1、东华理工大学本科毕业论文（设计） - 长江学院 毕业论文（设计） 题目 基于单片机的智能充电器 院 （系） 机械与电子工程系 专 业 自动化 学生姓名 王 海 成 绩 指导教师 张胜群老师 2015 年 06 月 东华理工大学本科毕业论文（设计） - 摘 要 便携式应用的发展与普及提高了对充电电池性 能的要求，而锂离子电池凭借其独特的有点，如能量密度高、使用寿命长、放电电压高和无记忆效应等，成为了便携式电子产品的首选电池。然而，锂离子电池相对脆弱的特性，如过充电和高温可能对电池造成极大的破坏，对其充电电路提出了严格的要求，作为便携式产品的充电器，高集成度，高效率和准确的控制都是必须的特点。 针
2、对锂离子电池的充电管理问题，本文采取了一种基于单片机控制的智能充电方法，通过单片机与充电管理 IC 的配合，设计并实现了锂离子电池充电保护电路，从而达到了提高充电效率，延长电池寿命和节能的效果。 关键词： 锂离子电池； 智能充电器；单片机；节能 东华理工大学本科毕业论文（设计） - Abstract The development and prevalence of portable applications require better performance of rechargeable batteries, while the Li-Ion battery becomes the be
3、st choice of portable electronic products because of its unique advantages, such as high energy density, long circle life, high voltage and absence of memory effects. However, the comparative fragility of Li-Ion battery, for example, to overcharging and high temperature, imposes stringent charge req
4、uirements on chargers. As portable applications, the chargers should be compact, high efficient and accurate. In order to manage the charge process of Li-Ion battery, the design and implementation of a Li-Ion battery charge protection integrated circuit based on intelligent control approach was pres
5、ented by MCU assort with charge management IC. So as to achieve improved charging efficiency and prolong battery life and energy-saving effect. Keywords： Li-Ion； Intelligent charger； MCU； Energy-saving 东华理工大学本科毕业论文（设计） - 目 录 第一章 绪论 . 1 1.1 单片机技术的特点及应用 . 2 1.1.1 单片机的特点 . 2 1.1.2 单片机的应用 . 3 1.2 飞思卡尔 M
6、C9S12XS128 单片机简介 . 5 1.3 实现智能充电的意义 . 6 第二章 充电方案选择 . 7 2.1 恒流充电 (CC) . 7 2.2 恒压充电法 (CV) . 8 2.3 恒压限流充电 . 8 2.4 恒流恒压充电法 (CC/CV). 9 2.5 分级定电流充电法 . 9 2.6 脉冲充电方法 . 10 2.7 定化学反应状态充电法 . 11 2.8 变电流间歇 /定电压充电法 . 11 第三章 硬件电路设计 . 12 3.1 设计思路分析 . 12 3.1.1 脉宽 PWM 法充电 . 12 3.1.2 电源管理 IC 控制充电 . 13 3.2 电路设计 . 15 3.2
7、.1 MAX1898 电源管理 IC . 15 3.2.2 AMT1001 温湿度传感器 . 17 3.2.3 其他外围设备驱动介绍 . 19 第四章 软件设计 . 23 4.1 程序流程设计 . 23 4.2 程序功能模块设计 . 24 4.2.1 电池状态检测子程序 . 24 东华理工大学本科毕业论文（设计） - 4.2.2 键盘扫描子程序 . 24 4.2.3 倒计时子程序 . 24 4.2.4 显示子程序 . 25 4.2.5 A/D 转换子程序 . 25 第五章 调试 . 26 5.1 硬件调试 . 26 5.1.1 静态测试 . 26 5.1.2 联机调试 . 26 5.2 软件调
8、试 . 27 5.3 系统调试 . 27 致 谢 . 30 附 录 . 32 附录 A 系统设计源代码 . 32 东华理工大学本科毕业论文（设计） 1 第一章 绪论 锂离子电池具有较高的重量比、无记忆效应、可重复充电多次、使用寿命长、价格低等优点。因此，在便携式产品向更小更轻方向发展的今天，选用单节锂离子电池供电已成为产品设计者的首要选择。 锂离子电池因易受到过充电、深放电以及短路的危害，单体的锂离子电池的充电电压必须严格控制。充电速率（蓄电池的充电电流通常用充电速率 C 表示， C 为蓄电池的额定容量，例如用 1A 的电流对 500mAh 的电池充电，充电速率就是 2C；同样地，用 1A 的
9、电流对 1Ah 的电池充电，充电速率就是 1C）通常不超过 1C，最低放电电压为 2.7V3.0V，如果再继续放电则会损害电池。 锂电池的充电过程一般包括预充电、恒流充电 （ CC） 和恒压充电 （ CV） 三个过程。预充电以小电流对电池进行涓流充电，当电池电压上升到预充电阈值以上时，以大电流对电池进行恒流充电；当电池电压接近浮充电压阈值 （ 4.2V） ，充电器逐渐转变为恒压模式充电，充电电流逐渐减小；当电流减小到终止电流 错误 !未找到引用源。 时，充电过程结束。 在深入了解了锂离子电池的充电原理和充电控制方法后，我发现锂离子电池的充电设备需要解决一下几个问题： （ 1） 能进行充点前处理
10、，包括电池充电状态鉴定、预 处理。 （ 2） 解决充电时间长、充电效率低的问题。 （ 3） 改善因充电控制不合理而造成电池过充、欠充等问题，提高电池的使用性能和使用寿命。 （ 4） 通过加强单片机控制，简化外围电路的复杂性，同时增加自动化管理设置，减轻充电过程的劳动强度和劳动时间，从而使充电器具有更高的可靠性、更大的灵活性，并且达到节能的效果。 本论文主要针对锂离子电池充电器的研究，设计了一款单节锂离子电池智能充电器，并且可以从 USB 接口充电。该充电器可以实时采集电池的电压和电流，并对充电过程进行智能控制，可在无过热危险的情况下实现电池充电速率的最大化，并且系统中 的管理电路还具有保护功能
11、，可防止电池的过充和过放电对电池造成损东华理工大学本科毕业论文（设计） 2 坏。同时，系统采用了充满电后自动断电措施，有效的防止了多数情况下在充满电后充电器始终连在电源上造成的电能浪费。 1.1 单片机技术的特点及应用 随着大规模和超大规模集成电路技术的发展和计算机微型化的需要，将微型计算机的基本部件：中央处理器 （ CPU） 、存储器、输入输出 （ I/O） 接口、定时器 /计时器等多种资源集成在一个半导体芯片上，使得一块集成电路芯片就能构成一个完整的微型计算机。这种集成电路芯片被称为单片微型计算机（ Single Chip Microcomputer），简称单片机。单片机在结构设计上，它的
12、软、硬件系统及 I/O 接口控制能力等方面都有独到之处，具有强而有效的功能。从其组成、逻辑功能上来看，单片机具备了微型计算机系统的基本部件。 目前，各种类型单片机在应用产品中占主导地位，产品众多，已有几十个系列、几百种型号，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好 Internet 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（ DSP）。总之，单片机正在向微型化、低功耗、高速、高集成度、多资源、网络化、专用型方向发展。
13、1.1.1 单片机的特点 （ 1） 高集成度，体积小，高可靠性 单片机将各功能部件集成在一块晶体芯片上，集成度很高，体积自然也是最小的。芯片本身是按工业测控环境要求设计的，内部布线很短，其抗工业噪音性能优于一般通用的 CPU。单片机程序指令，常数及表格等固化在 ROM 中不易破坏，许多信号通道均在一个芯片内，故可靠性高。 （ 2） 控制功能强 为了满足对对象的控制要求，单片机的指令系统均有极丰富的条件：分支转移能力， I/O 口的逻辑操作和位处理能力，非常适用于专门的控制功能。 （ 3） 低电压，低功耗，便于生产便携式产品 为了满足广泛使用于便携式系统，许多单片机内的工作电压仅为 1.8V 3
14、.6V，东华理工大学本科毕业论文（设计） 3 而工作电流仅为数百微安。 （ 4） 易扩展 片内具有计算机正常运行所必需的部件。芯片外部有许多供扩展用的三总线及并行、串行输入 /输出管脚，很容易构成各种规模的计算机应用系统。 （ 5） 优异的性能价格比 单片机的性能极高。为了提高速度和运行效率，单片机已开始使用 RISC 流水线和 DSP 等技术。单片机的寻址能力也已突破 64KB 的限制，有的已可达到 1MB和 16MB，片内的 ROM 容量可达 62MB， RAM 容量则可达 2MB。由于单片机的广泛使用，因而销量极大，各大公司的商业竞争更使其价格十分低廉，其性能价格比极高。 1.1.2 单
15、片机的应用 （ 1） 单片机在智能仪器仪表中的应用 在各类仪器仪表中引入单片机，使仪器仪表智能化，提高测试的自动化程度和精度，简化仪器仪表的硬件结构，提高其性能价格比。 （ 2） 单片机在机电一体化中的应用 机电一体化是机械工业发展的方向。机电一体化产品是指集成机械技术、微电子技术、计算机技术于一体，具有智能化特征的机电产品，例如微机控制的车床、钻床 等。单片机作为产品中的控制器，能充分发挥它的体积小、可靠性高、功能强等优点，可大大提高机器的自动化、智能化程度。 （ 3） 单片机在日常生活及家用电器领域的应用 自从单片机诞生以后，它就步入了人类生活，如洗衣机、电冰箱、空调器、电子玩具、 电饭煲
16、、视听音响设备等家用电器配上单片机后，提高了智能化程度，增加了功能，倍受人们喜爱。单片机将使人类生活更加方便、舒适、丰富多彩。 （ 4） 在实时过程控制中的应用 用单片机实时进行数据处理和控制，使系统保持最佳工作状态，提高系统的工作效率和产品的质量，在自动控制系统中有广泛的 应用。 （ 5） 办公自动化设备 现代办公室使用的大量通信和办公设备多数嵌入了单片机。如打印机、复印机、东华理工大学本科毕业论文（设计） 4 传真机、绘图机、考勤机、电话以及通用计算机中的键盘译码、磁盘驱动等。 （ 6） 商业营销设备 在商业营销系统中已广泛使用的电子称、收款机、条形码阅读器、 IC 卡刷卡机、出租车计价器
17、以及仓储安全监测系统、商场保安系统、空气调节系统、冷冻保险系统等都采用了单片机控制。 （ 7） 在计算机网络和通信领域中的应用 现代的单片机普遍具备通信接口，可以很方便地与计算机进行数据通信，为在计算机网络和通信设备间的应用提供了极好的物质条 件，现在的通信设备基本上都实现了单片机智能控制，从手机，电话机、小型程控交换机、楼宇自动通信呼叫系统、列车无线通信、再到日常工作中随处可见的移动电话，集群移动通信，无线电对讲机、路由器等。 （ 8） 单片机在医用设备领域中的应用 单片机在医用设备中的用途亦相当广泛，例如医用呼吸机，各种分析仪，监护仪，超声诊断设备及病床呼叫系统等等。 （ 9） 汽车电子产
18、品 现代汽车的集中显示系统、动力监测控制系统、自动驾驶系统、通信系统和运行监视器（黑匣子）等都离不开单片机，并且在汽车技术日益发达的今天，单片机更是在汽车系统中起到 了举足轻重的作用。 （ 10） 航空航天系统和国防军事、尖端武器等领域 单片机的应用更是不言而喻。例如导弹跟踪系统，智能机器人等，正是因为单片机的应用，使得武器设备变得越来越智能，减少了人工的干预，增强了稳定性和安全性。 综合所述，单片机已成为计算机发展和应用的一个重要方面。另一方面，单片机应用的重要意义还在于，它从根本上改变了传统的控制系统设计思想和设计方法。从前必须由模拟电路或数字电路实现的大部分功能，现在已能用单片机通过软件
19、方法来实现了。这种软件代替硬件的控制技术也称为微控制技术，是传统控制技术的一次革命 。 东华理工大学本科毕业论文（设计） 5 1.2 飞思卡尔 MC9S12XS128 单片机简介 本文设计中使用的单片机型号为 MC9S12XS128MAL（图 1.1） ，为了解和方便使用，在此做简单介绍。 MC9S12XS128（以下简称 XS128）是 Freescale 公司推出的 S12XS 系列单片机中的一款增强型 16 位单片机， S12XS 系列单片机是在 S12XE系列的基础上去掉 XGate 协处理器的单片机，该系列单片机采用 CPU12X V2 内核，可运行在 40MHz 总线频率上。不仅在汽车电子、工业控制、中高档机电产品等应用领域具有广泛的用途，而且在 FLASH 存储控制机 加密方面也有很强的功能。 图 1.1 MC9S12XS128MAL 单片机 MC9S12XS128 单片机的特点： 存储器： 128KB FLASH； 2KB EEPROM； 8KB RAM； A/D： 16 通道模数转换器（本设计中用到），可选 8 位、 10 位和 12 位精度； PWM： 8 位 8 通道或 16 位 4 通道 PWM；
