論文059數(shù)控鎳鎘 鎳氫電池充電器

數(shù)控鎳鎘/鎳氫電池充電器摘要用單片機最小系統(tǒng)及通用器件制作一個數(shù)控鎳氫/鎳鎘電池充電器，能對兩節(jié)鎳鎘/鎳氫電池進行恒流充電/放電，有快、慢充電方式選擇，能顯示工作方式，充滿（允許過充20%）后有聲光報警，并自動轉(zhuǎn)入涓流(5mA左右)，本設計具有電池反裝保護和報警功能，具有電池過充判斷及保護功能。關鍵詞AT89C51單片機直流穩(wěn)壓電源A/D轉(zhuǎn)換電路沖放電電路引言隨著電子技術的飛速發(fā)展，電子產(chǎn)品例如：WALKMAN、CDDISKMAN、MD、MP3、DC等的日新月異，擴大了電池的需求，從可再利用和環(huán)保的角度看二次電將處于舉足輕重的地位，怎樣較好的對它們充電也成了一個重要的問題，當然二次電池也是種類繁多，比如：鎳鎘電池、鎳氫電池、鋰聚合物電池、蓄電池等，其充電方式也不一樣。這里我設計的是鎳氫鎳鎘電池的充電。鎳氫電池是一種記憶效應輕微，可提供較小電流（內(nèi)阻較大），但能長時間供應小電流的產(chǎn)品的電池。而鎳鎘電池是有記憶效應，可以提供大電流的電池。二、充電電池（一）充電電池的幾個參數(shù)1．電池的充電速率（C-rate）電池的充電電流I與其容量Q的比值稱為充電速率；符號：VchVch=I/Q單位：1/h，即小時的倒數(shù)。一般而言，充電速率大于1C時稱為快速充電，而充電速率為0.1~0.05C則稱為標準充電方式。2．過充電（Overcharge）電池在充電時，在達到充滿狀態(tài)后，若還繼續(xù)充電，可能導致電池內(nèi)壓的升高、電池變形、漏液等情況發(fā)生，電池的性能也會顯著降低和損壞。3．充電循環(huán)壽命（Cyclelife）充電電池在反復充放電使用下，電池容量回逐漸下降到初期容量的60%-80%。4．記憶效應（Memoryeffect）在電池充放電過程中，會在電池極板上產(chǎn)生許多小氣泡，時間一久，這些氣泡會減少電池極板的面積，也間接影響電池的容量。5．過放電（Overdischarge）

電池若是在放電過程中，超過電池放電的終止電壓值，還繼續(xù)放電時就可能會造成電池內(nèi)壓升高，正、負極活性物質(zhì)的可逆性遭到損壞，使電池的容量產(chǎn)生明顯減少。（二）鎳氫/鎳鎘電池的充電1.鎳氫/鎳鎘電池的標準（如表一所示）表一參數(shù)（單位）鎳氫電池鎳鎘電池額定電壓（V）1.21.2使用壽命（次）1000500充電溫度（度）10～450～45放電溫度（度）-10～45-20～602．鎳氫/鎳鎘電池的充電方式鎳氫電池[8]的記憶效應十分輕微，一般不考慮它的記憶效應，一節(jié)鎳氫電池剛充滿電的時候?qū)嶋H是超過1.2V的，一般在1.4-1.5V之間。隨著使用，電壓會逐漸降低，在一般的使用場合，當電壓低于1V時，就基本無法使用。由于鎳氫電池對過度充電比較敏感，過沖就會損壞電池，減少可沖放電的次數(shù)，所以這里對鎳氫電池用1C的充電速率進行快速充電。而接近充電的容量達100%時，把充電的速率降到0.02.5C左右，以防止過沖，同時還可以抵消自放電的損失，維持電池的電量。①慢沖電流比較小，有利于電池保持電池的壽命，這樣我們可以采用恒流充電[9]，。但是它所花費的時間比較長，不太實用。②快沖電流較大，大電流充電引起發(fā)熱。過高的溫度對電池壽命有很大的影響。如果再使用恒流方式，無疑無法避免電池過熱的問題，取而代之的是脈沖方式[5]，即讓電池沖一段時間，然后停止沖一段時間，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，使電池發(fā)熱控制在一個可接受的水平。因此這里采用脈沖充電。3．鎳氫/鎳鎘電池的充滿判斷[10]方案充電電壓、溫度曲線（如圖一所示）圖一由圖一所示的曲線我們可以有以下幾種判斷充滿的方案[1]。①-△V法在恒流充電的過程中，端電壓會不斷的升高，但到達容量的100%時，會產(chǎn)生特意的端電壓下降的現(xiàn)象，一般來說，每節(jié)下降-5mv左右。利用這一特殊的現(xiàn)象可用來檢測鎳鎘電池充電終止狀態(tài)。②零dV/dt法鎳氫電池在充電到達容量的100%時，不會產(chǎn)生端電壓下降的現(xiàn)象，但是，其端電壓在繼續(xù)充電時不會繼續(xù)上升，也就是有零電壓上升率的現(xiàn)象，即dV/dt=0。利用零電壓上升率現(xiàn)象來檢測電池充電終止狀態(tài)。實際應用中可讓它的值近似為0就可以了。③V法電池在充電時，端電壓會不斷的上升，當充電的電量到達容量的100%左右時，其端電壓會比額定電壓高一定的數(shù)值。這時的電壓稱為滿容電壓。利用滿容電壓來檢測電池充電終止狀態(tài)。④T法電池在充電時，外殼的溫度不斷的緩慢上升但未到滿額充電時，其溫度不高，到達了容量的100%的左右時，溫度到達一定的數(shù)值。可以利用此法來判斷電池的充電終止狀態(tài)。結(jié)合以上的4種方法，這里采取方法2和3來判斷電池是否充滿。三、系統(tǒng)原理圖本系統(tǒng)包括檢測充放電電路，A/D轉(zhuǎn)換電路，單片機，譯碼控制部分，電源部分，報警及顯示部分和按鍵選擇部分。（原理圖如圖二所示）圖二工作原理：單片機根據(jù)A/D轉(zhuǎn)換所得電壓值，通過與單片機內(nèi)的數(shù)據(jù)相比較，從而判斷是否是裝反，或者是需放電、充電；單片機通過電譯碼電路以及沖放電路控制系統(tǒng)的檢測，沖、放電；電源電源是提供充電電源，以及單片機正常工作所須的穩(wěn)定電壓；通過按鍵可以選擇是快沖還是慢沖；顯示報警電路主要是電池裝反的報警和電池充電電量的顯示以及充滿的報警提示。四、系統(tǒng)硬件電路的具方案與實現(xiàn)根據(jù)系統(tǒng)原理框圖（如圖二所示），下面將以模塊為單位詳細分析硬件電路各個部分的功能、參數(shù)選擇以及各部分的邏輯關系。（一）直流穩(wěn)壓電源直流電源[2]電路由電源變壓器、整流電路、濾波電路及穩(wěn)壓電路四部分組成。電源變壓器是將電網(wǎng)電壓變換為用戶所需的電壓。整流電路是將方向交變的交流電變換為方向單一的直流電。濾波電路是去除電源中的脈動，輸出波形平滑的直流電。穩(wěn)壓電路可輸出電壓穩(wěn)定，基本上不隨輸出電流、電網(wǎng)電壓的波動而變化的電壓。本次設計電源，電源整流選擇常見的單相橋式整流電路，經(jīng)大的電容濾波后提供給充電電路的是直流電（VC），再經(jīng)過集成穩(wěn)壓器7805穩(wěn)壓后輸出穩(wěn)定的+5V的直流電，給單片機供電。電源電路圖（如圖三所示）圖三1．單相橋式整流單相橋式整流電路采用4個二極管，組成橋式電路（見圖三左部）。原理是利用二極管的正向?qū)ǎ聪蚪刂沟奶匦?，讓兩組二極管分別在交流的正半周期、負半周期交替工作，而得到直流電，其整流的參數(shù)可按下面的算式計算[3]：整流的輸出電壓（U0）是脈動的直流電壓，直流電壓的額大小用其平均值Ｕ0來衡量。Uo=0.9U2（U2為變壓器二次電壓的有效值）2．78XX系列集成穩(wěn)壓器78XX系列的集成穩(wěn)壓器[6]是輸出電壓固定的三端穩(wěn)壓器。78XX為正輸出的集成穩(wěn)壓器，集成穩(wěn)壓器型號的末尾的兩位數(shù)字XX，代表電路的輸出電壓值。例如：7805、7812，分別是輸出電壓為5伏、12伏的正電壓集成穩(wěn)壓器。三端集成穩(wěn)壓器使用時，應當注意輸入電壓Ui與輸出電壓Uo之間的電壓差不能過小，一般應在（2~3）V以上。集成穩(wěn)壓器的應用電路（如圖四所示）。圖四電容C1是濾波電容，C1的計算公式是：C=（3~5）Io/100*UoIo為電路的輸出電流，Uo為輸出電壓。而C2、C3是保證集成穩(wěn)壓器能正常工作的消震振電容，一般取0.47uF左右?？紤]到單片機只需要+5V的電壓以及性價比，在這里選擇7805集成穩(wěn)壓器。（二）A/D轉(zhuǎn)換電路采用逐次逼近式A/D轉(zhuǎn)換器ADC0809[12]。圖五ADC0809引腳圖1.ADC0809的外部特性（引腳功能）ADC0809芯片有28條引腳，采用雙列直插式封裝（如圖五所示）。下面說明各引腳功能。

IN0～IN7：8路模擬量輸入端。

～：8位數(shù)字量輸出端。

ADDA、ADDB、ADDC：3位地址輸入線，用于選通8路模擬輸入中的一路。如表二所示。表二ADDAADDBADDC輸入通道000IN0001IN1010IN2011IN3100IN4101IN5110IN6111IN7ALE：地址鎖存允許信號，輸入，高電平有效。

START：A／D轉(zhuǎn)換啟動信號，輸入，高電平有效。

EOC：A／D轉(zhuǎn)換結(jié)束信號，輸出，當A／D轉(zhuǎn)換結(jié)束時，此端輸出一個高電平（轉(zhuǎn)換期間一直為低電平）。

OE：數(shù)據(jù)輸出允許信號，輸入，高電平有效。當A／D轉(zhuǎn)換結(jié)束時，此端輸入一個高電平，才能打開輸出三態(tài)門，輸出數(shù)字量。

CLK：時鐘脈沖輸入端。要求時鐘頻率不高于640KHZ。

REF（+）、REF（-）：基準電壓。

Vcc：電源，單一＋5V。

GND：地。2．ADC0809的工作電路（如圖六所示）圖六ADC0809的工作過程是：首先輸入3位地址，并使ALE=1，將地址存入地址鎖存器中。此地址經(jīng)譯碼選通8路模擬輸入之一到比較器。START上升沿將逐次逼近寄存器復位。下降沿啟動A／D轉(zhuǎn)換，之后EOC輸出信號變低，指示轉(zhuǎn)換正在進行。直到A／D轉(zhuǎn)換完成，EOC變?yōu)楦唠娖?，指示A／D轉(zhuǎn)換結(jié)束，結(jié)果數(shù)據(jù)已存入鎖存器，這個信號用作外中斷1的申請。當OE輸入高電平時，輸出三態(tài)門打開，轉(zhuǎn)換結(jié)果的數(shù)字量輸出到數(shù)據(jù)總線上。在這里即把電池的電壓轉(zhuǎn)換為數(shù)字量后輸送到單片機的Po口。（三）ATMEL89C51單片機AT89C51[1]是一種帶4K字節(jié)閃爍可編程可擦除只讀存儲器（FPEROM—FalshProgrammableandErasableReadOnlyMemory）的低電壓，高性能CMOS8位微處理器，俗稱單片機。該器件采用ATMEL高密度非易失存儲器制造技術制造，與工業(yè)標準的MCS-51指令集和輸出管腳相兼容。由于將多功能8位CPU和閃爍存儲器組合在單個芯中，ATMEL的AT89C51是一種高效微控制器，為很多嵌入式控制系統(tǒng)提供了一種靈活性高且價廉的方案。圖七1.AT89C51的管腳說明（如圖七所示）VCC：供電電壓GND：接地。P0口：P0口為一個8位漏級開路雙向I/O口。P1口/P2口以及P3口為普通的I/O口；其中P3口也保留第二功能。

RST：復位輸入。當振蕩器復位器件時，要保持RST腳兩個機器周期的高電平時間。ALE/PROG：當訪問外部存儲器時，地址鎖存允許的輸出電平用于鎖存地址的地位字節(jié)。ALE只有在執(zhí)行MOVX，MOVC指令是ALE才起作用。/PSEN：外部程序存儲器的選通信號。

/EA/VPP：當/EA保持低電平時，則在此期間訪問外部程序存儲器（0000H-FFFFH），不管是否有內(nèi)部程序存儲器。當/EA端保持高電平時，此間內(nèi)部程序存儲器。XTAL1：反向振蕩放大器的輸入及內(nèi)部時鐘工作電路的輸入。

XTAL2：來自反向振蕩器的輸出。2.AT89C51的控制電路為了讓單片機工作，在芯片的外部通過XTAL1、XTAL2兩個引腳跨接晶體振蕩器和微調(diào)電容，形成反饋電路，就構(gòu)成了一個穩(wěn)定的自激振蕩器（如圖八所示）。[10]至內(nèi)部時鐘電路至內(nèi)部時鐘電路圖八本次設計用到單片機的資源，P0口接由A/D轉(zhuǎn)換來的電壓的8位數(shù)值P1口的P1.1~P1.3,用于充電電量顯示，P1.4~P1.5用作譯碼控制信號的輸出P1.6接快沖慢沖的選擇開關，P1.7用來接沖放電開關的信號。P2口的P2.0腳控制ADC0809的工作，P2.1和P2.2兩個引腳用來控制沖放電路，P2.3~P2.4輸出報警以及顯示，P2.5接蜂鳴器，P3口的P3.3/INT1（外部中斷1），P3.6/WR，P3.7/RD協(xié)調(diào)ADC0809工作。（四）沖放檢測電路[13]1．沖放電路電路圖（如圖九所示）圖九2.沖放電路電路的工作描述如圖九可以看出有兩組相同的由分離元件組成。以第一組為例原理是：D1、Q1、Q3、R5構(gòu)成一個500mA的恒流源，R4，Q2構(gòu)成放電回路。沖放電電路的工作方式分別由譯碼電路的輸出（A、B）控制。充電前，電池電壓經(jīng)過IN0、IN1輸入A/D轉(zhuǎn)換電路，轉(zhuǎn)換后送單片機檢測，該電壓如果大于1V，單片機的P2.0輸出高電位，P1.4、P1.5輸出信號讓放電控制晶體管B導通，充電控制晶體管A截止，電池通過R4、Q2放電，當放完電后（電池的電壓等于1V時）控制A導通，B截止，充電電路開始工作。（五）電量顯示及報警這個模塊是用來顯示電池充電的電量（左邊的四個并列的二極管）和通過單片機的輸出信號（P2.3~P2.5）來對電池過沖以及電池裝反進行聲光報警。（具體見附錄二系統(tǒng)電路圖）（六）譯碼控制電路該電路的輸入信號為單片機的P1.4~P1.5。（具體見附錄二系統(tǒng)電路圖）輸出信號一方面作用于沖放電路，另一方面通過四只發(fā)光二極管的顯示來表示（從上到下）檢測、放電、快沖和慢沖。五、軟件設計[11]編程軟件采用比較流行的Keil軟件，它是一種兼容匯編和C51的編程軟件，本次設計采用匯編語言編程，使用的開發(fā)板是從網(wǎng)上購買的2004精簡型套件（://c51/bzcpboks/jj2004/200504/883.html）它支持AT89C51的編程，完全滿足本次設計，為了讓兩組充電電路不發(fā)生沖突，也為了消除“記憶效應”，采用脈沖充電，其中2.5S充電周期，2S作為充電時間，0.5S作為檢測時間。一組電池充電時，其余通道應該封鎖，每個通道輪流檢測，在0.5S之內(nèi)全部檢測完畢，然后通過單片機中的程序設定的控制方式，在充電時間輸出控制字。三種充電方式[13]的電流脈沖波形（如圖十所示）圖十（一）程序流程圖（如圖十一所示）圖十一（二）單片機內(nèi)存資源的分配30H、31H兩個單元用來存放A/D轉(zhuǎn)換后的數(shù)字量，寄存器R0用來作為地址址指針用來調(diào)用30H、31H兩個單元的數(shù)據(jù)。34H單元為30H、31H兩個單元的計數(shù)指針，35H單元為0.5S的計數(shù)值，36單元為2S的計數(shù)值。37單元為0.4S（慢沖時間）的計數(shù)值。（三）系統(tǒng)主要程序的設計1.初始化程序設置定時器T0為定時模式，工作方式為方式1，開放總中斷及外中斷1，以及給各個單元賦值，以及設定A/D驅(qū)動。主程序主要就是調(diào)用初始化程序以及協(xié)調(diào)各個子程序工作。2.外中斷1服務程序：其任務是采集電池的電壓，送往單片機處理。3.延時程序程序：一方面產(chǎn)生不同的脈沖波形，另一方面提供延時的檢測的需要。4.沖放電控制程序5.報警輸出程序（四）程序清單（見附錄一）六、結(jié)論本次設計只是通過在開發(fā)板上模擬調(diào)試，因充電及電流較大，所以Q1，Q4之外的三極管應加散熱器，在模擬板上它們的發(fā)熱很大，但是為了縮小體積，可以將全部的三極管共用一只散熱器，然而所有的三極管應與散熱器絕緣。充電電路的發(fā)光二極管采用普通的紅色二極管，充電電路中的發(fā)光二極管發(fā)光時，會按一定的周期閃爍，根據(jù)發(fā)光二極管的亮滅時間，可以判斷是大電流充電還是小電流充電。七、致謝八．參考文獻[1]余永權(quán)ATMEL89系列單片機應用技術[M]北京航空航天大學出版社2002.P218~P223[2]畢滿清電子工藝實習教程[M]國防工業(yè)出版社P249—250[3]徐曉光電子技術[M]機械工業(yè)出版社P182[4]康華光電子技術基礎模擬部分（第四版）[M]高等教育出版社P443~459[5]全國大學生電子設計競賽組委會第五屆全國大學生電子設計競賽作品選編[M]2002.8P2~41[6]薛永毅王術英何希才新型電源電路應用實例[M]電子工業(yè)出版社P276~289[7]歐陽星明數(shù)字邏輯[M]華中科技大學出版社1999.11P217~226[8]://mcuchina/Article/Power/battery/200411/214.html[9]電源網(wǎng)://dianyuan/bbs/d/26/23603.html論壇[10]李俊關于充電池充電器的常見問題解答://pconline/digital/textlib/video/v03/10212/117419_2.html[11]周堅單片機輕松入門北京航空航天大學出版社2004[12]ATMEL89系列Flash單片機原理及應用余永權(quán)電子工業(yè)出版社[13]單片機原理及借口技術實踐教程故健機械工業(yè)出版社P13~~P33[14]智能快速充電器設計與制作王鴻麟錢建立周曉軍科學出版社P175~~P177九、附錄附錄一程序清單***************************;**;*主程序及中斷程序的入口*;**;***************************ORG0000HAJMPMAIN;跳到主程序MIANORG00013HLJMPINTEX1;外中斷1的入口ORG001BH;定時器T1的中斷入口RETI;中斷返回ORG0023HRETI;串口中斷返回ORG0030H;程序的起始地址;***************************;******;***初始化程序***;******;***************************BEGIN:MOV30H,#00HMOV31H,#00HMOVSP,#5FHMOVR0,#30HMOV34H,#02HMOV35H,#05HMOV36H,#14HMOV37H,#04HMOVTMOD,#01HMOVTH0,#3CHMOVTL0,#0B0HSETBIT1SETBEASETBEX1SETBET1MOVDPTR,#0FEF8HMOVX@DPTR,AWAIT:SJMPWAITRET;***************************;***主程序***;***************************MAIN:LCALLBEGINCLRP1.4;控制譯碼器輸出00工作CLRP1.5;在檢測的狀態(tài)MOVR0,#30HMOVA,@R0MOVC,ACC.7JCBAOJINGLCALLJIANCE1INCR0MOVA,@R0MOVC,ACC.7JCBAOJINGLCALLJIANCE1RET;***************************;外中斷1INTEX1:MOVXA,@DPTRMOV@R0,AINCR0INCDPTRMOVX@DPTR,ADJNZ34H,LOOPCLREX1LOOP:RETI;********************;電池裝反報警;********************BAOJING:SETBP2.3SETBP2.4SETBP2.5LCALLDELAY1RET;********************JIANCE1:MOVR0,#30HMOVA,@R0CLRCSUBBA,#33H;和1V的電壓比較JNCFANG;放電INCR0MOVA,@R0CLRCSUBBA,#33HJNCFANG;放電RET;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;FANG:SETBP2.1;P2.1輸出高電位放電SETBP2.2;P2.2輸出高電位放電CLRP1.4;控制譯碼器輸出01工作CLRP1.5LOOP1:MOVR0,#30HMOVA,@R0CJNEA,#33H,CHONGINCR0MOVR0,#30HMOVA,@R0CJNEA,#33H,CHONGAJMPLOOP1RET;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;CHONG:MOVC,P1.6;有沒有按鍵按下？JCDELAY1JCKUAICHONGLCALLMANCHONG；************MANCHONG:SETBP1.4SETBP1.5CLRp2.1;P2.1輸出低電位沖電CLRp2.2;P2.2輸出低電位沖電LOOP3:LCALLDELAY1DJNZ37H,LOOP3CLRP1.4;控制譯碼器輸出00工作CLRP1.5;在檢測的狀態(tài)LOOP4:LCALLDELAY2MOVDPTR,#0FEF8HMOVX@DPTR,ADJNZR4,LOOP4LCALLDELAY1LJMPCHONGMAN;*****************************KUAICHONG:SETBP1.4CLRP1.5CLRp2.1;P2.1輸出低電位沖電CLRp2.2;P2.2輸出低電位沖電LCALLDELAY2CLRP1.4;控制譯碼器輸出00工作CLRP1.5;在檢測的狀態(tài)LOOP2:LCALLDELAY1MOVDPTR,#0FEF8HMOVX@DPTR,ADJNZ35H,LOOP2LJMPCHONGMANRET;********************;延時0.1S;*********DELAY1:SETBTR0DJNZR3,NEXTCLRTR0NEXT:MOVTH0,#3CHMOVTL0,#0B0HRET;********************;延時2S;*********DELAY2:NEXT1:LCALLDELAY1DJNZ36H,NEXT1RET;********************;**********;充滿判斷及電量顯示;********************CHONGMAN:MOVR0,#30HMOVA,@R0CLRCSUBBA,#4BHJCX1X1:LCALLBAOJINGLJMPXIANSHI4SUBBA,#3CHJCXIANSHI1SUBBA,#47H