1、摘 要现 代 通 讯 设 备 、 便 携 式 电 子 产 品 、 笔 记 本 电 脑 、 电 动 汽 车 、 小 卫 星 等 普 遍 使用 蓄 电 池 作 为 电 源 ,它 的 应 用 非 常 广 泛 。 然 而 大 多 数 设 备 中 的 蓄 电 池 ,只 能 使 用 专用 的 充 电 器 ,而 且 普 通 的 充 电 器 大 多 充 电 时 间 长 ,无 法 判 断 其 充 电 参 数 和 剩 余 的 充电 时 间 。现 在 国 内 外 智 能 充 电 器 充 电 电 池 基 本 有 3 种 类 型 ， 不 同 类 型 的 电 池 如 镍 镉 电池 （ Nicd） 、 镍 氢 电 池 （
2、NiMH） 和 锂 离 子 电 池 具 有 不 同 的 充 电 特 性 和 过 程 。 不 同的 电 池 应 采 用 不 同 的 充 电 控 制 技 术 ， 常 用 的 控 制 技 术 有 ： 电 压 负 增 量 控 制 、 时 间 控制 、 温 度 控 制 、 最 高 电 压 控 制 技 术 等 。 其 中 ， 电 压 负 增 量 控 制 是 目 前 公 认 的 较 先 进的 控 制 方 法 之 一 。 充 电 时 ， 当 测 量 到 电 池 电 压 负 增 量 时 就 可 以 确 定 该 电 池 已 经 充 满 ，从 而 将 充 电 转 变 为 涓 流 充 电 。 时 间 控 制 预 定
3、充 电 时 间 ， 当 充 电 时 间 达 到 后 ， 使 充 电器 停 止 充 电 或 转 为 涓 流 充 电 ， 这 种 方 法 较 安 全 。 温 度 控 制 法 是 当 电 池 达 到 充 满 状 态时 ， 电 池 温 度 上 升 较 快 ， 测 量 电 池 温 度 或 温 度 的 变 化 ， 从 而 确 定 是 否 对 电 池 停 止 充电 。 最 高 电 压 控 制 则 是 根 据 充 电 电 池 的 最 高 允 许 电 压 来 判 断 充 电 状 态 ， 这 种 方 法 灵活 性 较 好 。本 文 介 绍 一 种 基 于 单 片 机 的 通 用 智 能 充 电 器 的 设 计 。
4、 充 电 器 可 以 实 时 采 集 电 池的 电 压 、 电 流 ,对 充 电 过 程 进 行 智 能 控 制 ,计 算 电 池 已 充 的 电 量 和 剩 余 的 充 电 时 间 ；还 可 以 通 过 1602 液 晶 显 示 屏 给 用 户 显 示 必 要 的 信 息 。 另 外 ,它 也 可 以 适 应 各 种 不同 电 池 的 充 电 。 这 里 通 过 镍 镉 电 池 和 镍 氢 电 池 来 说 明 智 能 充 电 器 的 实 用 价 值 。 关 键 词 ： 单 片 机 ； 智 能 充 电 器 ； 1602 液 晶 显 示 器 ； 镍 镉 电 池 ； 镍 氢 电 池第 I 页 共
5、45 页AbstractAs a power source , the useful of batteries is very extensive, such as in modern communications equipment, portable electronic products, notebook computers, electric vehicles, small satellites, and so on. But most of the equipment only use a dedicated charger of the batteries, and most o
6、rdinary charger charging time is long, while it is unable to judge its parameters and the remaining charge time. Domestic and foreign intelligence rechargeable battery chargers are three basic types at present. Different types of batteries have different characteristics and processes. such as nickel
7、-cadmium batteries (Nicd) nickel-hydrogen batteries (NiMH) and lithium ion battery with Different battery using different control technology. The commonly used control technologies : incremental negative voltage control, time control, temperature control, maximum voltage control technologies. There
8、into incremental which negative voltage control is recognized as the more advanced control method. Charging, when the battery voltage measurement of negative incremental determine when the battery has been full, thus charging into trickle charger. Time Control is scheduled recharging time, when the
9、recharging time is attained, Chargers stop charging or charging to the Trickle Up, That approach would be more security. Temperature Control Act is achieved when the battery is full of state, a faster increase in battery temperature, measure the battery temperature or temperature changes in order to
10、 determine whether the right to stop charging the battery. The maximum voltage control is based on a rechargeable battery to allow the maximum charging voltage to judge the state, which means better flexibility.This paper presents a generic intelligent Charger design based on SCM. Chargers can colle
11、ct real-time battery voltage, current to control the process of charging intelligently, so as to calculate the owned batteries electricity and the remaining charge time; it can also display the necessary information to the user through the LCD 1602; In addition, it can also adapt to a variety of rec
12、hargeable batteries. Here we illustrate smart charger practical value through nickel-cadmium batteries and nickel-hydrogen batteries.Keywords: SCM; Intelligent Charger; LCD1602; nickel-cadmium batteries; nickel-hydrogen batteries 第 II 页 共 45 页目 录摘 要 .21 可行性分析与总体设计 .31.1 可行性分析.31.2 总体设计 .32 硬件设计 .52.
13、1 充电电池内部工作原理介绍.52.1.1 镍镉蓄电池的工作原理.52.1.4 电池充电特性.62.1.5 电池的充电过程.72.2 芯片介绍部分.72.2.1 微控制器 AT89S51.72.2.2 ADC0809 芯片简介 .92.2.3 MC1403 芯片简介 .102.2.5 74LS164 芯片简介 .112.2.6 1602 液晶简介.122.3 电气部分.132.3.1 微控制器 AT89S51/52.132.3.2 充放电电路.142.3.3 ADC0809 电路及其 MC1403.142.3.4 数字电路电源模块.163 软件设计 .183.1 函数定义模块.193.2 主程
14、序.204 调试 .294.1 调试方法.294.1.1 硬件.294.1.2 软件.29第 III 页 共 45 页4.2 性能.305 总结 .31谢 辞 .32参考文献 .33附录 A 智能充电器系统电路原理图 .34附 录 B 源程序.35第 1 页 共 45 页前 言随 着 便 携 式 设 备 不 断 小 型 化 、 轻 量 化 和 高 性 能 化 ， 作 为 其 电 源 的 二 次 电 池 的 使用 率 日 益 提 高 ， 智 能 充 电 器 因 此 而 得 到 了 广 泛 的 应 用 。 智 能 充 电 器 是 一 种 可 以实 时 采 集 电 池 的 电 压 ,电 流 ,对 充
15、 电 过 程 进 行 智 能 控 制 的 充 电 器 ,它 能 计 算 电 池 已充 的 电 量 ， 还 可 以 通 过 串 口 和 上 位 机 进 行 通 讯 并 给 用 户 显 示 必 要 的 信 息 ， 另 外 ,它 也 可 以 适 应 各 种 不 同 电 池 的 充 电 。现 在 国 内 外 智 能 充 电 器 充 电 电 池 基 本 有 3 种 类 型 。 不 同 类 型 的 电 池 如 镍 镉 电池 （ Nicd） 、 镍 氢 电 池 （ NiMH） 和 锂 离 子 电 池 具 有 不 同 的 充 电 特 性 和 过 程 。 不 同的 电 池 应 采 用 不 同 的 充 电 控 制
16、 技 术 。 常 用 的 控 制 技 术 有 ： 电 压 负 增 量 控 制 、 时 间 控制 、 温 度 控 制 、 最 高 电 压 控 制 技 术 等 。 其 中 电 压 负 增 量 控 制 是 目 前 公 认 的 较 先 进 的控 制 方 法 之 一 。 充 电 时 ， 当 测 量 到 电 池 电 压 负 增 量 时 就 可 以 确 定 该 电 池 己 经 充 满 ，从 而 将 充 电 转 变 为 涓 流 充 电 。 时 间 控 制 预 定 充 电 时 间 ， 当 充 电 时 间 达 到 后 ， 使 充 电器 停 止 充 电 或 转 为 涓 流 充 电 ， 这 种 方 法 较 安 全 。
17、 温 度 控 制 法 是 当 电 池 达 到 充 满 状 态时 ， 电 池 温 度 上 升 较 快 ， 测 量 电 池 温 度 或 温 度 的 变 化 ， 从 而 确 定 是 否 对 电 池 停 止 充电 。 最 高 电 压 控 制 则 是 根 据 充 电 电 池 的 最 高 允 许 电 压 来 判 断 充 电 状 态 ， 这 种 方 法 灵活 性 较 好 。本 文 介 绍 的 一 种 智 能 充 电 器 将 采 用 最 高 电 压 控 制 ， 根 据 电 池 的 当 前 电 压 判 断电 池 是 否 适 合 充 电 和 放 电 ， 并 对 充 电 电 池 具 有 自 动 检 测 能 力 。第
18、 2 页 共 45 页1 可 行 性 分 析 与 总 体 设 计1.1 可 行 性 分 析为 了 让 本 设 计 富 有 条 理 性 ， 在 设 计 之 前 需 对 系 统 进 行 可 行 性 分 析 ， 对 设 计 的 思路 有 一 个 明 确 的 指 示 。 本 次 智 能 充 电 器 的 设 计 要 达 到 如 下 目 标 ：智 能 充 电 器 能 根 据 电 池 的 特 性 进 行 充 电 。 如 当 用 户 待 冲 的 电 池 是 镍 镉 电 池时 ， 由 于 镍 镉 电 池 有 记 忆 效 应 ， 充 电 器 会 将 电 池 放 完 电 才 会 对 电 池 进 行 充 电 ， 但
19、是对 于 镍 氢 电 池 和 锂 离 子 电 池 ， 由 于 没 有 记 忆 效 应 ， 所 以 可 以 直 接 进 行 充 电 。电 池 的 保 护 。 由 于 电 池 的 过 渡 充 电 和 过 渡 放 电 会 导 致 电 池 损 坏 或 减 短 电 池的 寿 命 ， 所 以 这 个 充 电 器 会 根 据 电 池 的 当 前 电 压 判 断 电 池 是 否 适 合 充 电 和 放 电 。能 进 行 快 速 充 电 和 涓 流 冲 电 。辨 别 充 电 的 状 态 。充 电 状 态 的 显 示 。参 考 前 人 的 智 能 充 电 器 以 及 结 合 自 己 的 具 体 情 况 ， 可 以
20、 选 用 如 下 器 件 来 实 现 上面 描 述 的 功 能 ：选 用 大 家 很 熟 悉 的 MCS-51 单 片 机 作 为 控 制 器 ；选 用 ADC0809 来 实 现 模 拟 量 到 数 字 量 的 转 换 ；选 用 MC1403 来 输 出 2.5V 的 基 准 电 压 ；选 用 SW-SPDT 单 刀 双 置 开 关 实 现 对 镍 镉 电 池 和 镍 氢 电 池 充 电 方 式 的 选 择 ；选 用 74LS164 进 行 串 口 并 口 的 转 换 ；选 用 1602 液 晶 来 进 行 显 示 ；选 用 MC7805 进 行 5V 稳 压 。1.2 总 体 设 计系 统
21、 的 组 成 如 图 1-1 所 示 ， 系 统 的 整 个 工 作 过 程 如 下 ： 用 手 机 充 电 器 作 为MC7805 的 输 入 端 ， 通 过 MC7805 稳 压 输 出 5V 作 为 整 个 电 路 的 标 准 电 源 ， 给 各 个 模块 供 电 。 通 过 单 片 机 来 控 制 充 /放 电 电 路 ， 充 /放 电 电 路 再 通 过 ADC0809 将 模 拟 量转 换 成 数 字 量 再 传 给 单 片 机 ， 单 片 机 再 通 过 74LS164 把 当 前 状 态 传 送 给 1602 液晶 屏 进 行 实 时 显 示 。对 于 任 何 一 个 软 件
22、与 硬 件 相 结 合 的 系 统 的 设 计 过 程 ， 将 其 中 的 硬 件 设 计 与 软件 设 计 绝 对 分 开 是 不 可 行 的 ， 因 为 它 们 之 间 有 着 密 切 的 联 系 ， 我 们 在 设 计 过 程 中 必须 把 这 两 者 结 合 在 一 起 考 虑 。 但 要 将 一 个 已 经 设 计 好 的 系 统 清 楚 地 介 绍 给 读 者 ， 一个 较 好 的 办 法 就 是 把 系 统 分 为 硬 件 和 软 件 两 部 分 并 分 别 加 以 介 绍 。 下 面 将 分 别 对 这两 部 分 进 行 详 细 的 介 绍 。第 3 页 共 45 页图 1-1
23、 智 能 充 电 器 模 块 图第 4 页 共 45 页2 硬 件 设 计介 绍 硬 件 部 分 设 计 主 要 有 以 下 部 分 构 成 ： 1 充 电 电 池 内 部 工 作 原 理 简 介 ； 2 芯 片 简 介 部 分 ， 对 该 电 路 所 采 用 的 芯 片 作 一 些 详 细 介 绍 3 电 气 部 分 ， 分 别 介 绍各 个 模 块 的 功 能 和 作 用 。2.1 充 电 电 池 内 部 工 作 原 理 介 绍2.1.1 镍镉蓄电池的工作原理 镍 镉 蓄 电 池 的 正 极 材 料 为 氢 氧 化 亚 镍 和 石 墨 粉 的 混 合 物 ， 负 极 材 料 为 海 绵 状
24、 镉粉 和 氧 化 镉 粉 ， 电 解 液 通 常 为 氢 氧 化 钠 或 氢 氧 化 钾 溶 液 。 当 环 境 温 度 较 高 时 ， 使 用密 度 为 1.17 1.19（ 15 时 ） 的 氢 氧 化 钠 溶 液 。 当 环 境 温 度 较 低 时 ， 使 用 密 度 为1.19 1.21（ 15 时 ） 的 氢 氧 化 钾 溶 液 。 在 -15 以 下 时 ， 使 用 密 度 为1.251.27（ 15 时 ） 的 氢 氧 化 钾 溶 液 。 为 兼 顾 低 温 性 能 和 荷 电 保 持 能 力 ， 密 封 镍镉 蓄 电 池 采 用 密 度 为 1.40（ 15 时 ） 的 氢
25、氧 化 钾 溶 液 。 为 了 增 加 蓄 电 池 的 容 量 和循 环 寿 命 ， 通 常 在 电 解 液 中 加 入 少 量 的 氢 氧 化 锂 （ 大 约 每 升 电 解 液 加 15 20g） 。镍 镉 蓄 电 池 充 电 后 ， 正 极 板 上 的 活 性 物 质 变 为 氢 氧 化 镍 NiOOH ， 负 极 板 上的 活 性 物 质 变 为 金 属 镉 ； 镍 镉 电 池 放 电 后 ， 正 极 板 上 的 活 性 物 质 变 为 氢 氧 化 亚 镍 ，负 极 板 上 的 活 性 物 质 变 为 氢 氧 化 镉 。 2.1.2 记忆效应 镍 镉 电 池 使 用 过 程 中 ， 如
26、 果 电 量 没 有 全 部 放 完 就 开 始 充 电 ， 下 次 再 放 电 时 ， 就不 能 放 出 全 部 电 量 。 比 如 ， 镍 镉 电 池 只 放 出 80%的 电 量 后 就 开 始 充 电 ， 充 足 电 后 ，该 电 池 也 只 能 放 出 80%的 电 量 ， 这 种 现 象 称 为 记 忆 效 应 。电 池 全 部 放 完 电 后 ， 极 板 上 的 结 晶 体 很 小 。 电 池 部 分 放 电 后 ， 氢 氧 化 亚 镍 没 有完 全 变 为 氢 氧 化 镍 ， 剩 余 的 氢 氧 化 亚 镍 将 结 合 在 一 起 ， 形 成 较 大 的 结 晶 体 。 结 晶
27、 体变 大 是 镍 镉 电 池 产 生 记 忆 效 应 的 主 要 原 因 。 2.1.3 镍氢电池的工作原理 镍 氢 电 池 和 同 体 积 的 镍 镉 电 池 相 比 ， 容 量 增 加 一 倍 ， 充 放 电 循 环 寿 命 也 较 长 ，并 且 无 记 忆 效 应 。 镍 氢 电 池 正 极 的 活 性 物 质 为 NiOOH（ 放 电 时 ） 和 Ni(OH) (充2电 时 )， 负 极 板 的 活 性 物 质 为 H （ 放 电 时 ） 和 H O（ 充 电 时 ） ， 电 解 液 采 用 30%22的 氢 氧 化 钾 溶 液 ， 充 放 电 时 的 电 化 学 反 应 如 下 ：
28、 第 5 页 共 45 页从 方 程 式 看 出 ： 充 电 时 ， 负 极 析 出 氢 气 ， 贮 存 在 容 器 中 ， 正 极 由 氢 氧 化 亚 镍 变成 氢 氧 化 镍 （ NiOOH） 和 H O； 放 电 时 氢 气 在 负 极 上 被 消 耗 掉 ， 正 极 由 氢 氧 化 镍 变2成 氢 氧 化 亚 镍 。 2.1.4 电池充电特性镍 镉 电 池 充 电 特 性 曲 线 如 图 2-1 所 示 。 当 恒 定 电 流 刚 充 入 放 完 电 的 电 池 时 ，由 于 电 池 内 阻 产 生 压 降 ， 所 以 电 池 电 压 很 快 上 升 （ A 点 ） 。 此 后 ， 电
29、 池 开 始 接 受 电荷 ， 电 池 电 压 以 较 低 的 速 率 持 续 上 升 。 在 这 个 范 围 内 （ AB 之 间 ） ， 电 化 学 反 应 以一 定 的 速 率 产 生 氧 气 ， 同 时 氧 气 也 以 同 样 的 速 率 与 氢 气 化 合 ， 因 此 ， 电 池 内 部 的 温度 和 气 体 压 力 都 很 低 。 图 2-1 镍 镉 电 池 充 电 特 性 曲 线镍 氢 电 池 的 充 电 特 性 与 镍 镉 电 池 类 似 ， 充 电 过 程 中 二 者 的 电 压 、 温 度 曲 线 如 图1-2 所 示 。 可 以 看 出 ， 充 电 终 止 时 ， 镍 镉
30、 电 池 电 压 下 降 比 镍 氢 电 池 要 大 得 多 。 当 电池 容 量 达 到 额 定 容 量 的 80%以 前 ， 镍 镉 电 池 的 温 度 缓 慢 上 升 ， 当 电 池 容 量 达 到90%以 后 ， 镍 镉 电 池 的 温 度 才 很 快 上 升 。 当 电 池 基 本 充 足 电 时 ， 镍 镉 /镍 氢 电 池 的温 度 上 升 率 基 本 相 同 。图 2-2 镍 镉 /镍 氢 电 池 充 电 电 压 曲 线第 6 页 共 45 页2.1.5 电池的充电过程电 池 的 充 电 过 程 通 常 可 分 为 预 充 电 、 快 速 充 电 、 补 足 充 电 、 涓 流
31、 充 电 四 个 阶 段 。对 长 期 不 用 的 或 新 电 池 充 电 时 ， 一 开 始 就 采 用 快 速 充 电 ， 会 影 响 电 池 的 寿 命 。 因 此 ， 这 种 电 池 应 先 用 小 电 流 充 电 ， 使 其 满 足 一 定 的 充 电 条 件 ， 这 个 阶 段 称 为 预 充电 。快 速 充 电 就 是 用 大 电 流 充 电 ， 迅 速 恢 复 电 池 电 能 。 快 速 充 电 速 率 一 般 在 1C以 上 ， 快 速 充 时 间 由 电 池 容 量 和 充 电 速 率 决 定 。为 了 避 免 过 充 电 ， 一 些 充 电 器 采 用 小 电 流 充 电
32、 。 镍 镉 电 池 正 常 充 电 时 ， 可 以 接受 C/10 或 更 低 的 充 电 速 率 ， 这 样 充 电 时 间 要 10h 以 上 。 采 用 小 电 流 充 电 ， 电 池内 不 会 产 生 过 多 的 气 体 ， 电 池 温 度 也 不 会 过 高 。 只 要 电 池 接 到 充 电 器 上 ， 低 速 率 恒流 充 电 器 就 能 对 电 池 提 供 很 小 的 涓 流 充 电 电 流 。 电 池 采 用 小 电 流 充 电 时 ， 电 池 内 产生 的 热 量 可 以 自 然 散 去 。涓 流 充 电 器 的 主 要 问 题 是 充 电 速 度 太 慢 ， 例 如 ，
33、 容 量 为 1Ah 的 电 池 ， 采 用C/10 充 电 速 率 时 ， 充 电 时 间 要 10h 以 上 。 此 外 ， 电 池 采 用 低 充 电 速 率 反 复 充 电 时 ，还 会 产 生 枝 晶 。 大 部 分 涓 流 充 电 器 中 ， 都 没 有 任 何 电 压 或 温 度 反 馈 控 制 ， 因 而 不 能保 证 电 池 充 足 电 后 ， 立 即 关 断 充 电 器 。2.2 芯 片 介 绍 部 分2.2.1 微控制器 AT89S51AT89S51 是 美 国 ATMEL 公 司 生 产 的 高 性 能 低 价 格 8 位 单 片 机 ， 其 特 性 如 下 ：与 MC
34、S-51 产 品 兼 容4K 字 节 的 在 线 可 编 程 （ ISP） 闪 存 ， 可 擦 写 1000 次电 压 范 围 ： 4.0V-5.5V晶 振 频 率 ： 0Hz-33MHz三 种 程 序 存 储 器 加 密 方 式1288-bit 的 内 部 RAM32 位 可 编 程 I/O 口两 个 16 位 的 定 时 /计 数 器六 个 中 断 源全 双 工 的 UART 串 行 通 道空 闲 省 电 模 式 和 掉 电 模 式看 门 狗 定 时 器双 数 据 指 针掉 电 标 志 位 图 2-3 89S51 的 管 脚 图编 程 时 间 快灵 活 的 在 线 编 程 （ 字 节 模 式 和 页 面 模 式 ）
