基于單片機(jī)控制的鋰電池充電模塊

摘要電子技術(shù)的飛速發(fā)展使得各種各樣的電子產(chǎn)品都朝著便攜式和小型輕量化的方向發(fā)展，也使得更多的電子產(chǎn)品采用基于電池的供電系統(tǒng)。目前，較多使用的電池有鎳鎘、鎳氫、鉛蓄電池和鋰電池，它們的各自特點(diǎn)決定了它們將在相當(dāng)長的時(shí)期內(nèi)共存與發(fā)展。由于不同類型電池的充電特性不同，通常對不同類型，甚至不同電壓、容量等級的電池使用不同的充電器，但這在實(shí)際使用中有許多不便。本設(shè)計(jì)以單片機(jī)STC89C52為控制核心，系統(tǒng)由指示燈電路、液晶顯示電路、保護(hù)電路、精確基準(zhǔn)電壓產(chǎn)生電路、環(huán)境溫度采樣電路和開關(guān)控制電路組成。實(shí)現(xiàn)了電池充電、LED指示、液晶顯示、保護(hù)機(jī)制及異常處理等充電器所需要的基本功能。本文對鋰離子電池的參數(shù)特性、充電原理與充電方法進(jìn)行了詳盡的描述，并提出了充電模塊的設(shè)計(jì)思想和系統(tǒng)結(jié)構(gòu)。該電路具有安全快速充電功能，可以廣泛應(yīng)用于室內(nèi)外鋰離子電池的充電，如手機(jī)、數(shù)碼產(chǎn)品電池等。關(guān)鍵詞：鋰電池STC89C52指示燈電路液晶顯示電路保護(hù)電路精確基準(zhǔn)電壓產(chǎn)生電路環(huán)境溫度采樣電路AbstractElectronictechnology'sfastdevelopmentcausesthatvariouselectronicproductstowardsportabletypeandthesmalllightweightdirection.Italsocausesthemoreelectrificationproductstousepowersupplysystemwhichisbasedonbattery.Atpresent,alotofusedbatteriescontainthenickelcadmium,thenickelhydrogen,theleadaccumulatorandthelithiumbattery.Theirrespectivecharacteristicshavedecidedthattheywillcoexistinalongtimedevelopment.Duetodifferenttypesofbatterieschargecharacteristicdifferently.Ingeneral,todifferenttype,evendifferentvoltage,capacityrankbatteryusedifferentbatterychargers,butitleadssomeinconveniencesintheactualuse.ThecontrolcoreofthedesignisthesinglechipSTC89C52.Thesystemiscomposedoftheindicatorlightcircuit,liquidcrystaldisplaycircuit,protectioncircuit,precisionreferencevoltagegeneratingcircuit,ambienttemperaturesamplingcircuitandaswitchcontrolcircuit.Thebasicfunctionofachievingthebatterycharging,LEDindicator,liquidcrystaldisplay,protectionmechanismandexceptionhandlingchargerisrealized.Inthispaper,thechargingparametercharacteristicsoflithiumionbatteryprincipleandchargingmethodisnotonlydescribedindetailbutalsoputtingforwardthedesignideaandsystemstructureofthechargingmodule.Thecircuitprovidessafeandfastchargingfunction,whichcanbewidelyusedinindoorandoutdoorlithiumionbatteries,suchasmobilephone,digitalproductsandsoon.KEYWORDS:LITHIUM-IONBATTERY;STC89C52;THEINDICATORLIGHTCIRCUIT;THELIQUIDCRYSTALDISPLAYCIRCUIT;PROTECTIONCIRCUIT;THEPRECISIONREFERENCEVOLTAGEGENERATINGCIRCUIT;ENVIRONMENTALTEMPERATURESAMPLINGCIRCUIT;引言隨著社會的快速發(fā)展，電子產(chǎn)品小型化、便攜化也使得充電電池越來越重要，鋰離子電池有較高的比能量，放電曲線平穩(wěn)，自放電率低，循環(huán)壽命長，具有良好的充放電性能，可隨充隨放、快充深放，無記憶效應(yīng)，不含鎘、鉛、汞等有害物質(zhì)，對環(huán)境無污染，被稱為綠色電池?；谶@些特性，所以鋰電池得到了迅速的發(fā)展和廣泛的應(yīng)用。鋰電池充電器是為鋰離子充電電池補(bǔ)充能源的靜止變流裝置，其性能的優(yōu)劣直接關(guān)系到整個(gè)用電系統(tǒng)的安全性和可靠性指標(biāo)。本文在綜合考慮電池安全充電及成本的基礎(chǔ)上，設(shè)計(jì)了一種基于STC89C52單片機(jī)PWM控制的單片開關(guān)電源式鋰電池充電模塊，有效地克服了一般充電器過充電、充電不足、效率低等缺點(diǎn)，實(shí)現(xiàn)了對鋰電池組的智能充電，達(dá)到了預(yù)期效果。該方案設(shè)計(jì)靈活，可滿足多種型號的鋰電池充電需求。1概述1.1課題研究的背景充電器是為化學(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，即容量、壽命和安全性。正是鋰離子電池在各個(gè)領(lǐng)域越來越廣泛的應(yīng)用，推動了對鋰離子電池充電器的研究。目前一些大的廠家生產(chǎn)的充電器都具有以下特點(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、快速充電、充滿電后自動關(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)使得其對充電器的要求比較苛刻。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，對于電壓過低的電池除了需要進(jìn)行預(yù)充、充電終止檢測、電壓檢測外，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)安全高效的充電控制已成為鋰離子電池推廣應(yīng)用的目標(biāo)。1.2鋰電池充電特性鋰電池充電需要控制它的充電電壓，限制其充電電流。鋰電池通常都采用三段充電法，即預(yù)充電、恒流充電和恒壓充電。鋰電池的充電電流通常應(yīng)限制在1C(C為鋰電池的容量)以下，單體充電電壓一般為4．2V，否則可能由于電壓過高造成鋰電池永久性損壞。預(yù)充電主要是完成對過放的鋰電池進(jìn)行修復(fù)，若電池電壓低于3V，則必須進(jìn)行預(yù)充電，否則可省略該階段，這也是最普遍的情況。在恒流階段，充電器先給電池提供大的恒定電流，同時(shí)電池電壓上升，當(dāng)電池電壓達(dá)到飽和電壓時(shí)，則轉(zhuǎn)入恒壓充電，充電電壓波動應(yīng)控制在50mv以內(nèi)，同時(shí)充電電流降低，當(dāng)電流逐漸減小到規(guī)定的值時(shí)，可結(jié)束充電過程。電池的大部分電能在恒流及恒壓階段從充電器流入電池。由此可知，充電器實(shí)際上是一個(gè)精密電源，其電流電壓都被限制在所要求的范圍之內(nèi)。2理論計(jì)算2.1方案論證與比較基于單片機(jī)控制的鋰電池充電模塊，選擇LM2576-ADJ集成電源芯片基于BUCK降壓電路原理構(gòu)成BUCK降壓電路，系統(tǒng)輸入電壓為9V～20V，輸出電流為2A。微處理器選擇STC8952單片機(jī)；電流檢測由INA168集成電流檢測芯片完成，并將檢測結(jié)果送到微處理器IO口，通過PI算法程序控制反饋電路使得輸出電路電流維持在2A，LCD1602液晶顯示電路電流大?。惠敵鲭妷簷z測經(jīng)過分壓電阻送到STC8952單片機(jī)自帶的10位AD轉(zhuǎn)換IO口，經(jīng)AD轉(zhuǎn)換將數(shù)據(jù)送到P0口，并在液晶上顯示電壓大小。電路過溫、過流保護(hù)均由LM339比較器完成。過壓保護(hù)是在鋰電池電量充滿，電池兩端電壓超過額定電壓時(shí)控制電源芯片0N/0FF引腳使電源停止工作，進(jìn)而實(shí)現(xiàn)停止充電；過溫保護(hù)由NTC（負(fù)溫度系數(shù)）溫度傳感器執(zhí)行，電池溫度超過60℃時(shí)停止充。2.1.1BUCK降壓電路選擇方案一：采用LM2576-ADJ集成電源芯片構(gòu)成BUCK電路的恒流源控制系統(tǒng)。LM2576-ADJ輸入電壓在7V～40V，F(xiàn)eedBack引腳電壓恒定1.23V，輸出電壓穩(wěn)定可調(diào)，電路設(shè)計(jì)和控制簡單。方案二：選用MOSFET場效應(yīng)管構(gòu)成BUCK降壓電路，處理器產(chǎn)生PWM，調(diào)節(jié)PWM占空比控制電源輸出電流大小。方案比較：方案一LM2576-ADJ集成電源芯片，可直接構(gòu)成BUCK電路，電路設(shè)計(jì)簡單，輸出電流容易控制，工作穩(wěn)定，可實(shí)現(xiàn)普通BUCK電路參數(shù)。方案二MOSFET構(gòu)成的BUCK電路對場效應(yīng)管選擇范圍廣，不同場管由于性能不同外圍輔助電路要求也不一樣。大多數(shù)場效應(yīng)管需要外加驅(qū)動電路，PWM輸入要求有穩(wěn)定的占空比，最終設(shè)計(jì)參數(shù)的實(shí)現(xiàn)對電路各個(gè)反面設(shè)計(jì)都有一定的要求。結(jié)合以上分析，系統(tǒng)BUCK降壓電路設(shè)計(jì)最終選擇方案一。2.1.2電流控制方案一：用STC12C5A60S2兩路AD轉(zhuǎn)換器采集采樣電阻兩端電壓值，最終得到采樣電阻兩端電壓，利用公式I=U/R計(jì)算得到電路中電流大小，通過計(jì)算測得的電流值與設(shè)定電流值大小比較，判斷比較結(jié)果由程序控制完成對電路電流控制參數(shù)補(bǔ)償使電流輸出恒定為2A。方案二：使用集成電流檢測芯片INA168檢測流過采樣電阻的電流大小，輸出端由STC12C5A60S2單片機(jī)轉(zhuǎn)換器完成轉(zhuǎn)換，測得的電流值通過PI控制算法程序調(diào)節(jié)電流控制電路實(shí)現(xiàn)電流輸出1.5A。方案比較：方案一，采樣電阻兩端電壓太小，AD采樣最終得到的檢測電流不理想，普通的補(bǔ)償控制達(dá)不到系統(tǒng)設(shè)計(jì)要求。方案二INA168為電流檢測專用芯片，檢測精確度高，能準(zhǔn)確檢測電路中電流的大小，使用PI控制算法控制電流，使得系統(tǒng)響應(yīng)速度和質(zhì)量都得到了提高，是一種比較常用且擇優(yōu)的控制選擇方法。因此系統(tǒng)中電流控制選擇方案二。2.1.3總體方案設(shè)計(jì)由上述方案論證及方案選擇可知，其總體方案框架如圖1-1、1-2所示：圖1-1方案一總體方案框架圖圖1-2方案二總體方案框架圖結(jié)合方案比較綜合考慮最終選選擇方案二。2.2理論分析與計(jì)算2.2.1輸出電流分析與計(jì)算LM2576-ADJ能構(gòu)成易于調(diào)節(jié)和控制的BUCK電路。LM2576-ADJ引腳4為FeedBack，該引腳感知調(diào)整輸出電壓進(jìn)行反饋回路。由該引腳和運(yùn)算放大器構(gòu)成的反饋回路能通過編程實(shí)現(xiàn)電路恒定電流輸出。同相放大器同相端輸入電壓大小為采樣電阻上的分壓大小，即V+=Is×Rs，根據(jù)同相放大器（圖2-1）原理可列出計(jì)算式：（公式1）由設(shè)計(jì)電路關(guān)系計(jì)算可得Is*Rs=1.23/Rav，設(shè)計(jì)中Rs大小為0.1歐姆（精度1‰）的采樣電阻，因此可得Is=12.3/Rav，在公式（1）中電阻單位為K，通過調(diào)節(jié)Rav的值可實(shí)現(xiàn)對輸出電流的控制。系統(tǒng)要求輸出電流大小為1.5A，計(jì)算可得Rav的取值為8.2K，選擇合適的編程求出電阻R1和R2的值。輸出電壓為：Vout=Vref（1.0+R2/R1）Verf=1.23V2.2.2BUCK電路元件參數(shù)分析與計(jì)算經(jīng)典BUCK電路如圖2-2所示，電路主要組成部分有：場效應(yīng)管（開關(guān)元件）、電感（儲能元件）、電容、續(xù)流二極管。通過開關(guān)管的開通和斷開，在儲能元件的作用下實(shí)現(xiàn)降壓?？刂崎_關(guān)時(shí)間的比例可實(shí)現(xiàn)對輸出電壓和電流的控制，電路設(shè)計(jì)中開關(guān)元件的通斷控制通常以PWM控制為主要選擇方法，微處理器可產(chǎn)生占空比可調(diào)的PWM波形。圖2-2在系統(tǒng)設(shè)計(jì)中BUCK降壓電路由集成芯片LM2576-ADJ、電感、電容構(gòu)成。電路結(jié)構(gòu)如圖2-3所示。輸入電容C5分析、計(jì)算與選擇防止電壓瞬變在輸入中影響轉(zhuǎn)換器穩(wěn)定運(yùn)行，鋁或鉭電解電容之間需要輸入引腳+VIN和接地引腳GND，該電容應(yīng)位于靠近IC且使用短引線。電路設(shè)計(jì)中考慮輸入電壓大小為10V—25V之間，結(jié)合安全裕量最后選擇1000uF/50V的點(diǎn)檢電容。續(xù)流二極管D3的分析、計(jì)算與選擇由于二極管的最大峰值電流超過最大負(fù)荷調(diào)節(jié)電流，鉗位二極管電流等級必須為至少1.2倍的最大負(fù)載電流。一個(gè)強(qiáng)大的二極管設(shè)計(jì)，應(yīng)該有一個(gè)額定電流相等的最大電流限制，LM2576能夠經(jīng)受連續(xù)輸出短路。.二極管的反向電壓等級應(yīng)至少1.25倍的最大輸入電壓。系統(tǒng)設(shè)計(jì)負(fù)載輸出電流為1.5A，最大輸出電壓為8.4V，因此設(shè)計(jì)中續(xù)流二極管選擇INA5822。電感L1的分析、計(jì)算與選擇由以下公式可計(jì)算電感（公式2）EXT=（Vin-Vout）Vout/Vinx106/F[Hz]計(jì)算出的EXT值與相應(yīng)的匹配對電感值的選擇垂直軸數(shù)如圖2-4所示。這個(gè)EXT常數(shù)是一個(gè)能量處理能力和測量電感都取決于類型的核心、核心區(qū)、匝數(shù)和占空比。下一步是確定區(qū)域分割的電感EXT值和對負(fù)載電流最大值。從電感的電感值的代碼及識別。然后從表1中選擇一個(gè)合適的電感。電感的選擇必須額定的開關(guān)52kHz和1.15倍負(fù)載電流的額定電流。電感電流額定值可計(jì)算電感的峰值電流：（公式3）Ip（max）=ILode（max）+(Vin-Vout)ton/2LTon為電源開關(guān)時(shí)間：表1電感的電感值代碼（公式4）Ton=Vout/Vin×1/foscInductorCodeInductorValueThe39ShottCorpPulseEngRencoL47L68L100L150L22047uH68uH100uH150uH220uH77212772627731277360774086712698067126990671270006712701067127020PE-53112PE-92114PE-92108PE-53113PE-52626RL2442RL2443RL2444RL1954RL1953最后分析計(jì)算電路中取150uH的工字形電感。2.2.3BUCK電路輸出效率分析計(jì)算輸出電流1.5A，電壓為8.4V，輸出功率P=I×U=1.5×8.4=11.6W。電路中有電感、續(xù)流二極管、電容和LM2576-ADJ造成以發(fā)熱的形式為主的功率損耗。電路設(shè)計(jì)要求充電電源效率不得低于70%。2.2.4NTC負(fù)溫度系數(shù)電阻計(jì)算熱敏電阻的電阻－溫度特性可近似地用公式5表示。(公式5)R=Roexp{B(I/T-I/To)}表2熱敏電阻的電阻－溫度特性R溫度T(K)時(shí)的電阻值溫度T0(K)時(shí)的電阻值溫度T0(K)時(shí)的電阻值RoB*T(K)=t(oC)+273.15但實(shí)際上，熱敏電阻的B值并非是恒定的，其變化大小因材料構(gòu)成而異，最大甚至可達(dá)5K/°C。因此在較大的溫度范圍內(nèi)應(yīng)用公式5時(shí)，將與實(shí)測值之間存在一定誤差。此處，若將公式5中的B值用公式6所示的作為溫度的函數(shù)計(jì)算時(shí)，則可降低與實(shí)測值之間的誤差，可認(rèn)為近似相等。(公式6)BT=CT2+DT+E上式中，C、D、E為常數(shù)。另外，因生產(chǎn)條件不同造成的B值的波動會引起常數(shù)E發(fā)生變化，但常數(shù)C、D不變。因此，在探討B(tài)值的波動量時(shí)，只需考慮常數(shù)E即可。常數(shù)C、D、E的計(jì)算：（公式7）（公式8）（公式9）（公式10）常數(shù)C、D、E可由圖2-5的(溫度、電阻值)數(shù)據(jù)(T0,R0).(T1,R1).(T2,R2)and(T3,R3)，通過式7～10計(jì)算。首先由式7根據(jù)T0和T1,T2,T3的電阻值求出B1,B2,B3,然后代入以下各式。電阻值計(jì)算實(shí)例：試根據(jù)電阻－溫度特性表，求25°C時(shí)的電阻值為5(kΩ)，B值偏差為50(K)的熱敏電阻在10°C～30°C的電阻值。步驟：根據(jù)電阻－溫度特性表，求常數(shù)C、D、E。To=25+273.15T1=10+273.15T2=20+273.15T3=30+273.15代入BT=CT2+DT+E+50，求BT。將數(shù)值代入R=5exp{(BTI/T-I/298.15)}，求R。*T=10+273.15～30+273.15電阻－溫度特性圖如圖2-5所示電阻溫度系數(shù)：所謂電阻溫度系數(shù)(α)，是指在任意溫度下溫度變化1°C(K)時(shí)的零負(fù)載電阻變化率。電阻溫度系數(shù)(α)與B值的關(guān)系，可將式11微分得到。（公式11）這里α前的負(fù)號(－)，表示當(dāng)溫度上升時(shí)零負(fù)載電阻降低。經(jīng)過時(shí)間與熱敏電阻溫度變化率的關(guān)系如下表所示。表3熱敏電阻溫度變化率tt2t63.2%86.5%3t4t5t95.0%98.2%99.4%目錄記錄值為下列測定條件下的典型值。表4熱敏電阻典型值靜止空氣中環(huán)境溫度從50°C至25°C變化時(shí)，熱敏電阻的溫度變化至34.2°C所需時(shí)間。(1)(2)軸向引腳、徑向引腳型在出廠狀態(tài)下測定。另外應(yīng)注意，散熱系數(shù)、熱響應(yīng)時(shí)間常數(shù)隨環(huán)境溫度、組裝條件而變化。3電路工作原理3.1系統(tǒng)供電部分系統(tǒng)BUCK降壓電路輸入電壓為10V～25V，STC12C5A60S2單片機(jī)、LCD1602液晶顯示等部分使用5V電壓供電。5V供電電源產(chǎn)生采用LM7805穩(wěn)壓芯片，系統(tǒng)中LM7805輸入電壓直接由BUCK輸入電壓端輸入。LM7805是常用的三端穩(wěn)壓器，一般使用的是TO-220封裝，能提供5V的輸出電壓，內(nèi)含過流和過載保護(hù)電路。帶散熱芯片時(shí)能持續(xù)提供1A的電流，如果使用外圍器件，它還能提供不同的電壓和電流。3.2BUCK降壓電路BUCK電路基本結(jié)構(gòu)如下：主要組成元件包括開關(guān)元件、儲能元件、續(xù)流二極管。通過控制場效應(yīng)管的開通和關(guān)斷，在開通時(shí)輸入電源直接對負(fù)載供電，關(guān)斷后儲能元件中儲存電能對負(fù)載供電。開關(guān)導(dǎo)通時(shí)等效電路如圖3-2所示，開關(guān)關(guān)斷時(shí)等效電路如圖3-3所示。從電路可以看出，電感L和電容C組成低通濾波器，使us(t)的直流分量可以通過，而抑制us(t)的諧波分量通過；電容上輸出電壓uo(t)就是us(t)的直流分量再附加微小紋波ur(t)。電路工作頻率高，一個(gè)開關(guān)周期內(nèi)電容充放電引起的紋波ur(t)很小，相對于電容上輸出的直流電壓Uo有：|ur（t）|>0電容上電壓可以看作恒定。電路穩(wěn)態(tài)工作時(shí)，輸出電容上電壓由微小的紋波和較大的直流分量組成，可以看作是恒定直流。一個(gè)周期內(nèi)電容充電電荷高于放電電荷時(shí)，電容電壓升高，導(dǎo)致后面周期內(nèi)充電電荷減小、放電電荷增加，使電容電壓上升速度減慢，這種過程的延續(xù)直至達(dá)到充、放電平衡，此時(shí)電壓維持不變；反之，如果一個(gè)周期內(nèi)放電電荷高于充電電荷，將導(dǎo)致后面周期內(nèi)充電電荷增加、放電電荷減小，使電容電壓下降速度減慢，這種過程的延續(xù)直至達(dá)到充、放電平衡，最終維持電壓不變。這種過程是電容上電壓調(diào)整的過渡過程，在電路穩(wěn)態(tài)工作時(shí)，電路達(dá)到穩(wěn)定平衡，電容上充、放電也達(dá)到平衡，這是電路穩(wěn)態(tài)工作時(shí)的一個(gè)普遍規(guī)律。開關(guān)開通時(shí)，電感電流增加，電感儲能；而當(dāng)開關(guān)關(guān)斷時(shí)，電感電流減小，電感釋能。假定電流增加量大于電流減小量，則一個(gè)開關(guān)周期內(nèi)電感上磁鏈增量為：Δ=L（Δt）〉0；此增量將產(chǎn)生一個(gè)平均感應(yīng)電勢：u=Δ/t〉0此電勢將減小電感電流的上升速度并同時(shí)降低電感電流的下降速度，最終將導(dǎo)致一個(gè)周期內(nèi)電感電流平均增量為零；一個(gè)開關(guān)周期內(nèi)電感上磁鏈增量小于零的狀況也一樣。這種在穩(wěn)態(tài)狀況下一個(gè)周期內(nèi)電感電流平均增量（磁鏈平均增量）為零的現(xiàn)象稱為：電感伏秒平衡。這也是電力電子電路穩(wěn)態(tài)運(yùn)行時(shí)的又一個(gè)普遍規(guī)律。系統(tǒng)設(shè)計(jì)中選用LM2576-ADJ集成芯片構(gòu)成BUCK電路。穩(wěn)壓器LM2576-ADJ是單片集成電路的理想適合于開關(guān)穩(wěn)壓器的簡單方便的設(shè)計(jì)Buck變換器。使用LM2576-ADJ集成芯片組成BUCK電路使整個(gè)電路設(shè)計(jì)更加簡單，輸出電流電壓易于控制。系統(tǒng)設(shè)計(jì)中利用LM2576-ADJFeedBack引腳實(shí)現(xiàn)對恒定電流輸出的控制。續(xù)流二極管IN5822具有正向電流大，反向電壓高等特點(diǎn)。LM2576-ADJ引腳圖如圖3-4：LM2576內(nèi)部結(jié)構(gòu)圖如圖3-5:3.3恒流控制系統(tǒng)恒定電流輸出控制原理：LM2576-ADJ，F(xiàn)eedBack引腳電壓為1.23V，通過運(yùn)放組成同相放大器和該引腳構(gòu)成反饋回路，可實(shí)現(xiàn)恒流輸出。運(yùn)算放大器同相端電壓為采樣電阻上的分壓，反相端反饋電阻采用可編程數(shù)字電位器。數(shù)字電位器選擇TPL0501（封裝為SOT-23）。TPL0501是一個(gè)單通道、具有256個(gè)雨刷器位置的線性電阻分布的數(shù)字電位器，可被用作3-終端電位器或作為2-終端可變電阻器。TPL0501目前提供100kΩ的端電阻。TPL0501使用三線SPI兼容的串行數(shù)據(jù)接口。三個(gè)輸入接口：芯片選擇（CS），數(shù)據(jù)時(shí)鐘（SCLK），數(shù)據(jù)輸入（DIN）。驅(qū)動器CS為低電平串行接口，時(shí)鐘數(shù)據(jù)同步到SCLK的上升沿移位寄存器。再將數(shù)據(jù)加載到移位寄存器，驅(qū)動CS高存到適當(dāng)?shù)碾娢黄骺刂萍拇嫫骱徒么薪涌?。把CS低在整個(gè)串行數(shù)據(jù)流，以避免數(shù)據(jù)損壞。TPL阻值與對應(yīng)數(shù)據(jù)表表5TPL阻值與對應(yīng)數(shù)據(jù)StepBinary100kΩRHW/RWLRHW(kΩ)RWL(kΩ)01234567801100.000.390.781.171.561.952.342.733.13100.0099.6199.2298.8398.4498.0597.6697.2796.880.000.000.010.010.020.020.020.030.03111001011101111000910011010101111001101111011113.523.914.304.695.085.475.866.256.6496.4896.0995.7095.3194.9294.5394.1493.7593.360.040.040.040.050.050.060.060.070.07101112131415161710000100011819202122232425262728293031323310010100111010010101101101011111000110011101011011111001110111110111111000001000017.037.427.818.208.598.989.389.7710.1810.5510.9411.3311.7212.1112.5012.8992.9792.5892.1991.8091.4091.0290.6390.2389.8489.4589.0688.6788.2887.8987.5089.110.080.080.080.090.090.040.15343536373839404142434445464748495051525310001010001110010010010110011010011110100010100110101010101110110010110110111010111111000011000111001011001111010011010113.2813.6714.0614.4514.8415.2315.6316.0216.4116.8017.1917.5617.9718.3618.7519.1419.5319.9220.3120.7086.7288.3385.9485.5584.7784.3883.9883.5983.2082.8182.4282.0381.6481.2580.8680.4780.0679.6979.3078.9050.250.26545556575859606111011011011111100011100111101011101111110011110121.0921.4621.8622.2722.6623.0523.4423.8378.5278.1377.7377.3476.9576.5676.1775.780.270.270.280.290.290.300.310.3162636465666768697011111011111124.2224.6125.0025.3925.7626.1726.6626.9527.3475.3975.0074.6174.2273.8373.4472.6672.2771.880.320.330.330.340.350.350.360.370.381000000100000110000101000011100010010001011000110……………...2501111101097.6698.0598.4498.6399.2299.612.341.951.551.170.780.3941.5750.2063.0084.33127.00255.002512522532542551111101111111100111111011111111011111111TPL0501SPI時(shí)序如圖3-6：圖3-6TPL0501數(shù)字電位器引腳如圖3-7：圖3-73.4輸出電壓、電流采集顯示輸出電壓經(jīng)過兩個(gè)100K電阻分壓后直接送進(jìn)STC12C5A60S2單片機(jī)一路IO口完成AD轉(zhuǎn)換，AD轉(zhuǎn)換后將數(shù)據(jù)送到P0口，編程控制LCD1602顯示出對應(yīng)的電壓值。輸出端與負(fù)載串聯(lián)了一個(gè)0.1Ω（誤差0.1%）采樣電阻，輸出電流就是流過采樣電阻的電流。設(shè)計(jì)中選用專門的電流檢測芯片INA168對電流完成檢測。INA168將待檢測電流轉(zhuǎn)換成電壓輸出。其關(guān)系為VO=ISRSRL/5k，將得到的電壓VO送進(jìn)單片機(jī)另一路IO口完成AD轉(zhuǎn)換，控制LCD1602液晶顯示對應(yīng)電流大小。STC12C5A60S2單片機(jī)的AD轉(zhuǎn)換口在P1口，有8路10位高速A/D轉(zhuǎn)換器，速度可達(dá)到250KHz。8路電壓型輸入A/D，可做溫度檢測、電池電壓檢測、按鍵掃描等。上電復(fù)位后P1口為弱上拉型IO口。STC12C5A60S2單片機(jī)A/D轉(zhuǎn)換原理如圖3-8所示：圖3-8STC12C5A602單片機(jī)ADC由多路選擇器、比較器、逐次逼近寄存器、10DAC、轉(zhuǎn)換結(jié)果寄存器以及ADC_CONTR構(gòu)成。STC12C5A602單片機(jī)的ADC是逐次比較型ADC，逐次比較型ADC由一個(gè)比較器和D/A轉(zhuǎn)換器構(gòu)成，通過逐次比較邏輯，從最高位（MSB）開始，順序的對每一輸入電壓與內(nèi)置的DA轉(zhuǎn)換器輸出進(jìn)行比較，經(jīng)過多次比較，使轉(zhuǎn)換所得的數(shù)字量逐次逼近輸入模擬量的對應(yīng)值。從圖3-8可以看出，通過多路模擬開關(guān)，將通過ADC0-7的模擬量輸入送給比較器。用D/A轉(zhuǎn)換的模擬量與本次輸入的模擬量通過比較器進(jìn)行比較，將比較結(jié)果保存到逐次比較器，并通過逐次比較器輸出轉(zhuǎn)換結(jié)果。A/D轉(zhuǎn)換結(jié)束后，最終的結(jié)果保存到ADC轉(zhuǎn)換結(jié)果寄存器ADC_FLASH。同時(shí)，置位ADC_CONTR中的AD轉(zhuǎn)換結(jié)果標(biāo)志位ADC_FLASH，以供程序查詢或發(fā)出中斷申請。INA168和電流監(jiān)測高側(cè)，單極電流并聯(lián)監(jiān)視器，輸入共模電壓范圍寬。輸入共模和電源電壓是獨(dú)立的可以從2.7V至36V的INA168范圍2.7V—60V的電流監(jiān)測。靜態(tài)電流僅為25μA，這允許連接電源的任何一側(cè)具有最小誤差的分流電流測量。在圖3-9的電路，輸入電壓（VIN+，VIN–）等于RS和輸出電壓、輸出電壓，等于IO?RL的跨導(dǎo)。INA168是200μ/V的完整的傳遞函數(shù)為本設(shè)計(jì)的應(yīng)用測量放大器。最大差分輸入電壓的精確測量為0.5V，產(chǎn)生一個(gè)100μA輸出電流多達(dá)2V的差分輸入電壓不會造成損害。差分測量（引腳3和4）必須是單極應(yīng)用到引腳3正向的電壓。如果一個(gè)無效電壓應(yīng)用到引腳3，輸出電流IO將是零，但不會造成損害。INA168檢測原理電路如下：圖3-9已知系統(tǒng)中Is=1.5A，Rs=0.1Ω，STC12C5A60S2單片機(jī)A/D轉(zhuǎn)換參考電壓為供電電壓Vcc，采樣電阻上的電壓Vs=Is×Rs=0.1×1.5=0.15V。為了能滿足輸入電壓要求取RL=100K，采樣電壓達(dá)到3V才能滿足采樣要求。該電壓送到單片機(jī)A/D轉(zhuǎn)換I/O口，編程控制完成ADC過程。INA168管腳如圖3-10：圖3-103.5過壓、過溫保護(hù)系統(tǒng)設(shè)計(jì)要求充電電壓超過8.4V，充電溫度超過60℃時(shí)，關(guān)斷充電電路。保護(hù)電路主要又LM339N比較器和邏輯或非門組成。在比較器同相端電壓超過設(shè)定值時(shí)電路產(chǎn)生控制信號，并傳送到控制電路輸入端?？刂齐娐酚?050NPN三極管組成共射極開關(guān)電路，可以完成對LM2576-ADJ開通和關(guān)斷控制。LM339N包括四個(gè)獨(dú)立工作電壓比較器，從一個(gè)單一的電源很寬的范圍內(nèi)電壓。這兩者之間的分別供應(yīng)2V至36V，VCC至少是1.5V輸入共模電壓。漏極電流是獨(dú)立的電源電壓。輸出可以連接到其他的集電極開路輸出實(shí)現(xiàn)。LM339和LM339N的操作特點(diǎn)是從0°C～70°C。LM339N內(nèi)部結(jié)構(gòu)圖3-10圖3-10LM339N管腳圖3-11圖3-11設(shè)計(jì)中過壓、過溫保護(hù)分別使用LM339N比較器，通過外圍電路的輔助電氣關(guān)系完成在輸出電壓和溫度達(dá)到門限時(shí)電路停止工作。一般三極管都是正向?qū)ǎ聪蚪刂?。加在二極管上的反向電壓如果超過二極管的承受能力，二極管就被要擊穿損毀。但是有一種二極管，它的正向特性與普通二極管相同，而反向特性卻比較特殊：當(dāng)反向電壓加到一定程度時(shí)，雖然管子呈現(xiàn)擊穿狀態(tài)，通過較大電流卻不損毀，并且這種現(xiàn)象的重復(fù)性很好；相反，只要管子處在擊穿狀態(tài)，盡管流過管子的電流變化很大，而管子兩端的電壓卻變化極小，起到穩(wěn)壓作用。這種特殊的二極管叫穩(wěn)壓管。穩(wěn)壓管是利用反向擊穿區(qū)的穩(wěn)壓特性進(jìn)行工作的，因此，穩(wěn)壓管在電路中要反向連接。穩(wěn)壓管的反向擊穿電壓稱為穩(wěn)定電壓，不同類型穩(wěn)壓管的穩(wěn)定電壓也不一樣，某一型號的穩(wěn)壓管的穩(wěn)壓值固定在一定范圍。實(shí)際應(yīng)用中，如果選擇不到穩(wěn)壓值符合需要的穩(wěn)壓管，可以選用穩(wěn)壓值較低的穩(wěn)壓管，然后串聯(lián)一只或幾只硅二極管“枕墊”，把穩(wěn)定電壓提高到所需數(shù)值。這是利用硅二極管的正向壓降為0．6～0．7V的特點(diǎn)來進(jìn)行穩(wěn)壓。因此，二極管在電路中必須正向連接，這與穩(wěn)壓管不同。圖3-12NTC負(fù)溫度系數(shù)傳感器是NegativeTemperatureCoefficient的縮寫，意思是負(fù)溫度系數(shù)，泛指負(fù)溫度系數(shù)很大的半導(dǎo)體材料或元器件。所謂NTC溫度傳感器就是負(fù)溫度系數(shù)溫度傳感器。它是以錳、鈷、鎳和銅等金屬氧化物為主要材料，采用陶瓷工藝制造而成的。這些金屬氧化物材料都具有半導(dǎo)體性質(zhì)，因?yàn)樵趯?dǎo)電方式上完全類似鍺、硅等半導(dǎo)體材料。溫度低時(shí)，這些氧化物材料的載流子（電子和空穴）數(shù)目少，所以其電阻值較高；隨著溫度的升高，載流子數(shù)目增加，所以電阻值降低。NTC溫度傳感器在室溫下的變化范圍在100~1000000Ω，溫度系數(shù)-2%~-6.5%。NTC溫度傳感器可廣泛應(yīng)用于溫度測量、溫度補(bǔ)償、抑制浪涌電流等場合。NTC熱敏電阻的溫度特性可用下式近似表示：式中：RT：溫度T時(shí)零功率電阻值。A：與熱敏電阻器材料物理特性及幾何尺寸有關(guān)的系數(shù)。B：B值。T：溫度（k）。更精確的表達(dá)式為：（公式12）式中：RT：熱敏電阻器在溫度T時(shí)的零功率電阻值。T：為絕對溫度值，K；A、B、C、D：為特定的常數(shù)。3.6PI控制原理PI設(shè)計(jì)過程部分包括檢測比較、控制器、執(zhí)行器。通過比較測量值與給定值產(chǎn)生偏差信號，控制器對偏差信號修正處理，執(zhí)行器對輸出部分調(diào)整并控制，使系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)自我調(diào)整、穩(wěn)定工作。圖6-1比例(P)控制（公式13）比例控制能迅速反應(yīng)誤差，從而減少穩(wěn)態(tài)誤差。除了系統(tǒng)控制輸入為0和系統(tǒng)過程值等于期望值這兩種情況，比例控制都能給出穩(wěn)態(tài)誤差。當(dāng)期望值有一個(gè)變化時(shí)，系統(tǒng)過程值將產(chǎn)生一個(gè)穩(wěn)態(tài)誤差。但是比例控制不能消除穩(wěn)態(tài)誤差。比例放大系數(shù)的加大會引起系統(tǒng)的不穩(wěn)定。響應(yīng)曲線圖如圖6-2所示：圖6-2比例(P)控制階躍響應(yīng)積分(I)控制在積分控制中，控制器的輸出與輸入誤差信號的積分成正比關(guān)系。為了減小穩(wěn)態(tài)誤差，在控制器中加入積分項(xiàng)，積分項(xiàng)的誤差取決于時(shí)間的積分，隨著時(shí)間的增加積分項(xiàng)會增大。這樣，即使誤差很小，積分項(xiàng)也會隨著時(shí)間的增加而加大，它推動控制器的輸出增大使穩(wěn)態(tài)誤差進(jìn)一步減少，直到等于零。積分(I)和比例(P)通常一起使用，稱為比例+積分(PI)控制器，可以使系統(tǒng)在進(jìn)入穩(wěn)態(tài)后無穩(wěn)態(tài)誤差。如果單獨(dú)用積分(I)的話，由于積分輸出隨時(shí)間積累而逐漸增大，故調(diào)節(jié)動作緩慢，這樣會造成調(diào)節(jié)不及時(shí)，使系統(tǒng)穩(wěn)定裕下降。響應(yīng)曲線圖如圖6-3圖6-3積分(I)控制和比例積分(PI)控制階躍相應(yīng)比例+積分(PI)控制器（公式1）比較：PI比P少了穩(wěn)態(tài)誤差，PID比PI反應(yīng)速度更快并且沒有了過沖。PID比PI有更快的響應(yīng)和沒有了過沖。自動測試方法：為了確定過程的臨界周期Pc和臨界增益Kc，控制器會臨時(shí)使它的PI算法失效，取而代之的是一個(gè)ON/OFF的繼電器來讓過程變?yōu)檎袷?。這兩個(gè)參數(shù)很好的將過程行為進(jìn)行了量化以決定PID控制器應(yīng)該如何調(diào)整來得到理想的閉合回路性能。由STC12C5A60S2單片機(jī)組成的數(shù)字控制系統(tǒng)控制中，PI控制器是通過PI控制算法實(shí)現(xiàn)的。STC12C5A60S2單片機(jī)A/D對信號進(jìn)行采集，變成數(shù)字信號，再在單片機(jī)中通過算法實(shí)現(xiàn)PI運(yùn)算，再把控制量反饋回控制源。PI調(diào)節(jié)程序如下：ypedefstructPI{doubleSetPoint;doubleProportion;//比例常數(shù)ProportionalConstdoubleIntegral;//積分常數(shù)IntegralConst//設(shè)定目標(biāo)DesiredvaluedoubleLastError;//Error[-1]doublePrevError;//Error[-2]doubleSumError;//SumsofErrors}PI;/*==========================================================PI計(jì)算部分==========================================*/doublePICalc(PI*pp,doubleNextPoint){doubledError,Error;Error=pp->SetPoint-NextPoint;pp->SumError+=Error;//偏差//積分pp->PrevError=pp->LastError;pp->LastError=Error;return(pp->Proportion*Error//比例項(xiàng)+pp->Integral*pp->SumError//積分項(xiàng));}/*==========================================================InitializePIStructurePI參數(shù)初始化==========================================*/voidPIInit(PI*pp){memset(pp,0,sizeof(PI));}4系統(tǒng)設(shè)計(jì)4.1供電電源設(shè)計(jì)BUCK電路輸入直流電源電壓為10V～25V，系統(tǒng)中STC12C5A60S2、LCD1602液晶顯示、TPL0501等供電由LM7805將10V～25V的輸入電壓穩(wěn)定后提供。用78/79系列三端穩(wěn)壓IC來組成穩(wěn)壓電源所需的外圍元件極少，電路內(nèi)部還有過流、過熱及調(diào)整管的保護(hù)電路，使用起來可靠、方便，而且價(jià)格便宜。該系列集成穩(wěn)壓IC型號中的78或79后面的數(shù)字代表該三端集成穩(wěn)壓電路的輸出電壓，如7806表示輸出電壓為正6V，7909表示輸出電壓為負(fù)9V。因?yàn)槿斯潭煞€(wěn)壓電路的使用方便，電子制作中經(jīng)常采用。LM7805的內(nèi)部框圖為圖4-1，其電參數(shù)如表6。圖4-1表6LM7805的電參數(shù)參數(shù)符號測試條件最小值典型值最大值單位輸出電壓50mA＜I0＜1.0A,P0＜V0Tj=25℃5.004.85.0V5.2V4.755.2515WVi=7.5Vto20V線性調(diào)整率Tj=25℃,Vi=8Vto12V負(fù)載調(diào)整率Tj=25℃,I0=250mAto750mA△V0△V0Tj=25℃,Vi=7.5Vto25V1.6Tj=25℃,I0=5.0mAto1.5A4.0mV9100100mVmV50504mV靜態(tài)電流IQ△IQTj=25℃I0=5.0mAto1.0A0.3I0=5.0mAf=10HZto100kHZ,Ta=25℃f=120HZ,Vi=8Vto18VI0=T1.0A,j=25℃f=1kHZVi=35V,Ta=25℃Tj=25℃5.00.03mV0.88mVmV靜態(tài)電流變化率Vi=8Vto25V輸出電壓溫漂0.50.862△V0/△TmV/℃uV輸出噪音電壓VN42紋波抑制比輸入輸出電壓差輸出阻抗RRV0R0IscIpk732dBV152302.2mΩmAA短路電流系統(tǒng)設(shè)計(jì)原理圖如圖4-2。圖4-24.2BUCK降壓電路設(shè)計(jì)BUCK電路輸入電壓為10V～25V，使用主要元件有：輸入電容、LM2576-ADJ、電感、輸出電容、續(xù)流二極管（IN5822）。電路設(shè)計(jì)原理圖如圖4-3。圖4-3電路設(shè)計(jì)中輸入電容和輸出電容選擇1000uF/50V電解電容，電感選擇150uH工字形電感，續(xù)流二極管選擇1N5822。1N5822正向電流為3A，反向電壓20V～40V。4.3控制顯示電路設(shè)計(jì)系統(tǒng)控制器使用STC12C5A60S2單片機(jī)，通過編程PI算法對輸出電流控制使輸出電流恒為1.5A輸出。輸出電壓、輸出電流顯示由編程將數(shù)據(jù)送到單片機(jī)P0口，編程控制在LCD1602液晶上顯示出系統(tǒng)輸出電壓、輸出電流。STC12C5A60S2最小系統(tǒng)控制電路電路設(shè)計(jì)原理圖如圖4-4。圖4-4STC12C5A60S2單片機(jī)P1口選P1.2、P1.4，分別對輸出電壓、輸出電流采樣，完成A/D轉(zhuǎn)換。P0口與LCD1602液晶顯示的八位數(shù)據(jù)位對應(yīng)連接，完成ADC后數(shù)據(jù)被送到P0口，在LCD1602液晶上顯示電壓、電流值。LCD1602液晶顯示電路原理圖設(shè)計(jì)如圖4-5。圖4-54.4輸出電壓、電流檢測電路設(shè)計(jì)輸出電壓檢測，在輸出端通過兩個(gè)串聯(lián)100K的電阻分壓，獲得的分壓電壓直接送到單片機(jī)P1.4口完成ADC轉(zhuǎn)換。設(shè)計(jì)電路圖如圖4-4。輸出電流檢測由0.1Ω采樣電阻（精度為0.1‰），INA168集成IC芯片組成。通過公式Vo=Is×Rs×RL/5k可推導(dǎo)得到電流I=Is。檢測電路原理圖設(shè)計(jì)如圖4-4。4.5輸出恒定電流電路設(shè)計(jì)系統(tǒng)輸出電流的大小主要是控制采樣電阻兩端的電壓，Is=Vs/Rs。采樣電阻，同相放大器和LM2576-ADJ構(gòu)成反饋電路。LM2576-ADJFeedBack引腳電壓為1.23V，通過控制運(yùn)算放大器反饋電阻的大小可控制輸出電流的大小。系統(tǒng)中反饋電阻使用可編程數(shù)字電位器TPL0501。其數(shù)字電位器的大小由編程實(shí)現(xiàn)調(diào)節(jié)從而實(shí)現(xiàn)對輸出電流的控制，程序中采用數(shù)字PI算法控制的方法對數(shù)字電位器的大小控制，完成對輸出電流的控制。電路原理圖設(shè)計(jì)如圖4-6、4-7圖4-6圖4-74.6過溫、過壓保護(hù)電路設(shè)計(jì)系統(tǒng)設(shè)計(jì)要求當(dāng)充電壓超過設(shè)定門限，充電溫度超過設(shè)定門限時(shí)電路具有自我關(guān)斷保護(hù)功能。該部分的保護(hù)電路主要使用元件有：LM339N、穩(wěn)壓二極管1N4738、NTC負(fù)溫度系數(shù)傳感器、74LS02邏輯或非門、8050三極管等。過壓保護(hù)將輸出電壓分壓得到的分壓送到比較器同相端與穩(wěn)壓二極管穩(wěn)定電壓比較，當(dāng)輸出電壓超過門限時(shí)，比較器輸出由低電平變換高電平。同理過溫保護(hù)則是利用NTC負(fù)溫度系數(shù)隨溫度的升高電阻值變化而得到不同的分壓，有設(shè)定60℃的電位器分壓比較，在溫度超過設(shè)定門限是比較器輸出電平變化。電路設(shè)計(jì)原理圖如圖4-7圖4-8兩路比較器的輸出電信號送到邏輯或非門，輸出端驅(qū)動8050三極管。只要有一種保護(hù)電路被啟動，都會使控制端輸出關(guān)斷信號，使LM2576-ADJ停止工作。電路設(shè)計(jì)原理圖如圖4-8圖4-95軟件設(shè)計(jì)5.1軟件設(shè)計(jì)原理及設(shè)計(jì)所用工具本設(shè)計(jì)所用工具為C編譯器-IAREmbeddedWorkbench，是IARSystems公司的一款開發(fā)工具。在本次設(shè)計(jì)中，軟件實(shí)現(xiàn)的主要功能是通過中斷、A/D轉(zhuǎn)換后將系統(tǒng)輸出電壓、輸出電流在LCD1602上顯示。同時(shí)控制3個(gè)LED燈對電壓大小分段進(jìn)行顯示提示。5.2軟件設(shè)計(jì)結(jié)構(gòu)圖軟件設(shè)計(jì)結(jié)構(gòu)圖如圖5-1所示。圖5-16系統(tǒng)測試6.1主要測試儀器、儀表表7測試儀器、儀表儀滑動變阻器示波器可調(diào)式直流穩(wěn)壓恒流電源數(shù)字萬用表器型號精度0.05%3%廠商上海愛鎮(zhèn)電器廠Bx7-14UTD2102CELDK08006384VC890D+0.1%4位半粵制6.2系統(tǒng)測試6.2.1測試方法測試使用學(xué)生可調(diào)式直流穩(wěn)壓電源、數(shù)字萬用表、滑動變阻器、示波器等。測試時(shí)通過改變滑動變阻器阻值，分別測得輸出電壓和對應(yīng)的輸出電流大小。最后對測得的多組數(shù)據(jù)進(jìn)行比較、分析和計(jì)算。并計(jì)算出每組數(shù)據(jù)電源工作效率數(shù)值。6.2.2測試參數(shù)記錄表及測試數(shù)據(jù)表8參數(shù)記錄及測試數(shù)據(jù)實(shí)際電壓顯示電壓實(shí)際電流顯示電流輸入電壓總電流效率實(shí)際效率65.38%70.38%79.68%81.73%81.81%88.18%88.59%88.48%89.32%88.33%89.83%87.96%93.12%89.78%91.09%91.52%84.26%85.30%60.36%2.00V2.36V3.12V3.52V3.93V4.07V4.52V5.13V5.53V6.07V6.28V6.52V6.89V7.13V7.71V7.92V7.94V8.38V2.22V2.052V2.410V3.058V3.614V3.876V4.088V4.632V5.309V5.558V6.146V6.166V6.624V6.874V7.261V7.759V7.999V7.999V8.283V2.261V1.53A1.53A1.54A1.73A1.63A1.56A1.57A1.63A1.57A1.58A1.57A1.53A1.63A1.67A1.51A1.56A1.49A1.53A1.49A1.587A1.585A1.585A1.668A1.624A1.507A1.587A1.507A1.585A1.585A1.585A1.507A1.664A1.668A1.507A1.521A1.489A1.518A1.507A9.0V9.0V9.0V9.0V9.0V9.0V9.0V9.0V9.0V9.0V9.0V9.0V9.0V9.0V9.0V9.0V9.0V9.0V13.7V0.52A0.57V0.67A0.78A0.87A0.80A0.89A1.05A1.03A1.10A1.12A1.10A1.34A1.35A1.42A1.31A1.27A1.30A0.40A68.27%72.58%78.86%80.72%75.44%85.56%87.63%84.66%88.36%86.53%87.96%88.03%89.14%87.32%91.49%89.52%84.83%83.65%71.77%2.55V3.73V2.559V3.785V1.56A1.56A1.507A1.584A13.7V13.7V0.48A0.59A58.64%74.17%60.49%71.99%4.20V4.70V5.22V6.16V6.65V7.10V7.54V7.77V8.03V8.34V2.25V2.57V3.78V4.28V4.80V5.52V6.03V6.53V7.03V4.124V4.781V5.209V6.036V6.793V7.222V7.670v7.829V8.103V8.298V2.291V2.643V3.745v4.324V4.931V5.409V6.096V6.594V7.112V1.63A1.63A1.63A1.63A1.65A1.65A1.63A1.51A1.52A1.49A1.56A1.63A1.64A1.64A1.71A1.71A1.71A1.71A1.70A1.587A1.587A1.507A1.587A1.583A1.588A1.534A1.489A1.531A1.509A1.584A1.507A1.585A1.587A1.588A1.893A1.589A1.585A1.608A13.7V13.7V13.7V13.7V13.7V13.7V13.7V13.7v13.7V13.7V17.2V17.2V17.2V17.2V17.2V17.2V17.2V17.2V17.2V0.71A0.77A0.86A0.96A1.02A1.07A1.14A1.08A1.21A1.16A0.41A0.42A0.52A0.54A0.62A0.73A0.80A0.84A0.91A67.28%73.28%70.16%72.83%76.95%77.99%75.33%78.31%74.83%78.79%51.46%55.13%66.36%73.88%73.43%68.45%70.39%72.33%73.06%70.38%67.28%72.21%76.34%78.52%79.91%78.69%79.29%73.63%78.19%49.77%57.99%69.31%73.43%76.96%75.17%74.93%77.28%76.35%7.60V7.83V8.32V7.759V7.909V8.169V1.70A1.73A1.70A1.585A1.507A1.508A17.2V17.2V17.2V0.98A0.98A1.02A72.96%70.71%70.15%76.64%80.36%80.62%6.3測試結(jié)果分析通過測試數(shù)據(jù)可看出電元設(shè)計(jì)輸出電流比較穩(wěn)定，PI調(diào)節(jié)后電流在1.5A附近波動，其充電效率達(dá)到了設(shè)計(jì)要求。7結(jié)論本文圍繞鋰電池充電模塊設(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、充電模塊的設(shè)計(jì)思想和系統(tǒng)結(jié)構(gòu)。本文所設(shè)計(jì)充電模塊以STC12c5A60s2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)境溫度采樣電路、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)，通過具體的硬件電路設(shè)計(jì)，實(shí)現(xiàn)了電池充電、LED指示、保護(hù)機(jī)制等充電器所需要的基本功能。在本次設(shè)計(jì)中，軟件實(shí)現(xiàn)的主要功能是通過中斷、A/D轉(zhuǎn)換后將系統(tǒng)輸出電壓、輸出電流在LCD1602上顯示，同時(shí)控制3個(gè)LED燈對電壓大小分段進(jìn)行顯示提示。本次設(shè)計(jì)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，由于個(gè)人在知識面和能力方面還有限，再加上條件的限制，基于單片機(jī)控制的鋰電池充電模塊各項(xiàng)技術(shù)指標(biāo)的提高、諸多功能的完善還需要進(jìn)一步的研究和開發(fā)，此外在完成基本功能的基礎(chǔ)上，還需要努力提高軟件的效率、硬件系統(tǒng)的穩(wěn)定性、進(jìn)一步降低系統(tǒng)功耗等?？偨Y(jié)與體會本文圍繞鋰電池充電模塊設(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、充電模塊的設(shè)計(jì)思想和系統(tǒng)結(jié)構(gòu)。本文所設(shè)計(jì)充電模塊以STC12c5A60s2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)境溫度采樣電路、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)，通過具體的硬件電路設(shè)計(jì)，實(shí)現(xiàn)了電池充電、LED指示、保護(hù)機(jī)制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。未來的鋰離子電池將會具有更高的能量密度，更小的體積和更輕的重量。隨著對鋰離子電池的深入研究，對電池各種參數(shù)的了解將越來越多，也越來越精確。與其相應(yīng)的新的充電方法和充電控制也會誕生，今后也必將會出現(xiàn)更新更好的鋰離子電池充電器芯片。謝辭在論文完成之際，我心中洋溢著成功的喜悅，但更多的是對老師和同學(xué)的感激，正是在他們的幫助和鼓勵下，我的畢業(yè)設(shè)計(jì)才得以順利完成。本畢業(yè)設(shè)計(jì)是在老師的悉心指導(dǎo)下完成的，老師不僅對我的本科生學(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)也要感謝圖書館這個(gè)知識的海洋，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)查閱書籍，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，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、幫助我的老師、同學(xué)以及廣大的親朋好友們。參考文獻(xiàn)[1]童詩白,華成英.模擬電子技術(shù)基礎(chǔ).高等教育出版社,2006:9-214[2]閻石.數(shù)字電子技術(shù)基礎(chǔ).高等教育出版社,2005:66-135[3]丁元杰.單片微機(jī)原理及應(yīng)用.機(jī)械工業(yè)出版社,2005:1-363[4]彭介華.電子技術(shù)課程設(shè)計(jì)指導(dǎo).高等教育出版社,2010:261-274[5]譚浩強(qiáng).C程序設(shè)計(jì)教程.清華大學(xué)出版社,2008:1-311[6]譚浩強(qiáng).C程序設(shè)計(jì)教程學(xué)習(xí)輔導(dǎo).清華大學(xué)出版社,2008:3-185[7]彭穎.一種鋰離子電池充電器芯片的設(shè)計(jì)[D].華中科技大學(xué),2005[8]D.Linden.HandbookofBatteries[J].McGraw-Hill,2003（1）:34～35[9]ZhangW，SkeltonD，MartinezR.Modelingandanalysisofanoff-linebatterychargerforsinglecelllithiumbatteries[J].IEEECircuitsandSystems,2004,2（4）:1796～1802[10]欒城強(qiáng).單節(jié)鋰離子電池充電器[J].電子技術(shù)應(yīng)用,2006（5）:32～34[11]洪敏.二次鋰離子電池性能介紹[J].工業(yè)材料,2002（4）:23～25[12]左平.靈活的電池充電器解決方案[J].電子設(shè)計(jì)應(yīng)用,2008（4）:128～129[13]盛麗.鋰離子電池智能充電器的硬件設(shè)計(jì)[D].遼寧廣播電視大學(xué),2008[14]文豐.鋰離子電池智能充電器的設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)[J].微計(jì)算機(jī)信息,2008,2（13）:310～315附錄程序源代碼如下#include<STC12C5A60S2.h>#defineuintunsignedint#defineucharunsignedcharsbiten=P3^4;sbitrs=P3^5;sbitSCLK=P2^4;sbitCS=P2^2;sbitDIN=P2^1;sbitled1=P2^5;sbitled2=P2^6;sbitled3=P2^7;ucharcodetable1[]={0x30,0x31,0x32,0x33,0x34,0x35,0x36,0x37,0x38,0x39,0x2e,0x56,0x41};uchartable2[6];uchartable3[]="Vout=";uchartable4[]="I=";uchartable5[5];floatI;floatA0,B0;uintR=0x80;ypedefstructPI{doubleSetPoint;//設(shè)定目標(biāo)DesiredvaluedoubleProportion;//比例常數(shù)ProportionalConstdoubleIntegral;//積分常數(shù)IntegralConstdoubleLastError;//Error[-1]doublePrevError;//Error[-2]doubleSumError;//SumsofErrors}PI;voiddelay(uintz){uintx,y;for(x=z;x>0;x--)for(y=110;y>0;y--);}/*==========================================================PI計(jì)算部分==========================================*/doublePICalc(PI*pp,doubleNextPoint){doubledError,Error;Error=pp->SetPoint-NextPoint;pp->SumError+=Error;//偏差//積分pp->PrevError=pp->LastError;pp->LastError=Error;return(pp->Proportion*Error//比例項(xiàng)+pp->Integral*pp->SumError//積分項(xiàng));}/*==========================================================InitializePIStructurePI參數(shù)初始化==========================================*/voidPIInit(PI*pp){memset(pp,0,sizeof(PI));}voidPI(){PIsPI;//PIControlStructuredoublerOut;//PIResponse(Output)doublerIn;//PIFeedback(Input)PIInit(&sPI);//InitializeStructuresPI.Proportion=0.5;//SetPICoefficientssPI.Integral=0.5;sPI.SetPoint=100.0;//SetPISetpointfor(;;)