数字式智能充电器设计毕业设计论文.docx

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数字式智能充电器设计毕业设计论文

毕业设计论文

数字式智能充电器

摘要

随着生活中越来越多的人使用移动电子设备，各种各样的充电电池也应运而生；对于不同的充电电池，我们需要选择不同类型的的充电器，但充电器的性能却不能满足充电电池的充电需求；在硬件电路和软件设计方面还存在许多功能上的不足。

面对目前市场上不同类型充电器功能上的不完善，结合各种充电电池的实际需求；设计了一种数字式智能充电器。

数字式智能充电器可以给端电压为1.5V～16.8V的镍镉电池、镍氢电池和锂电池进行充放电，同时还可以给小容量且低压的密封铅酸蓄电池进行充电。

本设计使用AVR单片机对充电电池实行数字化智能充电控制，实时监控电池在充电时的及时充电电压和及时充电电流，使充电过程按理想的充电曲线进行，同时为了更合理的使用电池，数字式智能充电器中还加入了对电池的放电模块，对不同类型的电池进行放电以至于可以延长电池的使用寿命；充电器使用了电压控制、温度控制、PID恒流控制，以便达到既能保护电池，还可以使电池充满的效果，实现了数字式智能化充放电。

关键词：

充电器，智能，控制，电压，电流

INTELLIGENTDIGITALCHARGER

ABSTRACT

Asmoreandmorepeopleareusingmobiledevicesforlife,allkindsofrechargeablebatteriesalsoarisesatthehistoricmoment;Fordifferentrechargeablebattery,weneedtochoosedifferenttypesofchargers,butchargerperformancecannotmeetthedemandofrechargeablebatterycharge;Therearemanyinthehardwarecircuitandsoftwaredesignfunction.Facedwithdifferenttypesofchargersonthemarketatpresentthefunctionoftheimperfect,combinedwiththeactualneedsofallkindsofrechargeablebatteries;Wedesignadigitalintelligentcharger.

Intelligentdigitalchargercangiveavoltageof1.5V~16.8Vnickel-cadmiumbatteries,nickelmetalhydridebatteriesandlithiumbatterychargeanddischarge,atthesametimealsocangivesmallcapacityandlowvoltagebatteryrecharged.ThisdesignuseAVRsinglechipmicrocomputertocontrolchargingrechargeablebatteriesfordigitalintelligent,real-timemonitoringofbatteryduringchargingchargingvoltageandchargingcurrentintimeintime,thechargingprocess,accordingtotheidealchargingcurveinordertomorereasonableuseofthebatteryatthesametime,digitalintelligentchargeralsojoinedinthedischargeofbatterymodule,fordifferenttypesofbatterydischargethatcanprolongtheservicelifeofthebattery;Chargerusesthevoltagecontrol,temperaturecontrol,PIDconstantcurrentcontrol,inordertoachievebothcanprotectthebattery,youcanalsomakethebatteryeffect,realizedthedigitalintelligentchargeanddischarge.

KEYWORDS:

charger，intelligent，control，voltage，current

目　录

前　言

伴随着电子技术的发展，充电电池被用作为移动电子设备提供能量的装置，其在许多方面的应用也越来越广泛。

目前使用的充电电池有很多类型，比如镍镉电池、镍氢电池、锂电池和小容量的密封铅酸蓄电池。

不同类型的电池具有不一样的充电特性。

现在市场上针对不同类型和电压，甚至不同容量等级的电池，需要有不同类型的充电器，这在平时的使用中有诸多不便。

因此，我设计了一种通用数字式智能型的充电器。

使用单片机技术的数字式智能充电器在我们国家的研究发展还比较晚，因为其体积小、动态响应速迅速、输出纹波小、效率高等特点，近年来受到国内外的广泛关注与研究，特别是在通信、电力等领域中，目前已经得到了普遍的研究和使用。

在国外市场大部分智能充电器都采用的充电方式更科学、合理，因此大大提高了充电电池的使用寿命，很大程度上降低了使用和维护成本，简化了充电过程，减少了操作人员的工作强度，市场前景非常广阔。

近年来，国内外技术人员正致力于智能充电器的研究，智能化程度高的充电器解决了动态跟踪电池能够接受充电电流曲线的关键技术，使充电电流始终与可以接受的充电电流保持良好的匹配关系，使充电过程保持在最佳状态下进行，比常规充电模式可节约30%-50%左右的电能，大大提高了充电的质量和效率，，为充电技术和充电设备的数字式智能化的发展闯出了一条新道路。

第1章绪论

随着越来越多的便携式电器的出现，对电池的性能、尺寸、重量等的要求也越来越高。

充电电池技术的不断进步同时也要求更复杂的充电算法来实现快速、安全的充电；所以需要对充电过程的监控要求更精确，以便缩短充电时间、且能达到最大的电池容量，同时还要防止电池被损坏。

AVR在对充电技术的控制芯片领域中有了很丰富的经验，为下一代充电器的研发提供了多方面的技术支持。

AtmelAVR微处理器在当前市场上可以以单片方式提供Flash、EEPROM和10位ADC高效的8位RISC微处理器。

因为程序存储器为Flash，所以可以不用像MASKROM一样，有多少个软件版本就库存多少种型号。

Flash可以在发货之前进行编程，也可以在PCB贴装之后通过ISP编程，从而允许在最后的时间里进行软件更新。

EEPROM可以用来保存标定系数和不同类型电池的特性参数，10位A/D转换器可以提供足够的数据测量精度，使得充好后的电池容量更接近最大容量。

然而其他方案想达到此目的，可能还需要外部的ADC，不但占用PCB空间，也提高了产品成本。

1.1充电器的开发背景

目前为了更高效、快速、无损害地对电池进行有效的充电，一直是电池界里最关心的问题。

虽然电池的问世到现在有100多年的历史，但是以为技术条件的限制，其充电模式一直主要采用恒压、恒压限流、恒流等，这些充电方法不能遵从电池内部结构的物理化学规律，许多存在着很严重的过充和析气等现象。

现在的各种充电方法中，因为种种原因，充电电流不能根据电池的状态变化；动态地跟踪理想的的充电电流曲线，因此充电质量和效果还不理想。

因为充电效率低，在充电过程时将会产生大量的气体析出，析气可以使电池正极板腐蚀，导致电池损坏，严重地缩短电池的使用寿命。

作为电池使用者来说，电池的管理维护非常重要，但高效、无伤害的充电器装置更是对改善电池的使用效率、延长电池的使用寿命起着很关键的作用。

所以，既能使能量利用效率提高和加快充电速度，又不影响电池的使用寿命的新型高效、快速、无损害的充电技术成为快速发展的现代电力电子技术一直关注的研究方向。

随着信息电子技术的发展，电池逐渐的应用到各大领域，例如说汽车、轮船、通信和各种电子产品等。

所以，研制出一种能快速充电且可以延长电池寿命的充电器也就成为了现在很重要的任务。

如何改善充电器的充电质量需要从两个方面来考虑，第一是充电技术，第二是硬件电路的设计。

伴随着快速高频电力电子器件的产生和功能强大的集成芯片的不断出现，数字式智能充电器的功能将会在将来越来越完善和安全。

1.2数字式智能充电器开发的基本要求

从20世纪60年代用于商业的镍镉和密封铅酸蓄电池一直到最近几年的镍氢和锂离子电池，可充电电池的容量和性能有了快速的发展。

现在各种电器或电子设备使用的充电电池主要有密封铅酸蓄电池（SLA）、镍氢电池（Ni-MH）、镍镉电池（Ni-CD）和锂电池（Li-Ion）四种类型。

电池充电是通过逆向的化学反应将其能量存储到化学系统里来实现的。

因为使用的化学物质的不同，所以不同的电池有自己的特性。

设计充电器时需要仔细研究这些特性来防止过度充电给电池造成不必要的伤害。

目前，市场上大部分销售的是旅行充电器，如果严格地从充电电路上分析，仅有很少部分的充电器才能被真正意义上称为智能充电器，随着越来越多的便携式电器的出现，对小尺寸、轻重量、高性能的电池充电器的需求也逐渐变大。

电池技术的不断进步也同时需求更复杂的充电算法以实现安全、快速地充电，所以，要求对充电过程的监控更精确（例如对充放电电流、温度、充电电压等的监控），以便缩短充电的时间，来达到最大的电池容量，并且能够防止电池损坏。

因此，智能型充电电路一般包括了恒流和恒压控制电路路、电池电压和电流的监测电路、电池温度检测电路、外部显示电路（LCD或LED显示）等基本单元。

第2章方案的选择

2.1方案选择的原理

对于充电电池，传统的充电方法主要是恒流充电、恒压充电或两者结合充电等方法，这些充电方法都没有动态的跟踪电池能够接受的充电电流的大小，事实证明这些充电方法不仅充电时间长而且比较容易对电池过冲，缩短了电池的寿命。

本设计通过对恒流充电和恒压充电两种方法的改进，实现了另一种传统的充电方法，即分段式充电方法。

此种方法包括了三阶段充电法和二阶段充电法。

二阶段充电方法，采用恒电压和恒电流相结合的快速充电的方法。

首先，使用恒电流充电到达预定的电压值，然后，再改为恒电压完成最后的充电。

一般两阶段之间转换的电压也就是第二阶段的恒压。

三阶段充电法，开始是采用恒流充电法至设定的电压值之后转为第二阶段，即高恒压充电阶段，当充电电流小到设定值之后就转为了第三阶段充电，即涓流充电，此时的电压值变为浮充电压。

2.2方案选择的特点

上述传统的充电方法优点是：

技术实现比较简单，基本能够满足充电要求，而且成本低。

缺点是：

它不能区别电池的放电深度；而且容易造成过充电，以至于使电池内部电压过高，造成严重的极化现象，使电池的失水过多，对充电电池造成不能恢复的伤害，缩短电池的寿命。

针对传统的充电方法；其充电时间长和不安全等特点，目前国内提出了一些新的比较快速的充电方法，比如说变电流间歇充电方法、分阶段充电法等，这些充电方法都是在传统充电方法上的改进，以满足马斯提出的最佳电池充电曲线。

分阶段充电法结合了恒压充电法和恒流充电法的特点，在充电第一阶段采用尽可能大的充电电流充电，使电池在短时间内充入尽可能多的容量，第二阶段