1、毕业设计开题报告电气工程及其自动化高效电能收集充电器设计一、选题的背景与意义随着中国经济的发展，便携式电子产品如笔记本电脑、PDA、手机等越来越普及，而这些手持式设备都需要一种可靠、轻便、高性能的电池为其供电。锂电池的额定电压高、使用寿命长、自放电率低且高低温适应性强，诸多的优点使其在移动应用领域得到了广泛的应用。而与此同时锂电池的很多缺点也暴露了出来，如锂电池不能过度充放电，否则会造成永久性损坏，充电时温度过高则会使其发生爆裂。因此研发性能稳定、安全可靠、效率高的锂电池充电器就显得尤为重要。锂离子充电方式主要由两种线性充电方式、脉冲充电方式和开关充电方式。相应地就有线性充电器、脉冲充电器和开
2、关充电器。线性充电方式控制简单，外电路少，成本比较低，但是高压差下发热高效率低，大电流的时候芯片发热也较大，充电精度收电池内阻影响。脉冲充电方式电源允许范围宽，但它仅仅在恒流源下有高效率，普通电源下效率并不高，所以用普通电源高压差时效率超低，并且成本较高。同时因为芯片自己不发热，热量由电源发，所以大电流会烧电源，充电精度不会受电池内阻影响。开关充电方式下电源允许范围宽，且在任意情况下都有很高的效率，发热小，但是其成本要稍高一些。本项目首要解决的是效率问题，要以尽可能高的效率给电池充电，因此选用开关充电方式。在保证效率的前提下采用单片机做为微控制器，控制灵活且降低成本，使得开关充电器更加完善，能
3、够更好地完成充电任务。二研究的基本内容与拟解决的主要问题锂离子电池一种性能优良的电池，但是在某些方面却很脆弱。首先，深度放电的锂离子电池如果直接快速充电则很容易损坏甚至会发生危险，因此在正式充电之前要先检测电池电压，如果电池电压低于一定值（一般是3V），则就需要进行预充电（涓流充电，电流大小一般在快充时的1）。当电池电压大于3V之后就可以进行快速充电阶段（该阶段一般能完成6070的充电量）。当电池电压达到预置电压时，开始恒压充电，同时充电电流降低，此恒压值一般处于4142V之间，充电电压波动应控制在50MV以内。最后，当电流逐渐减小到一个规定的值时，充电过程结束。在整个充电阶段要保证电池温度在
4、25C475C范围内,如果温度不符,则要控制充电器暂停充电。锂离子电池多用于移动领域，在很多时候都要讲求充电的高效率。在传统上由于电路简单、成本低，锂离子充电多用线性方式，但是其充电效率却不高。为了提高充电效率，应该用开关充电方式代替线性方式。单片开关电源结构比较简单，使用方便，其效率高的特点特别适用于给电池充电。从上面的介绍可以看出在充电过程中需要检测电压、电流和温度等参数，而且需要达到比较高的精度，同时需要采用微控制器进行灵活的控制。因此本项目的核心由单片开关电源和单片机组成，外围辅之以检测和反馈电路。单片机拟采用C8051F330，其片上的高速ADC可以提供较高的检测精度，保证电池充电三
5、个阶段顺利安全地进行。拟解决的主要问题有1正确使用单片开关电源，控制其输出电压和电流满足每个阶段的充电要求。2为保证电压和电流采样的准确，同时采用硬件滤波和数字滤波技术。3检测温度传感器，保证电池温度在充电时处在合理的范围内。4充电完成后关断充电器,且电池部分放电后自动启动充电。5通过LED灯等方式来显示充电状态。三研究的方法与技术路线系统总体结构图如下单片开关电源单片机锂电池电压电流检测温度传感器LED显示PWM控制图31硬件系统框图1单片开关电源单片开关电源起到电能转换的作用，具有体积小、重量轻、效率高的优点，有些还具有调压、限流、过热等保护，特别适合于构成充电电源。2单片机单片机在整个系
6、统中起到控制作用，具有使用方便、控制灵活、成本低的特点，且便于系统扩展。拟采用C8051F330单片机，其具有10位200KSPS的16通道单端/差分ADC和10位电流输出DAC，带模拟多路器，可以进行精读比较高的控制，且成本比较低。3单片机软件设计充电器主要充电整体过程为1检测电池电压，判断是否需要涓流充电；2检测电池电压，判断是否开始全电流充电；3检测电池电压，判断是否开始恒压充电；4检测电池电流，判断是否结束冲电。软件流程图为开始系统初始化检测电压电压大于3V涓流充电恒流充电否电压大于41V否是恒压充电是检测充电电流小于电流阈值否充电结束图32软件流程图四研究的总体安排与进度12010年
7、11月2010年12月，查阅相关资料，翻译文献，完成开题报告；22010年1月2011年3月，单片开关电源部分的制作与调试；32011年4月，检测、反馈和微控制部分的制作与调试及整体的调试；42011年5月,撰写毕业论文，完成毕业答辩。五、主要参考文献1童诗白，华成英，清华大学电子学教研组模拟电子技术基础（第三版）高等教育出版社20042马忠梅,籍顺心,张凯,马岩单片机的C语言应用程序设计第四版北京航空航天大学出版社20073盛莉锂离子电池智能充电器硬件的设计J今日电子,2008,795974王洪辉，庹先国，余小平等基于单芯片的锂电池/组充电器设计J电源技术,2009,21271295马爱华，
8、张晓冬，张伟基于AVR的锂电池智能充电器的设计与实现单片机开发与运用,2009,271736决蒙，刁节涛基于12C5A62AD的智能充电器科学技术与工程,2010,4100510097张方军，徐振充电器便携式锂电池充电电路的设计电源技术,2008,111031078庞静,刘伯文,卢世锂离子电池性能研究现状与进展电池,2004,842892919MINCHEN,GABRIELARINCNMORAACCURATE,COMPACT,ANDPOWEREFFICIENTLIIONBATTERYCHARGERCIRCUITIEEETRANSACTIONSONCIRCUITSANDSYSTEMS,2006,
9、111180118410LIANGRUICHEN,ROYCHAOMINGHSU,CHUANSHENGLIUAVARIABLEFREQUENCYPULSECHARGESTRATEGYFORLIIONBATTERYIEEEISIE2005,62023毕业设计文献综述电气工程与自动化高效电能收集充电器设计摘要本文提出以开关充电的方式给锂离子电池充电，以提高充电效率。在保证效率的前提下采用单片机做为微控制器，控制灵活且降低成本，使得开关充电器更加完善，能够更好地完成充电任务。关键词锂离子充电器，高效，开关充电方式，单片机一、锂离子电池充电器设计的目的和意义随着中国经济的发展，便携式电子产品如笔记本电脑
10、、PDA、手机等越来越普及，而这些手持式设备都需要一种可靠、轻便、高性能的电池为其供电。锂离子电池是前几年出现的金属锂蓄电池的替代产品，以其优越的性能迅速应用于各领域，尤其是在便携式电子产品中。具体说来，锂离子电池有以下优点1）电压高单体电池的工作电压高达3738V（磷酸铁锂的是32V），是NICD、NIH电池的3倍2）比能量大目前能达到的实际比能量为555WH/KG左右，即材料能达到150MAH/G以上的比容量（34倍于NICD，23倍于NIMH），已接近于其理论值的约88。3）循环寿命长一般均可达到500次以上,甚至1000次以上，磷酸铁锂的可以达到2000次以上。对于小电流放电的电器,电
11、池的使用期限，将倍增电器的竞争力。4）安全性能好无公害,无记忆效应作为LIION前身的锂电池,因金属锂易形成枝晶发生短路,缩减了其应用领域LIION中不含镉、铅、汞等对环境有污染的元素部分工艺（如烧结式）的NICD电池存在的一大弊病为“记忆效应”，严重束缚电池的使用，但LIION根本不存在这方面的问题。5）自放电小室温下充满电的LIION储存1个月后的自放电率为2左右，大大低于NICD的2530，NI、MH的3035。6可快速充放电1C充电30分钟容量可以达到标称容量的80以上，现在磷铁电池可以达到10分钟充电到标称容量的90。7工作温度范围高工作温度为2545C，随着电解液和正极的改进，期望
12、能扩宽到4070C。1然而，锂离子电池也有它的缺点，如锂离子电池的容量会缓慢衰退，不能过度冲放电，需要有过充、过放、过载、过热等各种保护机制。7由此可见，研发性能稳定、安全可靠、效率高的锂电池充电器就显得尤为重要。二、锂离子电池充电器的研究现状因为锂离子电池的脆弱性，其充电过程相对来说就比较复杂。首先，在正式充电之前要先检测电池电压，如果电池电压低于一定值（一般是3V），则就需要进行预充电（涓流充电，电流大小一般在快充时的1）。当电池电压大于3V之后就可以进行快速充电阶段（该阶段一般能完成6070的充电量）。当电池电压达到预置电压时，开始恒压充电，同时充电电流降低，此恒压值一般处于4142V之
13、间，充电电压波动应控制在50MV以内。最后，当电流逐渐减小到一个规定的值时，充电过程结束。24在整个充电阶段要保证电池温度在25C475C范围内,如果温度不符,则要控制充电器暂停充电。5目前锂离子电池充电方式主要有三种线性充电方式、脉冲充电方式和开关充电方式。7相应地就有线性充电器、脉冲充电器和开关充电器。线性充电方式控制简单，外电路少，成本比较低，但是高压差下发热高效率低，大电流的时候芯片发热也较大，充电精度收电池内阻影响。脉冲充电方式电源允许范围宽，但它仅仅在恒流源下有高效率，普通电源下效率并不高，所以用普通电源高压差时效率超低，并且成本较高。同时因为芯片自己不发热，热量由电源发，所以大电
14、流会烧电源，充电精度不会受电池内阻影响。开关充电方式下电源允许范围宽，且在任意情况下都有很高的效率，发热小，但是其成本要稍高一些。3三、锂离子电池充电器的发展趋势锂离子电池常用的充电方式有恒定涓流充电方式，恒流充电方式，恒压横流充电方式等，然而这些充电方式并不能满足多数移动和便携式设备的要求，且从电化学角度思考电池的充电速度仍然可以提高。如今锂离子电池充电器的发展方向是运用先进的控制技术如模糊控制，神经网络和基因算法等获得合适的充电电流进而增加电池的充电速度。9四、参考文献1HTTP/BAIKEBAIDUCOM/VIEW/10022HTM2盛莉锂离子电池智能充电器硬件的设计J今日电子,2008
15、,795973王洪辉，庹先国，余小平等基于单芯片的锂电池/组充电器设计J电源技术,2009,21271294马爱华，张晓冬，张伟基于AVR的锂电池智能充电器的设计与实现单片机开发与运用,2009,271735决蒙，刁节涛基于12C5A62AD的智能充电器科学技术与工程,2010,4100510096张方军，徐振充电器便携式锂电池充电电路的设计电源技术,2008,111031077庞静,刘伯文,卢世锂离子电池性能研究现状与进展电池,2004,842892918MINCHEN,GABRIELARINCNMORAACCURATE,COMPACT,ANDPOWEREFFICIENTLIIONBATTE
16、RYCHARGERCIRCUITIEEETRANSACTIONSONCIRCUITSANDSYSTEMS,2006,11118011849LIANGRUICHEN,ROYCHAOMINGHSU,CHUANSHENGLIUAVARIABLEFREQUENCYPULSECHARGESTRATEGYFORLIIONBATTERYIEEEISIE2005,62023本科毕业设计（20届）高效电能收集充电器设计摘要【摘要】本文设计了一个高效电能收集充电器，主要包括控制部分和充电主电路两部分。控制部分主要由单片机C8051F330和键盘显示芯片ZLG7289组成，而充电主电路的核心为DC/DC变换芯片MC
17、34063。根据锂离子电池的充电特性，设计完成了对锂电池涓流、恒流和恒压的三段式充电。为了能最大效率地从电源吸收功率，系统通过爬山法实现了最大功率点跟踪（MPPT）功能。本文设计的电路和程序经测试，功能完善、性能可靠，可用于从太阳能电池等含有内阻的电源中高效地吸收功率给锂离子电池充电。【关键词】DC/DC变换；三段式充电；最大功率点跟踪。ABSTRACT【ABSTRACT】INTHISPAPER,ANEFFICIENTENERGYCOLLECTIONCHARGERISPROPOSED,WHICHMAINLYCONSISTSOFMCUBOARDANDCHARGECIRCUIT。THEMCUBOA
18、RDISCOMPOSEDOFMCUC8051F330ANDKEY对硬件电路的要求较低，因此容易实现，但是精度不高；电导增量法能够快速跟踪环境的变化，实时性好、精度高，只是算法复杂实现成本高；扰动观察法又叫做爬山法，它的算法比较简单，跟踪效果也比较好，只是在某些情况下会造成误判。综上所述，在本设计中采用爬山法是一种比较好的选择。UPUMPMAX图23爬山法示意图如图23所示为电源的输出功率与输出电压之间的关系。当电压U从0开始增大时输出功率P先增大后减小，在UM处输出功率达到最大。爬山法的工作原理为首先计算当前的输出功率，然后在下个控制周期用较小的、一定步长的U改变输出电压,再计算输出电压变化后
19、的输出功率。比较两次功率的大小，如果前次功率小于后次，则说明当前工作点处于最大功率点的左侧，要获得最大功率需要增大输出电压；如果前次功率大于后次，则说明当前工作点处于最大功率点的右侧，要获得最大功率需要减小输出电压。这样,实际工作点就能逐渐接近最大功率点,最终在其附近的一个较小范围内往复达到稳态。23本章小结本章主要讲了锂离子电池的三段式充电原理和最大功率点跟踪（MPPT）的实现原理与方法。锂离子电池在正式充电之前要先检测电池电压，如果电池电压低于一定值就需要进行涓流充电；当电池电压大于3V之后进行恒流充电；当电池电压达到预置电压后，开始恒压充电直至充电结束。实现MPPT的方法主要有固定电压法
20、、扰动观察法和电导增量法3种。扰动观察法又叫做爬山法，它的算法比较简单，跟踪效果也比较好，在本设计中采用爬山法是一种比较好的选择。3硬件电路设计31系统总体方案论证与选择电能收集充电器主要需要完成的任务是能对锂离子电池进行三段式充电和最大功率点跟踪（MPPT）功能。因此对系统方案的选择主要是对控制器的选择和充电方式的选择。（1）控制器的选择。方案一使用单片机。单片机的控制灵活，且系统结构简单，使用方便，容易实现模块化，更为重要的是其价格低廉，是一般电路系统控制器的首选。方案二使用ARM或DSP。ARM和DSP的性能都十分优良，在嵌入式系统中应用十分广泛。但是其价格相对较高，一般用在中高端的嵌入
21、式系统当中。综上所述，在本设计中控制器的选择应选单片机为宜。（2）充电方式的选择。方案一使用线性充电方式。线性充电方式控制简单，外电路少，成本比较低，但是其再高压差下发热高，效率比较低低，大电流的时候芯片发热也较大，充电精度会受电池内阻影响。方案二使用开关充电方式。开关充电方式下的电源电压允许范围宽，且在任意情况下都有很高的效率，发热小，但是其成本要稍高一些。由于开关充电方式效率高，因此很多公司都专门开发了单片的开关电源芯片，这样使用开关充电方式的成本就比以前要低很多。因此，在本设计中的充电方式选择开关充电方式。32系统总体设计电能收集充电器的硬件部分主要包括单片机最小系统和充电主电路两部分。
22、单片机最小系统主要由单片机C8051F330和键盘显示芯片ZLG7289组成，而充电主电路的核心为DC/DC变换芯片MC34063。单片机通过检测电压与电流来判断当前的充电模式，并通过数字电位器来调整输出电压。图34系统硬件框图如下图所示。DC/DC变换数字电位器单片机锂电池电压检测电流检测图34系统硬件框图321DC/DC变换芯片DC/DC变换能起到电能转换的作用，具有体积小、重量轻、效率高的优点，有些还具有调压、限流、过热等保护，特别适合于构成充电电源。MC34063是一款DC/DC变换芯片，本身包含了DCDC变换器所需要的主要功能且价格便宜。它由具有温度自动补偿功能的基准电压发生器、比较
23、器、占空比可控的振荡器，RS触发器和大电流输出开关电路等组成。该器件可用于升压变换器、降压变换器、反向器的核心控制芯片，主要应用于以微处理器MPU或单片机MCU为基础的系统里。MC34063的内部结构框图如图35MC34063的内部结构框图所示，由MC34063构成的典型的DC/DC降压电路如图36由MC34063构成的典型的DC/DC降压电路所示。图35MC34063的内部结构框图图36由MC34063构成的典型的DC/DC降压电路MC34063的输出电压经由电阻R1与R2分压后输入5脚，再与125V的内部基准电压进行比较。如果输入电压小于125V，则与门输入为1，RS触发器正常工作；若大于
24、125V，则则与门输入为0，RS触发器停止工作。输出电压为211251/OUTVRR（311）短路保护电阻RSC为03/PKSWITCHI312其中PKSWITCHI为开通时的最大电流。输出电容CO/8PKSWITCHONOFFRIPPLEPPITTV（313）其中ONT与OFFT是指开通与关断时间；RIPPLEPPV是指期望的输出电压纹波峰峰值。电感值LMINMAX/INSATOUTONPKSWITCHVVVTI（314）其中MINV为输入电压最小值；SATV为输出电压饱和值。33控制及检测电路充电电路部分主要包括DC/DC变换芯片MC34063、数字电位器X9511、高精度运放OP07等。
25、单片机通过电阻的分压检测输出电压，通过OP07的输出来检测输出电流，并控制数字电位器来改变输出电压。充电电路原理图如图37充电电路原理图所示图37充电电路原理图331控制电路单片机通过数字电位器X9511来对MC34063的输出电压进行控制。控制电路原理图如图38控制电路原理图所示。图38控制电路原理图X9511系列数字电位器是一种适合于按键控制的电位器，包括X9511Z和X9511W两种型号,前者最大电阻为1K，后者最大电阻为10K。X9511内部包含有控制电路、5位二进制可逆计数器、32选1译码器、5位E2PROM存贮器以及电阻阵列,功能方框图如图39X9511内部结构框图所示。电阻阵列包
26、含31个电阻单元,在每个单元的两个端点都有可以被滑动单元访问的抽头点。对抽头位置的控制是通过输入端PU和PD实现的，同时抽头的位置可以自动地储存在E2PROM中，并在上电的时候自动地恢复到之前的位置。X9511的分辨率等于最大的电阻值被31除。例如，X9511W的每个抽头间的阻值为10K/31323。图39X9511内部结构框图使用X9511的一大好处是，当5位二进制加/减计数器计数达到最大或最小值时不会产生循环，即当加计数时，不会由11111跳到00000，减计数时不会由00000跳到11111。控制电路负责控制5位E2PROM，当芯片掉电后再次上电时，调用E2PROM存贮器所存数据恢复抽头
27、到原来的位置。E2PROM中所保存的数据可保存100年。PU为X9511的加计数输入端,内部具有去抖功能且接有上拉电阻，平时能够保持PU端为高电平。当PU端为低电平时，内部计数器开始执行加计数功能，此时滑动端向上移动，VL与VW之间电阻增大，VH与VW之间的电阻减小。因为内部具有去抖动功能，所以输入低电平的时间必须大于40MS才算有效。输入低电平时间大于40MS而小于1S时，芯片内部以慢速方式计数，每250MS加1；输入低电平时间超过1S时,在超出1S的时间内以快速方式计数，每50MS加1。PD为减计数输入端，操作方式与PU端相同，但效果相反。设X9511的阻值为R1，则根据式311有3121
28、25/OUTVRRR又R35K,R25K,R1010K，因此255OUTVVR1每变化一档输出电压的变化为12125/008OUTVRRV332电压检测电路输出电压经过R6与R7分压后输送给单片机的ADC进行采样，AD转换后所得的数值与输出电压的关系为67109622OUTREFREFRRADCADCVVVR321其中参考电压REFV为244V。电压检测原理图如图310电压检测电路原理图所示。图310电压检测电路原理图333电流检测电路如图311电流检测电路原理图所示，电流检测电路由一个采样电阻和差分比例放大电路组成。RR1RFR1RF_5V5VADC图311电流检测电路原理图为了降低功耗，采
29、样电阻R取01。而为了让输出电压能被ADC采集到同时又不至于超过基准电压，差分比例放大电路的放大倍数不能太大也不能太小。ADC能采集到的最小电压为10MIN244/224VMV若限定最大输出电流为1A，则最小输出电流为其1，即10MA，因此输出电流范围为10MA1A，采样电阻上的电压为1MV100MV。若放大倍数为20倍，则差分比例放大电路输出电压为20MV2V，其大于24MV同时小于244V，因此放大20倍是一个比较合适的放大倍数。AD转换后所得的数值与输出电流之间的关系为109012022REFREFADCADCIVV32234单片机简介锂离子电池在充电过程中需要检测电压、电流和温度等参数
30、，而且需要达到比较高的精度，同时需要采用微控制器进行灵活的控制。C8051F330单片机内置有一个转换速率达到200KSPS、16口单端/差分输入的10位ADC，足以用来进行电压和电流的检测，而且还能提供较高的精度。C8051F330支持在线编程，可以很方便地结合硬件电路来进行软件调试，性价比高，因此本设计采用C8051F330作为微控制器。341C8051F330主要性能参数8C8051F330具有片内上电复位、看门狗定时器和时钟振荡器,是真正能独立工作的片上系统。C8051F330的内核是高速的8051内核，当时钟频率为25MHZ时指令速度可达25MIPS。330的内部RAM共有768字节
31、，同时还有8K的FLASH，具有在系统重新编程能力，可用于非易失性数据存储。模拟外设包括一个10位的ADC、一个10位的电流输出型DAC和比较器。ADC的转换速率最大为200KSPS，共有16个输入端，可以工作在单端和双端方式下。ADC和DAC的参考电压可以是内部基准、外部基准引脚或是电源电压VDD。数字外设主要有17个I/O端口，4个16位定时器/计数器，PCA，UART，SPI等。用户软件对所有外设具有完全的控制，可以关断任何一个或所有外设以节省功耗。330片内具有SILICONLABS二线（C2）开发接口，它能够对单片机进行非侵入式（不占用片内资源）、全速的在系统调试，支持断点、单步、运
32、行和停机命令，并能观察和修改存储器、寄存器。在使用C2进行调试时，所有的模拟和数字外设都可全功能运行，并且两个C2接口引脚是与用户功能共享的，使在系统调试功能不另外占用引脚。C8051F330的供电电压在2736V之间，温度范围为40C85。C25MHZ时典型工作电流为64MA，典型的停机电流为01UA。端口I/O和/RST引脚都容许输入5V电压，并可允许比较大的灌电流。C8051F330/1采用20脚MLP封装，原理框图如图312C8051F330原理框图所示。图312C8051F330原理框图342C8051F330上的10位ADCC8051F330的ADC是一个200KSPS的10位逐次
33、逼近型ADC，其中集成了跟踪保持电路和可编程窗口检测器。ADC共有16个输入端，可以工作在单端方式或者差分方式下，到底配置哪个I/O口为ADC输入端由寄存器AMXOP和AMXON决定。AMXOP、AMXON、数据转换方式及窗口检测器等都可用软件通过特殊功能寄存器来配置。ADC可以被配置为用于测量P0P1、温度传感器输出或VDD（相对于P0P1或GND）。只有当ADC控制寄存器（ADC0CN）中的AD0EN位被置1时ADC才被使能，否则ADC将处于低功耗关断方式。ADC的功能框图如图313ADC的功能框图所示。图313ADC的功能框图模拟多路选择器（AMUX0）选择的是ADC的正输入和负输入。P
34、0P1、片内温度传感器输出和正电源（VDD）都可以被选择为正输入；P0P1、VREF和GND都可以被选择为负输入。当选择GND为负输入时，ADC工作在单端方式，否则ADC工作在差分方式。ADC的输入通道选择由寄存器AMX0P和AMX0N决定。在单端和差分方式下，ADC的转换码格式是不同的，转换结果储存在ADC0H和ADC0L中。而被选择为ADC输入的引脚应被配置为模拟输入并被交叉开关跳过。ADC的转换时钟由分频得到，分频数由ADC0CF中的ADOSC决定。共有6种A/D转换的启动方式，由ADC0CN中的02位决定采用哪种方式。35键盘显示芯片简介10ZLG7289是一片具有串行接口的可同时驱动
35、8位共阴式数码管或64只独立LED的智能显示驱动芯片，该芯片同时还可连接多达64键的键盘矩阵，单片即可完成LED显示键盘接口的全部功能。其内部含有译码器，可直接接受BCD码或16进制码，并同时具有2种译码方式，此外还具有多种控制指令如消隐闪烁左移右移段寻址等。ZLG7289采用SPI串行总线与微控制器接口，仅占用少数几根I/O口线。利用片选信号，多片ZLG7289还可以并接在一起使用，能够方便地实现多于8位的显示或多于64只按键的应用。ZLG7289可广泛地应用于仪器仪表，工业控制器，条形显示器，控制面板等领域。ZLG7289的引脚功能如表31ZLG7289B引脚功能所示。表31ZLG7289
36、B引脚功能引脚序号引脚名称功能描述1RTCC接电源2VCC电源，276V3NC悬空4GND接地5NC悬空6/CSSPI总线片选信号，低电平有效7CLKSPI总线时钟输入信号，上升沿有效8DIOSPI总线数据信号，双向9INT键盘中断请求信号，低电平（下降沿）有效10SG/KR0数码管G段键盘行信号011SF/KR1数码管F段键盘行信号112SE/KR2数码管E段键盘行信号213SD/KR3数码管D段键盘行信号314SC/KR4数码管C段键盘行信号415SB/KR5数码管B段键盘行信号516SA/KR6数码管A段键盘行信号617DP/KR7数码管DP段键盘行信号718DIG0/KC0数码管字选信
37、号0键盘列信号019DIG1/KC1数码管字选信号1键盘列信号120DIG2/KC2数码管字选信号2键盘列信号221DIG3/KC3数码管字选信号3键盘列信号322DIG4/KC4数码管字选信号4键盘列信号423DIG5/KC5数码管字选信号5键盘列信号524DIG6/KC6数码管字选信号6键盘列信号625DIG7/KC7数码管字选信号7键盘列信号726OSC2晶振输出信号27OSC1晶振输入信号28RST复位信号，低电平有效ZLG7289采用串行方式与微处理器通讯，串行数据从DATA引脚送入芯片，并由CLK端同步。当片选信号变为低电平后，DATA引脚上的数据在CLK引脚的上升沿被写入ZLG7
38、289A的缓冲寄存器。ZLG7289的指令结构有三种类型1不带数据的纯指令，指令的宽度为8个BIT，即微处理器需发送8个CLK脉冲。2带有数据的指令，宽度为16个BIT，即微处理器需发送16个CLK脉冲。3读取键盘数据指令，宽度为16个BIT，前8个为微处理器发送到ZLG7289A的指令，后8个BIT为ZLG7289A返回的键盘代码。执行此指令时，ZLG7289A的DATA端在第9个CLK脉冲的上升沿变为输出状态，并与第16个脉冲的下降沿恢复为输入状态，等待接收下一个指令。串行接口的时序如图314纯指令时的串行接口时序图，图315带数据指令时的串行接口时序图，图316读键盘指令时的串行接口时序
39、图所示。图314纯指令时的串行接口时序图图315带数据指令时的串行接口时序图图316读键盘指令时的串行接口时序图36单片机最小系统C8051F330最小系统是整个电路的控制核心，它通过采样电路采集电压、电流数据，经过处理后对控制电路发出控制信号，进而改变输出电压完成对充电过程的控制。单片机最小系统主要由C8051F330，ZLG7289，按键，数码管和复位电路等组成，其原理图如图317单片机最小系统原理图所示。图317单片机最小系统原理图37本章小结电能收集充电器的硬件部分主要包括单片机最小系统和充电主电路两部分。单片机最小系统主要由单片机C8051F330和键盘显示芯片ZLG7289组成，而
40、充电主电路的核心为DC/DC变换芯片MC34063。单片机通过检测电压与电流来判断当前的充电模式，并通过数字电位器来调整输出电压。检测电压使用分压的方式，检测电流使用差分比例放大电路。4系统软件设计41系统软件总体流程图主程序在运行后首先要对330单片机进行初始化。初始化程序主要完成对系统时钟、I/O口及交叉开关、ADC和ZLG7289的初始化。在“系统时钟初始化”中将系统时钟初始化为片内的245MHZ/8；在“I/O口及交叉开关初始化”中将P00、P10、P11、P12、P13配置为模拟输入并被交叉开关跳过；在“定时器2初始化”中，定时器2工作在16位自动重装载方式,选择时钟为系统时钟/12
41、，且定时时间为1MS；在“ADC初始化”中将ADC设置为单端工作方式，A/D转换速率设为200K且数据右对齐，基准电压设为内部基准244V；在“中断初始化”中，CPU中断使能，同时允许AD0INT标志的中断请求。主程序在初始化之后对当前的充电电流和电压进行采样，然后根据采样得到的数据判断当前的充电模式。充电模式有三种涓流充电、恒流充电和恒压充电。在每一阶段的充电完成之后判断整个充电过程是否结束，如果没有，则再检测电压和电流，判断下一个充电模式。如图418系统软件总体流程图所示。开始系统初始化电压检测电流检测判断当前充电模式涓流充电恒流充电恒压充电充电结束否充电结束是图418系统软件总体流程图4
42、2初始化程序设计初始化程序主要完成对系统时钟、I/O口及交叉开关、ADC和ZLG7289的初始化。在“系统时钟初始化”中将系统时钟初始化为片内的245MHZ/8；在“I/O口及交叉开关初始化”中将P00、P10、P11、P12、P13配置为模拟输入并被交叉开关跳过；在“定时器2初始化”中，定时器2工作在16位自动重装载方式,选择时钟为系统时钟/12，且定时时间为1MS；在“ADC初始化”中将ADC设置为单端工作方式，A/D转换速率设为200K且数据右对齐，基准电压设为内部基准244V；在“中断初始化”中，CPU中断使能，同时允许AD0INT标志的中断请求。流程图如图419初始化程序流程图所示。
43、开始系统时钟初始化I/O口及交叉开关初始化ADC初始化ZLG7289初始化主函数定时器2初始化中断初始化图419初始化程序流程图43电压检测程序电压检测完成对充电电压的检测和转换。首先要通过特殊功能寄存器选择ADC的输入通道，这里选择ADC的正通道为P10，负通道接地，采用单端输入方式。电压采样的精度对于充电模式的判断及选择有着重要的影响，因此在程序中应该采取措施尽量减小误差。多次采样后取平均值的方法是一种简单有效的方法，软件实现也很简单。考虑到单片机的内存有限，这里选择采样10次取平均值。如果采样次数还不到10次，则继续采样；如果已经采样10次，则计算出平均值。采样数值与所检测电压之间的关系
44、如式321所示。程序流程图如图420电流检测程序流程图所示。开始ADC正通道选择电压数据采样采样次数小于10次取10次平均值结束是否图420电流检测程序流程图44电流检测程序电流检测完成对充电电流的检测和转换。首先也是要通过特殊功能寄存器AMXOP和AMXON选择ADC的输入通道，这里选择ADC的正通道为P11，负通道同样接地，采用单端输入方式。电流采样的精度对于充电模式的判断及选择同样有着重要的影响，因此在程序中应该采取措施尽量减小误差。同电压检测一样，这里选择采样10次取平均值的方法。如果采样次数还不到10次，则继续采样；如果已经采样10次，则计算出平均值。采样数值与所检测电流之间的关系如
45、式322所示。程序流程图如图421电流检测程序流程图所示。开始ADC正通道选择电流数据采样采样次数小于10取10次平均值结束是否图421电流检测程序流程图45最大功率点跟踪MPPT的实现最大功率点跟踪是电能收集充电器的核心功能，在软件实现时要保证最大功率点跟踪的有效、稳定和正确，同时计算尽量少，编写软件要相对简单。固定电压法、爬山法和电导增量法这三种常用方法中显然爬山法更加符合要求。爬山法实现MPPT的软件流程图如图45所示。首先检测电压电流，计算当前输出功率。然后增大输出电压，同样检测电压电流并计算输出功率，比较前次和后次功率大小。若前次小于后次，则继续增大输出电压；若前次大于后次，则减小输
46、出电压。这样工作点就会一直向着最大功率点移动，直到工作点保持在最大功率点附近。为了防止干扰使程序产生误判，需要连续3次输出电压增大而功率减小才能确定3次之前的工作点是最大功率点。MPPT程序流程图如图422MPPT程序流程图所示。开始电压、流检测并计算当前功率增大输出电压电压、流检测并计算当前功率前次功率小于后次减小输出电压是次数大于3否否回退3步即是最大功率点是结束图422MPPT程序流程图46充电模式判断与选择当前应该进行的充电模式根据当前检测到的电压和电流进行判断。若电压小于3V，进行涓流充电模式；电压大于3V而小于4158V，进行恒流充电；电压大于4158V且电流大于50MV,进行恒压
47、充电；电压大于4158V且电流小于50MV,则充电结束。软件流程图如图423充电模式判断与选择流程图所示。开始充电结束电压小于3V电压大于3V且小于4158电压大于4158V且电流0M涓流充电恒流充电恒压充电是是是否否否图423充电模式判断与选择流程图47本章小结主程序在运行后首先要对330单片机进行初始化。初始化程序主要完成对系统时钟、I/O口及交叉开关、ADC和ZLG7289的初始化。主程序在初始化之后对当前的充电电流和电压进行采样，然后根据采样得到的数据判断当前的充电模式。充电模式有三种涓流充电、恒流充电和恒压充电。在每一阶段的充电完成之后判断整个充电过程是否结束，如果没有，则再检测电压
48、和电流，判断下一个充电模式。爬山法实现MPPT首先要检测电压电流，计算当前输出功率。然后增大输出电压，同样检测电压电流并计算输出功率，比较前次和后次功率大小。若前次小于后次，则继续增大输出电压；若前次大于后次，则减小输出电压。这样工作点就会一直向着最大功率点移动，直到工作点保持在最大功率点附近。为了防止干扰使程序产生误判，需要连续3次输出电压增大而功率减小才能确定3次之前的工作点是最大功率点。5系统调试及测试51硬件调试本设计主要由C8051F330最小系统板和充电电路两部分组成，主要需要调试的是充电电路部分。（1）在充电电路中，难点之一就是如何准确地测量小于50MA的电流。为了降低功耗，本设
49、计的电流采样电阻定为高精度的01。若有50MA的电流流过，则采样电阻两端的电压只有5MV。我原先使用的是单电源运放组成的差分比例电路来放大电压，结果发现在电流小于150MA以下时运发不能正常工作，电流大于150MA时工作也不理想。后来发现单电源运放在输入电压低于一定值时输出电压线性度会严重变坏。表52LM358测试数据为测试数据，测试芯片为LM358，测试电路为电压跟随电路和正向比例放大电路。图524放大倍数为1时放大倍数随输入电压变化的曲线图、图525放大倍数为5时放大倍数随输入电压变化的曲线图和图526放大倍数为10时放大倍数随输入电压变化的曲线图为放大倍数随输入电压变化的曲线图。表52LM358测试数据设定放大倍数输入电压输出电压输出电压/输入电压110000929093105080472093101075009970931005020046509310010000092092100050000450901000290002709310001100027245100001000272700502031014985010440520498500497024749750010200498488500045002144765000100
