《智能充电器》word版.doc

理工学院毕 业 设 计学生姓名： 李艳峰 学 号： 08L0802305 专 业： 自动化 题 目： 便携式自动恒压充电器设计 指导教师： 李玮（副教授） 评阅教师： 2012 年 月 目 录1 引言1.1 课题研究背景1.2 国内外发展情况1.3 为何需要实现充电器的智能化1.4 充电电池特性及其充电方式1.5 方案论证与比较1.6 主要芯片选择1.7 模数转换器2 硬件电路主要芯片2.1 单片机AT89S522.2 AD转换芯片ADC089093 硬件电路的设计3.1 电源电路的设计3.2 数据采样与转换电路3.3 充、放电与维护电路3.4 延时与报警电路3.5 显示电路3.6 上位机通信模块3.7 温度传感电路4 单片机软件设计4.1 软件功能4.2 用C语言开发的单片机4.3 系统程序流程图5 安装与调试结论致谢参考文献摘 要为了解决锂离子电池和镍氢/镍镉电池的充电问题，设计了一种以AT89S52单片机为核心的通用智能充电器，介绍了智能充电器的工作原理、设计特点和三种充电模式，详细讨论了系统的硬件构成及软件实现方法。由于采用了高性能的微控制器及高分辨率的A/D转换电路，保证了充电器具有很高的精度。关键词：单片机 A/D转换 智能充电器 硬件构成Abstract The reference design is developed for the charge of Li-ion and NiMH/NiCd battery pack based on AT89S52 single-chip computer . The work principle and design characteristics and three charge mode are introduced, then the hardware structure and the implement of software are analyzed in detail. With the high performance of microcontroller and high resolution A/D convert circuit ,the design can guarantee high accuracy.Keywords: Single-chip computer A/D convert Intelligent battery charger Hardware structure1 引言11 课题研究背景随着便携式设备日新月异的发展，电源技术已经越来越多的得到人们的重视。为适应在通信、生物医学和军事等领域对便携式电源的新要求，智能电池作为微电子技术与传统电池技术结合的产物应运而生，智能充电器也以其维护简单、充电效率高、扩展能力强和使用寿命长等特点，迅速成为各种电子设备充电电源的首选。面向未来战争向小规模、数字化发展的趋势，为了满足军队的机动性和快速反应能力的需求，智能电池必将在未来战争中发挥重要作用，能够为智能电池提供完善管理的智能充电器的研究必将成为充电电源系统研究的新热点1。据有关部门透露，发达国家已经有相关产品装备部队，我国也已经制定了在国防等重要领域推广该技术应用的计划。而目前我军移动通信电台所配备的电源系统多是上世纪八十年代的产品，随着电力电子技术的飞速发展和数字化技术的全面介入，这种电源系统存在的问题已经日益凸现：(1)不具备对智能电池的充电功能，扩展性差；(2)故障率高，而且维修困难，经常影响作战训I练的正常进行；(3)对同类电池充电缺乏自适应性，充电控制策略落伍，导致了电池的寿命短、效率低和可维护性差：(4)体积大，效率低，对电网污染大，不能满足电磁兼容等要求目前，市场上卖得最多的是旅行充电器，但是严格从充电电路上分析，只有很少部分充电器才能真正意义上被称为智能充电器，随着越来越多的手持式电器的出现，对高性能、小尺寸、轻重量的电池充电器的需求也越来越大。电池技术的持续进步也要求更复杂的充电算法以实现快速、安全地充电，因此，需要对充电过程进行更精确地监控(例如对充、放电电流、充电电压、温度等的监控)，以缩短充电时间，达到最大的电池容量，并防止电池损坏。因此，智能型充电电路通常包括了恒流恒压控制环路、电池电压监测电路、电池温度检测电路、外部显示电路(LED或LCD显示)等基本单元。其框图1如下：电源转换装置外部电源LED显示装置智能单元时间控制温度控制电压控制电流控制电 池图（1） 智能充电器基本框图铅酸蓄电池是目前世界上广泛使用的一种化学电源，该产品具有良好的可逆性，电压特性平稳，使用寿命长，适用范围广，原材料丰富（且可再生使用）及造价低廉等优点而得到了广泛的使用。是社会生产经营活动中不可缺少的产品。但是，若使用不当，其寿命将大大缩短。影响铅酸蓄电池寿命的因素很多，而采用正确的充电方式，能有效延长蓄电池的使用寿命。研究发现：电池充电过程对电池寿命影响最大，放电过程的影响较少。也就是说，绝大多数的蓄电池不是用坏的，而是“充坏”的。由此可见，一个好的充电器对蓄电池的使用寿命具有举足轻重的作用。而且，传统充电器的充电策略比较单一，只能进行简单的恒压或者恒流充电，以致充电时间很长，充电效率降低。另外，充电即将结束时，电池发热量很大，从而造成电池极化，影响电池寿命。针对上述问题，设计了一种智能充电器，尽量延长铅酸蓄电池的使用寿命。12 国内外发展情况随着电子技术的高速发展，电子系统的应用领域越来越广泛，功能越来越强大，对电源系统的要求也越来越高。为了适应电设备科技发展的需要，充电电源的研究已经向高频化、集成化、智能化和绿色化方向发展，电磁兼容(EMC)、智能化程度和自适应性等新的要求也在不断提出。为了实现高功率密度，改善电源的动态性能，就必须提高电源系统的工作频率3。提高主功率变换器件的开关速度，可明显减少磁性变压器材料和大电解电容体积、重量等，这也使得开关器件的研制工作从改进电压、电流的二维体系发展到提高频率的三维体系。集成化是电源系统的一个重要发展方向，主要包括构成MOSFET大功率器件的元件微型化、密集化以及MOSFET的集成化，把小功率的MOsFET集成在单片IC中，使系统控制、驱动、保护、检测和末级功率放大集成为一体4。智能化主要体现在对电池的充电算法和对环境的自适应性方面，一个新型的充电系统要能自动识别被充电电池的类别，根据电池的参数以及环境温度等自适应地生成充电曲线，以最佳的方式完成快速充电工作。绿色化包括两层含义：首先是显著节电，因为发电是造成环境污染的重要原因，发电容量的节约意味着对环境污染的减少；其次是这些电源不能(或少)对电网产生污染5。同时，新型充电系统还应该能满足对智能电池的充电要求。智能电池是上世纪后期才出现的新型电池6，它由蓄电池组、控制模块和相应的显示模块组成。它包含了能够测量、计算和储存关于电池内部化学成分和电量状态数据的内部电子部件，“电量计量”的信息经由系统管理总线(sMBus)传送给器件内部的充电电路、报警电路和关闭电路。智能电池的优点是：(1)具有行业统一的智能电池系统标准，能利用SMBus总线和外部设备(智能充电器或主机)进行数字通信，实时交换电池的各种信息(剩余容量、电压、温度等)，以便使外部设备进行相关处理；(2)具有化学独立性，本身具有完整的保护功能，如过充电保护、过放电保护、短路保护和过热保护等，从而降低了故障率。凭借强大完善的电源管理功能，智能电池正在成为市场主流。根据DarnelCom公司调研数据显示，智能电池的市场增长率为22，预计2005年全球销量达到120万支7。从发展眼光看，这种新型电池最终要取代传统电池，一统宽广的电池市场，包括通信、动力、仪表、航空、航天和军事等各个领域。对数字化智能充电器的研究，国外起步较早。目前，发达国家已经将该技术应用于军事、探险和科学考察等特殊领域，其向民用领域的技术转化工作也已经开始。国外一些公司已经推出了一系列的智能充电管理芯片，譬如，针对智能电池的MAXl535A、MAX8713和LTC4100等控制芯片，针对镍镉镍氢电池充电的TEAll00TEAll01和MAX2003等控制芯片，针对锂离子电池充电的FAN7563、FAN7564、LM3420和BQ2054等控制芯片，以及主要用于镍镉镍氢、锂离子电池充电的BQ2000系列控制芯片等8。这些芯片的问世，在很大程度上促进了数字化智能充电器的普及，但是在应用中这些芯片往往存在着适应外部环境能力差、功能单一、扩展性不强等问题9，并且没有一种解决方案可以兼顾智能电池和传统电池组，无法满足本文涉及项目的特殊需要。较之于国外的发展情况，我国几乎不具备智能电池IC生产能力，对数字化智能充电器的研究也才flUNU起步，该技术的应用在国内尚处于薄弱环节10。随着智能电池在国内的日益普及，与之配套的智能充电器也已经成为国内电源行业研究的新热点，其技术生命力和应用前景将非常广阔。13 为何需要实现充电器的智能化充电器的实现方式不同会导致充电效果多元化。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。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。一部好的充电器不但能在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法。 专用的充电芯片具备业界公认较好的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断电源、 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。14 充电电池特性及其充电方式电池充电是通过逆向化学反应将能量存储到化学系统里实现的，由于使用的化学物质的不同，电池的特性也不同，其充电的方式也不大一样。电池的安全充电 现代的快速充电器( 即电池可以在小于3 个小时的时间里充满电，通常是一个小时) 需要能够对单元电压、充电电流和电池温度进行精确地测量，在充满电的同时避免由于过充电造成的损坏。充电方法 SLA 电池和锂电池的充电方法为恒定电压法要限流； NiCd 电池和NiMH 电池的充电方法为恒定电流法，且具有几个不同的停止充电的判断方法。最大充电电流 最大充电电流与电池容量(C) 有关。最大充电电流往往以电池容量的数值来表示。例如，电池的容量为750 mAh，充电电流为750 mA，则充电电流为1C (1 倍的电池容量)。若涓流充电时电流为C/40，则充电电流即为电池容量除以40。过热 电池充电是将电能传输到电池的过程。能量以化学反应的方式保存了下来。但不是所有的电能都转化为了电池中的化学能。一些电能转化成了热能，对电池起了加热的作用。当电池充满后，若继续充电，则所有的电能都将转化为电池的热能。在快速充电时这将使电池快速升温，若不及时停止充电就会造成电池的损坏。因此，在设计电池充电器时，对温度进行监控并及时停止充电是非常重要的。现代消费类电器主要使用如下四种电池： 密封铅酸电池 (SLA) 镍镉电池 (NiCd) 镍氢电池(NiMH) 锂电池(Li-Ion)在正确选择电池和充电算法时需要了解这些电池的背景知识。密封铅酸电池(SLA) 密封铅酸电池主要用于成本比空间和重量更重要的场合，如UPS和报警系统的备份电池。SLA 电池以恒定电压进行充电，辅以电流限制以避免在充电过程的初期电池过热。只要电池单元电压不超过生产商的规定( 典型值为2.2V)， SLA 电池可以无限制地充电。镍镉电池(NiCd) NiCd 电池目前使用得很普遍。它的优点是相对便宜，易于使用；缺点是自放电率比较高。典型的NiCd 电池可以充电1000 次。失效机理主要是极性反转。在电池包里第一个被完全放电的单元会发生反转。为了防止损坏电池包，需要不间断地监控电压。一旦单元电压下降到1.0V 就必须停机。NiCd 电池以恒定电流的方式进行充电。镍氢电池(NiMH) 在轻重量的手持设备中如手机、手持摄象机，等等镍氢电池是使用最广的。这种电池的容量比NiCd 的大。由于过充电会造成NiMH 电池的失效，在充电过程中进行精确地测量以在合适的时间停止是非常重要的。和NiCd 电池一样，极性反转时电池也会损坏。NiMH 电池的自放电率大概为20%/ 月。和NiCd 电池一样，NiMH 电池也为恒定电流充电。锂电池 (Li-Ion) 和本文中所述的其他电池相比，锂电池具有最高的能量/ 重量比和能量/ 体积比。锂电池以恒定电压进行充电，同时要有电流限制以避免在充电过程的初期电池过热。当充电电流下降到生产商设定的最小电流时就要停止充电。过充电将造成电池损坏，甚至爆炸。镍氢/镍镉电池充电模式这2种镍类电池具有相似的充电特性曲线，因而可以用一样的充电算法。这2种电池的主要充电控制参数为-V和温度对镍氢镍镉电池由预充电到标准充电转换的判据为：单节电池电压水平0.61V；电池温度-50oC 电池饱和充电的判据为：电池电压跌落或接近零增长 V= 615 mV节；电池最高温度max50；电池温度上升率d/dt 1.0min。由于温度的变化容易受环境影响,因而实际用于判别充电各阶段的变量主要为V、max，其中对V的检测需要有足够的AD分辨率和较高的电流稳定度-V的测量与A/D分辨率、充电电流的稳定性与电池内阻之间有以下关系:当电池内阻等于50(接近饱和充电)时，充电电流=1200mA，电流漂移等于5%，单节电池的最高充电电压为1.58V，则此时电流漂移可能引起的电池电压变化为3 mV。 在锂离子电池充电采样时，测量到的电压是电池的在线电压，一般在线电压要高于静态电压（与内阻有关）在充电器设计中，对锂离子电池充电各阶段转换判断的测量参数只有在线电压，电压采样偏差小于 0.05 V智能充电器设置了一种自适应充电模式，在这种模式下，对未知型号的电池或放入某种电池后而未按相应的键，则充电器自动转入自适应充电模式此时充电器将提供一种公共算法对电池进行预充电，并对其进行型号识别判断，然后转入相应的充电模式，显示相应的型号具体做法为：检测充电电池电压的变化率，并判断是否检测到有V。如果检测到电池电压V特别高，且无V，则转入锂离子电池充电模式，否则进入镍类电池充电模式15 方案论证与比较1电源模块（1）方案一 普通电源：市电经过电源变压器将高压交流电转化成低压交流电，再通过整流滤波，将交流电转化为直流电，滤除整流输出的剩余交流成分，最后输出稳定的直流电压。它具有输出电压稳定、波纹小等优点，但是电压范围小，效率低。（2）方案二 开关电源：市电进入电源，首先要经过扼流圈和电容，滤除高频杂波和同相干扰信号。然后再经过电感线圈和电容，进一步滤除高频杂波。接下来再经过由4个二极管组成的全桥电路整流（也有半桥等其他电路），和大容量的滤波电容滤波后，电流才由高压交流电转换为高压直流电。经过了交直转换后，电流就进入了整个电源最核心的部分：开关电路。开关电路主要由两个开关管组成，通过它们的轮流导通和截止，便将直流电转换为高频率的脉动直流电。接下来，再送到高频开关变压器上进行降压。经过高频开关变压器降压后的脉动电压，同样要使用二极管和滤波电容进行整流和滤波，此外还会有1、2个电感线圈与滤波电容一起滤除高频交流成分。最后成为设备所需要的较为纯净的低压直流电。它是近代普遍推广的稳压电源，具有效率高、电压范围宽，输出电压相对稳定等特点。所以，本设计选取方案二。2充电方法恒压充电法：充电电源的电压在全部充电时间里保持恒定的数值，随着蓄电池端电压的逐渐升高，电流逐渐减少。与恒流充电法相比，其充电过程更接近于最佳充电曲线。用恒定电压快速充电，如图2所示。由于充电初期蓄电池电动势较低，充电电流很大，随着充电的进行，电流将逐渐减少，因此，只需简易控制系统。这种充电方法电解水很少，避免了蓄电池过充。但在充电初期电流过大，对蓄电池寿命造成很大影响，且容易使蓄电池极板弯曲，造成电池报废。鉴于这种缺点，恒压充电很少使用，只有在充电电源电压低而电流大时采用。充电电压充电电流U/i0T图（2） 恒压充电法曲线16 主要芯片选择单片机AT89S52，它是美国ATMEL公司生产的低电压，高性能COMS 8位单片机，片内含4KB的可反复擦写的只读程序存储器(PEROM)和128B的随机存取数据存储器(RAM)，同时片内置通用8位中央处理器(CPU)和FLASH存储单元，全面兼容标准的MCS-51指令系统，可适用于众多的控制领域.17 模数转换器模数转换器 ，即A/D转换器，或简称ADC，通常是指一个将模拟信号转变数字信号为的电子元件。通常的模数转换器是将一个输入电压信号转换为一个输出的数字信号。由于数字信号本身不具有实际意义，仅仅表示一个相对大小。故任何一个模数转换器都需要一个参考模拟量作为转换的标准，比较常见的参考标准为最大的可转换信号大小。而输出的数字量则表示输入信号相对于参考信号的大小。模数转换器最重要的参数是转换的精度，通常用输出的数字信号的位数的多少表示。转换器能够准确输出的数字信号的位数越多，表示转换器能够分辨输入信号的能力越强，转换器的性能也就越好。ADC0809是CMOS单片型逐次逼近式A/D转换器，它由8路模拟开关、地址锁存与译码器、比较器、8位开关树型D/A转换器、逐次逼近。ADC0809芯片有28条引脚，采用双列直插式封装。1）8路输入通道，8位A/D转换器，即分辨率为8位。2）具有转换起停控制端。3）转换时间为100s(时钟为640kHz时)，130s（时钟为500kHz时）4）单个+5V电源供电5）模拟输入电压范围0+5V，不需零点和满刻度校准。6）工作温度范围为-40+85摄氏度7）低功耗，约15mW。2 硬件电路主要芯片21 单片机AT89S522.1.1 单片机简介AT89S52 8位单片机是MSC-51系列产品的升级版，有世界著名半导体公司ATMEL在购买MSC-51设计结构后，利用自身优势技术（掉电不丢数据）闪存生产技术对旧技术进行改进和扩展，同时使用新的半导体生产工艺，最终得到成型产品。与此同时，世界上其他的著名公司也通过基本的51内核，结合公司自身技术进行改进生产，推广一批如51F020等高性能单片机。AT89S52片内集成256字节程序运行空间、8K字节Flash存储空间，支持最大64K外部存储扩展。根据不同的运行速度和功耗的要求，时钟频率可以设置在0-33M之间11。片内资源有4组I/O控制端口、3个定时器、8个中断、软件设置低能耗模式、看门狗和断电保护。可以在4V到5.5V宽电压范围内正常工作。不断发展的半导体工艺也让该单片机的功耗不断降低。同时，该单片机支持计算机并口下载，简单的数字芯片就可以制成下载线，仅仅几块钱的价格让该型号单片机畅销10年不衰。根据不同场合的要求，这款单片机提供了多种封装，本次设计根据最小系统有时需要更换单片机的具体情况，使用双列直插DIP-40的封装。2.1.2 引脚说明AT89S52 是一种低功耗、高性能CMOS8位微控制器，具有 8K 在系统可编程Flash 存储器。使用Atmel 公司高密度非易失性存储器技术制造，与工业80C51 产品指令和引脚完 全兼容。片上Flash允许程序存储器在系统可编程，亦适于 常规编程器。在单芯片上，拥有灵巧的8 位CPU 和在系统 可编程Flash，使得AT89S52为众多嵌入式控制应用系统提 供高灵活、超有效的解决方案。 AT89S52具有以下标准功能： 8k字节Flash，256字节RAM， 32 位I/O 口线，看门狗定时器，2 个数据指针，三个16 位 定时器/计数器，一个6向量2级中断结构，全双工串行口， 片内晶振及时钟电路。另外，AT89S52 可降至0Hz 静态逻 辑操作，支持2种软件可选择节电模式。空闲模式下，CPU 停止工作，允许RAM、定时器/计数器、串口、中断继续工 作。掉电保护方式下，RAM内容被保存，振荡器被冻结， 单片机一切工作停止，直到下一个中断或硬件复位为止。P0 口：P0口是一个8位漏极开路的双向I/O口。作为输出口，每位能驱动8个TTL逻 辑电平。对P0端口写“1”时，引脚用作高阻抗输入。 当访问外部程序和数据存储器时，P0口也被作为低8位地址/数据复用。在这种模式下， P0不具有内部上拉电阻。 在flash编程时，P0口也用来接收指令字节；在程序校验时，输出指令字节。程序校验 时，需要外部上拉电阻。P1 口：P1 口是一个具有内部上拉电阻的8 位双向I/O 口，p1 输出缓冲器能驱动4 个 TTL 逻辑电平。对P1 端口写“1”时，内部上拉电阻把端口拉高，此时可以作为输入 口使用。作为输入使用时，被外部拉低的引脚由于内部电阻的原因，将输出电流（IIL）。此外，P1.0和P1.1分别作定时器/计数器2的外部计数输入（P1.0/T2）和定时器/计数器2 的触发输入（P1.1/T2EX）。 在flash编程和校验时，P1口接收低8位地址字节。引脚号第二功能：P1.0 T2（定时器/计数器T2的外部计数输入），时钟输出P1.1 T2EX（定时器/计数器T2的捕捉/重载触发信号和方向控制）P1.5 MOSI（在系统编程用）P1.6 MISO（在系统编程用）P1.7 SCK（在系统编程用）P2 口：P2 口是一个具有内部上拉电阻的8 位双向I/O 口，P2 输出缓冲器能驱动4 个 TTL 逻辑电平。对P2 端口写“1”时，内部上拉电阻把端口拉高，此时可以作为输入 口使用。作为输入使用时，被外部拉低的引脚由于内部电阻的原因，将输出电流（IIL）。 在访问外部程序存储器或用16位地址读取外部数据存储器（例如执行MOVX DPTR） 时，P2 口送出高八位地址。在这种应用中，P2 口使用很强的内部上拉发送1。在使用 8位地址（如MOVX RI）访问外部数据存储器时，P2口输出P2锁存器的内容。 在flash编程和校验时，P2口也接收高8位地址字节和一些控制信号。P3 口：P3 口是一个具有内部上拉电阻的8 位双向I/O 口，p3 输出缓冲器能驱动4 个 TTL 逻辑电平。对P3 端口写“1”时，内部上拉电阻把端口拉高，此时可以作为输入 口使用。作为输入使用时，被外部拉低的引脚由于内部电阻的原因，将输出电流（IIL）。 P3口亦作为AT89S52特殊功能（第二功能）使用，如下表所示。 在flash编程和校验时，P3口也接收一些控制信号。端口引脚 第二功能：P3.0 RXD(串行输入口)P3.1 TXD(串行输出口)P3.2 INTO(外中断0)P3.3 INT1(外中断1)P3.4 TO(定时/计数器0)P3.5 T1(定时/计数器1)P3.6 WR(外部数据存储器写选通)P3.7 RD(外部数据存储器读选通)此外，P3口还接收一些用于FLASH闪存编程和程序校验的控制信号。RST：复位输入。当振荡器工作时，RST引脚出现两个机器周期以上高电平将是单片机复位。ALE/PROG：当访问外部程序存储器或数据存储器时，ALE（地址锁存允许）输出脉冲用于锁存地址的低8位字节。一般情况下，ALE仍以时钟振荡频率的1/6输出固定的脉冲信号，因此它可对外输出时钟或用于定时目的。要注意的是：每当访问外部数据存储器时将跳过一个ALE脉冲。对FLASH存储器编程期间，该引脚还用于输入编程脉冲（PROG）。如有必要，可通过对特殊功能寄存器（SFR）区中的8EH单元的D0位置位，可禁止ALE操作。该位置位后，只有一条MOVX和MOVC指令才能将ALE激活。此外，该引脚会被微弱拉高，单片机执行外部程序时，应设置ALE禁止位无效。PSEN：程序储存允许（PSEN）输出是外部程序存储器的读选通信号，当AT89S52由外部程序存储器取指令（或数据）时，每个机器周期两次PSEN有效，即输出两个脉冲，在此期间，当访问外部数据存储器，将跳过两次PSEN信号。EA/VPP：外部访问允许，欲使CPU仅访问外部程序存储器（地址为0000H-FFFFH），EA端必须保持低电平（接地）。需注意的是：如果加密位LB1被编程，复位时内部会锁存EA端状态。如EA端为高电平（接Vcc端），CPU则执行内部程序存储器的指令。FLASH存储器编程时，该引脚加上+12V的编程允许电源Vpp，当然这必须是该器件是使用12V编程电压Vpp。XTAL1：振荡器反相放大器和内部时钟发生电路的输入端。XTAL2：振荡器反相放大器的输出端。22 AD转换芯片ADC089092.2.1 内部结构ADC0809是CMOS单片型逐次逼近式A/D转换器，内部结构如图所示，它由8路模拟开关、地址锁存与译码器、比较器、8位开关树型A/D转换器、逐次逼近寄存器、逻辑控制和定时电路组成2.2.2 外部特性（引脚功能）ADC0809芯片有28条引脚，采用双列直插式封装，如图所示。下面说明各引脚功能。IN0IN7：8路模拟量输入端。2-12-8：8位数字量输出端。ADDA、ADDB、ADDC：3位地址输入线，用于选通8路模拟输入中的一路ALE：地址锁存允许信号，输入，高电平有效。START： A/D转换启动脉冲输入端，输入一个正脉冲（至少100ns宽）使其启动（脉冲上升沿使0809复位，下降沿启动A/D转换）。EOC： A/D转换结束信号，输出，当A/D转换结束时，此端输出一个高电平（转换期间一直为低电平）。OE：数据输出允许信号，输入，高电平有效。当A/D转换结束时，此端输入一个高电平，才能打开输出三态门，输出数字量。CLK：时钟脉冲输入端。要求时钟频率不高于640KHZ。REF（+）、REF（-）：基准电压。Vcc：电源，单一+5V。GND：地。工作过程首先输入3位地址，并使ALE=1，将地址存入地址锁存器中。此地址经译码选通8路模拟输入之一到比较器。START上升沿将逐次逼近寄存器复位。下降沿启动 A/D转换，之后EOC输出信号变低，指示转换正在进行。直到A/D转换完成，EOC变为高电平，指示A/D转换结束，结果数据已存入锁存器，这个信号可用作中断申请。当OE输入高电平 时，输出三态门打开，转换结果的数字量输出到数据总线上。转换数据的传送 A/D转换后得到的数据应及时传送给单片机进行处理。数据传送的关键问题是如何确认A/D转换的完成，因为只有确认完成后，才能进行传送。为此可采用下述三种方式。（1）定时传送方式对于一种A/D转换器来说，转换时间作为一项技术指标是已知的和固定的。例如ADC0809转换时间为128s，相当于6MHz的MCS-51单片机共64个机器周期。可据此设计一个延时子程序，A/D转换启动后即调用此子程序，延迟时间一到，转换肯定已经完成了，接着就可进行数据传送。（2）查询方式A/D转换芯片由表明转换完成的状态信号，例如ADC0809的EOC端。因此可以用查询方式，测试EOC的状态，即可确认转换是否完成，并接着进行数据传送。（3）中断方式把表明转换完成的状态信号（EOC）作为中断请求信号，以中断方式进行数据传送。不管使用上述哪种方式，只要一旦确定转换完成，即可通过指令进行数据传送。首先送出口地址并以信号有效时，OE信号即有效，把转换数据送上数据总线，供单片机接受。3 硬件电路的设计31 电源电路的设计本设计中脉宽调制器（PWM）UC3842是开关电源的核心。它能产生频率固定而占空比可调的控制电压,通过改变开关功率管的通断状态，来调节输出电压的高低，实现稳压目的。例如由于某种原因V0升高时，就改变控制电压占空比，使斩波后的电压平均值下降，导致V0下降，使V0趋于稳定，反之亦然。UC3842的工作温度是0+70，最高输人电压为30V，最大输出电流为1A，能驱动双极型功率管或VMOS管。（1）结构、功能、工作原理UC3842 采用固定工作频率脉冲宽度可控调制方式，共有8 个引脚，各脚功能如下：脚是误差放大器的输出端，外接阻容元件用于改善误差放大器的增益和频率特性；脚是反馈电压输入端，此脚电压与误差放大器同相端的2.5V 基准电压进行比较，产生误差电压，从而控制脉冲宽度；脚为电流检测输入端， 当检测电压超过1V时缩小脉冲宽度使电源处于间歇工作状态；脚为定时端，内部振荡器的工作频率由外接的阻容时间常数决定，f=1.72/(RTCT)；脚为公共地端；脚为推挽输出端，内部为图腾柱式，上升、下降时间仅为50ns 驱动能力为1A ；脚是直流电源供电端，具有欠、过压锁定功能，芯片功耗为15mW；脚为5V 基准电压输出端，有50mA 的负载能力。是一种型性能优良的电流控制型脉宽调制芯片。该调制器单端输出，能直接驱动双极型的功率管或场效应管。其主要优点是其管脚效应少，外围电路简单，电压调整率可达0.01%，工作频率高达500KHz，启动电流小于1mA，正常工作电流为5mA，并可利用高频变压器实现与电网的隔离。该芯片集成了振荡器、具有高温补偿的高增益误差放大器、电流检测比较器、图腾柱输出电流、输入和基准欠电压锁定电路以及PWM锁存器电路。（2）主要参数的确定由UC3842构成的开关电源属于单端反激变换器式。其工作频率尽管可达500KHZ，但受制作工艺、开关功率管频率特性等因素的限制，通常将f0设计在几十千赫以下。使VMOS管时，f0约等于40KHZ，用双极型开关功率管时，f0约等于20KHZ为宜，当电路起振后，用示波器从UC3842的第4脚可观察到幅度约为1.5V，周期为25us的锯齿波。计算脉冲信号最大占空比DMAX 当电网电压在220V土20%范围内变化时，对应于176264V。经全波整流后的直流输人电压VImin 240V，VImix360V。单端反激式开关电源中所产生的反向电动势e170v。线圈漏感造成的尖峰电压VL100V，因为VImix+e+VL630V。故开关功率管应能承受630v以上的高压。计算脉冲信号最大占空比:计算初级线圈的电感量L1：高频变压器初级线圈的电感量，由下式确定：将开关电源效率=70%，VImin=240V，=41.5%，=35W，=40一并代人式，则=2.48Mh。设满载时峰值电流为，在进行短路保护时的过载电流为，有公式：不难求出 1.0A；=1.3在初级线圈储存的电能为：确定初级线圈的匝数：在初级线圈的安匝数，与所储存的电能甲之间存在下述关系式：确定自馈线圈的匝数N2，次级线圈的匝数N3、N4、N5：确定N1后，利用下式可以计算出N2、N3、N4、和N5图3 电源电路由上面的公式可以计算出N1为55匝，采用单股0.5mm高强度漆包线；N2为7匝，采用单股0.5mm高强度漆包线；N3为8匝，采用双股0.5mm高强度漆包线并联后绕制而成，其输出电压为22V。N4为6匝，采用五股0.5mm高强度漆包线并联后绕制而成，其输出电压为16V。N5为4匝，采用单股0.5mm高强度漆包线，其输出电压为9V，经7805稳压后输出5V电压12。由UC3842构成的开关电源电路如图(3)所示。其基本工作原理是：交流输人电压经过整流滤波电路变成直流电压V1，再被开关功率管斩波和高频变压器降压，得到高频矩形波电压最后经过整流、滤波获得所需要的直流输出电压。图中C1和L1为电源噪声滤波器，T为高频变压器，开关功率管选用IRFPG50型VMOS管。刚开机时，220V交流电压首先经过C1和L1滤掉射频干扰，再经过桥式整流和滤波，产生约+300V的直流电压，然后经R1降压后向UC3842提供16V的启动电压。C2是滤波电容。进人正常状态后，自馈线圈N2上的高频电压经过D2、C4整流滤波，就作为UC3842的正常工作电压。R14是斜坡补偿电阻。取R15=10u、C15=4700PF时，开关频率501.8/R15C1550KHZ、C14是消噪电容，R18为过流检测电阻。R16是VMOS管的栅极限流电阻。由D3、C5、R2构成吸收回路，用以吸收尖峰电压。D2，D3选用快恢复二极管。D4，D5，D8为输出级的整流管，采用肖特基二极管，以满足高频、大电流整流之需要。32 数据采样与转换电路图（4）数据采样与转换电路数据采样与转换电路的工作过程如图（4）所示：由于ADC0809的时钟频率不高于640KHZ，单片机的时钟频率为22.118MHZ，所以将单片机的时钟频率经74LS293八分频后再提供给ADC0809使用，由74LS293的8脚输出至ADC0809的10脚CLOCK。数据采样是利用AD0809模数转换芯片，对所需的四个点IN_0、IN_1、IN_2、IN_3的电压值采样，对采样值分别经过26、27、28和1端口输入ADC0809进行AD转换。由于AD0809采样值不能超过5V，所以经过了电阻分压。首先由单片机P2.6和P2.7输入2位地址，并使ALE=1，将地址存入地址锁存器中。此地址经译码选通4路模拟输入IN-0、IN-1、IN-2和IN-3之一到比较器。START上升沿将逐次逼近寄存器复位13。下降沿启动AD转换，之后EOC输出信号变低，指示转换正在进行。直到AD转换完成，EOC变为高电平，指示AD转换结束，结果数据已存入锁存器，这个信号可用作中断申请。当OE输入高电平时，输出三态门打开，转换结果的数字量输出到数据总线上。当EOC变为高电平时，这时给OE为高电平，转换的数据就由D0D7输出给单片机了14。33 充、放电与维护电路图（5）充、放电与维护电路接TL431的1脚如图（5）所示，单片机AT89S52的P1.5，P1.6，P1.7口经过延时电路后控制充电电池的3个阶段。电路上电后，由软件控制检测电池内阻，并判断其在电池的哪个阶段。确定后，例如在维护阶段，通过控制P3_4，来调节R26的变化，来调节TL431电流的变化。通过光藕合器来反馈到芯片UC3842，如图（3）所示。调节后，来控制输出的变化，由电压器来调节输出电压的变化，以此来调节电压的变化。从而达到三个阶段的转换。34 延时与报警电路当单片机开始工作的一瞬间，各端口均输出高电平，此时充放电路中的场效应管Q2和Q4同时导通，此电路的电流将瞬间很大，容易使电路中的器件损坏，故添加如图（6）所示的延时电路，PWIN1由单片机的P1.5端口控制，当其输出为高电平时，Q9导通。PWIN2由单片机的P1.6端口控制，当其输出为高电平时，Q10导通。PWIN3由单片机的P1.7端口控制，当其输出为高电平时，Q12导通。图（6）延时与报警电路35 显示电路显示电路比较简单，用单片机编程控制LCD1602的显示，使LCD1602按照我们的需要显示，编写程序时需要严格按照其工作时序编写。其外围电路电路连接如图（7）所示。D0D7端口接单片机P0口，由于P0端口已用于控制AD0809，为了解决端口冲突，加入74HC573锁存器。另外的读写控制、使能端及数据、命令选择端也要单独分配单片机I/O端口控制15。图（7）显示电路36 上位机通信模块该电路主要用于单片机与外部通信，输出电池的充电及放电参数，与外部电路通讯，在屏幕上显示出电池的充电与放电过程曲线。这一过程主要由上位机程序控制，MAX232的连接电路如图（8）所示。上位机图（8）上位机通信电路37 温度传感电路图（9）温度传感电路蓄电池的容量与温度成正相关的方向，温度每上升1度，容量就上升原来的0.8%.铅酸蓄电池在大于40度，再升高10度，电池的寿命就降低一倍.寿命中止的主要原因:电解质干涸，热失控，和内部短路等等。因此在为电池充电时要注意冬夏的温度差异，按环境温度调节充电的充电电压，使蓄电池不被损坏，并且能充满电。所以，我们专门设计了一个数字温度传感电路，如图（9）所示。DS18B20的温度检测与数字数据输出全集成于一个芯片之上，抗干扰力更强。其一个工作周期可分为两个部分，即温度检测和数据处理，检测温度范围为55C+125C(67F+257F)。它可以将感应到的温度数值直接传递给单片机，单片机接到信息后通过内部程序选择充电参数值。4单片机软件设计经过前面的努力，智能充电器硬件电路的设计在本人努力下已经完成，接下来便是根据前面的设计用软件画出其原理图。PROTEL99SE是一个全32位的电路板设计软件，使用该软件可以容易地设计电路原理图、画元件图、设计电路板图、画元件封装图和电路仿真。在这里主要用它来绘制电路原理图。原理图的设计步骤如下：（1）设置原理图设计环境。其中，工作环境设置是使用Design/Options和Tool和Preferences菜单进行的，画原理图环境的设置主要包括图纸大小、捕捉栅格、电气栅格、模板设置等。（2）放置元件，将电气和电子元件放置在图纸上。（3）原理图布线。元件一旦放置在原理图上，不需要用导线将元件连接起来，连接时一定要符合电气规则。（4）编辑和调整。编辑元件的属性。包括元件名、参数、封装图等。调整元件和导线的位置等操作。（5）检查原理图。使用电气规则功能(ERC)检查原理图的连接是否合理和正确。给出检查报告，若有错误则要根据错误进行改正。（6）生成网络表。所谓网络表就是元件名、封装、参数及元件之间的连接表，通过该表可以确认各个元件和它们之间的关系。（7）打印原理图41 软件功能该软件的目的是控制电池充电及维护终点及状态显示。当电池放入该智能充电器时，我们可以人为选择充电状态与维护状态，然后读入温度传感器环境温度，决定电池充电或维护状态的最终电压。再由程序控制充电及维护I/O口电平的高低，选择是对电池充电还是维护。在由ADC0809采样的电压判断电池维护或充电的终止时刻，并由内部程序计算出电池充电电流、充电电压、电池内阻等参数输出给LCD1602，由其显示电池状态16。42 用C语言开发的单片机C语言是一种编译型的结构化程序设计语言，具有简单的语法结构和强大的处理功能，具有运行速度快、编译效率高，移植性好和可读性强等多种优点，可以实现对系统便件的直接操作。用C语言来编写目标系统软件，可以大大缩短开发周期，且明显地增加软件的可读性，便于改进和扩充，从而开发出大规模、高性能的应用系统。其优势如下：（1）可以大幅度加快开发进度，程序量越大，用C语言就越有优势。（2）无需精通单片机指令集和具体的硬件，也能够编出符合硬件实际专业水平的程序。（3）可以实现软件的结构化编程，使得软件的逻辑结构变得清晰、有条理、便于开发小组计划任务、分工合作。源程序的可读性和可维护性都很好。（4）省去了人工分配单片机资源的工作，在汇编语言中要为每一个子程序分配单片机的资源。在使用C语言后，只要在代码中申明一下变量的类型，编译器就会自动分配相关资源，根本不需要人工干预，从而有效地避免了人工分配单片机资源的差错。（5）汇编语言的可移植性很差，而C语言只要将一些与硬件相关的代码作适当的修改，就可以方便地移植到其它种类的单片机上。（6）C语言提供auto、static、flash等存储类型，针对单片机的程序存储空间、数据存储空间及EEPROM空间自动为变量合理地分配空间，而且C语言提供复杂的数据类型，极大地增强了程序处理能力和灵活性。C编译器能够自动实现中断服务程序的现场保护和恢复，并且提供常用的标准函数库，供用户使用。并且C编译器能自动生成一些硬件的初始化代码。（7）对于一些复杂系统的开发，可以通过移植(或C编译器提供)的实时操作系统来实现。正由于C语言在系统开发中的优势，这次设计的所有程序设计都将采用C语言编写。43 系统程序流程图为了方便程序的设计，使自己在设计过程中做到思路清晰，设计起来游刃有余。这里首先画出了程序流程图，后面根据次流程图具体设计程序，现具体分析如下：(一) 主程序流程图这次设计课题的主要内容是在充电器的充电过程中，采集参数，进行电压、电流、温度的实时显示。其主流程图设计如下： 0结 束充 满？显 示V、A、T采 样V、A、T有键按下?按 键 调 节扫 描 按 键有 电 池等 待无 电 池采 集 电 池 电 压初 始 化开 始NYNYNY主程序#include #include #define uint unsigned int#define uchar unsigned char#define Nop() _nop_()sbit lcd_rs_port = P21; /*定义LCD控制端口*/sbit lcd_rw_port = P22; /*定义LCD控制端口*/sbit lcd_en_port = P23; /*定义LCD控制端口*/#define lcd_data_port P0 /*定义LCD控制端口*/sbit DQ =P13; /定义DS18B20通信端口sbit a=P25;sbit b=P26;sbit ALE=P27;sbit EOC=P32;sbit ST=P20;sbit OE=P36;uint info;uchar da=000a000b000c000d000;/*1MS为单位的延时程序*/void init() /* 串口定时器外部中断初始化 */ /TMOD = 0x21; /TH1 = 0xfd; /TL1 = 0xfd; /* 9600 */TR1 = 1; /SCON = 0x50; /* 工作在方式1*/P0=0x00;P1=0x00;P2=0x00;P3=0x00;EOC=1;ALE=0;ST=0;OE=0;void delay_1ms(uchar x) uchar j; while(x-) for(j=0;j125;j+); void lcd_delay(uchar ms) /*LCD1602 延时*/ uchar j; while(ms-) for(j=0;j250;j+) ; void lcd_busy_wait() /*LCD1602 忙等待*/ lcd_rs_port = 0; lcd_rw_port =