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智能充电器毕业论文

智能电池充电器的设计

（89C51）

专业：

电气工程与其自动化

班级：

092

姓名：

关彦龙

学号：

2009060602

指导教师：

田熙燕

20013年4月1日

智能电池充电器的设计

（硬件部分）

Smartbatterychargerdesign（89C51）

摘要

目前，较多使用的电池有镍镉、镍氢、铅蓄电池和锂电池。

它们的各自特点决定了它们将在相当长的时期共存发展。

由于不同类型电池的充电特性不同，通常对不同类型，甚至不同电压、容量等级的电池使用不同的充电器，但这在实际使用中有诸多不便。

所研究课题根据电池两端不同的电压值采取不同的方案进行充电。

通过对已有单片机技术的学习，结合课堂的理论知识，完成课题所规定的性能指标从而加强专业知识和专业技能综合应用能力的训练，培养实践动手能力，团队合作和创新精神。

这次设计中，单片机电路主要包括89C51和ADC0809两块芯片，DM74163N用做分频器，74F138SJ用来产生和选择地址。

其中，89C51的的晶振频率为11.0592MHz。

电路有2个输入输出端口，AnalogVoltageInput是作为电池组电压的输入，PWMcontraltor是做为电池组控制脉宽的输出。

关键词：

89C51ADC0809定时器中断PWM控制技术

Abstract

Atpresent,Thereismoreuseofnickel-cadmiumbatteries,nickelmetalhydride,lead-acidbatteriesandlithiumbatteries.Theirrespectivecharacteristicstheywillforalongtimetoco-existwithinthedevelopment.Becausedifferenttypesofrechargeablebatteriesofdifferentcharacteristics,usuallyofdifferenttypes,andevendifferentvoltagelevelsofbatterycapacitytouseadifferentcharger,butinpracticetherearealotofinconvenienceinuse.Accordingtoresearchbythebatteryvoltageatbothendsofthevalueofdifferentoptionstotakecharge.Single-chiptechnologyhasbeenadoptedforthestudy,combinedwiththeoreticalknowledgeoftheclassroomtocompletethetaskssetforthintheperformanceindicatorsinordertoenhanceprofessionalknowledgeandprofessionalskillstrainingcompetence,abilitytotrainyourselfinpractice,teamworkandinnovation.

Thedesign,themaincircuitincludingthe89C51single-chipandchipADC0809,DM74163Nusedasadivider,74F138SJusedtogenerateandselectAddress.Ofthese,89C51ofthecrystalfrequencyof11.0592MHz.Circuithastwoinputandoutputports,AnalogVoltageInputbatteryvoltageasinput,PWMcontraltoristhebatterypackastheoutputpulsewidthcontrol.

Keywords:

89C51ADC0809timerinterruptPWMcontroltechnology

绪论

现代社会，电池的应用已遍与我们生活的许多方面，如移动、移动DVD、笔记本电脑、电动玩具、数码相机，电池的使用围也由40以前的手电筒、收音机、汽车和摩托车的启动电源发展到今天多种用途。

从电子表手表、CD唱机、MP3、MP4、摄影机、各种遥控器、剔须刀、手枪钻、儿童玩具等到，饭店、娱乐场所、超市、交换机等场合的应急电源再到，电动工具、拖船、拖车、铲车、轮椅车、高尔夫球运动车、电动自行车、电动汽车、风力发电站用电池、导弹、潜艇和鱼雷等军用电池。

还有可以满足各种特殊要求的专用电池等。

电池已经成为社会必不可少的便捷能源。

电池（Batteries），是一种能量转化与储存的装置，它通过反应将化学能或物理能转化为电能。

电池大致可分为以下几种类型：

碱性电池特别适用于照相机、闪光灯、剃须刀、电动玩具、CD机、大功率遥控器、无线鼠标键盘等。

碳性电池碳性电池不仅适用于手电筒、半导体收音机、收录机、照相机、电子钟、玩具等，碳性电池主要用于低耗电电器。

锂锰扣式电池正极材料为二氧化锰负极材料为金属锂。

锂锰电池和同等体积的电池相比容量要高，并且电压高体积小，通常用在一些比较小且薄的电子产品里面，如超薄遥控器、计算器等。

又因为存放时间长，电压稳定性好所以经常用在一些产品的后备记忆电源里，广泛地适应用于计算机主机板、移动通信与电子记忆系统。

作为支撑电源，应用在手表、照相机、机、电饭煲、计算器、打卡机、电子记事簿、血糖测试仪、耳温枪、遥控器、电子闪光产品等日常电子产品。

隔镍扣式电池主要用于小电流、低倍率放电的无绳、电动玩具等。

由于废弃镉镍电池对环境的污染该系列的电池将逐渐被性能更好的金属氢化物镍电池所取代。

镍氢扣式电池镍氢电池是有氢离子和金属镍合成，电量储备比镍镉电池多30%，比镍镉电池更轻，使用寿命也更长，并且对环境无污染。

镍氢电池的缺点是价格比镍镉电池要贵好多，性能比锂电池要差。

氢镍扣式电池氢镍电池使用氢氧化镍为正极活性物质，贮氢合金作负极活性物质，氢氧化钾水溶液作电解液，为绿色环保型电池。

纽扣电池纽扣电池因体形较小，故在各种微型电子产品中得到了广泛的应用，一般用于各类电子产品的后备电源如电脑主板、电子表、电子词典、电子秤、记忆卡、遥控器、电动玩具、心脏起搏器、电子助听器、计数器、照相机等。

充电器是伴随着充电电池的发展而发展的，早期出现的充电器多为镍镉电池充电器，当镍氢电池逐渐替代镍镉电池后，充电器也主要以镍氢电池充电器为主。

镍镉电池充电器大致可分为三类。

第一类是简单的定时充电器，充电时间是固定的，时间一到，就自动停止充电。

脆充电器不适合给镍氢电池充电，镍氢电池不会被完全充满电。

第二类是所谓的“通宵”充电器，它的充电速率就非常低。

这类充电器能为镍氢电池充分充电，但是它必须花上很长的时间，使用很不方便。

第三类疾速充电器，它给镍氢电池充电，不需要多余的电路，一旦电池充满后，充电停止。

能在2个小时以给电池充分充电的充电器，就称为疾速充电器，脆疾速充电器会使镍氢电池过度充电。

在充电过程中，电池变得很热，那么这就是过度充电的征兆。

在充电过程中电池的电压会随著储存电量的增加而逐渐上升，当电池储存的电量达到饱和电极材料无法继续充电时，若继续充电则电解液会起电解，并且在阳极产生氧气，在阴极产生氢气，如此会在密封的电池部造成部压力上升，会对电池部结构造成破坏。

像这种现象称之为过度充电，过度充电会使电池的寿命缩短。

所以总的来说专门为镍镉电池充电的充电器可以充镍氢电池但不适用[1]。

1总体设计

1.1智能充电器原理

单片机电路主要包括89C51和ADC0809两块芯片，DM74163N如图1-1所示用做分频器，74F138SJ如图1-2所示用来产生和选择地址。

具体的连接原理电路图如附录1。

其中，8051的的晶振频率为11.0592MHz。

电路有2个输入输出端口，AnalogVoltageInput是作为电池组电压的输入，PWMcontraltor是做为电池组控制脉宽的输出。

本次设计通过ADC转到单片机，在单片机端接收到信号后，根据电池两端不同的电压值采取不同的方案进行充电。

当电压非常小的时候，采取方案1来充电，方案1采取小电流充电，向引脚PWM发送占空比为10%的信号；当电压比较小但是不是极小的时候，采取方案2来充电，方案2采取较大电流充电，向引脚PWM发送占空比为20%的信号；当电压达到正常电压的时候，采取方案3来充电，方案3采取恒流充电，向引脚PWM发送占空比为50%的信号；对于电压超出正常电压，采取方案4，即不充电的方案，向引脚PWM发送占空比为0%的信号[2，3]。

图1-1DM74163N芯片图1-274F138SJ芯片

1.2PWM技术的应用

　　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PWM的周期、PWM的占空比而达到控制充电电流的目的。

1.2.1PWM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。

　　优点：

　　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[4]。

1.2.2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用，单片机只须用一个普通的I/O端口控制TL494使能即可。

另外也可以采用电压比较器替代TL494，如LM393和LM358等。

采用纯硬件PWM具有以下优缺点。

　　优点：

　　电流精度高。

充电电流的控制精度只与电流采样电阻的精度有关，与单片机没有关系。

不受软件PWM的调整速度和ADC的精度限制。

　　充电效率高。

不存在软件PWM的慢启动问题，所以在一样的恒流充电和一样的充电时间，充到电池中的能量高。

　　对电池损害小。

由于充电时的电流比较稳定，波动幅度很小，所以对电池的冲击很小，另外TL494还具有限压作用，可以很好地保护电池。

　　缺点：

　　硬件的价格比较贵。

TL494的使用在带来以上优点的同时，增加了产品的成本，可以采用LM358或LM393的方式进行克服。

　　涓流控制简单，并且是脉动的。

电池充电结束后，一般采用涓流充电的方式对电池维护充电，以克服电池的自放电效应带来的容量损耗。

单片机的普通I/O控制端口无法实现PWM端口的功能，即使可以用软件模拟的方法实现简单的PWM功能，但由于单片机工作的实时性要求，其软件模拟的PWM频率也比较低，所以最终采用的还是脉冲充电的方式，例如在10%的时间是充电的，在另外90%时间不进行充电,这样对充满电的电池的冲击较小。

　　单片机PWM控制端口与硬件PWM融合

　　对于单纯硬件PWM的涓流充电的脉动问题，可以采用具有PWM端口的单片机，再结合外部PWM芯片即可解决涓流的脉动性。

　　在充电过程中可以这样控制充电电流：

采用恒流大电流快速充电时，可以把单片机的PWM输出全部为高电平（PWM控制芯片高电平使能）或低电平（PWM控制芯片低电平使能）；当进行涓流充电时，可以把单片机的PWM控制端口输出PWM信号，然后通过测试电流采样电阻上的压降来调整PWM的占空比，直到符合要求为止。

1.389C51与ADC0809的接口设计

用单片机控制ADC时，多数采用查询和中断控制两种方法。

查询法是在单片机把启动命令送到ADC之后，执行别的程序，同时对ADC的状态进行查询，以检查ADC变换是否已经结束，则读入转换完毕的数据。

中断控制法是在启动信号达到ADC之后，单片机执行别的程序。

当ADC变换结束并向单片机发出中断请求信号时，单片机相应次中断请求，进入中断服务程序。

读入转换数据，并进行必要的数据处理，然后返回到原程序,这种方法单片机无需进行转换时间的管理,CPU效率高，所以特别适合于变换时间较长的ADC[5]。

1.4本章小结

本章主要介绍智能电池充电器的原理和相关的技术，PWM脉宽控制技术和其分类，89C51与ADC0809的接口技术。

2硬件设计

2.189C51与特点概述

AT89C51是一种带4K字节闪烁可编程可擦除只读存储器（FPEROM—FalshProgrammableandErasableReadOnlyMemory）的低电压，高性能CMOS8位微处理器，俗称单片机，如图2-1所示。

AT89C2051是一种带2K字节闪烁可编程可擦除只读存储器的单片机。

单片机的可擦除只读存储器可以反复擦除100次。

该器件采用ATMEL高密度非易失存储器制造技术制造，与工业标准的MCS-51指令集和输出管脚相兼容。

由于将多功能8位CPU和闪烁存储器组合在单个芯片中，ATMEL的AT89C51是一种高效微控制器，AT89C2051是它的一种精简版本。

AT89C单片机为很多嵌入式控制系统提供了一种灵活性高且价廉的方案[6]。

2.1.1主要特性

（1）与MCS-51兼容

（2）4K字节可编程闪烁存储器

（3）寿命：

1000写/擦循环

（4）数据保留时间：

10年

　　（5）全静态工作：

0Hz-24Hz

　　（6）三级程序存储器锁定

　　（7）128*8位部RAM

　　（8）32可编程I/O线

（9）两个16位定时器/计数器

（10）5个中断源

（11）可编程串行通道

（12）低功耗的闲置和掉电模式

（13）片振荡器和时钟电路

2.1.2管脚说明

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。

当P1口的管脚第一次写1时，被定义为高阻输入。

P0能够用于外部程序数据存储器，它可以被定义为数据/地址的第八位。

在FIASH编程时，P0口作为原码输入口，当FIASH进行校验时，P0输出原码，此时P0外部必须被拉高。

　　P1口：

P1口是一个部提供上拉电阻的8位双向I/O口，P1口缓冲器能接收输出4TTL门电流。

P1口管脚写入1后，被部上拉为高，可用作输入，P1口被外部下拉为低电平时，将输出电流，这是由于部上拉的缘故。

在FLASH编程和校验时，P1口作为第八位地址接收。

　　P2口：

P2口为一个部上拉电阻的8位双向I/O口，P2口缓冲器可接收，输出4个TTL门电流，当P2口被写“1”时，其管脚被部上拉电阻拉高，且作为输入。

并因此作为输入时，P2口的管脚被外部拉低，将输出电流。

这是由于部上拉的缘故。

P2口当用于外部程序存储器或16位地址外部数据存储器进行存取时，P2口输出地址的高八位。

在给出地址“1”时，它利用部上拉优势，当对外部八位地址数据存储器进行读写时，P2口输出其特殊功能寄存器的容。

P2口在FLASH编程和校验时接收高八位地址信号和控制信号。

　　P3口：

P3口管脚是8个带部上拉电阻的双向I/O口，可接收输出4个TTL门电流。

当P3口写入“1”后，它们被部上拉为高电平，并用作输入。

作为输入，由于外部下拉为低电平，P3口将输出电流（ILL）这是由于上拉的缘故。

　　P3口也可作为AT89C51的一些特殊功能口，如下所示：

　　口管脚备选功能

　　P3.0RXD（串行输入口）

　　P3.1TXD（串行输出口）

　　P3.2/INT0（外部中断0）

　　P3.3/INT1（外部中断1）

　　P3.4T0（记时器0外部输入）

　　P3.5T1（记时器1外部输入）

　　P3.6/WR（外部数据存储器写选通）

　　P3.7/RD（外部数据存储器读选通）

　　P3口同时为闪烁编程和编程校验接收一些控制信号。

　　RST：

复位输入。

当振荡器复位器件时，要保持RST脚两个机器周期的高电平时间。

　　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。

在FLASH编程期间，此引脚用于输入编程脉冲。

在平时，ALE端以不变的频率周期输出正脉冲信号，此频率为振荡器频率的1/6。

因此它可用作对外部输出的脉冲或用于定时目的。

然而要注意的是：

每当用作外部数据存储器时，将跳过一个ALE脉冲。

如想禁止ALE的输出可在SFR8EH地址上置0。

此时，ALE只有在执行MOVX，MOVC指令是ALE才起作用。

另外，该引脚被略微拉高。

如果微处理器在外部执行状态ALE禁止，置位无效。

　　/PSEN：

外部程序存储器的选通信号。

在由外部程序存储器取指期间，每个机器周期两次/PSEN有效。

但在访问外部数据存储器时，这两次有效的/PSEN信号将不出现。

　　/EA/VPP：

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

注意加密方式1时，/EA将部锁定为RESET；当/EA端保持高电平时，此间部程序存储器。

在FLASH编程期间，此引脚也用于施加12V编程电源（VPP）。

　　XTAL1：

反向振荡放大器的输入与部时钟工作电路的输入。

　　XTAL2：

来自反向振荡器的输出。

2.1.3振荡器特性

　　XTAL1和XTAL2分别为反向放大器的输入和输出。

该反向放大器可以配置为片振荡器。

石晶振荡和瓷振荡均可采用。

如采用外部时钟源驱动器件，XTAL2应不接。

有余输入至部时钟信号要通过一个二分频触发器，因此对外部时钟信号的脉宽无任何要求，但必须保证脉冲的高低电平要求的宽度。

2.1.4芯片擦除

　　整个PEROM阵列和三个锁定位的电擦除可通过正确的控制信号组合，并保持ALE管脚处于低电平10ms来完成。

在芯片擦操作中，代码阵列全被写“1”且在任何非空存储字节被重复编程以前，该操作必须被执行。

　　此外，AT89C51设有稳态逻辑，可以在低到零频率的条件下静态逻辑，支持两种软件可选的掉电模式。

在闲置模式下，CPU停止工作。

但RAM，定时器，计数器，串口和中断系统仍在工作。

在掉电模式下，保存RAM的容并且冻结振荡器，禁止所用其他芯片功能，直到下一个硬件复位为止[6]。

2.1.5结构特点

（1）8位CPU

（2）片振荡器和时钟电路

　　（3）32根I/O线

　　（4）外部存贮器寻址围ROM、RAM64K

　　（5）2个16位的定时器/计数器

　　（6）5个中断源，两个中断优先级

　　（7）全双工串行口

（8）布尔处理器

图2-189C51芯片

2.2ADC0809与特点概述

2.2.1主要特性

（1）8路8位A／D转换器，即分辨率8位

（2）具有转换起停控制端

（3）转换时间为100μs

（4）单个＋5V电源供电

（5）模拟输入电压围0～＋5V，不需零点和满刻度校准

（6）工作温度围为-40～＋85摄氏度

（7）低功耗，约15mW

2.2.2部结构

ADC0809是CMOS单片型逐次逼近式A／D转换器，部结构由8路模拟开关、地址锁存与译码器、比较器、8位开关树型D／A转换器、逐次逼近，ADC0809部结构框图寄存器、三态输出锁存器等其它一些电路组成。

因此，ADC0809可处理8路模拟量输入，且有三态输出能力，既可与各种微处理器相连，也可单独工作。

输入输出与TTL兼容[7]。

2.2.3外部特性（引脚功能）

ADC0809芯片有28条引脚，采用双列直插式封装，如图2-2所示。

下面说明各引脚功能。

IN0～IN7：

8路模拟量输入端。

2-1～2-8：

8位数字量输出端。

ADDA、ADDB、ADDC：

3位地址输入线，用于选通8路模拟输入中的一路。

ADDA、ADDB、ADDC真值表。

ALE：

地址锁存允许信号，输入，高电平有效。

START：

A／D转换启动信号