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1、多功能充电器设计摘 要电子技术的快速发展使得各种各样的电子产品都朝着便携式和小型轻量化的方向发展，也使得更多的电气化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。它们的各自特点决定了它们将在相当长的时期内共存发展。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，但这在实际使用中有诸多不便。本文介绍一种基于单片机的智能充电器的设计方法。该充电器可以实时采集电池的电压和电流，并对充电过程进行智能控制。它可以自动计算电池的已充电量和剩余的充电时间，也可以改变参数来适应各种不同电池的充电。系统中的管理电路还具有保护功能，可
2、防止电池的过充和过放对电池造成损坏。关键词： 科技/电子产品/充电器/多功能Multifunctional charger designABSTRACTThe rapid development of electronic technology to make all kinds of electronic products are lightweight portable and small towards the direction of development, but also makes the more electrification products based on batte
3、ry power supply system. At present, more use of the battery is nickel cadmium, lead nimh, battery and lithium battery. Their respective characteristic decided they will coexist in a long time. Due to the different type battery charge character is different, usually for different types, and even diff
4、erent voltage, capacity grades of battery charger, but it is different in practical use inconvenience. This paper introduces a kind of intelligent battery chargers based on single chip design method. The charger can collect real-time battery voltage, current, and to charge process of intelligent con
5、trol. It can automatically calculate the battery charging and the remaining amount already charging time, also can change parameter to meet the various battery charge. System of management circuit also has the protection function, can prevent battery overcharge and put on batteries damage. KEY WORDS
6、: technology/electronics/charger/multi-functional 目 录中文摘要英文摘要一、多功能充电器对人们生活的影响1二、多功能充电器设计2.1.工作原理12.1.1 电路原理图1 2.1.2 基准电压源2 2.1.3恒压恒流电路2 2.1.4 电压检测电路5 2.1.5 电池最高温度检测电路6 2.1.6 放电电路6 2.2 编程控制实现方法7 2.2.1 I/O口分配7 2.2.2 程序功能及实现方法7 2.3 实验结果及结论9 2.4 元器件的选择9三、多功能充电器的应用10致谢11参考文献12（附录）13多功能充电器设计一、多功能充电器对人们生活的
7、影响随着数码相机、 MP 3和 CD碟机等电器逐步进入爱好者手中。 充电电池的使用也更加普及。 对充电器的要求也愈来愈高了。充电器应以实用方便为主，原则要求：可以对常用的 1 4节镍镉、镍氢和锂电池进行单独或同时充电。互不影响；可以选用多种电流进行充电。以满足不同种类、不同容量电池充电的需要。充电器应具有保护措施。防止过充电；为消除镍镉电池的记忆效应和恢复电池的容量。二、多功能充电器设计本文介绍一种基于单片机的智能充电器的设计方法。该充电器可以实时采集电池的电压和电流，并对充电过程进行智能控制。充电器采用单片机GMS97C2051作编程控制器，其内部的比较器用作电池最高温度检测，用1片LM32
8、4和1支TL431以及若干分立元件构成恒压恒流电路、电压检测电路、基准电压源（兼作单片机电源）电路。它可以自动计算电池的已充电量和剩余的充电时间，也可以改变参数来适应各种不同电池的充电。系统中的管理电路还具有保护功能，可防止电池的过充和过放对电池造成损坏。2.1 工作原理充电器采用单片机GMS97C2051作编程控制器，其内部的比较器用作电池最高温度检测，用1片LM324和1支TL431以及若干分立元件构成恒压恒流电路、电压检测电路、基准电压源（兼作单片机电源）电路。2.1.1电路原理图图1 电路原理图2.1.2基准电压源图2 基准电压源原理图 作为电池电压检测基准，同时作单片机电源。电路由T
9、L431、T3、R18、R19、R20、C5组成。由电路可知，当R19=R20时，晶体管T3的发射极（e极）电压等于TL431内部基准电压（UR=2.5V）的两倍，即2UR=5V。2.1.3恒压恒流电路图3 恒压-恒流电路原理图如图1中由U1A和U1B及其周围元器件所组成的一个典型的双环反馈控制电路。其中U1A为电压控制的运放，U1B为电流控制的运放。由电路分析知：电压控制的输出电压U0控制着电流控制的电流设定值，因此电压控制先于电流控制，这时电流控制电路是恒压控制的组成部分。电路工作原理如下：恒压控制电路由运放U1A、电阻R1R10、电位器W1、电容C1、二极管D1、以及开关SW等组成。其作
10、用是锂离子电池充电时，控制电池电压不超过设定值。恒压设定值US由R1、R2和W1对基准电压5V分压确定，当SW联接电池的正极后，反馈电压UC由R8、R9对Ub+分压引入，加上R6、R7、C1形成电流控制电路.由电路可知，设误差电压E=Ua一Uc，则有U1=Ua+E(P+Idt)，式中比例系数P=R6/R7，常数I=1/(R7C1)。当反馈电压UC较小即E0时，U1会不断增大直到消除误差（E=0），否则U1会达到最大值，但由于二极管D1的钳位作用使UO5.6V，从而使电流控制电路的设定电压Ud=UOR12/(R11+R12）不变，相应地电池以恒流方式充电。反之，当反馈电压UC较大即E0时，U1会
11、不断减小直到消除误差（E=0），否则U1会达到最小值U1=0，从而使电流控制电路的设定电压Ud逐渐减小直到零，相应电池以恒压方式充电。显然，恒压控制是通过调节电流控制电路的设定电压，即改变电池充电流完成的。电路主要参数由下面方程计算：Ubt=Ub+Ub- (1)(UsUa)/R3=Ua/R4+(UaUb-)/R5 (2)当恒压控制电路处于平衡状态时，电容C1无电流，则有：Uc=R8Ub+/(R8+R9) (3)Uc=Ua (4)式中:Ub+电池正极对地电压；Ub-电池负极对地电压；Ubt电池端电压；US设定控制电压。恒压控制的目标是电池端电压等于设定电压，即Ubt=Us （5）另外，还隐含了一
12、个约束条件就是恒压控制与Ub-的取值无关，这就是在方程组中消去Ub-必须满足：R3=R5 (6)这里，Us为确定量；其余Ubt，Ub+，Ub，Ua，Uc，R3，R4，R5，R8，R9等10个参变量应满足上述方程（1）（6）。由于变量数比方程数多4个，因此需要确定的参数R3，R4，R5，R8，R9有无穷多组解。为了求解只需要增加四个约束方程，不妨设：R3=R4=R5=R8=R（R取标称电阻值）将其代入上述方程组，不难解得：R9=2R。取R=12k，则有：R3=R4=R5=R8=12k，R9=24k。当电压反馈开关SW接地(即充镍镉电池时)或者电池端电压小于设定电压(即UbtU8)时运放U1A饱和
13、输出，但由于二极管D1的钳位作用使U0=5.6 V，这时电流控制的设定值为常数(由电阻R11，和R12对U0分压确定)，相应地电池以恒流方式充电 电流控制电路由运放U1B、三极管T1、T2、功率三极管TP、电阻R11、R12、R13、R14、R15、R16、R17、RF、电容C2、C3等组成，其中R11、R12对电压U0进行分压得Ud作为设定值；R13、R14、C2构成比例积分电路，运放U1B的输出通过T1和TP控制充电电流，RF作为电流一电压反馈电阻，电压Ub一为反馈电压由于电流控制电路能消除静差，因此当调节平衡时Ub一=Ud,充电电流为UdRF 由以上分析可知：当UbtU8时，U0=56V
14、，若经R11和R12分压后设定值为Ud=160 mv，取RF=0.5，则恒流方式充电电流Is=320mA通过改变RF的阻值，则能调节Ir的大小三极管T可控制晶格管，与T2饱和导通时，使T1截止，Tp也无电流输出。充锂离子电池时，开关SW接电池的正极当电池端电压小于设定电压(即UbtR24，放电比充电缓慢得多，且放电过程不受开关三极管T4的影响，因此，利用放电过程来检测电池电压可保证较高的精度。运放U1D输出电压从5V降到2.5V，即电容C6的端电压因放电下降U=5-2.5=2.5V时，所需时间T可由下式导出：由C6=dq/dU（dq电容电荷增量，dU电容电压增量）得dq=C6dU （9）流经电
15、容C6的电流：Id=dq/dt=C6dU/dt也就是Iddt=C6dU （10）对两边定积分得：IdT=C6U （11）由（8），（11）得：T=C6U/ID=C62.5(R23+R24)/(0.5Ubt) （12）将R23=470k，R24=5.1k，C6=0.1F代入上式可得：T=237.55ms/Ubt（Ubt单位为伏时，T单位为ms）由以上分析可知放电时间T仅与电池电压成反比，1/T与Ubt是线性关系。当Ubt=8V时，可得T8=29.69ms，这对于采用6MHz晶振的单片机而言，因其计时可精确到2s，故可以做到很高的精度，很容易使电压检测电路的分辨率达到5mV。由于是积分检测，故对电
16、池电压的高频干扰完全可以消除，因此工作稳定可靠。2.1.5电池最高温度检测电路图5 电池最高温度检测电路原理图利用GMS97C2051内部比较器和手机电池内设置的热敏电阻就能实现电池最高温度检测控制。原理图中，内部比较器反相输入端接2.5V作为比较基准电压，电阻RP与电池内热敏电阻Rt（未画出）对5V基准电压的分压作为被检测电压,接内部比较器同相输入端P1.0。由于Rt为负温度特性，当电池温度升高时，Rt的阻值相应减小，其分压即被检测电压也同时降低，当低于2.5V时，内部比较器输出（P3.6）低电平，这时即认为电池温度达到最高控制温度。2.1.6放电电路图6 放电电路原理图放电电路由三极管T6
17、和电阻RD组成，并受单片机P3.7控制，放电电流大约为IDIS=Ubt/RD。2.2编程控制实现方法2.2.1I/O口分配P1.2输入检测放电请求键DIS-K的状态；P1.3输入检测恒压控制反馈开关SW的状态，以确定充电模式；P1.5和P1.7输出驱动LED作充电器状态显示；P3.2、P3.3和P3.4为电压检测（单积分A/D转换）专用，P3.4输出驱动T4用以控制积分电容C6的充电和放电；P3.2输出驱动T5用以选取比较基准电压5V或2.5V；P3.3输入检测电容C6从5V放电到2.5V时的时间T（与单片机定时器配合）；P3.5输出驱动T2用以控制电池充电；P3.6输入检测电池最高温度；P3
18、.7输出驱动T6用以控制电池放电。2.2.2程序功能及实现方法程序采用模块结构，主要有定时中断及I/O刷新子程序，A/D转换及滤波子程序，锂离子电池充电方式控制及其状态识别子程序，镍镉/镍氢电池充电方式控制及其状态识别子程序，主控程序。各程序模块的功能如下：（1）定时中断及I/O刷新子程序提供时间基准；输入刷新，即读入P1.2、P1.3、P3.6状态,并使相应的软标志置位或复位；输出刷新，即根据输入刷新和程序状态识别处理结果，通过P1.5、P1.7、P3.5和P3.7进行输出控制。（2）充电时A/D转换及滤波子程序将模拟电压转换为数字量，通过数字滤波处理提高抗干扰能力和可靠性。它是识别电池充电
19、状态的基础。一般认为当充电电流减少到最大充电电流(恒流)的10时可认为电池充满为了间接检测充电电流在电流回路中加入一电阻Rx，使流经Rx的电流转换成电压变化，再配合充电状态下的AD转换数值和停止充电状态下的AD转换数值的比较结果，就能识别是恒流方式充电还是恒压方式充电.(3) 锂离子电池充电方式控制及其状态识别子程序锂离子电池充电方式是当电池电压低于42V时，以恒流方式充电；当电池电压达到42V时，以恒压方式充电(这由硬件保证)另外还有充电45s停充电ls的要求，这由软件实现.镍镉/镍氢电池充电方式控制及其状态识别子程序镍镉/镍氢电池一般以恒流方式充电，也有以脉冲方式（恒流充电停充放电往复循环
20、，当然放电量远小于充电量）充电.镍镉/镍氢电池充电状态由电池电压增量U识别，根据有关资料和用本充电器进行的多次试验结果（见图7），证实电压增量U为负时电池充满，此时电池的温度显著升高.图7电池充电曲线为了提高识别电池充满的灵敏度，根据电池电压检测的最大值估计电池节数，设置相应的判别阀值Us，一般取Us6N（mV）。为了提高电池充满识别的可靠性,要求连续三次满足电池充满条件(即U=Us)才予以确认。主控程序将各个子程序有机地结合在一起，此外还有识别有无电池和识别放电终止电压等功能。2.3.实验结果及结论充电器品质的高低取决于电压A/D转换的精度和可靠性。为了检验本充电器的电压A/D转换的性能，在
21、充电器控制程序中有及时将电池电压检测数据向外串行发送的功能，用仿真机可以接收电压数据通过串行口向PC机传递数据并显示电池充电曲线（见图8）。这样就能对整个充电过程实行监测，并有助于进一步的研究。经过对几种电池数十次的充电实验表明：本充电器电压A/D转换的精度（很容易达到5mV）和可靠性（无失误）都很高，而且测量电压的范围也很宽。可以说，高性能低价位的电压A/D转换是充电器品质的根本保证。图8 JY-BATTERY电池充电Is-t曲线2.4.元器件的选择 IC1采用可编程集成电路GMS97C2051作编程控制器，用于作为主控对充电方式及锂电池温度进行检测；IC2采用四运算放大器LM324作为运放
22、电压控制的运放、电流控制运放及用于电压检测电路；采用6MHZ晶体振荡器作为时钟源电路的振荡器；采用发光二极管L1、L2显示充电器的充电状态；按键DISK作为放电控制开关；二极管D1-D4选用IN4004型二极管；三极管T1-T6选用NPN型的9014三极管，要求80；TP选用PNP型的9013三极管，要求80；具有良好热稳定性的三端可调分流基准稳压源TL431。三、多功能充电器的应用 充电器应以实用方便为主，可以对常用的 1 4节镍镉、镍氢和锂电池进行单独或同时充电。互不影响；可以选用多种电流进行充电。以满足不同种类、不同容量电池充电的需要。充电器应具有保护措施。防止过充电；为消除镍镉电池的记
23、忆效应和恢复电池的容量。广泛用于数码相机、 MP 3和 CD碟机等电器的可充电点池的充电。具有环保、节能、高效的特点。致 谢在做毕业设计过程中*老师对我十分的关心，在我有疑问时总是耐心的给我讲解，让我从开始的对毕业设计模模糊糊到思路的逐渐清晰，从对原理的一知半解到把原理完全搞懂。在这期间*老师给了我很大的支持，给了我很大的帮助，正是*老师的支持和帮助我的毕业设计才得以顺利的完成。在这里我对*老师表示衷心的感谢。祝*老师在以后的生活和工作过程中身体健康，前程似锦。参考文献1 周航慈 单片机应用程序设计技术M.北京：北京航空航天出版社，1991.2 周航慈 单片机程序设计基础M.北京：航空航天大学出版社，1999.3 胡汉才 单片机原理及其接口技术M.北京：清华大学出版社，1996.4 黄海才充电器J力源电子工程，1999，(1)：1920 5 钱爱宇，杜斌微机通信技术M西安：西安电子科技大学出版社，1994 6 杨志忠数字电子技术M北京：高等教育出版社，2000 7 路有容PC系列微机接口扩展设计M成都：成都科技大学出版社，1994 8 王鸿麟，等现代通信电源M北京：人民邮电出版社，1998附 录GMS97C2051 编程控制器LM324 四运算放大器TL431 三端可调分流基准稳压源XTAL 6MHZ晶体振荡器图9 Protel原理图图10 Protel PCB图
