简易快速充电器设计

简易快速充电器 军械工程学院本科毕业论文 移动通讯、消费类数码产品、本电脑、便携仪器等便携设备市场的 不断扩张，使得我们对电池的性能和工作寿命的要求不断地提高。这就要求 我们不仅提高电池的质量，还要对充电器进行改善。本设计对电池的发展及 现状进行了回顾，讲述了不同电池的优缺点。针对电池的现状，提出了此设 计。硬件电路包含了：CPU电路（采用Atmega8）、1602B字符型液晶模块、恒流/恒压电路、基准电压源、电流检测电路、电池电压检测电路、温度传 感电路、RS232接口电路。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（Lilon）和密封铅酸电池（SLA）四种 类型。 我们知道影响电池使用寿命的主要因素有以下几点：过放电、充电 温度、最高充电电压。这些在本设计都注意到了 。 关键词 单片机 ; 充电器 ; 蓄电池 I 军械工程学院本科毕业论文 Abstract The market of mobile communication, consumption digital product , notebook computer , portable instrument portable equipment expand all the t ime, make us request for performance and working life of the battery to i mprove constantly. It requires us not to improve the quality of the battery merely and improve the charger. The design review to go on developmen t and current situation about battery , tell different pluses and minuses of battery originally. To the current situation of the battery , have proposed t his design. The hardware circuit includes: C P U circuit (adopt Atmega8), character type liquid crystal module of 1602B, permanent to flow / constan t voltage circuit , basic voltage source , electric current measure circuit , b attery voltage measure circuit , temperature sensing circuit , RS232 interfac e circuit. The rechargeable battery that various kinds of electric apparatuses use has nickle cadmium batteries mainly at present (NiCd ) , nickel hydr ogen battery (NiMH ) , the lithium battery (Lilon ) and sealed lead-acid b attery (SLA ) are four kinds. We know that influence the main factor of s ervice life of the battery to have the following several points: discharge , charge temperature , charge the voltage at most to pass. These have been originally designed and noticed. Key wordMicrocontroler,charger,batterry II 军械工程学院本科毕业论文 摘要. I Abstract II 第1章 绪论1 1.1课背景..................................................1 1.1.1课题背景.............................................1 1.1.2课题的研究目的及意义................................ 1 1.2充电器概述................................................1 1.2.1充电器...............................................1 1.2.2电池的特性...........................................2 1.2.3智能充电器...........................................3 1.3智能充电器的设计要求......................................3 第2章 智能充电器的电路设计5 2.1 CPU电路..................................................5 2.1.1单片机历史............................................5 2.1.2单片机应用领域........................................6 2.1.3 MCU系统时钟和实时时钟的选择..........................7 2.1.4 PWM脉宽调制波产生器..................................8 2.1.5 AD转换器.............................................8 2.2 1602B字符型液晶模块......................................8 2.3恒流/恒压电路.............................................9 2.4基准电压源...............................................11 2.5电流检测电路.............................................13 2.6电池电压检测电路.........................................14 2.7温度传感器...............................................15 2.8 RS22接口电路............................................17 第3章 智能充电器的充电控制技术18 3.1充电算法.................................................18 3.1.1涓流短时充电.........................................18 3.1.2恒流充电.............................................19 3.1.3恒压充电.............................................19 I 军械工程学院本科毕业论文 3.1.4浮充电...............................................19 3.2充电终止控制.............................................19 第4章 智能充电器的软件设计20 4.1软件设计.................................................20 4.2软件抗干扰处理...........................................21 4.2.1watchdog定时器.......................................21 4.2.2数字滤波技术.........................................21 第5章 智能充电器的应用实验22 5.1充电性能实验.............................................22 5.2智能充电器的通用性实验...................................23 致谢..24参考文献.25 II 军械工程学院本科毕业论文 简易快速充电器设计 第一章 绪论 1.1 课题背景 1.1.1 课题背景 电子信息技术的快速发展使各种电子产品不断涌现，并朝便携和小型轻 量化的趋势发展，这也使更多的电气化产品采用基于电池的供电系统。现代 通信设备?便携式电子产品?笔记本电脑?电动汽车?小卫星等普通使用 蓄电池作为电源，应用非常广泛。随着对电池性能和工作寿命的要求不断提 高，这就要求我们不仅提高电池的质量，还要对充电器进行改善。智能快速 充电器的大规模生产已成为可能，其将成为未来充电器发展的主要方向。 1.1.2 课题的研究目的及意义 本课题所设计的智能充电器能够解决普通充电器存在的缺陷，以其操作 简单,可靠性高,通用性强等优点成为充电器发展的主要趋势，对充电器智能 化的研究具有深远的现实意义和良好的市场前景。 1.2 充电器概述 1.2.1 充电器 充电器,英文名称Charger,通常指的是一种将交流电转换为低压直流电 的设备。充电器在各个领域用途广泛，特别是在生活领域被广泛用于手机、 相机等等常见电器。 充电器是采用半导体器件，将电压和频率固定不变的交流电变换为直流 电的一种静止变流装置。在以蓄电池为工作电源或备用电源的用电场合，充 电器具有广泛的应用前景。 1 军械工程学院本科毕业论文 充电器有很多种，如铅酸蓄电池充电器、阀控密封铅酸蓄电池充电器、 镉镍电池充电器、镍氢电池充电器、锂离子电池充电器、便携式电子设备锂 离子电池充电器、锂离子电池保护电路多功能充电器、电动车蓄电池充电器 等。 1.2.2 电池的特性 各种充电电池特性： 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（Lilon）和密封铅酸电池（SLA）四种类型。 1．各种充电电池的优缺点 NiCd电池是前几年使用最为普遍的充电电池。它的优点主要是价格便 宜，缺点是其自放电率较高，存在记忆效应，且镍镉电池会对环境产生污染， 因此也将逐渐地退出市场。通常NiCd电池可以充放电1000次左右。 近两年来，重量更轻容量更大的NiMH电池得到了更为普遍的使用。 在手机、数码相机、数码摄像机等便携式设备中都能见到NiMH电池的身影。镍氢电池的容量比镍镉电池高1.5－2倍，且具有不污染环境、价格便 宜、性能好等优点。NiMH电池的自放电率大概为20％左右 同其他充电电池相比较，锂电池具有最高的能量/重量、能量/体积比、无记忆效应等优点。但是锂电池成本高而且充电器要求也是最高的。如果对 锂电池充电不当的话，很容易损坏电池，甚至产生电池爆炸。 2．影响充电电池使用寿命的因素 影响镍氢、镍镉电池使用寿命的主要因素是过充电和充电时电池温度过 高（通常要求电池温度保持在45度以下进行充电）。另外，由于镍镉电池具 有记忆效应，因此，如果在镍镉电池存储的电量没有完全放完的情况下充电 的话，也会影响电池的使用寿命。 而影响锂电池使用寿命的主要因素有以下几点： 过放电：锂电池放电过程中，锂离子不断地从电池负极移动到电池正极， 但是不能使锂离子完全地移动，必须保留一部分锂离子在电池负极中。否则 电池寿命就会大大地缩短。为保证电池放电结束后电池中还保留部分锂离 子，就要求电池在使用中不能过放电。通常锂电池单体的终止放电压为3.0，不要低于2.7V。 充电温度：通常要求锂电池在充电过程中温度不能超过50度，否则会影响电池使用寿命。 最高充电电压：锂电池的最高电压为4.2V，否则会使正极的锂离子移 动太多，从而大大缩短电池的使用寿命。 1.2.3 智能充电器 2 军械工程学院本科毕业论文 智能充电器的充电过程是用CPU进行管理，也有两种控制。?“”控制法。?温度控制法。分别讨论如下： ?档案控制法： 在计算机的ROM中输入电池管理档案，将电池在充电和使用的各个时 期内阻特性参数预先设计好，在电池充电的过程中，计算机根据电池的使用 情况调用设计好的内阻参数调整充电电压，使之充电电流始终保持最佳大 小。（注：这里指的“恒流”是相对上面两种充电方法而言，并非一成不变。） 减少了电解质的分解，从而延长了电池的寿命。用这种方法充电的电池是不 可更换的。如需要更换，必须送到专业维修站。在换电池的同时，还必须把 ROM内的电池管理档案重新刷新。 ?温度控制法： 在计算机的ROM中事先输入温度控制的参数，而在电池中预先埋入温 度传感电路。当充电电流过大时，电池发热，温度传感电路输出控制信号给 计算机，计算机根据预先设定的参数及时对充电电压进行调整，使充电电流 始终保持最佳大小。用这种方法电池是可更换的。像“索尼”的PDA的可更 换电池就是采取这种方法。“索尼”称为“聪明”电池。判别这种电池的方 法：它的联接端口的个数?6。 1.3 智能充电器的设计要求 几乎是所有用户都希望充电器的充电速度越快越好。因此，充电器能够 提供的充电速率就是充电器设计的一个重要指标，但是要提高这个指标的前 提是充电器必须能够在快速充电阶段能够准确的判断电池的状态。快速充电 器的一个本质特征就是在过度充电之前自动降低充电速率。同时充电速率最 好也不要超过电池生产商的建议值，通常不要超过2C的充电速率。 因此，一个安全可靠的充电器就需要能够在电池的充电过程中能够严格 的控制电池的充电电流、电压、温度等物理参数。因此，智能型充电器通常 应该包括恒流/恒压控制环路、电池电压监测电路、电池温度监测电路等基 本单元。智能充电器的基本硬件方框图如下图所示： 3 军械工程学院本科毕业论文 图1.1 智能充电器的基本硬件框图 4 军械工程学院本科毕业论文 第二章 智能充电器的电路设计 2.1 CPU电路 处理器就是我们所说的CPU（Central Processing Unit）又叫中央处理器，其主要功能是进行运算和逻辑运算，内部结构大概可以分为控制单元、算术 逻辑单元和存储单元等几个部分。按照其处理信息的字长可以分为：八位微 处理器、十六位微处理器、三十二位微处理器以及六十四位微处理器等等。 本充电器设计采用ATMEL公司2002年推出的一款AVR高档单片机Atmega8。其内部集成了大容量的存储器，提供了PWM脉宽调制脉冲产生器、多路AD转换器、实时时钟电路、串行接口等硬件接口。非常适合用作 智能型充电器的MCU控制单元。Atmega8有DIP28和TQFP/MLF32三种封装类型。我们选择了DIP28封装，如下图所示 图2.1 DIP28封装图 2.1.1 单片机的历史 5 军械工程学院本科毕业论文 单片机，亦称单片微电脑 或单片微型计算机。它是把中央处理器 （CPU）、随机存取存储器（RAM）、只读存储器（ROM）、输入/输出端口 （I/0）等主要计算机功能部件都集成在一块集成电路芯片上的微型计算机 如果将8位单片机的推出作为起点，那么单片机的发展历史大致可分为以下几 个阶段 （1）第一阶段（1976-1978）：单片机的控索阶段。以Intel公司的MCS – 48为代表。MCS – 48的推出是在工控领域的控索，参与这一控索的 公司还有Motorola 、Zilog等，都取得了满意的效果。这就是SCM的诞生年代，―单机片‖一词即由此而来。 （2）第二阶段（1978-1982）单片机的完善阶段。Intel公司在MCS – 48 基础上推出了完善的、典型的单片机系 列MCS –51。它在以下几个方面奠定了典型的通用总线型单片机体系结构。 ?完善的外部总线。MCS-51设置了经典的8位单片机的总线结构，包括8位数据总线、16位地址总线、控制总线及具有很多机通信功能的串行通信 接口。 ?CPU外围功能单元的集中管理模式。 ?体现工控特性的位地址空间及位操作方式。 ?指令系统趋于丰富和完善，并且增加了许多突出控制功能的指令。 （3）第三阶段（1982-1990）：8位单片机的巩固发展及16位单片机的推出阶段，也是单片机向微控制器发展的阶段。Intel公司推出的MCS – 96系列单片机，将一些用于测控系统的模数转换器、程序运行监视器、脉宽调制 器等纳入片中，体现了单片机的微控制器特征。随着MCS – 51系列的广应用，许多电气厂商竞相使用80C51为内核，将许多测控系统中使用的电路技 术、接口技术、多通道A/D转换部件、可靠性技术等应用到单片机中，增强 了外围电路路功能，强化了智能控制的特征。 （4）第四阶段（1990—）：微控制器的全面发展阶段。随着单片机在各个领 域全面深入地发展和应用，出现了高速、大寻址范围、强运算能力的8位/16位/32位通用型单片机，以及小型廉价的专用型单片机。 2.1.2 单片机的应用领域 由于单片机具有显著的优点，它已成为科技领域的有力工具，人类生活 的得力助手。它的应用遍及各个领域，主要表现在以下几个方面： 1. 单片机在智能仪表中的应用 单片机广泛地用于各种仪器仪表，使仪器仪表智能化，并可以提高测量 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 6 军械工程学院本科毕业论文 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. 单片机在实时控制中的应用 单片机广泛地用于各种实时控制系统中。例如，在工业测控、航空航天、 尖端武器、机器人等各种实时控制系统中，都可以用单片机作为控制器。单 片机的实时数据处理能力和控制功能，可使系统保持在最佳工作状态，提高 系统的工作效率和产品质量。 4. 单片机在分布式多机系统中的应用 在比较复杂的系统中，常采用分布式多机系统。多机系统一般由若干台 功能各异的单 片机组成，各自完成特定的任务，它们通过串行通信相互联 系、协调工作。单片机在这种系统中往往作为一个终端机，安装在系统的某 些节点上，对现场信息进行实时的测量和控制。单片机的高可靠性和强抗干 扰能力，使它可以置于恶劣环境的前端工作。 5. 单片机在人类生活中的应用 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、电子 玩具、收录机 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。 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。 2.1.3 MCU系统时钟和实时时钟的选择 Atmega8具有5种类型的系统时钟源，即外部晶振、外部低频晶振、外 部RC振荡、内部RC振荡及外部时钟。由于充电器在充电过程中需要计算 充电时间，因此智能充电器的设计中必须包括实时时钟源。根据Atmega8的时钟源特点，本充电器的MCU系统时钟选择使用可校准的内部RC振荡器产生8M时钟，外接32.768KHz的晶振做为实时时钟的时钟源。 2.1.4 PWM脉宽调制波产生器 Atmega8具有3个定时/计数器，可以实现定时/计数功能外，还具有任意小于16位相位和频率可调的PWM脉宽调制输出功能。本充电器使用T/C1产生PWM，为了获得较高的PWM脉冲频率，T/C1的工作模式选择快速模式。 PWM脉冲从PB1（15脚）输出。 2.1.5 AD转换器 DIP28封装形式的Atmega8具有4个10位精度和2个8位精度的AD转 7 军械工程学院本科毕业论文 换通道。本充电器在充电过程中需要随时采集电池的充电电流、放电电流、 电池电压和电池温度，共需要4个AD转换通道。我们采用ADC0（PC0）采集充电电流数据，ADC1（PC1）采集电池电压，ADC2（PC2）采集电池温度，ADC3（PC3）采集放电电流。 Atmega8的21脚AREF是AD转换器的电压参考源。20脚Avcc是AD转换器的电源引脚，为了减小电磁干扰提高测量精度，Avcc是通过L1和C6组成的LC网络才连接至5V电源端。 2.2 1602B字符型液晶模块 1602B字符型液晶模块是2行16个字的5x8点阵图形来显示字符的液 晶显示器，控制芯片为KS0066。液晶模块内部的字符发生存储器（CGROM）已经存储了160个不同的点阵字符图形。这些字符有：阿拉伯数字、英文字 母的大小写、常用的符号、和日文假名等，每一个字符都有一个固定的代码， 比如大写的英文字母“A”的代码是01000001B（41H），显示时模块把地址 41H中的点阵字符图形显示出来，我们就能看到字母“A”。脚注意事项： 从该模块的正面看，引脚排列从右向左为：15脚、16脚，然后才是1－14脚。 VDD：电源正极，4.5－5.5V，通常使用5V电压； VL：LCD对比度调节端，电压调节范围为0－5V。接正电源时对比度最弱， 接地电源时对比度最高，但对比度过高时会产生“鬼影”，因此通常使用一 个10K的电位器来调整对比度，或者直接串接一个电阻到地； RS：MCU写入数据或者指令选择端。MCU要写入指令时，使RS为低电平；MCU要写入数据时，使RS为高电平； R/W：读写控制端。R/W为高电平时，读取数据；R/W为低电平时，写入数据； 8 军械工程学院本科毕业论文 E：LCD模块使能信号控制端。写数据时，需要下降沿触发模块。 D0－D7：8位数据总线，三态双向。如果MCU的I/O口资源紧张的话，该模块也可以只使用4位数据线D4－D7接口传送数据。本充电器就是采用4位数据传送方式； BLA： LED背光正极。需要背光时，BLA串接一个限流电阻接VDD，BLK接地，实测该模块的背光电流为50mA左右； BLK： LED背光地端。 1602B在智能充电器中的电路 图2.2 1602B电路图 2.3 恒流/恒压电路 下图是采用PWM方式控制的恒流/恒压电路。由于图中的开关管是工作在开 关状态，因此电路的工作效率较高。 9 军械工程学院本科毕业论文 图2.3 PWM控制电路 工作原理：当开关管Q导通时，输入电源通过电感L向电容C充电， 同时电感L开始存储能量。当Q断开后，电感要保持电流从而开始释放能量， 二极管D开始导通，电感继续给电容充电。开关管周期性的导通，从而保证 了电路输出恒定的输出电压。如果开关管的导通时间增加，则输出电压升高， 充电电流加大。反之则输出电压下降，充电电流下降。 因此，通过调整PWM的占空比，就可以实现实现充电器的恒流和恒压功 能。占空比与输出电压的关系如下： ton/T = (Vo + VD) / (Vi – Vsat + VD) (2.1) 其中： ton ：开关管导通时间 T ：PWM脉冲的周期 Vi ：输入电压 Vo ：输出电压 Vsat ：开关管的饱和压降 VD ：二极管导通压降 电感L的计算方法如下： L = (Vi – Vsat - Vo)ton / Ipk (2.2) 其中： Ipk = 2IoMAX IoMAX = 最大输出电流 下图是本充电器的恒流/恒压电路。 10 军械工程学院本科毕业论文 图2.4 恒流/恒压图 2.4 基准电压源 TL431是一个具有良好的热稳定性能的三端可调基准电源。外形如下图 所示： 图2.5 TL431外形 TL431有3个引脚，分别为：阴极C（CATHODE）、阳极A（ANODE）和 参考端R（REF）。 11 军械工程学院本科毕业论文 图2.6 TL431工作原理图 图2.7 充电器基准电压电路图 TL431的内部含有一个2.5V的基准电压，所以当在REF端引入输出反馈时，器件可以通过从阴极到阳极很宽范围的分流，控制输出电压。输出电 压可以控制在Vref（2.5V）到36V范围内。当R12和R16的阻值确定时，两者对Vo的分压引入反馈，若V o增大，反馈量增大，TL431的分流也就 12 军械工程学院本科毕业论文 增加，从而又导致Vo下降。显见，这个深度的负反馈电路必然在VI等于基准电压处稳定，此时Vo=(1+R12/R16)Vref。选择不同的R1和R2的值可以得到从2.5V到36V范围内的任意电压输出，特别地，当R1=R2时，Vo=5V。需要注意的是，在选择电阻时必须保证TL431工作的必要条件，就是通过阴 极的电流要大于1 mA 。 本充电器选择的基准电压值＝（1＋3/6）×2.5=3.75V (2.3) 2.5 电流检测电路： 本充电器需要实时监控充电过程中的充电电流、电池电压、电池温度以 及放电电流值。因此需要运放电路来对这些参数进行放大。LM324是一款使用普遍且价格便宜的4运放集成电路。其工作电压为3－32V，封装如下图所示： 图2.8 LM324封装图 电流检测电路如下图所示。通过检测与电池串联的电流检测电阻R2上 13 军械工程学院本科毕业论文 的电压，即可计算出充电电流和放电电流。运放2为充电电流检测放大器，运放3为放电电流检测放大器。 图2.9 电流检测电路 两路放大器的增益均为：R27/R30＝87/6.6＝13。即最大电流检测值为：基准电压/电流放大器增益/R26＝3.7/13/0.1＝2.8A。 2.6 电池电压检测电路 为了监控电池电压，需要将电池电压变换在单片机的AD测量范围以内，即0至Vref范围内。这里采用了一个普通的差分放大电路。如下图所示： 14 军械工程学院本科毕业论文 图2.10 差分放大电路 其运放输出电压TEST_V＝Vbattery×R17/R14。即电池最大测量电压 为： Vbattery_max＝Vref×R14/R17＝3.75×12/3.08＝14.6V。 2.7 温度传感器 LM35是一款精密集成电路温度传感器，其输出的电压线性地与摄氏温 度成正比。LM35系列传感器生产制作时就已经过校准过，其输出电压与摄 氏温度一一对应，使用极为方便。其灵敏度为10.0mV/?，精度在0.4?至 0.8?(-55?至+150?温度范围内)，低输出阻抗，线性输出和内部精密校准 使其与读出或控制电路接口简单和方便，可单电源和正负电源工作。 特性 在摄氏温度下直接校准 +10.0mV/?的线性刻度系数 确保0.5?的精度(在25?) 额定温度范围为-55?至+150? 适合于远程应用 工作电压范围宽,4V至30V 低功耗,小于60uA 在静止空气中,自热效应低,小于0.08?的自热 15 军械工程学院本科毕业论文 非线性仅为?1/4? 10输出阻抗，通过1mA电流时仅为0.1Ω 参数指标及外形图（三种封装）。本充电器选用了LM35DZ型号，封装类型为TO-92塑封，如下图所示。工作温度范围为0?至+100?。 图2.11 TO-92封装（底视图） 1脚：+VS，2脚：Vout，3脚：GND 典型应用：利用数字表可以直接测量温度，如室温25?时，表上读数为 0.25V。如下图所示： 图2.12 温度读数 本充电器温度测量电路如下图所示： 16 军械工程学院本科毕业论文 图2.13 温度测量电路 运放电路增益为R34/R35＝12/2＝6。因为AD转换器基准电压为3.7V， 因此充电器的温度测量最大值为（基准电压/温度测量增益）/10mV＝3700/6/10＝62摄氏度。 2.8 RS232接口电路 这里采用分立元件构成的RS232接口电路，该电路工作稳定可靠，而且 无须调试。如果需要缩小体积的话，可以采用MAX232专用串口芯片。 17 军械工程学院本科毕业论文 第三章 充电控制技术 3.1 充电算法 根据充电电池的原理，同种工艺的电池理想的充电曲线大致相似，而具 体的电压数值有所差别的特点，应用信息技术进行控制，可达到最佳充电效 果。为实现大电流充电，又要保护电池，蓄电池采用下图 所示的充电方式，充电阶段可以分成4 个阶段。 图3.1 充电曲线 3.1.1 涓流短时充电 充电器开始工作后，首先检测蓄电池的电池电压，若电池电压低于9. 5V，充电器不工作。若电池电压大于9.5V而小于10.5V，说明蓄电池曾经过度放电，为避免对蓄电池充电电流过大，造成热失控，微处理器通过监测 蓄电池的电压，对蓄电池实行稳定小电流涓流充电，激活蓄电池。在涓流充 18 军械工程学院本科毕业论文 电阶段，电池电压开始上升，当电池电压上升到能接受大电流充电的阈值时， 则转入恒流充电阶段。 3.1.2 恒流充电 该阶段为大电流恒流充电，电流值为I2 ，因蓄电池容量而异，一般为I2 越0.1C（C 为蓄电池组的容量），持续时间为T2，在恒流充电状态下，不断检测电池端电压，当电池电压达到饱和电压时，恒流充电状态终止。 3.1.3 恒压充电 该阶段为恒压充电，电压值为14.7V，它是蓄电池节数与蓄电池温度 的函数，这时充电电流逐渐减小，恒压充电时，保持充电电压不变。充电电 流不断下降，当充电电流下降到恒流状态下充电电流的1/10 时，终止恒压充电。 3.1.4 浮充电 该阶段主要用来补充蓄电池自放电所消耗的能量，电池电压达到13.8 V时，此时标志着充电过程结束。 3.2 充电终止控制 电池在充满电后，如果不及时停止充电，电池的温度将迅速上升。温度 的升高将加速蓄电池板栅腐蚀速度及电解液的分解，从而缩短电池寿命、容 量下降。为了保证电池充足电又不过充电，采用具有定时控制、温度控制和 电池电压、电流控制功能的综合控制法。 19 军械工程学院本科毕业论文 第四章 智能充电器的软件设计 4．1 软件设计 图4.1 充电主程序流程图 因为不同种类的电池有不同的充电特性，所以充电器要能根据具体电池 的类型，控制不同的充电状态。在充电的关键阶段采用了模糊控制方法，这 些通过程序控制实现。充电主程序流程图如图猿所示。程序具体实现过程为： 20 军械工程学院本科毕业论文 单片机首先进行初始化，然后对蓄电池的电压进行测量，产生电压偏差和变 化率信号，偏差及变化率信号进入模糊控制器后，经过模糊处理，输出电流 信息，从而适时和正确地控制充电方式和过程。参照充电曲线图，在充电过 程中不断检测电池是否充满，当检测己经充满时，提示用户电池已充足，充 电器自动进入浮充维护状态。若在充/供电过程时出现故障，LPC933 微控制器会及时停止输出并报故障。模糊处理和终止条件的判决为整个智能充电器 的关键，关系着充电器性能的好坏。 4.2 软件抗干扰处理 软件抗干扰处理方法主要解决以下问题：A 电池充电不足 B 充电状态指示错误 C 程序运行混乱 采用的软件抗干扰措施是：watchdog定时器和数字滤波技术 4.2.1 watchdog定时器 watchdog定时器是一种软硬件结合的抗干扰技术,程序运行正常时,每隔一段时间对watchdog定时器进行一次清零,不要让watchdog发生溢出。具体清零时间的选择是由程序的循环运行时间和watchdog定时器的定时时间决定的,一般清零时间要小于watchdog定时时间的三分之一。 4.2.2 数字滤波技术 在读去电池电压时,采用中位值平均滤波法,相当于中位值滤波法+算术平均滤波法。该方法就是对被测参数进行多组采样,采样组数的选择一般是2的M次幂,然后把2的M次幂的和进行算术平均后作为本次采样值。 对每一组数据用中位值平均滤波法进行处理，即对被测参数进行连续N次采样（N为奇数），然后把N次采样值进行大小冒泡排序，取中间值作为 本组采样值。中间值平均滤波法可有效克服因偶然因素引起的波动干扰， 尤其是对在某一数值附近上下波动的随机干扰信号具有很好的滤波作用。 21 军械工程学院本科毕业论文 第五章 智能充电器的应用实验 5．1 充电性能试验 这里选用型号为US18650的SONY锂离子电池，其额定容量1800mAh；经过测量，电池在4.2V左右的内阻约为0.3Ω 。取恒流充电电流为1/3C=0.6A，截止电压为4.2V，充电结束标志电流为0.06A，进行充电试验。充电时间约为240分钟，如果需要进一步缩短充电时间，只需在初始化时设 定更大的充电电流计即可。因为采用PWM控制器，所以电源供电的效率高， 从供电电源到充电电池的工作效率，最低在85%左右，充电电流波动较大，波动系数约为5%。 图5.1 锂离子电池充电性能试验 22 军械工程学院本科毕业论文 图5.2 NOKIA商用电池充电试验 5．2 智能充电器通用性试验 选用NOKIA6100锂离子电池(额定容量为550mAh),用恒流-恒压充电方式进行充电,取恒流充电电流为0.15A,截止电压为4.2V,充电曲线如上图所示。 从充电曲线来看,电池电压达到3.96V时就不再上升了,充电电流也不再下降了。可以判断商用电池内部有保护电路,将多余的电流旁路了,这样的保护电路使充电过程中能量损耗很大。试验曲线显示在四小时时电池电量已 经达到550mAh,但实际上并没有达到满充。此实验证明,此充电器可以作为一般的商用电池的通用充电器,充电速度快,效果良好。 23 军械工程学院本科毕业论文 本学位论文是在贺臣教授的悉心指导下完成的,从论文的选题到论文的完成都倾注了恩师的大量心血和精力.导师知识渊博,治学严谨,讲解认真耐心,一丝不苟,具有忘我的工作作风及学术上的远见.在生活上平易近人,对学生十分关心与照顾.导师的人格与精神都让学生身感敬佩.导师不仅是学生时刻学习的榜样,并且是学生毕生学习工作的激励者.值此论文完成之际,特向导师致以衷心的感谢和诚挚的敬意. 在本文完成过程中,得到了本系辅导员们的热情帮助和指导,论文的完成离不开他们的辛勤付出,在此向他们表示衷心的感谢. 在课题研究过程中,得到了全组同学的帮助和关照.在与他们进行课题探讨和学术交流的过程中,不仅提高了效率,而且受益良多.在此对他们的支持和关心表示真诚的感谢. 最后,向所有给予过我支持、鼓励和帮助的领导、老师、家人、朋友、 同学等表示诚挚的谢意和无尽的敬意! 24 军械工程学院本科毕业论文 参考文献 [1] 王鸿粼. 智能快速充电器设计与制作. 北京:北京航空航天大学，2004 [2] 周智敏等. 充电器电路设计与应用. 北京:人民邮电出版社,2005 [3] 杨同洲等. 电源设备的使用维护与检修. 北京:人民邮电出版社,1991 [4] 李朝青. 单片机原理及接口技术. 北京:北京航空航天大学,1994 [5] 张毅刚. 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