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1、基于AT89C2051单片机的智能快速充电器摘 要本设计讨论了镍镉、镍氢电池的充电问题，以此为基础设计了一个快速充电器。论文中首先介绍了镍镉、镍氢电池各自的特点以及它们的充电特性，研究了几种常用的充电方法和充电终止控制方法，分析了这几种方法各自的优缺点。基于以上分析，本设计采用了一种较好的充电终止控制方法电压负增量控制方法，以AT89C2051单片机为核心设计了一个智能快速充电器。该充电器主要利用模数转换，将电池电压这一模拟量转换为单片机定时器中的数字量，经过数字量的运算、比较，对电池的工作状态进行判断，并相应地采取不同的充电方法。其中快速充电过程采用了大电流脉冲充放电的方法，消除了电池极化反
2、应这一现象，充电过程中检测电路检测到电池出现负压后，快速充电终止。关键词：电压负增量；快速充电；模数转换AbstractThe reference design discusses the issue of charge for NiCd/NiMH batteries; on this basis a quick charger is designed. The characteristic and charge feature of them are introduced, some kind of charging method and stop-charge controlling me
3、thod are particularly investigated，The advantages and disadvantages of them are analyzed. Based on the analysis above, a kind of well controlling method is adopted (-V) and an intelligent quick charger based on AT89C2051 single-chip microcomputer designed. This charger uses the A/D conversion, chang
4、ing analogical quantity of batteries voltage into digital quantity of timer in single-chip microcomputer. After operating and comparing of this digital quantity, it judges the state of batteries, accordingly adopts different charge method. To eliminate the effect of polarization, it uses large curre
5、nt pulse to conduct charging and discharging. Quick charge stops after negative voltage appearing during the process of charge.Key words：Negative voltage increment；Quick charge；A/D conversion前 言最近几年以来，数码技术的发展使人们对能源的要求越来越高，作为能源市场上的佼佼者，性价比高的镍镉镍氢电池可满足很多方面的需求，得到了众人的青睐，各种镍镉镍氢电池的充电器也得到了很大发展。这两种电池具有相似的特性，可
6、以设计出两种电池都适用的充电器。本设计在讨论了两种电池特性基础上，以AT89C2051单片机为核心设计了一个可对镍镉镍氢电池充电，具有电压负增量（-V）控制功能的快速充电器。这个快速充电器硬件电路比较简单，成本较低，不过在软件部分采用了较为先进的控制方法，其性能并未因此受到影响。本论文主要分四个部分，首先第一章对本设计作了一下概述。第二章介绍了镍镉镍氢电池的特点、充电曲线、充电方法、充电过程和充电终止控制方法，它们是本设计的基础，其中两种电池的充电曲线是重点内容，正是在研究了两种电池充电曲线的基础上，本设计采用了脉冲法加去极化反应结合的充电方法和电压负增量的充电终止控制方法。第三章分三个部分对
7、本设计的硬件电路做了详细分析，其中包括电路工作原理和每一部分参数的设置。本设计中用到了A/D转换，第三章最后对影响该A/D转换电路的因素做了详细分析并给出了误差解决方案。第四章是程序设计，讲述了本设计程序代码，并结合程序分析了电路工作过程。目 录第1章 概 述1第2章 镍镉镍氢电池的充电原理22.1 充电相关术语22.2 两种充电电池的特点32.3 充电曲线42.4 充电方法、过程及充电终止控制方法5第3章 硬件电路设计93.1 电路总体框架93.2 控制芯片AT89C2051简介93.3 充放电电路设计113.4 电压变换和模拟开关选通电路设计123.5 A/D转换电路设计183.6 电路其
8、它组成部分203.7 电路工作过程分析203.8 误差分析及解决办法213.9 影响A/D转换速度的因素及提高办法22第4章 程序设计234.1 程序设计总体思路234.2 主程序代码设计244.3 子程序设计27结 论31参考文献32致 谢33附录1 系统电路图34附录2 主要源代码35第1章 概 述随着数码行业的爆破性增长，镍镉镍氢电池以其经济实惠的优点得到众人的青睐，用途也从传统的小家电产品收音机、录音机、剃须刀等扩展到我们新兴的MP3、PDA、数码相机、电动玩具等产品中来。镍镉镍氢电池各有各的特点，可分别满足特定的需求。镍镉镍氢电池具有独特的充电特性，因此设计充电器时要考虑到这一特性，
9、这样才能把优势充分发挥出来。在理解了两种电池的特点，分析了它们的充电曲线和特性以后，本文对几种不同的充电方法和充电终止控制方法作了详细比较，分析了各自的利弊，最终采用了脉冲法加去极化反应结合的快速充电方法以及电压负增量（-V）的充电终止控制方法。本设计选用了单片机、模拟开关等集成器件，为了便于对硬件电路设计原理进行分析，在硬件电路设计这一章中对它们的基本功能做了简要介绍。本设计的硬件电路中，充电和电压变换部分属于模拟电路，而控制部分属于数字电路，连接这两部分电路的一个重要组成部分是A/D转换电路。为了充分利用已有资源，降低成本，这个A/D转换电路利用的是恒流源对电容充电，电容两端电压与时间呈线
10、性关系这一原理，将电池电压这个模拟量转换成单片机定时器中的数字量。本设计的软件部分根据A/D转换电路得到的电池电压的数字量进行电压的比较和判断，按照充电曲线进行快速充电，当快充结束后，自动转入涓流充电。第2章 镍镉镍氢电池的充电原理2.1 充电相关术语为了更好地理解镍镉镍氢充电电池的特性，下面先简单介绍一下几个和充电电池相关的术语：1充电速率（C-rate）C是Capacity的第一个字母，用来表示电池充放电时电流的大小数值，以mAh或Ah表示。可以用它来估算工作时间，例如，C=1600mAh的电池，如果工作电流为400mA，则可估算工作时间约为4小时。2终止电压（Cut-off discha
11、rge voltage）电池放电时，电压下降到电池不宜再继续放电的最低工作电压值称为终止电压。根据不同的电池类型及不同的放电条件，对电池的容量和寿命的要求也不同，因此规定的电池放电的终止电压也不相同。3开路电压（Open circuit voltage）电池不放电时，电池两极之间的电位差称为开路电压。电池的开路电压，会依电池正、负极与电解液的材料而异，如果电池正、负极的材料完全一样，那么不管电池的体积有多大，几何结构如何变化，开路电压都是一样的。4过放电（Over discharge）电池若是在放电过程中，超过电池放电的终止电压值，仍继续放电时就可能会造成电池内压升高，正、负极活性物质的可逆性
12、遭到损坏，使电池的容量明显减少，这一现象称为过放电。5过充电（Over charge）电池在充电时，达到充满状态后，若仍继续充电，可能导致电池内压升高、电池变形、漏液等情况发生，电池的性能也会显著降低，甚至使电池损坏，这一现象称为过充电。6能量密度（Energy density）电池的平均单位体积或质量所释放出的电能称为能量密度。一般在相同体积下，锂离子电池的能量密度是镍镉电池的2.5倍，是镍氢电池的1.8倍，因此在电池容量相等的情况下，锂离子电池就会比镍镉、镍氢电池的体积更小，重量更轻。7自我放电（Self discharge）电池无论处于使用状态还是未使用状态，由于各种原因，都会引起其电量
13、损失，这一现象称为自我放电。若是以一个月为单位来计算的话，镍镉电池自我放电约是15%30%、镍氢电池自我放电约25%35%。8记忆效应（Memory effect）镍镉充电电池使用过程中，如果电量没有全部放完就开始充电，下次再放电时，就不能放出全部电量，这一现象称为记忆效应。比如，镍镉电池只放出80%的电量后就开始充电，充满电后，该电池也只能放出80%的电量，这种现象称为记忆效应。镍氢电池也有记忆效应，只是没有镍镉电池那样明显。2.2 两种充电电池的特点2.2.1 镍镉电池的特点镍镉电池特点如下：1镍镉电池的充放电周期可达500次以上，是一种经济的电池；2内阻小，可大电流放电，放电时电压的变化
14、很小，因此作为直流电源质量极佳；3完全密封式封装，因此正常操作不会有电解液泄漏的现象，也不需要补充电解液；4与其他种类电池相比，镍镉电池可耐过充电或过放电；5长时间的放置不用也不会使性能劣化，当再次充满电后即可恢复原来的特性；6可使用在很广的温度范围内1。镍镉电池放电时，开路电压依据其放电电流多少有些差异，大体上是每个1.25V1.3V左右，其放电终止电压在5小时放电率情况下为1.0V/cell，使用温度范围在-2060，在此范围内可进行正常充放电。2.2.2 镍氢电池的特点镍氢电池和镍镉电池相比，由于制造材料不含重金属镉，其最大的特点是清洁环保，不污染环境2。其它特点如下：1与同体积镍镉电池
15、相比，容量可提高将近一倍，因此一次充电使用时间更长，但价格稍高；2两者电压相同，工作寿命也大体相当；3记忆效应没有镍镉电池明显；4耐过放电性能与镍镉电池相比较差，这在使用时需加以注意；5自我放电率比镍镉电池大，为25%35%（月）；6内阻为18m35m，比镍镉电池内阻（7m19m）大；7使用温度为0503。镍氢电池标称开路电压为1.25V，放电终止电压一般规定为1V。2.3 充电曲线镍镉镍氢电池的电压充电曲线如下图所示。图2.1 镍镉镍氢电池的电压充电曲线从曲线中可以看出，不管是镍镉电池还是镍氢电池，充电开始阶段，电压上升较快，当电池电压超过1.4V后，电压上升趋于平缓。充满电后，电池电压开始
16、下降，这一特性可以作为一种有效的检测电池是否充满的方法，而且对于镍镉和镍氢电池都适用4。本设计正是基于这一特性，具体参见2.4节。电池充满后，电池电压下降的同时，多余的能量将转化成热量，且电池内部压力增加，这时就应停止充电或采取其它措施，比如本设计中，电池充满后采用了涓流充电。从曲线中还可以看出，电池充满后，镍镉电池的电压下降幅度要比镍氢电池的大很多，镍氢电池的电压下降（负压）不是很明显。2.4 充电方法、过程及充电终止控制方法根据充电曲线，下面讨论一下电池的充电方法和充电终止控制方法。2.4.1 充电方法充电从充电电流来分，有快速充电和慢速充电之分。从充电方式来分，有恒流充电和脉冲充电之分。
17、快充和慢充的概念如下：首先一个充电电池的容量一定，其单位是mAh，如果充电电流大，那么相应的充电时间就应该短，这就是快充，反之亦然。如果设一节电池的标称容量为1C，在0.10.2C之间的充电电流为慢充，0.2C的为快充，0.8C的为超快速充电，0.05C的则是涓流充电。以一节1400mAh的镍氢电池为例，充电电流在140mA280mA之间的为慢速充电，而同样280mA的充电电流，对一节700mAh的电池则就是快充。由此可见，快充还是慢充是个相对的概念，和电池本身的容量有极大的关系。这样一来出现一个矛盾，慢充不损害电池但是充电时间很长；快充可以节省时间，但对电池有伤害，即使是目前非常高级的一种充
18、电器松下BQ390也只能很好的降低伤害程度，但不可完全避免。不过快充伤害电池的原因并不是很多人所想的“大电流充电伤害电池”。大电流只是帮凶，真正的原因是由于大电流而引起的发热，过高的温度对电池寿命有很大的影响。所以大电流并不可怕，关键是怎样来解决发热的问题。下面引入恒流充电和脉冲充电的概念。在慢充时，基本上所有的充电器都采用了恒流的充电方法，这样电路设计比较简单，容易实现。而由于充电电流在慢速充电范围，并不会引起电池过热的问题。到了用较大电流快速充电的问题上，再使用恒流方式，便无法避免电池过热的问题，因此恒流的方法就被摒弃，取而代之的是脉冲方式。从波形上就可以看出，充电电流的输出不是直线，而是
19、脉冲方波。波峰时，电流最大，然后马上进入波谷，几乎没有电流。这样设计的目的是为了让电池有一个恢复时间，从而减少大电流产生的热量，将电池发热控制在一个可接受的水平。现在市场上很多快速充电器，基本都采用这个方法。而且这类充电器还采用了电压斜率法或法来判断电池是否充满，一旦充满就自动转入涓流充电，以免超过时间后大电流对电池造成伤害。采用脉冲方式来制作快速充电器是不错的解决方法，但对于某些特殊的要求，比如1小时快速充电器，这时要采用大于1C的超高速充电电流来进行充电，脉冲法就力不从心了。现在国际上采用的基本都是脉冲法加去极化反应结合的方式。简单的说，就是在脉冲法的基础上，当一个方波的上半部完成后，插入
20、一个短暂的负电流方波，来抵消过大的电流产生巨大热量，从而将电池热量控制在一定范围之内，同时避免电解液中出现结晶。这种充电方法的波形如图2.2所示，其中放电脉冲宽度一般要求是充电脉冲宽度的22.5倍，而充电时间长度应远大于放电时间长度。另外，在充电脉冲和放电脉冲之间均要求插入一段停止充电的阶段，以保证电池内部化学反应正常进行。这种方法一般只有比较专业的充电器才使用，这类充电器往往可以做到用2C3C的电流对电池进行充电。相比较而言，从电池使用寿命的角度来看，慢速恒流充电无疑是保证电池寿命最好的方法。但从时间就是金钱的角度来看，快速充电器节省下来的时间所带来的效益，远比损伤电池寿命10%左右的损失大
21、得多。这也是快速充电器十分流行的原因。放电脉冲2.5倍放电脉冲宽度1520倍放电时间充电脉冲图2.2 脉冲去极化法充电电流波形本设计所做的快速充电器，正是基于上面的考虑，快速充电时采用的也是这种脉冲法加去极化反应结合的方式，即在大电流充电之中穿插短时间大电流放电这种快速充电方式5。2.4.2 充电过程充电过程一般分为四个阶段：预充电，快速充电，补足充电，涓流充电。1预充电：刚开始充电时以小电流充电，使电池满足一定的充电条件，然后转入快速充电。2快速充电：如前面所述，这是主要的充电阶段。3补足充电：一般采用快速充电终止法时，快速充电终止后，电池并未充满电，为了保证电池充入100%的电量，还应加入
22、补足充电，补足充电速率一般不超过0.3C。4涓流充电：当充电电流小于0.1C时，我们称之为涓流充电，也称为维护充电，在此状态下，充电器将以某一充电速率给电池充电，使电池总处于充满电状态。2.4.3 充电终止控制方法采用快速充电法时，充电电流为常规充电电流的几十倍。正常充电时，电能转换成电池化学能，电池电压上升。从镍镉镍氢电池快速充电特性曲线可以看出，充满电后，电池电压开始下降，这时电能将大部分转化成热能，使电池的温度和内部压力迅速上升，对电池造成损害甚至产生危险。为了保证电池充满电又不过充电，可以采用定时控制、电压控制和温度控制等多种方法5。1定时控制：采用1.25C充电速率时，电池1小时可以
23、充满，采用2.5C充电速率时，30min可以充满，因此，根据电池容量和充电电流，很容易确定所需的充电时间。但由于电池的起始充电状态不完全相同，有的电池充不满，有的电池过充，所以只有充电速率小于0.3C时，才允许采用这种方法。通过设置一定的充电时间来控制充电终点，一般按照充入120%150%电池标称容量所需的对应时间来控制。2电压控制：主要分为以下三种：（1）最高电压（Vmax）控制：此种方法根据电池峰值电压，设置充电器的最高电压，当电池达到设置的电压时，判断电路就会认为已经充满，从而发出信号触发充电器的控制电路，停止充电或转入涓流充电。本来从电池的充电过程来看，这可能被认为是最准确的充电方式，
24、但实际上，因为每个电池的特性不尽相同，可能这个电压高些，那个低些，而通常充电器设置的是一个固定的电压，这个电压值只是一般认为应该充满或接近充满的数值，所以使用这种限压判断方式的充电器，有些电池可能还没有充满就停了，而有些可能充满时也达不到这个电压，这时充电器就不会做出判断而任由其继续充电了。不过实现这种方式电路简单、成本低，所以一般的智能充电器都是使用这种判断方式。（2）电压负增量（-V）控制：从镍镉镍氢电池的电压充电曲线中可以看出，这两种电池充满电后，电压均出现下降，即出现电压负增量。由于电池电压的负增量与电池组的绝对电压无关，而且不受环境温度和充电速率等因素影响，因此可以比较准确地判断电池
25、是否充满。它的缺点是：电池电压出现负增量后，电池已经过充电，因此电池的温度较高。此外，从充电曲线看，镍氢电池充满电后，电池电压要经过较长时间，才出现负增量，用这种方法过充电较严重。因此，这种方法主要适用于镍镉电池。当充电器检测到预设的精度大小的负电压差后，判断电路会认为充满而发出信号触发充电器的控制电路，停止充电或转入涓流充电。要实现这种判断方式，电路较为复杂，投入的成本也就相对较高，所以一般中高档充电器才会使用这种判断方式。（3）电压零增量（0V）控制：镍氢电池充电中，为了避免等待出现电压负增量的时间过久而损坏电池，通常采用0V控制方法。不过也有其缺点：充满电以前，电池电压在某一段时间内可能
26、变化很小，从而造成过早停止快速充电。为此目前大多数镍氢电池快速充电器都采用高灵敏-V检测，当电池电压略有降低时，立即停止快速充电。镍氢电池刚好充满达到最高电压时，会有一个短暂的电压平稳的时段，高级的充电器可以判断出这个时间段，从而控制充电器停止充电或转入涓流充电，但要判断这个过程，难度很高，实现起来很困难，只有高档的充电器才采用这种方法。3温度控制：为了避免损坏电池，电池温度过低时不能开始快速充电，电池温度上升到规定数值后，必须立即停止快速充电。温度控制的方法分为：（1）最高温度（Tmax）控制：如前所述，电池充满后，电池温度上升很快，如果继续快速充电，将对电池造成损害，通常当电池温度达到45
27、50时，应立即停止快速充电。（2）温度变化率（T/t）控制：镍氢镍镉电池在充满电后，电池温度迅速上升，而且上升速率T/t基本相同，当电池温度每分钟上升1时，应当立即停止快速充电。4综合控制：上述控制方法各有优缺点，为了保证在任何情况下，充电器均能准确可靠地控制电池的充电状态，目前快速充电器中通常采用包括定时控制，电压控制，温度控制，高精度电压负增量的综合控制方法。本设计的充电方式采用了脉冲法加去极化反应结合的方式，充电终止控制方法用的是电压负增量控制方法，相对来说，这两种都是比较先进的，充分考虑了电池特性，充电效果是很好的。第3章 硬件电路设计3.1 电路总体框架本设计的电路主要分为充放电电路
28、、电池电压采集变换电路、恒压源、模拟开关、由恒流源、电容和单片机内置比较器构成的A/D转换电路以及单片机控制电路几个部分。其主要组成部分如下图所示。充放电电路电池恒压源电压变换模拟开关恒流源电容单片机比较器图3.1 硬件电路框图3.2 控制芯片AT89C2051简介本设计中，AT89C2051单片机是核心器件，它控制着电路各部分的工作，内部的精密比较器和定时器同时还是A/D转换电路的组成部分。电压数字量的运算比较、电路工作状态的判断与指示、快速充电放电与涓流充电的选择以及负压的检测等等都是在单片机控制下实现的。AT89C2051单片机的基本特点如下：AT89C2051是美国ATMEL公司生产的
29、低电压，高性能CMOS 8位单片机，内含2k字节的可反复擦写的Flash只读程序存储器和128字节的随机存取数据存储器（RAM），其擦写周期约1000次。器件采用ATMEL公司的高密度、非易失性存储技术生产，兼容标准MCS-51指令系统，内置通用8位中央处理器和Flash存储单元，功能强大。AT89C2051单片机的工作电压范围较宽，可在2.7V6V电压范围内工作。它的工作频率为0Hz24MHz，支持降至0Hz的静态逻辑操作，并支持两种可选的节电工作模式（低功耗空闲和掉电模式），空闲方式下停止CPU的工作，但允许RAM、定时/计数器、串行通信口及中断系统继续工作。掉电方式下保存RAM中的内容，
30、但振荡器停止工作并禁止其它所有部件工作直到下一个硬件复位。AT89C2051还具有两级加密程序存储器，使用者可以根据需要对程序进行加密，实现版权保护的目的。考虑到在单片机的很多应用中，需要使用发光二极管（LED）进行指示，AT89C2051的输出端口被设计成可直接驱动LED，可以省去外加的驱动电路，节省资源6。AT89C2051内部资源主要有：2k字节Flash闪速存储器，128字节内部RAM，15个I/O口线（其中P1是一个完整的8位双向I/O口），两个16位定时/计数器，一个5向量两级中断结构，一个全双工串行通信口（可编程串行UART通道），精密模拟比较器，片内振荡器以及时钟电路。AT89
31、C2051引脚如图3.2所示。(RXD)P3.0(TXD)P3.1XTAL2RST/VPPXTAL1(INT0)P3.2(INT1)P3.3(T0)P3.4(T1)P3.5GNDVCCP1.7P1.6P1.5P1.4P1.3P1.2P1.1(AIN1)P1.0(AIN0)P3.71234567891011121314151617181920图3.2 AT89C2051引脚图AT89C2051I/O口功能说明：1P1口：P1口是一组8位双向I/0口，P1.2P1.7提供内部上拉电阻，由于P1.0和P1.1是内部精密比较器的同相输入端（AIN0）和反相输入端（AIN1），所以内部无上拉电阻，如果需
32、要作为通用I/O口，应在外部接上拉电阻。Pl口输出缓冲器可灌入20mA电流并可直接驱动LED。当P1口引脚写入“1”时可作输入端，当引脚P1.2P1.7用作输入并被外部拉低时，它们因内部上拉电阻的作用而输出电流（IIL）。2P3口：P3口的P3.0P3.5、P3.7是带有内部上拉电阻的7个双向I/O口。P3.6没有引出管脚，它作为一个通用I/O口但不可访问，可作为片内比较器的输出信号，P3口缓冲器可吸收20mA电流。当P3口写入“1”时，它们被内部上拉电阻拉高并可作为输入端口。作输入端时，被外部拉低的P3口由于上拉电阻的存在而输出电流（IIL）。P3口还可以用于特殊的功能，如下表所示。表3-1
33、 P3口引脚功能引脚功能特性P3.0RXD（串行输入口）P3.1TXD（串行输出口）P3.2INT0()（外中断0）P3.3INT1()（外中断1）P3.4T0（定时器/计数器0外部输入）P3.5T1（定时器/计数器1外部输入）3.3 充放电电路设计充放电电路由三部分构成：大电流充电（快速充电）电路、放电电路、涓流充电电路，如图3.3所示。其中R11、R12、V3、V4构成大电流充电电路；R13、R14、V5、V6构成放电电路；R15、R16、V7构成涓流充电电路。为了提高三极管放大倍数，以提供大电流，充电与放电电路均采用了PNP、NPN两个三极管构成复合管，放大倍数为两管放大倍数之积。由于A
34、T89C2051单片机是低电平有效，以充电电路为例，如R12端接低电平则V3很容易导通并进入饱和状态，调节电阻R12大小同样使V4饱和，可以对电池提供较大的电流。而涓流充电部分由于电流较小，因此只用了一个三极管V7。电路参数的确定如下：假设两节电池电压为3V，充电电路正常工作时，V4饱和，饱和管压降为0.1V，此时R11两端电压应为5V-3V-0.1V=1.9V，本设计中快速充电电流为0.5A，通过计算得到R11为3.8，考虑到应选用标准电阻，因此R11阻值最终选为3.9。设V3与V4构成的复合管放大倍数为5000，可得V3基极电流为0.1mA，V3饱和时，其BE极间压降为0.7V，R12两端
35、电压应为5V-0.7V=4.3V，计算得R12为4.3K。同样道理，放电电路中，R13两端电压为3V-0.1V=2.9V，本设计中放电电流为1A，是快速充电电流的两倍，计算得R13为2.9，选为3。和计算R12方法一样，得到R14为2.2k。涓流充电电路中电流为50mA，V7放大倍数设为100，计算得到R15为39，R16为910。图3.3 充放电电路3.4 电压变换和模拟开关选通电路设计一节镍镉镍氢充电电池的电压通常不会超出1V1.7V的范围，两节电池则在2V3.4V的范围，为了充分利用定时器，提高A/D转换精度，本设计采用了一个线性电压变换电路，主要由一个差动比例运算放大器及电阻构成。其中
36、差动比例运算放大器选用的是LM358。为了使A/D转换有一个基准电压，同时为差动比例运算放大器反相端提供一个恒定电压，本设计采用了一个恒压源。考虑到应该尽量提高电压的稳定性，该恒压源用高稳定性的TL431构成。为了对A/D转换提供基准电压，电路中还要对两路不同输入信号进行选择，这就需要一个多路开关，本设计选用了模拟开关CD4051构成这个多路开关。3.4.1 LM358简介LM358内部有两个独立的、高增益、内部频率补偿的双运算放大器，适用于电源电压范围很宽的单电源使用，也适用于双电源工作模式，在推荐的工作条件下，电源电流与电源电压无关。它可用于包括传感放大器、直流增益模块和其他所有可用单电源
37、供电的使用运算放大器的场合。它的引脚如图3.4所示。它具有如下的性能特点：1.内部频率补偿。2.直流电压增益高(约100dB)。3.单位增益频带宽（约1MHz）。4.电源电压范围宽：单电源（3V30V），双电源（1.5V15V）。5.低功耗电流，适合于电池供电。6.低输入偏流。7.低输入失调电压和失调电流。8.共模输入电压范围宽，包括接地。9.差模输入电压范围宽，等于电源电压范围。10.输出电压范围大(0至VCC-1.5V)。VCC+输出(2)反相输入端(2)同相输入端(2)VCC同相输入端(1)反相输入端(1)输出(1)12345678+图3.4 LM358引脚图3.4.2 TL431简介德
38、州仪器公司（TI）生产的TL431是一个有良好的热稳定性能的三端可调分流基准源。它的输出电压用两个电阻就可以任意地设置到从Vref（2.5V）到36V范围内的任何值（如图3.7）。该器件的典型动态阻抗为0.2，在很多应用中可以用它代替齐纳二极管，例如数字电压表、运放电路、可调压电源、开关电源等7。图3.5是该器件的符号。3个引脚分别为：阴极（CATHODE）、阳极（ANODE）和参考端（REF）。由图3.6可以看到，VI是一个内部的2.5V基准源，接在运放的反相输入端。由运放的特性可知，只有当REF端（同相端）的电压非常接近VI（2.5V）时，三极管中才会有一个稳定的非饱和电流通过，而且随着R
39、EF端电压的微小变化，通过三极管的电流可以在1mA100mA的范围内变化8。图3.5 TL431符号图图3.6 TL431原理图1.TL431的主要性能参数如下：（1）可编程输出电压，可从Vref到36V。（2）电压参考端（REF）误差：25时典型值为0.4%。（3）低动态输入阻抗，典型值为0.22。（4）1mA100mA的灌电流能力。（5）典型值为50ppm/的等效全范围温度系数。（6）在整个额定工作温度范围内可进行工作温度补偿。（7）低输出噪声电压。2.恒压电路的典型应用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
40、输出电压。如图3.7所示的电路，当R1和R2的阻值确定时，两者对Vout的分压引入反馈，若Vout增大，反馈量增大，TL431的分流也就增加，从而又导致Vout下降。显然这个深度的负反馈电路必然在Vref等于基准电压处稳定，此时有： （3-1）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，Vout=5V，而R1开路时，Vout=2.5V。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1mA。当然，这个电路并不是很实用，但它清晰地展示了该器件的应用方法。图3.7 TL431构成的恒压电路3.恒流电路应用从前面
41、的例子我们可以看到，器件作为分流反馈后，REF端的电压始终稳定在2.5V，那么接在REF端和地间的电阻中流过的电流就应是恒定的。利用这个特点，可以将TL431应用于很多恒流电路中。图3.8 TL431构成的恒流电路图3.8是一个实用的精密恒流源电路。原理很简单，不再赘述。但值得注意的是，TL431的温度系数为30ppm/，所以输出恒流的温度特性要比普通镜像恒流源或恒流二极管好得多，因而在应用中无需附加温度补偿电路。3.4.3 CD4051简介CD4051是一个多路模拟开关，又称多路模拟转换器。多路模拟开关由地址译码器和多路双向开关组成，根据外部地址输入信号经内部地址译码器译码，选通与地址码相应
42、的模拟开关单元，从N路模拟输入信号中选取特定某一路传送到输出端，或与之相反，把一路模拟输入信号送到N个输出端中的某一端输出9。CD4051是8选1多路模拟开关，它由逻辑电平转换电路、8选1译码电路和8个CMOS开关单元S1S8三部分组成，其引脚如图3.9所示，原理如图3.10所示10。地址输入输出412345678910111213141516地址输入输出6串行输出输入地址输入输出7地址输入输出5INHVEEVSS地址输入输出2VDD地址输入输出1地址输入输出0地址输入输出3ABC图3.9 CD4051引脚图图3.10中，A、B、C是3位二进制地址输入端，其输入电平与TTL兼容。INH是地址输
43、入禁止端，它为高电平时，地址输入无效。CD4051有8个输入/输出端、1个输出/输入端，一个正电源VDD和两个负电源VSS、VEE。逻辑电平转换电路的主要作用是把地址输入端A、B、C和地址输入禁止端INH输入的TTL逻辑电平（通常来自计算机的接口电路）转换为CMOS电平，使开关单元能用TTL电平控制。8选1地址译码电路的主要作用是把来自逻辑电平转换电路的地址输入信号转换成相应的开关单元选通信号，并把相应开关单元接通。CD4051主要性能参数：1.宽范围的工作电压，数字信号：3V20V；模拟信号：20VPP。2.低工作阻抗，当VDD-VEE18V时，对于超过15VPP的输入信号，典型工作阻抗为1
44、25。3.高开路阻抗，当VDD-VEE18V时，漏极电流典型值为100pA。4.匹配转换特性，当VDD-VEE15V时，rON典型值为5。5.静态功耗极低。6.芯片本身具有二进制地址译码功能。87VSSVEE111096ABCINHTGTGTGTGTGTGTGTG42611215161376543210地址输入输出3串行输出输入逻辑电平转换带禁止端的二进制地址译码16VDD图3.10 CD4051原理图本设计中，用CD4051来控制Vref和VI两路地址输入信号的选通，除了禁止输入端INH外，只用了一个地址输入端A，通过单片机一个I/O口控制。由于其它六路输入信号闲置，因此本设计有很大的扩展空
45、间。另外需要注意的是，由于本设计的电源只能提供0V5V的工作电压，因此设计中，将VDD直接连到5V，而VEE、VSS直接接地。3.4.4 电路功能及参数的确定本设计中只用到LM358的一个运算放大器，线性电压变换电路由这个运算放大器和电阻构成，即图3.11中的U3A和R5、R6、R7、R8，根据差动比例运算放大器的计算公式： （3-2）其中同相输入端接电池正极，反相输入端接2V恒定电源，代入电阻阻值有： （3-3） （3-4）由此可知线性变换电路的功能是将2V3.4V的电压线性变换到0V5V。电压经线性变换后，扩大了范围，有利于提高A/D转换的精度。为了使A/D转换具有一个基准电压，电路中采用了一个TL431构成的恒压源，电压值为Vref=2.5V，通过模拟开关CD4051控制Vref和VI的选通，控制端A为0时，Vref选通，为后面的A/D转换电路提供2.5V的参考电压，接着控制端A置为1，VI选通，为后面的A/D转换电路提供另一个参考电压。差动比例运算放大器反
