投幣式多功能充電器控制電路的設(shè)計論文參考文獻(xiàn)

投幣式多功能充電器控制電路的設(shè)計論文參考文獻(xiàn)分類號:TM910.6UDC:D10621-408-(2013)0415-0密級:公開編號:成都信息工程學(xué)院學(xué)位論文投幣式多功能充電器控制電路的設(shè)計論文作者姓名:申請學(xué)位專業(yè): 雷電防護科學(xué)與技術(shù)申請學(xué)位類別: 工學(xué)學(xué)士指導(dǎo)教師姓名(職稱):(副教授)論文提交日期: 2013年06月01日獨創(chuàng)性聲明本人聲明所呈交的學(xué)位論文是本人在導(dǎo)師指導(dǎo)下進行的研究工作及取得的研究成果。據(jù)我所知,除了文中特別加以標(biāo)注和致謝的地方外,論文中不包含其他人已經(jīng)發(fā)表或撰寫過的研究成果,也不包含為獲得成都信息工程學(xué)院或其它教育機構(gòu)的學(xué)位或證書而使用過的材料。與我一同工作的同志對本研究所做的任何貢獻(xiàn)均已在論文中作了明確的說明并表示謝意。簽名:日期:2013年06月01日關(guān)于論文使用授權(quán)的說明本學(xué)位論文作者完全了解成都信息工程學(xué)院有關(guān)保留、使用學(xué)位論文的規(guī)定,有權(quán)保留并向國家有關(guān)部門或機構(gòu)送交論文的復(fù)印件和磁盤,允許論文被查閱和借閱。本人授權(quán)成都信息工程學(xué)院可以將學(xué)位論文的全部或部分內(nèi)容編入有關(guān)數(shù)據(jù)庫進行檢索,可以采用影印、縮印或掃描等復(fù)制手段保存、匯編學(xué)位論文。(保密的學(xué)位論文在解密后應(yīng)遵守此規(guī)定)簽名:日期:2013年06月01日投幣式多功能充電器控制電路的設(shè)計摘要隨著科學(xué)與技術(shù)的發(fā)展,大量使用電池供電的便攜式電電子產(chǎn)品進入人們的日常生活中,如手機、數(shù)碼相機、MP3等。鋰離子電池?fù)碛斜饶芰扛?、壽命長、可循環(huán)使用、可快速充電、質(zhì)量輕、體積小等優(yōu)點。與其他類型電池相比,鋰離子電池具有良好的綜合性能,卓越的競爭能力。本文介紹的是投幣式多功能充電器控制電路的設(shè)計。該設(shè)計是基于STC12C5A60S2單片機以及CN3052A充電管理芯片的一款多功能充電器。投幣式多功能充電器控制電路主要有單片機電路、直流穩(wěn)壓電源電路、充電控制電路、投幣模擬電路、顯示電路等部分組成。單片機通過投幣數(shù)量決定充電時間,從而控制充電電路給鋰離子電池充電。充電情況也通過相應(yīng)電路及時得到反饋。關(guān)鍵詞:鋰離子電池,多功能充電器,投幣式,CN3052A,STC12C5A60S2CoinMulti-functionChargerControlCircuitDesignABSTRACTWiththescienceandtechnologydeveloping,battery-poweredportableelectronicproductscomeout,suchascellphone,digitalcamera,mp3etc.Li-ionbatteryhasadvantagesinhighenergydensity,energysaving,longservicelife,recyclingusing,fastcharging,lighterweight,smallsize,etc.Comparedtoothertypesofbatteries,Li-ionbatteryhasgoodcomprehensiveperformance.Thepaperismainlyaboutthedesignofcoinmulti-functionchargercontrolcircuit.ThedesignisbasedontheSTC12C5A60S2MCUandCN3052Achargemanagementchip,anditcontainswithsomeelectriccircuitslikeMCUcontroling,powersupply,chargingcontroling,coinsimulating,displaying,etc.MCUjudgeschargingtimebythenumberofcoin,inordertocontroltheLi-ionbatterycharger.Whilethesituationofchargingisshowedbythecircuit.Keywords:Li-ionbattery,multi-functioncharger,coin,CN3052A,STC12C5A60S2目錄第一章引言 11.1背景和意義 11.2充電器的現(xiàn)狀 11.3充電電池 21.3.1充電電池介紹 21.3.2鋰離子電池的充電特性 31.4充電方法的分析 41.4.1快充慢充 41.4.2常用的充電方式 41.5投幣的分析 71.6本文的主要任務(wù)及結(jié)構(gòu) 7第二章系統(tǒng)設(shè)計方案 92.1總體方案 92.2單片機的選擇 102.2.1STC12C5A60S2的簡介 102.2.2STC12C5A60S2的內(nèi)部結(jié)構(gòu) 102.3充電芯片的選擇 112.3.1CN3052A 112.3.2BQ24080 122.4直流穩(wěn)壓電源 132.5數(shù)碼管顯示效果 14第三章硬件電路的設(shè)計與實現(xiàn) 163.1硬件系統(tǒng)框圖 163.2單片機最小系統(tǒng) 163.3直流穩(wěn)壓電源電路 183.4充電電路 193.5投幣電路 223.6數(shù)碼管顯示電路 233.7充電接口 23第四章編程控制實現(xiàn)方法 244.1I/O口分配 244.2程序功能及實現(xiàn)方法 244.3程序仿真 26第五章調(diào)試 285.1開發(fā)環(huán)境介紹 285.2硬件調(diào)試 285.3軟件調(diào)試 295.4整機調(diào)試 295.5測試數(shù)據(jù) 29第六章總結(jié)與展望 316.1總結(jié) 316.2展望 31參考文獻(xiàn) 32致謝 33附錄 34第一章引言1.1背景和意義隨著科學(xué)與技術(shù)的發(fā)展,大量使用電池供電的產(chǎn)品進入人們的日常生活,如手機、數(shù)碼相機、電動車等。因為充電電池有較高的性價比、放電電流大、可循環(huán)使用、壽命長等特點。早期的電池充電電路比較簡單,只需變壓器配合二極管整流即可滿足要求。而如今的充電系統(tǒng)在微型化、自動化、智能化等多方面的要求大大提升。這些設(shè)備維持其便攜性的關(guān)鍵在于自身電量的保證。充電器恰好能夠提高用電設(shè)備的續(xù)航能力。但市場上現(xiàn)有的充電器存在著一些問題,如充電效率低、發(fā)熱較嚴(yán)重、對電池?fù)p耗大[1]。為此,設(shè)計一款方便快捷、效率高、功能全、安全的投幣式多功能充電器變得十分必要。1.2充電器的現(xiàn)狀充電器是一種將交流電轉(zhuǎn)換為低壓直流電的設(shè)備。充電器是一種將頻率和電壓固定不變的交流電變換為直流電、采用電力電子半導(dǎo)體器件的靜止變流裝置。目前市場上流行的充電器主要分為恒流充電器和自動充電器兩種[2]。恒流充電器是一種最為常見的充電器。從鎳鎘電池時代開始,我們就使用恒流充電器。恒流充電器充電電流比較慢,使用相對簡單,只需將電池放在電池盒中即可充電[2]。不過有一定需要特別注意,充電時間的計算要比較準(zhǔn)確。充電時間計算的簡單公式是:[2]。如充電電流為150mA的充電器給1500mAH的電池充電,則時間為1500mAH/150mA等于10個小時。不過在很多時候,計算出的時間不是整數(shù),為了方便記時,可以挑離得最近的半小時。如充電電流為160mA的充電器給1500mAH的電池充電,則時間為1500mAH/160mA約為9個小時,而不用計算到分。恒流充電器的構(gòu)造較簡單,工作較穩(wěn)定,對電池壽命的影響小,是一種不錯的選擇。不過,恒流充電器有局限性,不僅時間必須計算,而且隨著電池的容量越來越大,充電所需的時間也越來越長,在使用上造成一定的不便?？焖僮詣映潆娖骶哂谐潆娝俣瓤?安全等特點。其在這幾年越來越受到大家歡迎?？焖僮詣映潆娖魇鞘怯么箅娏鱽斫o充電電池充電,有時可以達(dá)到2C或更高。大電流充電對電池壽命的影響很小。不過,如果對大電流充電時產(chǎn)生的高熱不作處理,將會直接影響到充電電池壽命。在使用比電池標(biāo)稱電壓稍高的電壓來充電時,電池本身對充電電流會產(chǎn)生一個反電勢。因此有一部分電流為了抵消反電勢而白白做功,轉(zhuǎn)化為熱能。隨著充電電流越來越大,電能不斷被轉(zhuǎn)化為熱能,充電溫度也就越來越高。過高的溫度對充電電池是有害的。在慢速恒流充電器中,充電電流比較慢,產(chǎn)生的熱量在可控制范圍內(nèi),因此并不需要采取特殊的措施。而在快速自動充電器中,快速的充電電流會讓充電溫度更高。因此許多快速自動充電器使用余弦法,來降低充電時的溫度,也就是說不采用恒定的大電流充電。而是像余弦波那樣,電流強度不斷變化以緩解熱量的積聚,從而將溫度控制在合適的范圍內(nèi)。因這類充電器不再使用恒定電流來充電,與以前的恒流充電器有明顯的區(qū)別。為了解決過充問題,快速自動充電器一般都采用了電壓斜率判斷法來判斷電池接近充滿的程度。這功能往往靠使用控制電路或者IC芯片來完成。當(dāng)電池接近充滿時,控制電路會自動切換充電模式,對電池進行涓流充電。采用涓流電流給電池的好處是比較明顯。涓流充電可以將電池充的比較滿,同時不用擔(dān)心過充的問題。為此,快速自動充電器不用像恒流充電器那樣去計算時間。1.3充電電池充電電池種類不少,目前市場上主流產(chǎn)品有鎳鎘(NiCd)電池、鎳氫(NiMH)電池和鋰離子(Li-ion)電池[2]。1.3.1充電電池介紹鎳鎘電池是鎳鎘堿性電池的簡稱,是一種廣泛應(yīng)有的蓄電池。1898年,鎳鎘電池有瑞典人雍格涅爾(Jungener)發(fā)明。鎳鎘電池的正極性物質(zhì)是高價氫氧化鎳,負(fù)極性物質(zhì)是海綿狀金屬鎘,有氫氧化鉀或氫氧化鈉的水溶性電解液[2]。鎳鎘電池具有功率高、循環(huán)及浮充壽命長、充電容易、使用和維護方便等優(yōu)點,可制成無需維護的密封和全密封結(jié)構(gòu)的電池。但是其“記憶效應(yīng)”和金屬鎘對環(huán)境污染是在應(yīng)用中的不利因素。鎳氫電池是鎳金屬氫化合物堿性蓄電池的簡稱,是一種堿性電池,其正極是氫氧化鎳發(fā)泡板,負(fù)極是從稀土提煉出來的儲氫合金粉,電解質(zhì)是氫氧化鉀溶液[2]。鎳氫電池具有容量大、無“記憶效應(yīng)”、耐過充、過放電能力強、無污染、壽命長等優(yōu)點,受到廣大用戶的歡迎。鋰離子電池是在二次鋰電池技術(shù)的基礎(chǔ)上發(fā)展而來的一種新型高容量蓄電池。鋰離子電池正極材料為鋰合金金屬氧化物,負(fù)極材料為石墨、使用非水電解質(zhì)[2]。充放電時鋰離子在正負(fù)電極之間漂移傳遞能量。鋰離子電池具有比容量高、無“記憶效應(yīng)”、比能量大、儲存壽命長、無污染、安全性好等優(yōu)點,但也存在工作電壓變化大、內(nèi)部阻抗高、不能與其他二次電池互換使用等缺點。表1-1為鎳鎘、鎳氫、鋰離子電池特性的比較[3]。表1-1鎳鎘、鎳氫、鋰離子電池特性的比較電池類型 工作電壓(V) 質(zhì)量比能量(Wh/kg) 體積比能量(Wh/L) 循環(huán)次數(shù) 記憶效應(yīng) 自放電率(%/月)鎳鎘 1.2 50 150 400~500 有 25鎳氫 1.2 60~80 240~300 500 無 20鋰離子 3.6 120~140 300 1000 無 101.3.2鋰離子電池的充電特性(1)激活狀態(tài)區(qū)鋰離子電池再充電時,首先需要一小段激活時間。此期間所需電流很小僅為正常充電值的1%左右,而且維持時間很短[4]。(2)預(yù)充電狀態(tài)區(qū)鋰離子電池進入預(yù)充狀態(tài),此期間電流比較小[4]。(2)快充電階段當(dāng)經(jīng)過一段時間的預(yù)充電,鋰離子電池就進入了快充區(qū)。此階段充電電流比較大,電壓要逐步上升并達(dá)到鋰離子電池的標(biāo)準(zhǔn)電壓左右[4]。(4)限壓衡壓充電區(qū)充電電壓穩(wěn)定在標(biāo)準(zhǔn)電壓,電流逐步減小到一個很小的電流并維持,且電池溫度有小幅增加[4]。(5)維持充電區(qū)在維持充電區(qū)期間,電壓維持在較高的值,電流幾乎為零,直到電池被取走。從以上分析可看出,對于鋰離子電池其控制參量可為最大電壓,最大溫度,最大時間。電池充電各階段的轉(zhuǎn)換控制主要用電池開路電壓的精確測量V作為控制參量[4]。1.4充電方法的分析1.4.1快充慢充一節(jié)電池的電容量稱為1C,是一個邏輯概念。同樣的1C不一定相等。在充電時,充電電流小于0.1C時,稱為涓流充電。一般而言,涓流充電可以把電池充的較滿,同時不影響電池壽命。涓流充電的充電電流比較小,導(dǎo)致所花費的時間比較長。因此很少單獨使用,往往和其它充電方式結(jié)合使用。充電電流在0.1C-0.2C之間時,稱為慢速充電。充電電流大于0.2C,小于0.8C則是快速充電。而當(dāng)充電電流大于0.8C時,稱之為超高速充電。由此可見1C只是個邏輯概念,而不是絕對值,相對來說根據(jù)1C折算的快充慢充也是一個相對值。如200mA充電電流對于1200mAH的電池來說是慢充,而對于700mAH的電池來說就是快充。1.4.2常用的充電方式(1)恒壓限流充電恒壓限流充電方式的充電曲線如圖1-1所示。在充電過程中,維持恒定的充電電壓,電流逐漸減小。在充電電流減小到一特定值時,視為電池己充滿,則停止充電[5]。圖1-1恒壓充電曲線圖(2)恒流限壓充電恒流限壓充電方式的充電曲線如圖1-2所示。在充電過程中,維持恒定的充電電流,電池電壓逐漸升高。在電池電壓升高到一特定值時,視為電池己充滿,則停止充電[5]。圖1-2恒流充電曲線圖(3)恒流-恒壓充電恒流-恒壓充電方式的充電曲線如圖1-3所示,是恒流限壓和恒壓限流充電方法的綜合。在充電過程中,先選擇恒流限壓的充電方式,在電池電壓達(dá)到某一數(shù)值以后,再選擇恒壓限流的充電方式[5]。圖1-3恒流-恒壓充電曲線圖(4)脈沖電流充電脈沖電流充電方式的充電波形如圖1-4所示。在充電過程中,采用周期性脈沖電流對電池進行充電。一個脈沖周期分脈沖充電時間和間歇時間兩部分。在脈沖充電時間內(nèi),采用較大的電流為電池充電。間歇時間則停止充電,以減小電池在充電過程中的極化現(xiàn)象[5]。圖1-4脈沖電流充電曲線圖(5)正負(fù)脈沖充電正負(fù)脈沖充電如圖1-5所示。在一個充電工作周期內(nèi),電池先后經(jīng)歷正脈沖充電、負(fù)脈沖放電和間歇三個階段。首先,對電池采用較大電流進行正脈沖充電。接著,進行更大電流的短時間脈沖放電。經(jīng)過一定間歇時間再進入正脈沖充電階段。對電池的脈沖放電可以起到吸收熱能、去極化等作用[5]。這樣做可以加快充電速度。圖1-5正負(fù)脈沖充電曲線圖1.5投幣的分析(1)一元硬幣的相關(guān)信息如表1-2所示。表1-2一元硬幣的基本資料版本 正面 反面 材質(zhì) 直徑 邊緣 發(fā)行時間舊版 國徽、國名拼音、年號 牡丹花、面額 鋼芯鍍鎳 25mm 無絲齒 1992.06.01新版 行名、面額拼音、年號 菊花 鋼芯鍍鎳 25mm “RMB”字符標(biāo)記 2000.10.16(2)利用渦流傳感器測量原理來檢測硬幣電渦流傳感器工作原理如圖1-6所示[6]。圖1-6電渦流傳感器工作原理圖當(dāng)金屬導(dǎo)體被置于振蕩器線圈的交變磁場H1中時,在金屬導(dǎo)體中感應(yīng)出電渦流。并產(chǎn)生一個與原磁場方向相反的新磁場H2,兩者相互作用,改變了線圈的電感、阻抗及品質(zhì)因數(shù)等參數(shù)。線圈的這些參數(shù)變化與被測金屬電阻率ρ、磁導(dǎo)率μ、勵磁頻率f以及線圈與被測金屬體的距離d等有關(guān)[6]。因此可以利用線圈這些參數(shù)的變化,把對被測導(dǎo)體所要測量的量變換成電量的形式來測量。1.6本文的主要任務(wù)及結(jié)構(gòu)本論文所完成的任務(wù)是對投幣式多功能充電器控制電路的設(shè)計方法進行研究。本論文在總體結(jié)構(gòu)上共分為6章。第1章引言,本章介紹了充電器、充電電池特性、充電方法以及投幣的分析。第2章系統(tǒng)設(shè)計方案,本章簡要介紹了總體設(shè)計方案和關(guān)鍵元器件的選擇。第3章硬件電路的設(shè)計與實現(xiàn),本章主要介紹了各部分電路的詳細(xì)設(shè)計。第4章編程控制實現(xiàn)方法,簡要地介紹了程序如何控制充電電路。第5調(diào)試,主要介紹電路的調(diào)試以及如何應(yīng)對存在的問題第6章結(jié)論,對本次設(shè)計進行總結(jié),并對該課題的前景進行展望。第二章系統(tǒng)設(shè)計方案鋰離子電池具有比容量高、比能量大、使用壽命長、無污染、安全性好等諸多優(yōu)點。因此,越來越多產(chǎn)品選用鋰離子電池來供電。不過,鋰離子電池同樣存在不足,主要在于對充電控制器要求比較高,需要保護電路。為有效利用電池的容量,鋰離子電池往往充電至最大電壓。但是過壓充電會損壞電池,這就要求較高的控制精度[3]。另外,對于電壓過低的電池需進行預(yù)充,充電控制器應(yīng)該帶有時間保護和熱保護,提供一些附加保護。根據(jù)鋰離子電池的特點,充電器應(yīng)符合的要求有:一是可以提供較高的充電電流以減少充電時間,也可限制最大充電電流和最大充電電壓來確保充電器的安全;二是避免充電電池充放次數(shù)及使用時間的減少,減少對過放的電池充電電流,限制輸入電流,電池充滿時應(yīng)關(guān)閉充電器,自動再充電功能,充電狀態(tài)的指示,外部充電器的開關(guān)控制等[4]。2.1總體方案投幣式多功能充電器控制電路可以通過控制模塊、充電模塊、投幣模塊、顯示模塊等四個模塊來實現(xiàn)相應(yīng)的功能。控制模塊主要功能是收集其他各模塊的信息,進行分析處理,再發(fā)送命令給對應(yīng)模塊。信息處理的功能由合適的單片機來實現(xiàn)。充電模塊是整個設(shè)計方案的核心部分。充電模塊的功能有:采集電池的一些參數(shù),傳達(dá)給控制模塊;從控制模塊接收命令,采取合適的充電方法給充電電池進行充電;可以對電池起到一定的保護作用;在充電發(fā)生問題時,及時發(fā)出相應(yīng)的警告消息;可以對充電狀況做出相應(yīng)提示,如正在充電、充電完成等。投幣模塊主要是使用者投進一定數(shù)量的一元硬幣,來確定充電模塊對充電電池進行相應(yīng)時間的充電。顯示模塊相對來說比較簡單,利用數(shù)碼管來顯示投幣的數(shù)量、充電時間等信息。圖2-1設(shè)計模塊圖2.2單片機的選擇2.2.1STC12C5A60S2的簡介STC12C5A60S2是單片機中應(yīng)用比較廣泛的型號,也是傳統(tǒng)的51單片機的增強型,現(xiàn)在以其為代表介紹其參數(shù)。STC12C5A60S2單片機是把那些作為控制應(yīng)用所必需的基本內(nèi)容都集成在一個尺寸有限的集成電路芯片上。它們都是通過片內(nèi)單一總線連接而成,其基本結(jié)構(gòu)依舊是CPU加上外圍芯片的傳統(tǒng)結(jié)構(gòu)模式。但對各種功能部件的控制是采用特殊功能寄存器的集中控制方式。2.2.2STC12C5A60S2的內(nèi)部結(jié)構(gòu)(1)微處理器:該單片機中有一個8位的微處理器,與通用的微處理器基本相同,同樣包括了運算器和控制器兩大部分,只是增加了面向控制的處理功能,不僅可處理數(shù)據(jù),還可以進行位變量的處理。(2)數(shù)據(jù)存儲器:片內(nèi)為128個字節(jié),片外最多可外擴至64k字節(jié),用來存儲程序在運行期間的工作變量、運算的中間結(jié)果、數(shù)據(jù)暫存和緩沖、標(biāo)志位等,所以稱為數(shù)據(jù)存儲器。(3)程序存儲器:由于受集成度限制,片內(nèi)只讀存儲器一般容量較小,如果片內(nèi)的只讀存儲器的容量不夠,則需用擴展片外的只讀存儲器,片外最多可外擴至64k字節(jié)。(4)中斷系統(tǒng):具有5個中斷源,2級中斷優(yōu)先權(quán)。(5)定時器/計數(shù)器:片內(nèi)有2個16位的定時器/計數(shù)器,具有四種工作方式。(6)4個并行8位I/O口:分別為P1口、P2口、P3口、P4口。(7)串行口:1個全雙工的串行口,具有四種工作方式?？捎脕磉M行串行通訊,擴展并行I/O口,甚至與多個單片機相連構(gòu)成多機系統(tǒng),從而使單片機的功能更強且應(yīng)用更廣。(8)特殊功能寄存器:共有21個,用于對片內(nèi)的各功能的部件進行管理、控制、監(jiān)視。實際上是一些控制寄存器和狀態(tài)寄存器,是一個具有特殊功能的RAM區(qū)。考慮到STC12A5C60S2單片機高速/低功耗/超強抗干擾的新一代8051單片機,以及該系列單片機資料較多,而且對其的使用相對熟練,本設(shè)計采用此單片機來實現(xiàn)。2.3充電芯片的選擇2.3.1CN3052ACN3052A是專門為一節(jié)鋰離子或鋰聚合物電池而設(shè)計的線性充電器電路,利用芯片內(nèi)部的功率晶體管對電池進行恒流或恒壓充電。充電電流可以用外部電阻編程設(shè)定,最大持續(xù)充電電流可達(dá)500mA,不需要另加阻流二極管和電流檢測電阻。圖2-2CN3052A管腳圖主要特點是:輸出電壓4.2V,精度可達(dá)1%;為了激活深度放電的電池和減小功耗,在電池電壓較低時采用小電流的預(yù)充電模式;采用恒流/恒壓/恒溫模式充電,既可以使充電電流最大化,又可以防止芯片過熱;電源電壓掉電時自動進入低功耗的睡眠模式狀態(tài)指示輸出可驅(qū)動LED或與單片機接口;自動再充電;電池溫度監(jiān)測功能。主要應(yīng)用:移動電話、數(shù)碼相機、MP3播放器、電子詞典、便攜式設(shè)備、各種充電器。表2-1CN3052A管腳功能管腳 功能 管腳 功能TEMP 電池溫度檢測輸入端 CE 充電電流輸出ISET 恒流充電電流設(shè)置和充電電流監(jiān)測端 CHRG 漏極開路輸出的充電狀態(tài)指示端GND 電源地 FAULT 漏極開路輸出的電池故障狀態(tài)指示端VIN 輸入電壓正輸入端 BAT 電池連接端2.3.2BQ24080BQ24080是一個高度集成和靈活的鋰離子線性充電芯片,應(yīng)用于空間有限的充電器設(shè)計。它提供了一個集成的功率場效應(yīng)管和電流傳感器,高精度的電流和電壓調(diào)節(jié),充電狀態(tài),和充電終止。一個外部電阻可以設(shè)置充電電流的大小。BQ24080充電電池有三個階段:調(diào)節(jié),恒定電流,恒定電壓。內(nèi)部充電定時器為保險起見提供備用充電。如果電池電壓低于內(nèi)部閾值,BQ24080自動重新充電。當(dāng)輸入電源被拿掉時,BQ24080自動進入睡眠模式。圖2-3BQ24080管腳圖主要特點是:小型3毫米x3毫米MLP封裝;安全預(yù)充電調(diào)節(jié)定時器;充電和電源良好;自動睡眠模式低功耗;固定7小時的快速充電安全定時器;適合用于單節(jié)鋰離子或鋰聚合物電池充電的便攜式設(shè)備。表2-2BQ24080管腳功能管腳 功能 管腳 功能IN 電源輸入 OUT 充電電流輸出GND 地 CE 使能輸入端(低電平時,進入低功耗模式)STAT1 電荷輸出1 PG 可用來驅(qū)動LEDSTAT2 電荷輸出2 GND 地VSS 地 ISET 充電電流,預(yù)充電和終止設(shè)定點主要應(yīng)用:掌上電腦、MP3播放器、數(shù)碼相機、互聯(lián)網(wǎng)設(shè)備、智能手機。CN3052A和BQ24080的比較如表2-3所示。表2-3CN3052A和BQ24080的比較充電芯片 CN3052A BQ24080封裝形式 SOP8 SONDRC10工作環(huán)境溫度℃ -40~85 -40~125輸入電源電壓V 最大 6 6.5最小 4.35 4.5輸出電壓V 4.2 4.2輸出電流mA 最大 600 1000最小 400 50自動再充電 有 有電池溫度監(jiān)測 有 無睡眠模式 低功耗 低功耗可充鋰電池節(jié)數(shù) 單節(jié) 單節(jié)以上兩款充電管理芯片功能相似,也都不需要太多的外圍電路。不僅可以符合充電器的要求,也便于充電器的微型化和便攜性。根據(jù)具體參數(shù)的比照,德州儀器公司生產(chǎn)的BQ24080要優(yōu)于如韻電子公司生產(chǎn)的CN3052A。本設(shè)計的前期選用的正是BQ24080充電芯片,也設(shè)計好相應(yīng)電路圖,并著手制作用于模塊測試的電路板。BQ24080充電芯片是貼片式的,無引腳,且芯片底面管腳距離很近。經(jīng)過多次嘗試,受限于焊接技術(shù)水平的限制,始終無法完成電路板的制作。而CN3052A充電芯片雖然也是貼片式的,但是有引腳且管腳距離較大,方便焊接。所以在設(shè)計方案最終選用CN3052A作為充電模塊的管理芯片。2.4直流穩(wěn)壓電源隨著半導(dǎo)體工藝的發(fā)展,穩(wěn)壓電路也制成了集成器件。由于集成穩(wěn)壓器具有體積小、外接線簡單、工作可靠和通用性好等優(yōu)點,因此各種電子設(shè)備中應(yīng)用十分普遍,基本上取代了由分立元器件構(gòu)成的穩(wěn)壓電路。集成電路穩(wěn)壓器的種類很多,應(yīng)根據(jù)設(shè)備對直流電源的要求來進行選擇。對于大多數(shù)電子儀器、設(shè)備和電子電路來說,通常是選用串聯(lián)線性集成穩(wěn)壓器[7]。其中,三端式穩(wěn)壓器使用最為廣泛。78XX、79XX系列三端式集成穩(wěn)壓器的輸出電壓是固定的,在使用中不能進行調(diào)整。78XX系列三端式穩(wěn)壓器輸出正極性電壓,可在5V~24V范圍內(nèi)選擇,輸出電流可達(dá)1.5A(加散熱片)。同類型78M系列穩(wěn)壓器的輸出電流為0.5A,78L系列穩(wěn)壓器的輸出電流為0.1A。若要求負(fù)極性輸出電壓,則可選擇79XX系列的集成穩(wěn)壓器。78XX系列有限流、過熱保護功能。78XX系列不允許GND端懸空,否則器件極易損壞。78XX系列有三個引出端:輸入端、輸出端、公共端[7]。使用時輸入電壓V一般要比輸出電壓V大3~5V,才能保證集成穩(wěn)壓器工作在線性區(qū)。78XX系列的外形和接線如圖2-5所示。圖2-478XX系列外形和接線圖因為本設(shè)計選擇的STC12C5A60S2單片機工作電壓為5V,所以選擇7805三端式集成穩(wěn)壓器。2.5數(shù)碼管顯示效果充電相應(yīng)的信息顯示在數(shù)碼管上,如投幣數(shù)、時間和充電狀態(tài)情況等。例如,充電中(Charging,簡稱CH),完成(Complete,簡稱CP),錯誤(Error,簡稱ER)。數(shù)碼管顯示設(shè)計效果有五種,如下:a.投幣數(shù)量顯示效果圖2-5投幣顯示效果圖b.計時時間顯示效果圖2-6時間顯示效果圖c.正在充電提示顯示效果圖2-7充電顯示效果圖d.充電完成提示顯示效果圖2-8完成顯示效果圖e.充電錯誤提示顯示效果圖2-9錯誤顯示效果圖第三章硬件電路的設(shè)計與實現(xiàn)投幣式多功能充電器控制電路主要有單片機電路、直流穩(wěn)壓電源電路、充電控制電路、投幣模擬電路、顯示電路等部分組成。3.1硬件系統(tǒng)框圖圖3-1硬件系統(tǒng)框圖圖3-1中,第一路、第二路投幣電路分別向單片機發(fā)送信號,單片機再分別控制數(shù)碼管和第一、第二路充電電路,充電接口可接各種類型的鋰離子電池。3.2單片機最小系統(tǒng)單片機最小系統(tǒng)組成部分有單片機、晶振電路和復(fù)位電路。單片機選用宏晶科技生產(chǎn)的單時鐘、機器周期(1T)的單片機,型號為STC12C5A60S2。STC12C5A60S2單片機是新一代高速、低功耗、抗干擾超強的8051單片機,完全兼容傳統(tǒng)8051單片機的代碼,且速度快8至12倍。工作頻率為12MHZ,工作電壓為5V。圖3-2單片機最小系統(tǒng)圖晶振電路由12MHz的晶振以及電容C6、電容C7組成。晶振給單片機提供工作信號脈沖,而整個脈沖就是單片機的工作速度。這里采用12MHz晶振,則單片機工作速度為每秒12M。兩個電容為起振電容,其值為30pF,有利于減少起振時間。在設(shè)計過程中,晶振應(yīng)盡量與單片機靠近,兩個電容也是離晶振越近越好。圖3-3單片機最小系統(tǒng)復(fù)位電路復(fù)位電路是必不可少的一部分,作用是保證單片機最小系統(tǒng)電路工作穩(wěn)定可靠。單片機在啟動時需要復(fù)位,恢復(fù)到初始狀態(tài),并從初始狀態(tài)開始工作。復(fù)位電路由按鍵R2、電容C5和電阻R2組成。單片機的復(fù)位輸入端RST與復(fù)位電路相連。當(dāng)+5V端上電時,電容C5開始充電,在電阻R2上產(chǎn)生電壓,RST端處于高電平,單片機復(fù)位;幾毫秒之后,電容C5充電完畢,電阻R2中流過的電流降為0,電壓同樣為0,則RST維持在低電平,讓單片機進入工作狀態(tài)。在單片機工作的時候,按下按鍵S2使電容C5放電。松開按鍵S2后,電容C5有開始充電,電阻R2出現(xiàn)電壓,使單片機復(fù)位。之后,電容C5充滿,單片機再次進入工作狀態(tài)。綜上所述,可以通過控制按鍵S2來決定單片機的復(fù)位與否。3.3直流穩(wěn)壓電源電路直流穩(wěn)壓電源電路采用7805三端集成穩(wěn)壓器,其主要特點有:a.輸出電流可達(dá)1A;b.輸出電壓有5V;c.過熱保護;d.短路保護;e.輸出晶體管SOA保護。圖3-4直流穩(wěn)壓電源電路圖直流穩(wěn)壓電源電路從圖3-4左側(cè)J1端輸入12V電壓,經(jīng)過電容C1、C2進行濾波,進入7805的Vin端,從Vout端輸出,再由C3、C4進行濾波,為電路提供穩(wěn)定的5V電壓的電源。如果LED燈D1亮說明電源供給正常,電路如圖3-5所示。圖3-5直流穩(wěn)壓電源提示電路圖3.4充電電路圖3-6兩路充電電流分別可調(diào)的電路圖充電電路采用CN3052A充電管理芯片,電路如圖3-6所示。CN3052A是專門為一節(jié)鋰離子或鋰聚合物電池而設(shè)計的線性充電器電路,利用芯片內(nèi)部的功率晶體管對電池進行恒流和恒壓充電。充電電流可以用外部電阻編程設(shè)定,最大持續(xù)充電電流可達(dá)500mA,不需要另加阻流二極管和電流檢測電阻[8]。CN3052A包含兩個漏極開路輸出的狀態(tài)指示輸出端,充電狀態(tài)指示端和電池故障狀態(tài)指示輸出端。芯片內(nèi)部的功率管理電路在芯片的結(jié)溫超過115℃時自動降低充電電流,這個功能可以使用戶最大限度的利用芯片的功率處理能力,不用擔(dān)心芯片過熱而損壞芯片或者外部元器件[8]。在最壞的情況下,CN3052A會自動減小充電電流。當(dāng)輸入電壓大于電源低電壓檢測閥值和芯片使能輸入端接高電平時,CN3052A開始對電池充電,管腳輸出低電平,表示充電正在進行。如果電池電壓低于3V,充電器用小電流對電池進行預(yù)充電。當(dāng)電池電壓超過3V時,充電器采用恒流模式對電池充電,充電電流由ISET管腳和GND之間的電阻RISET確定。當(dāng)電池電壓接近電池端調(diào)制電壓時,充電電流逐漸減小,CN3052A進入恒壓充電模式。當(dāng)充電電流減小到充電結(jié)束閥值時,充電周期結(jié)束,端輸出高阻態(tài),表示充電周期結(jié)束,充電結(jié)束閥值是恒流充電電流的10%。如果要開始新的充電周期,需將輸入電壓斷電,然后再上電。當(dāng)電池電壓降到再充電閥值以下時,自動開始新的充電周期。芯片內(nèi)部的高精度的電壓基準(zhǔn)源,誤差放大器和電阻分壓網(wǎng)絡(luò)確保電池端調(diào)制電壓的精度在1%以內(nèi),滿足了鋰離子電池和鋰聚合物電池的要求。當(dāng)輸入電壓掉電或者輸入電壓低于電池電壓時,充電器進入低功耗的睡眠模式,電池端消耗的電流小于3uA,從而增加了待機時間。如果將使能輸入端CE接低電平,充電器被關(guān)斷[8]。上述充電過程如圖3-7所示:圖3-7充電過程示意圖(1)電源低電壓鎖存UVLOCN3052A內(nèi)部有電源電壓檢測電路,當(dāng)電源電壓低于電源電壓過低閥值時,芯片處于關(guān)斷狀態(tài),充電也被禁止。(2)睡眠模式CN3052A內(nèi)部有睡眠狀態(tài)比較器,當(dāng)輸入電壓VIN小于電池端電壓+40mV時,充電器處于睡眠模式;只有當(dāng)輸入電壓VIN上升到電池端電壓90mV以上時,充電器才離開睡眠模式,進入正常工作狀態(tài)。(3)預(yù)充電狀態(tài)在充電周期的開始,如果電池電壓低于3V,充電器處于預(yù)充電狀態(tài),充電器以恒流充電模式充電電流的10%對電池進行充電。(4)芯片使能輸入端CN3052A有一個芯片使能輸入端CE,如果此管腳的電壓低于0.75V,則芯片被關(guān)斷,芯片內(nèi)部電路和功率晶體管都被關(guān)斷。若要芯片正常工作,則需要在CE管腳施加大于2V的電壓。在CE管腳施加電壓在0.75V和2.0V之間,將導(dǎo)致工作電流變大,并可能使CN3052A處于不確定狀態(tài)。(5)設(shè)定充電電流在恒流模式,計算充電電流的公式為:3-1其中,ICH表示充電電流,單位為安培RISET表示ISET管腳到地的電阻,單位為歐姆通過測量ISET管腳的電壓可以檢測充電電流。充電電流可以用下面的公式計算:3-2(6)再充電當(dāng)一個充電周期結(jié)束時,如果電池電壓低于再充電閥值4.1V時,CN3052A自動開始一個新的充電周期。圖3-8內(nèi)部功能框圖(7)恒流/恒壓/恒溫充電CN3052A采用恒流/恒壓/恒溫模式對電池充電,如圖3-8所示。在恒流模式,充電電流為1800V/RISET。如果CN3052A的功耗過大,器件的結(jié)溫接近115℃,放大器Tamp開始工作,使器件的結(jié)溫保持在大約115℃。(8)電源輸入端VIN旁路電容CIN電源輸入端需要一個旁路電容,一般情況下,4.7uF的電容可以滿足要求,對電容的類型沒有限制。(9)穩(wěn)定性為了保證充電器正常工作,需要從電池端BAT到GND之間連接一個電容,通常情況下,電容值為4.7uF。一般情況下,ISET管腳沒有外加電容時,此管腳可以外接的電阻阻值最高可達(dá)50kΩ。(10)極限參數(shù)CN3052A的極限參數(shù)如表3-1所示。表3-1CN3052A極限參數(shù)管腳電壓 -0.3V~6.5V 最高結(jié)溫 150℃BAT管腳短路持續(xù)時間 連續(xù) 工作溫度 -40℃~85℃靜電放電HBM 2kV 存儲溫度 -65℃~150℃熱阻 TBD 焊接溫度(10秒) 300℃(11)PCB設(shè)計的注意事項a.第2管腳ISET的充電電流編程電阻要盡可能靠近CN3052A,并且要使第2管腳ISET的寄生電容盡量小。b.第4管腳VIN的旁路電容,第5管腳BAT的輸出電容要盡可能靠近CN3052A。c.在充電時,CN3052A的溫度可能比較高,因而電池的NTC電阻要盡量遠(yuǎn)離CN3052A,否則NTC電阻值的變化不能正常反應(yīng)電池的溫度。d.一個散熱性能良好的PCB對輸出最大充電電流很關(guān)鍵。集成電路產(chǎn)生的熱通過封裝的金屬引線框管腳散到外面,PCB上的銅層起著散熱片的作用,所以每個管腳尤其是GND管腳的銅層的面積應(yīng)盡可能大。為了能夠輸出最大的充電電流,要求將CN3052A背面裸露的金屬板焊接到印刷線路板的地端的銅線上,以達(dá)到最大的散熱性能。否則,芯片的熱阻將增大,導(dǎo)致充電電流減小。3.5投幣電路投幣電路通過兩組按鍵來實現(xiàn)投幣模擬。每一組有兩個按鍵:一個為投幣鍵,按一下代表投入一個1元硬盤;另一個為確認(rèn)鍵,按下后代表停止投幣,并開始給充電電池充電。圖3-10投幣電路圖3.6數(shù)碼管顯示電路投幣信息、充電信息均通過四位數(shù)碼管直觀地提供給使用者。L1~L4端口從單片機處獲得位選信號,選擇一位數(shù)碼管,接著A~G端口獲得段選信號,顯示相應(yīng)內(nèi)容。圖3-11數(shù)碼管顯示電路3.7充電接口為了能適應(yīng)不同型號、大小的充電電池,充電接口采用帶有兩條金屬觸片的塑料夾子。首先根據(jù)充電電池正負(fù)極的間距,調(diào)整金屬觸片到合適的位置。接著,放入充電電池,使電池電極與觸片接觸良好。最后,把固定住充電電池的塑料夾子平穩(wěn)地放置好。這樣就可以順利地開始充電了。第四章編程控制實現(xiàn)方法KeilC51是目前開發(fā)8051內(nèi)核單片機的主流工具。而STC12C5A60S2正是以8051為內(nèi)核的單片機。為此,投幣式多功能充電器控制電路的設(shè)計的軟件部分使用KeilC51來完成編寫工作。4.1I/O口分配P2.4~P2.7送出位選信號,選中特定數(shù)碼管。通過位選信號選中某個數(shù)碼管后,P0.0~P0.7送出對應(yīng)段選信號,從而以動態(tài)掃描方式實現(xiàn)靜態(tài)顯示效果。P2.0~P2.3為按鍵控制端。P2.0和P2.2為投幣按鍵端。P2.1和P2.3為確認(rèn)按鍵端。P3.6控制第一路CN3052A充電芯片使能端CE。P3.7控制第二路CN3052A充電芯片使能端CE。CE端為高電平時,充電芯片開始工作;低電平時則停止。4.2程序功能及實現(xiàn)方法單片機控制的投幣式多功能充電器的程序流程如圖4-1所示。圖4-1程序流程圖單片機持續(xù)接收投幣信號,同步更改數(shù)碼管顯示信息。在接收到確認(rèn)信號后,不在接收投幣信號,發(fā)送信號給CN3052A充電芯片的CE端,充電模塊開始充電。當(dāng)剩余時間為0時,自動終止充電。在程序流程上,兩路充電電路的控制過程是一樣的。程序中的主要變量及說明如表4-1所示。表4-1主要變量及說明變量 說明 變量 說明CE_1 P3.6口,一路使能端 display_1 第一路顯示CE_2 P3.5口,二路使能端 display_2 第二路顯示key1 P2.0口,一路投幣按鍵 flagcoin_1 第一路投幣標(biāo)記key2 P2.1口,一路確認(rèn)按鍵 flagcoin_2 第二路投幣標(biāo)記key3 P2.3口,二路投幣按鍵 flagyes_1 第一路確認(rèn)標(biāo)記key4 P2.2口,二路確認(rèn)按鍵 flagyes_2 第二路確認(rèn)標(biāo)記程序中的主要子函數(shù)及說明如表4-2所示。表4-2主要子函數(shù)及說明子函數(shù) 說明voiddelay_msucharx 延時函數(shù)voidTime_Initvoid 定時器初始化函數(shù)voiddisplayintdate 數(shù)碼管顯示函數(shù)下面以第一路充電的程序為例簡要說明程序的實現(xiàn)方法,部分程序如下:(1)投幣按鍵部分ifkey10&&flagyes_10//key1被按下且未確認(rèn)開始充電 delay_ms100;//延時去抖 ifkey10 coin_num_1++; //投幣數(shù)增加ifcoin_num_1coin_num+1 coin_num_11; //限制投幣數(shù)whilekey10;//等待按鍵松開 flagcoin_11;//投幣標(biāo)記 display_1coin_num_1; //記錄投幣數(shù)(2)投幣確認(rèn)部分ifkey20&&flagcoin_11//已投幣且key2確認(rèn)鍵被按下 flagyes_11;(3)控制充電芯片使能端ifflagyes_11 TR11;//啟動T1定時器 CE_11;//開始充電 iftime_second_test_1100 //定時1s time_second_1++;time_second_test_10;iftime_second_160 time_second_10; time_minute_1++; iftime_minute_1time_1*coin_num_1//充電結(jié)束 time_minute_10;CE_10; //使CN3052充電使能端置低