單片機(jī)智能充電器設(shè)計(jì)方案

單片機(jī)智能充電器設(shè)計(jì)方案目錄第一章概述 11.1單片機(jī)技術(shù)的特點(diǎn)及應(yīng)用 11.1.1單片機(jī)的特點(diǎn)： 11.1.2單片機(jī)的應(yīng)用： 21.2單片機(jī)實(shí)現(xiàn)充電器功能的意義 2第二章充電技術(shù) 42.1鋰離子電池的特點(diǎn) 42.2智能充電器 52.3設(shè)計(jì)的功能模塊 6第三章設(shè)計(jì)思路分析 73.1智能化的實(shí)現(xiàn) 73.2電池充電芯片的選擇 83.2.1如何選擇電池充電芯片 83.2.2芯片MAX1898的特點(diǎn) 83.2.3MAXl898的充電工作原理 9第四章硬件電路設(shè)計(jì) 114.1主要器件 114.2電路原理圖及說明 13第五章軟件設(shè)計(jì) 165.1程序流程 175.2程序說明 18第六章調(diào)試及檢測(cè) 206.1硬件調(diào)試 206.1.1靜態(tài)測(cè)試 206.1.2聯(lián)機(jī)調(diào)試 206.2軟件調(diào)試 216.2.1程序的編輯、匯編(或編譯) 216.2.2程序調(diào)試 216.3系統(tǒng)調(diào)試 226.4現(xiàn)場(chǎng)調(diào)試 226.4.1標(biāo)準(zhǔn)條件下的電氣特性、試驗(yàn)及判定 226.4.2電氣性能、試驗(yàn)方法和判定規(guī)則 236.4.3荷電保持能力 246.4.4電池安全性能 24總結(jié) 26參考文獻(xiàn) 27附錄1： 28附錄2： 28第一章概述1.1單片機(jī)技術(shù)的特點(diǎn)及應(yīng)用隨著大規(guī)模和超大規(guī)模集成電路技術(shù)的發(fā)展和計(jì)算機(jī)微型化的需要，將微型計(jì)算機(jī)的基本部件：中央處理器（CPU）、存儲(chǔ)器、輸入/輸出（I/O）接口、定時(shí)器/計(jì)數(shù)器等多種資源集成在一個(gè)半導(dǎo)體芯片上，使得一塊集成電力芯片就能構(gòu)成一個(gè)完整的微型計(jì)算機(jī)。這種集成電路芯片被稱為單片微型計(jì)算機(jī)（SingleChipMicrocomuper），簡(jiǎn)稱單片機(jī)。單片機(jī)在結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)上，他的軟、硬件系統(tǒng)及I/O接口控制能力等方面都有獨(dú)到之處，具有較強(qiáng)而有效的功能。從其組成、邏輯功能上來看，單片機(jī)具備了微型計(jì)算機(jī)系統(tǒng)的基本部件。目前，8位高檔機(jī)和16位機(jī)在單片機(jī)應(yīng)用中占主導(dǎo)地位，產(chǎn)品眾多，已有幾十個(gè)系列、幾百個(gè)型號(hào)，除了通用單片機(jī)以外，集成更多資源，如A/D轉(zhuǎn)換器、D/A轉(zhuǎn)換器、“看門狗”（Watchdog）電路、LCD控制器、網(wǎng)路控制模塊等，將單片機(jī)嵌入式系統(tǒng)和Intenet連接起來已是一種趨勢(shì)。還有專用單片機(jī)產(chǎn)品，如專門用于數(shù)據(jù)處理（圖像和語言處理等）的單片機(jī)?？傊瑔纹瑱C(jī)正在向微型化、低功耗、高速、集成、高集成度、多資源、網(wǎng)絡(luò)化、專用型方向發(fā)展。1.1.1單片機(jī)的特點(diǎn)：?jiǎn)纹瑱C(jī)在一塊芯片上集成了一臺(tái)微型計(jì)算機(jī)所需要的基本部件。它在硬件結(jié)構(gòu)、指令功能等方面均有獨(dú)到之處，其特點(diǎn)如下：性價(jià)比高。單片機(jī)性能穩(wěn)定，功能強(qiáng)大，價(jià)格便宜。體積小，集成度高、可靠性高。單片機(jī)將一臺(tái)計(jì)算機(jī)所需要的基本部件集成在一塊芯片上，減少了各部件間的連線，能大大地提高運(yùn)行速度和抗干擾能力?？刂乒δ軓?qiáng)。為了，滿足工業(yè)控制的需要，單片機(jī)有很強(qiáng)的位處理功能。在其他的邏輯控制功能等方面，也都優(yōu)于一般的8位微處理。單片機(jī)系統(tǒng)配置靈活、方便。由于單片機(jī)帶有一定數(shù)量的接口電路，容易構(gòu)成各種規(guī)模的應(yīng)用系統(tǒng)。單片機(jī)類型多。單從ROM類型來說，單片機(jī)的只讀存儲(chǔ)器有ROM、EPROM、EEPROM、FlashMemory等多種，可以根據(jù)實(shí)際需要進(jìn)行選擇。1.1.2單片機(jī)的應(yīng)用：由于單片機(jī)具有如上所述的特點(diǎn)，因此在工業(yè)生產(chǎn)、日常生活等諸多領(lǐng)域，得到了日益廣泛的應(yīng)用，單片機(jī)的主要應(yīng)用領(lǐng)域有：工業(yè)控制，如在工業(yè)生產(chǎn)過程中參數(shù)（如溫度、壓力、流量、液位等）的控制，數(shù)據(jù)處理功能于一體，如轉(zhuǎn)速測(cè)試儀、噪聲測(cè)試儀、振動(dòng)測(cè)試儀及電子秤等。計(jì)算機(jī)網(wǎng)絡(luò)與通信，單片機(jī)上有并行I/O接口角兒串聯(lián)I/0接口，可用于通信接口，如單片機(jī)控制的自動(dòng)呼叫應(yīng)答系統(tǒng)、列車無線通信系統(tǒng)、遙測(cè)遙控系統(tǒng)等。家用電器，由于單片機(jī)體積小，控制能力強(qiáng)，且片內(nèi)與定時(shí)器/計(jì)數(shù)器，所以廣泛應(yīng)用于家用設(shè)備中。如空調(diào)、洗衣機(jī)、微波爐及防盜報(bào)警等。本設(shè)計(jì)是單片機(jī)在智能充電方面的應(yīng)用。1.2單片機(jī)實(shí)現(xiàn)充電器功能的意義由于充電器多采用大電流的快速充電法，在電池充滿后如果不及時(shí)停止會(huì)使電池發(fā)燙，過度的充電會(huì)嚴(yán)重?fù)p害電池的壽命。一些低成本的充電器采用電壓比較法，為了防止過充，一般充電到90%就停止大電流快充，而采用小電流涓流補(bǔ)充充電。手機(jī)電池的使用壽命和單次使用時(shí)間與充電過程密切相關(guān)。鋰電池是手機(jī)最為常用的一種電池，它具有較高的能量重量比、能量體積比，具有記憶效應(yīng)，可重復(fù)充電多次，使用壽命較長(zhǎng)，價(jià)格也越來越低。鋰電池對(duì)于充電器的要求比較苛刻，需要保護(hù)電路。為了有效利用電池容量，需將鋰電池充電至最大電壓，但是過壓充電會(huì)造成電池?fù)p壞，這就要求較高的控制精度。另外，對(duì)于電壓過低的電池需要進(jìn)行預(yù)充，充電器最好帶有熱保護(hù)和時(shí)間保護(hù)，為電池提供附加保護(hù)。一部分的充電器不但能在很短時(shí)間內(nèi)將電量充足，而且還可以對(duì)電池起到一定的維護(hù)作用，修復(fù)由于使用不當(dāng)造成的記憶效應(yīng)，即容量下降（電池活性衰退）現(xiàn)象。設(shè)計(jì)比較科學(xué)的充電器往往采用專用充電控制芯片配合單片機(jī)控制的方式。專用的充電芯片具有業(yè)界公認(rèn)較好的-△v檢測(cè)，可以檢測(cè)出電池充電飽和時(shí)發(fā)出的電壓變化信號(hào)，比較精確地結(jié)束充電工作，通過單片機(jī)對(duì)這些芯片的控制，可以實(shí)現(xiàn)充電過程的智能化，例如，在充電后增加及時(shí)關(guān)段電源、蜂鳴報(bào)警和液晶顯示等功能。充電器的智能化可以縮短充電的時(shí)間，同時(shí)能夠維護(hù)電池，延長(zhǎng)電池使用壽命。51系列單片機(jī)也是當(dāng)前使用最為廣泛的8位單片機(jī)系列，其豐富的開發(fā)資源和較低的開發(fā)成本，使51系列單片機(jī)現(xiàn)在以至將來都仍會(huì)有強(qiáng)大的生命力。在眾多的51系列單片機(jī)中，AT89系列單片機(jī)在我國得到了極其廣泛的應(yīng)用，AT89系列單片機(jī)是美國Atmel公司的8位機(jī)產(chǎn)品。他的特點(diǎn)是片內(nèi)含有FlashMemory，F(xiàn)lashMemory是一種電可摩除和電寫入的閃速存儲(chǔ)器（記為FPEPROM)，在系列的開發(fā)過程中可以很容易地進(jìn)行程序修改，使開發(fā)調(diào)試更為方便。隨著社會(huì)的不斷發(fā)展，人們使用各種家電設(shè)備、儀表以及工業(yè)生產(chǎn)中的數(shù)據(jù)采集與控制設(shè)備也在逐步走向智能化，所以充電器有它的巨大發(fā)展空間，同時(shí)電子產(chǎn)品的不斷更新，51單片機(jī)在實(shí)現(xiàn)手機(jī)電池充電器方面的應(yīng)用就更有意義。為了完成智能充電器的設(shè)計(jì)，我將進(jìn)行以下工作：1.分析充電的實(shí)現(xiàn)和智能化的實(shí)現(xiàn)方法，選擇合適的充電電池芯片。2.進(jìn)行硬件電路的設(shè)計(jì)，繪制充電電路原理圖。3.進(jìn)行軟件設(shè)計(jì)，設(shè)計(jì)程序代碼。4.調(diào)試硬件和軟件電路，驗(yàn)證整個(gè)設(shè)計(jì)。第二章充電技術(shù)2.1鋰離子電池的特點(diǎn)鋰離子電池的正極材料通常有鋰的活性化合物組成，負(fù)極則是特殊分子結(jié)構(gòu)的碳。常見的正極材料主要成分為L(zhǎng)iCo02，充電時(shí)，加在電池兩級(jí)的電勢(shì)迫使正極化合物釋出鋰離子，嵌入負(fù)極分子排列呈片層結(jié)構(gòu)的碳中。放電時(shí)，鋰離子則從片層結(jié)構(gòu)的碳中析出，重新和正極的化合物結(jié)合。鋰離子的移動(dòng)產(chǎn)生了電流?；瘜W(xué)反應(yīng)原理雖然很簡(jiǎn)單，然而在實(shí)際的工業(yè)生產(chǎn)中，需要考慮的實(shí)際問題要多得多：正極的材料需要添加劑來保持多次充放的活性，負(fù)極的材料需要在分子結(jié)構(gòu)級(jí)去設(shè)計(jì)以容納更多的鋰離子；填充在正負(fù)級(jí)之間的電解液，除了保持穩(wěn)定，還需要具有良好導(dǎo)電性，減小電池內(nèi)阻。雖然鋰離子電池很少有鎳鎘電池的記憶效應(yīng)，記憶效應(yīng)的原理是結(jié)晶化，在鋰電池中幾乎不會(huì)產(chǎn)生這種反應(yīng)。但是，鋰離子電池在多次充放后容量仍然會(huì)下降，其原因是復(fù)雜多樣的。主要是正負(fù)極材料本身的變化，從分子層里來看，正負(fù)極上容納鋰離子的空穴結(jié)構(gòu)會(huì)逐漸塌陷，堵塞；從化學(xué)角度來看，是正負(fù)極材料活性鈍化，出現(xiàn)副反應(yīng)生成穩(wěn)定的其他化合物。物理上還會(huì)出現(xiàn)正極材料逐漸剝落等情況，總之最終降低了電池中可以自由在充放電過程中移動(dòng)的鋰離子數(shù)目。過度充電和過度放電，將對(duì)鋰離子電池的正負(fù)極造成永久的損壞，從分子層面看，可以直觀的理解，過度放電將導(dǎo)致負(fù)極碳過度釋放出鋰離子而使得其片層結(jié)構(gòu)出現(xiàn)塌陷，過度充電將把太多的鋰離子硬塞進(jìn)負(fù)極碳結(jié)構(gòu)里去，而使得其中一些鋰離子再也無法釋放出來。這也是鋰離子電池為什么通常配有充放電的控制電路的原因。鋰離子電池一般都帶有管理芯片和充電控制芯片。其中管理芯片中有一系列的寄存器，存有容量、溫度、ID、充電狀態(tài)、放電次數(shù)等數(shù)值。這些數(shù)值在使用中會(huì)逐漸變化。充電控制芯片主要控制電池的充電過程。鋰離子電池的充電過程分為兩個(gè)階段，恒流快充階段（電池指示燈呈黃色時(shí)）和恒壓電流遞減階段（電池指示燈呈綠色閃爍。恒流快充階段，電池電壓逐步升高到電池的標(biāo)準(zhǔn)電壓，隨后在控制芯片下轉(zhuǎn)入恒壓階段，電壓不再升高以確保不會(huì)過充，電流則隨著電池電量的上升逐步減弱到0，而最終完成充電。電量統(tǒng)計(jì)芯片通過記錄放電曲線（電壓、電流、時(shí)間）可以抽樣計(jì)算出電池的電量。而鋰離子電池在多次使用后，放電曲線是會(huì)改變的，如果芯片一直沒有機(jī)會(huì)再次讀出完整的一個(gè)放電曲線，其計(jì)算出來的電量也就是不準(zhǔn)確的。所以我們需要深充放來校準(zhǔn)電池的芯片。而鋰離子電池具有較高的能量重量比和能量體積比、無記憶效應(yīng)、可重復(fù)充電多次、使用壽命較長(zhǎng)、價(jià)格也越來越低、鋰離子電池的這些特點(diǎn)促進(jìn)了便攜式產(chǎn)品向更小更輕的方向發(fā)展，使得選用單節(jié)鋰離子電池供電的產(chǎn)品也越來越多。鋰離子電池的不足之處在于對(duì)充電器要求比較苛刻，需要保護(hù)電路。鋰離子電池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(huì)造成電池?fù)p壞，這就要求較高的控制精度。另外，對(duì)于電壓過低的電池需要進(jìn)行預(yù)充，充電器最好帶有熱保護(hù)和時(shí)間保護(hù)，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成為鋰離子電池推廣應(yīng)用的瓶頸。針對(duì)這些應(yīng)用特點(diǎn)，MAX1898，這款充電器具有很高的充電控制特性和較低的成本，性能價(jià)格比較高，是一款理想的單節(jié)鋰離子電池充電器。2.2智能充電器在人們?nèi)粘９ぷ骱蜕钪?，充電器的使用越來越廣泛。從隨身聽到數(shù)碼相機(jī)，從手機(jī)到筆記本電腦，幾乎所有用到電池的電器設(shè)備都需要用到充電器。充電器為人們的外出旅行和出差辦公提供了極大的方便。單片機(jī)在電池充電器領(lǐng)域也有著廣泛的應(yīng)用，利用它的處理控制能力可以實(shí)現(xiàn)充電器的智能化。充電器種類繁多，但從嚴(yán)格意義上講，只有單片機(jī)參與處理和控制的充電器才能稱為智能充電器。隨著手機(jī)在世界范圍內(nèi)的普及使用，手機(jī)電池充電器的使用也越來越廣泛。本次設(shè)計(jì)將通過一個(gè)典型實(shí)例介紹51單片機(jī)在實(shí)現(xiàn)手機(jī)電池充電器方面的應(yīng)用。設(shè)計(jì)所實(shí)現(xiàn)的充電器是一種智能充電器，它在單片機(jī)的控制下，具有預(yù)充、充電保護(hù)、自動(dòng)斷電和充電完成報(bào)警提示功能。2.3設(shè)計(jì)的功能模塊·單片機(jī)模塊：實(shí)現(xiàn)充電器的智能化控制，比如自動(dòng)斷電、充電完成報(bào)警提示等?！こ潆娺^程控制模塊：采用專用的電池充電芯片實(shí)現(xiàn)對(duì)充電過程的控制?！こ潆婋妷禾峁┠K：采用電壓轉(zhuǎn)換芯片將外部+12V電壓轉(zhuǎn)換為需要的+5V電壓。該電壓在送給充電控制模塊之前還需經(jīng)過一個(gè)光耦模塊。·C51程序：?jiǎn)纹瑱C(jī)控制電池充電芯片實(shí)現(xiàn)充電過程的自動(dòng)化，并根據(jù)充電的狀態(tài)給出有關(guān)的輸出指示。第三章設(shè)計(jì)思路分析充電的實(shí)現(xiàn)，它包括兩部分：一是充電過程的控制；二是需要提供基本的充電電壓。3.1智能化的實(shí)現(xiàn)在充電器電路中引入單片機(jī)的控制。它為什么需要實(shí)現(xiàn)充電器的智能化呢？充電器實(shí)現(xiàn)的方式不同會(huì)導(dǎo)致充電效果的不同。由于充電器多采用大電流的快速充電法，在電池充滿后如果不及時(shí)停止會(huì)使電池發(fā)燙，過度的充電會(huì)嚴(yán)重?fù)p害電池的壽命。一些低成本的充電器采用電壓比較法，為了防止過充，一般充電到90％就停止大電流快充，而采用小電流涓流補(bǔ)充充電。手機(jī)電池的使用壽命和單次使用時(shí)間與充電過程密切相關(guān)。鋰電池是手機(jī)最為常用的一種電池，它具有較高的能量重量比、能量體積比，具有記憶效應(yīng)，可重復(fù)充電多次，使用壽命較長(zhǎng)，價(jià)格也越來越低。鋰電池對(duì)于充電器的要求比較苛刻，需要保護(hù)電路。為了有效利用電池容量，需將鋰電池充電至最大電壓，但是過壓充電會(huì)造成電池?fù)p壞，這就要求較高的控制精度。另外，對(duì)于電壓過低的電池需要進(jìn)行預(yù)充，充電器最好帶有熱保護(hù)和時(shí)間保護(hù)，為電池提供附加保護(hù)。一部好的充電器不但能在短時(shí)間內(nèi)將電量充足，而且還可以對(duì)電池起到一定的維護(hù)作用，修復(fù)由于使用不當(dāng)造成的記憶效應(yīng)，即容量下降(電池活性衰退)現(xiàn)象。設(shè)計(jì)比較科學(xué)的充電器往往采用專用充電控制芯片配合單片機(jī)控制的方法。專用的充電芯片具備業(yè)界公認(rèn)較好的-△v檢測(cè)，可以檢測(cè)出電池充電飽和時(shí)發(fā)出的電壓變化信號(hào)，比較精確地結(jié)束充電工作，通過單片機(jī)對(duì)這些芯片的控制，可以實(shí)現(xiàn)充電過程的智能化，例如，在充電后增加及時(shí)關(guān)斷電源、蜂鳴報(bào)警和液晶顯示等功能。充電器的智能化可以縮短充電的時(shí)間，同時(shí)能夠維護(hù)電池，延長(zhǎng)電池使用壽命。3.2電池充電芯片的選擇3.2.1如何選擇電池充電芯片目前市場(chǎng)上存在大量的電池充電芯片，它們可直接用于進(jìn)行充電器的設(shè)計(jì)。在選擇具體的電池充電芯片時(shí)，需要參考以下標(biāo)準(zhǔn)?！る姵仡愋停翰煌碾姵?鋰電池、鎳氫電池、鎳鎘電池等)需選擇不同的充電芯片。·電池?cái)?shù)目：可充電池的數(shù)目?！る娏髦担撼潆婋娏鞯拇笮Q定了充電時(shí)間?！こ潆姺绞剑菏强斐?、慢充還是可控充電過程。本設(shè)計(jì)要實(shí)現(xiàn)的是手機(jī)的單節(jié)鋰離子電池充電器，要求充電快速且具有優(yōu)良的電池保護(hù)能力，據(jù)此選擇Maxim公司的MAXl898作為電池充電芯片。3.2.2芯片MAX1898的特點(diǎn)MAXl898配合外部PNP或PMOS晶體管可以組成完整的單節(jié)鋰電池充電器。MAXl898提供精確的恒流／恒壓充電，電池電壓調(diào)節(jié)精度為±0.75％，提高了電池性能并延長(zhǎng)了電池使用壽命。充電電流可由用戶設(shè)定，采用內(nèi)部檢流，無須外部檢流電阻。MAXl898提供了充電狀態(tài)的輸出指示、輸入電源是否與充電器連接的輸出指示和充電電流指示。MAXl898還具有其他一些功能，包括輸入關(guān)斷控制、可選的充電周期重啟(無須重新上電)、可選的充電終止安全定時(shí)器和過放電電池的低電流預(yù)充。MAXl898的關(guān)鍵特性如下?！ず?jiǎn)單、安全的線性充電方式?！な褂玫统杀镜腜NP或PMOS調(diào)整元件?！ぽ斎腚妷海?.5～12V?！?nèi)置檢流電阻?！ぁ?.75％電壓精度?！た删幊坛潆婋娏鳌！ぽ斎腚娫醋詣?dòng)檢測(cè)?！ED充電狀態(tài)指示?！た删幊贪踩〞r(shí)器?！z流監(jiān)視輸出?！た蛇x／可調(diào)節(jié)自動(dòng)重啟?！ば〕叽鐄MAX封裝。3.2.3MAXl898的充電工作原理充電芯片MAXl898的內(nèi)部電路包括輸入電流調(diào)節(jié)器、電壓檢測(cè)器、充電電流檢測(cè)器、定時(shí)器、溫度檢測(cè)器和主控制器。輸入電流調(diào)節(jié)器用于限制電源的總輸入電流，包括系統(tǒng)負(fù)載電流與充電電流。當(dāng)檢測(cè)到輸入電流大于設(shè)定的門限電流時(shí)，通過降低充電電流從而控制輸入電流。因?yàn)橄到y(tǒng)工作時(shí)電源電流的變化范圍較大，如果充電器沒有輸入電流檢測(cè)功能，則輸入電源必須能夠提供最大負(fù)載電流與最大充電電流之和，這將使電源的成本增高、體積增大，而利用輸入限流功能則能夠降低充電器對(duì)直流電源的要求，同時(shí)也簡(jiǎn)化了輸入電源的設(shè)計(jì)。MAXl898外接限流型充電電源和P溝道場(chǎng)效應(yīng)管，可以對(duì)單節(jié)鋰電池進(jìn)行安全有效的快充，其最大特點(diǎn)是：在不使用電感的情況下，仍能做到很低的功率耗散，可以實(shí)現(xiàn)預(yù)充電，具有過壓保護(hù)和溫度保護(hù)功能，最長(zhǎng)充電時(shí)問的限制可為鋰電池提供二次保護(hù)。MAX1898的浮動(dòng)方式能夠使電池容量充至最大。當(dāng)充電電源和電池在正常的工作溫度范圍內(nèi)時(shí)，插入電池將啟動(dòng)一次充電過程；充電結(jié)束的條件是平均的脈沖充電電流達(dá)到快充電流的1％，或時(shí)間超出片上預(yù)置的充電時(shí)間。MAXl898能夠自動(dòng)檢測(cè)充電電源，沒有電源時(shí)自動(dòng)關(guān)斷以減少電池的漏電。啟動(dòng)快充后打開外接的P型場(chǎng)效應(yīng)管，當(dāng)檢測(cè)到電池電壓達(dá)到設(shè)定的門限時(shí)進(jìn)入脈沖充電方式，P型場(chǎng)效應(yīng)管打開的時(shí)問會(huì)越來越短。充電結(jié)束時(shí)，指示圖1MAX1898的典型充電電路燈將會(huì)按12%的周期閃爍，MAX1898的典型充電電路如右圖1所示電路具體說明如下。(1)輸入電壓范圍為4.5～12v。鋰電池要求的充電方式是恒流恒壓方式，電源的輸入需要采用恒流恒壓源，一般可采用直流電源外加變壓器。(2)通過外接的場(chǎng)效應(yīng)管提供鋰電池的充電接口。(3)通過外接的電容CcT來設(shè)置充電時(shí)間tCHG。這里的充電時(shí)間指的是快充時(shí)的最大充電時(shí)間，它和定時(shí)電容CcT的關(guān)系如下式所示。CcT=34.33×tCHG式中，tCHG的單位為小時(shí)，CcT的單位為nF。大多數(shù)情況下，快充時(shí)最大充電時(shí)問不超過3小時(shí)，因此常取CcT為100nF。(4)在限制電流的模式下，通過外接的電阻RSET來設(shè)置最大充電電流IFSTCHG，關(guān)系如下式所示：1fstchg=1400/Rset式中，RSEI-的單位為Q，IFsTCHG的單位為A。當(dāng)充電電源和電池在正常的工作溫度范圍內(nèi)時(shí)，插入電池將啟動(dòng)一次充電過程。平均的脈沖充電電流低于設(shè)置的快充電流的20％，或者充電時(shí)間超出片上預(yù)置的最大充電時(shí)問時(shí)，充電周期結(jié)束。MAXl898能夠自動(dòng)檢測(cè)充電電源，沒有電源時(shí)自動(dòng)關(guān)斷以減少電池的漏電。啟動(dòng)快充后，打開外接的P型場(chǎng)效應(yīng)管，當(dāng)檢測(cè)到電池電壓達(dá)到設(shè)定的門限時(shí)進(jìn)入脈沖充電方式，P型場(chǎng)效應(yīng)管打開的時(shí)JI間會(huì)越來越短。充電結(jié)束時(shí)，LED指示燈將會(huì)呈現(xiàn)周期性的閃爍，具體的閃爍含義如表1所示。表1MAX1898典型充電電路的LED指示燈狀態(tài)說明充電狀態(tài)

LED指示燈

電池或充電器沒有安裝

滅

預(yù)充或快充

亮

充電結(jié)束

滅

充電出錯(cuò)

以1.5Hz頻率閃爍

第四章硬件電路設(shè)計(jì)硬件電路設(shè)計(jì)主要圍繞充電芯片MAXl898展開，而單片機(jī)控制部分的電路簡(jiǎn)單。4.1主要器件本設(shè)計(jì)的核心器件是MAXl898。MAXl898可對(duì)所有化學(xué)類型的Li+電池進(jìn)行安全充電，它具有高集成度，在小尺寸內(nèi)集成了更多功能，盡可能多地覆蓋了基本應(yīng)用電路，只需要少數(shù)外部元件。AXl898為10引腳、超薄型的MAX封裝，其引腳分布如圖2所示圖2MAX1898引腳分布其引腳功能如下：IN(1腳)：傳感輸入，檢測(cè)輸入的電壓或電流；CHG(2腳)：充電狀態(tài)指示腳，同時(shí)驅(qū)動(dòng)LED；EN／OK(3腳)：使能輸入腳／輸入電源“好”輸出指示腳。EN為輸入腳，可以通過輸入禁止芯片工作；OK為輸出腳，用于指示輸入電源是否與充電器連接；ISET(4腳)：充電電流調(diào)節(jié)引腳。通過串接一個(gè)電阻到地來設(shè)置最大充電電流；CT(5腳)：安全充電時(shí)間設(shè)置引腳。接一個(gè)時(shí)間電容來設(shè)置充電時(shí)間，電容為100nF時(shí)，幾乎為3個(gè)小時(shí)，此引腳直接接地將禁用此功能；RSTRT(6腳)：自動(dòng)重新啟動(dòng)控制引腳。當(dāng)此引腳直接接地時(shí)，如果電池電壓掉至基準(zhǔn)電壓閾值以下200mV，將會(huì)重新開始一輪充電周期。此引腳通過電阻接地時(shí)，可以降低它的電壓閾值。此引腳懸空或者CT引腳接地(充電時(shí)間設(shè)置功能禁用)時(shí)，自動(dòng)重新啟動(dòng)功能被禁用；BATT(7腳)：電池傳感輸入腳，接單個(gè)Li+電池的正極。此引腳需旁接一個(gè)大電解電容到地；GND(8腳)：接地端；DRV(9腳)：外部晶體管驅(qū)動(dòng)器，接晶體管的基極；CS(10腳)：電流傳感輸入，接晶體管的發(fā)射極。本設(shè)計(jì)的單片機(jī)芯片選用Atmel公司的AT89C52，它完全可以滿足要求。另外，由于充電器外部為+12V供電，因此需要通過電壓轉(zhuǎn)換芯片將+12V電壓轉(zhuǎn)換為+5V電壓，這里選用三端電壓轉(zhuǎn)換芯片LM7805來完成此功能。為了降低電源干擾，保持電路的穩(wěn)定，在LM7805完成電壓轉(zhuǎn)換，將+5v充電電源送給MAXl898之前，先經(jīng)過一次光耦模塊6N137的處理，通過單片機(jī)對(duì)光耦模塊的控制，可以及時(shí)關(guān)斷充電電源。6N137的引腳分布如圖3所示。圖36N137引腳分布圖其引腳功能如下NC(1腳、4腳)：懸空；+(2腳)、-(3腳)：發(fā)光二極管的正、負(fù)極；GND(5腳)：接地端；OUTPUT(6腳)：輸出腳；EN(7腳)：使能腳。為低時(shí)，無論有無輸入，輸出都為高。不使用時(shí)，懸空即可；VCC(8腳)：電源輸入腳。4.2電路原理圖及說明硬件電路由單片機(jī)電路、電壓轉(zhuǎn)換及光耦隔離電路、充電控制電路3部分組成。單片機(jī)部分的電路原理圖如下圖4所示。圖4單片機(jī)部分原理圖圖中，u1為單片機(jī)AT89C52，工作在11．0592MHz時(shí)鐘；u2為蜂鳴器，蜂鳴器由單片機(jī)的P2．1腳控制發(fā)出報(bào)警聲提示；單片機(jī)的P2．O腳輸出控制光耦器件，在需要的時(shí)候可以及時(shí)關(guān)斷充電電源；單片機(jī)的外部中斷O由充電芯片MAXl898的充電狀態(tài)輸出信號(hào)／CHG經(jīng)過反相后觸發(fā)。下圖5所示的為電壓轉(zhuǎn)換及光耦隔離部分電路的原理圖。圖5電壓轉(zhuǎn)換及光耦隔離部分電路的原理圖U3為輸出+5V的電壓轉(zhuǎn)換芯片M7805，它將12V的輸入電壓轉(zhuǎn)換為固定的5v輸出；u4為光耦隔離芯片6N137，其輸入為L(zhǎng)M7805產(chǎn)生的5V電壓，輸出為經(jīng)過隔離的5V電壓，U4的2腳和單片機(jī)的P2．0相連，由單片機(jī)控制適時(shí)地關(guān)閉充電電源。圖6所示的為充電控制部分的電路原理圖，圖6充電控制部分的電路原理圖其核心器件為充電芯片MAXl898，其充電狀態(tài)輸出引腳／CHG經(jīng)過。74LS04反相后與單片機(jī)INT0相連，觸發(fā)外部中斷。LED_R為紅色發(fā)光二極管，紅燈表示電源接通；LED—G為綠色發(fā)光二極管，綠燈表示處于充電狀態(tài)。Q1為P溝道的場(chǎng)效應(yīng)管，由MAxl898提供驅(qū)動(dòng)。圖中，R4為設(shè)置充電電流的電阻，阻值為2.8kQ，設(shè)置最大充電電流為500mA，C11為設(shè)置充電時(shí)間的電容，容值為100nf，設(shè)置最大充電時(shí)間為3小時(shí)。在MAXl898和外部單片機(jī)的共同作用下，實(shí)現(xiàn)了如下的充電過程?！ゎA(yù)充在安裝好電池之后，接通輸入直流電源，當(dāng)充電器檢測(cè)到電池時(shí)將定時(shí)器復(fù)位，從而進(jìn)入預(yù)充過程，在此期間充電器以快充電流的10％給電池充電，使電池電壓、溫度恢復(fù)到正常狀態(tài)。預(yù)充時(shí)間由外接電容CcT確定(100nF時(shí)為45分鐘)，如果在預(yù)充時(shí)間內(nèi)電池電壓達(dá)到2.5V，且電池溫度正常，則充電進(jìn)入快充過程；如果超過預(yù)充時(shí)間后，電池電壓仍低于2.5V，則認(rèn)為電池不可充電，充電器顯示電池故障，LED指示燈閃爍。·快充快充過程也稱為恒流充電，此時(shí)充電器以恒定電流對(duì)電池充電。恒流充電時(shí)，電池電壓緩慢上升，一旦電池電壓達(dá)到所設(shè)定的終止電壓，恒流充電終止，充電電流快速遞減，充電進(jìn)入滿充過程?！M充在滿充過程中，充電電流逐漸衰減，直到充電速率降到設(shè)置值以下，或滿充時(shí)間超時(shí)，轉(zhuǎn)入頂端截止充電。頂端截止充電時(shí)，充電器以極小的充電電流為電池補(bǔ)充能量。由于充電器在檢測(cè)電池電壓是否達(dá)到終止電壓時(shí)有充電電流通過電池內(nèi)阻，盡管在滿充和頂端截止充電過程中充電電流逐漸下降，減小了電池內(nèi)阻和其他串聯(lián)電阻對(duì)電池端電壓的影響，但串聯(lián)在充電回路中的電阻形成的壓降仍然對(duì)電池終止電壓的檢測(cè)有影響。一般情況下，滿充和頂端截止充電可以延長(zhǎng)電池5％～10％的使用時(shí)間?！嚯姰?dāng)電池充滿后，MAXl898芯片的2號(hào)管腳發(fā)送的脈沖電平會(huì)由低變高，這將會(huì)被單片機(jī)檢測(cè)到，引起單片機(jī)的中斷，在中斷中，如果判斷出充電完畢，則單片機(jī)將通過P2.0口控制光耦6N137，切斷LM7805向MAXl898的供電，從而保證芯片和電池的安全，同時(shí)也減小功耗?！?bào)警當(dāng)電池充滿后，MAXl898芯片本身會(huì)熄滅外接的LED綠燈。但是，為了安全起見，單片機(jī)在檢測(cè)到充滿狀態(tài)的脈沖后，不僅會(huì)自動(dòng)切斷MAXl898芯片的供電，而且會(huì)通過蜂鳴器報(bào)警，提醒用戶及時(shí)取出電池。當(dāng)充電出錯(cuò)時(shí)，MAXl898芯片本身會(huì)控制LED綠燈以1．5Hz左右的頻率閃爍，此時(shí)不要切斷芯片的供電，要讓用戶一直看到此提示。第五章軟件設(shè)計(jì)充電器的充電過程主要由MAXl898控制，而單片機(jī)芯片主要是對(duì)電池起保護(hù)作用。本課題的軟件設(shè)計(jì)較為簡(jiǎn)單，其主要功能如下。當(dāng)MAXl898完成充電時(shí)，其／CHG引腳會(huì)產(chǎn)生由低到高的跳變，該跳變引起單片機(jī)的INTO中斷。／CHG輸出為高存在3種情況：一是電池不在位或無充電輸入，二是充電完畢，三是充電出錯(cuò)(此時(shí)，實(shí)際上／CHG會(huì)以1．5Hz頻率反復(fù)跳變)。顯然前兩種情況單片機(jī)都可以直接控制光耦切斷充電電源，所以，程序中只要區(qū)別對(duì)待第3種充電出錯(cuò)的情況即可。因此，在此中斷中，如果判斷出不是充電出錯(cuò)，則控制P2.0腳切斷電源，控制P2.1腳啟動(dòng)蜂鳴器報(bào)警。5.1程序流程單片機(jī)控制智能充電器工作的程序流程如圖7所示：圖7單片機(jī)控制智能充電器工作的程序流程圖 5.2程序說明主要程序代碼及其說明(見注釋語句)如下：#defineucharunsignedchar#defineuintunsignedintsbitGATE=P2＾0；sbitBP=P2＾1；uintt_count，int0_count；／+定時(shí)器0中斷服務(wù)子程序*／voidtimer0()interrupt1USing1(TR0=0；／／停止計(jì)數(shù)TH0=一5000／256；／／重設(shè)5ms計(jì)數(shù)初值TL0=一5000％256：t_count++；if(it_count>600)／／第一次外部中斷0產(chǎn)生后3S(if(int0_count==1)／／還沒有出現(xiàn)第二次外部中斷0，則認(rèn)為充電完畢(GATE=0；／／關(guān)閉充電電源BP=0；／／打開蜂鳴器報(bào)警)e1se／／否則即是充電出錯(cuò)(GATE=1；BP=1；)ET0=0；／／關(guān)閉TO中斷EX0=0；／／關(guān)閉外部中斷0int0_count=0；t_count=0；)elseTR0=1；／／TO開始計(jì)數(shù))／*外部中斷0服務(wù)子程序+／voidint0()interrupt0USing1(if(int0_count==0)(TH0=一5000f256；//5ms定時(shí)TL0=一5000％256;TRO=1：／／啟動(dòng)定時(shí)／計(jì)數(shù)器O計(jì)數(shù)t_count=0；／／產(chǎn)生定時(shí)器0中斷的計(jì)數(shù)器清零)intO—count++；)／*初始化*／voidinit()(EA=1;／／打開cpu中斷PTO=1／／T0中斷設(shè)為高優(yōu)先級(jí)TMOD=0X01;／／模式1，TO為16位定時(shí)／計(jì)數(shù)器ETO=1;／／打開TO中斷ITO=1;／／外部中斷O設(shè)為邊沿觸發(fā)EXO=l;／／打開外部中斷OGATE=1;／／光耦正常輸出電壓Bp=1;／／關(guān)閉蜂鳴器Int0_count=O／／產(chǎn)生外部中斷O的計(jì)數(shù)器清零)voidmain()(／*調(diào)用初始化函數(shù)*／init();／*無限循環(huán)*／while(1)；)第六章調(diào)試及檢測(cè)6.1硬件調(diào)試硬件調(diào)試時(shí)，可先檢查印制電路板及焊接的質(zhì)量情況，在檢查無誤后，可通電檢查L(zhǎng)ED顯示器的點(diǎn)亮狀況。若不理想，可以調(diào)整電阻的大小以獲得滿意的亮度效果，還可結(jié)合示波器測(cè)試晶振及波形情況進(jìn)行綜合測(cè)試分析。單片機(jī)系統(tǒng)的硬件和軟件調(diào)試相互密切聯(lián)系，許多硬件錯(cuò)誤是在軟件調(diào)試中發(fā)現(xiàn)的，但是一般還是盡可能地先排除硬件故障后，再進(jìn)行聯(lián)機(jī)調(diào)試。6.1.1靜態(tài)測(cè)試在樣機(jī)加電之前，首先要進(jìn)行靜態(tài)測(cè)試，主要內(nèi)容有；1．檢查線路。通過目測(cè)和使用萬用表，檢查樣機(jī)連線的正確性，注意各電路板之間的連線完好。2．核對(duì)元器件。檢查所有的元器件是否有插錯(cuò)或損壞現(xiàn)象。3．檢查電源系統(tǒng)。將樣機(jī)中所有芯片都從插座上拔下，給樣機(jī)加電。檢查完整流穩(wěn)壓電路后，逐一檢查各芯片插座上電源引腳的電壓是否有異常情況。一切正常時(shí)，斷電，插上一個(gè)芯片，重復(fù)檢查電壓，并試摸該芯片是否發(fā)熱。電源電壓正常，芯片沒有過熱現(xiàn)象。當(dāng)插上某個(gè)芯片后對(duì)電源系統(tǒng)沒有影響。4．外圍電路調(diào)試。將所有能進(jìn)行硬件單獨(dú)調(diào)試的外圍電路如檢測(cè)信號(hào)放大電路、輸出驅(qū)動(dòng)電路等都調(diào)試好。進(jìn)行局部電路調(diào)試，提供有關(guān)模擬信號(hào)或開關(guān)信號(hào)。6.1.2聯(lián)機(jī)調(diào)試聯(lián)機(jī)調(diào)試是軟硬件結(jié)合調(diào)試，即利用簡(jiǎn)單的調(diào)試程序來調(diào)試硬件系統(tǒng)。進(jìn)行聯(lián)機(jī)調(diào)試，用專用仿真插頭將樣機(jī)和仿真器連接起來，分別打開樣機(jī)和仿真器的電源，按以下步驟進(jìn)行具體調(diào)試：1．測(cè)試擴(kuò)展RAM(數(shù)據(jù)存儲(chǔ)器)。用開發(fā)裝置將一批數(shù)據(jù)寫入樣機(jī)的擴(kuò)展RAM中，然后再將其讀出校驗(yàn)。如果對(duì)于任意區(qū)域讀出和寫入的內(nèi)容都一致，表明擴(kuò)展RAM工作正常，否則就有故障。可能產(chǎn)生RAM讀寫故障的原因有：工作電源未接通：地址線、數(shù)據(jù)線開路、短路或接錯(cuò)；讀寫信號(hào)線未接好已經(jīng)I洲芯片損壞等。2．測(cè)試I／O口和I／0設(shè)備。對(duì)于單片機(jī)本身的輸出口，用仿真器內(nèi)部特殊功能寄存器修改命令將數(shù)據(jù)寫入輸出口或運(yùn)行一段給輸出口賦值的程序，然后檢查輸出口的相應(yīng)狀態(tài)及所接設(shè)備的狀態(tài)，如與寫入的內(nèi)容一致，說明輸出口及輸出設(shè)備工作正常。對(duì)于單片機(jī)本身的輸入口，通過輸入設(shè)備給輸入口設(shè)置一定的狀態(tài)，然后用讀特殊功能寄存器命令讀出相應(yīng)輸入接口寄存器的狀態(tài)，與設(shè)定的狀態(tài)一致，輸入口工作正常。擴(kuò)展I／0口大多是可編程的。檢查時(shí)先向其控制(命令)寄存器寫入控制字，設(shè)定接口的工作狀態(tài)，然后再用外部數(shù)據(jù)存儲(chǔ)器讀寫命令來檢查I／0口的狀態(tài)。I／0口狀態(tài)與讀寫數(shù)據(jù)一致，工作正常。3．試驗(yàn)預(yù)充、充電保護(hù)、自動(dòng)斷電和充電完成報(bào)警提示功能。借助程序進(jìn)行。6.2軟件調(diào)試軟件調(diào)試是在編譯器下進(jìn)行的。首先要將用匯編語言或高級(jí)語言編寫的源程序進(jìn)行編輯、匯編(或編譯)，變成目標(biāo)程序(機(jī)器代碼程序)，然后才能調(diào)試，最后可結(jié)合硬件實(shí)時(shí)調(diào)試。因此，軟件調(diào)試實(shí)際上可分為編輯、匯編(或編譯)和調(diào)試兩部分。6.2.1程序的編輯、匯編(或編譯)源程序的編輯在PC機(jī)上進(jìn)行，一般利用仿真系列統(tǒng)提供的編輯環(huán)境，也可以利用PC機(jī)上的某一種編輯軟件。6.2.2程序調(diào)試應(yīng)用程序應(yīng)分成若干個(gè)功能模塊來編寫和調(diào)試，單個(gè)程序模塊都調(diào)試通過后，將它們組合起來進(jìn)行系統(tǒng)統(tǒng)調(diào)。模塊程序從調(diào)試方法來說分成兩類情況。一類是各種計(jì)算程序已經(jīng)代碼轉(zhuǎn)換程序、靜態(tài)I／O程序。這類程序如果不能正常運(yùn)行，程序中的錯(cuò)誤是靜態(tài)的固定的錯(cuò)誤，因此可以用單拍或帶斷點(diǎn)運(yùn)行方式來調(diào)試。這里我準(zhǔn)備了多組有代表性的原始數(shù)據(jù)，以便程序中各個(gè)分支都能得到運(yùn)行，調(diào)試工作不至出現(xiàn)遺漏。另一類是I／0實(shí)時(shí)處理程序和通訊程序。調(diào)試這類程序不能用單拍或慢速斷點(diǎn)方式，而必須采用全速斷點(diǎn)或全速連續(xù)運(yùn)行方式。這是因?yàn)閷?shí)時(shí)事件的發(fā)生是隨機(jī)的或不能停止的。如果有問題，需要從硬件和軟件兩個(gè)方面進(jìn)行檢查和解決。6.3系統(tǒng)調(diào)試當(dāng)硬件調(diào)試和軟件分模塊調(diào)試完成以后，就可以進(jìn)行系統(tǒng)調(diào)試，在系統(tǒng)調(diào)試時(shí)，應(yīng)將全部硬件電路都接上，應(yīng)用程序也都組合好，進(jìn)行全系統(tǒng)軟硬件的統(tǒng)調(diào)。系統(tǒng)調(diào)試的任務(wù)是排除軟硬件中的殘留錯(cuò)誤，使整個(gè)微機(jī)系統(tǒng)能夠完成預(yù)定的工作任務(wù)，達(dá)到要求的技術(shù)性能指標(biāo)。在系統(tǒng)調(diào)試中要注意以下幾點(diǎn)：1.對(duì)于有電氣控制負(fù)載的系統(tǒng)，先試空載，空載正常后在試驗(yàn)負(fù)載情況。2.要試驗(yàn)系統(tǒng)的各項(xiàng)功能，避免遺漏。仔細(xì)調(diào)整有關(guān)軟件或硬件，使檢測(cè)和控制達(dá)到要求的精度。3.系統(tǒng)調(diào)試時(shí)，仿真器采用全速斷點(diǎn)或連續(xù)運(yùn)行方式，在綜合調(diào)試的最后階段應(yīng)使用樣機(jī)中的晶振。4.系統(tǒng)要連續(xù)運(yùn)行相當(dāng)?shù)臅r(shí)間，以考驗(yàn)硬件部分的穩(wěn)定性。6.4現(xiàn)場(chǎng)調(diào)試6.4.1標(biāo)準(zhǔn)條件下的電氣特性、試驗(yàn)及判定(1)標(biāo)準(zhǔn)測(cè)試環(huán)境條件溫度20℃±5℃;相對(duì)濕度60±15％；大氣壓強(qiáng)86-106Kpa。(2)測(cè)量?jī)x表要求電壓表要求：測(cè)量電壓的儀表的準(zhǔn)確度應(yīng)不低于0.5級(jí)，內(nèi)阻應(yīng)不小于lOKΩ／V。電流表要求：測(cè)量電流的儀表準(zhǔn)確度應(yīng)不低于0.5級(jí)。溫度計(jì)要求：測(cè)量溫度的儀表準(zhǔn)確度應(yīng)不低于±O.5℃。恒流源的電流恒定可調(diào)，其電流變化應(yīng)在±1％范圍內(nèi)。恒壓源的電壓恒定可調(diào)，其電壓變化應(yīng)在±0.5％范圍內(nèi)。(3)充電、放電方法。充電、放電方法如下表2所示。表2充電、放電方法項(xiàng)目

方法

標(biāo)準(zhǔn)放電

充電電源以O(shè).2C5A電流恒流充電，直至電池電壓達(dá)到4.20V，然后改為