畢業(yè)設計（論文）基于AT89C2051單片機的智能快速充電器設計

1、本科生畢業(yè)設計（論文）摘 要本設計討論了鎳鎘、鎳氫電池的充電問題，以此為基礎設計了一個快速充電器。論文中首先介紹了鎳鎘、鎳氫電池各自的特點以及它們的充電特性，研究了幾種常用的充電方法和充電終止控制方法，分析了這幾種方法各自的優(yōu)缺點?；谝陨戏治觯驹O計采用了一種較好的充電終止控制方法電壓負增量控制方法，以at89c2051單片機為核心設計了一個智能快速充電器。該充電器主要利用模數(shù)轉換，將電池電壓這一模擬量轉換為單片機定時器中的數(shù)字量，經(jīng)過數(shù)字量的運算、比較，對電池的工作狀態(tài)進行判斷，并相應地采取不同的充電方法。其中快速充電過程采用了大電流脈沖充放電的方法，消除了電池極化反應這一現(xiàn)象，充電過程中

2、檢測電路檢測到電池出現(xiàn)負壓后，快速充電終止。關鍵詞：電壓負增量；快速充電；模數(shù)轉換abstractthe reference design discusses the issue of charge for nicd/nimh batteries; on this basis a quick charger is designed. the characteristic and charge feature of them are introduced, some kind of charging method and stop-charge controlling method are pa

3、rticularly investigated，the advantages and disadvantages of them are analyzed. based on the analysis above, a kind of well controlling method is adopted (-v) and an intelligent quick charger based on at89c2051 single-chip microcomputer designed. this charger uses the a/d conversion, changing analogi

4、cal quantity of batteries voltage into digital quantity of timer in single-chip microcomputer. after operating and comparing of this digital quantity, it judges the state of batteries, accordingly adopts different charge method. to eliminate the effect of polarization, it uses large current pulse to

5、 conduct charging and discharging. quick charge stops after negative voltage appearing during the process of charge.key words：negative voltage increment；quick charge；a/d conversion前 言最近幾年以來，數(shù)碼技術的發(fā)展使人們對能源的要求越來越高，作為能源市場上的佼佼者，性價比高的鎳鎘鎳氫電池可滿足很多方面的需求，得到了眾人的青睞，各種鎳鎘鎳氫電池的充電器也得到了很大發(fā)展。這兩種電池具有相似的特性，可以設計出兩種電池都適用

6、的充電器。本設計在討論了兩種電池特性基礎上，以at89c2051單片機為核心設計了一個可對鎳鎘鎳氫電池充電，具有電壓負增量（-v）控制功能的快速充電器。這個快速充電器硬件電路比較簡單，成本較低，不過在軟件部分采用了較為先進的控制方法，其性能并未因此受到影響。本論文主要分四個部分，首先第一章對本設計作了一下概述。第二章介紹了鎳鎘鎳氫電池的特點、充電曲線、充電方法、充電過程和充電終止控制方法，它們是本設計的基礎，其中兩種電池的充電曲線是重點內容，正是在研究了兩種電池充電曲線的基礎上，本設計采用了脈沖法加去極化反應結合的充電方法和電壓負增量的充電終止控制方法。第三章分三個部分對本設計的硬件電路做了詳

7、細分析，其中包括電路工作原理和每一部分參數(shù)的設置。本設計中用到了a/d轉換，第三章最后對影響該a/d轉換電路的因素做了詳細分析并給出了誤差解決方案。第四章是程序設計，講述了本設計程序代碼，并結合程序分析了電路工作過程。目 錄第1章 概 述1第2章 鎳鎘鎳氫電池的充電原理22.1 充電相關術語22.2 兩種充電電池的特點32.3 充電曲線42.4 充電方法、過程及充電終止控制方法5第3章 硬件電路設計93.1 電路總體框架93.2 控制芯片at89c2051簡介93.3 充放電電路設計113.4 電壓變換和模擬開關選通電路設計123.5 a/d轉換電路設計183.6 電路其它組成部分203.7

8、電路工作過程分析203.8 誤差分析及解決辦法213.9 影響a/d轉換速度的因素及提高辦法22第4章 程序設計234.1 程序設計總體思路234.2 主程序代碼設計244.3 子程序設計27結 論31參考文獻32致 謝33附錄1 系統(tǒng)電路圖34附錄2 主要源代碼35iv大慶石油學院本科生畢業(yè)設計（論文）第1章 概 述隨著數(shù)碼行業(yè)的爆破性增長，鎳鎘鎳氫電池以其經(jīng)濟實惠的優(yōu)點得到眾人的青睞，用途也從傳統(tǒng)的小家電產(chǎn)品收音機、錄音機、剃須刀等擴展到我們新興的mp3、pda、數(shù)碼相機、電動玩具等產(chǎn)品中來。鎳鎘鎳氫電池各有各的特點，可分別滿足特定的需求。鎳鎘鎳氫電池具有獨特的充電特性，因此設計充電器時要

9、考慮到這一特性，這樣才能把優(yōu)勢充分發(fā)揮出來。在理解了兩種電池的特點，分析了它們的充電曲線和特性以后，本文對幾種不同的充電方法和充電終止控制方法作了詳細比較，分析了各自的利弊，最終采用了脈沖法加去極化反應結合的快速充電方法以及電壓負增量（-v）的充電終止控制方法。本設計選用了單片機、模擬開關等集成器件，為了便于對硬件電路設計原理進行分析，在硬件電路設計這一章中對它們的基本功能做了簡要介紹。本設計的硬件電路中，充電和電壓變換部分屬于模擬電路，而控制部分屬于數(shù)字電路，連接這兩部分電路的一個重要組成部分是a/d轉換電路。為了充分利用已有資源，降低成本，這個a/d轉換電路利用的是恒流源對電容充電，電容兩

10、端電壓與時間呈線性關系這一原理，將電池電壓這個模擬量轉換成單片機定時器中的數(shù)字量。本設計的軟件部分根據(jù)a/d轉換電路得到的電池電壓的數(shù)字量進行電壓的比較和判斷，按照充電曲線進行快速充電，當快充結束后，自動轉入涓流充電。第2章 鎳鎘鎳氫電池的充電原理2.1 充電相關術語為了更好地理解鎳鎘鎳氫充電電池的特性，下面先簡單介紹一下幾個和充電電池相關的術語：1充電速率（c-rate）c是capacity的第一個字母，用來表示電池充放電時電流的大小數(shù)值，以mah或ah表示?？梢杂盟鼇砉浪愎ぷ鲿r間，例如，c=1600mah的電池，如果工作電流為400ma，則可估算工作時間約為4小時。2終止電壓（cut-of

11、f discharge voltage）電池放電時，電壓下降到電池不宜再繼續(xù)放電的最低工作電壓值稱為終止電壓。根據(jù)不同的電池類型及不同的放電條件，對電池的容量和壽命的要求也不同，因此規(guī)定的電池放電的終止電壓也不相同。3開路電壓（open circuit voltage）電池不放電時，電池兩極之間的電位差稱為開路電壓。電池的開路電壓，會依電池正、負極與電解液的材料而異，如果電池正、負極的材料完全一樣，那么不管電池的體積有多大，幾何結構如何變化，開路電壓都是一樣的。4過放電（over discharge）電池若是在放電過程中，超過電池放電的終止電壓值，仍繼續(xù)放電時就可能會造成電池內壓升高，正、負極

12、活性物質的可逆性遭到損壞，使電池的容量明顯減少，這一現(xiàn)象稱為過放電。5過充電（over charge）電池在充電時，達到充滿狀態(tài)后，若仍繼續(xù)充電，可能導致電池內壓升高、電池變形、漏液等情況發(fā)生，電池的性能也會顯著降低，甚至使電池損壞，這一現(xiàn)象稱為過充電。6能量密度（energy density）電池的平均單位體積或質量所釋放出的電能稱為能量密度。一般在相同體積下，鋰離子電池的能量密度是鎳鎘電池的2.5倍，是鎳氫電池的1.8倍，因此在電池容量相等的情況下，鋰離子電池就會比鎳鎘、鎳氫電池的體積更小，重量更輕。7自我放電（self discharge）電池無論處于使用狀態(tài)還是未使用狀態(tài)，由于各種原因

13、，都會引起其電量損失，這一現(xiàn)象稱為自我放電。若是以一個月為單位來計算的話，鎳鎘電池自我放電約是15%30%、鎳氫電池自我放電約25%35%。8記憶效應（memory effect）鎳鎘充電電池使用過程中，如果電量沒有全部放完就開始充電，下次再放電時，就不能放出全部電量，這一現(xiàn)象稱為記憶效應。比如，鎳鎘電池只放出80%的電量后就開始充電，充滿電后，該電池也只能放出80%的電量，這種現(xiàn)象稱為記憶效應。鎳氫電池也有記憶效應，只是沒有鎳鎘電池那樣明顯。2.2 兩種充電電池的特點2.2.1 鎳鎘電池的特點鎳鎘電池特點如下：1鎳鎘電池的充放電周期可達500次以上，是一種經(jīng)濟的電池；2內阻小，可大電流放電，

14、放電時電壓的變化很小，因此作為直流電源質量極佳；3完全密封式封裝，因此正常操作不會有電解液泄漏的現(xiàn)象，也不需要補充電解液；4與其他種類電池相比，鎳鎘電池可耐過充電或過放電；5長時間的放置不用也不會使性能劣化，當再次充滿電后即可恢復原來的特性；6可使用在很廣的溫度范圍內1。鎳鎘電池放電時，開路電壓依據(jù)其放電電流多少有些差異，大體上是每個1.25v1.3v左右，其放電終止電壓在5小時放電率情況下為1.0v/cell，使用溫度范圍在-2060，在此范圍內可進行正常充放電。2.2.2 鎳氫電池的特點鎳氫電池和鎳鎘電池相比，由于制造材料不含重金屬鎘，其最大的特點是清潔環(huán)保，不污染環(huán)境2。其它特點如下：1

15、與同體積鎳鎘電池相比，容量可提高將近一倍，因此一次充電使用時間更長，但價格稍高；2兩者電壓相同，工作壽命也大體相當；3記憶效應沒有鎳鎘電池明顯；4耐過放電性能與鎳鎘電池相比較差，這在使用時需加以注意；5自我放電率比鎳鎘電池大，為25%35%（月）；6內阻為18m35m，比鎳鎘電池內阻（7m19m）大；7使用溫度為0503。鎳氫電池標稱開路電壓為1.25v，放電終止電壓一般規(guī)定為1v。2.3 充電曲線鎳鎘鎳氫電池的電壓充電曲線如下圖所示。圖2.1 鎳鎘鎳氫電池的電壓充電曲線從曲線中可以看出，不管是鎳鎘電池還是鎳氫電池，充電開始階段，電壓上升較快，當電池電壓超過1.4v后，電壓上升趨于平緩。充滿電

16、后，電池電壓開始下降，這一特性可以作為一種有效的檢測電池是否充滿的方法，而且對于鎳鎘和鎳氫電池都適用4。本設計正是基于這一特性，具體參見2.4節(jié)。電池充滿后，電池電壓下降的同時，多余的能量將轉化成熱量，且電池內部壓力增加，這時就應停止充電或采取其它措施，比如本設計中，電池充滿后采用了涓流充電。從曲線中還可以看出，電池充滿后，鎳鎘電池的電壓下降幅度要比鎳氫電池的大很多，鎳氫電池的電壓下降（負壓）不是很明顯。2.4 充電方法、過程及充電終止控制方法根據(jù)充電曲線，下面討論一下電池的充電方法和充電終止控制方法。2.4.1 充電方法充電從充電電流來分，有快速充電和慢速充電之分。從充電方式來分，有恒流充電

17、和脈沖充電之分?？斐浜吐涞母拍钊缦拢菏紫纫粋€充電電池的容量一定，其單位是mah，如果充電電流大，那么相應的充電時間就應該短，這就是快充，反之亦然。如果設一節(jié)電池的標稱容量為1c，在0.10.2c之間的充電電流為慢充，0.2c的為快充，0.8c的為超快速充電，0.05c的則是涓流充電。以一節(jié)1400mah的鎳氫電池為例，充電電流在140ma280ma之間的為慢速充電，而同樣280ma的充電電流，對一節(jié)700mah的電池則就是快充。由此可見，快充還是慢充是個相對的概念，和電池本身的容量有極大的關系。這樣一來出現(xiàn)一個矛盾，慢充不損害電池但是充電時間很長；快充可以節(jié)省時間，但對電池有傷害，即使是目前

18、非常高級的一種充電器松下bq390也只能很好的降低傷害程度，但不可完全避免。不過快充傷害電池的原因并不是很多人所想的“大電流充電傷害電池”。大電流只是幫兇，真正的原因是由于大電流而引起的發(fā)熱，過高的溫度對電池壽命有很大的影響。所以大電流并不可怕，關鍵是怎樣來解決發(fā)熱的問題。下面引入恒流充電和脈沖充電的概念。在慢充時，基本上所有的充電器都采用了恒流的充電方法，這樣電路設計比較簡單，容易實現(xiàn)。而由于充電電流在慢速充電范圍，并不會引起電池過熱的問題。到了用較大電流快速充電的問題上，再使用恒流方式，便無法避免電池過熱的問題，因此恒流的方法就被摒棄，取而代之的是脈沖方式。從波形上就可以看出，充電電流的輸

19、出不是直線，而是脈沖方波。波峰時，電流最大，然后馬上進入波谷，幾乎沒有電流。這樣設計的目的是為了讓電池有一個恢復時間，從而減少大電流產(chǎn)生的熱量，將電池發(fā)熱控制在一個可接受的水平?，F(xiàn)在市場上很多快速充電器，基本都采用這個方法。而且這類充電器還采用了電壓斜率法或法來判斷電池是否充滿，一旦充滿就自動轉入涓流充電，以免超過時間后大電流對電池造成傷害。采用脈沖方式來制作快速充電器是不錯的解決方法，但對于某些特殊的要求，比如1小時快速充電器，這時要采用大于1c的超高速充電電流來進行充電，脈沖法就力不從心了?，F(xiàn)在國際上采用的基本都是脈沖法加去極化反應結合的方式。簡單的說，就是在脈沖法的基礎上，當一個方波的上

20、半部完成后，插入一個短暫的負電流方波，來抵消過大的電流產(chǎn)生巨大熱量，從而將電池熱量控制在一定范圍之內，同時避免電解液中出現(xiàn)結晶。這種充電方法的波形如圖2.2所示，其中放電脈沖寬度一般要求是充電脈沖寬度的22.5倍，而充電時間長度應遠大于放電時間長度。另外，在充電脈沖和放電脈沖之間均要求插入一段停止充電的階段，以保證電池內部化學反應正常進行。這種方法一般只有比較專業(yè)的充電器才使用，這類充電器往往可以做到用2c3c的電流對電池進行充電。相比較而言，從電池使用壽命的角度來看，慢速恒流充電無疑是保證電池壽命最好的方法。但從時間就是金錢的角度來看，快速充電器節(jié)省下來的時間所帶來的效益，遠比損傷電池壽命1

21、0%左右的損失大得多。這也是快速充電器十分流行的原因。放電脈沖2.5倍放電脈沖寬度1520倍放電時間充電脈沖圖2.2 脈沖去極化法充電電流波形本設計所做的快速充電器，正是基于上面的考慮，快速充電時采用的也是這種脈沖法加去極化反應結合的方式，即在大電流充電之中穿插短時間大電流放電這種快速充電方式5。2.4.2 充電過程充電過程一般分為四個階段：預充電，快速充電，補足充電，涓流充電。1預充電：剛開始充電時以小電流充電，使電池滿足一定的充電條件，然后轉入快速充電。2快速充電：如前面所述，這是主要的充電階段。3補足充電：一般采用快速充電終止法時，快速充電終止后，電池并未充滿電，為了保證電池充入100%

22、的電量，還應加入補足充電，補足充電速率一般不超過0.3c。4涓流充電：當充電電流小于0.1c時，我們稱之為涓流充電，也稱為維護充電，在此狀態(tài)下，充電器將以某一充電速率給電池充電，使電池總處于充滿電狀態(tài)。2.4.3 充電終止控制方法采用快速充電法時，充電電流為常規(guī)充電電流的幾十倍。正常充電時，電能轉換成電池化學能，電池電壓上升。從鎳鎘鎳氫電池快速充電特性曲線可以看出，充滿電后，電池電壓開始下降，這時電能將大部分轉化成熱能，使電池的溫度和內部壓力迅速上升，對電池造成損害甚至產(chǎn)生危險。為了保證電池充滿電又不過充電，可以采用定時控制、電壓控制和溫度控制等多種方法5。1定時控制：采用1.25c充電速率時

23、，電池1小時可以充滿，采用2.5c充電速率時，30min可以充滿，因此，根據(jù)電池容量和充電電流，很容易確定所需的充電時間。但由于電池的起始充電狀態(tài)不完全相同，有的電池充不滿，有的電池過充，所以只有充電速率小于0.3c時，才允許采用這種方法。通過設置一定的充電時間來控制充電終點，一般按照充入120%150%電池標稱容量所需的對應時間來控制。2電壓控制：主要分為以下三種：（1）最高電壓（vmax）控制：此種方法根據(jù)電池峰值電壓，設置充電器的最高電壓，當電池達到設置的電壓時，判斷電路就會認為已經(jīng)充滿，從而發(fā)出信號觸發(fā)充電器的控制電路，停止充電或轉入涓流充電。本來從電池的充電過程來看，這可能被認為是最

24、準確的充電方式，但實際上，因為每個電池的特性不盡相同，可能這個電壓高些，那個低些，而通常充電器設置的是一個固定的電壓，這個電壓值只是一般認為應該充滿或接近充滿的數(shù)值，所以使用這種限壓判斷方式的充電器，有些電池可能還沒有充滿就停了，而有些可能充滿時也達不到這個電壓，這時充電器就不會做出判斷而任由其繼續(xù)充電了。不過實現(xiàn)這種方式電路簡單、成本低，所以一般的智能充電器都是使用這種判斷方式。（2）電壓負增量（-v）控制：從鎳鎘鎳氫電池的電壓充電曲線中可以看出，這兩種電池充滿電后，電壓均出現(xiàn)下降，即出現(xiàn)電壓負增量。由于電池電壓的負增量與電池組的絕對電壓無關，而且不受環(huán)境溫度和充電速率等因素影響，因此可以比

25、較準確地判斷電池是否充滿。它的缺點是：電池電壓出現(xiàn)負增量后，電池已經(jīng)過充電，因此電池的溫度較高。此外，從充電曲線看，鎳氫電池充滿電后，電池電壓要經(jīng)過較長時間，才出現(xiàn)負增量，用這種方法過充電較嚴重。因此，這種方法主要適用于鎳鎘電池。當充電器檢測到預設的精度大小的負電壓差后，判斷電路會認為充滿而發(fā)出信號觸發(fā)充電器的控制電路，停止充電或轉入涓流充電。要實現(xiàn)這種判斷方式，電路較為復雜，投入的成本也就相對較高，所以一般中高檔充電器才會使用這種判斷方式。（3）電壓零增量（0v）控制：鎳氫電池充電中，為了避免等待出現(xiàn)電壓負增量的時間過久而損壞電池，通常采用0v控制方法。不過也有其缺點：充滿電以前，電池電壓在

26、某一段時間內可能變化很小，從而造成過早停止快速充電。為此目前大多數(shù)鎳氫電池快速充電器都采用高靈敏-v檢測，當電池電壓略有降低時，立即停止快速充電。鎳氫電池剛好充滿達到最高電壓時，會有一個短暫的電壓平穩(wěn)的時段，高級的充電器可以判斷出這個時間段，從而控制充電器停止充電或轉入涓流充電，但要判斷這個過程，難度很高，實現(xiàn)起來很困難，只有高檔的充電器才采用這種方法。3溫度控制：為了避免損壞電池，電池溫度過低時不能開始快速充電，電池溫度上升到規(guī)定數(shù)值后，必須立即停止快速充電。溫度控制的方法分為：（1）最高溫度（tmax）控制：如前所述，電池充滿后，電池溫度上升很快，如果繼續(xù)快速充電，將對電池造成損害，通常當

27、電池溫度達到4550時，應立即停止快速充電。（2）溫度變化率（t/t）控制：鎳氫鎳鎘電池在充滿電后，電池溫度迅速上升，而且上升速率t/t基本相同，當電池溫度每分鐘上升1時，應當立即停止快速充電。4綜合控制：上述控制方法各有優(yōu)缺點，為了保證在任何情況下，充電器均能準確可靠地控制電池的充電狀態(tài)，目前快速充電器中通常采用包括定時控制，電壓控制，溫度控制，高精度電壓負增量的綜合控制方法。本設計的充電方式采用了脈沖法加去極化反應結合的方式，充電終止控制方法用的是電壓負增量控制方法，相對來說，這兩種都是比較先進的，充分考慮了電池特性，充電效果是很好的。第3章 硬件電路設計3.1 電路總體框架本設計的電路主

28、要分為充放電電路、電池電壓采集變換電路、恒壓源、模擬開關、由恒流源、電容和單片機內置比較器構成的a/d轉換電路以及單片機控制電路幾個部分。其主要組成部分如下圖所示。充放電電路電池恒壓源電壓變換模擬開關恒流源電容單片機比較器圖3.1 硬件電路框圖3.2 控制芯片at89c2051簡介本設計中，at89c2051單片機是核心器件，它控制著電路各部分的工作，內部的精密比較器和定時器同時還是a/d轉換電路的組成部分。電壓數(shù)字量的運算比較、電路工作狀態(tài)的判斷與指示、快速充電放電與涓流充電的選擇以及負壓的檢測等等都是在單片機控制下實現(xiàn)的。at89c2051單片機的基本特點如下：at89c2051是美國at

29、mel公司生產(chǎn)的低電壓，高性能cmos 8位單片機，內含2k字節(jié)的可反復擦寫的flash只讀程序存儲器和128字節(jié)的隨機存取數(shù)據(jù)存儲器（ram），其擦寫周期約1000次。器件采用atmel公司的高密度、非易失性存儲技術生產(chǎn)，兼容標準mcs-51指令系統(tǒng)，內置通用8位中央處理器和flash存儲單元，功能強大。at89c2051單片機的工作電壓范圍較寬，可在2.7v6v電壓范圍內工作。它的工作頻率為0hz24mhz，支持降至0hz的靜態(tài)邏輯操作，并支持兩種可選的節(jié)電工作模式（低功耗空閑和掉電模式），空閑方式下停止cpu的工作，但允許ram、定時/計數(shù)器、串行通信口及中斷系統(tǒng)繼續(xù)工作。掉電方式下保存

30、ram中的內容，但振蕩器停止工作并禁止其它所有部件工作直到下一個硬件復位。at89c2051還具有兩級加密程序存儲器，使用者可以根據(jù)需要對程序進行加密，實現(xiàn)版權保護的目的。考慮到在單片機的很多應用中，需要使用發(fā)光二極管（led）進行指示，at89c2051的輸出端口被設計成可直接驅動led，可以省去外加的驅動電路，節(jié)省資源6。at89c2051內部資源主要有：2k字節(jié)flash閃速存儲器，128字節(jié)內部ram，15個i/o口線（其中p1是一個完整的8位雙向i/o口），兩個16位定時/計數(shù)器，一個5向量兩級中斷結構，一個全雙工串行通信口（可編程串行uart通道），精密模擬比較器，片內振蕩器以及時

31、鐘電路。at89c2051引腳如圖3.2所示。(rxd)p3.0(txd)p3.1xtal2rst/vppxtal1(int0)p3.2(int1)p3.3(t0)p3.4(t1)p3.5gndvccp1.7p1.6p1.5p1.4p1.3p1.2p1.1(ain1)p1.0(ain0)p3.71234567891011121314151617181920圖3.2 at89c2051引腳圖at89c2051i/o口功能說明：1p1口：p1口是一組8位雙向i/0口，p1.2p1.7提供內部上拉電阻，由于p1.0和p1.1是內部精密比較器的同相輸入端（ain0）和反相輸入端（ain1），所以內部無

32、上拉電阻，如果需要作為通用i/o口，應在外部接上拉電阻。pl口輸出緩沖器可灌入20ma電流并可直接驅動led。當p1口引腳寫入“1”時可作輸入端，當引腳p1.2p1.7用作輸入并被外部拉低時，它們因內部上拉電阻的作用而輸出電流（iil）。2p3口：p3口的p3.0p3.5、p3.7是帶有內部上拉電阻的7個雙向i/o口。p3.6沒有引出管腳，它作為一個通用i/o口但不可訪問，可作為片內比較器的輸出信號，p3口緩沖器可吸收20ma電流。當p3口寫入“1”時，它們被內部上拉電阻拉高并可作為輸入端口。作輸入端時，被外部拉低的p3口由于上拉電阻的存在而輸出電流（iil）。p3口還可以用于特殊的功能，如下

33、表所示。表3-1 p3口引腳功能引腳功能特性p3.0rxd（串行輸入口）p3.1txd（串行輸出口）p3.2（外中斷0）p3.3（外中斷1）p3.4t0（定時器/計數(shù)器0外部輸入）p3.5t1（定時器/計數(shù)器1外部輸入）3.3 充放電電路設計充放電電路由三部分構成：大電流充電（快速充電）電路、放電電路、涓流充電電路，如圖3.3所示。其中r11、r12、v3、v4構成大電流充電電路；r13、r14、v5、v6構成放電電路；r15、r16、v7構成涓流充電電路。為了提高三極管放大倍數(shù)，以提供大電流，充電與放電電路均采用了pnp、npn兩個三極管構成復合管，放大倍數(shù)為兩管放大倍數(shù)之積。由于at89c

34、2051單片機是低電平有效，以充電電路為例，如r12端接低電平則v3很容易導通并進入飽和狀態(tài)，調節(jié)電阻r12大小同樣使v4飽和，可以對電池提供較大的電流。而涓流充電部分由于電流較小，因此只用了一個三極管v7。電路參數(shù)的確定如下：假設兩節(jié)電池電壓為3v，充電電路正常工作時，v4飽和，飽和管壓降為0.1v，此時r11兩端電壓應為5v-3v-0.1v=1.9v，本設計中快速充電電流為0.5a，通過計算得到r11為3.8，考慮到應選用標準電阻，因此r11阻值最終選為3.9。設v3與v4構成的復合管放大倍數(shù)為5000，可得v3基極電流為0.1ma，v3飽和時，其be極間壓降為0.7v，r12兩端電壓應為

35、5v-0.7v=4.3v，計算得r12為4.3k。同樣道理，放電電路中，r13兩端電壓為3v-0.1v=2.9v，本設計中放電電流為1a，是快速充電電流的兩倍，計算得r13為2.9，選為3。和計算r12方法一樣，得到r14為2.2k。涓流充電電路中電流為50ma，v7放大倍數(shù)設為100，計算得到r15為39，r16為910。圖3.3 充放電電路3.4 電壓變換和模擬開關選通電路設計一節(jié)鎳鎘鎳氫充電電池的電壓通常不會超出1v1.7v的范圍，兩節(jié)電池則在2v3.4v的范圍，為了充分利用定時器，提高a/d轉換精度，本設計采用了一個線性電壓變換電路，主要由一個差動比例運算放大器及電阻構成。其中差動比例

36、運算放大器選用的是lm358。為了使a/d轉換有一個基準電壓，同時為差動比例運算放大器反相端提供一個恒定電壓，本設計采用了一個恒壓源?？紤]到應該盡量提高電壓的穩(wěn)定性，該恒壓源用高穩(wěn)定性的tl431構成。為了對a/d轉換提供基準電壓，電路中還要對兩路不同輸入信號進行選擇，這就需要一個多路開關，本設計選用了模擬開關cd4051構成這個多路開關。3.4.1 lm358簡介lm358內部有兩個獨立的、高增益、內部頻率補償?shù)碾p運算放大器，適用于電源電壓范圍很寬的單電源使用，也適用于雙電源工作模式，在推薦的工作條件下，電源電流與電源電壓無關。它可用于包括傳感放大器、直流增益模塊和其他所有可用單電源供電的使

37、用運算放大器的場合。它的引腳如圖3.4所示。它具有如下的性能特點：1.內部頻率補償。2.直流電壓增益高(約100db)。3.單位增益頻帶寬（約1mhz）。4.電源電壓范圍寬：單電源（3v30v），雙電源（1.5v15v）。5.低功耗電流，適合于電池供電。6.低輸入偏流。7.低輸入失調電壓和失調電流。8.共模輸入電壓范圍寬，包括接地。9.差模輸入電壓范圍寬，等于電源電壓范圍。10.輸出電壓范圍大(0至vcc-1.5v)。vcc+輸出(2)反相輸入端(2)同相輸入端(2)vcc同相輸入端(1)反相輸入端(1)輸出(1)12345678+圖3.4 lm358引腳圖3.4.2 tl431簡介德州儀器公

38、司（ti）生產(chǎn)的tl431是一個有良好的熱穩(wěn)定性能的三端可調分流基準源。它的輸出電壓用兩個電阻就可以任意地設置到從vref（2.5v）到36v范圍內的任何值（如圖3.7）。該器件的典型動態(tài)阻抗為0.2，在很多應用中可以用它代替齊納二極管，例如數(shù)字電壓表、運放電路、可調壓電源、開關電源等7。圖3.5是該器件的符號。3個引腳分別為：陰極（cathode）、陽極（anode）和參考端（ref）。由圖3.6可以看到，vi是一個內部的2.5v基準源，接在運放的反相輸入端。由運放的特性可知，只有當ref端（同相端）的電壓非常接近vi（2.5v）時，三極管中才會有一個穩(wěn)定的非飽和電流通過，而且隨著ref端電

39、壓的微小變化，通過三極管的電流可以在1ma100ma的范圍內變化8。圖3.5 tl431符號圖圖3.6 tl431原理圖1.tl431的主要性能參數(shù)如下：（1）可編程輸出電壓，可從vref到36v。（2）電壓參考端（ref）誤差：25時典型值為0.4%。（3）低動態(tài)輸入阻抗，典型值為0.22。（4）1ma100ma的灌電流能力。（5）典型值為50ppm/的等效全范圍溫度系數(shù)。（6）在整個額定工作溫度范圍內可進行工作溫度補償。（7）低輸出噪聲電壓。2.恒壓電路的典型應用tl431的內部含有一個2.5v的基準電壓，所以當在ref端引入輸出反饋時，器件可以通過從陰極到陽極很寬范圍的分流，控制輸出電壓

40、。如圖3.7所示的電路，當r1和r2的阻值確定時，兩者對vout的分壓引入反饋，若vout增大，反饋量增大，tl431的分流也就增加，從而又導致vout下降。顯然這個深度的負反饋電路必然在vref等于基準電壓處穩(wěn)定，此時有： （3-1）選擇不同的r1和r2的值可以得到從2.5v到36v范圍內的任意電壓輸出，特別地，當r1=r2時，vout=5v，而r1開路時，vout=2.5v。需要注意的是，在選擇電阻時必須保證tl431工作的必要條件，就是通過陰極的電流要大于1ma。當然，這個電路并不是很實用，但它清晰地展示了該器件的應用方法。圖3.7 tl431構成的恒壓電路3.恒流電路應用從前面的例子我

41、們可以看到，器件作為分流反饋后，ref端的電壓始終穩(wěn)定在2.5v，那么接在ref端和地間的電阻中流過的電流就應是恒定的。利用這個特點，可以將tl431應用于很多恒流電路中。圖3.8 tl431構成的恒流電路圖3.8是一個實用的精密恒流源電路。原理很簡單，不再贅述。但值得注意的是，tl431的溫度系數(shù)為30ppm/，所以輸出恒流的溫度特性要比普通鏡像恒流源或恒流二極管好得多，因而在應用中無需附加溫度補償電路。3.4.3 cd4051簡介cd4051是一個多路模擬開關，又稱多路模擬轉換器。多路模擬開關由地址譯碼器和多路雙向開關組成，根據(jù)外部地址輸入信號經(jīng)內部地址譯碼器譯碼，選通與地址碼相應的模擬開

42、關單元，從n路模擬輸入信號中選取特定某一路傳送到輸出端，或與之相反，把一路模擬輸入信號送到n個輸出端中的某一端輸出9。cd4051是8選1多路模擬開關，它由邏輯電平轉換電路、8選1譯碼電路和8個cmos開關單元s1s8三部分組成，其引腳如圖3.9所示，原理如圖3.10所示10。地址輸入輸出412345678910111213141516地址輸入輸出6串行輸出輸入地址輸入輸出7地址輸入輸出5inhveevss地址輸入輸出2vdd地址輸入輸出1地址輸入輸出0地址輸入輸出3abc圖3.9 cd4051引腳圖圖3.10中，a、b、c是3位二進制地址輸入端，其輸入電平與ttl兼容。inh是地址輸入禁止端

43、，它為高電平時，地址輸入無效。cd4051有8個輸入/輸出端、1個輸出/輸入端，一個正電源vdd和兩個負電源vss、vee。邏輯電平轉換電路的主要作用是把地址輸入端a、b、c和地址輸入禁止端inh輸入的ttl邏輯電平（通常來自計算機的接口電路）轉換為cmos電平，使開關單元能用ttl電平控制。8選1地址譯碼電路的主要作用是把來自邏輯電平轉換電路的地址輸入信號轉換成相應的開關單元選通信號，并把相應開關單元接通。cd4051主要性能參數(shù)：1.寬范圍的工作電壓，數(shù)字信號：3v20v；模擬信號：20vpp。2.低工作阻抗，當vdd-vee18v時，對于超過15vpp的輸入信號，典型工作阻抗為125。3

44、.高開路阻抗，當vdd-vee18v時，漏極電流典型值為100pa。4.匹配轉換特性，當vdd-vee15v時，ron典型值為5。5.靜態(tài)功耗極低。6.芯片本身具有二進制地址譯碼功能。87vssvee111096abcinhtgtgtgtgtgtgtgtg42611215161376543210地址輸入輸出3串行輸出輸入邏輯電平轉換帶禁止端的二進制地址譯碼16vdd圖3.10 cd4051原理圖本設計中，用cd4051來控制vref和vi兩路地址輸入信號的選通，除了禁止輸入端inh外，只用了一個地址輸入端a，通過單片機一個i/o口控制。由于其它六路輸入信號閑置，因此本設計有很大的擴展空間。另外

45、需要注意的是，由于本設計的電源只能提供0v5v的工作電壓，因此設計中，將vdd直接連到5v，而vee、vss直接接地。3.4.4 電路功能及參數(shù)的確定本設計中只用到lm358的一個運算放大器，線性電壓變換電路由這個運算放大器和電阻構成，即圖3.11中的u3a和r5、r6、r7、r8，根據(jù)差動比例運算放大器的計算公式： （3-2）其中同相輸入端接電池正極，反相輸入端接2v恒定電源，代入電阻阻值有： （3-3） （3-4）由此可知線性變換電路的功能是將2v3.4v的電壓線性變換到0v5v。電壓經(jīng)線性變換后，擴大了范圍，有利于提高a/d轉換的精度。為了使a/d轉換具有一個基準電壓，電路中采用了一個t

46、l431構成的恒壓源，電壓值為vref=2.5v，通過模擬開關cd4051控制vref和vi的選通，控制端a為0時，vref選通，為后面的a/d轉換電路提供2.5v的參考電壓，接著控制端a置為1，vi選通，為后面的a/d轉換電路提供另一個參考電壓。差動比例運算放大器反相輸入端的電壓為2v，可由vref經(jīng)電阻分壓獲得。vref為2.5v，需要r9與r10比例關系滿足1:4，同時考慮tl431正常工作時通過陰極的電流要大于1ma，選用r9阻值為10k，r10阻值為40k。圖3.11 電壓變換與模擬開關選擇電路3.5 a/d轉換電路設計這是一個低成本的a/d轉換電路，它的構成比較簡單，充分利用了現(xiàn)有

47、資源,即at89c2051內置的高精度比較器和定時器。我們知道，電容滿足下面的關系式： （3-5）也可寫成： （3-6）一個電容的容量是定值時，如果用恒定電流對電容充電，由上式可知，i一定，c一定，則就一定，電容兩端的電壓在很短的時間內就將隨時間增加而線性上升，利用單片機的定時器，選擇合適的電容和電流大小，就可以將模擬的電壓值轉換為相應的數(shù)字值，這便是a/d轉換電路的工作原理。圖3.12 a/d轉換電路圖3.12中，電阻r2、r3，三極管v1與穩(wěn)壓管n2構成一個高精度的恒流源。與圖3.7類似，tl431穩(wěn)壓管陰極與陽極之間電壓恒定為2.5v（vref），與圖3.8不同之處在于本電路恒流源要對外

48、提供電流，因此三極管改用pnp型的，由于三極管eb極之間管壓降為0.7v，因此恒流源提供的電流為： （3-7）a/d轉換電路工作過程：首先單片機控制端置為1，v2導通且進入飽和狀態(tài)，飽和管壓降近似為0，對電容放電，放電完畢后，單片機控制端置為0，這時v2處于截止狀態(tài)，由于恒流源作用，電容兩端電壓線性上升，單片機控制端置為0的同時，計時器開始計時。電容兩端電壓上升，即單片機內置的高精度比較器同相輸入端電壓上升。而比較器反相輸入端接模擬開關輸出端的參考電壓，當同相輸入端電壓上升到與參考電壓相等后，比較器翻轉，此時令定時器停止計時，定時器計時終值便是轉換后的數(shù)字量。此部分電路參數(shù)確定如下：由公式（4

49、-5），本設計中電壓最大值為5v，對應定時器最大值為50ms，于是有=100，即=100，選取c1值為1f，則恒流源電流應為0.1ma，公式（4-6）計算有r2=18k。3.6 電路其它組成部分除了以上幾部分，電路還包括單片機外圍的復位（分為按鈕復位和上電復位兩部分）電路、晶振電路、便于使用者了解電路工件狀態(tài)的指示燈電路、方便單片機與計算機通信和程序調試的串行口電路以及電源電路。總電路圖見附錄1。3.7 電路工作過程分析單片機初始化之后，首先涓流充電電路工作，通過預充電，檢測電池端壓是否在設定范圍之內，如不在（此時可能情況有多種，如充電器電池座中未放入電池、不是符合規(guī)格的電池或電池已報廢等），

50、不進行操作，紅色指示燈長亮。如在范圍內，先對未完全放電電池放電，綠色指示燈長亮。此時放電電路工作，不過因為放電電流很大，長時間連續(xù)放電會對電池和放電電路均造成損害，因此放電電路采用間歇放電的方式，通過軟件控制，每1s內放電50ms，取平均值相當于以50ma電流連續(xù)放電。當電池電壓低于一定值后，進入快速充電階段，此時綠色指示燈快閃，充電電路與放電電路交替工作，在1s內，充電850ms，停50ms，然后放電50ms，再停50ms。當快速充電到一定程度后，開始負壓判斷（為了防止可能出現(xiàn)的電壓兩次下降現(xiàn)象“雙峰效應”，一開始并未進行負壓判斷,而是當電池電壓達到設定值后才開始判斷），然后按預定時間間隔重

51、復檢測。出現(xiàn)負壓后，轉入涓流充電，綠色指示燈慢閃。電路處于快速充電狀態(tài)時，電池兩端電壓通過運算放大器線性變換后加到模擬開關的vi端，而恒壓源電壓加到到vref端。單片機通過一管腳控制模擬開關地址輸入端a，a為0，vref選通，加到單片機模擬比較器的反相端，為a/d轉換電路提供參考電壓，這時a/d轉換電路得到的數(shù)字值便是2.5v標準電壓對應的數(shù)字值，設為t1；同樣，a為1時，vi選通，加到單片機模擬比較器的反相端，為a/d轉換電路提供另一參考電壓，這時a/d轉換電路得到的數(shù)字值便是vi對應的數(shù)字值，設為t2。由于c1是恒流充電，因此c1上的電壓與充電時間成正比，即v=tk。當c1的值與充電的恒流

52、值不變時，k是一個固定不變的常數(shù)。由此可以得到： （3-8）即： （3-9）由于vref是基準電壓（2.5v），因此只要利用單片機的定時器測出t1和t2，就可以計算出被測電壓v的值。3.8 誤差分析及解決辦法本電路的誤差主要來自a/d轉換電路，下面對此進行分析。3.8.1 a/d轉換誤差分析1、基準電壓vref誤差：在該a/d轉換電路中，vref電壓是造成a/d轉換誤差的主要原因，如果vref電壓精度較高，則a/d轉換誤差可以很小，在vref電壓精度為0.5%情況下，實際的a/d轉換誤差小于1%。2、定時器誤差：若單片機對比較器輸出端的電平翻轉反應慢，或定時器誤差較大，則測量到的t1與t2值不

53、準確，也會導致測量誤差。3、比較器輸入端的失調電壓誤差：該電壓對a/d轉換精度有一定影響，但影響較小。4、運算誤差：由于v值要經(jīng)過乘除法運算后得到，在進行運算過程中如果數(shù)據(jù)處理不當，如余數(shù)處理不當，也會產(chǎn)生誤差。5、干擾誤差：當輸入電壓不穩(wěn)時，恒流源的輸出電流會有一定的影響，會產(chǎn)生干擾誤差。3.8.2 誤差解決辦法1、對vref造成的誤差，只能通過提高vref電壓精度來解決，它相當于a/d轉換的基準電壓。在本設計中采用高精度的穩(wěn)壓管tl431來提供vref電壓。2、對于定時器誤差，在單片機中可使比較器的輸出端采用帶電平變化中斷功能的i/o口，以提高反應速度，同時減少恒流源的電流大小，或加大c1

54、電容容量，可以增加t1、t2的測量時間，使計數(shù)值加大，達到提高a/d轉換精度的目的。3、選用靈敏度高的比較器可解決比較器輸入端導致的誤差問題。at89c2051單片機內置的比較器靈敏度是很高的。4、對運算誤差，可以通過軟件上的改進來解決。5、對于干擾造成的誤差，可對a/d轉換值進行數(shù)字濾波，如多次轉換求平均值等方法來解決。本設計軟件部分采用了這種方法。3.9 影響a/d轉換速度的因素及提高辦法由于該a/d轉換是通過恒流源對電容c1充電后再進行比較來完成的，電容c1的充電過程需要一定的時間，因此a/d轉換速度較慢，a/d轉換速度取決于以下幾個方面：1、恒流源的電流大小：恒流源的充電電流越大，c1