大學(xué)畢業(yè)設(shè)計(jì)基于單片機(jī)的智能電池充電器的設(shè)計(jì)

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1、基于單片機(jī)的智能電池充電器的設(shè)計(jì)I基于單片機(jī)的智能電池充電器的設(shè)計(jì)摘摘 要要由于以往的充電器不能根據(jù)電池的充電狀態(tài)進(jìn)行數(shù)據(jù)分析，采取相應(yīng)的電池充電模式，而是一直采用大電流充電，極易造成電池的極化現(xiàn)象，導(dǎo)致電池充電效率較低，使用壽命縮短?；谏鲜鲈虮疚脑O(shè)計(jì)了一種基于單片機(jī)的智能電池充電器，該充電器是由 ADuC824 單片機(jī)控制，根據(jù)充電電池的充電狀態(tài)輸出一定的 PWM 脈沖波，進(jìn)而采用涓流充電，恒流充電，恒壓充電和浮充電等四個(gè)階段對(duì)鉛酸蓄電池充電，并且可以通過(guò)單片機(jī)的輸出端口顯示當(dāng)前的充電狀態(tài)，在充電結(jié)束時(shí)自動(dòng)終止充電，蜂鳴器發(fā)出報(bào)警聲，提醒用戶電池已經(jīng)充滿，實(shí)現(xiàn)電池充電的智能化。關(guān)鍵詞 智

2、能充電器 ADuC824 TL494 鉛酸蓄電池基于單片機(jī)的智能電池充電器的設(shè)計(jì)IIDESIGN OF INTELLIGENT CHARGER BASED ON SINGLE-CHIP MICROCOMPUTERABSTRACTIn the past, as the charger cannot be based on the status of rechargeable battery data to analysis it cannot be carried out the mode, which is suitable. It has been using a high-current

3、charge, which is result in more lower efficient for battery charger, reduces service life. Because of it, I design an intelligent charger, which is controlled by single-chip microcomputer. According to the state of battery, ADuC824 single-chip microcomputer will control and output a PWM pulse, in tu

4、rn, lead-acid battery will be charged through to four-stage charge such as trickle charge, constant current charging, constant voltage charging and floating charge, it can also show the current charging phase through the output terminal of single-chip microcomputer and can terminate charging automat

5、ically. A warning buzzer will sound to remind the user that it is already full of batteries. KEY WORDS intelligent battery charger ADuC824 TL494 lead-acid battery基于單片機(jī)的智能電池充電器的設(shè)計(jì)目 錄摘要.ABSTRACT.1 緒論.11.1 研究背景.11.2 充電技術(shù)的發(fā)展概述.11.3 充電器的技術(shù)水平、現(xiàn)狀及發(fā)展趨勢(shì).22 鉛酸蓄電池的工作原理及充放電過(guò)程.32.1 鉛酸蓄電池的基本概念.32.2 鉛酸蓄電池的工作原理.62.

6、2.1 鉛酸蓄電池電動(dòng)勢(shì)的產(chǎn)生.62.2.2 鉛酸蓄電池放電過(guò)程的電化反應(yīng).62.2.3 鉛酸蓄電池充電過(guò)程的電化反應(yīng).72.2.4 鉛酸蓄電池充放電后電解液的變化.72.3 蓄電池的充電工作特性.72.4 充電終止條件控制方法.122.4.1 電壓控制.122.4.2 定時(shí)控制.132.4.3 溫度控制.142.5 智能充電器的充電過(guò)程.143 智能充電器的硬件設(shè)計(jì).153.1 智能充電器的總體設(shè)計(jì)要求及設(shè)計(jì)方案.15基于單片機(jī)的智能電池充電器的設(shè)計(jì)3.2 單片機(jī)部分.163.2.1 ADuC824 的介紹.163.2.2 單片機(jī)電路部分.213.3 充電電路設(shè)計(jì)部分.223.3.1 充電電

7、路電源部分.223.3.2 控制電路.223.3.3 檢測(cè)電路.254 智能充電器的軟件設(shè)計(jì).284.1 主程序軟件設(shè)計(jì).294.2 子程序軟件設(shè)計(jì).305 結(jié)論.32致謝.33參考文獻(xiàn).34附錄.35附錄 1 總電路圖.35附錄 2 源程序.36 基于單片機(jī)的智能電池充電器的設(shè)計(jì)1 11 緒論1.1 研究背景早在六、七十年代，西方經(jīng)濟(jì)發(fā)達(dá)國(guó)家為了保護(hù)環(huán)境就已經(jīng)開(kāi)始研制各種各樣的綠色能源來(lái)代替汽油和柴油，但是，受到蓄電池，電控等關(guān)鍵部件的性能、壽命以及高性能的充放電設(shè)備等的制約，一直未得到長(zhǎng)足的發(fā)展。到了八、九十年代，由于大容量、長(zhǎng)壽命蓄電池的大批量的生產(chǎn)及大功率晶體管的研制成功和計(jì)算機(jī)應(yīng)用技

8、術(shù)的廣泛應(yīng)用，使綠色能源得到長(zhǎng)足的發(fā)展，近期一些公司聲明他們將首先實(shí)現(xiàn)綠色能源計(jì)劃，其中就包含大量電動(dòng)汽車(chē)。隨著國(guó)際、國(guó)內(nèi)對(duì)環(huán)保要求的越來(lái)越高，對(duì)內(nèi)燃車(chē)輛的排放要求也越來(lái)越高，這樣對(duì)綠色能源的需求越來(lái)越迫切，勢(shì)必會(huì)蓄電池電動(dòng)車(chē)輛的使用量大幅度增加。1.2 充電技術(shù)的發(fā)展概述 對(duì)于鉛酸蓄電池來(lái)講，傳統(tǒng)的充電方式有恒流限壓充電和恒壓限流充電。這兩種充電方式的特點(diǎn)及存在的問(wèn)題如下：（1） 恒流限壓充電充電時(shí)自始至終以恒定不變的電流進(jìn)行充電，該電流可以通過(guò) PWM 來(lái)調(diào)整，這種方式實(shí)現(xiàn)起來(lái)比較簡(jiǎn)單方便，易于做到。特別適合由許多電池串聯(lián)起來(lái)的蓄電池組。蓄電池組中個(gè)別落后電池進(jìn)行完全充電，恢復(fù)其容量，這時(shí)

9、最好用小電流長(zhǎng)時(shí)間的充電模式。恒流充電方式的不足之處在于：開(kāi)始充電階段電流過(guò)小，在充電中后期電流又過(guò)大，析出氣體多，對(duì)危害較大，能耗高。鉛酸蓄電池不宜采用這種方式。因此，人們?cè)诤懔鞒潆姺绞降幕A(chǔ)上進(jìn)行了改進(jìn)，即采用恒流限壓充電方式。為避免過(guò)充電，在充電后期采用限壓措施，減小充電電流，避免損壞電池。（2） 恒壓限流充電恒壓充電初期充電電流很大，隨著充電進(jìn)行，電流逐漸減小，在充電終期只有很小的電流通過(guò)，這樣，在充電過(guò)程中就不必要調(diào)整電流。隨著蓄電池端電壓升高，基于單片機(jī)的智能電池充電器的設(shè)計(jì)2 2充電電流會(huì)自動(dòng)下降，所以析氣量少，充電時(shí)間較長(zhǎng)，能耗較低。它的缺點(diǎn)是：充電初期，如果蓄電池放電深度過(guò)大

10、，充電電流會(huì)很低，后期充電電流又過(guò)小，充電時(shí)間長(zhǎng)；此外蓄電池端電壓的變化也很難補(bǔ)償，充電過(guò)程中對(duì)落后的電池完全充電也很難完成，為了彌補(bǔ)恒壓充電的不足，在恒壓充電的基礎(chǔ)上進(jìn)行了改進(jìn)，當(dāng)充電電流較高的時(shí)候（如電池嚴(yán)重虧電，漏電，負(fù)荷過(guò)重等）這時(shí)應(yīng)采取限流措施，保持電流不超過(guò)某一設(shè)定值而使電壓降低，待電流降低，電壓升起后再穩(wěn)壓，這就是恒壓限流的含義。單獨(dú)采用恒流充電限壓充電和恒壓限流充電等模式對(duì)鉛酸蓄電池進(jìn)行充電，蓄電池的充電效果不是很理想。一方面這些充電方式充電時(shí)間過(guò)長(zhǎng)，不能適應(yīng)現(xiàn)代生產(chǎn)和生活的需要。另一方面，充電技術(shù)不能適應(yīng)蓄電池的特殊要求，會(huì)嚴(yán)重影響蓄電池的使用壽命。國(guó)內(nèi)外多年來(lái)的實(shí)踐證明，鉛

11、酸蓄電池浮充電壓偏差 5%，電池的浮充壽命將減少一半。統(tǒng)計(jì)數(shù)據(jù)聲明，國(guó)內(nèi)蓄電池的平均壽命為 1.5 年（可充 400次） ，國(guó)外同型號(hào)蓄電池壽命一般為四年（可充 1000 次）如果充電質(zhì)量不好以及用戶使用維護(hù)保養(yǎng)跟不上，許多電池在使用一年后即報(bào)廢，造成很大的經(jīng)濟(jì)損失，蓄電池價(jià)格占整機(jī)價(jià)格的 20%，國(guó)外同容量電池價(jià)格則為國(guó)產(chǎn)蓄電池價(jià)格的 23 倍。因此，充電質(zhì)量的好壞，直接影響到蓄電池的技術(shù)狀態(tài)及使用壽命。1.3 充電器的技術(shù)水平、現(xiàn)狀及發(fā)展趨勢(shì)隨著蓄電池電動(dòng)車(chē)的迅猛發(fā)展，對(duì)充電器的要求越來(lái)越高，從開(kāi)始的單純充足，到目前的延長(zhǎng)蓄電池壽命，減少能源消耗，充電器的功能已發(fā)生了質(zhì)的飛越?，F(xiàn)在國(guó)外已研

12、制成功只要用一小時(shí)就可以充滿蓄電池的大功率充電器，在體積上也越來(lái)越小，現(xiàn)在最小的大功率充電器只有一個(gè)書(shū)包大小。在我國(guó)的研究發(fā)展比較晚，因其體積小，動(dòng)態(tài)響應(yīng)速度快，輸出紋波小，效率高等特點(diǎn)，近年來(lái)得到國(guó)內(nèi)外的廣泛研究與關(guān)注，特別在通信，電力等領(lǐng)域中，已經(jīng)得到了普遍的研究和使用，但對(duì)于相控電源來(lái)說(shuō)，它的價(jià)格比較高，而且功率器件的發(fā)熱量也較高，所以，在電力系統(tǒng)中的大功率場(chǎng)合，相控式的充電器仍然占有較大比重。而國(guó)外市場(chǎng)大部分充電器均采用 Wa，WaWo，U&U 等充電曲線方式更科學(xué)，合理，從而大大提高了蓄電池的使用壽命，大大降低了使用和維護(hù)成本，簡(jiǎn)化了充基于單片機(jī)的智能電池充電器的設(shè)計(jì)3 3電過(guò)程，解

13、放了操作人員的勞動(dòng)強(qiáng)度，市場(chǎng)前景非常廣闊。近年來(lái)，國(guó)內(nèi)外人士正致力于充電器的智能化研究，智能化程度較高的充電器解決了動(dòng)態(tài)跟蹤電池可接受充電電流曲線的技術(shù)關(guān)鍵，使充電電流始終與可接受充電電流保持良好的匹配關(guān)系，使充電過(guò)程始終在最佳狀態(tài)下進(jìn)行，比常規(guī)充電模式可節(jié)約電能 30%-50%左右，提高了充電質(zhì)量和效率，充電工人只擔(dān)任輔助性工作，為充電技術(shù)和充電設(shè)備的智能化發(fā)展闖出了一條新路。隨著鉛酸蓄電池在人們生活中的應(yīng)用越來(lái)越普遍，智能型充電器的智能要求也越來(lái)越高，本次的課題就是對(duì)智能電池充電器的設(shè)計(jì)和研究。2 鉛酸蓄電池的工作原理及充放電過(guò)程2.1 鉛酸蓄電池的基本概念由于蓄電池的充放電本身涉及到許多

14、相關(guān)的專(zhuān)業(yè)知識(shí)，為了能夠更好的理解本課題，本節(jié)將要簡(jiǎn)單介紹有關(guān)的鉛酸蓄電池一些知識(shí)。（1） 蓄電池容量蓄電池容量是指在一定條件下可以從蓄電池獲得的電量（用 C 表示） ，單位常用安培小時(shí)(Ah)表示，是蓄電池性能的重要指標(biāo)。容量分為理論容量、實(shí)際容量和額定容量。理論容量（Co）是假設(shè)活性物質(zhì)全部參加放電反應(yīng)給出的容量。實(shí)際容量（C）是在一定放電條件下蓄電池實(shí)際放出的容量。額定容量（C額）是在設(shè)計(jì)和生產(chǎn)蓄電池時(shí)，規(guī)定或保證在指定的放電條件下蓄電池應(yīng)放出的最低限度的電量。蓄電池容量除了與極板表面進(jìn)行的電化學(xué)反應(yīng)的物質(zhì)數(shù)量有關(guān)外，還與極板表面活性物質(zhì)的利用率、孔率、極板厚度、極板的表面積有關(guān)。此外還

15、受電解液密度、溫度、放電條件（即：充電程度、放電率等） 、蓄電池新舊程度等影響。在使用過(guò)程中，容量受放電率、電解液溫度的影響是主要的。當(dāng)放電率較小，電壓下降緩慢，蓄電池實(shí)際放出的電量較高，當(dāng)放電率變大時(shí)，電壓下降變快，蓄電池實(shí)際放出的電量較低。在一定范圍內(nèi)，電解液溫度高，蓄電池的活性增加，內(nèi)阻變小，容量變高，電解液溫度低時(shí)，蓄電池的活性降低，內(nèi)阻變大，容量降低?；趩纹瑱C(jī)的智能電池充電器的設(shè)計(jì)4 4（2） 蓄電池的內(nèi)阻（）內(nèi)R內(nèi)阻（）又稱(chēng)全內(nèi)阻，是指電流通過(guò)蓄電池時(shí)所受到得阻力，包括歐姆電阻內(nèi)R和電化學(xué)反應(yīng)中電極極化產(chǎn)生的電阻，即： =+ 內(nèi)RRfR（2.1）歐姆電阻（）：包括電極材料、電解液

16、、隔板等組成的電阻，還與電池的尺R寸、裝配、結(jié)構(gòu)等因素有關(guān)。極化電阻（）：包括蓄電池使用過(guò)程中濃差極化和電化學(xué)極化產(chǎn)生的電阻之fR和。主要與電極材料的本性、電極的結(jié)構(gòu)和制造工藝以及使用條件等因素有關(guān)。內(nèi)阻越小，在同樣的放電條件可以消耗較少的電能，輸出較多的電能，提高電能利用率，從而提高蓄電池性能。（3） 充電速率和放電速率為了對(duì)不同容量的電池加以比較，蓄電池的充電電流不用電流的絕對(duì)值來(lái)表示，而是用電池的額定容量 C 額和放電時(shí)間 T 的比來(lái)表示，稱(chēng)為電池的充電速率或放電速率。國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定，鉛酸蓄電池的額定容量按 5 小時(shí)連續(xù)放電來(lái)表示，即 C5，例如一個(gè)額定容量 C5為 10Ah 的電池，充電

17、 5 小時(shí)后，電池完全充滿，則它的充電電流為： （2.2）552 . 05CCI即它的充電速率為 0.2C5；若用 10 小時(shí)就達(dá)到充滿狀態(tài)，則它的充電電流為 （2.3）55100.1ICC即它的充電速率為 0.1C5。（4） 充電終止電壓和放電終止電壓蓄電池充足電時(shí)，極板上的活性物質(zhì)已達(dá)到飽和狀態(tài)，再繼續(xù)充電，蓄電池的電壓也不會(huì)上升，此時(shí)的電壓稱(chēng)為充電終止電壓。放電終止電壓是指蓄電池可放電的最低電壓，如果電壓低于放電終止電壓后繼續(xù)放電，電池兩端電壓會(huì)迅速下降，形成過(guò)放電。這極易對(duì)電池造成永久性損害，影響蓄電池的使用壽命。放電終止電壓和放電率有關(guān)。（5） 電池的過(guò)充電基于單片機(jī)的智能電池充電器

18、的設(shè)計(jì)5 5當(dāng)高速率充電而又不能及時(shí)地在滿充電后結(jié)束充電過(guò)程，電池則很容易存在大電流過(guò)充的問(wèn)題。過(guò)充電會(huì)使電池內(nèi)部的溫度和電壓都急劇上升，造成對(duì)電池的損害。這是因?yàn)樵谶^(guò)充電階段電池內(nèi)部所進(jìn)行的反應(yīng)為消耗反應(yīng)，它會(huì)增大電池內(nèi)部的壓力，同時(shí)，由于氧氣的產(chǎn)生和吸收都是放熱反應(yīng)，這就使電池溫度迅速上升。因此在電池充電接近滿充電時(shí)，只能采用低速率充電。這是因?yàn)殡姵卦诘碗娏鬟^(guò)充電時(shí)所產(chǎn)生的極化現(xiàn)象較輕，同時(shí)電池的熱量可以及時(shí)地向空中散發(fā)，基本上不會(huì)對(duì)電池造成傷害。（6） 電池的極化現(xiàn)象由于蓄電池內(nèi)阻并不是純電阻，所以蓄電池的端電壓也與其他電源有所不同。該值與蓄電池的工作狀態(tài)有關(guān)，它一般有三種狀態(tài)的值： 當(dāng)

19、蓄電池為開(kāi)路狀態(tài)時(shí)，所測(cè)得的電池兩極間的電壓稱(chēng)為電池的開(kāi)路電壓； 當(dāng)蓄電池充電時(shí)所測(cè)得的電壓稱(chēng)為電池的充電電壓； 電池放電時(shí)測(cè)得的電壓稱(chēng)為放電電壓。這三種狀態(tài)的電壓具有下述特點(diǎn)：充電電壓高于開(kāi)路電壓，而且隨著充電時(shí)間的增加而略有升高，放電電壓則低于開(kāi)路電壓，而且隨著放電時(shí)間的增加而略有降低，這種現(xiàn)象稱(chēng)為電池的極化。這種現(xiàn)象的產(chǎn)生，主要是因?yàn)橐话愕拿芊馐叫铍姵卦诔潆娺^(guò)程中，內(nèi)部會(huì)產(chǎn)生氧氣和氫氣，其中主要是氧氣，氫氣只占一小部分，當(dāng)產(chǎn)生的氧氣不能被及時(shí)吸收時(shí)，它便堆積在正極板上，使得電池內(nèi)部壓力增大，電池溫度上升，同時(shí)縮小了電池正極板的板面積，表現(xiàn)為電池內(nèi)阻上升，即使得電池出現(xiàn)了所謂的極化現(xiàn)象。上

20、面提到的蓄電池的極化電阻正是由于電池的極化現(xiàn)象所表現(xiàn)出來(lái)的。當(dāng)充電速率較低時(shí)，充電時(shí)所產(chǎn)生的氧氣可以被及時(shí)吸收，因此電池的極化現(xiàn)象很輕，一般不會(huì)對(duì)電池造成很大的傷害，當(dāng)高速率恒流充電時(shí)，這一現(xiàn)象則不容忽視。蓄電池的極化現(xiàn)象對(duì)蓄電池的工作是不利的。它不僅使電池發(fā)熱，而且降低了電池的效率，同時(shí)也加速了電池的老化。（7） 電池的老化電池的老化是指另外一種現(xiàn)象：電池在開(kāi)始使用的一段時(shí)間內(nèi)，電池容量增加大約 5%-10%，接下來(lái)的一段時(shí)間，電池的容量大約不變，然后開(kāi)始慢慢減少，即開(kāi)始了電池的老化過(guò)程。當(dāng)電池的老化達(dá)到一定程度時(shí)，這個(gè)電池就報(bào)廢了。一般經(jīng)驗(yàn)來(lái)講，當(dāng)電池的容量達(dá)到額定容量的 80%時(shí)，就可以

21、認(rèn)為電池的壽命基本結(jié)束了?；趩纹瑱C(jī)的智能電池充電器的設(shè)計(jì)6 6（8） 使用壽命使用壽命是指在其實(shí)際容量降低至某一規(guī)定值之前所經(jīng)歷的充放電的次數(shù)，通常用來(lái)定義蓄電池的使用壽命，使用壽命是鉛酸蓄電池的重要指標(biāo)之一，與使用中的放電深度、溫度、充放電等條件有關(guān)。減少放電深度或采用淺放電可大大延長(zhǎng)蓄電池的使用壽命。充電時(shí)采用大電流充電，會(huì)造成蓄電池溫度高，損害蓄電池的壽命。影響使用壽命的原因有以下幾方面：正極板的板柵變形、板柵腐蝕、活性物質(zhì)在使用過(guò)程中發(fā)生鈍化或產(chǎn)生不可逆硫酸鹽化等問(wèn)題，都會(huì)造成使用壽命縮短。（9） 自放電現(xiàn)象當(dāng)電池處于閑置不用（非工作狀態(tài)）時(shí)，雖然沒(méi)有電流流過(guò)蓄電池，但電池內(nèi)的活性物

22、質(zhì)與電解液間自發(fā)的反應(yīng)卻一直在進(jìn)行，這造成了電池內(nèi)的化學(xué)能量無(wú)益的損耗，使電池的容量下降，通常將這種現(xiàn)象稱(chēng)為電池的自放電。自放電的大小一般用單位時(shí)間的電池容量下降得百分比來(lái)表示，見(jiàn)公式 2.4： （2.4）00100%fQQQ自放電其中，QO為蓄電池在規(guī)定條件下的容量，Qf為電池存儲(chǔ)一段時(shí)間后，在同樣規(guī)定條件下的容量。自放電通常與環(huán)境溫度有密切聯(lián)系。當(dāng)環(huán)境溫度較高時(shí)，電池的自放電現(xiàn)象比較明顯，所以電池應(yīng)在適宜的溫度和濕度下保存，自放電一般不會(huì)損傷電池，只要重新充足電量，還可以照常使用。鉛酸蓄電池的自放電相對(duì)鎳鉻電池來(lái)講比較嚴(yán)重，經(jīng)驗(yàn)表明，鉛酸蓄電池在閑置一個(gè)月后，自放電達(dá) 30%左右?？紤]到這

23、一點(diǎn)，在設(shè)計(jì)蓄電池充電器時(shí)，應(yīng)能在電池長(zhǎng)時(shí)間不用的情況下對(duì)電池進(jìn)行補(bǔ)充充電。2.2 鉛酸蓄電池的工作原理2.2.1 鉛酸蓄電池電動(dòng)勢(shì)的產(chǎn)生 鉛酸蓄電池充電后，正極板二氧化鉛（PbO2） ，在硫酸溶液中水分子的作用下，少量二氧化鉛與水生成可離解的不穩(wěn)定物質(zhì)-氫氧化鉛（Pb(OH)4） ，氫氧根離子在溶液中，鉛離子留在正極板上，故正極板上缺少電子。 鉛酸蓄電池充電后，負(fù)極板是鉛（Pb） ，與電解液中的硫酸（H2SO4）發(fā)生反應(yīng)，變成鉛離子（Pb2+） ，鉛離子轉(zhuǎn)移到電解液中，負(fù)極板上留下多余的兩個(gè)電子（2e） ?；趩纹瑱C(jī)的智能電池充電器的設(shè)計(jì)7 7可見(jiàn)，在未接通外電路時(shí)（電池開(kāi)路） ，由于化學(xué)作

24、用，正極板上缺少電子，負(fù)極板上多余電子，兩極板間就產(chǎn)生了一定的電位差，這就是電池的電動(dòng)勢(shì)。2.2.2 鉛酸蓄電池放電過(guò)程的電化反應(yīng)鉛酸蓄電池放電時(shí)，在蓄電池的電位差作用下，負(fù)極板上的電子經(jīng)負(fù)載進(jìn)入正極板形成電流I。同時(shí)在電池內(nèi)部進(jìn)行化學(xué)反應(yīng)。負(fù)極板上每個(gè)鉛原子放出兩個(gè)電子后，生成的鉛離子（Pb2+）與電解液中的硫酸根離子（SO42-）反應(yīng)，在極板上生成難溶的硫酸鉛（PbSO4） 。 正極板的鉛離子（Pb4+）得到來(lái)自負(fù)極的兩個(gè)電子（2e）后，變成二價(jià)鉛離子（Pb2+） ，與電解液中的硫酸根離子（SO42-）反應(yīng)，在極板上生成難溶的硫酸鉛（PbSO4） 。正極板水解出的氧離子（O2-）與電解液中

25、的氫離子（H）反應(yīng)，生成穩(wěn)定物質(zhì)水。電解液中存在的硫酸根離子和氫離子在電力場(chǎng)的作用下分別移向電池的正負(fù)極，在電池內(nèi)部形成電流，整個(gè)回路形成，蓄電池向外持續(xù)放電。放電時(shí)H2SO4濃度不斷下降，正負(fù)極上的硫酸鉛（PbSO4）增加，電池內(nèi)阻增大（硫酸鉛不導(dǎo)電） ，電解液濃度下降，電池電動(dòng)勢(shì)降低。2.2.3 鉛酸蓄電池充電過(guò)程的電化反應(yīng) 充電時(shí)，應(yīng)在外接一直流電源（充電極或整流器） ，使正、負(fù)極板在放電后生成的物質(zhì)恢復(fù)成原來(lái)的活性物質(zhì)，并把外界的電能轉(zhuǎn)變?yōu)榛瘜W(xué)能儲(chǔ)存起來(lái)。在正極板上，在外界電流的作用下，硫酸鉛被離解為二價(jià)鉛離子（Pb2+）和硫酸根負(fù)離子（SO42-） ，由于外電源不斷從正極吸取電子，則

26、正極板附近游離的二價(jià)鉛離子（Pb2+）不斷放出兩個(gè)電子來(lái)補(bǔ)充，變成四價(jià)鉛離子（Pb4+） ，并與水繼續(xù)反應(yīng)，最終在正極極板上生成二氧化鉛（PbO2） 。在負(fù)極板上，在外界電流的作用下，硫酸鉛被離解為二價(jià)鉛離子（Pb2+）和硫酸根負(fù)離子（SO42-） ，由于負(fù)極不斷從外電源獲得電子，則負(fù)極板附近游離的二價(jià)鉛離子（Pb2+）被中和為鉛（Pb） ，并以絨狀鉛附著在負(fù)極板上。 電解液中，正極不斷產(chǎn)生游離的氫離子和硫酸根離子（SO42-） ，負(fù)極不斷產(chǎn)生硫酸根離子（SO42-） ，在電場(chǎng)的作用下，氫離子向負(fù)極移動(dòng)，硫酸根離子向正極移動(dòng)，形成電流。充電后期，在外電流的作用下，溶液中還會(huì)發(fā)生水的電解反應(yīng)。2

27、.2.4 鉛酸蓄電池充放電后電解液的變化 從上面可以看出，鉛酸蓄電池放電時(shí)，電解液中的硫酸不斷減少，水逐漸增多，基于單片機(jī)的智能電池充電器的設(shè)計(jì)8 8溶液比重下降。鉛酸蓄電池充電時(shí)，電解液中的硫酸不斷增多，水逐漸減少，溶液比重上升。實(shí)際工作中，可以根據(jù)電解液比重的變化來(lái)判斷鉛酸蓄電池的充電程度5。2.3 蓄電池的充電工作特性上世紀(jì)60年代中期，美國(guó)科學(xué)家馬斯對(duì)開(kāi)口蓄電池的充電過(guò)程作了大量的試驗(yàn)研究，并提出了以最低出氣率為前提的，蓄電池可接受的充電曲線，如圖2-1所示。實(shí)驗(yàn)表明，如果充電電流按這條曲線變化，就可以大大縮短充電時(shí)間，并且對(duì)電池的容量和壽命也沒(méi)有影響。原則上把這條曲線稱(chēng)為最佳充電曲線

28、，從而奠定了快速充電方法的研究方向。由圖2-1可以看出：初始充電電流很大，但是衰減很快。主要原因是充電過(guò)程中產(chǎn)生了極化現(xiàn)象。在密封式蓄電池充電過(guò)程中，內(nèi)部產(chǎn)生氧氣和氫氣，當(dāng)氧氣不能被及時(shí)吸收時(shí)，便堆積在正極板（正極板產(chǎn)生氧氣） ，使電池內(nèi)部壓力加大，電池溫度上升，同時(shí)縮小了正極板的面積，表現(xiàn)為內(nèi)阻上升，出現(xiàn)所謂的極化現(xiàn)象。tii=I0e-t0圖 2-1 最佳充電曲線(1) 常規(guī)充電技術(shù)常規(guī)充電制度是依據(jù) 1940 年前國(guó)際公認(rèn)的經(jīng)驗(yàn)法則設(shè)計(jì)的。其中最著名的就是“安培小時(shí)規(guī)則”：充電電流安培數(shù)，不應(yīng)超過(guò)蓄電池待充電的安時(shí)數(shù)。實(shí)際上，常規(guī)充電的速度被蓄電池在充電過(guò)程中的溫升和氣體的產(chǎn)生所限制。這個(gè)

29、現(xiàn)象對(duì)蓄電池充電所必須的最短時(shí)間具有重要意義。一般來(lái)說(shuō)，常規(guī)充電有以下 3 種。 恒流充電法基于單片機(jī)的智能電池充電器的設(shè)計(jì)9 9恒流充電法是用調(diào)整充電裝置輸出電壓或改變與蓄電池串聯(lián)電阻的方法，保持充電電流強(qiáng)度不變的充電方法，如圖 2-2 所示?？刂品椒ê?jiǎn)單，但由于電池的可接受電流能力是隨著充電過(guò)程的進(jìn)行而逐漸下降的，到充電后期，充電電流多用于電解水，產(chǎn)生氣體，使出氣過(guò)甚，因此，常用于階段充電法中。0t充電電壓充電電流u,i圖 2-2 恒流充電曲線 階段充電法此方法包括二階段充電法和三階段充電法。二階段法采用恒電流和恒電壓相結(jié)合的快速充電方法，如圖 2-3 所示。首先，以恒電流充電至預(yù)定的電壓

30、值，然后，改為恒電壓完成剩余的充電。一般兩階段之間的轉(zhuǎn)換電壓就是第二階段的恒電壓。u,it0充電電流充電電壓圖 2-3 二階段法曲線三階段充電法在充電開(kāi)始和結(jié)束時(shí)采用恒電流充電，中間用恒電壓充電。當(dāng)電流衰減到預(yù)定值時(shí)，由第二階段轉(zhuǎn)換到第三階段。這種方法可以將出氣量減到最少，但作為一種快速充電方法使用，受到一定的限制。 恒壓充電法基于單片機(jī)的智能電池充電器的設(shè)計(jì)1010充電電源的電壓在全部充電時(shí)間里保持恒定的數(shù)值，隨著蓄電池端電壓的逐漸升高，電流逐漸減少。與恒流充電法相比，其充電過(guò)程更接近于最佳充電曲線。用恒定電壓快速充電，如圖 2-4 所示。由于充電初期蓄電池電動(dòng)勢(shì)較低，充電電流很大，隨著充電

31、的進(jìn)行，電流將逐漸減少，因此，只需簡(jiǎn)易控制系統(tǒng)。u,i0t充電電壓充電電流圖 2-4 恒壓充電法曲線這種充電方法電解水很少，避免了蓄電池過(guò)充。但在充電初期電流過(guò)大，對(duì)蓄電池壽命造成很大影響，且容易使蓄電池極板彎曲，造成電池報(bào)廢。鑒于這種缺點(diǎn)，恒壓充電很少使用，只有在充電電源電壓低而電流大時(shí)采用。例如，汽車(chē)運(yùn)行過(guò)程中，蓄電池就是以恒壓充電法充電的。(2) 快速充電技術(shù)為了能夠最大限度地加快蓄電池的化學(xué)反應(yīng)速度，縮短蓄電池達(dá)到滿充狀態(tài)的時(shí)間，同時(shí)，保證蓄電池正負(fù)極板的極化現(xiàn)象盡量地少或輕，提高蓄電池使用效率。快速充電技術(shù)近年來(lái)得到了迅速發(fā)展。下面介紹目前比較流行的幾種快速充電方法。這些方法都是圍繞

32、著最佳充電曲線進(jìn)行設(shè)計(jì)的，目的就是使其充電曲線盡可能地逼進(jìn)最佳充電曲線2。 脈沖式充電法這種充電法不僅遵循蓄電池固有的充電接受率，而且能夠提高蓄電池充電接受率，從而打破了蓄電池指數(shù)充電接受曲線的限制，這也是蓄電池充電理論的新發(fā)展。脈沖充電方式首先是用脈沖電流對(duì)電池充電，然后讓電池停充一段時(shí)間，如此循環(huán)，如圖 2-5 所示。充電脈沖使蓄電池充滿電量，而間歇期使蓄電池經(jīng)化學(xué)反應(yīng)產(chǎn)生的氧氣和氫氣有時(shí)間重新化合而被吸收掉，使?jié)獠顦O化和歐姆極化自然而然地得到消除，從而減輕了蓄電池的內(nèi)壓，使下一輪的恒流充電能夠更加順利地進(jìn)行，基于單片機(jī)的智能電池充電器的設(shè)計(jì)1111使蓄電池可以吸收更多的電量。間歇脈沖使蓄

33、電池有較充分的反應(yīng)時(shí)間，減少了析氣量，提高了蓄電池的充電電流接受率。ti0T圖 2-5 脈沖式充電曲線 REFLEXTM 快速充電法這種技術(shù)是美國(guó)的一項(xiàng)專(zhuān)利技術(shù)，它主要面對(duì)的充電對(duì)象是鎳鎘電池。由于它采用了新型的充電方法，解決了鎳鎘電池的記憶效應(yīng)，因此，大大降低了蓄電池的快速充電的時(shí)間。鉛酸蓄電池的充電方法和對(duì)充電狀態(tài)的檢測(cè)方法與鎳鎘電池有很大的不同，但它們之間可以相互借鑒。如圖 2-6 所示，REFLEXTM 充電法的一個(gè)工作周期包括正向充電脈沖，反向瞬間放電脈沖，停充維持 3 個(gè)階段2141516。ti0t0t1t2TI1 I2圖 2-6 REFLEXTM 快速充電法 變電流間歇充電法基于

34、單片機(jī)的智能電池充電器的設(shè)計(jì)1212這種充電方法建立在恒流充電和脈沖充電的基礎(chǔ)上。其特點(diǎn)是將恒流充電段改為限壓變電流間歇充電段。充電前期的各段采用變電流間歇充電的方法，保證加大充電電流，獲得絕大部分充電量。充電后期采用定電壓充電段，獲得過(guò)充電量，將電池恢復(fù)至完全充電態(tài)。通過(guò)間歇停充，使蓄電池經(jīng)化學(xué)反應(yīng)產(chǎn)生的氧氣和氫氣有時(shí)間重新化合而被吸收掉，使?jié)獠顦O化和歐姆極化自然而然地得到消除，從而減輕了蓄電池的內(nèi)壓，使下一輪的恒流充電能夠更加順利地進(jìn)行，使蓄電池可以吸收更多的電量。 變電壓間歇充電法在變電流間歇充電法的基礎(chǔ)上又有人提出了變電壓間歇充電法。與變電流間歇充電方法不同之處在于第一階段的不是間歇恒

35、流，而是間歇恒壓。比較和兩種方法，可以看出：方法更加符合最佳充電的充電曲線。在每個(gè)恒電壓充電階段，由于是恒壓充電，充電電流自然按照指數(shù)規(guī)律下降，符合電池電流可接受率隨著充電的進(jìn)行逐漸下降的特點(diǎn)。 變電壓變電流波浪式間歇正負(fù)零脈沖快速充電法綜合脈沖充電法、REFLEXTM 快速充電法、變電流間歇充電法及變電壓間歇充電法的優(yōu)點(diǎn)，變電壓變電流波浪式正負(fù)零脈沖間歇快速充電法得到發(fā)展應(yīng)用。脈沖充電法充電電路的控制一般有兩種：其一為脈沖電流的幅值可變，而 PWM（驅(qū)動(dòng)充放電開(kāi)關(guān)管）信號(hào)的頻率是固定的；其二為脈沖電流幅值固定不變，PWM 信號(hào)的頻率可調(diào)。方法采用了一種不同于這兩者的控制模式，脈沖電流幅值和

36、PWM信號(hào)的頻率均固定，PWM 占空比可調(diào)，在此基礎(chǔ)上加入間歇停充階段，能夠在較短的時(shí)間內(nèi)充進(jìn)更多的電量，提高蓄電池的充電接受能力2512。2.4 充電終止條件控制方法蓄電池在充足電后，電池的溫度和內(nèi)壓都會(huì)快速的上升，同時(shí)電池的端電壓開(kāi)始下降出現(xiàn)電壓負(fù)增量，如果此時(shí)繼續(xù)進(jìn)行快速大電流充電，對(duì)蓄電池的損害是顯然的。因此，為了保證電池能充電又不過(guò)充電，必須采用一定的方法來(lái)控制充電的停充問(wèn)題?，F(xiàn)階段采用的控制方法很多，通常使用的有定時(shí)控制，電壓控制，溫度控制及最小終止電流等方法進(jìn)行充電終止控制。在鉛酸蓄電池充電器中，通常采用電壓控基于單片機(jī)的智能電池充電器的設(shè)計(jì)1313制，最長(zhǎng)充電時(shí)間（定時(shí)控制）

37、，蓄電池溫度等控制，本文采用電壓控制，溫度控制和電流控制相結(jié)合的方法。2.4.1 電壓控制在電壓控制法中，最容易檢測(cè)的是電池的最高電壓。常用的電壓控制法有：最高電壓控制，電壓負(fù)增量控制，電壓二次導(dǎo)數(shù)控制。（1） 最高電壓控制從充電特性曲線可以看出，電池電壓達(dá)到最大值時(shí)，電池即充足電。充電過(guò)程中，當(dāng)電池電壓達(dá)到規(guī)定值后，應(yīng)立即停止充電。這種控制方法的缺點(diǎn)是：電池充電的最高電壓隨環(huán)境溫度，充電速率而變化，因此，最高檢測(cè)電壓必須采用一定的溫度補(bǔ)償，并且還必須根據(jù)充電速率加以適當(dāng)修正，若最高檢測(cè)電壓不能隨溫度變化而自動(dòng)調(diào)整，則低溫時(shí)，電池充不足電，高溫時(shí)，電池充足電后仍會(huì)繼續(xù)大電流過(guò)充。這樣，可能降低

38、電池壽命，也可能損壞電池。另外，蓄電池組中各單體電池的最高充電電壓也會(huì)有差別，因此采用這種方法不可能非常準(zhǔn)確地判斷電池已充足電。（2） 電壓負(fù)增量控制由于電池電壓的負(fù)增量與電池組的絕對(duì)電壓有關(guān)，而且不受環(huán)境溫度，充電速率等因素的影響，因此，可以比較準(zhǔn)確地判斷電池已充足電。采用這種檢測(cè)法的快速充電器，可以對(duì)電池?cái)?shù)不同的電池組充電。負(fù)增量檢測(cè)法的缺點(diǎn)是：電池電壓出現(xiàn)負(fù)增量后，電池已經(jīng)過(guò)充電，因此電池溫度較高。此外，鎳氫電池充足電后，電池電壓要經(jīng)過(guò)較長(zhǎng)時(shí)間才出現(xiàn)負(fù)增量，過(guò)充電較嚴(yán)重。因此，這種控制方法主要應(yīng)用于鎳鉻電池。為了避免環(huán)境溫度過(guò)高時(shí)損壞電池，最好與其他控制方式配合使用。（3） 電壓二次導(dǎo)數(shù)

39、控制這種控制方法是通過(guò)檢測(cè)電池電壓的二次導(dǎo)數(shù)來(lái)實(shí)現(xiàn)控制的，實(shí)驗(yàn)證明，當(dāng)電池在充足電時(shí)，電壓的二次導(dǎo)數(shù)將達(dá)到某一個(gè)確定的值，此時(shí)結(jié)束充電即可。這種方法適用于恒流充電模式。2.4.2 定時(shí)控制通常用在恒流充電模式中。例如，對(duì)于10Ah的蓄電池，采用0.2C5充電速率，電池5h可充足；采用0.4C5充電速率，電池2.5h可充足，因此根據(jù)電池的容量和充電電基于單片機(jī)的智能電池充電器的設(shè)計(jì)1414流，可以很容易地確定所需要的充電時(shí)間。充電過(guò)程中，達(dá)到預(yù)定的充電時(shí)間后，定時(shí)器發(fā)出信號(hào)，使充電器迅速停止充電或者充電電流迅速降低到浮充電電流。這樣可以避免電池長(zhǎng)時(shí)間大電流過(guò)充電。 這種控制方法比較簡(jiǎn)單，但是由于

40、電池的起始充電狀態(tài)不完全相同，有的電池充不足，有的電池過(guò)充電，然而充電時(shí)間是固定的，所以不能根據(jù)電池充電前的狀態(tài)來(lái)自動(dòng)調(diào)整。因此，只有充電速率小于0.3C5時(shí)采用這種控制方式才最有效果。2.4.3 溫度控制 為了避免損壞電池，電池溫度過(guò)低時(shí)不能立即開(kāi)始快速充電過(guò)程，電池充足電后，充入的電量都消耗在電池中，電池的溫度很快上升，電池溫度上升到規(guī)定數(shù)值后，必須立即停止充電過(guò)程。電池的溫度可以通過(guò)與電池在一起的溫度傳感器件來(lái)檢測(cè)，當(dāng)電池溫度超過(guò)規(guī)定值時(shí)（一般為50） ，充電器能自動(dòng)轉(zhuǎn)入浮充電模式。當(dāng)環(huán)境溫度較低時(shí)，規(guī)定的最高溫度值相對(duì)過(guò)高（50） ，這樣容易造成過(guò)充電，容易損壞電池。為避免損壞電池，又

41、常采用溫升控制法，即當(dāng)溫升達(dá)到一定值時(shí)，充電器便自動(dòng)轉(zhuǎn)入浮充電模式。上述各種控制方法各有優(yōu)缺點(diǎn)。為了保證在任何情況下，均能準(zhǔn)確可靠地控制電池的充電狀態(tài)，目前快速充電器中通常采用包括時(shí)間控制，電壓控制和溫度控制的綜合控制法。2.5 智能充電器的充電過(guò)程對(duì)于鉛酸蓄電池來(lái)講，常用的充電方式有恒流限壓和恒壓限流兩種充電方式，然而，單獨(dú)采用其中的一種充電方式，沒(méi)有動(dòng)態(tài)跟蹤電池的實(shí)際狀態(tài)和可接受充電電流大小的技術(shù)，對(duì)鉛酸蓄電池的充電效果不是很理想。根據(jù)鉛酸蓄電池的使用階段及蓄電池的特性，為了進(jìn)一步延長(zhǎng)蓄電池的使用壽命，在長(zhǎng)期使用和經(jīng)驗(yàn)總結(jié)的基礎(chǔ)上，對(duì)蓄電池進(jìn)行了四個(gè)階段的充電以達(dá)到最優(yōu)的效果。（1） 預(yù)充

42、階段即涓流充電階段當(dāng)系統(tǒng)檢測(cè)到蓄電池虧電時(shí)，首先以小電流充電，主充電流一般采用0.05倍率： （3.1）50.05IC預(yù)式中：蓄電池的電池容量5C基于單片機(jī)的智能電池充電器的設(shè)計(jì)1515當(dāng)電池電壓升至接近額定電壓（一般取1.9V/單體）時(shí)，進(jìn)入主充電階段。（2） 主充階段主充階段以恒流方式充電。主充時(shí)的充電電流一般采用0.3倍率： （3.2）53 . 0 CI主式中：蓄電池的電池容量5C當(dāng)電池電壓升至均充電壓（一般取2.1V/單體）時(shí)，進(jìn)行限壓充電，充電過(guò)程進(jìn)入下一階段。（3） 均充階段即恒壓充電階段隨著限壓充電的進(jìn)行，電池電流也隨之逐漸降低。當(dāng)充電電流降低到浮充電流時(shí)，電池已基本充滿，其中：

43、 （3.3）50.02IC?。?） 浮充階段低壓小電流充電階段，以補(bǔ)充電池的自然放電浮充時(shí)，須將充電電壓穩(wěn)定在蓄電池的額定電壓附近（比主充最高限壓V要低） 。因此，充電電流與主充時(shí)相比很小，但是，由于工作情況的復(fù)雜性，浮充時(shí)也有電流較高的可能（如電池嚴(yán)重虧電，漏電，負(fù)荷過(guò)重等） 。這時(shí)應(yīng)采取限流措施，保持電流不超過(guò)某一設(shè)定值而使電壓降低，待電流降低，電壓升高后再穩(wěn)壓，這就是恒壓限流的含義31011。3 智能充電器的硬件設(shè)計(jì)3.1 智能充電器的總體設(shè)計(jì)要求及設(shè)計(jì)方案鉛酸蓄電池充電器性能的優(yōu)劣直接影響充電電池的使用壽命，用戶對(duì)充電器的要求主要有兩個(gè)方面：其一是要有較高的性能指標(biāo)，如由平均無(wú)故障運(yùn)行

44、時(shí)間所表達(dá)的可靠性，由穩(wěn)壓穩(wěn)流精度，動(dòng)態(tài)調(diào)整速度及紋波系數(shù)等所表達(dá)的動(dòng)、靜態(tài)特性，其二是要有較為完善的自我檢測(cè)與控制功能，有較高的智能水平，能對(duì)充電電壓，電流進(jìn)行檢測(cè)等。智能充電器的基本功能如下：（1） 通過(guò)對(duì)鉛酸蓄電池的電壓，電流進(jìn)行定時(shí)的檢測(cè)，輸入到單片機(jī)，單片機(jī)根據(jù)得到的數(shù)值進(jìn)行一系列的處理后輸出到八段碼中，用來(lái)告訴用戶充電進(jìn)行到哪個(gè)基于單片機(jī)的智能電池充電器的設(shè)計(jì)1616階段。直到充電結(jié)束蜂鳴器發(fā)聲，提醒用戶充電已完成。（2） 單片機(jī)將檢測(cè)到的數(shù)據(jù)經(jīng)過(guò)一定的處理輸出到硬件上，通過(guò)PWM脈沖寬度來(lái)調(diào)整充電的階段的電流和電壓，以達(dá)到更好的充電效果。同時(shí)還進(jìn)一步設(shè)置了防止電池過(guò)充以損害電池的

45、裝置。針對(duì)上述功能，它的硬件結(jié)構(gòu)框圖如圖3-1所示：驅(qū)動(dòng)電路主充電源電路電池組PWM電路顯示、報(bào)警電路單片機(jī)ADuC824電壓檢測(cè)電路電流檢測(cè)電路圖3-1 智能充電器的硬件結(jié)構(gòu)框圖其中單片機(jī)采用了由AD公司生產(chǎn)的ADuc824，它內(nèi)含有兩個(gè)獨(dú)立的A/D轉(zhuǎn)換通道和一個(gè)D/A轉(zhuǎn)換通道，并且內(nèi)部還有一個(gè)溫度傳感器，為設(shè)計(jì)外圍電路接口提供了方便。PWM電路是通過(guò)TL494芯片通過(guò)數(shù)據(jù)的采集輸出一定寬度的脈沖波來(lái)控制電池的充電階段，從而實(shí)現(xiàn)充電電池的智能型充電。電壓檢測(cè)電路和電流檢測(cè)電路分別采用將檢測(cè)到的電壓和電流通過(guò)放大器和光電藕隔離器進(jìn)行轉(zhuǎn)換使得輸出的電壓和電流能夠滿足單片機(jī)的+5V電壓范圍。顯示和

46、報(bào)警電路是通過(guò)單片機(jī)控制來(lái)顯示電池組當(dāng)前的充電狀態(tài)，提示用戶當(dāng)前進(jìn)入的狀態(tài)。3.23.2 單片機(jī)部分單片機(jī)部分3.2.1 ADuC824 的介紹單片機(jī)選用性價(jià)比較高的AD公司生產(chǎn)的ADuC824. ADuC824是AD公司新推出的高性能單片機(jī)，它在內(nèi)部集成了高分辨率的A/D轉(zhuǎn)換器，是目前片內(nèi)資源最豐富的單片機(jī)之一。它將8051內(nèi)核、兩路24位+16位-A/D、12位D/A、FLASH、WDT、P監(jiān)控電路、溫度傳感器、SPI和I2C總線接口等豐富資源集成于一體，體積小、功耗低、非常適合用于各類(lèi)智能儀表、智能傳感器、基于單片機(jī)的智能電池充電器的設(shè)計(jì)1717變送器和便攜式儀器等領(lǐng)域。（1） ADuC

47、824的性能特點(diǎn) ADuC824是一個(gè)片內(nèi)資源非常豐富的單片機(jī)，各種片內(nèi)資源都有其獨(dú)自的特點(diǎn)，主要表現(xiàn)如下：高分辨率-ADCS有兩個(gè)獨(dú)立的通道(24位+16位分辨率)；內(nèi)含可編程增益放大器；在20Hz/20mV范圍內(nèi)有13位有效分辨率；在20Hz/2.56V范圍內(nèi)有18位有效分辨率。存儲(chǔ)器8K字節(jié)片內(nèi)Flash/EE程序存儲(chǔ)器；640字節(jié)片內(nèi)Flash/EE數(shù)據(jù)存儲(chǔ)器；256字節(jié)片內(nèi)RAM。8051內(nèi)核可與8051指令系統(tǒng)兼容(最高時(shí)鐘頻率12.58MHz)；具有32kHz外部晶振和片內(nèi)PLL；有3個(gè)16位定時(shí)/計(jì)數(shù)器；內(nèi)含12個(gè)中斷源、2個(gè)優(yōu)先級(jí)。電源可用于3V或5V操作；一般情況下為3mA

48、/3V(核心時(shí)鐘頻率為1.5MHz)；掉電保持電流為20A(32kHz的晶振運(yùn)行頻率)。內(nèi)含的其它外圍設(shè)備有：片內(nèi)溫度傳感器；12位電壓輸出DAC；雙激勵(lì)恒流源；時(shí)間間隔計(jì)數(shù)器；2線(I2C可兼容)和SPI串行I/O；看門(mén)狗定時(shí)監(jiān)視器(WDT)；電源供電監(jiān)視器(PSM)。基于單片機(jī)的智能電池充電器的設(shè)計(jì)1818（3） ADuc824的結(jié)構(gòu)ADuc824的內(nèi)部功能結(jié)構(gòu)如圖3-2所示。圖 3-2 ADuC824 的內(nèi)部功能結(jié)構(gòu) 雙通道-型 A/D ADuC824 包括兩個(gè)帶有數(shù)字濾波器的-ADC 通道(主通道和輔助通道)。主通道用于測(cè)量主傳感器的輸入，這個(gè)通道具有緩沖器，可以接收來(lái)自輸入管腳 Ai

49、n1/2和 Ain3/4 的差分信號(hào)。在緩沖器意味著可處理較高內(nèi)阻的信號(hào)源，而且可在輸入通道前加入模擬 RC 濾波器。主通道可通過(guò)調(diào)節(jié)編程放大器的增益而接收20mV，40mV，2.56V 等幾種量程的輸入。輔助通道用于接收輔助信號(hào)的輸入，例如冷端二極管或熱敏電阻的輸入，此通道無(wú)緩沖器，只有一個(gè)固定為2.56V 的輸入范圍。AD 通道的設(shè)置和控制是通過(guò)專(zhuān)用寄存器塊(SFR)中的一組寄存器來(lái)實(shí)現(xiàn)的。其名稱(chēng)以及在 SFR 中的地址和功能如下：基于單片機(jī)的智能電池充電器的設(shè)計(jì)1919ADSTAT(D8H)：狀態(tài)寄存器，包括數(shù)據(jù)準(zhǔn)備就緒、校準(zhǔn)狀態(tài)和一些出錯(cuò)信息ADMODE(D1H)：模式寄存器，控制主通

50、道和輔助通道的操作模式AD0CON(D2H)：主通道控制寄存器AD1CON(D3H)：輔助通道控制寄存器SF(D4H)：數(shù)字濾波器寄存器，通過(guò)調(diào)節(jié)濾波器參數(shù)來(lái)控制主、輔通道數(shù)據(jù)的更新速率ICON(D5H)：恒流源控制寄存器，用于控制片內(nèi)恒流源(片內(nèi)有兩個(gè) 200A 恒漢源，可緞帶外接變送器提供激勵(lì)電流) AD0L/M/H(D9/DA/DBH)：三字節(jié)，用于存放主通道 24 位轉(zhuǎn)換結(jié)果AD1L/H(DC/DDH)：兩字節(jié)，用于存入輔助通道 16 位轉(zhuǎn)換結(jié)果OF0L/M/H(E1/E2/E3H)：三字節(jié)，用于存放主通道偏移校準(zhǔn)系數(shù)OF1L/H(E4/E5H)：兩字節(jié)，用于存入輔助通道偏移校準(zhǔn)系數(shù)G

51、N0L/M/H(E9/EA/EBH)：三字節(jié)，用于存放主通道增益校準(zhǔn)系數(shù)GN1LH(EC/EDH)：兩字節(jié)，用于存放輔助通道增益校準(zhǔn)系數(shù) ADuC824 的存儲(chǔ)器結(jié)構(gòu) ADuC824 的片內(nèi)存儲(chǔ)器包括 8K 字節(jié)片內(nèi) Flash/EE 程序存儲(chǔ)器、640 字節(jié)片內(nèi) Flash/EE 數(shù)據(jù)存儲(chǔ)器和 256 字節(jié)片內(nèi) RAM?；趩纹瑱C(jī)的智能電池充電器的設(shè)計(jì)2020圖 3-3 內(nèi)部數(shù)據(jù)存儲(chǔ)器中的配置圖ADuC824 的程序和數(shù)據(jù)存儲(chǔ)器有分開(kāi)的尋址空間。如用戶在 EA 置 0 時(shí)上電或復(fù)位，則芯片執(zhí)行外部程序空間的指令而不能執(zhí)行內(nèi)部 8KFlash/EE 程序存儲(chǔ)器空間的指令。若 EA 被置 0，則

52、從內(nèi)部 8KFlash/EE 開(kāi)始執(zhí)行程序。附加的 640 字節(jié)Flash/EE 數(shù)據(jù)存儲(chǔ)器是通過(guò)專(zhuān)用寄存器塊(SFR)中的一組控制寄存器來(lái)間接訪問(wèn)的。 ADuC824 的片內(nèi) Flash/EE 程序存儲(chǔ)器可用兩種模式進(jìn)行編程：即在線串行下載和并行編程。另外，ADuC824 還可通過(guò)標(biāo)準(zhǔn)的 UART 串行端口下載源代碼。若管腳PSEN 通過(guò)一個(gè)下拉電阻被下拉，芯片則自動(dòng)進(jìn)入串行下載模式。當(dāng)設(shè)備連接正確時(shí)源代碼將自動(dòng)載入到程序存儲(chǔ)器，并可通過(guò)這種方式進(jìn)行在線編程。 其它外設(shè)a.DACADuC824 上集成了一個(gè) 12 位電壓輸出的數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換器。它有一個(gè)軌對(duì)軌的電壓輸出緩沖，可驅(qū)動(dòng) 10k/100p

53、F 的負(fù)載。它有兩個(gè)輸出范圍：0 到 VREF 和 0 到基于單片機(jī)的智能電池充電器的設(shè)計(jì)2121AVDD，能以 8 位或 12 位模式工作。DAC 有一個(gè)控制存儲(chǔ)器 DACCON 和兩個(gè)數(shù)據(jù)寄存器 DACL/H。b. 片內(nèi) PLL一般-型 AD 都需外接一個(gè)晶振，CPU 工作也需要外部晶振。ADuC824 使用一個(gè) 32.768kHz 的外部晶振同時(shí)為 AD 和 CPU 提供時(shí)鐘信號(hào)。片內(nèi) PLL 以倍速鎖存(3216 倍)方式為系統(tǒng)提供穩(wěn)定的 12.582912MHz 的時(shí)鐘信號(hào)。CPU 核心可以用這個(gè)頻率工作，也可以以該頻率分頻后的頻率工作，以降低功耗，減少干擾。AD 時(shí)鐘也來(lái)源于 PL

54、L 時(shí)鐘，其調(diào)制速度和晶振頻率相同。以上的頻率選擇保證了 AD 調(diào)制器和 CPU 核心的時(shí)鐘同步。PLL 的控制寄存器是 PLLCON。c.時(shí)間間隔計(jì)數(shù)器(TIC)時(shí)間間隔計(jì)數(shù)器可用于計(jì)量較長(zhǎng)的時(shí)間間隔，而標(biāo)準(zhǔn) 8051 的定時(shí)/計(jì)數(shù)器卻不能。有六個(gè) SFR 寄存器與 TIC 有關(guān)，TIMECON 是它的控制寄存器，INTVAL 是用戶定時(shí)設(shè)置寄存器，當(dāng) TIC 的計(jì)時(shí)器達(dá)到 INTCVAL 的設(shè)置值時(shí)，TIC 將有一個(gè)主動(dòng)的輸出，此輸出可引發(fā)一個(gè)中斷或使 TIMEON 中的 TII 位置位。HOUR、MIN、SEC、HTHSEC 分別是時(shí)、分、秒、1/128 秒的寄存器。 ADuC824 的

55、外設(shè)還包括片內(nèi)溫度傳感器、門(mén)狗定時(shí)器(WDT)、電源供電監(jiān)視器(PSM)、SPI 串行接口和 I2C 串行接口等6。3.2.2 單片機(jī)電路部分本次設(shè)計(jì)采用 ADuC824，其連接電路圖如圖 3-4。基于單片機(jī)的智能電池充電器的設(shè)計(jì)22221234ABCD4321DCBATitleNumberRevisionSizeA4Date:5-Jun-2009 Sheet of File:J:于PREV IO 13.DD BDrawn By:Q1NPNR172KAV DDP1.2P1.4P1.5P1.6P1.7P3.2P3.4AG NDDV DDP0.0P0.1P0.2P0.3P0.4P0.5P0.7P0

56、.6EAXTAL1P2.0RESETXTAL2DG NDabfcgdeDPY1234567abcdefg8dpdpDPY_7-SEG_DPC1210uR1810KGN D+5+5DACU RRENT/A IN 1VO LTAGE/A IN3220X 853910111218226344344454849505152284015323321DV DDP2.0AD UC824U312P12PGN DVREF+VREF-DV DDDV DD2048DG NDDG ND3547100n100n8732.766KH ZXTAL1XTAL2GN DCS9013BU ZZER+5圖 3-4 單片機(jī)連接電路由

57、于本單片機(jī)采用的是 ADuC824，其使用的是一個(gè)外部晶振為 32.768kHz 頻率的時(shí)鐘為 CPU 提供時(shí)鐘周期，片內(nèi) PLL 以倍速鎖存(3216 倍)方式為系統(tǒng)提供穩(wěn)定的 12.582912MHz 的時(shí)鐘信號(hào)。為了與平時(shí)學(xué)的 80C51 的 12MHz 的晶振頻率一致,且易編程，我們可以對(duì)片內(nèi) PLL 的控制寄存器 PLLCON 進(jìn)行軟件設(shè)計(jì)來(lái)實(shí)現(xiàn)12MHz 的晶振頻率。當(dāng)電壓檢測(cè)量 VOLTAGE/AIN3 和電流檢測(cè)量 CURRENT/AIN1 送入到單片機(jī)的兩個(gè)獨(dú)立的模數(shù)轉(zhuǎn)換通道，單片機(jī)將模擬量轉(zhuǎn)化為數(shù)字量，進(jìn)而進(jìn)行一定的數(shù)據(jù)分析，確定充電進(jìn)入充電四個(gè)階段的哪個(gè)階段，同時(shí)將轉(zhuǎn)化的

58、數(shù)字量通過(guò)數(shù)模轉(zhuǎn)換送到 TL494 的放大器的同相輸入端 DTC，單片機(jī)在確定充電進(jìn)入哪個(gè)階段后，將通過(guò)P0 口輸出給 8 段碼顯示，用來(lái)告訴用戶當(dāng)前電池的充電的狀態(tài)，并且當(dāng)充電結(jié)束時(shí)，單片機(jī)將驅(qū)動(dòng)蜂鳴器發(fā)聲，提醒用戶充電已結(jié)束61317?；趩纹瑱C(jī)的智能電池充電器的設(shè)計(jì)23233.3 充電電路設(shè)計(jì)部分3.3.1 充電電路電源部分該電路屬于降壓扼流圈電路，輸出電壓比輸入電壓低時(shí)使用，如圖 3-5 所示的電路中，220 伏市電經(jīng)變壓器降壓后，由整流器整流和大電容 C1平滑濾波，作為直流充電電源。PWM 控制信號(hào)的高電平脈沖出現(xiàn)，使 MOSFET 導(dǎo)通之后，電感 L1的電流不斷增大，電容 C2充電

59、，該電路不斷存儲(chǔ)能量，同時(shí)通過(guò)電感 L2對(duì)電池充電，此時(shí)，續(xù)流二極管因反向偏置而截止。經(jīng)過(guò) PWM 高電平脈沖持續(xù)時(shí)間后，PWM 信號(hào)變低，MOSFET 截止，電感 L1中的電流減小，L1兩端的感應(yīng)電動(dòng)勢(shì)使續(xù)流二極管導(dǎo)通，L1中的存儲(chǔ)電流和電容 C2存儲(chǔ)電荷向電池充電。經(jīng)過(guò) PWM 信號(hào)的低電平持續(xù)時(shí)間后，PWM 信號(hào)的又一高電平到來(lái)，再度使 MOSFET 導(dǎo)通，上述過(guò)程重復(fù)發(fā)生。電感 L2的作用是平滑充電電流17。1234ABCD4321DCBATitleNumberRevisionSizeA4Date:9-Jun-2009 Sheet of File:H:于BACKUP2.DDBDrawn

60、 By:C1C2L1L2U1R23KR310R6500R4500R1100R73KT11234BRIDGE1C30.1uMOSFET PD1C40.1u于于于220VR1100+12GNDGND+-+12+12U1ALM324Vo+Vo-PWMVin2V1V2I1I2IRF9540IN40012500u/25V2500u/25VVsText圖 3-5 充電電源電路3.3.2 控制電路控制電路用來(lái)產(chǎn)生 PWM 波，在這里采用了 TL494 來(lái)實(shí)現(xiàn)。TL494 是美國(guó)德州儀器公司生產(chǎn)的一種電壓驅(qū)動(dòng)型脈寬調(diào)制控制集成電路，主要應(yīng)用在各種開(kāi)關(guān)電源中，TL494 價(jià)格低廉，易購(gòu)得，和分立單元系統(tǒng)相比，在

61、一基于單片機(jī)的智能電池充電器的設(shè)計(jì)2424個(gè)芯片內(nèi)，同時(shí)解決了電流和電壓調(diào)節(jié)器，脈寬調(diào)制，最大電路限制。芯片內(nèi)還設(shè)有附加監(jiān)控保護(hù)功能，使得它可獲得更優(yōu)良的工作性能，提高了抗干擾能力和可靠性，系統(tǒng)結(jié)構(gòu)更簡(jiǎn)潔，縮小了空間。由 TL494、單片機(jī)組成的充電控制回路，構(gòu)成閉環(huán)控制系統(tǒng)。（1） TL494 管腳配置及其功能TL494 的內(nèi)部電路由基準(zhǔn)電壓產(chǎn)生電路、振蕩電路、間歇期調(diào)整電路、兩個(gè)誤差放大器、脈寬調(diào)制比較器以及輸出電路等組成。圖 3-6 是它的管腳圖和內(nèi)部結(jié)構(gòu)原理圖，其中 1，2 腳是誤差放大器 I 的同相和反相輸入端；3 腳是相位校正和增益控制；4 腳為間歇期調(diào)整，其上加 0-3.3V 電

62、壓時(shí)可使截止時(shí)間從 2%線性變化到100%；5，6 腳分別用于外接振蕩電阻和振蕩電容；7 腳為接地端；8，9 腳和 11，10 腳分別為T(mén)L494 內(nèi)部?jī)蓚€(gè)末級(jí)輸出三極管集電極和發(fā)射極；12 腳為電源供電端；13 腳為輸出控制端，該腳接地時(shí)為并聯(lián)單端輸出方式，接 14 腳時(shí)為推挽輸出方式；14 腳為 5V基準(zhǔn)電壓輸出端，最大輸出電流 10mA；15，16 腳是誤差放大器 II 的反相和同相輸入端。圖 3-6 TL494 的管腳圖和內(nèi)部結(jié)構(gòu)(2) TL494 回路控制原理基于單片機(jī)的智能電池充電器的設(shè)計(jì)2525TL494 內(nèi)部振蕩器產(chǎn)生的鋸齒波送到 PWM 比較器的反相輸入端，脈沖調(diào)寬電壓由 A

63、Duc824 檢測(cè)到電池電壓、電流及溫度等參數(shù)經(jīng)處理做出判斷，確定當(dāng)前的充電階段，經(jīng) D/A 轉(zhuǎn)換器輸出電壓信號(hào)送到比較器的同相輸入端 DTC，TL494 內(nèi)部PWM 比較器比較后輸出一定寬度的脈沖波。當(dāng)調(diào)寬電壓變化時(shí)，TL494 輸出的脈沖寬度也隨之改變，從而改變 MOSFET 的導(dǎo)通時(shí)間，達(dá)到調(diào)節(jié)、穩(wěn)定輸出電壓的目的，使電池電壓與設(shè)定值保持一致，形成閉環(huán)回路控制。本次設(shè)計(jì)只采用一組 PWM 輸出，故 TL494 采用單端輸出方式。單端輸出時(shí)TL494 的 Q1和 Q2并在一起輸出 PWM 波，如圖 3-7 所示。C1E1C2E2QCQESingle-EndedOutput ControlQ

64、1Q2圖 3-7 單端輸出連接圖檢測(cè)到的電池電流轉(zhuǎn)換為 0-5V 的電信號(hào)，通過(guò)簡(jiǎn)單濾波電路進(jìn)行平滑、去除雜波干擾后的 CURRENT/AIN1 送給 TL494 的誤差放大器的 V1+同相輸入端。設(shè)定輸入信號(hào)是由 TL494 的+5V 基準(zhǔn)電壓源經(jīng)一精密多圈電位器分壓，由電位器滑動(dòng)端通過(guò)濾波電路接入 TL494 的誤差放大器的 V1-一反相輸入端。反饋信號(hào)和設(shè)定信號(hào)通過(guò) TL494 的誤差放大器后進(jìn)行比較放大，進(jìn)而控制停止 PWM 輸出，防止過(guò)充電。在這次的設(shè)計(jì)中只用到了 TL494 的誤差放大器，故將誤差放大器的V2+（16 腳）接地、V2-（15 腳）接高電平89。TL494 的控制回路

65、電路圖如圖 3-8 所示。基于單片機(jī)的智能電池充電器的設(shè)計(jì)26261234ABCD4321DCBATitleNumberRevisionSizeA4Date:5-Jun-2009 Sheet of File:J:于PREV IO 13.DD BDrawn By:RW433KR155KC90.1uC100.1u+V 11-V12+V 216-V215CO MP3DT C4CT5RT6C18C211OC13VREF14E19E210U2TL 494C111u+5GN DGN DGN DGN DGN DDACU RRE NT /A IN 1GN DPW M圖 3-8 TL494 控制回路電路3.3.

66、3 檢測(cè)電路檢測(cè)電路包括電壓檢測(cè)電路、電流檢測(cè)電路、溫度檢測(cè)電路，由于 ADuc824 自帶內(nèi)部溫度傳感器，本節(jié)著重介紹電壓和電流檢測(cè)電路。（1） 電壓檢測(cè)電壓檢測(cè)電路的設(shè)計(jì)主要考慮的問(wèn)題是:在正常充電的過(guò)程中，電池端電壓 Ubat的變化范圍是 0V 到 15V，要使單片機(jī)檢測(cè) Ubat的變化映射到 0V 到 5V 的范圍內(nèi)，在測(cè)量中，需要用低壓器件去測(cè)量高壓、強(qiáng)電流模擬量，如果模擬量與數(shù)字量之間沒(méi)有電氣隔離，那么，高電壓、強(qiáng)電流很容易串入低壓器件，并將其燒毀。本設(shè)計(jì)采用精密電阻進(jìn)行比例衰減，把輸入電壓量程范圍轉(zhuǎn)化為 AD 轉(zhuǎn)換器的量程范圍，然后經(jīng) RC 濾波，再送給 AD 轉(zhuǎn)換器測(cè)量。線性光藕可以較好的實(shí)現(xiàn)輸入側(cè)和輸出側(cè)之間的隔離，且輸出側(cè)跟隨輸入變化，線性度達(dá) 0.01%。電壓采樣電路的工作原理如圖 4-9 所示：基于單片機(jī)的智能電池充電器的設(shè)計(jì)27271234ABCD4321DCBATitleNumberRevisionSizeA4Date:2-Jun-2009 Sheet of File:H:于BACKUP21.DDBDrawn By:R9100KR1010KU4BOPTOIS