基于單片機的智能充電器的研究

1、畢業(yè)論文基于單片機的智能充電器的研究基于單片機的智能充電器的研究康 林吉 林 建 筑 大 學 2013 年 6 月畢業(yè)論文基于單片機的智能充電器的研究基于單片機的智能充電器的研究學學 生：生： 康康 林林指指 導導 教教 師：師： 楊楊 佳佳 講講 師師專專 業(yè)：業(yè)： 電子信息科學與技術電子信息科學與技術所所 在在 單單 位：位： 電氣與電子信息工程學院電氣與電子信息工程學院答答 辯辯 日日 期：期： 20132013 年年 6 6 月月 目 錄目目 錄錄摘摘 要要.IABSTRACT.II第第 1 章章 緒論緒論 .11.1 研究目的及意義.11.2 鋰電池的發(fā)展及應用.11.3 電池技術簡

2、介.11.3.1 電池的種類 .11.3.2 電池停止充電的判別方法 .21.3.3 鋰電池的充電特性 .31.4 AVR 單片機的介紹.31.4.1 AVR 單片機的特點.31.4.2 AVR 的增強性 RISC 結構.51.4.3 AT90S4433 引腳功能.51.5 光電耦合器件介紹.61.5.1 光電耦合器件的含義 .61.5.2 光電耦合器件的特點 .61.6 電磁繼電器的介紹 .71.6.1 電磁繼電器的含義 .71.6.2 電磁繼電器的工作原理 .71.6.3 電池繼電器的主要參數(shù) .81.7 三端穩(wěn)壓器.81.7.1 固定輸出三端穩(wěn)壓器 .81.7.2 可調輸出三端穩(wěn)壓器 .

3、91.8 TL431 .9第第 2 章章 硬件系統(tǒng)的設計硬件系統(tǒng)的設計 .102.1 鋰電池充電器設計思路.102.2 硬件系統(tǒng)的結構框圖.102.3 硬件系統(tǒng)的主要模塊.112.3.1 電壓源 .112.3.2 電流源 .122.3.3 繼電器控制電路 .132.3.4 充電控制電路 .142.3.5 電池檢測電路 .142.3.6 AVR 單片機控制電路.15第第 3 章章 軟件的設計軟件的設計 .183.1 編程語言.183.2 軟件設計.18總總 結結 .20吉林建筑大學電子信息科學與技術專業(yè)畢業(yè)論文致謝致謝 .21參考文獻參考文獻 .22附錄附錄 .23附錄附錄 .24摘 要I摘 要

4、隨著越來越多的手持式電器的出現(xiàn)，對高性能、小尺寸、重量輕的電池充電器的需求也越來越大。因此需要對充電過程進行更精確的監(jiān)控，以縮短充電時間、達到最大的電池容量，并防止電池損壞。本文介紹了一種以 AVR 單片機為核心的智能充電器。系統(tǒng)的硬件設計由電源電路、檢測電路、繼電器選控制電路、充電控制電路及 AVR 單片機 AT90S4433構成。文中并對充電器的核心器件 AT90S4433 單片機進行了較詳細的介紹。系統(tǒng)的軟件設計以 C 語言為開發(fā)工具，進行了詳細編程。實現(xiàn)了系統(tǒng)的可靠性、穩(wěn)定性、安全性和經濟性。該智能充電器具有檢測鋰離子電池的狀態(tài)的功能，自動切換充電模式以滿足充電電池的充電需要，對充電過

5、程進行全面管理，解決了充電檢測的關鍵技術，實現(xiàn)了智能充電。對充電電壓自動檢測調整，充滿后自動轉為恒壓浮充狀態(tài)。使充電過程按理想的充電曲線進行，達到既保護鋰電池，又能使鋰電池充滿的最佳效果。在現(xiàn)實生活中更好的維護了充電電池，延長了它的使用壽命。關鍵字：充電器；鋰電池；智能化；AVR 單片機吉林建筑大學電子信息科學與技術專業(yè)畢業(yè)論文IIAbstractWith more and more appearance of electric apparatus of holding, the demand on the high performance, little size, and light ba

6、ttery of charger is even heavy. Therefore we need to carry on the more accurate supervision towards the process of refreshing to shorten the time and attain the biggest battery capacity, and prevent from the battery damage.This text introduced a kind of intelligent charger that takes a machine of AV

7、R as the core.It is composed of power supply circuit, detection circuit, Relay choose control circuit, charging control circuit and AVR AT90S4433 constitutes. Microcontroller. This paper and the core components of the charger AT90S4433 MCU are introduced in detail. System software design in C langua

8、ge as a development tool, and carried on the detailed programming. Realizing the system reliability, stability, security and economics. The intelligence battery charger has the examination lithium ion batterys condition; The automatic cut over charge pattern meets when rechargeable batterys charge n

9、eeds; The charger can carry on the process of refreshing completely, and solves the diagnostic key technique on refreshing test. The system will carry out of the intelligence to refresh. It also could check up the current and the voltage when the charger is working, and it could change to be constan

10、t current when the charger is full enough. This process works along with the perfect curve .It not only can protect the battery but also give the best way for charge. The battery charger has made the better maintenance rechargeable battery in the life and lengthened the rechargeable batterys service

11、 life.Key words:charger; Lithium cell; intelligent; AVR microcontroller 第 1 章 緒論1第 1 章 緒論1.1 研究目的及意義隨著越來越多的手持式電器的出現(xiàn)，給人們的生活帶來便捷，人們對高性能、小尺寸、重量輕的電池充電器的需求也越來越大。因此簡易的充電器已不能滿足要求，而且用簡易的充電器充電，輕則造成電池充電不當，重則會釀成一系列的安全事故。所以需要一種新的充電器來解決上述問題。在充電器中加入單片機可以實現(xiàn)智能化，實現(xiàn)智能充電。智能充電器能對充電過程進行更精確的監(jiān)控，以縮短充電時間、達到最大的電池容量，并防止電池損壞。所

12、以鋰電池充電器及充電技術處于十分關鍵的位置。同時研制性能良好的智能充電器也可用于裝有鋰電池電動車等交通工具，不僅可以解決我國能源的日益緊缺和大氣污染的加劇的難題，而且還會帶來顯著的經濟效益和良好的社會效益。1.2 鋰電池的發(fā)展及應用隨著經濟的發(fā)展，越來越多的電器走進人們的日常生活，家庭小容量蓄電池的比例逐漸增加。鋰電池是一類由鋰金屬或鋰合金為負極材料、使用非水電解質溶液的電池。最早出現(xiàn)的鋰電池來自于偉大的發(fā)明家愛迪生，通過氧化還原反應得到：Li+MnO2=LiMnO2。由于鋰金屬的化學特性非常活潑，使得鋰金屬的加工、保存、使用對環(huán)境要求非常高。所以，鋰電池長期沒有得到應用。由于鋰電池的很多優(yōu)點

13、，后來被廣泛的應用在電子儀表、數(shù)碼和家電產品上。隨著數(shù)碼產品如手機、筆記本電腦等產品的廣泛使用，鋰電池以優(yōu)異的性能在這類產品中得到廣泛應用，并在近年逐步向其他產品應用領域發(fā)展。隨著現(xiàn)代工業(yè)生產自動化水平的日益提高以及微電子技術的飛速發(fā)展，由于單片機具有集成度高、功能強、抗干擾能力強等獨特的優(yōu)點，因而在工業(yè)控制、智能化儀器以及家用電器等領域都得到了廣泛的應用。1.3 電池技術簡介1.3.1 電池的種類現(xiàn)代消費類電器主要使用如下四種電池1：密封鉛酸電池(SLA)：密封鉛酸電池主要用于重要的場合，如UPS和報警系第 1 章 緒論II統(tǒng)吉林建筑大學電子信息科學與技術專業(yè)畢業(yè)論文2的備份電池。SLA電池

14、以恒定電壓進行充電，輔以電流限制以避免在充電過程的初期電池過熱。鎳鎘電池(NiCd)：它的優(yōu)點是相對便宜，易于使用；缺點是自放電率比較高。失效機理主要是極性反轉。在電池包里第一個被完全放電的單元會發(fā)生反轉。為了防止損壞電池包，需要不間斷地監(jiān)控電壓。一旦單元電壓下降到1.0V就必須停機。NiCd電池以恒定電流的方式進行充電。鎳氫電池(NiMH)：在輕重量的手持設備中如手機、手持攝像機等，鎳氫電池是使用最廣的。由于過充電會造成NiMH電池的失效，在充電過程中進行精確地測量以在合適的時間停止是非常重要的。NiMH電池也為恒定電流充電。鋰電池(Li-Ion)：具有最高的能量與重量的比和能量與體積的比。

15、鋰電池以恒定電壓進行充電，同時要有電流限制以避免在充電過程的初期電池過熱。當充電電流下降到生產商設定的最小電流時就要停止充電。過充電將造成電池損壞，甚至爆炸。由于鋰離子電池在實際應用中使用較多，更有代表性，所以在設計充電器時主要以鋰電池為主要研究對象。1.3.2 電池停止充電的判別方法電池的不同應用場合及工作環(huán)境限制了對判斷停止充電的方法的選擇。有時候溫度不容易測得，但可以測得電壓或其他情況。幾種常用的電池停止充電的判別方法：t時間：這是決定何時停止充電的最簡單的方法。在充電過程中，以定時系統(tǒng)來預定充電時間，當充電時間達到后，定時器使充電器停止充電或改為涓流充電，這種方法較安全。V電壓：當電壓

16、超出上限時停止充電2，通常與恒定電流充電配合使用。最大電流由電池決定。為了防止充電時電流過大導致電池過熱，此時電流限制是非常關鍵的。這是判定鋰電池停止充電的基本方法。實際鋰電池充電器往往在達到最大電壓之后還繼續(xù)進行第二階段的充電，以達到100%的電池容量。-dV/dt電壓變化率：這個判斷停止充電的方法利用了負的電壓變化率。這個方法通常用于恒定電流充電，適用于對NiCd電池和NiMH電池的快速充電。I電流：當充電電流小于某個預先設定的數(shù)值時停止充電。通常用于恒定電壓充電法。適用于SLA電池和鋰電池。溫度控制法：用熱敏電阻測量電池溫度或溫度的變化，從而確定對電池停止充電，但由于環(huán)境和熱敏電阻響應時

17、間的影響，不能準確檢測電池的充電狀態(tài)，故僅用于充電過程的過溫保護。第 1 章 緒論31.3.3 鋰電池的充電特性對于 3.6V 的鋰離子電池，充電時具有以下特性3：1.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，此期間所需要的電流很小，而且維持時間很短，當V1.0V時，進入預充電狀態(tài)區(qū)。2.預充電狀態(tài)區(qū)鋰離子電池的初始狀態(tài)為1.0VV3V時，鋰離子電池進入預充狀態(tài)。3.快充電階段當經過一段時間的預充電，鋰離子電池就進入了快充區(qū)，電壓要逐步上升并達到鋰離子電池的標準電壓4.2V左右。4.限壓衡壓充電區(qū)充電電壓穩(wěn)定在4.2V，電流逐步減小至僅維持一個很小的電流，此期間電池溫度還會有小幅增

18、加。1.4 AVR 單片機的介紹在二十世紀九十年代初，ATMEL公司推出AVR單片機，它是基于新型精簡指令集RISC(Reduced Instruction Set Computer)結構的一種增強性8位微控制器。它采用低功率、非揮發(fā)CMOS工藝制造，內載Flash存儲器。它使用大型快速存取寄存器文件和快速單周期指令，支持C語言編程，因而在8位微處理器市場中具有很高的MIPS/MW處理能力4。AT90 系列單片機目前由AT90S1200、AT90S2313、AT90S4414、AT90S8515、ATmega8/8L、ATmega128/128L、AT90S4434、AT90S8535 等多種

19、型號。它們在功能和存儲器容量等方面有一定的區(qū)別，但都是比 AT89 系列要強的單片機。1.4.1 AVR 單片機的特點ATMEL公司的AT90系列單片機均屬于AVR 單片機，目前的十余種型號，除在功能及存儲器容量等方面有一定的區(qū)別外，它們的基本結構都比較接近。AT90S4433是該系列中比較有代表性的一種，其主要特點如下5：（1）高性能、低功耗的RISC結構：具有118條指令，且大多數(shù)指令為單時鐘周期指令；32個8位通用工作寄存器；吉林建筑大學電子信息科學與技術專業(yè)畢業(yè)論文II工作在8MHz時具有8MIPS的性能。（2）數(shù)據(jù)和非易失性程序內存：4K/8K字節(jié)的在線可編程Flash（擦除次數(shù)為1

20、000次）；256/512字節(jié)SRAM；256/512字節(jié)在線可編程EEPROM（壽命為100000次）；程序、加密位。（3） 外圍（Peripheral）特點：1個可預分頻（Prescale）的8位定時器/計數(shù)器；1個可預分頻、具有比較、捕捉和8/9/10位PWM功能的16位定時器/計數(shù)器；片內模擬比較器；可編程的看門狗定時器（由片內振蕩生成）；主/從SPI接口；6通道10位ADC；可編程UART。（4） MCU特點：電源檢測功能；增強的上電復位電路；低功耗空閑和掉點模式；內外部中斷源。（5） 指標（Specification）：低功耗、高速CMOS工藝；全靜態(tài)工作。（6） 在4MHz、3V

21、、20條件下的功耗：工作模式為3.4mA；空閑模式為1.4mA；掉電模式為1A。（7） I/O和封裝：20個可編程的I/O腳；28腳PDIP、PLCC和TQFP封裝。（8） 工作電壓：2.76.0V；4.06.0V。（9） 速度：04MHz；08MHz；吉林建筑大學電子信息科學與技術專業(yè)畢業(yè)論文51.4.2 AVR 的增強性 RISC 結構AT90S4433具有獨特的AVR增強性RISC結構， AVR運用Har2vard結構概念，對程序和數(shù)據(jù)存儲帶有不同的存儲器和總線。當執(zhí)行某一指令時，下一指令被預先從程序存儲器(系統(tǒng)內可下載的FLASH存儲器)中取回，這一特點使得大多數(shù)指令可在一個周期內被執(zhí)

22、行。AVR 的核心是32個通用寄存器和豐富的指令集的結合，這32個寄存器全都直接與算術邏輯單元(ALU) 相連，以使系統(tǒng)在一個時鐘周期內通過執(zhí)行一條指令來訪問兩個獨立的寄存器，這種結構組合克服了單一累加器在數(shù)據(jù)處理時的瓶頸現(xiàn)象，因而具有比常規(guī)的CISC(Complex in2struction Set Computer)微控制器快十倍的代碼處理能力。這32個寄存器中的后六個寄存器R26R31還具有一些新加功能，由它們可組成X、Y和Z三個16位間接地址寄存器指針以用于數(shù)據(jù)空間尋址，從而進行高效的地址計算。三個寄存器中的一個還可被用作地址指示器以完成常量表的查詢功能。ALU支持寄存器之間的運算和邏

23、輯功能， 以及常數(shù)和寄存器之間的運算與邏輯功能，同時它也執(zhí)行單一的寄存器操作。由控制寄存器、定時器/計數(shù)器、A/D轉換器及其它I/O功能組成的I/O寄存器空間可作為CPU外圍功能的地址，而且該I/O存儲器可被直接訪問或作為寄存器文件之后的數(shù)據(jù)空間。內部數(shù)據(jù)SRAM也可通過不同的尋址模式來訪問，AVR結構中的存儲器空間均為線性和規(guī)律的存儲器映射。中斷模塊在I/O空間中有自己的控制器，并且在狀態(tài)寄存器中常有一個附加的全局中斷使能位，所有不同的中斷在程序存儲器開始位置的中斷向量表中均帶有一個獨立分開的中斷向量。中斷向量的控制方式與MCS-51單片機相同。1.4.3 AT90S4433 引腳功能 AT

24、90S4433具有PDIP28封裝形式，其引腳排列如圖1-1所示6：引腳定義：Vcc、GND：電源。B口（PB5PB0）：B口是一個6位雙向I/O口，每一個引腳都有內部上拉電阻。C口（PC5PC0）：C口是一個6位雙向I/O口，每一個引腳都有內部上拉電阻。C口還用作ADC的模擬輸入。第 1 章 緒論7D口（PD7PD0）：D口是一個帶內部上拉電阻的8位雙向I/O口。圖1-1 AT90S4433引腳結構圖RESET：復位輸入。超過50ns的低電平將引起系統(tǒng)復位。XTAL1/2：振蕩器放大器的輸入/輸出端。AVCC：A/D轉換器的電源。應該通過一個低通濾波器與VCC連接。AREF：A/D轉換器的參

25、考電源，介于AGND與AVCC之間。AGND：模擬地。1.5 光電耦合器件介紹1.5.1 光電耦合器件的含義在工業(yè)檢測、電信號的傳送處理和計算機系統(tǒng)中，常用繼電器、脈沖變壓器等來實現(xiàn)輸入、輸出端裝置與主機之間的隔離、開關、匹配、抗干擾等功能。隨著光電技術的發(fā)展，70 年代以后出現(xiàn)了一種新的功能器件光電耦合器件（如圖 1-2 所示） 。它是將發(fā)光器件（LED）和光敏器件（光敏二、三極管等）密封裝在一起形成的一個電-光-電器件。由于輸入邊和輸出邊僅用光來耦合，在電性能上完全是隔離的。因此，有的人把光電耦合器件也稱為光隔離器或光耦合器7。圖 1-2 光電耦合器吉林建筑大學電子信息科學與技術專業(yè)畢業(yè)論

26、文61.5.2 光電耦合器件的特點光電耦合器件具有下列的特點： 1、具有電隔離的功能。 2、信號傳輸是單向性的，適用于模擬信號和數(shù)字信號。 3、具有抗干擾和噪聲的能力。它不受外界電磁干擾、電源干擾和雜光影響。 4、響應速度快。它可傳輸?shù)男盘栴l率在直流和10MHz之間。 5、體積小(一般66mm)，重量輕，抗震，密封防水，性能穩(wěn)定。1.6 電磁繼電器的介紹1.6.1 電磁繼電器的含義電磁繼電器（如圖1-3所示）是一種電子控制器件，它具有控制系統(tǒng)（又稱輸入回路）和被控制系統(tǒng)（又稱輸出回路） ，通常應用于自動控制電路中，它實際上是用較小的電流、較低的電壓去控制較大電流、較高的電壓的一種“自動開關”

27、。 圖1-3 電磁繼電器1.6.2 電磁繼電器的工作原理電磁繼電器一般 由電磁鐵、 銜鐵、彈簧片、觸點等組成的，其工作電路由低壓控制 。只要在線圈兩端加上一定的電壓，線圈中就會流過一定的電流，從而產生電磁效應，銜鐵就會在電磁力吸引的作用下克服返回彈簧的拉力吸向鐵芯，從而帶動銜鐵的 動觸點與靜觸點（常開觸點）吸合。當線圈斷電后，電磁的吸力也隨之消失，銜鐵就會在彈簧的反作用力返回原來的位置，使動觸第 1 章 緒論7點與原來的靜觸點（常閉觸點） 結合。這樣吸合、釋放，從而達到了在電路中的導通、切斷的目的。電磁繼電器實現(xiàn)自動化控制。對于繼電器的 “常開、常閉”觸點，的區(qū)分：繼電器線圈 未通電時處于斷開

28、狀態(tài)的靜觸點，稱為“常開觸點”；處于接通狀態(tài)的靜觸點稱為 “常閉觸點”。吉林建筑大學電子信息科學與技術專業(yè)畢業(yè)論文81.6.3 電池繼電器的主要參數(shù)1、額定工作電壓 ：是指繼電器正常工作時線圈所需要的電壓。根據(jù)繼電器的型號不同，可以是交流電壓，也可以是直流電壓。2、直流電阻是指繼電器中線圈的直流電阻，可以通過萬能表測量。 3、吸合電流：是指繼電器能夠產生吸合動作的最小電流。在正常使用時，給定的電流必須略大于吸合電流，這樣繼電器才能穩(wěn)定地工作。而對于線圈所加的工作電壓，一般不要超過額定工作電壓的1.5 倍，否則會產生較大的電流而把線圈燒毀。 4、釋放電流：是指繼電器產生釋放動作的 最大電流。當繼

29、電器吸合狀態(tài)的電流減小到一定程度時，繼電器就會恢復到未通電的釋放狀態(tài)。這時的電流遠遠小于吸合電流。 5、觸點切換電壓和電流 ：是指繼電器允許加載的電壓和電流。它決定了繼電器能控制電壓和電流的大小，使用時不能超過此值，否則很容易損壞繼電器的觸點.1.7 三端穩(wěn)壓器三端穩(wěn)壓器（電壓輸入端、電壓輸出端、公共接地端）主要有兩種，一種輸出電壓是固定的，稱為固定輸出三端穩(wěn)壓器 ，例如78M05和78M12；另一種輸出電壓是可調的，稱為可調輸出三端穩(wěn)壓器 ,例如LM317。1.7.1 固定輸出三端穩(wěn)壓器固定輸出三端穩(wěn)壓器的基本應用電路如圖 1-4 所示，只要把正輸入電壓 Ui加到 78M05 的輸入端，78

30、M05 的公共端接地，其輸出端便能輸出芯片標稱正電壓 Uo。在實際應用電路中，芯片輸入端和輸出端與地之間除分別接大電容濾波電容外，通常還需在芯片引出腳根部接小電容（0.110uF）電容 Ci，Co 的具體取值隨芯片輸出電壓的高低及應用電路的方式不同而異。第 1 章 緒論9圖1-4 78系列三端穩(wěn)壓器基本應用電路1.7.2 可調輸出三端穩(wěn)壓器LM317是典型的可調輸出三端穩(wěn)壓器。LM317穩(wěn)壓器能在輸出電壓1.2537V的范圍內連續(xù)可調，外接元件只需一個固定電阻和一個電位器。其芯片內也有過流，過熱和安全工作區(qū)保護。最大輸出電流為1.5A。1.8 TL431TL431是一個有良好的熱穩(wěn)定性能的三端

31、可調分流基準源 ?？删幊梯敵鲭妷?2.5V36V。該器件的典型動態(tài)阻抗為 0.2，在很多應用中用它代替齊納二極管，例如，數(shù)字電壓表，運放電路，可調壓電源，開關電源等。TL431可等效為一只穩(wěn)壓二極管，其基本連接方法如 圖1-5所示，電阻R14和R15與輸出電壓的關系為 Uo=2.5(1+R14/R15)。圖1-5 TL431應用電路吉林建筑大學電子信息科學與技術專業(yè)畢業(yè)論文10第 2 章 硬件系統(tǒng)的設計2.1 鋰電池充電器設計思路本文提出一種通用型、智能化、高性能、低價位的電池充電器的設計方案。它適用于鋰離子電池充電，并具有自適應充電保護方式及其相應的充電操作模式，是一種性價比很高的現(xiàn)實可行的

32、充電器設計方案。長期以來，傳統(tǒng)的電池充電器采用電池電壓負反饋的方法實現(xiàn)恒流充電。為了加入智能控制達到實時監(jiān)控的目的，本文應用 AVR 單片機及相關電路在充電的整個過程中動態(tài)跟蹤電池的電壓，采取不同的充電方式，自動調整充電電流，使充電電流自始至終保持在電池可接受的充電電流附近，既完成了充電的全部過程，又避免了電池的過充和欠充，保護了電池，體現(xiàn)了充電器的智能性。2.2 硬件系統(tǒng)的結構框圖傳統(tǒng)電池充電器采用電流負反饋的方法來實現(xiàn)恒流充電。為了達到對鋰電池充電的智能化控制，實現(xiàn)實時監(jiān)控，將反饋環(huán)打開，加入單片機的相關控制電路。硬件的結構框圖如2-1所示：電池檢測電路單片機電壓源繼電器控制電路電流源充電

33、控制電路圖2-1 硬件系統(tǒng)結構框圖第 2 章 硬件電路的設計112.3 硬件系統(tǒng)的主要模塊硬件系統(tǒng)可以分為6個主要的模塊：電壓源、電流源、充電控制電路、繼電器控制電路、檢測電路、單片機控制系統(tǒng)。檢測電路將檢測到的模擬電壓值放大后傳送給單片機；單片機控制系統(tǒng)是充電器的核心部分，控制著充電器的工作狀態(tài)；充電控制電路控制著電池是否需要充電；繼電器控制電路控制著電池是恒流充電還是恒壓充電。電壓源為電池充電提供電壓，同時提供單片機的工作電壓；電流源為電池充電提供電流。2.3.1 電壓源 電壓源電路由整流電路和濾波電路構成。整流電路的作用是將交流電變換成直流電。電路中主要用了二極管的單向導通作用，因此二極

34、管是構成整流電路的關鍵元件。在小功率整流電路中(1kw以下)，常見的幾種整流電路有單相半波、全波、橋式和倍壓整流電路。本設計采用了單相橋式整流電路8。整流電路如圖2-2所示：圖2-2 單相橋式整流電路其中Tr為電源變壓器，它的作用是將交流電網電壓V1變成整流電路需要的交流電壓V2，四只整流二極管D1-D4接成電橋的形式，故有橋式整流電路之稱。在橋式整流電路中，對邊上的二極管同時導通，但兩組處于輪流導通狀態(tài)，當V2在正半周時，D1和D3二極管導通，D2和D4截止，此時D2和D4承受的最大反饋電壓均為V2的最大值。同理，在V2的負半周，D1和D3二極管也承受到同樣大小的反向電壓。橋式整流電路的優(yōu)點

35、是輸出電壓高，紋波電壓較小，管子所承受的反向電壓較低，同時因為電源變壓器在正、負半周內都有電流供給負載，電源變壓器得到了充分的利用，效率較高。濾波電路用于濾除整流輸出電壓中的紋波，一般由電抗元件組成，把它分為電容輸入式（在負載電阻兩端并聯(lián)電容）和電感輸入式（負載串聯(lián)電感器），前一種濾波電路多用于小功率電源中，而后一種濾波電路多用于較大功率電源中。常用的結構如圖2-3所示。本設計采用的是電容濾波電路9。吉林建筑大學電子信息科學與技術專業(yè)畢業(yè)論文12圖2-3 C型濾波和L型濾波電壓源采用兩個三端穩(wěn)壓器78M12和78M05，分別可以輸出+12V和+5V的直流電壓。其中+12V電壓源為電流源電路和繼

36、電器電路提供電壓，+5V電壓源為電池提供恒壓充電，并為單片機工作提供電壓。如圖2-4及2-5所示：圖2-4 78M12構成的電壓源圖2-5 78M05構成的電壓源2.3.2 電流源本電路為電池充電提供恒流源，恒流由KK1端（圖2-7所示的2端）提供給與電池相連的三極管的集電極。LM317是可調節(jié)3端正電壓穩(wěn)壓器，輸出的直流電壓范圍為 1.2V到37V。由于調壓器LM317輸出端2對1存在1.25V的電壓，所以當接入一個10的電阻時，在KK端產生125mA的電流提供給電池充電（ADJ端也有很小的電流流出，在此處忽略不計）10。如圖2-6所示：第 2 章 硬件電路的設計13圖2-6 LM317構成

37、的電流源2.3.3 繼電器控制電路通過檢測電池的狀態(tài)，選擇下一充電方式是恒流充電還是恒壓充電。如圖 2-7 所示，當電池電壓小于 1V 時，由單片機控制的 PB4 口輸出低電平，電池供電端 NN 與 KK1 端相連接，KK1 端與電流源相連，采用恒流充電。當電池電壓大于 1V 小于 4.2V 時，由單片機控制的 PB4 口輸出高電平，從而使繼電器吸合，電池供電端 NN 與 KK2 端相連，KK2 端與電壓源相連，采用恒壓充電方式。圖2-7 繼電器控制電路2.3.4 充電控制電路此電路由一個光電耦合器和三級管構成。電路如圖 2-8 所示。第 1 章 緒論9圖2-8 充電控制電路當 PB3 端為低

38、電平時，光電耦合器啟動，使連接電池充電端的三級管有電流流出，對電池進行充電；當 PB3 端為高電平時，光電耦合器不啟動，連接電池充電端的三極管無電流流出，使電池處在非充電狀態(tài)。2.3.5 電池檢測電路為了使單片機實時監(jiān)控電池正負兩極之間的充電電壓，本設計使用了一個運放器。測量電池電壓的運放電路為普通的同相放大電路11。運放器的輸出電壓公式如式2-1。ADC 的測量范圍為AGNDAREF (4.2V)，而運放的輸出電壓(V0)應該界于下式決定的范圍之間：V0=V1 （2-898RRR 1）為了提高測量精度，這個電壓通過運放器放大，然后饋送到ADC，使電池電壓的輸出在單片機可檢測范圍內，經單片機內

39、部的A/D轉換，使單片機實時讀取電池電壓值12，從而實現(xiàn)對電池充電狀態(tài)的控制，如圖2-9所示。第 2 章 硬件電路的設計15圖 2-9 電池檢測電路2.3.6 AVR 單片機控制電路單片機系統(tǒng)的復位方式有手動按鈕復位和上電復位兩種。本設計采用手動按鍵復位方式。手動按鈕復位需要人為地在復位輸入端RESET 上加低電平,當按下按鈕時，低電平就會直接加到RESET 端。手動按鈕復位的電路如圖2-10 所示。圖 2-10 手動按鍵復位電路單片機的時鐘電路設計有兩種方式：內部時鐘方式和外部時鐘方式。本設計采用內部時鐘方式。引腳 XTAL1 和引腳 XTAL2 接一個晶振電路。如圖2-11 所示。吉林建筑

40、大學電子信息科學與技術專業(yè)畢業(yè)論文16圖 2-11 晶振電路AVR 單片機是充電器的核心控制部分，控制著充電器的工作狀態(tài)，實現(xiàn)電池檢測的功能，當單片機讀出電池電壓時，通過對電壓值的判斷確定電池應進入的充電狀態(tài)，并通過對繼電器及光電耦合器的控制來實現(xiàn)對整個充電過程的控制，同時使電池的充電狀態(tài)通過發(fā)光二極管顯現(xiàn)出來13，本設計采用的單片機型號是AT90S4433，單片機主要控制電路的連接如下圖 2-12 所示。圖 2-12 AVR 單片機控制電路圖第 2 章 硬件電路的設計17管腳 REST 連接復位電路：當電源 Vcc 上電時，電容兩端電壓不能突變，REST 為低電平，進行復位操作，單片機開始工

41、作。此電路中的按鍵所起作用為手動復位，當單片機工作開始后，操作發(fā)生問題，無法繼續(xù)進行，需要復位操作時，按下此按鍵即可完成復位操作。管腳 XTAL1 和 XTAL2 接晶振，作為時鐘電路，為芯片提供時鐘信號。管腳 PB0 接一個啟動鍵，當按鍵按下，充電器開始工作。管腳 PB1 和 PB2 為電池的狀態(tài)顯示。發(fā)光二極管 D4 為綠燈，D5 為紅燈。綠燈亮時，電池處于充電狀態(tài)，充電器對電池充電；紅燈亮時，充電器停止對電池充電。管腳 AREF 接+4.2V 電壓（為內部 AD 提供基準電壓） 。吉林建筑大學電子信息科學與技術專業(yè)畢業(yè)論文18第 3 章 軟件的設計3.1 編程語言為了縮短進入市場的時間和

42、簡化維護的支持，對于單片機來說，用高級語言編程是一種標準編程方法。AVR 單片機的開發(fā)目的就是在于能采用 C 語言編程，從而能高效地開發(fā)出目標產品。C語言是單片機開發(fā)中使用最廣泛的編程語言，在目前的單片機開發(fā)中已經成為主流開發(fā)語言，它與匯編語言相比有開發(fā)周期短、便于維護、交流等特點。AT90S4433支持C語言編程14，在設計中選用C為編程語言。3.2 軟件設計本文利用C語言進行開發(fā)，它提供了復雜的數(shù)據(jù)類型，極大地增強了程序處理能力和靈活性。C編譯器能夠自動實現(xiàn)中斷服務程序的現(xiàn)場保護和修復，目標程序效率高、可移植性好，使用非常靈活方便15。整個控制系統(tǒng)軟件由主程序和中斷服務子程序組成。主程序主

43、要完成系統(tǒng)的初始化、變量的初始化、看門狗定時器的初始化。中斷程序主要包括 A/D 轉換結束中斷、定時器的溢出中斷。AT90 系列單片機有 2 個 8 位中斷屏蔽控制寄存器，即 GIMS通用中斷屏寄存器和 TIMSK定時器/計算器中斷屏蔽寄存器。（1）通用中斷屏蔽寄存器GIMSK位 7：外部中斷請求 1 觸發(fā)；位 6：外部中斷請求 0 觸發(fā)；位 50：保留位。（2）通用中斷標志寄存器GIFR位 7：外部中斷標志 1；位 6：外部中斷標志 0； 位 50：保留位。（3）定時器/計數(shù)器中斷屏蔽寄存器TIMSK位 7：定時器/計數(shù)器 1 溢出中斷觸發(fā)；位 6：定時器/計數(shù)器 1 輸出比較匹配 A 中斷

44、觸發(fā)；位 5：定時器/計數(shù)器 1 輸出比較匹配 B 中斷觸發(fā)；位 4，2，0：保留位，總讀 0；位 3：定時器/計數(shù)器 1 輸入捕獲中斷觸發(fā)；第 2 章 硬件電路的設計17位 1：定時器/計數(shù)器 0 溢出中斷觸發(fā)。（4）定時器/計數(shù)器中斷標志寄存器TIFR位 7：定時器/計數(shù)器 1 溢出標志；位 6：輸出比較標志 1A；位 5：輸出比較標志 1B；位 4，2，0：保留位；位 1：定時器/計數(shù)器 0 溢出標志位。在程序的初始化階段應該首先對單片機進行初始化，然后根據(jù)電池的狀況判斷應該進入哪一個充電階段。具體實現(xiàn)為開始輸出小電壓，為恒流充電，然后用恒壓充電，兩者之間的切換通過單片機對繼電器的控制實

45、現(xiàn)。 軟件流程圖如圖3-1所示。開始初始化啟動鍵按下？電池電壓1V1電池電壓4.2V停止充電恒流充電恒壓充電NYNYYN圖3-1 軟件流程圖第 3 章 軟件的設計17總 結本文給出了基于單片機智能充電器完整的設計方案，在設計過程中，主要是時刻檢測鋰電池的電壓，確保充電器對鋰電池電壓的精確控制，實現(xiàn)了充電器的智能化，例如，恒壓充電和恒流充電的智能選擇，電池是否需要充電的智能控制。由于鋰離子電池對于過充電和欠充電很敏感。要達到最大容量就必須充電到最高電壓，而過高的充電電壓和過大的充電電流都會造成電池的永久性損壞。鋰電池不同于鎳基材料的化學電池，充電時需用一個電壓-電流源來進行充電?？焖俪潆婇_始時，

46、鋰電池的電壓比較低，充電電流即為電流極限，此時用恒流充電。隨著充電的進行，電池電壓緩慢上升，改用恒壓充電，最終當鋰電池達到浮空電壓 4.2V，此時充電完成，可以停止充電的操作。AVR 單片機在此設計中起主導的作用，通過讀取鋰電池的電壓數(shù)據(jù)，判斷鋰電池處于何種狀態(tài)，以便于進行相應的操作，對充電過程進行全面管理，使充電過程按理想的充電曲線進行。AVR 單片機控制的智能充電器有如下優(yōu)點：可靠性高，成本低，使用方便，提高了充電質量，防止電池過充，保護了電池。所以智能充電器有很好的應用前景。在幾個月的學習中，我掌握了 C 語言的基本編程，利用 C 語言對AT90S4433 進行編寫，實現(xiàn)了對 3.6V

47、的鋰電池的智能充電。同時也能夠熟練的編寫一些簡單的程序，對 AVR 單片機也有了更深刻的認識本文在充電檢測技術方面僅采用了較簡單的鋰電池電壓檢測方法，操作簡單、靈活，但并不能十分精確的反映電池狀態(tài)，若能通過溫度、時間、電壓變化率等多方面技術來檢測鋰電池充電的狀態(tài)，鋰電池將會達到更好的充電效果。第 3 章 軟件的設計19致謝非常感謝我的指導教師楊佳老師。她為人隨和熱情，治學嚴謹細心。從畢業(yè)設計開始，一直到最后論文的修改、潤色，楊老師始終認真負責的指導我，給了我許多幫助和鼓勵。通過楊老師的幫助我的畢業(yè)論文順利完成，謝謝楊佳老師。 非常感謝吉林建筑大學。給我提供了良好的學習環(huán)境。在學校的圖書館中找到

48、了大量的參考資料，給我的論文寫作提供了很多幫助。同時我也學到了新的知識。非常感謝在這次論文設計中給過我?guī)椭拿恳粋€人，謝謝大家的幫助，沒有大家的幫助，我的畢業(yè)論文不會這么快的完成。吉林建筑大學電子信息科學與技術專業(yè)畢業(yè)論文20參考文獻1 許會，車新生，曹棠耀，王景川.蓄電池測試裝置單片機數(shù)據(jù)采集記錄系統(tǒng)高等教育出版社.19942 蔡小頎，姚廣平基于微處理器的機電無觸點控制系統(tǒng)J江蘇石油化工學院學報，20033 包海峰一種通用型智能充電器的設計J北京工業(yè)大學報.20004 馬書雷AVR 單片機編程特性的應用研究J高等教育出版社.20005 耿德根AVR 高速嵌入式單片機原理與應用M北京航空航天大

49、學出版社.20026 李靜，劉彥臣，張茂川，高經武8 位 AVR 單片機 AT90S4433 及其應用J華中科技大學.20027 雷玉堂光電檢測技術M中國計量出版社.19978 康華光電子技術基礎M高等教育出版社.19999 傅豐林.低頻電子線路.高等教育出版社.2003.10 Zhang W, Skelton D, Martinez R. Modeling and analysis of an off-line battery charger for single cell lithium batteries. IEEE Circuits and Systems. 2004.11 趙軍蓄電池

50、充電監(jiān)測系統(tǒng)設計J高等教育出版社.199712 張紅巖，高明裕AVR 單片機在蓄電池剩余電量測試儀中的應用J高等教育出版社.200113 周玲. 基于單片機控制的智能充電器設計. 廣西大學.2006.14 郭炳焜、徐徽、王先友.鋰離子電池（第二版）.中南大學出版社.2002.15 Bentley W F, Heacock D K. Battery management considerations for multichemistry systems. IEEE AES Systems Muguzine.1996.致謝21附錄R310+12VGNDVoutVinADJLM 317Iout+Io

51、ut-R41KR54.7KQ112345K1D3+12VGNDPB4KK1NNKK24N25R6510R74.7KQ2+5VGNDBatteryPB3NNBatteryGNDGND+5VGNDA/D1REST2(RXD)PD03(TXD)PD14(INT0)PD25(INT1)PD36(T0)PD47VCC8GND9XTAL110XTAL211(T1)PD512(AIN0)PD613(AIN1)PD714(ICP)PB015PB1(OC1)16PB2(SS)17PB3(M OSI)18PB4(M ISO)19PB5(SCK)20AVCC21AREF22AGND23PC0(ADC0)24PC1(

52、ADC1)25PC2(ADC2)26PC3(ADC3)27PC4(ADC4)28PC5(ADC5)U5AT90S44331KR10100KR11S110uFC5+5VGND+5VGND33pFC633pFC712Y1XTALGND10KR12S2GND+5V1KR16D5+5VR1310KR1510KR14+5VGNDGNDA/DPB4PB3TL431_+R81KD1C11000uF100uFC2D1VinVoutGND78M 05T1+5v+_T21KR21KR11000uFC3100uFC4D2VinVoutGND78M 12220VD2+12V+_220VR9D41KR17GNDKK2K

53、K1附錄 I21附錄#include at90s4433.h#define Key _pb0 /啟動按鍵#define Red _pb2 /紅燈#define Green _pb1 /綠燈#define VBatMin 0 x0f /電池電壓最小值,0.3V#d Mid 0 x2f /電池電壓預充值,1vefine VBat#define VBatRat 0 xc9 /電池電壓額定值,3.6V#define VBatMax 0 xd9 /電池電壓最大值,4.2Vint ADC_VBat; /電池電壓當前采樣值/*初始化*/void init () _acsr=0 x02; /系統(tǒng)頻率的 32

54、分頻 _tmr=0 x64; /定時 5mS _tmrc=0 x87; /內部定時器模式，128 分頻 _intc=0 x05; /使能定時器及總中斷標志位 timer_5ms=0; timer_05s=0; timer_end=0; /charge_timer_flag=0; flag=0; timer_flag05s=0; timer_flag300m=0; discharge_flag=0; /charge_timer=0; _clrwdt(); Discharge=1;附錄 II25 _delay(20000); _clrwdt(); _delay(20000); _clrwdt();

55、 _delay(20000); _clrwdt(); _delay(20000); _clrwdt(); _delay(20000); _clrwdt(); _delay(20000); _clrwdt(); _delay(20000); _clrwdt(); Discharge=0; _delay(20000);/*AD 轉換子程序*/unsigned char adrh; unsigned char adrl; void Start_AD() /adcr 寄存器定義 AD 開始轉換 _start=0; _start=1; _start=0;void ISR_AD() /讀_adrh,_ad

56、rl 寄存器 adrh=0 x00; adrl=0 x00; adrh=_adrh; adrl=_adrl&0 x80; unsigned int ad_change () /AD 轉換子程序吉林建筑大學電子信息科學與技術專業(yè)畢業(yè)論文24 unsigned char ad_value; _eocb=0; adrh=0 xff; adrl=0 xff; Start_AD(); while(_eocb); /等待 AD 轉換完成 ISR_AD(); /讀取轉換結果 ad_value=adrh; return ad_value;/*主程序*/void main () unsigned long vbat_cha0,vbat1_cha0,vbat2_cha0,vbat3_cha0,vbat4_cha0; unsigned long vbat_cha1,vbat1_cha1,vbat2_cha1,vbat3_cha1,vbat4_cha1; init(); if (Key=0) vbat1_cha0=ad_change(); _delay(5000); vbat2_cha0=ad_chan