1、 目 录摘 要 .1关键词 .1Abstract .1Key Words .1引言 .21 课题研究与设计指导思想 .21.1 课题研究背景 .21.2 设计指导思想 .21.3 智能化的功能设计要求 .22 主要元器件介绍及选用 .22.1 单片机的介绍及选用 .22.2 模数转换器 CS5522 芯片 .62.3 温度传感器 PT100.73 几种常见电池介绍及基本参数特性 .83.1 几种常见电池 .83.2 锂离子电池基本参数特性 .83.3 锂离子电池的优缺点 .94 硬件电路的设计 .104.1 硬件电路的总体设计思路 .104.2 电源电路部分 .104.3 测温电路部分 .10
2、4.4 模数转换部分 .124.5 充电指示部分 .124.6 充电控制电路 .124.7 单片机控制部分 .125 软件设计 .145.1 程序流程图 .145.2 单片机的主要控制程序 .146 软件仿真与调试 .156.1 电源仿真 .156.2 充电器两端的电压显示部分 .157 总结 .16参考文献 .17附录 .18致 谢 .22基于单片机的智能充电器设计 1基于单片机的智能充电器设计自动化专业学生 XXX指导教师 XXX摘要：电子技术的快速发展使得各种各样的电子产品都朝着便携式和小型轻量化的方向发展，也使得更多的电气化产品采用基于电池的供电系统。为了解决各种类型的电池充电问题，所
3、以设计了基于 AT89S52 单片机为核心的智能充电器。主要对单片机的工作原理、智能化设计和几种充电方式，进行了较为详细的介绍，并对系统的硬件组成以及软件的设计进行了论述。该设计采用了高性能的微处理控制器和分辨率较高的的数模转换电路，来确保充电器安全与高效。在对电池的基本参数特性做出介绍的基础上,还介绍了设计的硬件系统组成，包括数据采集电路、控制电路和电源电路等部分，并对充电器的核心元件 AT89S52 单片机进行了完整的介绍。阐述的重点还包括了充电器的软件功能设计，不仅对软件控制系统进行了需求性分析，还可以实现充电控制系统的可靠性、稳定性、安全性和经济性。程序设计以 C 语言为工具，进行了详
4、细设计和编码实现。关键词：智能充电器；单片机；A/D 转换Intellgent Battery Charger Design Based on Single-chip ComputerStudent majoring in automation XXXTutor XXXAbstract: Electronic technologys fast development causes various electronic products develops toward portable and the small lightweight direction, it also causes the
5、 more electrification products to use based on batterys power supply system. To resolve the battery charging problem , designed a AT89S52 microcontroller core universal smart charger, describes working principle, design of intelligent charger features some modes of charging ,and discussed in detail
6、the system of hardware and software implementation. As a result of the high-performance micro-controller and high resolution A/D conversion circuit, ensure that the charger has a very high precision. In the basic parameters characteristics of battery is introduced on the basis of, also introduces th
7、e design of hardware system, including data acquisition circuit, control circuit, man-machine interface and microprocessor controller and power part, and the core components of the charger AT89S52 single chip microcomputer was introduced in full. Focus on include the charger software function design
8、, the software control system not only has carried on the demand analysis, must also be charging control system reliability, stability, security and economy. Programming with C language as the tool, has carried on the detailed design and code implementation.Key Words: Intelligent battery charger；Sin
9、gle-chip computer；A/D convertXXXX 本科毕业设计（论文）2引言随着电子技术的迅猛发展，越来越多的手持式电器开始出现，对性能高、尺寸小、重量轻的电池以及智能化充电器的需求也越来越大。电池技术的不断进步也要求更复杂的控制算法以实现快速、安全、有效的充电。因此需要对充电过程进行更精确、缜密的监控，来缩短充电时间、尽量达到最大的电池容量，并防止电池被损坏。智能充电器就在这种需求环境下应运而生。1 课题研究与设计指导思想在人们日常生活和工作中，随着各种电子产品的普及应用，各种类型的充电器就不可或缺。目前，市场上卖得最多的是便携式旅行充电器，但是从充电控制电路上分析，只有很
10、少部分充电器才能真正意义上被称为智能充电器。1.1 课题研究背景单片机在蓄电池充电器领域有着比较广泛的应用，利用它的可编程及处理控制能力可以实现充电器的智能化设计。充电器种类很多，但一般只有单片机参与处理和控制充电过程，可以自动有效的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其它方面的设计要求，才可以称为智能充电器。并且充电控制系统中的管理电路还应具有保护功能，可以避免电池的过充和过放对电池造成损害。1.2 设计指导思想（1）充电过程的实现。充电可分为两个方面的控制：一是充电过程的程序控制；二是提供基本充电电压，充电电压波动应控制在稳定范围以内，同时降低充电电流，当充电电流逐渐减
11、小到某一规定的值时，可结束充电过程。（2）充电器智能化的实现。引入单片机实时采集电池的电压和电流信号，并对充电过程进行智能控制，以实现智能化。1.3 智能化的功能设计要求本设计是基于 AT89S52 单片机的控制功能实现的电池充电方面的应用，充电器在单片机的控制下，可以实时采集电池的电压和电流,并对充电过程进行智能控制。不但可以自动计算电池的已充电量和剩余的充电时间,还可以改变参数来适应各种不同电池的充电，以及防止电池过充或过放电对电池造成损害。2 主要元器件介绍及选用2.1 单片机的介绍及选用大多数充电器都是采用大电流的快速充电法的方法，如果电池被充满了，人们不及时断电就会使电池发烫，甚至会
12、严重损害电池的寿命。一些成本比较低的普通充电器可能采用电压比较法，为了防止过度充电，基本上充电到一定的程度就停止大电流快充，转而用小电流来补充充电。基于单片机的智能充电器设计3一部分的充电器不但能在很短时间内将电量充足，而且还可以对电池起到一定的维护作用，修复由于使用不当造成的记忆效应，即容量下降现象。设计比较好的充电器往往采用专用充电控制芯片配合单片机控制的方式。专用的充电芯片具有业界公认较好的-v 检测，可以检测出电池充电饱和时发出的电压变化信号，比较精确地结束充电工作，通过单片机对这些芯片的控制，可以实现充电过程的智能化，例如，在充电后增加及时关段电源、蜂鸣报警和液晶显示等功能。充电器的
13、智能化可以缩短充电的时间，同时能够维护电池，延长电池使用寿命。51 系列单片机是当前使用最为广泛的 8 位单片机系列之一，其丰富的开发资源和较低的开发成本，使 51 系列单片机现在以至将来都仍会有强大的生命力。在众多的 51系列单片机中，AT89 系列单片机在我国得到了极其广泛的应用，AT89 系列单片机是美国 Atmel 公司的 8 位机产品。他的特点是片内含有 Flash Memory，Flash Memory 是一种电可摩除和电写入的闪速存储器（记为 FPEPROM)，在系列的开发过程中可以很容易地进行程序修改，使开发调试更为方便 1。2.1.1 单片机的功能特点介绍 在微机中央处理器（
14、CPU）基础上，将 I/O 接口电路、时钟电路和一定容量的存储器等部件集成在一个芯片上，再加上一些必须的外围组件，如晶体振荡器等，就可以组成了一个比较完整的计算机处理系统。因为这类计算机系统基本部件在同一微处理控制芯片内，因此被称为单片微控制器、微控制单元或嵌入式控制器，简称单片机 2。目前，8 位高档机和 16 位机在单片机应用中占主导地位，产品众多，已有几十个系列、几百个型号，除了通用单片机以外，集成更多资源，如 A/D 转换器、D/A 转换器、“看门狗” （Watchdog）电路、LCD 控制器、网路控制模块等，将单片机嵌入式系统和Intenet 连接起来已是一种趋势。还有专用单片机产品
15、，如专门用于数据处理（图像和语言处理等）的单片机。总之，单片机正在向微型化、低功耗、高速、集成、高集成度、多资源、网络化、专用型方向发展 3。单片机的芯片是控制系统的核心部件，它不仅具备通用微机处理器的数值计算功能，还应该具有灵活、强大的控制功能，以便对系统的输入量做到实时监测，从而实现自动化的控制功能。单片机处理器的发展方向和技术特性如下：（1）单片机中的 CPU 具有很强的抗干扰性，并且具有很宽的温度工作范围（按工作温度分类，有民用级、工业级、汽车级及军用级） 。（2）单片机中的 CPU 具有很高的可靠性能。在工控过程中，任何一点差错都有可能造成非常严重的后果，所以单片机芯片大都采用看门狗
16、技术来保证可靠性，通过定时“复位”方式唤醒处于“失控”状态下的单片机芯片。（3）单片机 CPU 电磁辐射量小。高可靠性和低电磁辐射指标决定了单片机系统的时钟频率很低。为此，单片机芯片一般采用 HARVARD 双总线结构，即指令和数据存储器空间相互独立，并通过各自的数据总线与 CPU 相连，使取指和读/写数据能同时进行。XXXX 本科毕业设计（论文）4双总线结构能提高数据的吞吐率，以便在不降低数据吞吐率的条件下使用较低的时钟频率。（4）单片机的控制功能很强大。（5）单片机的指令系统比较简单。（6）单片机芯片往往不是单一的数字电路芯片，而是数字、模拟混合电路系统，即单片机芯片内一般集成了一定数量的
17、模拟比较器，A/D 及 D/A 转换电路。（7）单片机 CPU 采用嵌入式结构。尽管同一系列的单片机品种、规格繁多，但彼此差异却不大。2.1.2 单片机的应用 因为单片机具有如上所述众多的优点，因此在生活以及工业生产等诸多领域，得到了越来越广泛的应用，单片机的主要应用领域有：工业控制方面，如在工业生产过程中参数（如压力、温度、液位、流量等）的控制，集数据处理功能于一体，如转速测试仪、流量监控仪、智能手机及电子秤等等。单片机上有并行I/O 接口和串联 I/O 接口，可用于通信接口，实现计算机网络通信。由于单片机体积小，控制能力强，且片内有定时器/计数器，所以广泛应用于家用设备中，如空调、洗衣机、
18、微波炉及智能报警器等等。另外，由于单片机价格相对较低且可靠性高、控制功能强大，因此也非常适合用在充电器的智能充电的控制上。2.1.3 AT89S52 单片机的选用 单片机 AT89S52，是美国 ATMEL 公司生产的一种低功耗，高性能 COMS8 位微控制器，片内具有 8K 在系统下可编程封装 Flash 存储器。不但拥有灵巧的 8 位 CPU ，还具有系统可编程 Flash，使得 AT89S52 可以为众多嵌入式控制应用系统提供高灵活、超有效的解决方案。同时 AT89S52 与 C51 产品指令和引脚完全兼容，可适用于众多的控制领域。8051 是 51 系列单片机的典型产品，8051 单片
19、机包含中央处理器、程序存储器(ROM)、数据存储器(RAM)、定时/计数器、并行接口、串行接口和中断系统等几大单元及数据总线、地址总线和控制总线等三大总线，其结构图如图 2-1 所示 4:程序存储器 数据存储器 定时计数器并行 I/O 口 串行通信口 中断系统数据总线地址总线控制总线8051时钟图 2-1 8051内部结构基于单片机的智能充电器设计5AT89S52 管脚图如图 2-2 所示： 图 2-2 AT89S52管脚图P0 驱动器 P2 驱动器P0.0-P0.7 P2.0-P2.7程序地址寄存器缓冲器程序计数器PCDPTRRAM地址寄存器 RAMB 寄存器ACCTMP2 TMP1ALUS
20、P 指针P0 口锁存器 P2 口锁存器中断、串行口和定时器指令寄存器定时和控制逻辑OSCP1 锁存器 P3 锁存器P1 驱动器 P3 驱动器PSRROMP1.0P1.7 P3.0P3.7图 2-3 MCS-51内部结构框图XXXX 本科毕业设计（论文）6图 2-3 是 MCS-51 系列单片机的内部结构示意图。AT89S52 部分管脚定义说明 5: (1) VCC 管脚：系统供电电源。(2) GND 管脚：接地管脚。(3) P0 端口（P0.0P0.7）：此端口是 8 位开环的双向 I/O 端口。(4) P1 端口（P1.0P1.7）：此端口与 P0 端口不同的是具有内部上拉电阻。（5）P2
21、端口：此端口也是一组具有内部上拉电阻的双向 I/O 端口。（6）P3 端口：具有内部上拉电阻的双向 I/O 端口。（7）RST 管脚：复位输入，振荡器工作时，单片机在 RST 引脚出现两个机器周期以上高电平时复位。（8）ALE/PROG 管脚：访问外部程序存储器或数据存储器时，ALE（地址锁存允许）输出脉冲用于锁存地址的低 8 位字节，单片机执行外部程序时，应设置 ALE 禁止位无效。（9）/PSEN 管脚：程序储存允许（PSEN）输出是外部程序存储器的读选通信号，当 AT89S52 由外部程序存储器取指令（或数据）时，每个机器周期输出两个脉冲。在此期间，当访问外部数据存储器，PSEN 信号被
22、跳过两次。(10) XTAL1 管脚：振荡器反相放大器及内部时钟发生器的输入端。（11）XTAL2 管脚：振荡器反相放大器的输出端。2.2 模数转换器 CS5522 芯片模拟数字转换器 ，即 A/D 转换器，简称 ADC，它可以将一个将模拟信号转变为一个数字信号。通常意义上的模数转换器是将一个输入的电压信号转换为一个输出的数字信号。又因为数字信号本身没有实际意义，而仅仅表示了一个相对的大小，所以任何一个模拟数字转换器都要有一个模拟的参考量来作为其转换的标准，通常情况下的参考标准为最大的可转换信号量大小。而输入信号相对于参考标准信号的大小，就是输出的数字信号。转换的精度是模拟数字转换器最为重要的
23、指标，通常会用输出的数字信号的位数的多少来表示。转换器的性能好坏，一般取决于准确输出的数字信号的位数，准确输出的数字信号的位数越多，则表示其分辨输入信号的能力越强，性能也就越好。在这里，我选择了 24 位的高精度串行 A/D 转换器 CS5522。CS5522 是 Cirrus Logic 公司生产的 24 位高精度串行 A/D 转换器，其引脚排列如图 2-4 所示。它含有多通道的多路编程增益放大器，数字滤波器以及片内系统校准和自校准标准电路。CS5522 内含通道选择寄存器、配置寄存器和增益寄存器。通过单片机对 CS5522 寄存器的读写控制，可以实现多通道、高精度的 A/D 转换。CS55
24、22 的主要性能如下 6:(1) 24 位 A/D 转换精度；基于单片机的智能充电器设计71234567891 02 01 91 81 71 61 51 41 21 21 1G N DV A +A 1 N 1 +A 1 N 1 -B VA 0C P DS D 1C SX I N X O U TS D 0D G N DV D +S C L KA 1A 1 N 2 -A 1 N 2 +V R E F -V R E F +模拟地片选信号模拟电源正端模拟信号输入正端模拟信号输入负端反向偏置电压输入输出信号端负极性电源自举端数字信号输入端晶振输入端正极性参考电源负极性参考电源模拟信号输入正端模拟信号输入
25、负端输出信号端时钟信号端数字电源正端数字地数字信号输出端晶振输出端图 2-4 CS5522引脚排列及说明(2) 低输入电流(100pA)，内带一个斩波放大器；(3) 2 个差分输入模拟通道，每个通道都可以进行自校准和系统校准；(4) 单/双极性缓冲输入，量程有 25mv、55mv、100mv、1v、2.5v、5v 等；(5) 有单片机通信的三线接口或四线接口；(6) 低功耗：5.5mW。需要注意的是，在 A/D 转换数据结束后，需要先写 8 个 1 给 A/D，使其返回到命令状态，再用 24 个脉冲读出转换数据，如果先写 8 个 0 给 A/D，则 A/D 转换器不是返回命令状态而是继续进行
26、A/D 转换。2.3 温度传感器 PT100PT100 温度传感器具有抗振动、稳定性好、准确度高、耐高压等优点。 铂热电阻的线性较好，在 0100 摄氏度之间变化时，最大非线性偏差小于 0.5 摄氏度。铂热电阻阻值与温度关系为：（1） -200t0时，RPt100=100*1+At+B*t2+C*t3*(t-100) ；（2） 0t850时，RPt100=100*1+At+B*t2 ；其中，A = 0.00390802；B = -0.000000580；C = 0.0000000000042735。可见Pt100 在常温 0100 摄氏度之间变化时线性度非常好，其阻值表达式可近似简化为：RPt
27、=100（1+At） ，当温度变化 1 摄氏度，Pt100 阻值近似变化 0.39 欧。 GNDVA+A1N1+A1N1-BVA0CPDSD1CSXINVREF+VREF-A1N2+A1N2-A1SCLKVD+DGNDSD0XOUTXXXX 本科毕业设计（论文）83 几种常见电池介绍及基本参数特性3.1 几种常见电池现代消费类电器主要使用如下四种电池： 密封铅酸电池 (S LA) 锂电池(L i-Ion) 镍镉电池 (N iCd) 镍氢电池(N iMH)在正确选择电池和充电算法时需要了解这些电池的背景知识。密封铅酸电池(S LA) 密封铅酸电池主要用于成本比空间和重量更重要的场合，如UPS和报
28、警系统的备份电池。电池以恒定电压进行充电，辅以电流限制以避免在充电过程的初期电池过热。只要电池单元电压不超过生产商的规定( 典型值为2.2V)，S LA电池可以无限制地充电。锂电池 (L i-Ion) 和一般的电池相比，锂电池具有最高的能量/ 重量比和能量/ 体积比。锂电池以恒定电压进行充电，同时必须要有电流限制以避免在充电过程的初期电池过热。当充电电流下降到生产商设定的最小电流时就要停止充电。过充电将造成电池损坏，甚至爆炸。锂离子电池可以分成两大类：不可充电型和可充电型，最大特点是比能量高。比能量指的是单位重量或单位体积的能量，用 Wh/Kg 或 Wh/L 表示。镍镉电池(NiCd) NiC
29、d 电池目前使用得很普遍。它的优点是相对便宜，易于使用；缺点是自放电率比较高。典型的 NiCd 电池可以充电 1000 次。失效机理主要是极性反转。在电池包里第一个被完全放电的单元会发生反转。为了防止损坏电池包，需要不间断地监控电压。一旦单元电压下降到 1.0V 就必须停机。NiCd 电池以恒定电流的方式进行充电。镍氢电池(NiMH) 在轻重量的手持设备中如手机、手持摄象机等等，镍氢电池是使用最广的。这种电池的容量比 NiCd 的大。由于过充电会造成 NiMH 电池的失效，在充电过程中进行精确地测量以在合适的时间停止是非常重要的。和 NiCd 电池一样，极性反转时电池也会损坏。NiMH 电池的自放电率大概为 20%/月。和 NiCd 电池一样，NiMH电池也为恒定电流充电。3.2 锂离子电池基本参数特性 7 参数特性如下：（1）高能量密度锂电子电池的能量密度可以达到 360Wh/L,158Wh/Kg,是 NI-CD 及 NI-MH 电池的两倍以上。（2）高工作电压一般放电电压为 3.7V。（3）高负载特性
