畢業設計-基于at89c2051單片機的智能快速充電器設計(編輯修改稿)

　

【文章內容簡介】 電池溫度上升很快，如果繼續快速充電，將對電池造成損害 ， 通常當電池溫度達到 45℃ ～ 50℃ 時 ， 應立即停止快速充電 。 （ 2） 溫度變化率 （ ΔT/Δt） 控制 ： 鎳氫鎳鎘電池在 充滿 電后 ， 電池溫度迅速上升 ， 而且上升速率 ΔT/Δt 基本相同 ， 當電池溫度 每分鐘 上升 1℃ 時 ， 應當立即停止快速充電 。 4． 綜合控制 ： 上述控制方法各有優 缺點 ， 為了保證在任 何情況下 ， 充電器 均能準確可靠地控制電池的充電狀態 ， 目前快速充電器中通常采用包括定時控制 ，電壓控制 ， 溫度控制 ， 高精度電壓負增量的綜合控制 方法 。 本設計的充電方式采用了脈沖法加去極化反應結合的方式， 充電終止控制方法 用的是電壓負增量 控制方法，相對來說，這兩種都是比較先進的 ，充分考慮了電池特性，充電效果是很好的。 大慶石油學院本科生畢業設計（論文） 9 第 3章 硬件電路 設計 電路總體框架 本設計的 電路主要分為充放電電路、 電池電壓采集變換電路、恒壓源、模擬開關、由恒流源、電容和單片機內置比較器構成的 A/D轉換電路以及單片機控制電路幾個 部分 。 其 主要 組成 部分 如下圖 所 示。 圖 硬件電路框 圖 控制 芯片 AT89C2051 簡介 本設計中 ， AT89C2051 單片機是核心器件，它控制著電路各部分的工作，內部的精密比較器和定時器同時還是 A/D 轉換電路 的組成部分。電壓數字量的運算比較、電路工作狀態的判斷與指示、快速充電放電與涓流充電的選擇以及負壓的檢測等等都是在 單片機控制下實現的。 AT89C2051 單片機的基本特點 如下 ： AT89C2051 是美國 ATMEL 公司生產的低電壓，高性能 CMOS 8 位單片機，內含 2k 字節的可反復擦寫的 Flash 只讀程序存儲器和 128 字節的隨機存取數據存儲器 （ RAM） ，其 擦寫周期約 1000 次。 器件采用 ATMEL 公司的高密度、非易失性存儲技術生產，兼容標準 MCS51 指令系統，內置通用 8 位 中 央處理器和 Flash存儲單元，功能強大。 AT89C2051 單片機的工作電壓范圍較寬，可在 ～ 6V電壓范圍內工作。它的工作頻率為 0Hz～ 24MHz，支持 降至 0Hz 的靜態邏輯操作 ，充放電電路 電池 恒壓源 電壓變換 模擬開關 恒流源 電容 單 片 機 比較器 大慶石油學院本科生畢業設計（論文） 10 并支持兩種可選的節電工作模式 （低功耗空閑和掉電模式）， 空閑 方 式 下 停止 CPU的工作，但允許 RAM、 定時 /計數器 、 串行通信口及中斷系統繼續工作。掉電方式下 保存 RAM 中的內容， 但振蕩器停止工作并禁止其它所有部件工作直到下一個硬件復位。 AT89C2051 還具有兩級加密程序存儲器，使用者可以根據需要對程序進行加密，實現版權保護的目的。考慮到在單片機的很多應用中，需要使用發光二極管（ LED）進行指示， AT89C2051 的輸出端口被設計成可直接驅動 LED，可以省去外加的驅動電路，節省資源 [6]。 AT89C2051 內部資源主要有： 2k字節 Flash 閃速存儲器， 128 字節內部 RAM，15 個 I/O 口線 （ 其中 P1 是一個完整的 8 位雙向 I/O 口 ） ，兩個 16 位定時 /計數器，一個 5 向量兩級中斷結構，一 個全雙工串行通信口 （可編程串行 UART 通道） ，精密 模擬 比較器 ， 片內振蕩器 以及 時鐘電路。 AT89C2051 引腳如圖 所示 。 圖 AT89C2051引腳圖 AT89C2051I/O 口功能說明： 1． P1 口： P1 口是一組 8 位雙向 I/0 口， ～ 提供內部上拉電阻，由于 和 是內部精密比較器的同相輸入端（ AIN0）和反相輸入端（ AIN1），所以內部無上拉電阻，如果需要作為通用 I/O 口，應在外部接上拉電阻。 Pl 口輸出緩沖器可灌入 20mA 電流并可直接驅動 LED。當 P1 口引腳寫入“ 1”時可作輸入端，當引腳 ～ 用作輸入并被外部拉低時，它們因內部上拉電阻的作用而輸出電流（ IIL） 。 2． P3 口： P3 口的 ～ 、 是帶有內部上拉電阻的 7 個雙向 I/O 口。 沒有引出管腳，它作為一個通用 I/O 口但不可訪問，可作為片內比較器的輸出信號， P3 口緩沖器可吸收 20mA 電流。當 P3 口寫入“ 1”時，它們被內部上拉(RXD) (TXD) XTAL2 RST/VPP XTAL1 (INT0) (INT1) (T0) (T1) GND VCC (AIN1) (AIN0) 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12 13 14 15 16 17 18 19 20 大慶石油學院本科生畢業設計（論文） 11 電阻拉高并可作為輸入端口。作輸入端時，被外部拉低的 P3 口由于上拉電阻的存在而輸出電流（ IIL） 。 P3 口還可以用于特殊的功能，如下表所示。 表 31 P3口引腳功能 引腳 功能特性 RXD（串行輸入口） TXD（串行輸出口） INT0＿＿＿＿ （外中斷 0） INT1＿＿＿＿ （外中斷 1） T0（定時器 /計數器 0外部輸入） T1（定時器 /計數器 1外部輸入） 充放電電路 設計 充放電電路由三部分構成 ： 大電流充電（快速充電）電路、放電電路、涓流充電電路， 如圖 。 其中 R1 R1 V V4構成大電流充電電路； R1R1 V V6構成放電電路； R1 R1 V7構成涓流充電電路。為了提高三極管放大倍數，以提供大電流，充電與放電電路均采用了 PNP、 NPN兩個三極管構成復合管，放大倍數為兩管放大倍數之積。由于 AT89C2051單片機是低電平有效，以充電電路為例，如 R12端接低電平則 V3很容易導通并進入飽和狀態，調節電 阻 R12大小同樣使 V4飽和，可以對電池提供較大的電流。而涓流充電部分由于電流較小，因此只用了一個三極管 V7。 電路參數的確定如下：假設兩節電池電壓為 3V，充電電路正常工作時， V4飽和，飽和管壓降為 ，此時 R11兩端電壓應為 =，本設計中快速充電電流為 ，通過計算得到 R11為 ，考慮到應選用標準電阻，因此 R11阻值最終選為 。設 V3與 V4構成的 復合管放大倍數為 5000，可得 V3基極電流為， V3飽和時，其 BE極間壓降為 ， R12兩端電壓應為 =，計算得 R12為 。同樣道理，放電電路中， R13兩端電壓為 =，本設計中放電電流為 1A，是快速充電電流的兩倍，計算得 R13為 ，選為 3Ω。和計算 R12方法一樣，得到 R14為 。涓流充電電路中電流為 50mA， V7放大倍數設為 100，計算得到 R15為 39Ω， R16為 910Ω。 大慶石油學院本科生畢業設計（論文） 12 V C C12J2B A T TR 1 13 .9R 1 24 .3 kR 1 3 3R 1 42 .2 kR 1 5 39R 1 69 1 0V48 0 5 0V38 5 5 0V58 5 5 0V78 5 5 0V68 0 5 0單片機控制電壓變換V C CV inD IS C S M A L C H A R 圖 充放電電路 電壓變換 和模擬開關選通 電路 設計 一節鎳鎘鎳氫充電電池的電壓通常不會超出 1V～ 的范圍，兩節電池則在 2V～ 的范圍 ，為了充分利用定時器， 提高 A/D 轉換精度，本設計采用了一個線性電壓變換電路，主要由一個差動比例運算放大器 及電阻 構成。 其中 差動比例運算放大器 選用的是 LM358。 為了使 A/D 轉換 有一個基準電壓， 同時為 差動比例運算放大器 反相端提供一個恒定電壓，本設計采用了一個恒壓源。考慮到應該盡量提高電壓的穩定性，該恒壓源 用 高穩定性的 TL431 構成。 為了對 A/D 轉換提供 基準電壓 ，電路中還要對兩 路不同輸入信號進行選擇，這就需要一個多 路開關，本設計選用了模擬開關 CD4051 構成這個多 路開關。 大慶石油學院本科生畢業設計（論文） 13 LM358 簡介 LM358 內部有兩個獨立的、高增益、內部 頻率補償的雙運算放大器，適用于電源電壓范圍很寬的單電源使用，也適用于雙電源工作模式，在推薦的工作條件下，電源電流與電源電壓無關。它可用于包括傳感放大器、直流增益模塊和其他所有可用單電源供電的使用運算放大器的場合。它的引腳如圖 所示。 它具有如下的性能特點： 。 (約 100dB)。 （約 1MHz） 。 ：單電源（ 3V～ 30V），雙電源（ 177。1 .5V～ 177。15V） 。 ，適合于電池供電 。 。 流 。 ，包括接地 。 ，等于電源電壓范圍 。 (0 至 )。 圖 LM358引腳圖 TL431 簡介 德州儀器公司（ TI）生產的 TL431 是一個有良好的熱穩定性能的三端可調分流基準源。它的輸出電壓用兩個電阻就可以任意地設置到從 Vref（ ）到 36V范圍內的任何值（如圖 ）。該器件的典型動態阻抗為 ，在很多應用中可以用它代替齊納二極管，例如 數字電壓表、 運放電路 、 可調壓電源 、 開關電 源等 [7]。 圖 是該器件的符號。 3 個引腳分別為：陰極（ CATHODE）、陽極（ ANODE）和參考端（ REF）。由圖 可以看到， VI 是一個內部的 ，接在運放VCC+ 輸出 (2) 反相輸入端 (2) 同相輸入端 (2) VCC－ 同相輸入端 (1) 反相輸入端 (1) 輸出 (1) 1 2 3 4 5 6 7 8 － + － + 大慶石油學院本科生畢業設計（論文） 14 的反相輸入端。由運放的特性可知，只有當 REF 端（同相端）的電壓非常接近 VI（ ）時，三極管中才會有一個穩定的非飽和電流通過，而且隨著 REF 端電壓的微小變化，通過三極管的電流 可以在 1mA～ 100mA 的范圍內 變化 [8]。 陰極(K)陽極(A)參考(R) 圖 TL431符號圖 2 .5 V re f參考(R)陽極(A)陰極(K) 圖 TL431原理圖 的 主要性能參數 如下： （ 1） 可編程輸出電壓，可從 Vref 到 36V。 （ 2） 電壓參考端 （ REF） 誤差： 25℃ 時典型值為 177。%。 （ 3） 低動態輸入阻抗，典型值為 。 （ 4） 1mA～ 100mA 的灌 電流能力 。 （ 5） 典型值為 50ppm/℃ 的等效全范圍溫度系數 。 （ 6） 在整個額定工作溫度范圍內可進行工作溫度補償 。 （ 7） 低輸出噪聲電壓 。 TL431 的內部含有一個 的基準電壓，所以當在 REF 端引入輸出反饋時，器件可以通過從陰極到陽極很寬范圍的分流，控制輸出電壓。如圖 所示的電路，當 R1 和 R2 的阻值確定時，兩者對 Vout 的分 壓引入反饋，若 Vout 增大，反饋量增大， TL431 的分流也就增加，從而又導致 Vout 下降。顯然這個深度的負反大慶石油學院本科生畢業設計（論文） 15 饋電路必然在 Vref 等于基準電壓處穩定，此時有： ?????? ??? R2R11V re fV out （ 31） 選擇不同的 R1 和 R2 的值可以得到從 到 36V 范圍內的任意電壓輸出，特別地，當 R1=R2 時， Vout=5V，而 R1 開路時， Vout=。需要注意的是，在選擇電阻時必須保證 TL431 工作的必要條件，就是通過陰極的電流要大于 1mA。當然，這個電路并不 是很實用，但它清晰地展示了該器件的應用方法。 R1R2V+ Vout 圖 TL431構成的恒壓電路 從前面的例子我們可以看到，器件作為分流反饋后， REF 端的電壓始終穩定在 ，那么接在 REF 端和地間的電阻中流過的電流就應是恒定的。利用這個特點，可以將 TL431 應用于很多恒流電路中。 RV+ I 圖 TL431構成的恒流電路 圖 是一個實用的精密恒流源電路。原理很簡單，不再贅述。但值得注意的是， TL431 的溫度系數為 30ppm/℃，所以輸出恒流的溫度特性要比普通鏡像恒大慶石油學院本科生畢業設計（論文） 16 流源或恒流二極管好得多， 因而在應用中無需附加溫度補償電路