基于单片机的智能充电器设计毕业设计论文.docx

基于单片机的智能充电器设计毕业设计论文.docx

《基于单片机的智能充电器设计毕业设计论文.docx》由会员分享，可在线阅读，更多相关《基于单片机的智能充电器设计毕业设计论文.docx（23页珍藏版）》请在冰豆网上搜索。

基于单片机的智能充电器设计毕业设计论文

毕业设计（论文）

设计（论文）题目：

基于单片机的智能充电器设计

系别：

电子系

专业：

电子信息

班级：

姓名：

学号：

指导教师：

完成时间：

基于单片机的智能充电器设计

摘要

随着电子技术的不断发展，便携式设备扮演了重要的角色，而小型款便携式的手机充电器可以便利和丰富人们的生活。

本文从锂电池的结构原理着手，通过的锂电池性能及常用充电方法的研究比较，以及结合目前手机充电器的使用情况，设计一款由新型微处理器，针对市场上常见手机锂电池的充电器智能充电电路控制功能

本次设计是基于AT89C51单片机的智能充电器的设计方法。

该充电器可以实现采集电池的电压和电流，并对充电过程进行智能控制。

它可以自动计算电池的已充电量和剩余的充电时间，也可以改变参数来适应各种不同电池的充电。

系统中的管理电路还具有保护功能，可以防止电池的过充和过放对电池造成损害。

[关键词]:

充电器单片机智能

绪论

目前,市场上手机充电器种类繁多,但其中也有很多质量低劣的不合格产品。

其主要问题出现在:

与交流电网电源的连接,电源端子骚扰电压,辐射骚扰场强和充电电压几个方面。

另外,一些产品的低温性能、额定容量、放电性能、安全保护性能等方面存在质量问题。

这些质量问题会影响到手机的正常使用,还会影响手机的使用寿命,严重时还可能伤害消费者。

电池充电是通过逆向化学反应将能量存储到化学系统里实现的。

由于化学物质的不同，电池有自己的特性。

设计充电器时要仔细了解这些特性以防止过度充电而损坏电池。

与此同时，一方面厂家为了迎合消费者的使用需求，开发出了具有监控和数字模块显示等诸多功能的手机电池充电器，一定程度上满足了消费者对新潮的追求；但是另一方面，这却增加了企业的制造成本，面对激烈的竞争，厂家不断在手机及其附属设备上大打价格战，降低了利润空间，这就要求厂家在开发新产品时能够在满足消费者使用要求的情况下，尽量降低制造成本。

因此，制造出结构简单、成本低廉却能满足消费者使用需求的产品就成为了各个厂家竞相追逐的目标。

第一章智能充电器的概述

1.1充电器设计思想

所有充电器其实都是由一个稳定电源（主要是稳压电源、提供稳定工作电压和足够的电流）加上必要的恒流、限压、限时等控制电路构成。

充电器上所标注的输出参数：

比如输出4。

4V/1A、输出5.9V/400mA……就是指内部稳压电源的相关参数。

明白了这个道理，你会知道一个充电器很容易改成一个质量优良的稳压电源！

比如输出4.4V可以给4.5V的设备用，5.9V的可以给6V的设备用……常用锂离子（lion）电池的充电器采用的是恒流限压充电制，充电电流一般采用C2左右----即采用两小时充电率，比如500mah电池采用250ma充电大约两小时达到4。

2V后再恒压充电。

锂电池并不适合采用NIMH电池高级快速充电器所用的-DV/DT检测快速充电方式，因为锂电池对充电电流有严格的限制.锂离子（Li+）非常活泼，大电流充电很容易产生危险。

本次设计通用型智能充电器时．需要充分考虑电池的充电特性，针对电池的特性给出充电的模式以及相应的算法．

1.1.1锂离子电池充电模式

在锂离子电池充电采样时，测量到的电压是电池的在线电压，一般在线电压要高于静态电压（与内阻有关）．在充电器设计中，对锂离子电池充电各阶段转换判断的测量参数只有在线电压，电压采样偏差小于0.05V．

1.2智能充电器定义

可充电电池具有较高的性能价格比、放电电流大、寿命长等特点，广泛应用于各种通信设备、仪器仪表、电气测量装置中。

锂离子电池具有不同的充电特性和过程。

不同的电池应采用不同的充电控制技术。

常用的控制技术有：

电压负增量控制、时间控制、温度控制、最高电压控制技术等。

其中电压负增量控制是目前公认的较先进的控制方法之一。

充电时，当测量到电池电压负增量时就可以确定该电池己经充满，从而将充电转变为涓流充电。

时间控制预定充电时间，当充电时间达到后，使充电器停止充电或转为涓流充电，这种方法较安全。

温度控制法是当电池达到充满状态时，电池温度上升较快，测量电池温度或温度的变化，从而确定是否对电池停止充电。

最高电压控制则是根据充电电池的最高允许电压来判断充电状态，这种方法灵活性较好。

由于能力和时间关系本设计设计一种智能充电器，能对锂离子电池进行充电，并对充电电池具有自动检测能力。

1.3设计任务及要求

设计一个系统可以进行智能充电：

1.对锂电池电池快速充电；

2.自动检测充电过程；

3.有多种终止方式；

4.具有输入交流电压保护、输出电流过流保护、过冲电保护功能。

1.4设计方案论证

可以用数字电路来实现，它的原理比较简单，主要用集成块实现，虽然集成块的价格比较便宜，但和我们的专业接触的不多；也可以用PLC实现，但由于制作过程比较繁琐并且编程框图较复杂。

对于我们来说较难实现。

还可以用单片机来完成，它的功能强大制作简单，并且外围元件也很少。

并且与我们学习的51单片机联系紧密，能将我们所学习的知识用于实际，对巩固所学知识有重要意义，所以本设计采用的是单片机技术来实现的。

第二章硬件设计

智能充电器的硬件设计

智能充电器如图2.1所示。

主要包括电源变换、采样电路、处理器、脉宽调制解调器和电池组等,形成了一个闭环系统。

图2.1智能充电器电路模块图

单片机处理器通过采样电路实时采集电池组的充电状态,并通过计算决定下一阶段的充电电流,然后发送命令给PWM控制器。

PWM控制器通过处理器发给它的指令来控制交换电流的大小，如果电池组是低电状态，那么PWM控制器就会给与电池组一个较大电流，反之，给一个较小电流。

2.1处理器

2.1.1单片机的定义

单片机是一种集成电路芯片，是采用超大规模集成电路技术把具有数据处理能力的中央处理器CPU随机存储器RAM、只读存储器ROM、多种I/O口和中断系统、定时器/计时器等功能集成到一块硅片上构成的一个小而完善的计算机系统。

2.1.2单片机的应用领域：

目前单片机渗透到我们生活的各个领域，几乎很难找到哪个领域没有单片机的踪迹。

导弹的导航装置，飞机上各种仪表的控制，计算机的网络通讯与数据传输，工业自动化过程的实时控制和数据处理，广泛使用的各种智能IC卡，民用豪华轿车的安全保障系统，录像机、摄像机、全自动洗衣机的控制，以及程控玩具、电子宠物等等，这些都离不开单片机。

更不用说自动控制领域的机器人、智能仪表、医疗器械以及各种智能机械了。

因此，单片机的学习、开发与应用将造就一批计算机应用与智能化控制的科学家、工程师。

2.1.3单片机基本组成与内部结构

基本组成如图2.2所示：

图2.2单片机基本组成

内部结构：

（1）一个8位微处理器CPU。

（2）片内数据存储器RAM和特殊功能寄存器SFR。

（3）片内程序存储器ROM。

（4）两个定时/计数器T0、T1，可用作定时器，可用以对外部脉冲进行计数。

（5）四个8位可编程的并行I/O端口，每个端口既可作输入，也可作输出。

（6）一个串行端口，用于数据的串行通信。

（7）中断控制系统。

（8）内部时钟电路

本设计处理器采用51系列单片机AT89C51。

单片机内部有两个定时器、两个中断和一个串口终端、三个八路的I/O口,采用11.0592HZ的晶振。

（1）主要性能参数。

与MCS-51产品指令系统完全兼容

4K字节可重复擦写Flash闪速存储器

1000次擦写周期

全静态操作:

0HZ～24MHZ

三级加密程序存储器

128*8字节内部RAM

32个可编程I/O口线

2个16位定时/计数器

6个中断源

可编程串行UART通道

低功耗空闲和掉电模式

（2）管脚功能（引脚图见图2.3）。

VCC:

供电电压;GND:

接地

P0口:

P0口为一个8位漏级开路双向

I/O口,每脚可吸收8TTL门电流。

P1口:

P1口是一个内部提供上拉电阻的8位双向I/O口。

P2口:

P2口为一个内部上拉电阻的8位双向I/O口。

P3口:

P3口即可以作通用I/O口使用,又可以作第二功能使用。

RST:

复位输入。

ALE/PROG:

当访问外部存储器时,地址锁存允许的输出电平用于锁存地址的地位字节。

/PSEN:

外部程序存储器的选通信号。

/EA/VPP:

当/EA保持低电平时,则在此期间外部程序存储器（0000H-FFFFH）,不管是否有内部程序存储器。

XTAL1:

反向振荡放大器的输入及内部时钟工作电路的输入。

XTAL2:

来自反向振荡器的输出。

2.1.4单片机的工作过程

单片机自动完成赋予它的任务的过程，也就是单片机执行程序的过程，即一条条执行的指令的过程，所谓指令就是把要求单片机执行的各种操作用的命令的形式写下来，这是在设计人员赋予它的指令系统所决定的，一条指令对应着一种基本操作；单片机所能执行的全部指令，就是该单片机的指令系统，不同种类的单片机，其指令系统亦不同。

为使单片机能自动完成某一特定任务，必须把要解决的问题编成一系列指令（这些指令必须是选定单片机能识别和执行的指令），这一系列指令的集合就成为程序，程序需要预先存放在具有存储功能的部件——存储器中。

存储器由许多存储单元（最小的存储单位）组成，就像大楼房有许多房间组成一样，指令就存放在这些单元里，单元里的指令取出并执行就像大楼房的每个房间的被分配到了唯一一个房间号一样，每一个存储单元也必须被分配到唯一的地址号，该地址号称为存储单元的地址，这样只要知道了存储单元的地址，就可以找到这个存储单元，其中存储的指令就可以被取出，然后再被执行。

　　程序通常是顺序执行的，所以程序中的指令也是一条条顺序存放的，单片机在执行程序时要能把这些指令一条条取出并加以执行，必须有一个部件能追踪指令所在的地址，这一部件就是程序计数器PC（包含在CPU中），在开始执行程序时，给PC赋以程序中第一条指令所在的地址，然后取得每一条要执行的命令，PC在中的内容就会自动增加，增加量由本条指令长度决定，可能是1、2或3，以指向下一条指令的起始地址，保证指令顺序执行。

本次设计所用的AT89C51单片机是通过将P0口作为输入输出口，实时接受采样电路中通过AD574传送过来的数字信号。

充电电流通过电流传感器MAX471转换为电压值。

电流采样的电压值和电池组的端电压值两者经过模拟开关CD4051,再经过电压跟随器输入到由±15V双电源供电AD574进行转换为数字信号，在通过DB0~DB11的12位输出，从P0口输入到单片机里，单片机将结果读取,并进行存储和处理。

当单片机接收完采样电路的数字信号后，快速判断电池组的电流大小，再通过两端口与PWM的1号引脚和10号引脚相连接，传送指令给PWM，令PWM控制要给电池组的充电电流。

部分连接图如图2.4

图2.4部分电气连接图

2.2采样部分

采样电路是时刻接收输入电压，并在输出端保持该电压直至下次采样开始为止。

采样电路通常有一个模拟开关，一个保持电容和一个单位增益为1的同相电路构成。

采样工作在采样状态和保持状态的两种状态之一。

在采样状态下，开关接通，它尽可能快地跟踪模拟输入信号的电平变化，直到保持信号的到来；在保持状态下，开关断开，跟踪过程停止，它一直保持在开关断开前输入信号的瞬时值。

采样电路连接图2.5所示。

图2.5采样电路连接图

本次设计充电电流通过电流传感器MAX471的1号引脚采集输入的电流值，在通过8号引脚输出转换为电压值。

电流采样的电压值和电池组的端电压值两者经过模拟开关CD4051,再经过电压跟随器输入到AD574,分别进行转换,其结果由单片机读取,并进行存储和处理。

2.2.1模/数转换器AD574

模数转换器即A/D转换器，或简称ADC，通常是指一个将模拟信号转变为数字信号的电子元件。

通常的模数转换器是将一个输入电压信号转换为一个输出的数字信号。

由于数字信号本身不具有实际意义，仅仅表示一个相对大小。

故任何一个模数转换器都需要一个参考模拟量作为转换的标准，比较常见的参考标准为最大的可转换信号大小。

而输出的数字量则表示输入信号相对于参考信号的大小。

其主要功能特性如下:

分辨率:

12位

非线性误差:

小于±1/2LBS或±1LBS

转换速率:

25us

模拟电压输入范围:

0～10V和0～20V,0～±5V和0～±10V两档四种

电源电压:

±15V和5V

数据输出格式:

12位/8位

芯片工作模式:

全速工作模式和单一工作模式AD574A的引脚说明（引脚图见图2.6）:

图2.6AD574引脚图

Pin1（+V）为+5V电源输入端

Pin2（）为数据模式选择端此引脚可选择数据纵线是12位或8位输出

Pin3（）为片选端

Pin4（A0）为字节地址短周期控制端。

与端用来控制启动转换的方式和输出格式。

须注意的是,端TTL电平不能直接+5V或0V连接

Pin5（）为读转换数据控制端

Pin6（CE）为使能端

Pin7（V+）为正电源输入端,输入+15V

Pin8（REFOUT）为10V基准电源电压输出端

Pin9（AGND）为模拟地端

Pin10（REFIN）为基准电源电压输入端

Pin（V-）为负电源输入端,输入-15V电源

Pin1（V+）为正电源输入端,输入+15V电源

Pin13（10VIN）为10V量程模拟电压输入端

Pin14（20VIN）为20V量程模拟电压输入端

Pin15（DGND）为数字地端

Pin16-Pin27（DB0-DB11）为12条数据总线

Pin28（STS）为工作状态指示信号端,当STS=1时,表示转换器正处于转换状态,当STS=0时,声明A/D转换结束当AD574工作在单极性输入电路。

当输入电压为VIN=0V--+10V时,应从引脚“10VIN”输入。

输入数字量D为无符号二进制码,计算公式为D=4096VIN/VFS或VIN=DVFS/4096式中VIN为输入模拟量（V）,VFS为满量程,如果从“10VIN”引脚输入,VFS=10V。

本次毕业设计的所涉及的AD574主要是用来对采集电路的采集的模拟信号进行数字转换。

将采集到的电压值从模/数转换器AD574的13号引脚（为10V量程模拟电压输入端）进行输入，在内部进行转换后再通过12位输出端，将转换的数据通过单片机的P0进行输入，单片机从而获取电池组的信息。

其部分连接如图2.7

图2.7AD574部分连接

2.2.2电流传感器MAX471

定义为能感受被测电流并转换成可用输出信号的传感器。

MAX471采用8脚DIP封装,具有如下特点（MAX471的引脚排列如图2.8所示）。

图2.8MAX471引脚图

内含精密的内部检测电阻（MAX471）。

具有完美的高端电流检测功能。

在工作温度范围内,其精度为2%。

具有双向检测指示,可监控充电和放电状态。

内部检测电阻和检测能力为3A,并联使用时还可扩大检测电流范围。

电压范围为3V～36V;最大电源电流为100μA;关闭方式时的电流仅为5μA。

MAX471的电流增益比已预设为500μA/A,由于2kΩ的输出电阻（ROUT）可产生1V/A的转换,因此±3A时的满度值为3V。

用不同的ROUT电阻可设置不同的满度电压。

MAX471电流传感放大器的独特布局简化了电流监控设计。

MAX471包含两个放大器,如图2.9所示。

。

传感电流Isense通过传感电阻R从RS+流向RS-（反之亦然）。

输出电流Iout流过RG1和Q1还是RG2和Q2取决于传感电阻中电流的方向。

图2.9MAX471

MAX471在此次的设计电路中主要起着采集电路的作用，电流传感器MAX471将RS+接入电池组正端，RS-接负端，OUT（8号引脚）为电压输出端。

将输出的电压通过通过电压跟随器，最后输入到A/D模数转换器AD574。

2.2.3控制器

PWM引脚图如图2.10所示：

图2.10PWM引脚图

1.Inv.input（引脚1）：

误差放大器反向输入端。

在闭环系统中，该引脚接反馈信号。

在开环系统中，该端与补偿信号输入端（引脚9）相连，可构成跟随器。

2.Noninv.input（引脚2）：

误差放大器同向输入端。

在闭环系统和开环系统中，该端接给定信号。

根据需要，在该端与补偿信号输入端（引脚9）之间接入不同类型的反馈网络，可以构成比例、比例积分和积分等类型的调节器。

3.Sync（引脚3）：

振荡器外接同步信号输入端。

该端接外部同步脉冲信号可实现与外电路同步。

4.OSC.Output（引脚4）：

振荡器输出端。

5..CT（引脚5）：

振荡器定时电容接入端。

6.RT（引脚6）：

振荡器定时电阻接入端。

7.Discharge（引脚7）：

振荡器放电端。

该端与引脚5之间外接一只放电电阻，构成放电回路。

8.Soft-Start（引脚8）：

软启动电容接入端。

该端通常接一只5的软启动电容。

9.Compensation（引脚9）：

PWM比较器补偿信号输入端。

在该端与引脚2之间接入不同类型的反馈网络，可以构成比例、比例积分和积分等类型调节器。

10.Shutdown（引脚10）：

外部关断信号输入端。

该端接高电平时控制器输出被禁止。

该端可与保护电路相连，以实现故障保护。

11.OutputA（引脚11）：

输出端A。

引脚11和引脚14是两路互补输出端。

12.Ground（引脚12）：

信号地。

13.Vc（引脚13）：

输出级偏置电压接入端。

14.OutputB（引脚14）：

输出端B。

引脚14和引脚11是两路互补输出端。

15.Vcc（引脚15）：

偏置电源接入端。

16.Vref（引脚16）：

基准电源输出端。

该端可输出一温度稳定性极好的基准电压。

控制器采用脉宽调制（PWM）方式控制供电电流的大小,PWM控制电路如图2.11所示。

图2.11PWM控制器电路

本设计的PWM发生器由20HZ的单片机构成,主控制器和它采用中断的方式进行通讯,控制其增大或减小脉宽。

当处理器AT89C51的P1.3P1.4分别和PWM的1号引脚和10号引脚当单片机收到模数转换器发来的信号时，89C51就会通过与PWM连接的端口给PWM发送指令，使它中断当前所为电池组所提供的电流，而重新分配单片机所给指令的电流。

从而达到电流的控制。

其部分连接电路如图2.12：

图2.12PWM部分连接图

PWM信号通过光电隔离驱动主回路的MOSFET、开关管、二极管、LC电路构成开关稳压电源。

用PWM方式控制的开关电源可以减小功耗,同时便于进行数字化控制,但母线的波纹系数相对较大。

本方法的基本思想就是利用单片机具有的PWM端口,在不改变PWM方波周期的前提下,通过软件的方法调整单片机的PWM控制寄存器来调整PWM的占空比,从而控制充电电流。

在调整充电电流前,单片机先快速读取充电电流的大小,然后把设定的充电电流与实际读取到的充电电流进行比较,若实际电流偏小则向增加充电电流的方向调整PWM的占空比;若实际电流偏大则向减小充电电流的方向调整PWM的占空比。

在软件PWM的调整过程中要注意ADC的读数偏差和电源工作电压等引入的纹波干扰,合理采用算术平均法等数字滤波技术。

第三章软件设计

3.1PWM软件技术的基本原理

随着电子技术的发展，出现了多种PWM技术，其中包括：

相电压控制PWM、脉宽PWM法、随机PWM、SPWM法、线电压控制PWM等，而本文介绍的是在镍氢电池智能充电器中采用的脉宽PWM法。

它是把每一脉冲宽度均相等的脉冲列作为PWM波形，通过改变脉冲列的周期可以调频，改变脉冲的宽度或占空比可以调压，采用适当控制方法即可使电压与频率协调变化可以通过调整PW的周期、PWM的占空比而达到控制充电电流的目的。

PWM技术的具体应用

PWM软件法控制充电电流。

本方法的基本思想就是利用单片机具有的PWM端口，在不改变PWM方波周期的前提下，通过软件的方法调整单片机的PWM控制寄存器来调整PWM的占空比，从而控制充电电流。

本方法所要求的单片机必须具有ADC端口和PWM端口这两个必须条件，另外ADC的位数尽量高，单片机的工作速度尽量快。

在调整充电电流前，单片机先快速读取充电电流的大小，然后把设定的充电电流与实际读取到的充电电流进行比较，若实际电流偏小则向增加充电电流的方向调整PWM的占空比；若实际电流偏大则向减小充电电流的方向调整PWM的占空比。

在软件PWM的调整过程中要注意ADC的读数偏差和电源工作电压等引入的纹波干扰，合理采用算术平均法等数字滤波技术。

软件PWM法具有以下优缺点。

简化了PWM的硬件电路，降低了硬件的成本。

利用软件PWM不用外部的硬件PWM和电压比较器，只需要功率MOSFET、续流磁芯、储能电容等元器件，大大简化了外围电路。

可控制涓流大小。

在PWM控制充电的过程中,单片机可实时检测ADC端口上充电电流的大小，并根据充电电流大小与设定的涓流进行比较，以决定PWM占空比的调整方向。

电池唤醒充电。

单片机利用ADC端口与PWM的寄存器可以任意设定充电电流的大小，所以，对于电池电压比较低的电池，在上电后，可以采取小电流充一段时间的方式进行充电唤醒，并且在小电流的情况下可以近似认为恒流，对电池的冲击破坏也较小。

缺点：

电流控制精度低。

充电电流的大小的感知是通过电流采样电阻来实现的，采样电阻上的压降传到单片机的ADC输入端口，单片机读取本端口的电压就可以知道充电电流的大小。

若设定采样电阻为Rsample（单位为Ω），采样电阻的压降为Vsample（单位为mV），10位ADC的参考电压为5.0V。

则ADC的1LSB对应的电压值为5000mV/1024≈5mV。

一个5mV的数值转换成电流值就是50mA，所以软件PWM电流控制精度最大为50mA。

若想增加软件PWM的电流控制精度，可以设法降低ADC的参考电压或采用10位以上ADC的单片机。

PWM采用软启动的方式。

在进行大电流快速充电的过程中，充电从停止到重新启动的过程中，由于磁芯上的反电动势的存在，所以在重新充电时必须降低PWM的有效占空比,以克服由于软件调整PWM的速度比较慢而带来的无法控制充电电流的问题。

充电效率不是很高。

在快速充电时，因为采用了充电软启动，再加上单片机的PWM调整速度比较慢，所以实际上停止充电或小电流慢速上升充电的时间是比较大的。

为了克服2和3缺点带来的充电效率低的问题，我们可以采用充电时间比较长，而停止充电时间比较短的充电方式，例如充2s停50ms，再加上软启动时的电流慢速启动折合成的停止充电时间，设定为50ms，则实际充电效率为（2000ms－100ms）/2000ms＝95％，这样也可以保证充电效率在90%以上。

纯硬件PWM法控制充电电流。

由于单片机的工作频率一般都在4MHz左右，由单片机产生的PWM的工作频率是很低的，再加上单片机用ADC方式读取充电电流需要的时间，因此用软件PWM的方式调整充电电流的频率是比较低的，为了克服以上的缺陷，可以采用外部高速PWM的方法来控制充电电流。

现在智能充电器中采用的PWM控制芯片主要有TL494等,本PWM控制芯片的工作频率可以达到300kHz以上，外加阻容元件就可以实现对电池充电过程中的恒流限压作