智能充电器设计

常州信息职业技术学院学生毕业设计（论文）报告 系 别： 电子与电气工程学院 专 业： 电子信息工程技术 班 号： 电子124 学 生 姓 名： 张钰涵 学 生 学 号： 1206013419 设计（论文）题目： 基于51单片机的智能定时充电器设计 指 导 教 师： 胡远望 设 计 地 点： 常州信息职业技术学院 起 迄 日 期： 毕业设计（论文）任务书专业 电子信息工程技术 班级 电子124 姓名 张钰涵 一、课题名称：基于51单片机的智能定时充电器设计 二、主要技术指标（或基本要求）： 1)画出电路原理图 2)通过单片机实现电路的智能控制 3)使用C语言实现程序编程 三、主要工作内容： 1. 2.收集单片机部件的重要参数 3.计算光伏发电的输出电量 4.计算阴天蓄电池供电的情况 四、主要参考文献：_1 潘永雄.新编单片机原理与应用M.第2版，西安：西安电子科技大学出版社，2008.2 徐伟祥，刘旭敏.单片微型机原理及应用M.大连：大连理工大学出版社，1996. 3 胡汉才.单片机原理及其接口技术M.北京：清华大学出版社，1996. 4 周航慈.单片机程序设计基础M.北京：航空航天大学出版社，1999.5 康华光，陈大钦.电子技术基础模拟部分M.第4版，北京：高等教育出版社，1999. 6 戴佳，戴为恒，刘博文.51单片机C语言应用程序设计实例精讲M.第2版，北京：电子工业出版社，20087 王耘. NiMH等常见蓄电池的原理及其应用N.今日电子，2002年第2期8 李 宁. 充电器知识N电池工业，2001年第6卷第6期9 张兴伟. 数字手机电路与检修技术M.北京：人民邮电出版社，2006年10 Mcseley P T. Positive plate additives J. N Journal of Power Sources,1997年11 马继军，浅析蓄电池脉冲快速充电技术及其应用N移动电源与车辆，1996年第 3 期 12 刘玉杰 ,姜印平, 孟祥适. 关于快速脉冲充电技术的研究N蓄电池，2004年第2期13 牛黎明. 锂电池在线充放电管理电路的设计M计算机应用，2001年14 戴佳, 戴卫恒. 51单片机C语言应用程序设计实例精讲M.北京：电子工业出版社 2007年15 Maxim Integrated Products,Maxim Linear Charger for Single-Cell Li+ BatteryJ, USA,200216 杨代华, 叶敦范, 王典洪. 单片机原理及应用M武汉：中国地质大学出版社，2000年17 李建忠，单片机原理与运用M.西安：西安电子科技大学出版社学 生（签名） 年 月 日 指 导 教师（签名） 年 月 日 教研室主任（签名） 年 月 日系 主 任（签名） 年 月 日毕业设计（论文）开题报告设计（论文）题目基于51单片机的智能定时充电器设计一、 选题的背景和意义：手机电池的使用寿命和单次使用时间与充电过程密切相关。锂电池是手机最为常用的一种电池，它具有较高的能量重量比、 能量体积比、 具有记忆效应，可重复充电多次，使用寿命较长，价格也越来越低。 锂电池对于充电器的要求比较苛刻，需要保护电路。 为了有效利用电池容量，需将锂电池充电至最大电压，但是过压充电会造成电池损坏， 这就要求较高的控制精度。另外， 对于电压过低的电池需要进行预充，充电器最好带有热保护和时间保护，为电池提供附加保护。由于充电器多采用大电流的快速充电法，在电池充满后如果不及时停止会使电池发烫，过度的充电会严重损害电池的寿命。 一些低成本的充电器采用电压比较法，为了防止过充，一般充电到90%就停止大电流快充，而采用小电流涓流补充充电。此时就需要进行充电器的智能控制。二、 课题研究的主要内容：（一） 画出电路原理图（二） 通过单片机实现电路的智能控制（三） 使用C语言实现程序编程三、 主要研究（设计）方法论述：智能定时充电器的设计与一般的充电器相比，基本原理相同，但是需要考虑的环节更多。（一） 电源模块：采用电压转换芯片将外部220V交流电压转换为需要的+5V电压。（二） STC12C2052单片机模块：实现充电器的智能化控制，比如自动断电、定时充电、充电完成报警提示等。 （三） 充电模块：采用专用的电池充电芯片实现对充电过程的控制。 （四） 电路保护模块：采用继电器对充电线路进行保护。四、设计（论文）进度安排：时间（迄止日期）工 作 内 容思考毕业设计论题以及题型去图书馆查找与单片机的设计有关的书籍资料和上网查询信息整理各项所查找来的资料撰写论文的初稿对论文的初稿进行修改在电脑上进行论文格式的设计和撰写论文对撰写好的论文进行排版、打印、装订准备答辩五、指导教师意见： 指导教师签名： 年 月 日六、系部意见： 系主任签名： 年 月 日目录摘要Abstract第1章 前 言 . 11.1.2 1.2本设计完成的智能化功能.22.1单片机简介.2 2.1.1单片机的特点.2 2.1.2单片机的应用.3 2.1.3单片机应用于充电器实现智能化.2第2章 原理框图及电路原理图 . 22.1 原理框图 .22.2 基本工作原理 .42.3电路原理图 .5第3章 定时充电器供电系统设计 . 23.1 充电器供电模块 . 2 3.1.1电源模块构成.23.2 控制系统电路设计 . 2第4章 总结与分析. 15第5章 结束语. 19参考文献 . 20答谢词 . 21 摘 要全球能源短缺，环境污染，全球变暖等问题正日益困扰人类社会“寻求绿色替代能源，实现可持续发展”已成为世界面临的共同课题。太阳能光伏发电不排放二氧化碳和二氧化硫，有没有常规电源噪声，固体废物等污染，是最重要的可再生能源技术。随着社会的不断发展，太阳能发电技术，太阳能灯环保，能源，安全等优势，成为城市道路照明行业的新宠，市场潜力是巨大的。在不同的领域，如城市或农村，太阳能路灯照明要求的密度是不同的，本文通过研究太阳能灯和太阳能电池的工作原理，太阳能电池的基本特性。根据不同的要求，主要是从实用和经济的考虑，适当的区域的需要的太阳能光伏电池和太阳能光伏电池的配置选择适当的容量。关键词 ：太阳能路灯，伏电池，化配置AbstractGlobal energy shortages, environmental pollution, climate warming and other issues are increasingly troubled by the human society, to find the green alternative sources of energy and achieve sustainable development has become a common task facing all countries in the world. Solar PV does not emit CO2 and SO2, there is no noise of conventional power generation, solid waste and other pollution, is the most important renewable energy technologies. With the continuous development of solar power technology, solar energy street lamp to environmental protection, energy saving, security and other benefits to become the new darling of city road lighting industry, the market has great potential. In different regions, such as cities or rural areas, the density of solar street lighting requirements are different, this thesis by studying the solar lights and solar cell works, the basic characteristics of solar cells. According to different requirements, mainly from the practical and economic considerations demand for choice in the region suitable for the corresponding capacity of solar photovoltaic cells and solar photovoltaic cells configured.Keywords :solarl light, PV, optimization第1章 前言1. 引言随着信息技术的高速的发展，信息化正以令人惊叹的速度渗透到各个领域。电池作为一个传统的产业，正经历着前所未有的变革，特别是在通信，动力等领域，对电池有了新的要求。智能充电器就在这种环境下应运而生。在人们日常工作和生活中，随着各种电子产品的广泛应用，各种充电器就不可或缺。从电动刮胡刀到mp3，从手机到笔记本电脑，几乎只要用到电池的设备都会用到充电器。这些充电器都有便携的特点，所以充电器为人们外出旅游和出差提供了相当大的方便。单片机在电池充电器领域有着广泛的应用，利用它的处理控制能力可以实现充电器的智能化。充电器种类品种繁多，但严格意义上讲，只有单片机参与处理和控制的充电器才能称为智能充电器。 1.1指导思想（1）实现充电过程。充电分为两个方面：一是充电过程的控制；二是需要提供基本充电电压。（2）智能化的实现。引入单片机可实现智能化。1.2本设计完成的智能化功能本设计是基于51单片机在实现锂离子电池充电方面的应用。这种智能充电器在单片机的控制下，实现预冲，充电保护，自动断电和充电完成报警提示功能。2. 单片机简介在通用微机中央处理器（CPU）基础上，将输入输出（IO）接口电路、时钟电路以及一定容量的存储器等部件集成在同一芯片上，再加上必要的外围器件，如晶体振荡器，就构成了一个较为完整的计算机硬件系统。由于这类计算机系统基本部件集成在同一芯片内，因此被称为单片微控制器（Single-Chip-Micro Controller）、微控制单元（Microcontroller Unit,MCU）或嵌入式控制器（Embedded Controller），简称单片机。1目前，8位高档机和16位机在单片机应用中占主导地位，产品众多，已有几十个系列、几百个型号，除了通用单片机以外，集成更多资源，如A/D转换器、D/A转换器、“看门狗”（Watchdog）电路、LCD控制器、网路控制模块等，将单片机嵌入式系统和Intenet连接起来已是一种趋势。还有专用单片机产品，如专门用于数据处理（图像和语言处理等）的单片机。总之，单片机正在向微型化、低功耗、高速、集成、高集成度、多资源、网络化、专用型方向发展。22.1单片机的特点 单片机芯片作为控制系统的核心部件，它除了具备通用微机CPU的数值计算功能外，还必须具有灵活、强大的控制功能，以便实时监测系统的输入量，控制系统，从而实现自动控制功能3。单片机主要面向工业控制，工作环境比较恶劣，如高温、强电磁干扰，甚至含有腐蚀性气体，在太空中工作的按偏激控制系统，还必须具有抗辐射功能，此而决定了单片机CPU的技术特征和发展方向：（1）单片机CPU抗干扰性强，工作温度范围宽（按工作温度分类，有民用级工业级、汽车级及军用级）。（2）单片机CPU可靠性高。在工业控制中，任何差错都可能造成极其严重的后果，因此在单片机芯片中普遍采用硬件看门狗技术，通过定时“复位”方式唤醒处于“失控”状态下的单片机芯片。（3）单片机CPU电磁辐射量小。高可靠性和低电磁辐射指标决定了单片机系统的时钟频率很低。为此，单片机芯片一般采用HARVARD双总线结构，即指令和数据存储器空间相互独立，并通过各自的数据总线与CPU相连，使取指和读/写数据能同时进行。双总线结构能提高数据的吞吐率，以便在不降低数据吞吐率的条件下使用较低的时钟频率。（4）单片机的控制功能很强。（5）单片机的指令系统比较简单。（6）单片机芯片往往不是单一的数字电路芯片，而是数字、模拟混合电路系统，即单片机芯片内长集成了一定数量的模拟比较器，A/D及D/A转换电路。（7）单片机CPU采用嵌入式结构。尽管同一系列的单片机品种、规格繁多，但彼此差异却不大。2.2单片机的应用由于单片机具有如上所述的特点，因此在工业生产、日常生活等诸多领域，得到了日益广泛的应用，单片机的主要应用领域有：工业控制，如在工业生产过程中参数（如温度、压力、流量、液位等）的控制，数据处理功能于一体，如转速测试仪、噪声测试仪、振动测试仪及电子秤等。计算机网络与通信，单片机上有并行I/O接口，串联I/0接口，可用于通信接口，如单片机控制的自动呼叫应答系统、列车无线通信系统、遥测遥控系统等。家用电器，由于单片机体积小，控制能力强，且片内与定时器/计数器，所以广泛应用于家用设备中。如空调、洗衣机、微波炉及防盗报警等。本设计是单片机在智能充电方面的应用。2.3单片机应用于充电器实现智能化因为多数充电器一般采用大电流的快速充电法，如果电池充满了，人们不及时断电就会使电池发烫，过度的充电会严重损害电池的寿命4。像一些成本比较低的充电器一般采用电压比较法，为了防止过度充充，基本上充电到一定的程度就停止大电流快充，转而用小电流涓流补充充电。一部分的充电器不但能在很短时间内将电量充足，而且还可以对电池起到一定的维护作用，修复由于使用不当造成的记忆效应，即容量下降（电池活性衰退）现象。设计比较科学的充电器往往采用专用充电控制芯片配合单片机控制的方式。专用的充电芯片具有业界公认较好的-v检测，可以检测出电池充电饱和时发出的电压变化信号，比较精确地结束充电工作，通过单片机对这些芯片的控制，可以实现充电过程的智能化，例如，在充电后增加及时关段电源、蜂鸣报警和液晶显示等功能。充电器的智能化可以缩短充电的时间，同时能够维护电池，延长电池使用寿命。第2章 原理框图及电路原理图2.1原理框图 2.2 基本工作原理控制核心选用 STC12C2052 单片机，通过内部定时器 T0 倒计时的方式控制继电器断开与闭合，从而达 到控制另外一个充电头充当的充电器的供电，另外，配置微动开关作为定时设置按键和8颗红色 LED 作为时间提示灯，在实际使用中，我们可以通过按键的设置，由 LED 指示灯 提示大概剩余时间的同时，由 STC12C2052 控制继电器的接通或者断开，进行对充电电路 的控制，从而达到定时充电以防止过充的功能。，2.3 电路原理图第3章 定时充电器供电系统设计3.1 充电器供电模块目前市场上存在大量的电池充电芯片，它们可直接用于充电器的设计。本设计主要利用51单片机实现手机单节锂离子（Li+）电池智能充电器，要求充电快速且具有优良的电池保护能力。通过查阅相关资料，目前市场上常见的智能充电芯片主要包括：MAX1898、MAX1758、SMC401。不同的芯片在控制充电过程中能力各不相同，其价格也迥异，控制电路更是错踪复杂。通过进行对比论证，在相同功能下，MAX1898 的外围电路更加简单，易于焊接，相关技术资料比较全面，因此我们选取了MAX1898作为此次的充电芯片。MAX1898的内部电路包括输入电流调节器、电压检测器、充电电流检测器、定时器、温度检测器和主控器，输入电流调节器用于限制总输入电流，包括系统负载电流与充电电流，但检测到输入电路大于设定的门限电流时，通过降低充电电流从而控制输入电流，MAX1898外接限流型充电电源和PNP功率三级管，可对单节锂电进行有效的快充，它通过外接电容设定充电时间，通过外接电阻设置最大充电电流。MAX1898 uMAX封装如图2.3所示。MAX1898的引脚功能说明如下IN（1引脚）：传感器输入，检测输入电压和电流CHG（2引脚）：LED驱动器EN/OK（3引脚）：逻辑电平输入允许/电源输入“好”ISET（4引脚）：电流调节CT（5引脚）：安全的充电时间设置RSTRT（6引脚）：自动重新启动控制引脚BATT（7引脚）：接单个Li+的正极GND（8引脚）：接地DRV（9引脚）：外接电阻驱动器CS（10引脚）：电流传感器输入MAX1898典型充电电路如图2.4所示。MAX1898典型应用电路如图2.4所示。定时电容C和充电时间T的关系式满足：C=34.33T注：通过外接电容CT 设置快充时最大的充电时间T，式中T 单位为小时，CT 单位为nF，一般情况下快充时间不超过3 小时，因此CT一般为100nF。最大充电电流Imax 和限流电阻R 的关系式满足：Imax1400/R注：限制电流的模式下，通过外接电阻R来设置最大充电电流Imax，式中R 单位为欧姆，Imax 单位为安培。输入电压范围为4.5V-12V。锂电池要求充电方式是恒流恒压方式，电源的输入需要采用恒流恒压源，一般采用直流电源外加变压器。充电器电路充电控制电路如图2.5所示。图2.5 MAX1898充电模块电路3.1.1 电源模块构成 电源模块主要作用是将输入的220V/50HZ的交流电压通过变压、整流、7805芯片稳压后得到的5V直流电压为STC12C2052单片机和MAX1898锂离子电池充电芯片进行供电，同时也为其它电路提供合适的电压。 3.2 控制系统电路结构STC12C2052系列单片机是单时钟/机器周期(1T)的兼容8051内核单片机，是高速/低功耗的新一代8051单片机，全新的流水线/精简指令集结构,内部集成MAX810专用复位电路。3.2.1 STC12C2052特点：(1)增强型8051CPU，单时钟/机器周期，指令代码完全兼容传统8051；(2)工作电压：5.5V-3.5V（5V单片机）/3.8V-2.2V（3V单片机）；(3)工作频率范围：0-35MHz，相当于普通8051的0420MHz，实际工作频率可达48MHz；(4)用户应用程序空间512/1K/2K/3K/4K/5K字节；(5)片上集成256节RAM；(6)通用I/O口（15个），复位后为：准双向口/弱上拉（普通8051传统I/O口）可设置成四种模式：准双向口/弱上拉，推挽/强上拉，仅为输入/高阻，开漏每个I/O口驱动能力均可达到20mA，但整个芯片最大不得超过55mA；(7)ISP（在系统可编程）/IAP（在应用可编程），无需专用编程器，可通过串口随着直接下载用户程序，数秒即可完成一片；(8)EEPROM功能；(9)看门狗；(10)内部集成MAX810专用复位电路；(11)时钟源：外部高精度晶体/时钟，内部R/C振荡器用户在下载用户程序时，可选择是使用内部R/C振荡器还是外部晶体/时钟常温下内部R/C振荡器频率为：5.65MHz5.95MHz精度要求不高时，可选择使用内部时钟，但因为有制造误差和温漂，应认为是4MHz8MHz；(12)共6个16位定时器/计数器；(13)外部中断2路,下降沿中断或低电平触发中断,PowerDown模式可由外部中断唤醒；(14)PWM(2路）/PCA（可编程计数器阵列）；(15)通用全双工异步串行口(UART)，由于STC12系列是高速的8051，也可再用定时器软件实现多串口；(16)SPI同步通信口，主模式/从模式；(17)工作温度范围：0-75/-40-+85；STC12C2052封装如图2.3所示第4章 总结与分析通过搜集相关资料，本人对太阳能光伏发电和LED的应用已有了初步的了解。太阳能光伏发电技术和LED技术已通过前人的努力得到了长足的发展，从最初的实验室走到人们的生活的商品中。在未来它们会如何发展，我不敢想象。大体说来，现有的技术有如下特点：1、太阳能电池的材料主要有单晶电池板、多晶电池板、非晶硅电池板。非晶硅电池板是淘汰的产品。单晶电池板是广泛采用的材料，多晶电池板使用成本制约了其广泛的应用，但是它们性能更好，是前沿性的研究热点。2、蓄电池是光伏发电系统中的重要元件，但现有的电池技术和光伏发电的特点使得其在整个系统中成为最薄弱的环节。虽有好性能的锂电池，但是其过高的成本使得太阳能发电本来就不低的投入变得更不为市场所接受。成本低性能稍差的铅酸蓄电池成为主力军，但任需要好的电源控制系统为其提供良好的工作环境。3、因为蓄电池技术不会在短期内得到解决，从改善电源控制器的方面入手成为提高光伏发电系统性能的最佳途径。电源控制器能控制充放电电压和电流，主流的充电方式二阶段式和恒压式。未采用更有效率，如最大功率跟踪式、模糊式、智能式的充电方式的主要原因还是成本问题。还有一个技术问题就是对蓄电池容量的预测，若此技术得到发展，充电自然会采用更有效率的方式。4、LED是今后流行的光源。但是其单体发光功率不高，需要组合使用。驱动LED的方式有多种选择。主要采用的是恒流源驱动，因为LED的发光率与电流成正比，与电压成非线性关系，不易控制。LED质量参差不齐，需更好的行业标准来规范。LED显示屏现已广泛利用，控制方式多采用行列扫列扫描技术，用单片机控制，多用串口相联。现有许多商业软件使得LED显示的编程变得十分方便。答谢辞经过了两个月的学习和查找资料，在胡远望老师的悉心指导和严格要求下，我终于完成了基于51单片机的智能充电器设计的论文。从课题选择、开题报告到具体设计，每一步对我来说无疑是巨大的尝试和挑战，也成就了我在大学期间独立完成的最大的项目。首先，通过本次毕业设计，切切实实加强了我独立思考问题的能力，以及克服着手查资料时的无聊不良情绪。同时，也弥补了一些我在单片机知识上的漏洞，在以后的学习过程中消除了一些障碍。在毕业设计的过程中，让我熟悉了单片机的设计流程，以及论文的书写步骤，有了这方面的加强，在以后的学习过程中，相信我不会毛毛躁躁，静心完成诸如单片机的设计。随着当今社会科技的高速发展，电池产业的也是飞速前进，已经渗透到各个电子产业，像从我们平时用的MP3到笔记本电脑，处处都有电池的身影，电池在这些电子产品中就像植物中的绿叶似的，光合作用，之后产生能量，如果没有绿叶，植物就不能生存，同样的道理，没有电池提供电能，所有电子产品就会变成一堆垃圾。我选择这个题目，感觉有与时俱进的意义。在具体设计的过程中，感谢我的毕业设计老师，图书馆的老师以及和我一起做课题的同学，正是有了他们的帮助才使我这篇稚嫩的设计日臻完善。每一次改进我都收获良多，每一次修改后的成功我都能兴奋好长一段时间。虽然我的设计作品不是很成熟，即使借鉴前人的很多资料仍然还有很多不足之处，但我仍然心里有一种莫大的幸福感，因为我实实在在地走过了一个完整的设计所应该走的每一个过程，并且享受了每一个过程。就此作结。毕业设计（论文）成绩评定表一、指导教师评分表（总分为70分）序 号考 核 项 目满 分评 分1工作态度与纪律102调研论证103外文翻译54设计（论文）报告文字质量105技术水平与实际能力156基础理论、专业知识与成果价值157思想与方法创新5合计70指导教师综合评语： 指导教师签名： 年 月 日 二、答辩小组评分表（总分为30分）序 号考 核 项 目满 分评 分1技术水平与实际能力52基础理论、专业知识与成果价值53设计思想与实验方法创新54设计（论文）报告内容的讲述55回答问题的正确性10合计30答辩小组评价意见（建议等第）： 答辩小组组长教师签名： 年 月 日三、系答辩委员会审定表1 审定意见2审定成绩（等第）_ _ 系主任签字： 年 月 日