畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文）鋰離子電池充電器設(shè)計(jì)

1、畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文）鋰離子電池充電器設(shè)計(jì) 摘 要隨著移動(dòng)電話筆記本電腦個(gè)人數(shù)字助理 pda 攝錄像機(jī)及小體積高功率電器的廣泛使用鋰離子電池被廣泛地作供電電源鋰電池具有工作電壓高能量密度大重量輕壽命長及環(huán)保性佳等優(yōu)點(diǎn)目前鋰離子電池已大量應(yīng)用于可攜帶式電子產(chǎn)品上未來更可作為電動(dòng)工具交通工具等的動(dòng)力來源其未來需求及發(fā)展前景是相當(dāng)廣闊鋰離子電池在各個(gè)領(lǐng)域的廣泛應(yīng)用推動(dòng)了對(duì)鋰離子電池充電器及充電管理芯片的研究充電管理芯片通常都具有以下特點(diǎn)限流保護(hù)電流短路與反充保護(hù)線路設(shè)計(jì)自動(dòng)及快速充電充滿電后自動(dòng)關(guān)斷等有些還具有l(wèi)ed充電狀態(tài)顯示低噪聲模擬微電腦控制系統(tǒng)等特點(diǎn)鋰離子的特點(diǎn)使得其對(duì)充電管理芯片的要求比較苛刻充

2、電方式通常采用恒流恒壓方式本文所設(shè)計(jì)系統(tǒng)以em78p458單片機(jī)為控制核心電路按照實(shí)際電路功能可劃分為系統(tǒng)指示燈電路電源電壓與環(huán)境溫度采用電路精確基準(zhǔn)電壓產(chǎn)生電路和開關(guān)控制電路具體分析了鋰離子電池的充電原理與充電方法硬件電路設(shè)計(jì)軟件程序設(shè)計(jì)等實(shí)現(xiàn)了電池充電led指示保護(hù)機(jī)制及異常處理等功能關(guān)鍵詞鋰離子電池 em78p458 充電器 硬件電路 軟件設(shè)計(jì)abstractwith mobile phones notebook computers personal digital assistant pda video recorders and small perturbation high vol

3、ume of the widespread use of electrical power lithium-ion batteries are widely for power supply lithium battery voltage with high energy density light weight long life and environmental advantages of good the current lithium-ion battery has a large number can be used in portable electronic products

4、the future will be as electric tools such as transport of power sources its future needs and development prospects are very broad lithium-ion batteries in a wide range of applications in various fields promote the lithium-ion rechargeable battery charger and management chip research charging managem

5、ent chips generally have the following characteristics current limit protection and counter-charge current short-circuit protection circuit design automatic and quick and full of power after the automatic shutdown and so on some also have led charging status low noise analog microcomputer control sy

6、stem and so on the characteristics of lithium-ion rechargeable management makes its chips on the request of relatively harsh usually charging a constant current constant pressure methods this paper designed to em78p458 scm system for the control of the core the circuit functions in accordance with t

7、he actual circuit can be divided into light circuit system power supply voltage and temperature using circuit precision reference voltage circuit and a switch control circuits specific analysis of the lithium-ion rechargeable battery with the principle of charging method hardware design software des

8、ign to achieve a battery charger led instructions the protection mechanism and exception handling and other functions key words lithium-ion battery charger em78p458 hardware circuitsoftware design目 錄摘 要iabstractii1 緒論111 課題研究背景212 充電器功能描述313 鋰離子電池充電原理314 鋰電池充電方法62 系統(tǒng)設(shè)計(jì)框架與技術(shù)參數(shù)921 系統(tǒng)設(shè)計(jì)框架922 系統(tǒng)技術(shù)參數(shù)1023

9、 系統(tǒng)技術(shù)方案103 充電器硬件設(shè)計(jì)1431 單片機(jī)簡介1132 單片機(jī)外部擴(kuò)展1133 系統(tǒng)指示燈電路1434 電源電壓于環(huán)境溫度采樣電路1435 精確基準(zhǔn)電源產(chǎn)成電路1536 開關(guān)控制電路164 充電器軟件設(shè)計(jì)1741 系統(tǒng)軟件總體設(shè)計(jì)思路1742 系統(tǒng)主流程1843 電流程設(shè)計(jì)20結(jié)論22致謝23參考文獻(xiàn)24附圖25附錄a 匯編261 緒論11 課題研究背景鋰離子電池充電管理芯片的發(fā)展反映了當(dāng)今信息時(shí)代鋰離子電池的廣泛應(yīng)用近年來隨著科學(xué)技術(shù)的不斷進(jìn)步與發(fā)展越來越多的便攜式電子產(chǎn)品如移動(dòng)電話筆記本電腦個(gè)人數(shù)字助理 pda 攝錄像機(jī)等逐漸普及為人們的日常工作和生活帶來便利由于這些產(chǎn)品均朝向無

10、線化可攜帶化方向發(fā)展其關(guān)鍵性零組件電源也往輕薄短小的目標(biāo)邁進(jìn)團(tuán)此對(duì)于體積小重量輕能量密度高的二次電池需求相當(dāng)迫切小型二次電池包括鎳鎘電池鎳氫電池及鋰電池在防止鎘污染的環(huán)保需求下鎳鎘電池慢慢被取代已成趨勢(shì)鎳氫電池雖無環(huán)保問題但是能量密度低高溫特性差及少許記憶效應(yīng)等缺點(diǎn)在3c產(chǎn)品應(yīng)用上己逐漸被鋰離子電池所取代鋰電池具有工作電壓高 37volt 能量密度大 175 whkg 重量輕壽命長及環(huán)保性佳等優(yōu)點(diǎn)目前已大量應(yīng)用于可攜帶式電子產(chǎn)品上包括筆記型計(jì)算機(jī)pda移動(dòng)電話攝錄像機(jī)數(shù)字相機(jī)迷你光驅(qū)掌上型終端機(jī)及游戲機(jī)等未來更可作為電動(dòng)工具電動(dòng)自行車電動(dòng)機(jī)車的動(dòng)力來源其未來需求及發(fā)展前景是相當(dāng)看好的總的來說鋰

11、離子電池具有以下優(yōu)點(diǎn) 工作電壓高通常單節(jié)鋰離子電池的電壓為37 v單體電池即可為3 v的邏輯電路供電對(duì)于要求較高供電電壓的電子設(shè)備電池組所需串聯(lián)電池?cái)?shù)也可大大減少體積小重量輕比能量高通常鋰離子電池的比能量可達(dá)鎳鎘電池的2倍以上與同容量鎳氫電池相比體積可減少30重量可降低50有利于便攜式電子設(shè)備小型輕量化 壽命長鋰離子電池采用碳負(fù)極在充放電過程中碳負(fù)極不會(huì)生成金屬鋰從而可以避免電池因內(nèi)部金屬鋰短路而損壞目前鋰離子電池的壽命可達(dá)1200 次以上遠(yuǎn)遠(yuǎn)高于各類電池安全快速充電鋰離子電池與金屬鋰電池不同它的負(fù)極用特殊的碳電極代替金屬鋰電極因此允許快速充電在特定情況下可在短時(shí)間內(nèi)充足電而且安全性能大大提高

12、允許溫度范圍寬鋰離子電池具有優(yōu)良的高低溫放電性能可在-2060之間工作高溫放電性能優(yōu)于其它各類電池 此外鋰離子電池還具有自放電電流小無記憶效應(yīng)和無環(huán)境污染等優(yōu)點(diǎn)綜合性能優(yōu)于鉛酸鎳鎘鎳氫和金屬鋰電池被稱為性能最好的電池盡管鋰離子電池具有上述諸多優(yōu)點(diǎn) 但還是存在有如下的缺點(diǎn) 與干電池?zé)o互換性鋰離子電池雖然有電壓高的好處但也有很難和干電池互換的缺點(diǎn)當(dāng)蓄電池放完電時(shí)一般的想法是用干電池暫時(shí)取代 但由于這兩者電壓不同不能直接代換 無法急速充電鋰離子電池不能像鎳鎘電池那樣用 15 分鐘急速充足電鋰離子電池的充電方法是最初以恒定電池充電最后則以恒定電壓完成充電較快速度充電時(shí)間約需2小時(shí) 內(nèi)部阻抗高因?yàn)殇囯x子

13、電池的電解液為有機(jī)溶液其電導(dǎo)率比鎳鎘電池 鎳氫電池的水溶液電解液小得多所以鋰離子電池的內(nèi)部阻抗比鎳鎘電池或鎳氫電池約大10倍左右工作電壓變化較大電池放電到額定容量的80時(shí)鎳鎘電池的電壓變化很小 約20 鋰離子電池的電壓變化很大約40對(duì)電池供電的設(shè)備來說這是嚴(yán)重的缺點(diǎn)但可以由鋰離子電池放電電壓變化比較大很容易據(jù)此檢測(cè)電池的剩余電量 放電速率較大時(shí)容量下降較大但同其優(yōu)點(diǎn)相比這些缺點(diǎn)不應(yīng)成為主要問題特別是用于一些高科技高附加值的產(chǎn)品中因此鋰離子電池具有廣泛的應(yīng)用價(jià)值其經(jīng)濟(jì)價(jià)值相當(dāng)可觀12 充電器功能描述充電管理芯片是特為化學(xué)電池設(shè)計(jì)的理想產(chǎn)品它們使電池的三項(xiàng)關(guān)鍵指標(biāo)達(dá)到最優(yōu)化容量壽命和安全性正是鋰離

14、子電池在各個(gè)領(lǐng)域越來越廣泛的應(yīng)用推動(dòng)了對(duì)鋰離子電池充電管理芯片的研究目前一些大的廠家生產(chǎn)的充電管理芯片都具有以下特點(diǎn)具備限流保護(hù)電流短路與反充保護(hù)線路設(shè)計(jì)自動(dòng)快速充電充滿電后自動(dòng)關(guān)斷等等有的還具有 led充電狀態(tài)顯示低噪聲模擬微電腦控制系統(tǒng)等特點(diǎn)由于鋰離子的特點(diǎn)使得其對(duì)充電管理芯片的要求比較苛刻其要求的充電方式是恒流恒壓方式為有效利用電池容量需將鋰離子電池充電至最大電壓但是過壓充電會(huì)造成電池?fù)p壞這就要求較高的控制精度精度高于1另外對(duì)于電壓過低的電池除了需要進(jìn)行預(yù)充充電終止檢測(cè)電壓檢測(cè)外還需采用其他的輔助方法作為防止過充的后備措施如檢測(cè)電池溫度限制充電時(shí)間為電池提供附加保護(hù)由此可見實(shí)現(xiàn)安全高效的

15、充電控制已成為鋰離子電池推廣應(yīng)用的目標(biāo)按照鋰離子電池的特性參數(shù)和充放電曲線完成充電器設(shè)計(jì)可以完成如下的功能電池充電功能完成基本的充電功能能按電池的充電曲線完成恒流恒壓充電led指示電池正在充電充電器的led指示燈顯示為紅色充電后led指示燈顯示為綠色保護(hù)機(jī)制當(dāng)電池和充電器的工作溫度超過設(shè)定范圍或者充電電壓出現(xiàn)異常時(shí)系統(tǒng)的紅色led指示燈閃爍期間隔為05s此外對(duì)于過壓和過流狀況采取相應(yīng)的保護(hù)措施保證充電的正常運(yùn)行異常處理系統(tǒng)能在排除異常后重新恢復(fù)充電13 鋰離子電池充電原理鋰離子電池在現(xiàn)實(shí)生活中使用的非常頻繁而鋰離子電池充電器的設(shè)計(jì)與采用以往充電技術(shù)的充電器不一樣鋰離子電池可以分成兩大類不可充電

16、型和可充電型其最大特點(diǎn)是比能量高必能量指的是單位重量或單位體積的能量用whkg或whl表示鋰離子電池具有如下參數(shù)特性高能量密度鋰離子電池的能量密度可以達(dá)到360whl158whkg是ni-cd及ni-mh電池的兩倍以上高工作電壓一般鋰離子電池的放電電壓為37v高負(fù)載特性鋰離子電池的最大連續(xù)放電電流可以達(dá)到2cma放電特性穩(wěn)定即使在電池壽命接近終止時(shí)鋰離子電池仍保持著良好的放電穩(wěn)定性快速充電特性鋰離子電池可接受的最大充電電流可達(dá)1cma而且恒流充電時(shí)間達(dá)到50分鐘以上長循環(huán)壽命重復(fù)使用次數(shù)多循環(huán)充電特性好可以重復(fù)5001000次充放電鋰離子電池的放電特性 鋰離子電池在使用中不可過充過放否則將損壞

17、電池使之報(bào)廢因此電池上一般有保護(hù)元器件或保護(hù)電路以防止昂貴的電池?fù)p壞正確使用鋰離子電池對(duì)延長電池壽命是十分重要的鋰離子電池是目前應(yīng)用最為廣泛的鋰電池它根據(jù)不同的電子產(chǎn)品的要求可以做成扁平長方形圓柱形及扣式而且有由幾個(gè)電池串聯(lián)在一起組成的電池組鋰離子電池的額定電壓為36v個(gè)別產(chǎn)品為37v鋰離子電池對(duì)充電要求很高必須保證充電終止精度在1之內(nèi)充電完成時(shí)的終止充電電壓與電池陽極材料有關(guān)陽極材料為石磨材料的電池為42v陽極材料為焦炭的電池為41v不同陽極材料的內(nèi)阻也不同焦炭陽極的內(nèi)阻略大其放電曲線也略有差別如圖1-1所示 圖1-1常規(guī)鋰離子電池的放電曲線鋰離子電池充電特性鋰電池易受到過充電深放電以及短路

18、所造成的損害其充電電壓必須嚴(yán)格限制充電速度通常不超過1c最低放電電壓為2730v如再繼續(xù)放電則會(huì)損壞電池鋰離子電池以恒流轉(zhuǎn)恒壓方式進(jìn)行充電采用1c恒流充電至41v或42v時(shí)充電器應(yīng)立即轉(zhuǎn)入恒壓充電充電電流逐漸減少當(dāng)電池充足電后進(jìn)入涓流充電過程如圖1-2所示圖1-2鋰離子電池的充電曲線為避免過充電或過放電鋰離子電池不僅在內(nèi)部設(shè)有安全部分充電器也必須采取安全保護(hù)措施以檢測(cè)鋰離子電池的充放電狀態(tài) 14 鋰電池充電方法 充電管理是銼電池管理系統(tǒng)的重要組成部分它對(duì)電池的特性及壽命有著至關(guān)重要的影響隨著電源技術(shù)的不斷發(fā)展充電的手段越來越豐富充電方式對(duì)電池及應(yīng)用環(huán)境的針對(duì)性也越來越強(qiáng)目前鏗電池充電主要有四種

19、方法恒流充電恒壓充電恒流恒壓充電和脈沖充電恒流充電cc恒流充電根據(jù)其充電電流的大小又可分為浮充充電 又稱涓流充電 標(biāo)準(zhǔn)充電及快速充電該方法在整個(gè)充電過程中采用恒定電流對(duì)電池進(jìn)行充電如圖1-3所示這種方法操作簡單易于做到特別適合對(duì)由多個(gè)電池串聯(lián)的電池組進(jìn)行充電但由于鋰電池的可接受電流能力是隨著充電過程的進(jìn)行而逐漸下降的在充電后期若充電電流仍然不變充電電流多用于電解質(zhì)產(chǎn)生大量氣泡這不僅消耗電能而且容易造成極板上活性物質(zhì)脫落影響鋰電池的壽命圖1-3 恒流充電法曲線恒壓充電cv在恒壓充電法中充電電源的電壓在全部充電時(shí)間里保持恒定的數(shù)值隨著鋰電池端電壓的逐漸升高電流逐漸減少充電曲線如圖1-45所示從圖中

20、可以看到充電初期充電電流過大這樣對(duì)鋰電池的壽命會(huì)造成很大影響圖1-4 恒壓充電法曲線恒流恒壓充電cccv在cccv充電器中充電通過恒定電流開始在恒流充電cc周期中為了防止過度充電而不斷監(jiān)視電池端電壓當(dāng)電壓達(dá)到設(shè)定的端電壓時(shí)電路切換為恒定電壓充電直到把電池充滿為止在cc充電期間電池可以以較高電流強(qiáng)度進(jìn)行充電這期間電池被充電到大約85的容量在cv周期中電池電壓恒定充電電流逐漸下降在電流下降到低于電池的110容量時(shí)充電周期完成恒流恒壓充電曲線如圖1-5所示圖1-5 恒流恒壓充電曲線脈沖充電 脈沖充電方式是比較新的一種充電方式脈沖充電法是從對(duì)電池的恒流充電開始的大部分的能量在恒流充電過程中被轉(zhuǎn)移到電池

21、內(nèi)部當(dāng)電池電壓上升到充電終止電壓 后脈沖充電法由恒流轉(zhuǎn)入真正的脈沖充電階段在這一階段脈沖充電方式以與恒流充電階段相同的電流值間歇性的對(duì)電池進(jìn)行充電每次充電時(shí)間為后然后關(guān)閉充電回路充電時(shí)由于充電電流的存在電池電壓將繼續(xù)上并升超過充電終止電壓當(dāng)充電回路被切斷后電池電壓又會(huì)慢慢下降電池電壓恢復(fù)到時(shí)重新打開充電回路開始下一個(gè)脈沖充電周期在脈沖充電電流的作用下電池會(huì)漸漸充滿電池端壓下降的速度也漸漸減慢這一過程一直持續(xù)到電池電壓恢復(fù)到的時(shí)間達(dá)到某個(gè)預(yù)設(shè)的值為止可以認(rèn)為電池已接近充滿如圖1-6所示在以上四種充電方法中鋰電池充電仍以恒流恒壓的方法為主雖然恒流恒壓充電需要復(fù)雜得多的電路來實(shí)現(xiàn)但由于其充電時(shí)間短充

22、電效率高因此在鋰離子電池充電中占主導(dǎo)地位本文所設(shè)計(jì)的充電器也將采用這種充電方法圖1-6脈沖充電法曲線2 系統(tǒng)設(shè)計(jì)框架與技術(shù)參數(shù)21 系統(tǒng)設(shè)計(jì)框架 鋰離子電池在充放電使用中必須注意保護(hù)用一個(gè)形象的肥皂泡沫做比喻鋰離子電池如同一堆肥皂泡沫泡內(nèi)存儲(chǔ)的就是電能充電時(shí)氣泡會(huì)隨著充電時(shí)間的加長而不斷增大當(dāng)超過其極限值時(shí)氣泡就會(huì)破裂此時(shí)即損壞了鋰電晶型造成永久性損壞若過度放電則會(huì)造成氣泡塌陷消失這樣下次充電時(shí)氣泡就充不起來導(dǎo)致鋰電池失效設(shè)計(jì)系統(tǒng)框架時(shí)除了技術(shù)參數(shù)外系統(tǒng)的可靠性和安全性頁時(shí)至關(guān)重要的為了保證充電不對(duì)電池造成永久性損壞在設(shè)計(jì)中必須考慮保護(hù)措施包括過流保護(hù)過壓保護(hù)和溫度保護(hù)另外充電器充電過程?？炝?/p>

23、恒流工作階段和恒壓工作階段且系統(tǒng)必須保證恒流恒壓的穩(wěn)定性圖2-1所示時(shí)系統(tǒng)的設(shè)計(jì)框架包括電壓溫度采樣模塊開關(guān)控制模塊保護(hù)機(jī)制模塊和充電模塊圖2-1 系統(tǒng)框架設(shè)計(jì)這4類模塊的功能介紹如下保護(hù)機(jī)制該模塊將系統(tǒng)的工作狀態(tài)實(shí)時(shí)顯示出來并根據(jù)事先編寫的軟件響應(yīng)監(jiān)控信號(hào)在實(shí)現(xiàn)時(shí)該模塊電路被分散在其他3個(gè)模塊的實(shí)現(xiàn)電路中開關(guān)控制該模塊利用ad采樣檢測(cè)充電恒流在非法工作時(shí)關(guān)斷系統(tǒng)電源充電功能模塊該模塊的主要功能是產(chǎn)生精確的基準(zhǔn)電壓完成電池充電并實(shí)時(shí)采樣系統(tǒng)狀態(tài)溫度電壓采樣該模塊完成充電器電源電壓和環(huán)境溫度的采樣并根據(jù)采樣值決定系統(tǒng)的工作狀態(tài)22 系統(tǒng)技術(shù)參數(shù)本設(shè)計(jì)的系統(tǒng)技術(shù)參數(shù)充電時(shí)間充電電壓電流參數(shù)和系統(tǒng)充

24、電曲線充電曲線分析由系統(tǒng)的充電曲線可以看出本系統(tǒng)分3個(gè)階段進(jìn)行在圖中用abc標(biāo)明此外充電曲線a階段部分與圖2-3所示的曲線有所不同a階段的充電過程是根據(jù)應(yīng)用的需要自定義的一個(gè)充電階段它是準(zhǔn)備階段從充電曲線中可以看出a階段的充電電流較小充電電壓從3v以線形方式增加增幅穩(wěn)定且快速這以階段稱為預(yù)充電過程它用來檢測(cè)電池是否正常 2 系統(tǒng)參數(shù)設(shè)定充電過程分為3個(gè)階段a為預(yù)充電階段b為快速充電階段c為涓流充電階段各個(gè)充電階段的技術(shù)參數(shù)和充電時(shí)間長度均可通過充電曲線得到a階段預(yù)充電階段指示快速充電之前的階段檢測(cè)電池是否正常工作充電至電壓至38005v時(shí)充電器轉(zhuǎn)到快速充電階段在此期間充電電流維持在8030ma

25、b階段快速充電階段本階段充電電流維持在650423v電池電壓大于3901v而充電時(shí)間大于4個(gè)小時(shí)c階段涓流充電階段本階段電池電壓維持在42003v充電電流小于5015ma在上述3個(gè)階段中ab階段時(shí)恒流充電c階段為恒壓充電3 充電器硬件設(shè)計(jì)系統(tǒng)整體電路按照實(shí)際電路功能可劃分為系統(tǒng)指示燈電路電源電壓與環(huán)境溫度采用電路精確基準(zhǔn)電壓產(chǎn)生電路和開關(guān)控制電路31 單片機(jī)單片機(jī)用作系統(tǒng)的主控制單元它控制所有的輸入輸出并根據(jù)ad采樣的結(jié)果做出充電狀態(tài)的判斷和指示由于充電器要求io端口支持雙向模式且需要單片機(jī)內(nèi)自帶ad轉(zhuǎn)換功能和系統(tǒng)監(jiān)控看門狗功能因此在這里選用了em78p458型單片機(jī)它具有如下特性工作電壓范圍

26、2260v工作溫度范圍080 低功耗v4mhz工作條件下電流小于15ma3v32khz條件下電流值為15a休眠模式下電流值為1a4kb13位片內(nèi)rom96字節(jié)片內(nèi)寄存器sdram兩個(gè)雙向io端口p5x和p6x8位實(shí)時(shí)定時(shí)計(jì)數(shù)器tcc其信號(hào)源觸發(fā)沿可編程選擇溢出產(chǎn)成中斷8位多路ad轉(zhuǎn)換器精度達(dá)13位兩個(gè)脈沖寬度調(diào)制器pwm精度達(dá)10位6個(gè)中斷源tcc中斷輸入引腳狀態(tài)變化中斷從休眠模式中喚醒a(bǔ)d轉(zhuǎn)換結(jié)束中斷pwm周期匹配中斷比較器輸出高電平中斷和外部中斷可編程自由運(yùn)行看門狗定時(shí)器wdt8個(gè)io管腳可編程設(shè)置為上拉8個(gè)io管腳可編程設(shè)置為下拉8個(gè)io管腳可編程設(shè)置為漏極開路每個(gè)指令周期為兩個(gè)時(shí)鐘周期

27、具有電壓檢測(cè)器檢測(cè)范圍為20v015v如圖3-1所示em78p458單片機(jī)有20個(gè)管腳p5x和p6x端口作為ad雙向端口管腳單片機(jī)自帶ad轉(zhuǎn)換器其ad轉(zhuǎn)換器為8通道ad轉(zhuǎn)換器且通道1和5帶增益放大因此p6x端口既為單片機(jī)的io端口也為ad轉(zhuǎn)換器 3-1 em78p458單片機(jī)32 單片機(jī)外部擴(kuò)展選好系統(tǒng)單片機(jī)好按照?qǐng)D3-2所示的外部電路連接完成單片機(jī)的外部擴(kuò)展系統(tǒng)只用了單片機(jī)的12個(gè)管腳 圖3-2 單片機(jī)電路連線由單片機(jī)的外部連線可知下列端口具有獨(dú)立的功能需要連接外部電路來實(shí)現(xiàn)管腳3p57co連接定義為i_ad外部電路完成充電電流ad轉(zhuǎn)換管腳4p60adc1連接定義為u_ad外部電路完成電池電

28、壓ad轉(zhuǎn)換管腳6p62adc3連接定義t_ad外部電路完成系統(tǒng)環(huán)境溫度采樣管腳7p63adc4連接定義為p_ad外部電路完成系統(tǒng)電源電壓ad轉(zhuǎn)換管腳13p51pwm1連接定義為pwm外部電路為pwm調(diào)制電路完成系統(tǒng)的開關(guān)控制管腳14p52pwm2連接定義為green外部電路控制綠色led指示燈顯示系統(tǒng)工作狀態(tài)管腳15p53vref連接定義為vref外部電路提供系統(tǒng)充電恒流恒壓控制所需的基準(zhǔn)電壓管腳19p54tcc連接定義為red外部電路控制紅色led指示燈顯示系統(tǒng)工作狀態(tài)管腳1718連接晶振產(chǎn)生4mhz的頻率該頻率為系統(tǒng)的時(shí)鐘周期33 系統(tǒng)指示燈電路系統(tǒng)指示燈有兩個(gè)紅色led和綠色led當(dāng)電池

29、處于充電狀態(tài)時(shí)充電器的紅色指示燈亮綠色指示燈熄滅當(dāng)電池充電基本完成進(jìn)入涓流階段時(shí)充電器的綠色指示燈亮紅色指示熄滅若出現(xiàn)異常狀況則紅色指示燈閃爍綠色指示燈熄滅如圖3-3所示led直接連接至單片機(jī)io口res2電阻利用分壓原理得到led的工作電位差并利用與led串聯(lián)的特點(diǎn)限制其工作電流起過載保護(hù)的作用 圖3-3 系統(tǒng)指示電路34 電源電壓于環(huán)境溫度采樣電路如圖3-4該電路完成充電器電源電壓和環(huán)境溫度的采樣當(dāng)電源適配器電壓或環(huán)境溫度超出設(shè)定范圍時(shí)系統(tǒng)應(yīng)該報(bào)警提示并立即停止充電 圖3-4電源電壓與環(huán)境溫度采用電路電路原理于器件功能描述如下vref連接精確基準(zhǔn)電源產(chǎn)成電路為溫度采樣提供可靠的標(biāo)準(zhǔn)值連接v

30、ref的10k電阻為分壓電阻系統(tǒng)利用熱敏電阻的壓降計(jì)算得到溫度值利用t_ad連接至單片機(jī)的p62adc3管腳再利用該管腳的ad轉(zhuǎn)換器向單片機(jī)輸入溫度采樣值電壓值利用電路作半部分的分壓電路得到利用p_ad連接至單片機(jī)的p63adc4管腳再利用該管腳的ad轉(zhuǎn)換器向單片機(jī)輸入電壓采樣值利用分壓電路取數(shù)據(jù)可使采樣值處在ad轉(zhuǎn)換器的允許范圍內(nèi)電容102起濾波的作用防止采樣點(diǎn)電壓的波動(dòng)35 精確基準(zhǔn)電源產(chǎn)成電路如圖3-5該電路為單片機(jī)電源提供基準(zhǔn)電源系統(tǒng)使用由德州儀器公司生產(chǎn)的tl431三端可調(diào)分流基準(zhǔn)源tl431是一是一個(gè)有良好的熱穩(wěn)定性能的三端可調(diào)分流基準(zhǔn)源它的輸出電壓用兩個(gè)電阻就可以任意地設(shè)置到從v

31、ref25v到36v范圍內(nèi)的任何值該器件的典型動(dòng)態(tài)阻抗為02在很多應(yīng)用中可以用它代替齊納二極管例如數(shù)字電壓表運(yùn)放電路可調(diào)壓電源開關(guān)電源等 圖3-5 精確基準(zhǔn)電源產(chǎn)生電路36 開關(guān)控制電路圖3-4右邊電路使兩個(gè)ad采樣子模塊一個(gè)用于采樣電池的電壓u_ad標(biāo)號(hào)另一個(gè)用于采樣充電電流i_ad標(biāo)號(hào)ad采樣的工作原理充電電流的采樣是利用一個(gè)025阻值的電阻通過電流產(chǎn)生的壓降進(jìn)行的這個(gè)形成壓降的電阻不能很大否則會(huì)形成過大的壓降在u_ad的電壓入口處連接了阻值為1m的電阻它主要起放電的作用在實(shí)際的測(cè)試種發(fā)現(xiàn)電池拿走后其殘留的電壓比較大不能檢測(cè)到電池已被移出因此利用這個(gè)電阻放電如圖3-6系統(tǒng)利用兩個(gè)三極管q1

32、和q2做開關(guān)控制對(duì)電池進(jìn)行充電圖3-6 開關(guān)控制電路37 4 充電器軟件設(shè)計(jì)41 系統(tǒng)軟件總體設(shè)計(jì)思路充電器機(jī)上電源后系統(tǒng)首先要檢查是否有電池放入準(zhǔn)備充電同時(shí)還必須檢測(cè)電池是否可用然后系統(tǒng)須連續(xù)數(shù)次檢測(cè)各個(gè)ad通道進(jìn)行電源電壓環(huán)境溫度等數(shù)據(jù)的初始話設(shè)定系統(tǒng)初始值如果電池電壓采樣通道連續(xù)3次檢測(cè)到電壓值大于10v則認(rèn)為充電器內(nèi)已放入電池且電池可用開始充電整個(gè)充電過程可分3個(gè)階段進(jìn)行每個(gè)充電階段的數(shù)據(jù)獨(dú)立但他們的處理機(jī)制基本一致對(duì)于這3個(gè)充電階段ab兩階段必須做到恒流控制c階段必須做到恒壓控制這是充電階段的主要功能部分恒流恒壓控制電路已知單片機(jī)必須對(duì)io口的數(shù)據(jù)做出判斷并根據(jù)判斷向外部電路發(fā)出正確

33、的動(dòng)作指示系統(tǒng)主流程 4-1系統(tǒng)主流程圖4-1所示為系統(tǒng)主流程它包括初始化函數(shù)電池檢測(cè)函數(shù)預(yù)充點(diǎn)子程序快速充電子程序和涓流充電子程序該流程圖給出了軟件的執(zhí)行時(shí)序按照系統(tǒng)主流程的時(shí)序設(shè)計(jì)各函數(shù)的調(diào)用機(jī)制為 1 單片機(jī)上電后初始化寄存器單片機(jī)上電后完成系統(tǒng)主流程的主函數(shù)將使用call指令調(diào)用初始化函數(shù)初始化工作包括3個(gè)方面定義全部寄存器和單片機(jī)端口初始化片內(nèi)寄存器和端口狀態(tài)系統(tǒng)監(jiān)控系統(tǒng)復(fù)位并啟動(dòng)中斷復(fù)位等待初始化過程將清除上次充電的所用記錄同時(shí)啟動(dòng)系統(tǒng)的監(jiān)控函數(shù)并復(fù)位中斷系統(tǒng)通常這已過程十分迅速一般會(huì)在放置電池前完成 2 調(diào)用檢測(cè)電池的子程序完成檢測(cè)檢測(cè)電池的子程序?qū)⒂卯?dāng)前的狀態(tài)值覆蓋先前無電池時(shí)

34、采樣的無效值然后對(duì)取得的狀態(tài)值判斷此刻充電器放置的電池是否可用一般來說系統(tǒng)將連續(xù)做4次電源電壓電池電壓電池溫度和充電電流的采樣將采用的狀態(tài)值與系統(tǒng)預(yù)設(shè)的正常參數(shù)進(jìn)行比較若4次比較的結(jié)果全部無誤則進(jìn)入電池檢測(cè)子程序若4次比較的結(jié)果存在錯(cuò)誤則系統(tǒng)一直檢測(cè)下去直到連續(xù)4次比較的結(jié)果全部無誤 1 確認(rèn)充電器中存在電池后再根據(jù)電池電壓是否大于3v的條件決定采用預(yù)充電還是快速充電確認(rèn)充電器內(nèi)的電池可以進(jìn)行充電系統(tǒng)將進(jìn)入電池檢測(cè)子程序如果程序檢測(cè)到電池的電壓大于1v則認(rèn)為充電器內(nèi)有可用的充電電池否則系統(tǒng)認(rèn)為無電池或電池不可用并退出函數(shù)再重新開始執(zhí)行檢測(cè)電池的子程序這一過程依然利用call指令完成如果電池檢測(cè)

35、子程序確認(rèn)充電器內(nèi)放置了有效的電池那么系統(tǒng)將做進(jìn)一步的檢測(cè)檢測(cè)當(dāng)前電池的電壓是否大于3v如果電池電壓大于3v考慮電路采樣和單片機(jī)端口的損耗電池的實(shí)際電壓很可能已達(dá)到快速充電的電壓要求因此可以跳過預(yù)充階段直接進(jìn)行快速充電 1 再相應(yīng)的充電階段子程序內(nèi)部保持循環(huán)不斷檢測(cè)直至相應(yīng)階段充電完畢退出相應(yīng)的子程序充電子程序包括預(yù)充充電子程序快速充電子程序和涓流充電子程序可根據(jù)電池電壓的值跳過預(yù)充充電子程序直接進(jìn)入快速充點(diǎn)子程序當(dāng)系統(tǒng)進(jìn)入到充電子程序后如果不跳過預(yù)充充電子程序則其正常執(zhí)行時(shí)序時(shí)預(yù)充充電子程序快速充電子程序涓流充電子程序圖4-1中各充電子程序模塊均表明電池充好后退出是否退出當(dāng)前充電子程序重新調(diào)

36、用檢測(cè)電池的子程序有各充電子程序的內(nèi)部call指令決定如果充電正常只退出子程序順利進(jìn)入下已充電子程序如果充電異常將不進(jìn)入下一充電子程序重新調(diào)用檢測(cè)電池的子程序43 電流程設(shè)計(jì)充電分a階段預(yù)充階段b階段快速充電階段和c階段涓流充電階段3個(gè)階段完成各充電階段的子程序流程描述如下 1 進(jìn)入充電流程子程序開始檢測(cè)充電器中有無電池置標(biāo)志信號(hào)如果沒有電池則退出子程序 2 隨后系統(tǒng)io口的高電平使開關(guān)控制電路的三極管導(dǎo)通5v電源電壓直接為電池充電3ms在此期間程序輪循采樣電源電壓充電電流以及電池環(huán)境溫度讀取ad采樣的數(shù)值后取平均值處理這些ad采樣數(shù)據(jù)3個(gè)階段的3ms充電流程完全一致但功能不同左邊的流程定義為

37、階段0它對(duì)電池充電3ms并采樣電池充電電流中間的流程定義為階段1它對(duì)電池充電3ms并采樣電池和環(huán)境溫度右邊的流程定義為階段2它對(duì)電池充電3ms采樣電池充電電壓這3個(gè)充電階段的執(zhí)行順序使固定的階段0階段1階段2階段0采樣階段的流程完全相同可分解為6步根據(jù)系統(tǒng)預(yù)先設(shè)定的參數(shù)選擇電池的充電電壓充電電流對(duì)電池進(jìn)行充電延時(shí)1ms即步驟1持續(xù)1ms 采樣電池狀態(tài)值 延時(shí)2ms即整個(gè)充電時(shí)間持續(xù)3ms 讀取采樣結(jié)果并保存完成4次采樣后計(jì)算平均值 修改采樣階段號(hào)進(jìn)入下一個(gè)采樣階段系統(tǒng)充電3ms后暫停并關(guān)斷充電進(jìn)行查表根據(jù)查表結(jié)果進(jìn)行相應(yīng)的延時(shí)如果總的采樣時(shí)間超過3s系統(tǒng)將步查表延時(shí)選擇電壓通道并進(jìn)行處理完成處

38、理后將時(shí)間標(biāo)志清零進(jìn)入采樣數(shù)據(jù)分析階段如果系統(tǒng)充電3s超時(shí)將采用如下處理步驟令充電電壓為低電平停止充電延時(shí)15ms穩(wěn)定電池狀態(tài)選擇電池電壓的采樣通道即p61adc2管腳開啟充電延時(shí)1ms即充電持續(xù)1ms采樣電池電壓值 延時(shí)2ms即整個(gè)充電時(shí)間持續(xù)3ms然后保存最后讀取的電壓值將其作為后續(xù)處理的電池采樣狀態(tài)值清除3s超時(shí)標(biāo)志進(jìn)行采樣數(shù)據(jù)處理判斷電池電壓是否小于1v如果小于1v則表明電池被移走置相應(yīng)標(biāo)志位程序結(jié)束否則繼續(xù)處理采樣數(shù)據(jù)判斷電池電壓是否大于44如果大于44v則表明電池出現(xiàn)故障置相應(yīng)的標(biāo)志位開啟led指示程序?qū)⒒氐絙ack1處否則繼續(xù)處理采樣數(shù)據(jù)判斷電池溫度是否處于043之間如果處于該數(shù)

39、值范圍電池正常繼續(xù)處理采樣數(shù)據(jù)否則表明電池溫度過高置相應(yīng)的標(biāo)志位開啟led指示程序?qū)⒒氐絙ack1處判斷電池電壓是否等于42v如果等于42v則表明電池完成充電程序結(jié)束否則繼續(xù)處理采樣數(shù)據(jù)判斷充電時(shí)間是否超時(shí)如果超時(shí)則表明電池完成充電程序結(jié)束否則回到back2處結(jié)論本文圍繞鋰離子電池智能充電器設(shè)計(jì)為中心重點(diǎn)介紹了鋰離子電池的充電原理與充電方法充電器系統(tǒng)的設(shè)計(jì)思想和系統(tǒng)結(jié)構(gòu)分析并進(jìn)行了相應(yīng)充電器的具體參數(shù)設(shè)定本文所設(shè)計(jì)智能充電器系統(tǒng)以em78p458單片機(jī)為控制核心電路按照實(shí)際電路功能可劃分為系統(tǒng)指示燈電路電源電壓與環(huán)境溫度采用電路精確基準(zhǔn)電壓產(chǎn)生電路和開關(guān)控制電路并進(jìn)行了單元電路的具體設(shè)計(jì)通過具

40、體的硬件電路和軟件程序設(shè)計(jì)實(shí)現(xiàn)了電池充電led指示保護(hù)機(jī)制及異常處理等充電器所需要的基本功能本文所設(shè)計(jì)控制系統(tǒng)雖然完成了主要的任務(wù)基本達(dá)到設(shè)計(jì)的要求和目標(biāo)但是要應(yīng)用于實(shí)際工業(yè)產(chǎn)品生產(chǎn)研發(fā)還有很大的距離還需要進(jìn)一步的研究和完善本系統(tǒng)在設(shè)計(jì)中同時(shí)存在有許多的不足之處本系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)部分只提出了設(shè)計(jì)思路和相應(yīng)的軟件程序設(shè)計(jì)并沒有完成實(shí)際功能的仿真的設(shè)計(jì)未來的鏗電池將會(huì)具有更高的能量密度更小的體積和更輕的重量隨著對(duì)銼電池的深入研究對(duì)電池各種參數(shù)的了解將越來越多也越來越精確與其相應(yīng)的新的允電方法和充電控制也會(huì)誕生今后也必將會(huì)出現(xiàn)更新更好的鏗電池充電器芯片致謝在論文完成之際我心中洋溢著成功的喜悅但更多的是對(duì)

41、老師和同學(xué)的感激正是在他們的幫助和鼓勵(lì)下我的畢業(yè)設(shè)計(jì)才得以順利完成本畢業(yè)設(shè)計(jì)是在韓昱老師的悉心指導(dǎo)下完成的韓昱老師不僅對(duì)我的本科生學(xué)業(yè)給予了無微不至的關(guān)懷和培養(yǎng)更重要的是他對(duì)本設(shè)計(jì)的研究和順利完成傾注了大量的心血在此我向韓昱老師表示深深的敬意和衷心的感謝同時(shí)也要感謝圖書館和互聯(lián)網(wǎng)這個(gè)知識(shí)的海洋它給我提供了豐富的參考資料以保證我在遇到疑難問題時(shí)得以及時(shí)查閱資料從而順利地解決問題在論文的寫作期間我積極與同組同學(xué)進(jìn)行討論和交流正是他們給了我自始至終的支持和鼓勵(lì)為我提供了不可或缺的幫助在這里我向他們道一聲誠摯的感謝最后 還要感謝在學(xué)習(xí)上生活上關(guān)心我?guī)椭业睦蠋熗瑢W(xué)以及廣大的親朋好友們 路漫漫其修遠(yuǎn)兮吾

42、將上下而求索參考文獻(xiàn)1 余發(fā)山單片機(jī)原理及應(yīng)用技術(shù)中國礦業(yè)大學(xué)出版社20032 傅豐林低頻電子線路高等教育出版社20033 康華光電子技術(shù)基礎(chǔ) 數(shù)字部分 高等教育出版社20004 王鴻麟景占榮通信基礎(chǔ)電源 第二版 西安電子科技大學(xué)出版社2001 5 劉寶泉智能充電器設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)西北工業(yè)大學(xué)2004年6 張占松開關(guān)電源的原理與設(shè)計(jì)電子工業(yè)出版社1998 7 楊幫文實(shí)用電池充電器與保護(hù)器電路集錦電子工業(yè)出版社20018 彭穎一種鋰離子電池充電器芯片的設(shè)計(jì) 華中科技大學(xué)20059 周玲 基于單片機(jī)控制的智能充電器設(shè)計(jì) 廣西大學(xué)200610 吳宇平萬春榮姜長印鋰離子二次電池第一版化學(xué)工業(yè)出版社20021

43、1 郭炳焜徐徽王先友鋰離子電池第二版中南大學(xué)出版社200212 zhang w skelton d martinez r modeling and analysis of an off-line battery charger for single cell lithium batteries ieee circuits and systems 2004 2 4 1796180213 bentley w f heacock d k battery management considerations for multichemistry systems ieee aes systems mugu

44、zine19965232614 肖吉林帶adcpwm和比較器的單片機(jī)em78p458 西安華圣電子工程公司15 周航慈 饒運(yùn)濤單片機(jī)程序設(shè)計(jì)基礎(chǔ)北京航空航天大學(xué)出版社199716 張俊 匠人手記 北京航空航天大學(xué)出版社2008附圖系統(tǒng)總電路結(jié)構(gòu)5 匯編51 變量定義與初始化程序模塊511 系統(tǒng)變量定義單片機(jī)的外部信號(hào)和相應(yīng)的外部參數(shù)均需要在單片機(jī)內(nèi)部存放同時(shí)內(nèi)部寄存器也需要定義外部信號(hào)變量外部信號(hào)變量與圖5-6所示中的io接口一致red 4 紅色led指示燈green 2 綠色led指示燈ctrl 1 控制信號(hào)i_ad 0x10 充電電流u_ad 0x11 電池電壓t_ad 0x12 環(huán)境溫度

45、p_ad 0x13 充電電壓flag 0x14 標(biāo)志信號(hào)內(nèi)部狀態(tài)標(biāo)志變量內(nèi)部狀態(tài)標(biāo)志變量將根據(jù)外部信號(hào)的采樣數(shù)據(jù)通過邏輯判斷或組合判斷得到系統(tǒng)的動(dòng)作指示標(biāo)志 _60mflag 1 延時(shí)標(biāo)志 _180mfalag 3 無電池標(biāo)志 ftime 4 時(shí)間超出異常 fabnormalt 5 溫度異常 fabnormalp 6 電源異常 fabnormalb 7 電池異常內(nèi)部寄存器定義與ad采樣變量這一部分包括了單片機(jī)內(nèi)部寄存器的定義以及單片機(jī)io口進(jìn)行ad采樣所利用到的變量每個(gè)狀態(tài)的ad采樣為4次a_r 0x15 電阻變量r3_r 0x16 開關(guān)電阻r3b 0x17 寄存器s 0x18u_ad1 0x

46、19 電池電壓采樣寄存器u_ad2 0x1a u_ad3 0x1bu_ad4 0x1ct_ad1 0x1d 環(huán)境溫度采用寄存器t_ad2 0x1e t_ad3 0x1ft_ad4 0x20p_ad1 0x21 充電電壓采樣寄存器p_ad2 0x22p_ad3 0x23p_ad4 0x24r_adl 0x25 ad采樣的電阻寄存器r_adh 0x26c250 0x27c240 0x28pre_tc 0x29rap_tc 0x2acnt 0x2b 系統(tǒng)計(jì)數(shù)計(jì)數(shù)器c1 0x2cd_cnt 0x2di_ad1 0x2e 充電電流采樣寄存器i_ad2 0x2fi_ad3 0x30i_ad4 0x31系統(tǒng)

47、狀態(tài)變量及其他在進(jìn)入各充電階段的子程序時(shí)系統(tǒng)需要根據(jù)各種狀態(tài)寄存器的值來判定下一步的動(dòng)作本節(jié)定義了這些狀態(tài)寄存器另外本節(jié)代碼還包括其他可用局部變量多數(shù)用于進(jìn)行比較或作為狀態(tài)常量 s_nobatt 0 無電池狀態(tài) s_pre 1 與充電階段 s_rap 2 快速充電階段 s_full 3 涓流充電階段 s_errore 4 充電階段出錯(cuò) 系統(tǒng)以45v為參考電壓計(jì)算下面對(duì)應(yīng)的數(shù)值 _3v0 161 3v電壓的參數(shù)值 _4v2 215 42v電壓的參數(shù)值以下類推 _4v4 236 44v參數(shù)值 _3v9 209 _0v2 10 _0v44 23 _0v14 7 _0v26 13 _2v4 129 _

48、2v8 150 _5v4 242 _4v8 215 _2v0 107 環(huán)境溫度參數(shù)化 _43c 87 43參數(shù)值 _0c 186 0參數(shù)值512 初始化程序模塊 系統(tǒng)上電后的第一個(gè)步驟是初始化單片機(jī)寄存器及系統(tǒng)變量 init mov a217mov ttcaclra mov r3a 檢測(cè)電池電壓bc r46 bank0202fmov r9a 通道0mov a0b00000111 允許中斷預(yù)分頻給tcc1256contwmov a0b00001001iow ioc50 p50僅為輸入端口p53為vref輸入其他設(shè)為輸出mov a0x0f p60123為輸入其他為輸出iow ioc60mov a0xffiow iocb0 禁止內(nèi)部下拉iow iocc0iow iocd0mov a0b10000000 使能看門狗p50做輸入iow ioce0mov a0b00000001 tcc初始化iow iocf0mov a0b00000000 禁止放大iow ioc90p53vref參考電壓p601234為ad采樣輸入倍頻164mov a0b00001110iow ioca0bs r95 選擇segment1 通道一 選擇pwm12分頻其中pwm1在放入電池的時(shí)候再使能mov a0b00000000iow ioc51clraiow oc71 禁止矯正bc r95外部信號(hào)和內(nèi)部寄存器初始化mo