1、 本科毕业设计 （ 20 届） 智能充电器 所在学院 专业班级 通信工程 学生姓名 学号 指导教师 职称 完成日期 年 月 - 1 - 摘 要 随着电子技术的快速发展，越来越多的电子产品都朝着便携式和小型轻量化的方向发展，也使得更多的电子产品采用基于电池的供电系统。目前 ，较多使用的电池有镍镉、镍氢、铅蓄电池和锂电池。它们各自优缺点决定了它们在相当长的时间内将要共存发展。由于不同类型电池的充电特性不同，通常对不同类型，甚至不同电压、容量等级的电池使用不同的充电器，但在现实生活中，这造成了诸多不便。 本课题的毕业设计是一种基于单片机的锂离子电池充电器。在设计上，选择了简单、高效的硬件电路，并且设
2、计了稳定可靠的软件，详细说明了系统的硬件组成，包括单片机电路、充电电路、 A/D 转换及温度检测电路，并对本充电器的核心器件 AT89S52 单片机进行了较详细的介绍。以 C 语言为开发工 具，进行了详细设计和编码。因此，它实现了系统的可靠性、稳定性、安全性和经济性。 该智能充电器具有检测锂离子电池的状态功能，以满足充电电池的充电需要；充电器温度检测保护功能；充电状态显示的功能。在生活中帮助大家更好的维护了充电电池，延长了它的使用寿命。 关键词： 充电器； AT89S52 单片机；可充电电池；开关电源 - 2 - Abstract Electronic technologys fast dev
3、elopment causes various electronic products develop toward portable and the small lightweight direction, it also causes the more electrification products to use based on batterys power supply system. At this present, the many uses batteries have the nickel cadmium, the nickel hydrogen, the lead accu
4、mulator and the lithium battery. Their respective characteristic had decided they will coexist in a long time develop. The different type batterys charge characteristic is different, usually to different type, even different voltage, capacity rank batte ry use different battery charger, but this has
5、 many inconveniences in the actual use. This design is one kind lithium ion battery charger which is based on microcontroller, in the design, it has chosen succinctly, the highly effective hardware, the design stable reliable software, explained in detail systems hardware composition, including the
6、Microcontroller circuit, the charge control electric circuit, the A/D conversion and temperature detection circuit, and to this battery chargers core component - AT89S52microcontroller has carried on the detailed introduction. Take the C language as the development kit, the detailed design and the c
7、ode is given. The intelligence battery charger has the examination lithium ion batterys condition; Charger temperature testing protection function; The charge condition demonstrations function. The battery charger has made the better maintenance rechargeable battery in the life， and lengthened the r
8、echargeable batterys service life. Key words： Charger； AT89S52 microcontroller; Rechargeable battery; switching power supply; - 3 - 目 录 1 绪论 . 1 1.1 概述 . 1 1.2 充电电池的应用现状 . 1 1.3 充电器的设计背景及意义 . 1 1.4 智能充电器的发展及趋势 . 2 1.4.1 智能充电器的发展 . 2 1.4.2 智能充电器的趋势 . 2 2 充电电池的特性 . 4 2.1 充电电池的充电特性 . 4 2.2 充电过程与常用的充电方法
9、 . 5 2.2.1 电池的充电过程 . 5 2.2.2 常用的充电方法 . 6 2.3 充电器的充电终止控制技术 . 8 2.3.1 定时控制 . 8 2.3.2 电压控制 . 8 2.3.3 温度控制 . 8 2.3.4 综合控制法 . 8 3 单种充电器设计方案分析 . 10 3.1 镍镉电池充电器 . 10 3.2 常用的锂电池充电器 . 10 4 硬件设计 . 12 4.1 基本概况 . 12 4.2 电源变换电路 . 12 4.3PWM 技术的原理及应用 . 13 4.4 单片机 AT89S52 . 14 4.4.1AT89S52 . 14 - 4 - 4.4.2 主要性能 . 1
10、5 4.4.3 管脚简要说明 . 15 4.4.4 单片机的外围电路图 . 17 4.5 数据采样与转换电路 . 17 4.6 温度传感电路 . 19 4.7 显示电路 . 19 4.8 上位机通信模块 . 20 5 软件设计 . 20 5.1 编程语言的选择 . 21 5.2 设计环境的选择 . 21 5.3 总体设计的流程图 . 23 6 结论 . 23 致 谢 . 24 参考文献 . 25 附录 1 系统实物图 . 26 附录 2原理图 . 27 附录 3代码 . 27 - 1 - 1 绪论 1.1 概述 电能是当今世界最重要的能源形式。很难想象失去电能支撑的文明世界如何运行。在所有的动
11、力资源中，电能 使用最方便，适用范围最广，并且是清洁的。供人类使用的电能通过一些方法生产或收集得来的。世界上绝大部分的电能来自发电站，例如水电站、火力发电站和核电站，发电站是交流电网的源头。太阳光、风力、潮汐发电是自然能和电能之间的有效转换。而燃料电池、锂离子电池、镍氢电池、镍镉电池、铅酸蓄电池等是经过电化学反应而产生电能的固定或移动式电能的载体。 1.2 充电电池的应用现状 自蓄电池发明以来，已有一百多年了，目前广泛应用的可充电电池（二次电池）有镍镉电池、镍氢电池、铅酸电池和锂电池等。各种便携式电子设备，如笔记本电脑、移动 电话、摄像机、 MP3、 UPS 等，都离不开可充电电池，而且要求电
12、池轻、薄、短、小且容量大。可充电电池由于它的能量质量比、能量体积比和使用成本等指标都比一次电池显现出很多的优越性，所以可充电电池的充电管理成为一个重要问题。实践证明，对不同类型的可充电电池应该采用不同的充电控制方法，而可充电电池的适当充电方法，不仅可以确保可充电电池充足电，而且还可以有效地延长可充电电池的使用寿命，反之，则会使可充电电池发挥不了它应输出的电量，给电池的使用者带来不便，严重时，还会给用户带来不应有的损失。 综上，发展智能充电器可以有 效地解决这一方面的难题，还可以帮助人们解决日常生活中遇到的这些问题。 1.3 充电器的设计背景及意义 所谓智能充电器，是指可以对不同的可充电电池进行
13、充电，还能根据用户的需要自主选择充电方式，并且在充电过程中对被充电的电池进行保护，从而防止过电压、电流和温度过高的一种智能化充电器 1。 目前，由于常规充电技术不能适应各类新型电池的要求，因此严重影响电池的使用寿命。实践证明，免维修电池的浮充电压偏差 5%，浮充寿命将减少一半。- 2 - 锂离子电池的充电电压超过 4.1 50mV，将造成电池永久性损坏。如果采用 镍镉电池常用的 V检测法，控制镍氢电池快速充电，可能造成镍氢电池因严重过冲电而损坏。而智能型的充电器可以对可充电电池进行智能控制和选择，帮助我们在使用时可以尽量避免对电池的伤害，以保证我们日常生活的需要 2。 1.4 智能充电器的发展
14、及趋势 1.4.1 智能充电器的发展 充电器的发展经历了三个阶段。 1.限流限压式充电器 最开始的就是限压式充电，然后过渡到限流限压式充电，它使用的方式就是浅充浅放，其寿命表述就是时间，没有次数。 2.恒流 /限压式充电器 这是充电器发展的第二阶段，这种模 式的充电器占据了市场近半个世纪。首先，以恒电流充电至预定的电压值，然后，改为恒电压完成剩余的充电。一般两阶段之间的转换电压就是第二阶段的恒电压。这种充电器充电电流总是低于电池的可接受能力，造成充电效率低，大大降低了电池的寿命。 3.自适应智能充电器 随着大规模集成 IC 的出现。充电器设备进入了一个全新的自适应、智能阶段，即称为第三代充电器
15、。自适应充电器遵循各类电池的充、放电规律进行充、放电。并且具有温度补偿功能。充电系统由具有特殊功能的单片机控制，不断检测系统参数，按模糊推理算法不断调整充电参数，同一 充电器可适应不同种类电池的充电，充电器自适应调整自己的输出电流，无需人工选择。 1.4.2 智能充电器的趋势 电源技术发展到今天，已融汇了电子、功率集成、自动控制、材料、传感、计算机、电磁兼容、热工等诸多技术领域的精华。 同时，为了满足各类电池快速充电的不同要求，世界各国都在研究智能化快速充电技术。目前已研制出几十种各类电池快速充电控制集成电路，利用这些集成电路，很容易制作智能化快速充电器。尤其随着计算机技术的不断发展，计算机由
16、于它的计算能力强，有关数据易于存储、传输和修改，易于实现自动控制等一系列优 点，在各行各业得到了广泛的应用。目前在可充电电池的充电、放电管- 3 - 理中，广泛使用了计算机技术。而便于和 MCU/CPU 进行数据交换、处理的各种总线技术，例如位总线（ Bitbus）、系统管理总线（ SMBus）、集成电路之间数据交换总线（ I2C）和通用串行总线（ USB）等，在充电电池的充电、放电管理中得到广泛应用。 在计算机中，利用总线技术可以实现对电池电量状态，电池电量的使用时间、电池的剩余电量、电池是否正常等的管理及检测，进行有关电池工作状态数据的显示，当电池电量用完后，计算机可以自动关机，保存有关数
17、据。同样，在 目前得到普及的手机中，这些技术也得到了广泛的应用，极大地方便了用户的使用 3。所以，我们有理由相信。在不久的将来，随着制作工艺的更加纳米化和系统的微型集成化，将使智能充电器的应用领域和普遍性更加广泛，各种新技术在可充电电池充电、放电电路中的应用起到抛砖引玉的作用。 电能变换则是用电之门，是用好电的必由之路。电能变换主要表现在变压、调压、整流、滤波、稳定、变换等，而这些基本的电能变换是通过一系列的技术方法实现的，并且这些技术方法分别适用于不同的环境条件和要求。例如，常见的技术有参数稳压、磁放大器技术、数控调 压技术、相控技术、变频、 PWM、移相谐振、电流均分、驱动保护、电磁兼容等
18、等。随着这些技术的不断发展和进步，使电源装置能满足负载各种各样的需求。 - 4 - 2 充电电池的特性 2.1 充电电池的充电特性 对于镍镉电池来说，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。此后，电池开始接受电荷，电池电压以较低的速率持续上升。在这个范围内，电化学反应以一定速率产生氧气，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。 经过一些时间后，电解液中会产生气泡，这些气泡聚集在极 板表面，使极板的有效面积减少，所以电池的内阻抗增加，电池电压开始较快上升。这是接近充足电的信号。充足电后，充入电池的电流不是转换为电池的贮能，而是在
19、正极板上产生氧气超电位。氧气是由于电解液电解而产生的，不是由于氢氧化镉还原为镉而产生的。在氢氧化钾和水组成的电解液中，氢氧根离子变成氧、水和自由电子。虽然电解液差生的氧气能很快在负极板表面的电解液中复合，但是电池的温度还是显著升高。由于从大量的氢氧离子中比从很少的氢氧化镉中更容易分解出氧气，所以电池内的温度急剧上升，这样就使电池电压下降 4。电池的电压于是曲线 出现峰值。 镍氢电池的充电特性与镍镉电池类似，充电过程中两者的电压、温度曲线相似 (图 2-1)。可以看出，充点终止时，镍镉电池电压下降比镍氢电池大得多。当电池容量达到额定容量的 80%以前，镍氢电池的温度缓慢上升，当电池容量达到90%
20、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速率基本相同。 以含锂的化合物作正极的锂电池，在充放电过程中，没有金属锂存在，只有锂离子，这就是锂离子电池。当对电池进行充电时，电池的正极上有锂离子生成，生成的锂离子经过电解液运动到负极。而作为负极的碳呈 层 状结构 ，它有很多微孔，达到负极的锂离子就嵌入到碳层的微孔中，嵌入的锂离子越多，充电 容量越高。同样，当对电池进行放电时（即我们使用电池的过程），嵌在负极碳层中的锂离子脱出， 又运动回正极。回正极的锂离子越多，放电容量越高。我们通常所说的电池容量指的就是放电容量 5。在 Li-ion的充放电过程中，锂离子处于从
21、正极负极正极的运动状态。其曲线如图 2-2。 - 5 - 图 2-1 镍镉 /镍氢电池充电电压曲线 图 2-2 锂电池的充电曲线 2.2 充电过程与常用的充电方法 2.2.1 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、涓流充电四个阶段 6。下面对于四个阶段进行解释。 对于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，这个阶段成为预充电。 快速充电就是用大电流充电，迅速恢复电池的电能。快速充电速率一般在1C以上，快速充电时间由电池的容量和充电速率所决定。 为了避免过充 电，一些充电器采用小电流充电。镍镉电池正常充电时，可以
