1、 1 前言 随着越来越多的手持式电器的出现，对高性能、小尺寸、重量轻的电池充电器的需求也越来越大。电池技术的持续进步也要求更复杂的充电算法以实现快速、安全的充电。因此需要对充电过程进行更精确的监控，以缩短充电时间、达到最大的电池容量，并防止电池损坏。 AVR 已经在竞争中领先了一步，被证明是下一代充电器的完美控制芯片。 Atmel AVR 微处理器是当前市场上能够以单片方式提供Flash、 EEPROM 和 10 位 ADC的最高效的 8 位 RISC 微处理器。由于程序存储器为 Flash，因此可以不用象 MASK ROM一样， 有几个软件版本就库存几种型号。 Flash 可以在发货之前再进
2、行编程，或是在 PCB贴装之后再通过 ISP 进行编程，从而允许在最后一分钟进行软件更新。EEPROM 可用于保存标定系数和电池特性参数，如保存充电记录以提高实际使用的电池容量。 10位 A/D 转换器可以提供足够的测量精度，使得充好后的容量更接近其最大容量。而其他方案为了达到此目的，可能需要外部的 ADC，不但占用 PCB 空间，也提高了系统成本。 AVR 是目前唯一的针对 像 “ C” 这样的高级语言而设计的 8 位微处理器。 C 代码似的 设计很容易进行调整以适合当前 和未来的电池， 而 本次智能型充电器显示程序的编写 则 就 是用 C语言写的。 2 第一章 概述 第一节 绪论 1.1.
3、1 课题背景 如今，随着越来越多的 手持式电器的出现，对高性能、小尺寸、重量轻的电池充电器的需求也越来越大。电池技术的持续进步也要求更复杂的充电算法以实现快速、安全的充电。因此需要对充电过程进行更精确的监控，以缩短充电时间、达到最大的电池容量，并防止电池损坏。 与此同时，对充电电池的性能和工作寿命的要求也不断地提高。从 20世纪 60年代的商 用镍镉和密封铅酸电池到近几年的镍氢和锂离子技术，可充电 电池容量和性能得到了飞速的发展。 目前各种电器使用的充电电池主要有镍镉电池（ NiCd）、镍氢电池（ NiMH）、锂电池（ Li-Ion） 和密封铅酸电池（ SLA）四种类型。 电池充电是通过逆向化
4、学反应将能量存储到化学系统里实现的。由于使用的化学物质的不同，电池有自己的特性。设计充电器时要仔细了解这些特性以防止过度充电而损坏电。 目前，市场上卖得最多的是旅行充电器，但是严格从充电电路上分析，只有很少部分充电器才能真正意义上被称为智能充电器，随着越来越多的手持式电器的出现，对高性能、小尺寸、轻重量的电池充电器的需求也越 来越大。电池技术的持续进步也要求更复杂的充电算法以实现快速、安全地充电，因此，需要对充电过程进行更精确地监控 (例如对充、放电电流、充电电压、温度等的监控 )，以缩短充电时间，达到最大的电池容量，并防止电池损坏。因此，智能型充电电路通常包括了 恒流恒压控制环路、电池电压监
5、测电路、电池温度检测电路、外部显示电路 (LED 或 LCD 显示 )等基本单元。其框图如下： 3 图 1-1 智能充电器基本框图 Atmel AVR 微处理器是当前市场上能够以单片方式提供 Flash、EEPROM 和 10 位 ADC的最高效的 8 位 RISC 微处理器。由于程序存储器为 Flash，因此可以不用象 MASK ROM一样，有几个软件版本就库存几种型号。 Flash 可以在发货之前再进行编程，或是在 PCB贴装之后再通过 ISP 进行编程，从而允许在最后一分钟进行软件更新。 EEPROM 可用于保存标定系数和电池特性参数，如保存充电记录以提高实际使用的电池容量。 10位 A
6、/D 转换器可以提供足够的测量精度，使得充好后的容量更接近其最大容量。而其他方案为了达到此目的，可能需要外部的 ADC，不但占用 PCB 空间，也提高了系统成本。 AVR 是目前唯一的针对象 “C” 这样的高级语言而设计的 8 位微处理器。 1.1.2 常见充电电池特性及其充电方式 电池充电是通过逆向化学反应将能量存储到化学系统里实现4 的，由于使用的化学物质的不同，电池的特性也不同，其充电的方式也不大一样。 电池的安全充电 现代的快速充电器 ( 即电池可以在小于 3 个小时的时间里充满电，通常是一个小时 ) 需要能够对单元电压、充电电流和电池温度进行精确地测量，在充满电的同时避免由于过充电造
7、成的损坏。 充电方法 SLA 电池和锂电池的充电方法为恒定电压法要限流； NiCd 电池 和 NiMH 电池的充电方法为恒定电流法，且具有几个不同的停止充电的判断方法。 最大充电电流 最大充电电流与电池容量 (C) 有关。最大充电电流往往以电池容量的数值来表示。例如，电池的容量为 750 mAh，充电电流为 750 mA，则充电电流为 1C (1 倍的电池容量 )。若涓流充电时电流为 C/40，则充电电流即为电池容量除以 40。 过热 电池充电是将电能传输到电池的过程。能量以化学反应的方式保存了下来。但不是所有的电能都转化为了电池中的化学能。一些电能转化成了热能，对电池起了加热的作用。当电池充
8、满后，若继续充 电，则所有的电能都将转化为电池的热能。在快速充电时这将使电池快速升温，若不及时停止充电就会造成电池的损坏。因此，在设计电池充电器时，对温度进行监控并及时停止充电是非常重要的。 现代消费类电器主要使用如下四种电池： 密封铅酸电池 (SLA) 镍镉电池 (NiCd) 镍氢电池 (NiMH) 锂电池 (Li-Ion) 在正确选择电池和充电算法时需要了解这些电池的背景知识。 密封铅酸电池 (SLA) 密封铅酸电池主要用于成本比空间和重量更重要的场合，如 UPS和报警系统的备份电池。 SLA 电池以恒定电压进行 充电，辅以电流限制以避免在充电过程的初期电池过热。只要电池单元电压不超过生产
9、商的规定 ( 典型值为 2.2V)， SLA 电池可以无限制地充电。 镍镉电池 (NiCd) NiCd 电池目前使用得很普遍。它的优点是相对5 便宜，易于使用；缺点是自放电率比较高。典型的 NiCd 电池可以充电 1000 次。失效机理主要是极性反转。在电池包里第一个被完全放电的单元会发生反转。为了防止损坏电池包，需要不间断地监控电压。一旦单元电压下降到 1.0V 就必须停机。 NiCd 电池以恒定电流的方式进行充电。 镍氢电池 (NiMH) 在轻重量 的手持设备中如手机、手持摄象机，等等镍氢电池是使用最广的。这种电池的容量比 NiCd 的大。由于过充电会造成 NiMH 电池的失效，在充电过程
10、中进行精确地测量以在合适的时间停止是非常重要的。和 NiCd 电池一样，极性反转时电池也会损坏。 NiMH 电池的自放电率大概为 20%/ 月。和 NiCd 电池一样，NiMH 电池也为恒定电流充电。 锂电池 (Li-Ion) 和本文中所述的其他电池相比，锂电池具有最高的能量 / 重量比和能量 / 体积比。锂电池以恒定电压进行充电，同时要有电流限制以避免在充电过程的初期电池过热。当充 电电流下降到生产商设定的最小电流时就要停止充电。过充电将造成电池损坏，甚至爆炸。 1.1.3 主要芯片的选择 ATMEL公司是世界上有名的生产高性能、低功耗、非易失性存储器和各种数字模拟 IC 芯片的半导体制造公
11、司。在单片机微控制器方面， ATMEL公司有 AT89, AT90 和 ARM 三个系列单片机的产品。由于8051 本身结构的先天 性不足和近年来各种采用新型结构和新技术的单片机的不断涌现，现在的单片机市场是百花齐放。 ATMEL 在这种强大市场压力下，发挥 Flash存储器的技术特长，于 1997年研发并推出了个新 配置的、采用精简指令集 RISC(Reduced Instruction Set CPU)结构的新型单片机，简称 AVR单 片机。 精简指令集 RISC结构是 20 世纪 90年代开发出来的，综合了半导体案成技术和软例 -性能的新结构。 AVR 单片机采用 RISC 结构，具有
12、1MIPS/ MHz的高速运行处理能力 。 为了缩短产品进入市场的时间，简化系统的维护和支持，对于由单片机组成的嵌入式系统来说，用高级语言编程已成为一种标准编程方法。 AVR结构单片机的开发日的就在于能够更好地采用高级语言（例如 C 语言、 BASIC语言）来编 写嵌6 入式系统的系统程序，从而能高效地开发出目标代码。为了对目标代码大小、性能及功耗进行优化， AYR单片机的结构中采用了大型快速存取寄存器组和快速的单周期指令系统。 AVR 单片机运用 Harvard 结构，在前一条指令执行的时候就取出现行的指令，然后以一个周期执行指令。在其他的 CISC以及类似的RISC 结构的单片机中，外部振
13、荡器的时钟被分频降低到传统的内部指令执行周期，这种分频最大达 12 倍 (8051)。 AVR单片机是用一个时钟周期执行一条指令的，它是在 8位单片机中第一个真正的 RISC结构的单片机。 由于 AVR 单片机采用了 Harvard结构，所以它的程序存储器和数据存储器是分开组织和寻址的。寻址空间分别为可直接访问 8M字节的程序存储器和 8M 字节的数据存储器。同时，由 32 个通用工作寄存器所构成的寄存器组被双向映射，因此，可以采用读写寄存器和读写片内快速 SRAM存储器两种方式来访问 32 个通用工作寄存器。 AVR 主要有单片机有 ATtiny、 AT90 和 ATmega 三种系列，其结
14、构和基本原理都相类似。本次设计所用到的 Atmega16L芯片便是 ATmega系列中的一种，在这里作为充电器的核心部件。它是一种具有 40 引脚的高性能、低功耗的 8位微处理器。其功能特性如下： (1) 8 位 CPU。 (2) 先进的 RISC 结构： 131 条指令 大多数指令执行时间为单个时钟周期 32个 8 位通用工作寄存器 全静态工作 (3) 非易失性数据和程序存储器： 16K 字节的系统内可编程 Flash，擦写寿命可达到 10,000 次以上 。 具有独立锁定位的可选 Boot代码区，通过片上 Boot程序实现系统内编程。 512 字节的 EEPROM，可连续擦写 100,00
15、0 次。 1K字节的片内 SRAM，可以对锁定位进行编程以实现用户程序的加密。 (4) 可通过 JTAG接口实现对 FLASH、 EEPROM的编程。 (5) 32个可编程的 I/O引线， 40引脚 PDIP封装。 7 (6) 两个具有独立预分频器和比较器功能的 8位定时器 / 计数器，一个具有预分频器、比较功能和捕捉功能的 16位定时器 / 计数器 。 (7) 片内 / 片外中断源。 (8) 具有一个 10位的 AD转换器，能对来自端口 A的 8位单端输入电压进行采样。 (9) 工作电压： 2.7 5.5V。 速度等级： 0 8MHz。 AVR 单片机的主要特点如下： 1.片内集成可擦写 1
16、0000 次以上的 Flash 程序存 储器。由于 AVR采用 16 位的指令，所以一个程序存储器的存储单元为 16 位，即XXXX*1116(也可理解为 8位，即 2*XXXX*8)。 AVR的数据存储器还是以 8 个 Bit(位 )为一个单元，因此 AVR还是属于 8位单片机。 2.采用 CMOS工艺技术，高速度 (50ns)、低功耗、具有 SLEEP(休眠 )功能。 AVR 的指令执行速度可达 50ns (20MHz)。 AVR运用 Harvard结构概念，具有预取指令的特性，即对程序存储和数据存取使用不同的存储器和总线。当执行某一指令时，下一指令被预先从程序存储器中取出，这使得指令可
17、以在每一个时钟周期内执行。 3.高度保密 (LOCK)。可多次擦写的 FLASH 具有多重密码保护锁死(LOCK)功能，因此可低成本高速度地完成产品商品化，并且可多次更改程序 (产品升级 )而不必浪费 1C或电路板，大大提高了产品的质量及竞争力。 4.超功能精简指令。具有 32 个通用作寄存器 (相当于 8051中的32 个累加器 )，克服了单一累加器数据处理造成的瓶须现象， 1284K字节 SRAM可灵活使用指令计算，并可用功能很强的 C语言编程，易学、易写、易移植。 5.程序写入器件可以并行写入 (用编程器写入 )，也可使用串行在线编 程 (ISP)方法下载写入，也就是说不必将单片机芯片从
18、系统上拆下，拿到万用编程器上烧写，而可直接在电路板上进行程序的修改、烧写等操作，方便产品升级，尤其是采用 SMD 封装，更利于产品微型化。 6.工作电压范围为 2.7V6.0V,电源抗干扰性能强。 8 7.AVR单片机还在片内集成了可擦写 100000次的 2E PROM数据存储器，等于又增加了一个芯片，可用于保存系统的设定参数、固定表格和掉电后的数据，既方便了使用，减小了系统的空间，又大大提高了系统的保密性。 8.有 8 位和 16 位的计数器定时器 (C/T)，可作比较器、计数器、外部中断和 PWM（也可作 D/A ）用于控制输出。 1.1.4 液晶显示模块 的选择 LCD 显示模块是一种
19、被动显示器，具有功耗低，显示信息大，寿命长和抗干扰能力强等优点，在低功耗的单片机系统中得到大量使用。 液晶显示模块和键盘输入模块作为便携式仪表的通用器件，在单片机系统的开发过程中也可以作为常用的程序和电路模块进行整体设计。液晶显示的原理是利用液晶的物理特性，通过电压对其显示区域进行控制，有电就显示黑色，这样即可显示出图形。 在单片机系统中使用液晶显示模块作为输出器 件有以下优点 : (1) 显示质量高 液晶显示器每一个点在收到信号后就一直保持那种色彩和亮度，恒定发光，因此液晶显示器画质高而且不会闪烁。 (2) 数字式接口 液晶显示器都是数字式的，和单片机系统的接口更加简单。 (3) 体积小，重
20、量轻 (4) 功率消耗小 液晶显示器的功耗主要消耗在其内部的电极和驱动 IC 上，因此耗电量 比其它显示器要小得多。 第二节 毕业设计任务和要求 智能充电器的设计包括硬件和软件两大部分，本人的主要任务是完成充电器设计的 LCD 显示部分，其主要涉及的知识包括： (1) 自学 AVR 单片机的相关内容。 (2) 设计电源电路。 (3) 设计 128*64 液晶显示控制电路和用 C 语言编制 LCD 显示程序，用图形方式显示充电器电压、电流等参数。 9 (4) 手工焊接和 ICCAVR 编译器的应用。 这次设计要解决的关键问题是如何用 Atmega16L 芯片控制 LCD模块及用 C 语言编制相应
21、的显示程序随着单片机的开发应用，其相应的汇编编程和所暴露的问题也越来越多，逐渐引入了高级语言，C 语言就是其中的一种。在大一时就曾接触过 C 语言，由于时间较短，重视程度不够，后来又一直没用过，只能对它有一个大概的了解。而对于 AVR 单片机的相关知识和液晶显示模块的使用，则完全是一片空白。这次毕业设计，就不 得不花大量的时间在这些基础知识的学习上。为了更有效地完成这个课题，特列出了如下计划： 表 1-1 毕业设计进度表 起止时间 工 作 内 容 第 12 周 熟悉课题的基本要求，查阅相关资料，初步拟定设计的整体方案，完成开题报告。 第 38 周 1. 自学这次课题所涉及的相关内容，包括 C
22、语言基础知识， AVR 单片机（主要是 Atmega16L芯片）和 ICCAVR 编译器的使用以及液晶显示的相关内容。并设计一些简单的实际电路，熟练所学内容并加以巩固。 2. 熟悉绘图软件 Protel99 的使用。 第 912 周 1. 设计 LCD 显示电路， 电源电路， 用 Protel99绘制原理图，和同学一起完成整个充电电路原理图，并绘制印制电路板。 2. 编写显示程序。 第 1315周 焊接调试电路，根据各部分的作用对硬件电路进行调试，最后联机调试。 最后数周 写毕业设计论文，完成全部毕业设计。 这次毕业设计是由郭伟同学和本人共同合作完成，由他完成充电部分的硬件电路的设计，和这边的显示部分相结合，共同完成智能充电器的设计。 10
