数字式智能充电器毕业设计论文Word下载.docx
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KEYWORDS:
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目 录
前 言
伴随着电子技术的发展，充电电池被用作为移动电子设备提供能量的装置，其在许多方面的应用也越来越广泛。
目前使用的充电电池有很多类型，比如镍镉电池、镍氢电池、锂电池和小容量的密封铅酸蓄电池。
不同类型的电池具有不一样的充电特性。
现在市场上针对不同类型和电压，甚至不同容量等级的电池，需要有不同类型的充电器，这在平时的使用中有诸多不便。
因此，我设计了一种通用数字式智能型的充电器。
使用单片机技术的数字式智能充电器在我们国家的研究发展还比较晚，因为其体积小、动态响应速迅速、输出纹波小、效率高等特点，近年来受到国内外的广泛关注与研究，特别是在通信、电力等领域中，目前已经得到了普遍的研究和使用。
在国外市场大部分智能充电器都采用的充电方式更科学、合理，因此大大提高了充电电池的使用寿命，很大程度上降低了使用和维护成本，简化了充电过程，减少了操作人员的工作强度，市场前景非常广阔。
近年来，国内外技术人员正致力于智能充电器的研究，智能化程度高的充电器解决了动态跟踪电池能够接受充电电流曲线的关键技术，使充电电流始终与可以接受的充电电流保持良好的匹配关系，使充电过程保持在最佳状态下进行，比常规充电模式可节约30%-50%左右的电能，大大提高了充电的质量和效率，，为充电技术和充电设备的数字式智能化的发展闯出了一条新道路。
第1章绪论
随着越来越多的便携式电器的出现，对电池的性能、尺寸、重量等的要求也越来越高。
充电电池技术的不断进步同时也要求更复杂的充电算法来实现快速、安全的充电；
所以需要对充电过程的监控要求更精确，以便缩短充电时间、且能达到最大的电池容量，同时还要防止电池被损坏。
AVR在对充电技术的控制芯片领域中有了很丰富的经验，为下一代充电器的研发提供了多方面的技术支持。
AtmelAVR微处理器在当前市场上可以以单片方式提供Flash、EEPROM和10位ADC高效的8位RISC微处理器。
因为程序存储器为Flash，所以可以不用像MASKROM一样，有多少个软件版本就库存多少种型号。
Flash可以在发货之前进行编程，也可以在PCB贴装之后通过ISP编程，从而允许在最后的时间里进行软件更新。
EEPROM可以用来保存标定系数和不同类型电池的特性参数，10位A/D转换器可以提供足够的数据测量精度，使得充好后的电池容量更接近最大容量。
然而其他方案想达到此目的，可能还需要外部的ADC，不但占用PCB空间，也提高了产品成本。
1.1充电器的开发背景
目前为了更高效、快速、无损害地对电池进行有效的充电，一直是电池界里最关心的问题。
虽然电池的问世到现在有100多年的历史，但是以为技术条件的限制，其充电模式一直主要采用恒压、恒压限流、恒流等，这些充电方法不能遵从电池内部结构的物理化学规律，许多存在着很严重的过充和析气等现象。
现在的各种充电方法中，因为种种原因，充电电流不能根据电池的状态变化；
动态地跟踪理想的的充电电流曲线，因此充电质量和效果还不理想。
因为充电效率低，在充电过程时将会产生大量的气体析出，析气可以使电池正极板腐蚀，导致电池损坏，严重地缩短电池的使用寿命。
作为电池使用者来说，电池的管理维护非常重要，但高效、无伤害的充电器装置更是对改善电池的使用效率、延长电池的使用寿命起着很关键的作用。
所以，既能使能量利用效率提高和加快充电速度，又不影响电池的使用寿命的新型高效、快速、无损害的充电技术成为快速发展的现代电力电子技术一直关注的研究方向。
随着信息电子技术的发展，电池逐渐的应用到各大领域，例如说汽车、轮船、通信和各种电子产品等。
所以，研制出一种能快速充电且可以延长电池寿命的充电器也就成为了现在很重要的任务。
如何改善充电器的充电质量需要从两个方面来考虑，第一是充电技术，第二是硬件电路的设计。
伴随着快速高频电力电子器件的产生和功能强大的集成芯片的不断出现，数字式智能充电器的功能将会在将来越来越完善和安全。
1.2数字式智能充电器开发的基本要求
从20世纪60年代用于商业的镍镉和密封铅酸蓄电池一直到最近几年的镍氢和锂离子电池，可充电电池的容量和性能有了快速的发展。
现在各种电器或电子设备使用的充电电池主要有密封铅酸蓄电池（SLA）、镍氢电池（Ni-MH）、镍镉电池（Ni-CD）和锂电池（Li-Ion）四种类型。
电池充电是通过逆向的化学反应将其能量存储到化学系统里来实现的。
因为使用的化学物质的不同，所以不同的电池有自己的特性。
设计充电器时需要仔细研究这些特性来防止过度充电给电池造成不必要的伤害。
目前，市场上大部分销售的是旅行充电器，如果严格地从充电电路上分析，仅有很少部分的充电器才能被真正意义上称为智能充电器，随着越来越多的便携式电器的出现，对小尺寸、轻重量、高性能的电池充电器的需求也逐渐变大。
电池技术的不断进步也同时需求更复杂的充电算法以实现安全、快速地充电，所以，要求对充电过程的监控更精确（例如对充放电电流、温度、充电电压等的监控），以便缩短充电的时间，来达到最大的电池容量，并且能够防止电池损坏。
因此，智能型充电电路一般包括了恒流和恒压控制电路路、电池电压和电流的监测电路、电池温度检测电路、外部显示电路（LCD或LED显示）等基本单元。
第2章方案的选择
2.1方案选择的原理
对于充电电池，传统的充电方法主要是恒流充电、恒压充电或两者结合充电等方法，这些充电方法都没有动态的跟踪电池能够接受的充电电流的大小，事实证明这些充电方法不仅充电时间长而且比较容易对电池过冲，缩短了电池的寿命。
本设计通过对恒流充电和恒压充电两种方法的改进，实现了另一种传统的充电方法，即分段式充电方法。
此种方法包括了三阶段充电法和二阶段充电法。
二阶段充电方法，采用恒电压和恒电流相结合的快速充电的方法。
首先，使用恒电流充电到达预定的电压值，然后，再改为恒电压完成最后的充电。
一般两阶段之间转换的电压也就是第二阶段的恒压。
三阶段充电法，开始是采用恒流充电法至设定的电压值之后转为第二阶段，即高恒压充电阶段，当充电电流小到设定值之后就转为了第三阶段充电，即涓流充电，此时的电压值变为浮充电压。
2.2方案选择的特点
上述传统的充电方法优点是：
技术实现比较简单，基本能够满足充电要求，而且成本低。
缺点是：
它不能区别电池的放电深度；
而且容易造成过充电，以至于使电池内部电压过高，造成严重的极化现象，使电池的失水过多，对充电电池造成不能恢复的伤害，缩短电池的寿命。
针对传统的充电方法；
其充电时间长和不安全等特点，目前国内提出了一些新的比较快速的充电方法，比如说变电流间歇充电方法、分阶段充电法等，这些充电方法都是在传统充电方法上的改进，以满足马斯提出的最佳电池充电曲线。
分阶段充电法结合了恒压充电法和恒流充电法的特点，在充电第一阶段采用尽可能大的充电电流充电，使电池在短时间内充入尽可能多的容量，第二阶段采用恒压充电，最后采用涓流充电，使电池完全充满电。
它有更有效的防止了恒压充电法和恒流充电法中所存在的问题，实现相对简单，是近年来应用最为广泛的充电方法。
数字式智能充电方法是使实际充电电流能够动态跟踪能够接受的充电电流，此种充电方法不可能对电池造成过充电，而且充电时间比较短，一般在5~6个小时左右。
智能充电方法一般由智能控制回路、充电系统和电池组成，将检测到的电池的充电电流和充电电压送到控制模块；
根据电池可接受充电电流曲线来动态调整充电电流，让电池在析气最小的情况时充电，既能够延长电池的寿命，同时也能缩短充电时间。
目前尽管有很多不同的充电方法，但是因为各种条件的约束，仍然还不能达到最佳充电电流曲线的要求。
市场上使用的充电器最广泛的还是三阶段充电方法。
数字式智能充电器的系统图如下：
图2-1系统组成框图
第3章电池的充电特性和控制算法
3.1电池的充电特性
3.1.1锂离子电池
单节锂离子电池的正常工作电压为3.6V，充足电时的电压可达4.2V，放完电时的电压可降至2.7V。
锂离子电池通常采用恒流转恒压的充电方法。
如图3.1示出其典型的充电曲线。
锂离子电池先经过恒流充电，待电压上升至最高电压A点，即UA=4.2V后，转至恒压充电。
此时，电池端电压保持不变，充电电流会逐渐降低，待电流降至B点，即电流为恒流充电电流的1/10时，认为电池已充满电，终止充电。
图3-1锂离子电池的充电特性
3.1.2镍镉、镍氢电池
单节镍镉电池正常工作时的电压为1.2V，充电时其最高电压可达1.8V，放完电后，电压可降至1.0V以下。
充电时主要采用电池电压负增量（-ΔU）控制充电方法。
图3.2（a）示出其典型的镍镉电池充电曲线。
由图可见，在充电的起始状态，电池的端电压上升很快，经过A点后，电压缓慢上升至B点，然后电池电压又快速上升至最高点C。
从C点处开始继续充电，电池电压会下降，出现-ΔU，并且电池有明显的温升，此时可判定电池已充足电。
镍氢电池的特性与镍镉电池的基本相同，主要区别在于镍氢电池充电时，其最高电压约为1.65V，并且镍氢电池的记忆效应很弱。
图3.2（b）示出典型的镍氢电池充电曲线。
由图可见，其充电曲线与镍镉电池相似，在充电电压达到最高点C后镍氢电池的端电压变化比较平坦，继续充电会出现很小的-ΔU，但比镍镉电池的小，而且电池有明显的温升，此时可视其为零增量（0ΔU），判定电池已充足电。
根据镍镉、镍氢电池的充电特性，系统采取电压控制和温度控制。
图3-2镍镉、镍氢电池的充电特性
3.1.3密封铅酸蓄电池
通过研究发现电池的充电过程对电池寿命影响很大,放电过程的影响较少。
绝大多数的铅酸蓄电池不是用坏的,而是“充坏”的。
一个好的充电器对铅酸蓄电池的使用寿命具有非常大的影响。
单节密封铅酸电池的正常工作电压为1.5V，充满电时的电压可达2.4V，放完电时的电压可降至1V。
密封铅酸蓄电池通常采用三段式充电方法，即恒流转恒压，再到浮充到满为止。
如图3-3示出密封铅酸蓄电池的典型充电曲线。
此电池先经过偏大点的恒流充电，等待电压升高到最高点时，即UA=2.3V后，开始转至恒压充电。
此时，电池端电压要保持不变，充电电流将会逐渐降低，待电流降至最低点时，开始对电池进行浮充，此时电流应为恒流充电电流的1/10，认为此电池已充满电，然后终止充电。
图3-3密封铅酸蓄电池的充电特性
3.2电池的充电控制算法
在充电开始时，系统检测电池电压和温度，如果电池电压过低，则需要用小电流进行预充电，等到电池电压达到正常范围后，转入快充阶段，则用大电流进行充电。
在快充阶段，将采用恒流充电，若电流过大，将会损坏电池；
电流过小，将使充电时间过长，而且该系统采取-ΔU和零ΔU来判断电池是否充满，如果充电电流过小，则-ΔU变换不明显，所以充电电流不宜太小。
综合考虑，在快充阶段采用PID控制方法，参数的监测在测控系统中占有非常重要的地位，对信号进行采集与处理，实现对参数的测量、控制及显示，根据偏差的比例（P）、积分（I）、微分（D）来进行控制，目前它仍是控制系统一种最基本的控制算法.，在本设计中根据电压的变化情况，控制PWM的占空比，从而控制充电电流的变化，使电池电压按比较理想的充电模式变化，以能够达到最佳充电效果。
在充电过程中，为了可靠判断电池是否充满，系统采取多种方式来作为充电中止标志：
①针对镍镉电池，准确检测-ΔU，针对镍氢电池准确检测0ΔU，若检测到-ΔU和0ΔU，则停止充电；
②若电池的-ΔU变化不明显时，电池电压将持续出现极大值，若该极大值持续5min不变化时，认为电池充满；
③根据电池温度判断，若电池温度超过40℃，则停充。
第4章硬件设计
4.1系统控制电路的组成部分
整个系统的硬件设计组成部分主要包括MCU模块、电源模块、充放电模块、信号采集模块、按键和显示模块；
通过上述几个模块的有力配合，实现了对充电电池的有效充电。
4.1.1MCU模块
在硬件设计所用的单片机是Atmel公司生产的ATmega16高级8位AVR微处理器，它是目前市场上可以以单片方式提供Flash、EEPROM和10位ADC的最高效的8位RISC微处理器。
其所提供的10位A/D转换器能够提供足够高的测量精度，让电池充好后的容量更能接近它的最大容量。
如图4-1所示：
引脚说明：
（1）VCC：
5V电源
（2）GND：
地端
（3）端口A（PA7～PA0）：
端口A作为A/D转换器的模拟量输入端。
（4）端口B（PB7～PB0）：
端口B为8位双向I/O口，有可以对其编程的内部上拉电阻。
（5）端口C（PC7～PC0）：
端口C为8位双向I/O口，有可以对其编程的内部上拉电阻。
（6）端口D（（PD7～PD0）：
端口D为8位双向I/O口，有可以对其编程的内部上拉电阻。
它的输出缓冲器有对称的驱动特性，可以吸收和输出大电流。
使用输入模式时，如果内部上拉电阻生效，当端口被外部电路拉低时，将输出电流。
在复位的过程中，即便系统时钟还不能够起振，端口D也处于高阻状态。
（7）RESET：
复位的输入引脚；
将引起系统复位的条件是持续时间超过最小门限时间的低电平。
（8）XTAL1：
反向振荡放大器和片内时钟操作电路的输入端口。
（9）XTAL2：
振荡放大器的反向输出端口。
（10）AVCC：
AVCC是端口A与A/D转换器的电源。
不使用ADC时，该引脚应直接与VCC连接。
使用ADC时应通过一个低通滤波器与VCC相连。
（11）AREF：
A/D的模拟基准量输入引脚。
图4-1ATmega16单片机
4.1.2电源模块
图4-2反激式开关电源电路
在图4-2的电路中采用TOP224Y单片开关电源控制芯片构成35W的反激式开关电源，把我们输入的市电转换为5V和25V的直流电，供控制系统和充电主回路使用。
反激式是指当功率MOSFET管导通时，可以在高频变压器的初级绕组上将电能储存，仅当MOSFET管关断时，才能够向次级输送电能，因为开关频率高达100kHz，使得高频变压器可以快速存储和释放能量，经过高频整流滤波后就可以获得直流的连续输出。
这就是反激式电路工作的基本原理。
在反馈回路中通过控制TOPSwitch器件控制端的电流来调整占空比，来达到稳压的最终目的。
TOPSwitch系列芯片的漏极D和内部的MOSFET功率开关器件相连，外部通过主电源和负载电感相连，内部偏置电流是在启动状态下，通过内部开关式高压电源提供的，并且设置有电流检测。
控制极C用于占空比控制的反馈电流和误差放大器的输入引脚，与内部相并联的稳压器连接，提供反激式电源正常工作时的内部偏置电流，同时也是提供补偿功能的电容、旁路和自动重起连接点。
源极S和高压功率回路的MOSFET管的源极相连，同时做初级电路的公共点和参考点。
内部输出极MOSFET管的占空比随着控制引脚电流的增加而线性下降，控制电压的一般值为5.7V，最高电压为9V，控制端的最大工作电流为100mA。
在设计时还对阈值电压使用了温度补偿措施，以便消除因漏源导通电阻随着温度的变化而导致漏极电流的变化。
如果芯片结温高于135℃时，过热保护电路就将输出高电平，关断输出极。
此时控制电压Vc开始进入滞后调节模式，Vc端波形也将变为4.7V～5.7V幅度的锯齿波．如果要重新启动电路，需要断开电源后再接通电路开关，或者将Vc降到3.3V以下，再使用上电复位电路将内部的触发器置零，恢复MOSFET管的正常工作。
使用TOPSwitch系列设计得单片开关电源时所需要的外接元器件比较少，并且器件对输入总线瞬变和电路板布局的敏感性在很大程度上减少了，所以具有设计很方便、性价比更高、性能稳定等优点。
在芯片的选择上，设计主要考虑输入功率和电压。
从设计要求可知，输入电压的范围比较宽，输出功率35W，所以选择TOP224Y。
4.1.3充放电模块
图4-3电路为Buck拓扑结构，主要作用是对AC/DC输出的直流电压进行PWM斩波，得到充电所需要的充电电压和充电电流，其中PWM的占空比通过单片机根据电池的充电状态实时计算得到的。
对于需要放电的电池，在充电前先对其放电，可以达到消除其记忆效应，同时对电池的维护也起到关键性的作用。
图4-3充放电电路
4.1.4信号采集模块
电流取样电路，是把取样后的电流以电压形式送回到PWM比较器中去比较，从而决定输出的占空比。
如图4-3所示：
图4-3充电电流采集电路
从不同类型的电池的充电特性曲线能够看出，当单片机分析出电池电压达到最大值时，判断电池即充足电。
在充电的过程中，当电池电压达到设定值后，单片机就马上输出指令对电池进行停止充电。
这种控制方法的缺点是：
随着充电速率、环境温度等的变化，电池充电的最高电压也将跟随变化，因此，最高检测电压需要采取一定的温度补偿，并且还要根据充电速率进行适当的修正。
如果最高检测电压不可以随温度变化来自动调整，则低温时，电池将不能充满电，高温时，电池充足电后将会导致大电流过充。
这样，很可能降低电池寿命，并且损坏电池。
另外，电池组中各单体电池的最高充电电压也会有差别，因此采用这种方法不可能非常准确地判断电池已充足电。
当接入电池时，按下充电器开关，充电器开始工作，检测到电池两端有电压后，充电器开始充电。
当检测到电池两端的电压达到最大值时，确定充电已经充满，单片机调整PWM输出占空比，充电器自动转入浮充电状态，并发出声光报警。
如图4-4所示：
图4-4充电电压采集电路
为了避免使电池损坏，电池温度过低时不能马上进行快速充电过程；
在电池充满电后，如果继续充电，此时的电能将转化为电池的热能，在快速充电时电池将要快速升温，若停止充电，将造成电池损坏。
如图4.5：
图4-5温度采集电路
4.1.5按键和显示模块
通过键盘可以选择电池类型、端电压等待充电池参数，也可选择标充或放电模式，并可根据运行情况进行人工干预。
显示电路由LCD构成，用以显示充电时的电压、电流、温度和充电状态等，在人机交互时显示系统的状态参数。
如图4-6和4-7：
图4-6按键电路
图4-7显示电路
第5章软件设计
5.1用C语言开发单片机的优势
C语言是一种结构化程序设计编译型的语言，具有强大的处理功能和简单的语法结构，具有移植性好、编译效率高，可读性强和运行速度快等多种优点，可以实现直接对系统硬件进行操作。
对于目标系统用C语言来编写软件，可以增加软件的可读性，很大程度上减少开发时间，便于改扩和充进，从而开发出高性能、大规模的应用型系统。
它的优势如下：
（1）可以加快开发进度，如果程序量越大，用C语言的优势就越明显。
（2）不需要精通单片机的指令集和具体的硬件资料，也可以编出比较专业水平的程序，能符合硬件实际需求。
（3）能够实
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