1、1福建师范大学现 代 远 程 教 育 毕 业 论 文题目：基于 AT89C2051单片机通用智能充电器的设计学习中心： 南靖县教师进修学校校外学习中心专 业： 电子信息工程 年 级： 2012-1 学 号： 121P3Z7001 学生姓名： * 导师姓名： * 201*年*月*日装订线2基于 AT89C2051单片机通用智能充电器的设计福州师范大学网络教育学院 电子信息工程121P3Z7001 * 指导老师 *摘要：为解决锂离子电池和镍氢/镍镉电池的充电问题，设计了一种以 AT89C2051单片机为核心的通用智能充电器，介绍了智能充电器的工作原理、设计特点和三种充电模式，详细讨论了系统的硬件构
2、成及软件实现方法。由于采用了高性能的微控制器及高分辨率的 A/D转换电路，保证了充电器具有很高的精度。关键词：单片机 A/D 转换 智能充电器 硬件构成The intelligent battery chatger baded on AT89C2051 single-chip computerFujian normal university online and continuing Education College Electronic Information Engineering Number: 121P3Z7001 Name: * Tutor:*Abstract: The refer
3、ence design is developed for the charge of Li-ion and NiMH/NiCd battery pack based on AT89C2051 single-chip computer . The work principle and design characteristics and three charge mode are introduced, then the hardware structure and the implement of software are analyzed in detail. With the high p
4、erformance of microcontroller and high resolution A/D convert circuit ,the design can guarantee high accuracy.Keywords: Single-chip computer A/D convert Intelligent battery charger Hardware structure3目 录1 引言 . 311 镍铬电池和镍氢电池. 312 锂离子电池 42 充电器设计思想 42.1 镍氢/镍镉电池充电模式 .42.2 锂离子电池充电模式 .52.3自适应充电模式 .53 总设计
5、.53.1充电器芯片 MAX846A 53.2充电器硬件设计.54 系统软件设计 .75 设计特点及测试结果85.1 模糊控制方法85.2 均衡充电85.3 测试结果96 总结 107 致谢 10参考文献： 1141 引言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。但是不同类型的电池如镍镉电池（Nicd） 、镍氢电池（NiMH）和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
6、，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。本文介绍一种智能充电器，能对镍镉电池（Nicd） 、镍氢电池（NiMH）和锂离子电池进行充电，并对充电电池具有自动检测能力。11 镍铬电池和镍氢电池镍铬电池的容量比镍氢电池或锂离子电池低，具有低阻抗特性，对于需要短时间大电流的应用场合很具吸引力。但镍
7、铬电池如果未经充分放电又进行充电，或者长时间处于小电流放电状态，就会产生枝状晶体，引起“记忆效应”，从而导致电池内阻变大，容量变小，缩短了电池寿命。如果在充电前进行完全放电，使每节电池的电压降到 10V 左右，就能消除引起“记忆效应”的枝状晶体，恢复电池的性能。镍氢电池具有较高的容量，但其自放电率也较高，约为镍铬电池的二倍。在初始阶段其放电率尤高（每天放掉 1）。所以镍氢电池不宜用于需要长时间保持电池容量的场合。就充电方式而言，两种电池非常相似，都是以恒流的方式进行充电，可采用快速、标准或者涓流的方式进行充电。它们都能以超过 2C（C 为电池容量，单位为安培）的速率进行充电（但一般采用 C2
8、速率）。由于存在内部损耗，充电效率一般小于 100，所以，在采用 C2 的速率充电时，通常需要两个多小时才能把电池充满。充电过程中的损耗随着充电速率和电池的不同而不同。在恒流充电时，电池电压会缓慢达到峰值（Vt 变为 0），镍氢电池需在这个峰值点终止快速充电，镍铬电池的充电须在峰值点后当电池电压开始下降时（Vt 变为负）即终止快速充电，否则会导致电池内压力和温度上升而损坏电池。当充电速率大于 C2 时，则要监测电池的电压和温度，因为当电池快充满时，电池的温度会急剧上升。对于镍铬电池和镍氢电池，还可以采用比较简便的涓流充电，这时只会造成极小的温升，不会损坏电池，也就无需终止涓流充电或者监测电池的
9、电压。允许的最大涓流随着电池类型和环境温度的不同而不同，典型条件下 C15 较为安全。 212 锂离子电池过去几年中，电池技术领域最突出的创新就是锂离子电池。相对于镍基电池而言，锂离子电池具有更高的容量。从容量体积比来衡量，锂离子电池比镍氢电池高出 1030，从容量质量比来看，锂离子电池比镍氢电池高出近两倍。但锂离子电池对于过充电和欠充电很敏感。要达到最大容量就必须充电到最高电压，而过高的电压和过大的充电或放电电流又会造成电池的永久性5损坏。如果多次放电至过低的电压则会造成容量损失，所以，充电和放电时都须限制其电压和电流，以保护电池不受损坏。锂离子电池的充电方式不同于镍基材料的化学电池，充电时
10、需用一个电压电流源来进行充电。为了获得最大的充电量而又不损坏电池，须使电压保持在 1的精度内。快速充电开始时，电池的电压比较低，充电电流即为电流极限。随着充电的进行，电池电压缓慢上升，最终当每节电池达到浮空电压 42V 时，此时即可终止充电。2 充电器设计思想设计通用型智能充电器时需要充分考虑 3种电池的充电特性，针对每一种电池的特性给出不同的充电模式以及相应的算法2.1 镍氢/镍镉电池充电模式这 2种镍类电池具有相似的充电特性曲线，因而可以用一样的充电算法。这 2种电池的主要充电控制参数为-V 和温度 对镍氢镍镉电池由预充电到标准充电转换的判据为：单节电池电压水平 0.61V；电池温度-50
11、 oC 电池饱和充电的判据为：电池电压跌落或接近零增长 V= 615 mV节；电池最高温度 max50；电池温度上升率 d/dt 1.0min。由于温度的变化容易受环境影响,因而实际用于判别充电各阶段的变量主要为V、 max， 其中对V 的检测需要有足够的 AD 分辨率和较高的电流稳定度-V 的测量与 A/D分辨率、充电电流的稳定性与电池内阻之间有以下关系:当电池内阻等于 50(接近饱和充电)时，充电电流=1200mA，电流漂移等于 5%，单节电池的最高充电电压为 1.58V，则此时电流漂移可能引起的电池电压变化为 3 mV。 5 2.2 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
12、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 0.05 V 32.3自适应充电模式智能充电器设置了一种自适应充电模式，在这种模式下，对未知型号的电池或放入某种电池后而未按相应的键，则充电器自动转入自适应充电模式此时充电器将提供一种公共算法对电池进行预充电，并对其进行型号识别判断，然后转入相应的充电模式，显示相应的型号具体做法为：检测充电电池电压的变化率，并判断是否检测到有V。如果检测到电池电压 V特别高，且无V，则转入锂离子电池充电模式，否则进入镍类电池充电模式 43 总设计3.1充电器芯片
13、MAX846A6MAX846A是一种 16脚 QSOP封装的通用型充电控制芯片，可以单独构成锂离子电池充电器，也可以在单片机的控制下对锂离子电池和镍基电池进行充电。图 1为其 QSOP封装的管脚图。图中，1脚 DCIN和 4脚 GND及 15脚 PGND分别为电源和地端。2 脚 VL端可提供 33V，1的电压基准。3脚 CCI和 5脚 CCV分别为电流和电压调节回路补偿端。7 脚 ISET和 6脚 VSET分别为充电电流和电压回路设定端。8 脚 OFFV为电压调节回路控制端，对于镍基电池置为高电平。当 VL端电压低于3V时，9 脚 PWROK输出低电平，可给 MCU提供复位信号。10 脚 CE
14、LL2为锂离子电池选择端，低电平时为一节，高电平时为两节。11 脚 ON为充电控制端，低电平时停止充电。12 脚 BATT端接电池正极。13 脚 CS和 14脚 CS为内部电流检测放大器输入端。16 脚 DRV为外部调节晶体管驱动端。3.2充电器硬件设计由单片机和充电器芯片组成的通用充电器原理图如图 3-1所示图 3-1 通用充电器原理图图中 AT89C2051、ADC0832 与 MAX846A一起构成充电器的核心。单片机的两个 PWM输出(P 1.3 7,P1.4)，经输出滤波分别与 MAX846A的 VSET以及 ISET相连，以控制充电电压及电流,其中 P1.3控制浮动电压， ,P1.
15、4控制充电电流。从 ISET端引出电流量，BATT 端电池分压器读出电压量，引入微控制器，连续测量充电电压及电流。由于从 ISET以及 VSET读出的量均为模拟量，而 AT89C2051内部没有 AD 转换，所以需要外部增加 AD 转换器 ADC0832。AT89C2051 串行口工作于移位方式，P3.0为数据输出线，P3.l 为时钟线。它有 128个 8位的 RAM，2KB 的程序存储空间，完全满足充电器的使用要求。在充电器中主要用来控制 MAX846A对电池的充电与否、实时检测充电器的状态及时显示，4 个共阳极 LED 和 4片串行输入、并行输出的 74HC164 构成显示电路。 1 AD
16、C0832为 8位串行逐次逼近式 A/D转换芯片，实时检测充电电流、电压的大小，该芯片的二个模拟量输入通道是可编程软结构的，可由串行输入口的 3位串行控制字指定通道，并决定是单端输入还是差分输入方式，设计中选择二个模拟量输入通道（CH0 和 CH1）交替输入。MAX846A 是一种高性能充电芯片，它适用于镍镉电池（Nicd） 、镍氢电池（NiMH）和锂离子电池等。 1 电路中用单片机的 PWM输出特性对充电电池电流进行控制，这样设计的优点是：用数字量对电流控制可达到很高的精确程度，可以适合不同种类不同容量的电池对充电电流的不同要求.其中脉宽调制有 2个参数特别重要:一是工作频率，在一定范围内，
17、脉宽调制的工作频率越高，所需电感越小。二是单步调整的分辨率，如果脉宽调制欲输出稳定度较高的充电电流，则需要较高的分辨率。例如在镍氢/镍镉电池充电的各个阶段，尤其是电池饱和充电判别点附近，对充电电压的-V 进行采样时，要求电池的充电电流要有较高的稳定性或电流等效值恒定，这时就有赖于脉宽调制输出稳定的电流值.而对于锂离子电池在其限压充电期间，其充电电流应可动态调整，以维持电池电压的最大(但要小于最大充电电压)而获得较高的充电效率.此外，设计中选择滤波电容的主要依据是系统对电源纹波的要求。滤波电容的等效串联电阻（ESR）是造成输出纹波的主要因素，而且也会影响到转换效率，因此应尽量选用低ESR的电容。
18、陶瓷电容和钽电解电容具有较低的ESR，也可选用低ESR的铝电解电容，但应尽量避免标准铝电解电容。容量一般在10F100F，对于较重的负载设计选取大一点的电容。4 系统软件设计系统软件流程采用中断工作方式, 软件功能的主要控制步骤均包括在定时中断程序中，包括监控电压、测量电流及累加电流时间积等部分。系统的主要程序流程如图 4-1所示。8a) 定时中断程序 b) 检测及显示程序图 4-1 系统主要程序流程图在开始充电时，对系统进行初始化，其中包括图 1中 AT89C2051单片机各个端口初始化、堆栈指针初始化、寄存器初始化、中断设定和根据不同的电池类型设定它所能够承受的最大电压 VSET，标准的容
19、量值 CSET及对电压、电流采样的时间间隔。为了使测定结果更精确，采样频率要尽量高。系统初始化后开定时器中断服务程序，由于程序中利用了定时中断，使得定时控制很方便。 5电池的端电压检测硬件上使用单片机的片上高精度 A/D模块，软件控制采用中断方式，这样可节省单片机在 A/D转换期间的等待时间。端电压检测的数据，通过充电算法计算电池的电压负增长-V 是否满足快速充电终止条件，及时实修改单片机的输出参数，控制充电电流的大小。 5针对 2.12.3 所述的 3种充电模式，设计了相应的程序模块；镍氢/镍镉电池充电控制模块；锂离子电池充电控制模块；自适应充电控制模块以及错误监控处理模块。主程序模块根据系
20、统相应的状态条件控制并调用相应的模块。同时，其他各模块之间也根据系统当前状态相互调用。在初始化程序模块中，设置了预处理功能，主要是设置 A/D转换参数和通道，检测电池的端电压。将检测数据同理论经验值比较，判断电池的类别以及是否连接正确。对端电压低的电池，采用短时间的脉动电流充电，这样有利于激活电池内的化学反应物质，部分恢复受损的电池单元。对端电压在标称范围内的电池选择相应的充电控制模块和算法，对端电压不在标称范围内的电池，软件自动将其剔除。5 设计特点及测试结果5.1 模糊控制方法根据充电电池电压的变化，系统将充电过程分为三个阶段，每个阶段采取不同的控制方式。第9一阶段电池内的电量已基本用完，
21、应采用恒定的大电流充电，以节省时间；第二阶段为充电电池的敏感阶段，充电过多会损坏电池，应采用模糊控制，以便获得最佳充电效果；第三阶段电池已充电满，应进行点滴充电，以防止电池自行放电。下面重点讲述模糊控制方法的主要原理。系统采用的模糊控制的两个输入量分别是理想电压与实际电压的差值和的变化率t，输出量是对充电电流大小的控制量。在模糊控制系统中，和t被划分为5个模糊状态，即负大(2)、负小(1)、零(0)、正小(+1)、正大(+2)。模糊控制系统对这两个输入量进行决策，求出模糊控制表，如表5-1所示。表中的I值表示在不同的输入量作用下，所对应的输出控制量的大小。输出控制量也分为5个等级，它们代表的意
22、义是：+2表示使充电电流增大两个等级，+1表示使充电电流增大一个等级，0表示使当前的充电电流值保持不变，1表示使充电电流减少一个等级，2表示使充电电流减少两个等级。 6表5-1 模糊控制规则表5.2 均衡充电均衡充电是本充电器的一个重要特点。在充电的过程中，由于电池的质量不相同，容量小、质量差的电池端电压在充入相同电量后会出现电压增长比另一个电池多的情况，如果不采取措施，它们的电压差将会增大，以至其中一个电池很快达到规定的安全电压，充电过程也将被迫停止。此时应该停充电压高的电池，即均衡充电。这样有利于恢复电池内受损的单元，使充电过程能顺利地进行下去。这种控制主要是通过软件实现的，在系统程序转人
23、中断程序后，系统开始对电压进行采样，检查电池电压值是否超过最大允许值，若超过，则使用单片机的 PWM功能进行调节。电压正常之后，便对电流进行采样，并对电流时间做乘积，然后跳出中断程序。以后每经过采样时间间隔后，都会重复以上步骤，而且要累加电流时间的乘积，此即为电池当前容量值。当容量达到标准容量值时，立即结束相应程序，停止对该电池的充电。这里在对容量进行计算时，使用了积分的方法。由于每一段采样时间间隔都非常小，可以认为电流值恒定，于是这段时间电池储存的容量可以用两者乘积来表示，整个充电过程的容量便可以用累加的方法。5.3 测试结果充电器对镍氢电池（NiMH） 、锂离子电池和镍镉电池（Nicd）进行充电实验测试，得到的测试曲线如下所示，图 5-1为镍氢电池的充电曲线, 表 5-2为镍氢电池充电后的性能特性。图 5-2为锂10离子电池的充电曲线。图 5-3为镍镉电池（Nicd）的充电曲线图 5-1 镍氢电池的充电曲线表 5-2镍氢电池充电后的性能特性图 5-2锂离子电池的充电曲线充电时间(h) 放电容量(AH) 电池寿命(次)1.5 1.2 约 3003 1.22 大于 300
