特点从负极转移到正极，如图2.1所示
[12]1[11]
所谓锂离子电池，是在
正极和负极中采用可以容纳锂离子的晶状结构活性材料，使锂离子随着充放电从正极转移到负极或者。
图2.1锂离子电池的结构示意图Fig2.1Lithium-ionbatterystructurediagram电池通过锂金属氧化物正极产生的锂离子在负极碳材中的嵌入与迁出来实现电池的充放电过程。
当对电池进行充电时，电池的正极上有锂离子生成，生成的锂离子经过电解液运动到负极。
而作为负极的碳呈层状结构，它有很多微孔，到达负极的锂离子就嵌入到碳层的微孔中，嵌入的锂离子越多，充电容量越高。
同样道理，当对电池进行放电时（即使用电池的过程），嵌在负极碳层中的锂离子脱出，又运动回到正极。
回到正极的锂离子越多，放电容量越高。
通常所说的电池容量指的就是放电容量下
[13][10]
一般锂离子电池的负极由碳（C）材料构成，正极由锂金属氧化物（LiMO2）构成，主要的化学反应如：
5
负极反应：
Li+e+6CLiC6正极反应：
LiMO2Li（1x）MO2+xLi+xe
+
+
总反应式：
LiMO2+6xCLi（1x）MO2+xLiC6对于锂离子电池，使用不同的活性材料，包括电池的正极材料，负极材料和电解质，电池的性能特性也会有所区别。
负极材料中，目前常用的有焦碳和石墨。
其中，石墨由于低成本、低电压（可以得到高的电池电压）、高容量和高可恢复的优点，被广泛采用。
、（LiNiO2）、正极材料中，主要以锂金属氧化物为主。
目前常用的有锂钴氧化物（LiCoO2）锂镍氧化物锂锰氧化物（LiMn2O4）以及纳米锰氧化物。
其中，锂钴氧化物具有电压高、放电平稳、适合大电流放电、比能量高、循环性好的优点，并且生产工艺简单、电化学性质稳定，其作为锂离子电池的正极材料，适合锂离子的嵌入和脱出。
锂镍氧化物自放电率低，没有环境污染，对电解液的要求较低,与锂钴氧化物相比，具有一定的优势。
锂锰氧化物优点是稳定性好，无污染，工作电压高、成本低廉。
锂离子电池中的电解质使用有机溶剂作为锂离子的传输介质。
锂离子电池对电解质溶剂的要求是：
高导电性、高分解电压、无污染、安全。
通常用锂盐作为有机溶液。
目前使用的锂盐主要有LiClO4、LiAsF6、LiPF6等
[14]
[15]
在正、负极、电解质三者中任何一种使用高分聚合物的锂离子电池就可以成为锂聚合物电池。
现在常见的是使用高分子胶体取代常规液体电解质的锂聚合物电池效应，更重要的是，锂聚合物电池可以制成任意形状的多，因此更加安全。
[16]
锂聚合物电池不仅具有锂离子电池的优点，即体积小、重量轻、能量密度高、自放电小、无记忆。
锂聚合物电池中的电解液比锂离子电池要少
2-2锂电池的电特性实验
2-2-1电池电压锂离子电池的开路电压与电池的正负极材料、电池的充电状态有关。
电池的额定电压有3.6V和3.7V两种，目前使用比较普遍的是3.7V的电池。
该电池的充电终止电压为4.2V，放电终止电压一般为2.75V（不同的厂商有不同的推荐值）。
从表2.1
[17]
可以看出，锂离子电池的电压相当于镍镉、镍氢
电池的三倍，也就是说，为了得到同样的电池组端电压，锂离子电池的使用数目只有镍镉、镍氢电池的1/3，大大减少了电池的数目，简化了电池组的设计、增加了整个电池组的稳定性。
表2.1电池工作电压Table2.1Batteryvoltage电池种类镍镉电池镍氢电池锂离子电池充电电压（V）1.431.434.2额定电压（V）1.21.23.6放电终止电压（V）1.111.112.75
但是锂离子电池对电压精度的要求很高，误差不能超过1%。
如果电池的终止充电电压是4.2V，那么允许的误差范围就是0.042V。
终止电压过高，将会影响锂离子电池的寿命，甚至造成过充现象（Overcharge），对电池造成永久性的损坏：
终止电压过低，又会使充电不完全，电池的可使用时间变短。
6
实验测得充放电时电池电压随电池容量变化的关系。
如图2.2，电池终止电压为4.1V。
可以发现充电时电池的端压要比放电时高，这是因为电池本身和充放电回路上有一定的电阻。
图2.2电池电压与容量的关系Fig2.2Therelationshipbetweenthebatteryvoltageandcapacity我们把电阻等效为Rd，如图2.3，那么充电时的端电压表达式为：
VO=Vcell+RdIcharge
相应的，放电时端电压表达式为：
（2.1）（2.2）
VO=Vcell-RdIcharge
图2.3电池充放电等效回路Fig2.3Batterycharginganddischargingequiva
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