基于单片机的充电器设计Word下载.docx
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为解决锂离子电池和镍氢/镍镉电池的充电问题，设计了一种以AT89S52单片机为核心的通用智能充电器，介绍了智能充电器的工作原理、设计特点和三种充电模式，详细讨论了系统的硬件构成及软件实现方法。
由于采用了高性能的微控制器及高分辨率的A/D转换电路，保证了充电器具有很高的精度。
关键词：
单片机A/D转换智能充电器硬件构成
1 概述
1.1 绪论
1.1.1课题背景
如今，随着越来越多的手持式电器的出现，对高性能、小尺寸、重量轻的电池充电器的需求也越来越大。
电池技术的持续进步也要求更复杂的充电算法以实现快速、安全的充电。
因此需要对充电过程进行更精确的监控，以缩短充电时间、达到最大的电池容量，并防止电池损坏。
与此同时，对充电电池的性能和工作寿命的要求也不断地提高。
从20世纪60年代的商用镍镉和密封铅酸电池到近几年的镍氢和锂离子技术，可充电电池容量和性能得到了飞速的发展。
目前各种电器使用的充电电池主要有镍镉电池（NiCd）、镍氢电池（NiMH）、锂电池（Li-Ion）和密封铅酸电池（SLA）四种类型。
电池充电是通过逆向化学反应将能量存储到化学系统里实现的。
由于使用的化学物质的不同，电池有自己的特性。
设计充电器时要仔细了解这些特性以防止过度充电而损坏电。
目前，市场上卖得最多的是旅行充电器，但是严格从充电电路上分析，只有很少部分充电器才能真正意义上被称为智能充电器，随着越来越多的手持式电器的出现，对高性能、小尺寸、轻重量的电池充电器的需求也越来越大。
电池技术的持续进步也要求更复杂的充电算法以实现快速、安全地充电，因此，需要对充电过程进行更精确地监控（例如对充、放电电流、充电电压、温度等的监控），以缩短充电时间，达到最大的电池容量，并防止电池损坏。
因此，智能型充电电路通常包括了恒流／恒压控制环路、电池电压监测电路、电池温度检测电路、外部显示电路（LED或LCD显示）等基本单元。
其框图如下：
图1-1智能充电器基本框图
1.1.2常见充电电池特性及其充电方式
电池充电是通过逆向化学反应将能量存储到化学系统里实现的，由于使用的化学物质的不同，电池的特性也不同，其充电的方式也不大一样。
电池的安全充电现代的快速充电器（即电池可以在小于3个小时的时间里充满电，通常是一个小时）需要能够对单元电压、充电电流和电池温度进行精确地测量，在充满电的同时避免由于过充电造成的损坏。
充电方法SLA电池和锂电池的充电方法为恒定电压法要限流；
NiCd电池和NiMH电池的充电方法为恒定电流法，且具有几个不同的停止充电的判断方法。
最大充电电流最大充电电流与电池容量（C）有关。
最大充电电流往往以电池容量的数值来表示。
例如，电池的容量为750mAh，充电电流为750mA，则充电电流为1C（1倍的电池容量）。
若涓流充电时电流为C/40，则充电电流即为电池容量除以40。
过热电池充电是将电能传输到电池的过程。
能量以化学反应的方式保存了下来。
但不是所有的电能都转化为了电池中的化学能。
一些电能转化成了热能，对电池起了加热的作用。
当电池充满后，若继续充电，则所有的电能都将转化为电池的热能。
在快速充电时这将使电池快速升温，若不及时停止充电就会造成电池的损坏。
因此，在设计电池充电器时，对温度进行监控并及时停止充电是非常重要的。
现代消费类电器主要使用如下四种电池：
•密封铅酸电池（SLA）
•镍镉电池（NiCd）
•镍氢电池（NiMH）
•锂电池（Li-Ion）
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（SLA）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和报警系统的备份电池。
SLA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），SLA电池可以无限制地充电。
镍镉电池（NiCd）NiCd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。
锂电池（Li-Ion）和本文中所述的其他电池相比，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。
镍氢/镍镉电池充电模式
这2种镍类电池具有相似的充电特性曲线，因而可以用一样的充电算法。
这2种电池的主要充电控制参数为-ΔV和温度θ．
对镍氢／镍镉电池由预充电到标准充电转换的判据为：
①单节电池电压水平0.6～1V；
②电池温度-5～0oC．电池饱和充电的判据为：
①电池电压跌落或接近零增长–ΔV=6～15mV／节；
②电池最高温度θmax＞50℃；
③电池温度上升率dθ/dt≥1.0℃／min。
由于温度的变化容易受环境影响,因而实际用于判别充电各阶段的变量主要为–ΔV、θmax，其中对–ΔV的检测需要有足够的A／D分辨率和较高的电流稳定度．-△V的测量与A/D分辨率、充电电流的稳定性与电池内阻之间有以下关系:
当电池内阻等于50Ω（接近饱和充电）时，充电电流=1200mA，电流漂移等于5%，单节电池的最高充电电压为1.58V，则此时电流漂移可能引起的电池电压变化为3mV。
在锂离子电池充电采样时，测量到的电压是电池的在线电压，一般在线电压要高于静态电压（与内阻有关）．在充电器设计中，对锂离子电池充电各阶段转换判断的测量参数只有在线电压，电压采样偏差小于0.05V．
智能充电器设置了一种自适应充电模式，在这种模式下，对未知型号的电池或放入某种电池后而未按相应的键，则充电器自动转入自适应充电模式．此时充电器将提供一种公共算法对电池进行预充电，并对其进行型号识别判断，然后转入相应的充电模式，显示相应的型号．具体做法为：
检测充电电池电压的变化率，并判断是否检测到有–ΔV。
如果检测到电池电压V特别高，且无–ΔV，则转入锂离子电池充电模式，否则进入镍类电池充电模式
1.1.3主要芯片的选择
单片机AT89S52，它是美国ATMEL公司生产的低电压，高性能COMS8位单片机，片内含4KB的可反复擦写的只读程序存储器（PEROM）和128B的随机存取数据存储器（RAM），同时片内置通用8位中央处理器（CPU）和FLASH存储单元，全面兼容标准的MCS-51指令系统，可适用于众多的控制领域.
1.1.4模数转换器
模数转换器，即A/D转换器，或简称ADC，通常是指一个将模拟信号转变数字信号为的电子元件。
通常的模数转换器是将一个输入电压信号转换为一个输出的数字信号。
由于数字信号本身不具有实际意义，仅仅表示一个相对大小。
故任何一个模数转换器都需要一个参考模拟量作为转换的标准，比较常见的参考标准为最大的可转换信号大小。
而输出的数字量则表示输入信号相对于参考信号的大小。
模数转换器最重要的参数是转换的精度，通常用输出的数字信号的位数的多少表示。
转换器能够准确输出的数字信号的位数越多，表示转换器能够分辨输入信号的能力越强，转换器的性能也就越好。
最后，我们选择24位精度高精度串行A/D转换器。
CS5522是CirrusLogic公司生产的24位高精度串行A/D转换器。
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。
CS5522的主要性能如下：
24位A/D转换精度；
低输入电流（100µ
A），内带一个斩波放大器；
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；
单/双极性缓冲输入，量程有25mv、55mv、100mv、1v、2.5v、5v等；
有单片机通信的三线接口或四线接口；
8种可选择的字速率；
具有数据转换FIFO；
低功耗：
5.5mW.
1.1.5温度传感器PT100
Pt100温度传感器还具有抗振动、稳定性好、准确度高、耐高压等优点。
铂热电阻的线性较好，在0~100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
式中，A=0.00390802；
B=-0.000000580；
C=0.0000000000042735。
可见Pt100在常温0~100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=100（1+At），当温度变化1摄氏度，Pt100阻值近似变化0.39欧。
下表为Pt100在0℃~100℃的分度表
2.2硬件电路主要芯片
MCS-51单片机内部结构
8051是MCS-51系列单片机的典型产品，我们以这一代表性的机型进行系统的讲解。
8051单片机包含中央处理器、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，现在我们分别加以说明：
·
中央处理器：
中央处理器（CPU）是整个单片机的核心部件，是8位数据宽度的处理器，能处理8位二进制数据或代码，CPU负责控制、指挥和调度整个单元系统协调的工作，完成运算和控制输入输出功能等操作。
数据存储器（RAM）
8051内部有128个8位用户数据存储单元和128个专用寄存器单元，它们是统一编址的，专用寄存器只能用于存放控制指令数据，用户只能访问，而不能用于存放用户数据，所以，用户能使用的RAM只有128个，可存放读写的数据，运算的中间结果或用户定义的字型表。
图2-58051内部结构
程序存储器（ROM）：
8051共有4096个8位掩膜ROM，用于存放用户程序，原始数据或表格。
定时/计数器（ROM）：
8051有两个16位的可编程定时/计数器，以实现定时或计数产生中断用于控制程序转向。
并行输入输出（I/O）口：
8051共有4组8位I/O口（P0、P1、P2或P3），用于对外部数据的传输。
全双工串行口：
8051内置一个全双工串行通信口，用于与其它设备间的串行数据传送，该串行口既可以用作异步通信收发器，也可以当同步移位器使用。
中断系统：
8051具备较完善的中断功能，有两个外中断、两个定时/计数器中断和一个串行中断，可满足不同的控制要求，并具有2级的优先级别选择。
时钟电路：
8051内置最高频率达12MHz的时钟电路，用于产生整个单片机运行的脉冲时序，但8051单片机需外置振荡电容。
单片机的结构有两种类型，一种是程序存储器和数据存储器分开的形式，即哈佛（Harvard）结构，另一种是采用通用计算机广泛使用的程序存储器与数据存储器合二为一的结构，即普林斯顿（Princeton）结构。
INTEL的MCS-51系列单片机采用的是哈佛结构的形式，而后续产品16位的MCS-96系列单片机则采用普林斯顿结构。
下图是MCS-51系列单片机的内部结构示意图
。
图2-6MCS-51结构框图
MCS-51的引脚说明：
MCS-51系列单片机中的8031、8051及8751均采用40Pin封装的双列直接DIP结构，右图是它们的引脚配置，40个引脚中，正电源和地线两根，外置石英振荡器的时钟线两根，4组8位共32个I/O口，中断口线与P3口线复用。
现在我们对这些引脚的功能加以说明：
图2-751单片机引脚图
Pin9:
RESET/Vpd复位信号复用脚，当8051通电，时钟电路开始工作，在RESET引脚上出现24个时钟周期以上的高电平，系统即初始复位。
初始化后，程序计数器PC指向0000H，P0-P3输出口全部为高电平，堆栈指针写入07H，其它专用寄存器被清“0”。
RESET由高电平下降为低电平后，系统即从0000H地址开始执行程序。
然而，初始复位不改变RAM（包括工作寄存器R0-R7）的状态，8051的初始态。
8051的复位方式可以是自动复位，也可以是手动复位，见下图。
此外，RESET/Vpd还是一复用脚，Vcc掉电其间，此脚可接上备用电源，以保证单片机内部RAM的数据不丢失。
图2-8复位电路图
Pin30:
ALE/
当访问外部程序器时，ALE（地址锁存）的输出用于锁存地址的低位字节。
而访问内部程序存储器时，ALE端将有一个1/6时钟频率的正脉冲信号，这个信号可以用于识别单片机是否工作，也可以当作一个时钟向外输出。
更有一个特点，当访问外部程序存储器，ALE会跳过一个脉冲。
如果单片机是EPROM，在编程其间，
将用于输入编程脉冲。
Pin29:
当访问外部程序存储器时，此脚输出负脉冲选通信号，PC的16位地址数据将出现在P0和P2口上，外部程序存储器则把指令数据放到P0口上，由CPU读入并执行。
Pin31:
EA/Vpp程序存储器的内外部选通线，8051和8751单片机，内置有4kB的程序存储器，当EA为高电平并且程序地址小于4kB时，读取内部程序存储器指令数据，而超过4kB地址则读取外部指令数据。
如EA为低电平，则不管地址大小，一律读取外部程序存储器指令。
显然，对内部无程序存储器的8031,EA端必须接地。
在编程时，EA/Vpp脚还需加上21V的编程电压。
2.3AD转换芯片CS5552
CS5522内部包括命令寄存器、通道选择寄存器、配置寄存器和增益寄存器介绍如下：
8位只写命令寄存器:
用来控制选择物理通道寄存器、选择偏置寄存器、增益寄存器、配置寄存器、通道选择寄存器和数据转换寄存器等。
24位只读命令寄存器：
用于设置斩波频率，多逻辑通道选择寄存器和节电模式选择、软件复位、晶振选择及负载控制。
24位读写通道设置寄存器：
用于设置各种逻辑通道的选择、循环转换时的输出字的速率、增益及其极性的选择。
当采用32MHz晶振时，输出速率分别为：
1.88Hz、3.76Hz、7.51Hz、15Hz、30Hz、61.6Hz、84.5Hz、101.1Hz。
当运行在15Hz或更低的字速率时，可抑制50Hz/60Hz的交流电源干扰。
由于设置时用到配置寄存器中的逻辑通道数，所以此寄存器应在配置寄存器设置之后再写入。
24位读写增益寄存器：
每个模拟通道各有一个，用来进行增益设置。
24位读写偏置寄存器：
每个模拟通道各有一个，用来进行偏置设置。
图2-9CS5522引脚排列及说明
1）系统校准
由于CS5522内没有基准电压为2.5V，所以2.5V量程档不用系统校准，而用其他量程均为可需要进行系统校准，否则将可产生高达20%的增益误差。
系统校准分为系统偏置校准和系统增益校准。
对于系统偏置校准，用户必须向转换器提供一个0V电压输入信号；
对于系统增益校准，用户必须向转换器提供一个表示正极满量程的电压输入信号。
这俩个电压信号都可以通过A/D转换器的另一个通道进行设置。
2）读/写操作时序
CS5522A/D转换器可直接与单片机接口，使用的数据线有片选信号CS、串行数据输入端SDI、串行数据输出端SDO和时钟信号SCLK等。
CS5522读寄存器和读转换器数据不同。
初始化以后，由单片机写入8位读寄存器状态命令，随后即可读24位寄存器状态数据。
而要读A/D转换数据时，在CS为低电平时开始工作，由单片机写入8位读数据寄存器命令，读数前应等待SDO变低（表示A/D转换完成），读数时前8个SCLK用于清除SDO标志，后24个SCLK用来读取数据（FIFO）。
A/D转换结果为24位数据，高位在前，低位在后，可存入3个变量里（每个变量存8位）。
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A/D转换。
其读写操作时序如图所示。
图2-10CS5522A/D转换器读写操作时序如图
2硬件电路设计
经过前面对充电器原理、AT89S52的总体了解和掌握以及对各种元器件和电路图的分析和比较后，现在就可以开始进入硬件电路的设计了。
在本章里，首先将介绍一下液晶模块访问方式的两种接口电路，然后对LCD显示电路原理图作一个详细的介绍，接着介绍充电电路中所用到的各种芯片和元器件的原理和一些功能。
2.1电源电路的设计
在本次的设计中，要供电给AT89S52和LCD显示模块两部分，而一个LM7805的输出电流不足，所以本人打算将89S52和显示模块分别供电，所以实际电路中用到了两片7805。
下面就一个电源电路给出设计方案，另一个同样原理。
5V电源电路的设计
图2-135V的电源电路设计原理图
上图是LM78×
×
作为输出电压固定的典型电路图，正常工作时，输入、输出电压差为3-8V。
输入电压PS为9V。
电路中接入电容C5用来实现频率补偿，防止稳压器产生高频自激振荡和抑止电路引入的干扰，C11是有极性的电解电容，以减小稳压电压输出端由输入电源引入的电平干扰。
D1是保护二极管，当输入端短路时，给输出电容器C11一个放电电路，防止C11两端电压作用于调压管的be结，造成调压管be结击穿而损坏。
其中C5、C11两个电容只是起滤波作用选用的大小没有特别的要求。
2.2控制部分设计
2.2.1测温电路部分
传感器电路包括传感器测量电桥和放大电路两部分，
图2-16传感器放大电路
R2、R3、R4和Pt100组成传感器测量电桥，为了保证电桥输出电压信号的稳定性，电桥的输入电压通过TL431稳至2.5V。
从电桥获取的差分信号通过两级运放放大后输入单片机。
电桥的一个桥臂采用可调电阻R3，通过调节R3可以调整输入到运放的差分电压信号大小，通常用于调整零点。
放大电路采用LM358集成运算放大器，为了防止单级放大倍数过高带来的非线性误差，放大电路采用两级放大，如图1-2所示，前一级约为10倍，后一级约为3倍。
温度在0~100度变化，当温度上升时，Pt100阻值变大，输入放大电路的差分信号变大，放大电路的输出电压Av对应升高。
注
2.2.2模数转换部分
为了便于单片机对CS5522的控制，可将CS5522的CS与单片机直接相连，为低电平时，单片机可以对CS5522进行相应的读写控制。
CS5522与单片机的接口如图2-3所示。
图2-3CS552与单片机接口图
图2-4CS5522与AT89S52接口示意图
利用AD采集数据，进行温度与电压采集，从而控制充电器的充电电流大小，判读充电器是否停止充电。
2.2.3充电器的充电指示部分
通过对充电器的模拟采集信号的判断，可以判断出是充电状态，还是停止充电状态，其充电方式指示电路如下。
图2-14硬件接线图
2.2.4恒流恒压电路
恒流恒压电路是智能充电器的关键部分。
图2是其电路原理图。
恒流恒压电路由SR12单
片机片内模拟电路模块和片外的MOSFET开关管、肖特基二极管、滤波电感、滤波电容等器
件组成。
其结构框图如下：
图2-15电池充电电路图
2.3PROTEL99的应用简介
经过前面的努力，智能充电器硬件电路的设计在本人努力下已经完成，接下来便是根据前面的设计用软件画出其原理图。
PROTEL99SE是一个全32位的电路板设计软件，使用该软件可以容易地设计电路原理图、画元件图、设计电路板图、画元件封装图和电路仿真。
在这里主要用它来绘制电路原理图和生成印制电路板。
原理图的设计步骤如下：
（1）设置原理图设计环境。
其中，工作环境设置是使用Design/Options和Tool和Preferences菜单进行的，画原理图环境的设置主要包括图纸大小、捕捉栅格、电气栅格、模板设置等。
（2）放置元件，将电气和电子元件放置在图纸上。
（3）原理图布线。
元件一旦放置在原理图上，不需要用导线将元件连接起来，连接时一定要符合电气规则。
（4）编辑和调整。
编辑元件的属性。
包括元件名、参数、封装图等。
调整元件和导线的位置等操作。
本次设计所用的主要元件属性如下：
表2-3主要元件表
说明
编号
封装
元件名称
单片机
U1
DIP-40
AT89S52
LCD
J2
DIP-20
LCD模块
电阻
R
AXIAL0.3
330
电容
C
RAD0.1
0.1uF
锁存器
U5
74LS245
NPN三极管
Q
TO46
2N2222A
晶体
X
XTAL-1
XTAL
通用运放
U2A，U2B
DIP8
LM358
（5）检查原理图。
使用电气规则功能（ERC）检查原理图的连接是否合理和正确。
给出检查报告，若有错误则要根据错误进行改正。
（6）生成网络表。
所谓网络表就是元件名、封装、参数及元件之间的连接表，通过该表可以确认各个元件和它们之间的关系。
（7）打印原理图。
对电路板的设计主要分为以下几个步骤；
（1）使用原理图编辑器设计原理图，进行电气检查（ERC）并生成原理图的网络表。
（2）进入电路板（PCB）环境，使用电路向导确定电路板的层数、尺寸等电路板参数。
（3）使用Design/Netlist菜单，调入网络表。
由于在前面的元件封装不规范，这里面出现了许多错误，通过请教老师及自己的不懈努力，花了数天的时间才全部改了出来。
（4）布置元件，就是将元件合理地分布在电路板上。
自动布置元件或人工布置元件，多次布置
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