基于单片机的智能充电器的研究

1、毕业论文基于单片机的智能充电器的研究基于单片机的智能充电器的研究康 林吉 林 建 筑 大 学 2013 年 6 月毕业论文基于单片机的智能充电器的研究基于单片机的智能充电器的研究学学 生：生： 康康 林林指指 导导 教教 师：师： 杨杨 佳佳 讲讲 师师专专 业：业： 电子信息科学与技术电子信息科学与技术所所 在在 单单 位：位： 电气与电子信息工程学院电气与电子信息工程学院答答 辩辩 日日 期：期： 20132013 年年 6 6 月月 目 录目目 录录摘摘 要要.IABSTRACT.II第第 1 章章 绪论绪论 .11.1 研究目的及意义.11.2 锂电池的发展及应用.11.3 电池技术简

2、介.11.3.1 电池的种类 .11.3.2 电池停止充电的判别方法 .21.3.3 锂电池的充电特性 .31.4 AVR 单片机的介绍.31.4.1 AVR 单片机的特点.31.4.2 AVR 的增强性 RISC 结构.51.4.3 AT90S4433 引脚功能.51.5 光电耦合器件介绍.61.5.1 光电耦合器件的含义 .61.5.2 光电耦合器件的特点 .61.6 电磁继电器的介绍 .71.6.1 电磁继电器的含义 .71.6.2 电磁继电器的工作原理 .71.6.3 电池继电器的主要参数 .81.7 三端稳压器.81.7.1 固定输出三端稳压器 .81.7.2 可调输出三端稳压器 .

3、91.8 TL431 .9第第 2 章章 硬件系统的设计硬件系统的设计 .102.1 锂电池充电器设计思路.102.2 硬件系统的结构框图.102.3 硬件系统的主要模块.112.3.1 电压源 .112.3.2 电流源 .122.3.3 继电器控制电路 .132.3.4 充电控制电路 .142.3.5 电池检测电路 .142.3.6 AVR 单片机控制电路.15第第 3 章章 软件的设计软件的设计 .183.1 编程语言.183.2 软件设计.18总总 结结 .20吉林建筑大学电子信息科学与技术专业毕业论文致谢致谢 .21参考文献参考文献 .22附录附录 .23附录附录 .24摘 要I摘 要

4、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。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。本文介绍了一种以 AVR 单片机为核心的智能充电器。系统的硬件设计由电源电路、检测电路、继电器选控制电路、充电控制电路及 AVR 单片机 AT90S4433构成。文中并对充电器的核心器件 AT90S4433 单片机进行了较详细的介绍。系统的软件设计以 C 语言为开发工具，进行了详细编程。实现了系统的可靠性、稳定性、安全性和经济性。该智能充电器具有检测锂离子电池的状态的功能，自动切换充电模式以满足充电电池的充电需要，对充电过

5、程进行全面管理，解决了充电检测的关键技术，实现了智能充电。对充电电压自动检测调整，充满后自动转为恒压浮充状态。使充电过程按理想的充电曲线进行，达到既保护锂电池，又能使锂电池充满的最佳效果。在现实生活中更好的维护了充电电池，延长了它的使用寿命。关键字：充电器；锂电池；智能化；AVR 单片机吉林建筑大学电子信息科学与技术专业毕业论文IIAbstractWith more and more appearance of electric apparatus of holding, the demand on the high performance, little size, and light ba

6、ttery of charger is even heavy. Therefore we need to carry on the more accurate supervision towards the process of refreshing to shorten the time and attain the biggest battery capacity, and prevent from the battery damage.This text introduced a kind of intelligent charger that takes a machine of AV

7、R as the core.It is composed of power supply circuit, detection circuit, Relay choose control circuit, charging control circuit and AVR AT90S4433 constitutes. Microcontroller. This paper and the core components of the charger AT90S4433 MCU are introduced in detail. System software design in C langua

8、ge as a development tool, and carried on the detailed programming. Realizing the system reliability, stability, security and economics. The intelligence battery charger has the examination lithium ion batterys condition; The automatic cut over charge pattern meets when rechargeable batterys charge n

9、eeds; The charger can carry on the process of refreshing completely, and solves the diagnostic key technique on refreshing test. The system will carry out of the intelligence to refresh. It also could check up the current and the voltage when the charger is working, and it could change to be constan

10、t current when the charger is full enough. This process works along with the perfect curve .It not only can protect the battery but also give the best way for charge. The battery charger has made the better maintenance rechargeable battery in the life and lengthened the rechargeable batterys service

11、 life.Key words:charger; Lithium cell; intelligent; AVR microcontroller 第 1 章 绪论1第 1 章 绪论1.1 研究目的及意义随着越来越多的手持式电器的出现，给人们的生活带来便捷，人们对高性能、小尺寸、重量轻的电池充电器的需求也越来越大。因此简易的充电器已不能满足要求，而且用简易的充电器充电，轻则造成电池充电不当，重则会酿成一系列的安全事故。所以需要一种新的充电器来解决上述问题。在充电器中加入单片机可以实现智能化，实现智能充电。智能充电器能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。所

12、以锂电池充电器及充电技术处于十分关键的位置。同时研制性能良好的智能充电器也可用于装有锂电池电动车等交通工具，不仅可以解决我国能源的日益紧缺和大气污染的加剧的难题，而且还会带来显著的经济效益和良好的社会效益。1.2 锂电池的发展及应用随着经济的发展，越来越多的电器走进人们的日常生活，家庭小容量蓄电池的比例逐渐增加。锂电池是一类由锂金属或锂合金为负极材料、使用非水电解质溶液的电池。最早出现的锂电池来自于伟大的发明家爱迪生，通过氧化还原反应得到：Li+MnO2=LiMnO2。由于锂金属的化学特性非常活泼，使得锂金属的加工、保存、使用对环境要求非常高。所以，锂电池长期没有得到应用。由于锂电池的很多优点

13、，后来被广泛的应用在电子仪表、数码和家电产品上。随着数码产品如手机、笔记本电脑等产品的广泛使用，锂电池以优异的性能在这类产品中得到广泛应用，并在近年逐步向其他产品应用领域发展。随着现代工业生产自动化水平的日益提高以及微电子技术的飞速发展，由于单片机具有集成度高、功能强、抗干扰能力强等独特的优点，因而在工业控制、智能化仪器以及家用电器等领域都得到了广泛的应用。1.3 电池技术简介1.3.1 电池的种类现代消费类电器主要使用如下四种电池1：密封铅酸电池(SLA)：密封铅酸电池主要用于重要的场合，如UPS和报警系第 1 章 绪论II统吉林建筑大学电子信息科学与技术专业毕业论文2的备份电池。SLA电池

14、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。镍镉电池(NiCd)：它的优点是相对便宜，易于使用；缺点是自放电率比较高。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、手持摄像机等，镍氢电池是使用最广的。由于过充电会造成NiMH电池的失效，在充电过程中进行精确地测量以在合适的时间停止是非常重要的。NiMH电池也为恒定电流充电。锂电池(Li-Ion)：具有最高的能量与重量的比和能量与体积的比。

15、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。由于锂离子电池在实际应用中使用较多，更有代表性，所以在设计充电器时主要以锂电池为主要研究对象。1.3.2 电池停止充电的判别方法电池的不同应用场合及工作环境限制了对判断停止充电的方法的选择。有时候温度不容易测得，但可以测得电压或其他情况。几种常用的电池停止充电的判别方法：t时间：这是决定何时停止充电的最简单的方法。在充电过程中，以定时系统来预定充电时间，当充电时间达到后，定时器使充电器停止充电或改为涓流充电，这种方法较安全。V电压：当电压

16、超出上限时停止充电2，通常与恒定电流充电配合使用。最大电流由电池决定。为了防止充电时电流过大导致电池过热，此时电流限制是非常关键的。这是判定锂电池停止充电的基本方法。实际锂电池充电器往往在达到最大电压之后还继续进行第二阶段的充电，以达到100%的电池容量。-dV/dt电压变化率：这个判断停止充电的方法利用了负的电压变化率。这个方法通常用于恒定电流充电，适用于对NiCd电池和NiMH电池的快速充电。I电流：当充电电流小于某个预先设定的数值时停止充电。通常用于恒定电压充电法。适用于SLA电池和锂电池。温度控制法：用热敏电阻测量电池温度或温度的变化，从而确定对电池停止充电，但由于环境和热敏电阻响应时

17、间的影响，不能准确检测电池的充电状态，故仅用于充电过程的过温保护。第 1 章 绪论31.3.3 锂电池的充电特性对于 3.6V 的锂离子电池，充电时具有以下特性3：1.激活状态区锂离子电池再充电时，首先需要一小段激活时间，此期间所需要的电流很小，而且维持时间很短，当V1.0V时，进入预充电状态区。2.预充电状态区锂离子电池的初始状态为1.0VV3V时，锂离子电池进入预充状态。3.快充电阶段当经过一段时间的预充电，锂离子电池就进入了快充区，电压要逐步上升并达到锂离子电池的标准电压4.2V左右。4.限压衡压充电区充电电压稳定在4.2V，电流逐步减小至仅维持一个很小的电流，此期间电池温度还会有小幅增

18、加。1.4 AVR 单片机的介绍在二十世纪九十年代初，ATMEL公司推出AVR单片机，它是基于新型精简指令集RISC(Reduced Instruction Set Computer)结构的一种增强性8位微控制器。它采用低功率、非挥发CMOS工艺制造，内载Flash存储器。它使用大型快速存取寄存器文件和快速单周期指令，支持C语言编程，因而在8位微处理器市场中具有很高的MIPS/MW处理能力4。AT90 系列单片机目前由AT90S1200、AT90S2313、AT90S4414、AT90S8515、ATmega8/8L、ATmega128/128L、AT90S4434、AT90S8535 等多种

19、型号。它们在功能和存储器容量等方面有一定的区别，但都是比 AT89 系列要强的单片机。1.4.1 AVR 单片机的特点ATMEL公司的AT90系列单片机均属于AVR 单片机，目前的十余种型号，除在功能及存储器容量等方面有一定的区别外，它们的基本结构都比较接近。AT90S4433是该系列中比较有代表性的一种，其主要特点如下5：（1）高性能、低功耗的RISC结构：具有118条指令，且大多数指令为单时钟周期指令；32个8位通用工作寄存器；吉林建筑大学电子信息科学与技术专业毕业论文II工作在8MHz时具有8MIPS的性能。（2）数据和非易失性程序内存：4K/8K字节的在线可编程Flash（擦除次数为1

20、000次）；256/512字节SRAM；256/512字节在线可编程EEPROM（寿命为100000次）；程序、加密位。（3） 外围（Peripheral）特点：1个可预分频（Prescale）的8位定时器/计数器；1个可预分频、具有比较、捕捉和8/9/10位PWM功能的16位定时器/计数器；片内模拟比较器；可编程的看门狗定时器（由片内振荡生成）；主/从SPI接口；6通道10位ADC；可编程UART。（4） MCU特点：电源检测功能；增强的上电复位电路；低功耗空闲和掉点模式；内外部中断源。（5） 指标（Specification）：低功耗、高速CMOS工艺；全静态工作。（6） 在4MHz、3V

21、、20条件下的功耗：工作模式为3.4mA；空闲模式为1.4mA；掉电模式为1A。（7） I/O和封装：20个可编程的I/O脚；28脚PDIP、PLCC和TQFP封装。（8） 工作电压：2.76.0V；4.06.0V。（9） 速度：04MHz；08MHz；吉林建筑大学电子信息科学与技术专业毕业论文51.4.2 AVR 的增强性 RISC 结构AT90S4433具有独特的AVR增强性RISC结构， AVR运用Har2vard结构概念，对程序和数据存储带有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(系统内可下载的FLASH存储器)中取回，这一特点使得大多数指令可在一个周期内被执

22、行。AVR 的核心是32个通用寄存器和丰富的指令集的结合，这32个寄存器全都直接与算术逻辑单元(ALU) 相连，以使系统在一个时钟周期内通过执行一条指令来访问两个独立的寄存器，这种结构组合克服了单一累加器在数据处理时的瓶颈现象，因而具有比常规的CISC(Complex in2struction Set Computer)微控制器快十倍的代码处理能力。这32个寄存器中的后六个寄存器R26R31还具有一些新加功能，由它们可组成X、Y和Z三个16位间接地址寄存器指针以用于数据空间寻址，从而进行高效的地址计算。三个寄存器中的一个还可被用作地址指示器以完成常量表的查询功能。ALU支持寄存器之间的运算和逻

23、辑功能， 以及常数和寄存器之间的运算与逻辑功能，同时它也执行单一的寄存器操作。由控制寄存器、定时器/计数器、A/D转换器及其它I/O功能组成的I/O寄存器空间可作为CPU外围功能的地址，而且该I/O存储器可被直接访问或作为寄存器文件之后的数据空间。内部数据SRAM也可通过不同的寻址模式来访问，AVR结构中的存储器空间均为线性和规律的存储器映射。中断模块在I/O空间中有自己的控制器，并且在状态寄存器中常有一个附加的全局中断使能位，所有不同的中断在程序存储器开始位置的中断向量表中均带有一个独立分开的中断向量。中断向量的控制方式与MCS-51单片机相同。1.4.3 AT90S4433 引脚功能 AT

24、90S4433具有PDIP28封装形式，其引脚排列如图1-1所示6：引脚定义：Vcc、GND：电源。B口（PB5PB0）：B口是一个6位双向I/O口，每一个引脚都有内部上拉电阻。C口（PC5PC0）：C口是一个6位双向I/O口，每一个引脚都有内部上拉电阻。C口还用作ADC的模拟输入。第 1 章 绪论7D口（PD7PD0）：D口是一个带内部上拉电阻的8位双向I/O口。图1-1 AT90S4433引脚结构图RESET：复位输入。超过50ns的低电平将引起系统复位。XTAL1/2：振荡器放大器的输入/输出端。AVCC：A/D转换器的电源。应该通过一个低通滤波器与VCC连接。AREF：A/D转换器的参

25、考电源，介于AGND与AVCC之间。AGND：模拟地。1.5 光电耦合器件介绍1.5.1 光电耦合器件的含义在工业检测、电信号的传送处理和计算机系统中，常用继电器、脉冲变压器等来实现输入、输出端装置与主机之间的隔离、开关、匹配、抗干扰等功能。随着光电技术的发展，70 年代以后出现了一种新的功能器件光电耦合器件（如图 1-2 所示） 。它是将发光器件（LED）和光敏器件（光敏二、三极管等）密封装在一起形成的一个电-光-电器件。由于输入边和输出边仅用光来耦合，在电性能上完全是隔离的。因此，有的人把光电耦合器件也称为光隔离器或光耦合器7。图 1-2 光电耦合器吉林建筑大学电子信息科学与技术专业毕业论

26、文61.5.2 光电耦合器件的特点光电耦合器件具有下列的特点： 1、具有电隔离的功能。 2、信号传输是单向性的，适用于模拟信号和数字信号。 3、具有抗干扰和噪声的能力。它不受外界电磁干扰、电源干扰和杂光影响。 4、响应速度快。它可传输的信号频率在直流和10MHz之间。 5、体积小(一般66mm)，重量轻，抗震，密封防水，性能稳定。1.6 电磁继电器的介绍1.6.1 电磁继电器的含义电磁继电器（如图1-3所示）是一种电子控制器件，它具有控制系统（又称输入回路）和被控制系统（又称输出回路） ，通常应用于自动控制电路中，它实际上是用较小的电流、较低的电压去控制较大电流、较高的电压的一种“自动开关”

27、。 图1-3 电磁继电器1.6.2 电磁继电器的工作原理电磁继电器一般 由电磁铁、 衔铁、弹簧片、触点等组成的，其工作电路由低压控制 。只要在线圈两端加上一定的电压，线圈中就会流过一定的电流，从而产生电磁效应，衔铁就会在电磁力吸引的作用下克服返回弹簧的拉力吸向铁芯，从而带动衔铁的 动触点与静触点（常开触点）吸合。当线圈断电后，电磁的吸力也随之消失，衔铁就会在弹簧的反作用力返回原来的位置，使动触第 1 章 绪论7点与原来的静触点（常闭触点） 结合。这样吸合、释放，从而达到了在电路中的导通、切断的目的。电磁继电器实现自动化控制。对于继电器的 “常开、常闭”触点，的区分：继电器线圈 未通电时处于断开

28、状态的静触点，称为“常开触点”；处于接通状态的静触点称为 “常闭触点”。吉林建筑大学电子信息科学与技术专业毕业论文81.6.3 电池继电器的主要参数1、额定工作电压 ：是指继电器正常工作时线圈所需要的电压。根据继电器的型号不同，可以是交流电压，也可以是直流电压。2、直流电阻是指继电器中线圈的直流电阻，可以通过万能表测量。 3、吸合电流：是指继电器能够产生吸合动作的最小电流。在正常使用时，给定的电流必须略大于吸合电流，这样继电器才能稳定地工作。而对于线圈所加的工作电压，一般不要超过额定工作电压的1.5 倍，否则会产生较大的电流而把线圈烧毁。 4、释放电流：是指继电器产生释放动作的 最大电流。当继

29、电器吸合状态的电流减小到一定程度时，继电器就会恢复到未通电的释放状态。这时的电流远远小于吸合电流。 5、触点切换电压和电流 ：是指继电器允许加载的电压和电流。它决定了继电器能控制电压和电流的大小，使用时不能超过此值，否则很容易损坏继电器的触点.1.7 三端稳压器三端稳压器（电压输入端、电压输出端、公共接地端）主要有两种，一种输出电压是固定的，称为固定输出三端稳压器 ，例如78M05和78M12；另一种输出电压是可调的，称为可调输出三端稳压器 ,例如LM317。1.7.1 固定输出三端稳压器固定输出三端稳压器的基本应用电路如图 1-4 所示，只要把正输入电压 Ui加到 78M05 的输入端，78

30、M05 的公共端接地，其输出端便能输出芯片标称正电压 Uo。在实际应用电路中，芯片输入端和输出端与地之间除分别接大电容滤波电容外，通常还需在芯片引出脚根部接小电容（0.110uF）电容 Ci，Co 的具体取值随芯片输出电压的高低及应用电路的方式不同而异。第 1 章 绪论9图1-4 78系列三端稳压器基本应用电路1.7.2 可调输出三端稳压器LM317是典型的可调输出三端稳压器。LM317稳压器能在输出电压1.2537V的范围内连续可调，外接元件只需一个固定电阻和一个电位器。其芯片内也有过流，过热和安全工作区保护。最大输出电流为1.5A。1.8 TL431TL431是一个有良好的热稳定性能的三端

31、可调分流基准源 。可编程输出电压:2.5V36V。该器件的典型动态阻抗为 0.2，在很多应用中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。TL431可等效为一只稳压二极管，其基本连接方法如 图1-5所示，电阻R14和R15与输出电压的关系为 Uo=2.5(1+R14/R15)。图1-5 TL431应用电路吉林建筑大学电子信息科学与技术专业毕业论文10第 2 章 硬件系统的设计2.1 锂电池充电器设计思路本文提出一种通用型、智能化、高性能、低价位的电池充电器的设计方案。它适用于锂离子电池充电，并具有自适应充电保护方式及其相应的充电操作模式，是一种性价比很高的现实可行的

32、充电器设计方案。长期以来，传统的电池充电器采用电池电压负反馈的方法实现恒流充电。为了加入智能控制达到实时监控的目的，本文应用 AVR 单片机及相关电路在充电的整个过程中动态跟踪电池的电压，采取不同的充电方式，自动调整充电电流，使充电电流自始至终保持在电池可接受的充电电流附近，既完成了充电的全部过程，又避免了电池的过充和欠充，保护了电池，体现了充电器的智能性。2.2 硬件系统的结构框图传统电池充电器采用电流负反馈的方法来实现恒流充电。为了达到对锂电池充电的智能化控制，实现实时监控，将反馈环打开，加入单片机的相关控制电路。硬件的结构框图如2-1所示：电池检测电路单片机电压源继电器控制电路电流源充电

33、控制电路图2-1 硬件系统结构框图第 2 章 硬件电路的设计112.3 硬件系统的主要模块硬件系统可以分为6个主要的模块：电压源、电流源、充电控制电路、继电器控制电路、检测电路、单片机控制系统。检测电路将检测到的模拟电压值放大后传送给单片机；单片机控制系统是充电器的核心部分，控制着充电器的工作状态；充电控制电路控制着电池是否需要充电；继电器控制电路控制着电池是恒流充电还是恒压充电。电压源为电池充电提供电压，同时提供单片机的工作电压；电流源为电池充电提供电流。2.3.1 电压源 电压源电路由整流电路和滤波电路构成。整流电路的作用是将交流电变换成直流电。电路中主要用了二极管的单向导通作用，因此二极

34、管是构成整流电路的关键元件。在小功率整流电路中(1kw以下)，常见的几种整流电路有单相半波、全波、桥式和倍压整流电路。本设计采用了单相桥式整流电路8。整流电路如图2-2所示：图2-2 单相桥式整流电路其中Tr为电源变压器，它的作用是将交流电网电压V1变成整流电路需要的交流电压V2，四只整流二极管D1-D4接成电桥的形式，故有桥式整流电路之称。在桥式整流电路中，对边上的二极管同时导通，但两组处于轮流导通状态，当V2在正半周时，D1和D3二极管导通，D2和D4截止，此时D2和D4承受的最大反馈电压均为V2的最大值。同理，在V2的负半周，D1和D3二极管也承受到同样大小的反向电压。桥式整流电路的优点

35、是输出电压高，纹波电压较小，管子所承受的反向电压较低，同时因为电源变压器在正、负半周内都有电流供给负载，电源变压器得到了充分的利用，效率较高。滤波电路用于滤除整流输出电压中的纹波，一般由电抗元件组成，把它分为电容输入式（在负载电阻两端并联电容）和电感输入式（负载串联电感器），前一种滤波电路多用于小功率电源中，而后一种滤波电路多用于较大功率电源中。常用的结构如图2-3所示。本设计采用的是电容滤波电路9。吉林建筑大学电子信息科学与技术专业毕业论文12图2-3 C型滤波和L型滤波电压源采用两个三端稳压器78M12和78M05，分别可以输出+12V和+5V的直流电压。其中+12V电压源为电流源电路和继

36、电器电路提供电压，+5V电压源为电池提供恒压充电，并为单片机工作提供电压。如图2-4及2-5所示：图2-4 78M12构成的电压源图2-5 78M05构成的电压源2.3.2 电流源本电路为电池充电提供恒流源，恒流由KK1端（图2-7所示的2端）提供给与电池相连的三极管的集电极。LM317是可调节3端正电压稳压器，输出的直流电压范围为 1.2V到37V。由于调压器LM317输出端2对1存在1.25V的电压，所以当接入一个10的电阻时，在KK端产生125mA的电流提供给电池充电（ADJ端也有很小的电流流出，在此处忽略不计）10。如图2-6所示：第 2 章 硬件电路的设计13图2-6 LM317构成

37、的电流源2.3.3 继电器控制电路通过检测电池的状态，选择下一充电方式是恒流充电还是恒压充电。如图 2-7 所示，当电池电压小于 1V 时，由单片机控制的 PB4 口输出低电平，电池供电端 NN 与 KK1 端相连接，KK1 端与电流源相连，采用恒流充电。当电池电压大于 1V 小于 4.2V 时，由单片机控制的 PB4 口输出高电平，从而使继电器吸合，电池供电端 NN 与 KK2 端相连，KK2 端与电压源相连，采用恒压充电方式。图2-7 继电器控制电路2.3.4 充电控制电路此电路由一个光电耦合器和三级管构成。电路如图 2-8 所示。第 1 章 绪论9图2-8 充电控制电路当 PB3 端为低

38、电平时，光电耦合器启动，使连接电池充电端的三级管有电流流出，对电池进行充电；当 PB3 端为高电平时，光电耦合器不启动，连接电池充电端的三极管无电流流出，使电池处在非充电状态。2.3.5 电池检测电路为了使单片机实时监控电池正负两极之间的充电电压，本设计使用了一个运放器。测量电池电压的运放电路为普通的同相放大电路11。运放器的输出电压公式如式2-1。ADC 的测量范围为AGNDAREF (4.2V)，而运放的输出电压(V0)应该界于下式决定的范围之间：V0=V1 （2-898RRR 1）为了提高测量精度，这个电压通过运放器放大，然后馈送到ADC，使电池电压的输出在单片机可检测范围内，经单片机内

39、部的A/D转换，使单片机实时读取电池电压值12，从而实现对电池充电状态的控制，如图2-9所示。第 2 章 硬件电路的设计15图 2-9 电池检测电路2.3.6 AVR 单片机控制电路单片机系统的复位方式有手动按钮复位和上电复位两种。本设计采用手动按键复位方式。手动按钮复位需要人为地在复位输入端RESET 上加低电平,当按下按钮时，低电平就会直接加到RESET 端。手动按钮复位的电路如图2-10 所示。图 2-10 手动按键复位电路单片机的时钟电路设计有两种方式：内部时钟方式和外部时钟方式。本设计采用内部时钟方式。引脚 XTAL1 和引脚 XTAL2 接一个晶振电路。如图2-11 所示。吉林建筑

40、大学电子信息科学与技术专业毕业论文16图 2-11 晶振电路AVR 单片机是充电器的核心控制部分，控制着充电器的工作状态，实现电池检测的功能，当单片机读出电池电压时，通过对电压值的判断确定电池应进入的充电状态，并通过对继电器及光电耦合器的控制来实现对整个充电过程的控制，同时使电池的充电状态通过发光二极管显现出来13，本设计采用的单片机型号是AT90S4433，单片机主要控制电路的连接如下图 2-12 所示。图 2-12 AVR 单片机控制电路图第 2 章 硬件电路的设计17管脚 REST 连接复位电路：当电源 Vcc 上电时，电容两端电压不能突变，REST 为低电平，进行复位操作，单片机开始工

41、作。此电路中的按键所起作用为手动复位，当单片机工作开始后，操作发生问题，无法继续进行，需要复位操作时，按下此按键即可完成复位操作。管脚 XTAL1 和 XTAL2 接晶振，作为时钟电路，为芯片提供时钟信号。管脚 PB0 接一个启动键，当按键按下，充电器开始工作。管脚 PB1 和 PB2 为电池的状态显示。发光二极管 D4 为绿灯，D5 为红灯。绿灯亮时，电池处于充电状态，充电器对电池充电；红灯亮时，充电器停止对电池充电。管脚 AREF 接+4.2V 电压（为内部 AD 提供基准电压） 。吉林建筑大学电子信息科学与技术专业毕业论文18第 3 章 软件的设计3.1 编程语言为了缩短进入市场的时间和

42、简化维护的支持，对于单片机来说，用高级语言编程是一种标准编程方法。AVR 单片机的开发目的就是在于能采用 C 语言编程，从而能高效地开发出目标产品。C语言是单片机开发中使用最广泛的编程语言，在目前的单片机开发中已经成为主流开发语言，它与汇编语言相比有开发周期短、便于维护、交流等特点。AT90S4433支持C语言编程14，在设计中选用C为编程语言。3.2 软件设计本文利用C语言进行开发，它提供了复杂的数据类型，极大地增强了程序处理能力和灵活性。C编译器能够自动实现中断服务程序的现场保护和修复，目标程序效率高、可移植性好，使用非常灵活方便15。整个控制系统软件由主程序和中断服务子程序组成。主程序主

43、要完成系统的初始化、变量的初始化、看门狗定时器的初始化。中断程序主要包括 A/D 转换结束中断、定时器的溢出中断。AT90 系列单片机有 2 个 8 位中断屏蔽控制寄存器，即 GIMS通用中断屏寄存器和 TIMSK定时器/计算器中断屏蔽寄存器。（1）通用中断屏蔽寄存器GIMSK位 7：外部中断请求 1 触发；位 6：外部中断请求 0 触发；位 50：保留位。（2）通用中断标志寄存器GIFR位 7：外部中断标志 1；位 6：外部中断标志 0； 位 50：保留位。（3）定时器/计数器中断屏蔽寄存器TIMSK位 7：定时器/计数器 1 溢出中断触发；位 6：定时器/计数器 1 输出比较匹配 A 中断

44、触发；位 5：定时器/计数器 1 输出比较匹配 B 中断触发；位 4，2，0：保留位，总读 0；位 3：定时器/计数器 1 输入捕获中断触发；第 2 章 硬件电路的设计17位 1：定时器/计数器 0 溢出中断触发。（4）定时器/计数器中断标志寄存器TIFR位 7：定时器/计数器 1 溢出标志；位 6：输出比较标志 1A；位 5：输出比较标志 1B；位 4，2，0：保留位；位 1：定时器/计数器 0 溢出标志位。在程序的初始化阶段应该首先对单片机进行初始化，然后根据电池的状况判断应该进入哪一个充电阶段。具体实现为开始输出小电压，为恒流充电，然后用恒压充电，两者之间的切换通过单片机对继电器的控制实

45、现。 软件流程图如图3-1所示。开始初始化启动键按下？电池电压1V1电池电压4.2V停止充电恒流充电恒压充电NYNYYN图3-1 软件流程图第 3 章 软件的设计17总 结本文给出了基于单片机智能充电器完整的设计方案，在设计过程中，主要是时刻检测锂电池的电压，确保充电器对锂电池电压的精确控制，实现了充电器的智能化，例如，恒压充电和恒流充电的智能选择，电池是否需要充电的智能控制。由于锂离子电池对于过充电和欠充电很敏感。要达到最大容量就必须充电到最高电压，而过高的充电电压和过大的充电电流都会造成电池的永久性损坏。锂电池不同于镍基材料的化学电池，充电时需用一个电压-电流源来进行充电。快速充电开始时，

46、锂电池的电压比较低，充电电流即为电流极限，此时用恒流充电。随着充电的进行，电池电压缓慢上升，改用恒压充电，最终当锂电池达到浮空电压 4.2V，此时充电完成，可以停止充电的操作。AVR 单片机在此设计中起主导的作用，通过读取锂电池的电压数据，判断锂电池处于何种状态，以便于进行相应的操作，对充电过程进行全面管理，使充电过程按理想的充电曲线进行。AVR 单片机控制的智能充电器有如下优点：可靠性高，成本低，使用方便，提高了充电质量，防止电池过充，保护了电池。所以智能充电器有很好的应用前景。在几个月的学习中，我掌握了 C 语言的基本编程，利用 C 语言对AT90S4433 进行编写，实现了对 3.6V

47、的锂电池的智能充电。同时也能够熟练的编写一些简单的程序，对 AVR 单片机也有了更深刻的认识本文在充电检测技术方面仅采用了较简单的锂电池电压检测方法，操作简单、灵活，但并不能十分精确的反映电池状态，若能通过温度、时间、电压变化率等多方面技术来检测锂电池充电的状态，锂电池将会达到更好的充电效果。第 3 章 软件的设计19致谢非常感谢我的指导教师杨佳老师。她为人随和热情，治学严谨细心。从毕业设计开始，一直到最后论文的修改、润色，杨老师始终认真负责的指导我，给了我许多帮助和鼓励。通过杨老师的帮助我的毕业论文顺利完成，谢谢杨佳老师。 非常感谢吉林建筑大学。给我提供了良好的学习环境。在学校的图书馆中找到

48、了大量的参考资料，给我的论文写作提供了很多帮助。同时我也学到了新的知识。非常感谢在这次论文设计中给过我帮助的每一个人，谢谢大家的帮助，没有大家的帮助，我的毕业论文不会这么快的完成。吉林建筑大学电子信息科学与技术专业毕业论文20参考文献1 许会，车新生，曹棠耀，王景川.蓄电池测试装置单片机数据采集记录系统高等教育出版社.19942 蔡小颀，姚广平基于微处理器的机电无触点控制系统J江苏石油化工学院学报，20033 包海峰一种通用型智能充电器的设计J北京工业大学报.20004 马书雷AVR 单片机编程特性的应用研究J高等教育出版社.20005 耿德根AVR 高速嵌入式单片机原理与应用M北京航空航天大

49、学出版社.20026 李静，刘彦臣，张茂川，高经武8 位 AVR 单片机 AT90S4433 及其应用J华中科技大学.20027 雷玉堂光电检测技术M中国计量出版社.19978 康华光电子技术基础M高等教育出版社.19999 傅丰林.低频电子线路.高等教育出版社.2003.10 Zhang W, Skelton D, Martinez R. Modeling and analysis of an off-line battery charger for single cell lithium batteries. IEEE Circuits and Systems. 2004.11 赵军蓄电池

50、充电监测系统设计J高等教育出版社.199712 张红岩，高明裕AVR 单片机在蓄电池剩余电量测试仪中的应用J高等教育出版社.200113 周玲. 基于单片机控制的智能充电器设计. 广西大学.2006.14 郭炳焜、徐徽、王先友.锂离子电池（第二版）.中南大学出版社.2002.15 Bentley W F, Heacock D K. Battery management considerations for multichemistry systems. IEEE AES Systems Muguzine.1996.致谢21附录R310+12VGNDVoutVinADJLM 317Iout+Io

51、ut-R41KR54.7KQ112345K1D3+12VGNDPB4KK1NNKK24N25R6510R74.7KQ2+5VGNDBatteryPB3NNBatteryGNDGND+5VGNDA/D1REST2(RXD)PD03(TXD)PD14(INT0)PD25(INT1)PD36(T0)PD47VCC8GND9XTAL110XTAL211(T1)PD512(AIN0)PD613(AIN1)PD714(ICP)PB015PB1(OC1)16PB2(SS)17PB3(M OSI)18PB4(M ISO)19PB5(SCK)20AVCC21AREF22AGND23PC0(ADC0)24PC1(

52、ADC1)25PC2(ADC2)26PC3(ADC3)27PC4(ADC4)28PC5(ADC5)U5AT90S44331KR10100KR11S110uFC5+5VGND+5VGND33pFC633pFC712Y1XTALGND10KR12S2GND+5V1KR16D5+5VR1310KR1510KR14+5VGNDGNDA/DPB4PB3TL431_+R81KD1C11000uF100uFC2D1VinVoutGND78M 05T1+5v+_T21KR21KR11000uFC3100uFC4D2VinVoutGND78M 12220VD2+12V+_220VR9D41KR17GNDKK2K

53、K1附录 I21附录#include at90s4433.h#define Key _pb0 /启动按键#define Red _pb2 /红灯#define Green _pb1 /绿灯#define VBatMin 0 x0f /电池电压最小值,0.3V#d Mid 0 x2f /电池电压预充值,1vefine VBat#define VBatRat 0 xc9 /电池电压额定值,3.6V#define VBatMax 0 xd9 /电池电压最大值,4.2Vint ADC_VBat; /电池电压当前采样值/*初始化*/void init () _acsr=0 x02; /系统频率的 32

54、分频 _tmr=0 x64; /定时 5mS _tmrc=0 x87; /内部定时器模式，128 分频 _intc=0 x05; /使能定时器及总中断标志位 timer_5ms=0; timer_05s=0; timer_end=0; /charge_timer_flag=0; flag=0; timer_flag05s=0; timer_flag300m=0; discharge_flag=0; /charge_timer=0; _clrwdt(); Discharge=1;附录 II25 _delay(20000); _clrwdt(); _delay(20000); _clrwdt();

55、 _delay(20000); _clrwdt(); _delay(20000); _clrwdt(); _delay(20000); _clrwdt(); _delay(20000); _clrwdt(); _delay(20000); _clrwdt(); Discharge=0; _delay(20000);/*AD 转换子程序*/unsigned char adrh; unsigned char adrl; void Start_AD() /adcr 寄存器定义 AD 开始转换 _start=0; _start=1; _start=0;void ISR_AD() /读_adrh,_ad

56、rl 寄存器 adrh=0 x00; adrl=0 x00; adrh=_adrh; adrl=_adrl&0 x80; unsigned int ad_change () /AD 转换子程序吉林建筑大学电子信息科学与技术专业毕业论文24 unsigned char ad_value; _eocb=0; adrh=0 xff; adrl=0 xff; Start_AD(); while(_eocb); /等待 AD 转换完成 ISR_AD(); /读取转换结果 ad_value=adrh; return ad_value;/*主程序*/void main () unsigned long vbat_cha0,vbat1_cha0,vbat2_cha0,vbat3_cha0,vbat4_cha0; unsigned long vbat_cha1,vbat1_cha1,vbat2_cha1,vbat3_cha1,vbat4_cha1; init(); if (Key=0) vbat1_cha0=ad_change(); _delay(5000); vbat2_cha0=ad_chan