电气工程及其自动化毕业设计

郑州航空工业管理学院毕业论文（设计）2007届电气工程及其自动化专业0706073班级题目锂离子充电控制器姓名学号070607332指导教师苏艳苹职称讲师二〇一〇年六月二十日内容摘要本文根据近年来便携式电子产品的迅速增长，对电源管理的要求越来越高，设计了一款用于电源管理的智能电器。首先对广泛采用的电源锂电池的化学原理进行了介绍，通过实验得出在不同影响因素下充放电时锂离子电池电压与容量的关系，另外还就充放电电流，过充，过放，及过温对锂电池的影响进行了讨论。在对锂离子电池特性实验分析的基础上，进行了智能电器电路设计和软件程序编写。设计的电源管理部分具备了充电过程的控制，结合Atmel公司的AT89C52单片机管理功能，包括：温度控制、时间控制、电源关断、蜂鸣报警和液晶显示等，可以完成一个较为实用的电源管理系统。为了保护数据，抑制干扰，进行了看门狗监测电路功能设计，保证了智能电器工作的可靠性。最后对智能电器进行了测试实验。结果表明智能电器能够实现设计的全部功能。能够提供预期范围的预充电流和终止充电电流，恒流充电时的电流值在设计范围内，恒压充电时，能够提供较理想的电池端压。同时，也实现了相应的过温保护功能，及其出错报警等功能。关键词智能电器，电源管理，锂电池，AT89C52AbstractBasedontherapidgrowthoftheportableelectronicsinrecentyears,powermanagementhavebecomeincreasinglydemanding,thearticledesignsaintelligentpowermanagementforelectricalapparatus.Firstofall,thearticleintroducesthechemicalprincipleoflithiumbatteries,andthencarriesouttheexperimentsofthebatterychargeanddischargeindifferentfactors,findingouttherelationshipbetweenthebatteryvoltageandcapacity.Inaddition,discussingthechargeanddischargecurrent,charge-off,take-off,andover-temperaturetotheimpactoflithiumbatteries.Onthebasisofanalysisofthelithium-ionbatterycharacteristicsexperiments,carryoutaintelligentelectricalcircuitdesignandsoftwareprograms.Designofpowermanagementhassomecontroloverthechargingprocess,combinedwithAtmel'sAT89C52single-chipmanagementcapabilities,includingtemperaturecontrol,timecontrol,poweroff,beepalarmandliquidcrystaldisplay,andsoon,canbeamorepracticalpowermanagementsystem.Inordertoprotectthedata,interferencesuppression,thewatchdogfunctionofmonitoringcircuitdesignensuresthattheworkoftheintelligentapparatus.Finally,intelligentapparatustestingresultsshowthattheintelligentapparatusdesignedachievesfullfunctionality.Itcanbeexpectedtoprovidethescopeofthepre-chargecurrentandterminatingchargecurrent;thecurrentvalueisinthedesignwhenchargingcurrentanditcanprovideabetterbattery-sidepressurewhenchargingvoltage.ASwellastherealizationofthecorrespondingover-temperatureprotection,andotherfeaturessuchasalarmerror.KEYWORDSintelligentapparatus,powermanagement,lithiumbatteries,AT89C52目录第一章：引言§1-1本文研究的智能充电控制器§1-2本课题的主要工作第二章：锂电池的原理及电特性实验§2-1锂电池的电特性实验2-1-12-1-22-1-32-1-42-1-5第三章：智能电器的主体设计§3-1电源控制方案§3-2充电控制器电路设计3-2-1硬件设计3-2-2软件设计第四章：智能电器外围电路设计§4-1液晶显示模块设计4-1-1GXM12864简介4-1-2GXM12864的接口设计4-1-3软件设计4-2-1看门狗功能4-2-2MAX6304简介4-2-3硬件电路设计4-2-4软件设计第五章：智能电器仿真调试§5-1设置仿真器§5-2编译工具设置§5-3连接和测试§5-4设计中问题调试§5-5实验测试结果第六章：结论及展望致谢注释参考文献第一章引言§1-1本文研究的智能充电控制器目前，电源管理已成为电子系统中必不可少的技术。便携电子产品的迅速增长是电源管理技术发展的最主要推动力。便携电子设备包括移动蜂窝电话和无绳电话、无线接收机、手持式收发信机、计算器、笔记本电脑、医疗设备和由蓄电池供电的其他设备等。便携式电子设备对电源的要求有以下几点：体积小，重量轻，效率高，低压差。锂离子电池具有能量密度高，可循环充电次数多，使用寿命长，价格也越来越低等诸多优点，使得选用锂离子电池供电的便携式产品越来越多。然而锂离子电池也存在一些不足，主要在于对充电控制器要求比较苛刻，需要保护电路。为有效利用电池容量，需将锂离子电池充电至最大电压，但是过压充电会造成电池损坏，这就要求较高的控制精度。另外，对于电压过低的电池需要进行预充，充电控制器最好带有热保护和时间保护，为电池提供附加保护。充电方式的选择直接影响着电池的使用效率和使用寿命，充电技术近年来发展非常迅速。充电控制器的发展经历了三个阶段:1)限流限压式充控制电器最原始的就是限压式充电，然后过渡到限流限压式充电，它使用的方式就是浅充浅放，其寿命表述就是时间，没有次数，比如10年。这种充电模式的效果较差。2)恒流/限压式充电控制器这是充电控制器发展的第二阶段，这种模式的充电控制器占据了充电控制器市场近半个世纪。首先，以恒电流充电至预定的电压值，然后，改为恒电压完成剩余的充电。一般两阶段之间的转换电压就是第二阶段的恒电压。这种充电控制器充电电流总是低于电池的可接受能力，造成充电效率低，大大降低了电池的寿命。3)自适应智能充电控制器随着大规模集成IC的出现，充电设备进入了一个全新的自适应、智能阶段，即称为第三代充电控制器。自适应充电控制器遵循各类电池的充、放电规律进行充、放电。并且具有温度补偿功能。充电系统由具有特殊功能的单片机控制，不断检测系统参数，按模糊推理算法不断调整充电参数，同一充电控制器可适应不同种类电池的充电，充电控制器自适应调整自己的输出电流，无需人工选择，避免操作失误。目前市场上很多采用大电流的快速充电法，所以在电池充满后如不及时停止会使电池发烫，过度的过充会严重损害电池的寿命。也有一些低成本的充电控制器采用电压比较法，为了防止过充一般充电到90%就停止大电流快充，采用小电流涓流补充充电。一般地，为了使得电池充电充分，容易造成过充，表现为有些充电控制器在充终了时电池经常发烫(电池在充电后期明显发烫一般说明电池已过充)。对电池经常出现过充和欠充的缺点已越来越不能满足们的需要。锂电池的使用寿命和单次循环使用时间与充电维护过程和使用情况密切相关[6]。一部好的充电控制器不但能在短时间内将电量充足，而且对电池还能起到一定的维护作用，修复由于使用不当而造成的记忆效应，即容量下降(电池活性衰退)现象。因而传统的普通充电控制器存在明显的不足。基于以上问题的提出与分析本文将设计一款用于锂离子电池的智能电器。所谓智能充电控制器是指能根据用户的需要智能控制充电进程，并且在充电过程中能对被充电电池进行保护从而防止过电压和温度过高的一种智能化充电控制器。单片机控制的智能充电器，具备业界公认较好的-⊿V检测，可以检测出电池充电饱和时的电压变化信号，比较精确地结束充电工作。这些充电器芯片往往具备了充电过程的控制，加上单片机管理功能，包括：温度控制、时间控制、电源关断、蜂鸣报警和液晶显示等，可以完成一个较为实用的智能充电控制器。随着电子技术的发展，芯片体积小型化及其价格的降低，智能充电控制器大规模的批量生产已经成为可能。而智能充电控制器具有操作简单、可靠性高和通用性强等优点，是充电控制器家族中一个重要的组成部分，也是未来充电控制器发展的主要方向。因此，对充电控制器智能化的研究与应用具有深远的现实意义。§1-2本课题的主要工作本文实现基于单片机控制的智能电器设计，这里主要针对锂离子电池的智能电源管理控制器设计。根据锂电池的特点，要求智能控制器的最基本需求有二：一是要求其能提供较高的充电电流以缩短充电时间，同时要具备最大充电电流和最大充电电压的限制以保证充电系统的安全；二是要求为增加电池的充放次数及使用寿命，当中包括对过放(over-discharged)的电池减少充电电流，对电池电压的检测或电池容量的检测，输入电流的限制，电池充饱时关闭智能控制器，对充饱电池经过一段时间漏电后能自动再充电功能，充电状态的指示，外部智能控制器的开关控制等。1)首先介绍锂离子电池充放电原理及特性。在这一部分通过实验分析验证了锂离子电池电压在不同放电率下与电池容量的关系，环境温度与电池放电容量的关系，并进一步分析论述了充放电电流对锂离子电池的影响，放电率对电池寿命的影响，过充过放及过温对锂离子电池的危害。2)然后为控制器设计进行选型并设计其硬件电路和软件部分，以实现其智能功能。这里在充电电路设计上在比较锂电池充电主要的四种方法：恒流充电、恒压充电、恒流恒压充电和脉冲充电的优缺点上，考虑到虽然恒流恒压充电需要复杂得多的电路来实现，但由于其充电时间短，充电效率高，因此本文所设计的智能电器充电控制部分将采用恒流恒压充电方法。智能电源控制器设计包括三部分：控制电路，充电电路，显示等外围电路。并完成这三部分相关的程序设计。实现智能充电，液晶显示，看门狗功能。智能电器工作时不可避免会受到外界的干扰，这些干扰轻则导致系统内部数据出错,重则将严重影响程序的运行。为了保护数据，抑制干扰，在单片机智能系统的开发过程中需要进行可靠性设计。这里看门狗功能设计可保证智能电器的正常工作。3)最后给出采用本智能电源管理控制器对锂离子电池充电的实验结果，并对结果进行分析论述，以期提出不足和可能的改进措施。第二章锂电池的原理及电特性实验§2-1锂电池的电特性实验2-1-1锂离子电池的开路电压与电池的正负极材料、电池的充电状态有关。电池的额定电压有3.6V和3.7V两种，目前使用比较普遍的是3.7V的电池。该电池的充电终止电压为4.2V，放电终止电压一般为2.75V(不同的厂商有不同的推荐值)。从表2.1[可以看出，锂离子电池的电压相当于镍镉、镍氢电池的三倍，也就是说，为了得到同样的电池组端电压，锂离子电池的使用数目只有镍镉、镍氢电池的1/3，大大减少了电池的数目，简化了电池组的设计、增加了整个电池组的稳定性。但是锂离子电池对电压精度的要求很高，误差不能超过1%。如果电池的终止充电电压是4.2V，那么允许的误差范围就是0.042V。终止电压过高，将会影响锂离子电池的寿命，甚至造成过充现象(Overcharge)，对电池造成永久性的损坏：终止电压过低，又会使充电不完全，电池的可使用时间变短。实验测得充放电时电池电压随电池容量变化的关系。如图2.2，电池终止电压为4.1V。可以发现充电时电池的端压要比放电时高，这是因为电池本身和充放电回路上有一定的电阻。图2.2电池电压与容量的关系Fig2.2Therelationshipbetweenthebatteryvoltageandcapacity我们把电阻等效为dR，如图2.3，那么充电时的端电压表达式为：(2.1)相应的，放电时端电压表达式为：(2.2)图2.3电池充放电等效回路Fig2.3Batterycharginganddischargingequivalentcircuit从这两个公式可以看出，在充电和放电时(这里假设充电电流等同于放电电流)，电池端压所表示的值都不是真正电池的电动势，而是加上了电池组内阻的影响。实验同时测得不同的放电率下，电池电压的变化。放电率越大，相应剩余容量下的电池电压就越低，电池终止电压为4.2V，如图2.4所示。图2.4不同放电率下，电池电压与容量的关系Fig2.4Indifferentdischargerate,therelationshipbetweenthebatteryvoltageandcapacity锂离子电池的使用环境温度范围比较宽，可以达到-20～60℃。但是环境温度对电池的放电容量有很大影响。实验测得环境温度对电池放电的影响，如图2.5所示。采用0.2C放电速率，当环境温度为25℃时，可放出额定容量；当环境温度为-5℃时，电池容量下降约5%。电池放电曲线随温度的变化如图图2.5温度为参变量的放电曲线（电池容量为650mAh）Fig2.5Temperatureparameterforthedischargeofthecurve2-1-2锂离子电池和其他电池一样，也存在使用寿命的问题。在正确使用的前提下，容量也会随着循环次数慢慢减少。造成这一现象的原因主要有一下两点：1)负极材料(石墨)中的锂逐渐被电解质氧化，造成可使用的锂离子数目减少。2)在循环中，正极材料的老化，降级，使晶状结构慢慢遭到破坏，可容纳的锂离子数目减少。图2.6表示了不同循环次数下电池容量的变化。图2.6电池在1C的放电率下容量随循环次数的变化Fig2.6Inbatterydischargerateof1Cthecapacitychangeswiththenumberofcycles2-1-3锂离子电池对充放电的最大电流都有一定的限制。充电时，一般常用的充电率为0.25C～1C（C为电池的容量，比如1500mAh的锂离子电池，1C的充电率即为1500mA）。在大电流充电时，还应检测电池的温度，以防过热损坏电池或产生爆炸。同样的，锂离子电池的最大放电电流一般限制在2～3C左右，更大的放电电流会使电池发热严重，对电池的组成物质造成损坏，影响电池的使用寿命。同时，大电流放电还将影响电池能放出的容量，因为一部分能量转化成了热能。2-1-4当加在锂离子电池两端的电压超过4.5V时，就会产生过充现象。过充时负极的石墨嵌入的锂离子完全饱和，锂将在负极沉积下来，形成锂枝晶，使电池的容量减少；同时电池继续从正极抽出过量的锂离子，造成正极材料的活性降低，也会对电池的容量造成损害。过放现象则是电池电压低于放电终止电压后，仍然继续放电，使电池电压继续降低。过放时，电极产生晶枝，电路迅速短路。虽然此时由于电池已经完全放电，不会造成安全方面的问题，但是电池也已经遭到了不可恢复的破坏，不能再继续使用了。过温时，锂离子电池中的活性物质(LiC6，LiNiO2)与电解液可能会发生化学反应，产生更多的热量。而电解质中存在可燃的有机溶剂成分。在这种情况下，电池温度将失去控制越来越高，最终导致电池燃烧，甚至爆炸。2-1-5本章简要介绍了锂离子电池的化学原理，然后实验分析论证了锂离子电池的电特性：1)由充放电实验电池电压与电池容量的关系，表明充电时电池的端压要比放电时高。这是因为电池本身和充放电回路上有一定的电阻。所以在计算充放电端电压时，不要忘记内阻值的影响。2)实验不同放电率下锂离子电池电压的变化。结论表明放电率越大，相应剩余容量下的电池电压就越低。3)环境温度对电池放电的影响实验，结论表明温度较低时，放电容量有所下降。另外还就循环次数，过充，过放，及过温对锂离子电池的影响和危害进行了讨论。根据电池的这些特点，可以通过设计一个完整的智能充放电管理系统来使电池的使用寿命和性能达到最优化。第三章智能电器的主体设计§3-1电源控制方案充电管理是电源管理系统的重要组成部分，它对电池的特性及寿命有着至关重要的影响。随着电源技术的不断发展，充电的手段越来越丰富，充电方式对电池及应用环境的针对性也越来越强。目前锂电池充电主要有四种方法[22]：恒流充电、恒压充电、恒流恒压充电和脉冲充电。1）恒流充电（CC）恒流充电根据其充电电流的大小，又可分为浮充充电（又称涓流充电）、标准充电及快速充电。该方法在整个充电过程中采用恒定电流对电池进行充电，如图3.1所示。这种方法操作简单，易于做到，特别适合对由多个电池串联的电池组进行充电。但由于锂电池的可接受电流能力是随着充电过程的进行而逐渐下降的，在充电后期，若充电电流仍然不变，充电电流多用于电解质，产生大量气泡，这不仅消耗电能，而且容易造成极板上活性物质脱落，影响锂电池的寿命。图3.1恒流充电法曲线 Fig3.1Constantcurrentchargecurve 2）恒压充电法（CV）在恒压充电法中，充电电源的电压在全部充电时间里保持恒定的数值，随着锂电池端电压的逐渐升高，电流逐渐减少。充电曲线如图3.2所示。从图中可以看出，充电初期充电电流过大，这样对锂电池的寿命会造成很大影响。图3.2恒压充电法曲线Fig3.2Constantvoltagechargecurve3）恒流恒压充电法（CC/CV）在CC/CV充电器中，充电通过恒定电流开始。在恒流充电CC周期中，为了防止过度充电而不断监视电池端电压。当电压达到设定的端电压时，电路切换为恒定电压充电，直到把电池充满为止。在CC充电期间，电池可以以较高电流强度进行充电，这期间电池被充电到大约85%的容量。在CV周期中，电池电压恒定，充电电流逐渐下降，在电流下降到低于电池的1/10容量时，充电周期完成。恒流恒压充电曲线如图3.3所示。图3.3恒流恒压充电法曲线Fig3.3Constantcurrentandvoltagechargecurve4）脉冲充电法脉冲充电方式是比较新的一种充电方式。脉冲充电法是从对电池的恒流充电开始的，大部分的能量在恒流充电过程中被转移到电池内部。当电池电压上升到充电终止电压VCV后，脉冲充电法由恒流转入真正的脉冲充电阶段。在这一阶段，脉冲充电方式以与恒流充电阶段相同的电流值间歇性的对电池进行充电。每次充电时间为TC后,然后关闭充电回路。充电时由于充电电流的存在，电池电压将继续上升并超过充电终止电压VCV；当充电回路被切断后，电池电压又会慢慢下降。电池电压恢复到VCV时，重新打开充电回路，开始下一个脉冲充电周期。在脉冲充电电流的作用下，电池会渐渐充满，电池端压下降的速度也渐渐减慢，这一过程一直持续到电池电压恢复到VCV的时间达到某个预设的值TO为止，可以认为电池已接近充满，如图3.4所示。图3.4脉冲充电法曲线Fig3.4chargingimpulsecurve在以上四种充电方法中，锂电池充电仍以恒流恒压的方法为主。虽然恒流恒压充电需要复杂得多的电路来实现，但由于其充电时间短，充电效率高，因此在锂离子电池充电中占主导地位。本文所设计的智能电器充电控制部分将采用这种充电方法。锂离子电池充电方式可分为三种：1)交换式(switch-mode)2)脉冲式(pulse)3)线性式(linear)交换式充电控制器的效率较佳但其电路板面积较大，线路较为复杂及需较大的电感电容等被动组件，其电路复杂且成本较高；脉冲式及线性式充电控制器其电路板面积较小及只需较少的外部组件，但脉冲式需要有限电流功能的交流适配器(ACadapter)，价格较昂贵且大部分的ACAdapter不具此功能；线性式的充电控制器其周边组件不会占过多的电路板面积，只需小部分额外的面积以利晶体管的散热即可，成本较小，尽管与前二种相比其效率略差，但性价比较高。综合三种充电方式的优缺点，本文采用线性式充电方式。一般有两种方法实现电路的智能化控制。一种是利用集成电路芯片来实现控制。目前市场上有很多厂家生产的集成芯片，能够以相对不高的成本完成各种充放电和保护功能。但是集成电路的应用场合比较窄，一般限于小容量的单、双节电池的控制。当需求功率较大，电池串并联数目较多时，集成电路就无能为力了。另一种方法就是采用单片机系统。单片机系统稍显复杂，但是其灵活性是集成电路无法比拟的。特别是在有特殊需求的场合，单片机系统更能体现出它的优势。综合考虑，我们选用ATMEL公司生产的AT89C52单片机。AT89C52含有非易失FLASH、并行可编程的程序存储器，所有器件都是通过引导装载器串行编程(ISP)。该单片机采用先进CMOS工艺的单片8位微控制器，是80C51微控制器系列的派生，和80C51指令相同。图3.5是AT89C52的内部功能框图。AT89C52的特性包括：●80C51中心处理单元；●片内FLASH程序存储器；●速度可达33MHz；●全静态操作；●RAM可扩展到64K字节；●4级中断；●6个中断源；●4个8位1/0口；●全双工增强型UART●帧数据错误检测；●自动地址识别；●电源控制模式；●时钟的停止和恢复；●空闲模式；●掉电模式；●可编程时钟输出；●双DPTR寄存器；●低EMI(禁止ALE)；●3个16位定时器；●外部中断可以从掉电模式中唤醒。由于AT89C52具有8k片内FLASH程序存储器，所需扩展片外ROM，而且与80C51系列单片机指令相同，因此非常适合用做智能管理系统的中心控制单片机。图3.5AT89C52内部功能框图Fig3.5AT89C52internalfunctionblockdiagram智能电源管理控制器设计包括三部分：1)控制电路控制电路主要包括单片机及其外部的扩展电路。其主要作用是控制充电电路的工作，同时对充电电池各项反馈的数据(如电流、电压和温度等)进行处理。同时它还起着人机交互的作用(接收用户发出的各种指令来控制充电),并将显示的数据送至显示电路。2)充电电路充电电路主要包括充电芯片和同步整流电路。它能够根据CPU发出的指令给充电电池提供恒流或恒压。3)显示等外围电路显示电路主要包括显示器及其驱动芯片。其主要作用是方便用户对智能控制器的操作和直观地了解智能控制器的工作进程。其它外围电路由报警和传感器等电路构成。出于功能、性价比的考虑本文采用MAX1898作为充电管理芯片，MAX1898为线性式充电芯片；选用AT89C2052单片机作为电源管理控制器的主芯片，单片机负责输电的控制和提示，智能电源管理控制器在单片机的管理下，能够完成充电管理、充满自停和充完显示及报警等功能。MAX1898是性价比较高的线性充电芯片，其输入电压范围为4.5V～12V；具有内置检流电阻；0.75%电压精度；可编程充电电流；输入电源自动检测；LED充电状态指示；检流监视输出等基本特点。MAX1898外接限流型充电电源和P沟道场效应管，可以对单节锂离子电池进行安全有效的快充，其最大特点是在不使用电感的情况下仍能做到很低的功率耗散，可以实现预充电，具有过压保护、温度保护和最长充电时间限制等优点为锂离子电池提供保护。MAX1898的典型充电电路如图3.6所示。输入电流调节电路用于限制电源的总输入电流，包括系统负载电流与充电电流，当检测到输入电流大于设定的限流门限时，通过降低电池充电电流可达到控制输入电流的目的。因为系统工作时电源电流的变化范围较大，如果控制器没有输入电流检测功能，则输入电源必须能够提供最大负载电流与最大充电电流之和，这将使电源的成本增高、体积增大，而利用输入限流功能则能够降低控制器对直流电源的要求,同时也简化了输入电源的设计。图3.6MAX1898的典型充电电路Fig3.6MAX1898typicalchargingcircuit1)电源输入：锂离子电池要求的充电方式是恒流恒压方式，电源的输入需要采用恒流恒压源，一般地，可以采用直流电源加上变压器提供。2)输出：MAX1898通过外接的场效应管提供锂电池的充电接口。3)充电时间的选择：MAX1898充电时间可选择通过外接的电容大小决定的。两者关系为：(3.1)式中，的单位为小时，的单位为nF。标准的充电时间为1小时，最大不要超过2小时，根据这个标准，可以计算得到外接电容的容值。也可以采用单片机设定最大充电时间。4)设置充电电流：MAX1898充电电流在限制电流的模式下，可以通过选择外接的电阻阻值大小决定。关系式如下：(3.2)式中，的单位为Ω，的单位为A。当充电电源和电池在正常的工作温度范围内时，插入电池将启动一次充电过程；充电结束的条件是平均的脉冲充电电流达到快充电流的1%，或者是充电时间超出片上预置的充电时间。MAX1898能够自动检测充电电源，没有电源时自动关断以减少电池的漏电。启动快充后打开外接的P型场效应管，当检测到电池电压达到设定的门限时进入脉冲充电方式，P沟道场效应管打开的时间会越来越短，充电结束时，LED指示灯将会呈现周期性的闪烁。§3-2充电控制器电路设计3-2-1硬件设计在单片机和MAX1898控制下,充电过程分为预充、快充、满充、断电和报警5个部分。主要原理如图3.3和3.4所示：图3.3单片机控制部分原理图Fig3.3Thesingle-chipcontrolschematic图3.4充电部分电路图Fig3.4Partofchargingcircuit预充在安装好电池后，接通输入直流电源，当控制器检测到电池时则将定时器复位，单片机输入高电平，充电芯片启动，从而进入预充过程，在此期间控制器以快充电流的1/10给电池充电,使电池电压、温度恢复到正常状态。预充时间由充电控制器确定，如果在规定的充电时间内电池电压达到标准以上，电池温度正常，充电进入快充过程；如果电池电压低于标准，则认为电池不可充电，控制器显示电池故障。2)快充快充过程也称恒流充电，此时控制器以恒定电流对电池充电。根据电池厂商推荐的充电速率，一般锂离子电池大多选用标准充电速率，充满电池需要1个小时左右的时间。恒流充电时，电池电压将缓慢上升，一旦电池电压达到所设定的终止电压，恒流充电终止，充电电流快速递减，充电进入满充过程。3)满充在满充过程中，充电电流逐渐衰减，直到充电速率降到设置值以下或满充时间超时，转入顶端截止充电；顶端截止充电时，控制器以极小的充电电流为电池补充能量。由于控制器在检测电池电压是否达到终止电压时有充电电流通过电池内阻，尽管在满充和顶端截止充电过程中充电电流逐渐下降，减小了电池内阻和其他串联电阻对电池端电压的影响，但串联在充电回路中的电阻形成的压降仍然对电池终止电压的检测有影响，一般情况下，满充和顶端终止充电可以延长电池5%～10%的使用时间。4)断电当电池正常充满后，MAX1898芯片的2引脚发送的脉冲电平将会被单片机检测到，引起单片机的中断，在中断中判断出充电完毕的状态。由单片机将通过P2.0口输出控制MAX1898芯片EN/OK脚，控制器停止充电，从而保证芯片和电池的安全，同时也减小功耗。同样当电池因短路或断路不可充电时，也由单片机控制停止充电并显示电池故障。5)报警当电池充满后，MAX1898芯片本身也会向外接的LED灯发出指令，LED灯会闪烁。同时单片机在检测到充满状态的脉冲后，或检测到电池故障不仅会自动切断MAX1898芯片的供电，而且会通过蜂鸣器报警，提醒用户及时取出电池。监测MAX1898的输出信号CHG,当MAX1898将要完成充电时，该引脚会发出1.5HZ信号的脉冲，单片机的INTO引脚接收中断后，产生中断，并使用单片机的T0计数器开始计数，当下一个脉冲到来时，在外中断程序中判断单片机的计数值是否在4S左右，如果是，则通过控制P1.2输出控制MAX1898芯片EN/OK脚,控制器停止充电，并引发蜂鸣器报警。3-2-2软件设计当MAX1898完成充电时，其/CHG引脚会产生由低到高的跳变，该跳变引起单片机的INT0中断。/CHG的输出为高存在3种情况：一是电池未放进充电器上或无充电输入；二是充电完毕；三是充电出错。前两种情况单片机都可以直接控制电源切断，所以程序只需对待第三种充电出错的情况即可。该部分程序流程图如下图3.5：图3.5智能控制器程序流程图IFig3.5IntelligentcontrolprogramflowchartI图3.5智能控制器程序流程图IIFig3.5IntelligentcontrolprogramflowchartII图3.5智能控制器程序流程图IIIFig3.5IntelligentcontrolprogramflowchartIII主要程序如下：/*初始化*/voidinit(){EA=1;PT0=1;TMOD=0x01;ET0=1;IT0=1;EX0=1;GATE=1;BP=1;int0_count=0;}/*定时器0中断服务子程序*/voidtimer0()interrupt1using1{TR0=0;TH0=-5000/256;TL0=-5000%256;t_count++;if(t_count>500){if(int0_count==1){GATE=0;BP=0;}else{GATE=1;BP=1;}ET0=0;EX0=0;int0_count=0;t_count=0;}elseTR0=1;}/*外部中断0服务子程序*/voidint0()interrupt0using1{if(int0_count==0){TH0=-5000/256;TL0=-5000%256;TR0=1;t_count=0;}int0_count++;}第四章智能电器外围电路设计§4-1液晶显示模块设计4-1-1GXM12864液晶显示器（LCD）已经经历了几代发展，其应用从第一代的以TN-LCD为代表的电子手表，计算器到第二代的以STN-LCD为代表的快译通，商务通，家电设备，测量设备以及今天正继续发展的第三代TFT-LCD以便携式同台计算机与多媒体显示为代表的用于高级信息社会的各种办公室自动化与新型信息传递设备。本论文采用了内含KS0108B/HD61202控制器的图形液晶显示模块GXM12864，它是一种采用低功耗CMOS技术实现的点阵图形LCD模块，有8位的微处理器接口，通过内部的128*64位映射DDRAM（DisplayDataRAM）实现128*64大小的平板显示。该液晶显示模块使用KS0108B作为列驱动器，同时使用KS0107B作为行驱动器。KS0107B不与单片机发生联系，只要提供电源就能产生行驱动信号和各种同步信号。这样的配置大大简化了设计，节约了单片机的资源。1）GXM12864的内部逻辑电路图GXM12864的内部逻辑电路图如4-1所示。其中，两片KS0108B的ADC均接高电平，RST也接高电平，在使用不考虑这两个引脚的作用。/CSA和KS01018B[1]的CS1相连接，/CSB和KS0108B[2]的CS1相连，因此/CSA，/CSB选通组合信号为/CSA，/CSB=01选通KS0108B[1]，/CSA，/CSB=10选通KS0108B[2]，为其它值时禁止选通，总线处于高阻态。图4.1GXM12864的内部逻辑电路图Fig4.1GXM12864internallogiccircuit图4.2KS0108B的内部逻辑电路图Fig4.2KS010Binternallogiccircuit2）GXM12864的引脚定义GXM12864共有20个引脚。其中DB0-DB7是8位双向数据总线，它的方向由读写控制脚R/W来决定，高电平为读，此时数据出现在总线上，可以由CPU读走；低电平为写，可以写入8位数据。E为使能信号脚，在E的下降沿数据被锁存在KS0108B，在E高电平期间数据被读出。D/I是数据指令选择脚，为高电平表示数据操作，低电平表示写指令或读状态。GXM12864引脚定义如表4.1所示：表4.1GXM12864引脚说明Table4.1GXM12864pinsnote4-1-2GXM12864的接口设计在本设计中，GXM12864模块的工作原理如图4.3所示。图4.3GXM12864模块的工作原理Fig4.3GXM12864workingprinciple图中电位器R10的作用是调节提供给驱动器的供压，从而调节液晶显示的对比度。A，K引脚用于背光灯。RST是复位脚，接高电平VCC。数据线DB0-DB7和单片机的P0端口相连接，控制线D/I，R/W和片选线/CSA，/CSB分别与单片机P2端口的6，5，2，4脚相连。GXM12864最大的特点是驱动芯片和LCD显示屏的接口电路已经做好在模块内部，设计时候只考虑驱动芯片与单片机的接口和编写具体的驱动程序。4-1-3软件设计这里软件设计的重点在于对液晶模块的驱动。本设计中的行驱动芯片KS0107B不与单片机发生联系，因此在设计中只用考虑KS0108B的工作方式和指令控制。KS0108B驱动器具有以下特点：内部有64*64=4096位显示RAM，RAM中每位数据对应LCD屏上的一个点的亮暗状态；KS0108B列驱动器，具有64路列驱动输出；KS01018B的占空比为1/32-1/64；KS0108B内部有输入输出寄存器，它们相当于是微控制器和内部的显示RAM之间的缓冲器。KS0108B内部状态由显示控制指令控制，总共有7种指令，现分别介绍如下：1）显示开/关指令表4.2显示开/关指令Table4.2Displayon/offinstructions当DB0=1时，LCD显示RAM中的内容；DB0=0时，关闭显示。2）显示起始行(ROW)设置指令表4.3显示起始行设置指令Table4.3Displaystartlinesettingupinstructions该指令设置了对应液晶屏最上一行的显示RAM行号，有规律地改变显示起始行，可以使LCD实现显示滚屏的效果。3）页(PAGE)设置指令表4.4页设置指令Table4.4Pagesettingupinstructions显示RAM共64行,分8页,每页8行。4）列地址(YAddress)设置指令表4.5列地址设置指令Table4.5Columnsaddresssettingupinstructions设置了页地址和列地址就唯一确定了显示RAM中的一个单元，这样MPU就可以用读、写指令读出该单元中的内容或向该单元写进一个字节数据。5）读状态指令表4.6读状态指令Table4.6Readingstateinstructions该指令用来查询KS0108B的状态,各参量含义如下：BUSY＝1表示内部在工作，BUSY＝1表示正常状态；ON/OFF＝1表示显示关闭，ON/OFF＝0表示显示打开；REST＝1表示复位状态，REST＝0表示正常状态；在BUSY和REST状态时，除读状态指令外，其它指令均不对KS0108B产生作用；在对HD61202操作之前要查询BUSY状态，以确定是否可以对KS0108B进行操作。5）写数据指令表4.7写数据指令Table4.7Datawrittinginstructions6）读数据指令表4.8读数据指令Table4.8Datareadinginstructions读、写数据指令每执行完一次读、写操作,列地址就会自动增1。§4-2看门狗功能设计4-2-1看门狗功能单片机系统通常工作在一些特定环境中，不可避免会受到外界的干扰，这些干扰轻则导致系统内部数据出错,重则将严重影响程序的运行。为了保护数据，抑制干扰，在智能电源管理控制系统的开发过程中需要进行可靠性设计。一般说来系统的可靠性应从软件、硬件以及结构设计等方面全面考虑。如器件选择、电路板的布线、看门狗、软件冗余等。只有通过软、硬件的联合设计才能保证系统总体的可靠性指标，以满足系统在现场苛刻条件下的正常运行。对于来自电网电压的欠压、过压、掉电和瞬变现象，通常采用低通电源滤波器、隔离变压器、光电隔离及使用UPS不间断电源，或者给单片机系统配备专用电源。但这些措施仍然不能解决上述电源异常问题，而且线路复杂、成本高。所以，单片机监控电路应运而生。利用监控芯片和少量外围元件能方便地组成各种有效的复位电路，并能对电源异常情况进行各种监控。这种芯片具有监视功能多、可靠性高、外围元件少、监控电路简单和体积小等优点。因此它被广泛应用在计算机、微控制器应用系统、便携式智能仪器、自动控制等领域。看门狗功能是指在系统设计中通过软件或硬件的方式在一定的周期内监控单片机微处理器的运行情况，如果在规定的时间内没有收到来自单片机微处理器的触发信号，则系统会强制复位。4-2-2MAX6304简介Maxim公司生产的MAX6304是一款专用、高性能、低功耗的微处理器监控芯片。它有如下特点：1)同时具有复位和看门狗功能。2)复位门限电压在1.22V以上可调节。3)复位超时时间可调。4)看门狗超时时间可调，通过看门狗选择脚还可以设置500倍超时时间。5)4μA供电电流。6)输出结构为：推/拉方式输出、高电平复位。MAX6304有DIP、μMAX和SO三种封装形式，其引脚分布如图4.4所示。图4.4MAX6304引脚分布图Fig4.4MAX6304pinsmaps4-2-3硬件电路设计参考Maxim公司提供的MAX6304芯片资料，设计出如图4.5所示的单片机监控电路原理图。图4.5系统原理图Fig4.5Systemschematic单片机AT89C2051监控复位电路由MAX6304实现。单片机P1口的P1.0和P1.1用于LED指示灯的显示，用红、绿LED构成，完成简单测试。P1.2口和MAX6304的看门狗监测器输入脚WDI相连，单片机程序控制它在一定时间周期内(小于看门狗的超时时间)发生电平变化。如果在看门狗的超时时间内MAX6304没有检测到这个变化，则认为“程序跑飞”或者“死机”。这样MAX6304的RESET输出脚产生复位信号，对单片机复位。MAX6304的RESET输出脚和89C2051的RESET输入脚相连。MAX6304是否正常工作取决于它的外围电路设计。监控芯片MAX6304外围电路的设计可以参考Maxim公司提供的芯片资料进行。监控芯片MAX6304外围电路的设计主要是对图5.2中R1、R2、C1、C2的取值计算。复位门限电压满足如下公式：(4.1)分别选择为3.9kΩ，为10kΩ，由(4.1)式可得:(4.2)系统供电电源为+5V，所以复位电压设置在4.35V是满足要求的。MAX6304的RST脚用于设置复位超时时间，这个时间可以通过外部电容C1来调节。复位超时时间按下式计算:(4.3)式中，C1的单位为pf，的单位为。取C1=10pf，可得：(4.4)MAX6304的SWT脚用于设置看门狗超时时间，这个时间可以通过外部电容C2来调节。基本看门狗超时时间按下式计算：(4.5)式中，C2的单位为pf，的单位为。取C2=100pf，可得：(4.6)WDS脚是MAX6304的看门狗选择输入脚，这个输入脚可以选择看门狗的模式，接低电平为正常模式，接高电平是扩展模式。在扩展模式下，看门狗超时时间为基本超时时间的500倍。在本系统中，WDS接高电平，故看门狗超时时间为：(4.7)因此，只需在单片机程序中每隔小于133.5ms的时间间隔让P1.2产生电平跳变(即对MAX6304的WDI输入脚提供“喂狗”信号)，就可以实现看门狗功能。如果“程序跑飞”或者“死机”，程序就不会运行到“喂狗”语句，超过看门狗超时时间，MAX6304的RESET就会产生有效的复位输出，从而对单片机复位。4-2-4软件设计对单片机的监控只需要硬件电路就可以实现，而看门狗功能则需要软件程序的配合，即在程序中放置“喂狗”语句。“喂狗”语句的放置主要需要考虑间隔时间的问题，必须在看门狗超时时间内及时让WDI产生电平变化。程序流程图如图4.6所示：主要程序如下：SbitLED_G=P1^0;SbitLED_R=P1^1;SbitWDI=P1^2;EA=0;tmp=0;WDI=0;While(1){LED_G=1;LED_R=1;/*延时*/for(i=0;i<250;i++){for(j=0;j<125;j++){tmp++;tmp--;}/*喂狗语句*/WDI=1;WDI=0;}LED_G=0;LED_R=0;}图4.6程序流程图Fig4.6Programflowchart第五章智能电器仿真调试一个单片机应用系统经过预研、总体设计、硬件设计、软件设计、制板、元器件安装后，在系统的程序存储器中放入编制好的应用程序，系统即可运行。但一次性成功几乎是不可能的，多少会出现一些硬件、软件上的错误，这就需要通过调试来发现错误并加以改正。由于单片机在执行程序时人工是无法控制的，为了能调试程序，检查硬件、软件运行状态，就必须借助某种开发工具模拟用户实际的单片机，并且能随时观察运行的中间过程而不改变运行中的数据性能和结果，从而进行模仿现场的真实测试。完成这一仿真工作的就是单片机仿真器。本论文采用万利电子有限公司的Insight仿真器ME-52HU。§5-1设置仿真器MedWin集成开发环境对仿真器的硬件控制是通过执行菜单命令[设置|仿真器设置]实现的。仿真器设置功能是通过对仿真器CPU选择，仿真器时钟选择，仿真器控制选项，程序存储器映像和数据存储器映像进行的。在设置这些功能时，应将仿真器的各项设置与目标系统的要求一致或尽量接近。1)仿真CPU选择MedWin是基于Insight系列仿真器硬件的集成开发环境，集成环境所有窗口显示的数据都是被仿真对象真实数据的体现，是完全真实的。在实际仿真时，应合理选择仿真CPU，使其与目标CPU型号、功能最为接近。这里选择ME-52HU。2)仿真器时钟选择ME-52HU仿真器提供12MHz，24MHz，11.0592MHz和22.1184MHz四种仿真器内置时钟源，以及仿真头组件时钟或目标系统上的有源时钟五个选项供选择。这里选择11.0592MHZ。当选择仿真器内部时钟提供仿真CPU时，时钟信号还通过仿真头送到目标系统的时钟引脚(XTAL1和XTAL2)上，此时需将仿真头上的跳线开路(拔出)，以免仿真头组件上的振荡器时钟与仿真器内部时钟产生信号叠加。当选择仿真头组件或目标系统时钟时，需在仿真头组件时钟或目标系统时钟中取其一者：1、短路仿真头组件上的跳线，并在组件上振荡器小板的插孔内插入合适的晶体振荡器，此时仿真头组件时钟提供给仿真CPU同时也提供给目标系统。2、将仿真头上的跳线开路，仿真器的时钟来源与目标系统的振荡器，此时目标系统应是有源时钟。§5-2编译工具设置MedWin集成开发环境系统默认使用万利电子有限公司的汇编器A51.EXE和连接器L51.EXE，支持汇编语言编写的程序开发，如果使用其它外部编译工具，需要对外部编译工具的路径和程序进行设置。如图5.1这是MedWinV3环境的初始默认选项，用户只使用汇编作为编程语言时，选择此选项。本文使用指定路径下的编译工具KEILC51。图5.1编译工具选择Fig5.1CompilertoolschoosingKeil是目前最流行的51单片机开发软件[37]，各仿真机厂商都宣称全面支持Keil的使用，对于使用C语言进行单片机开发的用户，Keil已经成为必备的开发工具。KeilC51源程序结构和一般C语言没有什么差别。其编程要点如下：1)语言是由函数构成的。一个C51源程序至少包含一个main()函数，也可以包含一个main()函数和若干其它函数。因此，函数是C51源程序的基本单位。被调用的函数可以是编译器提供的库函数，也可以是用户根据需要自己编制设计的函数。2)一个C51源程序总是从main()函数开始执行的，而不管main()函数在整个程序中的位置如何。3)C51源程序书写格式自由，一行内可以写几个语句，一个语句可以分写在多行上，C51源程序无行号。4)每个语句和数据定义的最后必须有一个分号，分号是C51源程序语句的必要组成部分，它不可缺少，即使是程序中最后一个语句也应该包含分号。5)C语言本身没有输入/输出语句。输入和输出的操作是由库函数scanf()和printf()等函数完成的。C51源程序对输入/输出实行“函数化”。6)可以用/*…*/对C51源程序中的任何部分作注释。一个有使用价值的程序都应该加上必要的注释，以增加程序的可读性。§5-3连接和测试1)连接通讯电缆到计算机的LPT口，将25芯并行通讯电缆和电源插头插入仿真器的LPT插座和电源插座，根据仿真频率和目标系统的具体情况，选择200毫米或100毫米的扁平电缆分别与仿真器和仿真头组件连接，将仿真头组件插入目标系统CPU插座，并将地线夹与目标系统地线相连，如图5.2：图5.2连接仿真器与目标系统Fig5.2Connectingsimulatorwiththetargetsystem2)将MS-100电源适配器插入市电插座，并接通220V交流电源此时仿真器上的电源指示LED(Power)和监控状态LED(Moni)亮，运行状态LED(Run)闪烁后灭，说明仿真器硬件已经正常工作。3)运行MedWinV3软件，执行[选项|设备驱动管理器]命令，对话框中点所选驱动，如图5.3图5.3选择设备驱动Fig5.3Selectingdevicedriver4)执行[选项|通讯设置]命令，选择合适的通讯端口并确定，如图5.4图5.4通讯端口选择Fig5.4Selectingcommunicationsport5)MedWinV3的状态行出现通讯端口:仿真器信息和时钟信息。正常时，状态栏内的通讯端口指示灯为黄色(与仿真器上的MoniLED对应)，时钟指示灯为绿色，表示仿真器时钟正常，如图5.5：图5.5仿真器状态栏Fig5.5SimulatorstateColumn§5-4设计中问题调试在完成智能电源管理系统的硬件和软件设计以后，由于单片机的监控电路部分起着十分重要的作用，它直接关系到整个系统的正常运行，所以很有必要检测这一部分设计是否正常工作[39]。以下方法用来检测看门狗设计部分工作是否正常：1)单片机控制的智能电器正常工作时，时钟引脚XTAL1和XTAL2的对地电压分别约为2.0V和2.5V，用万用表测试这两个电压值分别为1.96V和2.48V，说明智能电器工作正常。2)在单片机控制的智能系统上电工作不正常时，有可能是复位电路存在问题。用短路线将RESET引脚和+5V短接一下，模拟上电复位，如果智能系统能够正常工作了，说明复位电路存在问题。本系统上电工作正常，所以此步测试跳过。3)用SS-570220MHZ示波器观察和WDI相连的单片机I/O口的信号波形，观察发现端口电平以设置的时间为周期跳变，表明看门狗程序工作正常§5-5实验测试结果对智能电源管理控制器设计完成后，下面将进行实验测试，并对实验结果进行分析，以检测智能电源管理控制器能否完成设计功能。实验中所用设备如下:1)数字万用表DT9205A2)Chroma63112型电子负载(240A/80V/1200W)3)SS-570220MHZ示波器4)电吹风5)YOKOGAWA530型数字点温计实验过程如下:1)充放电实验这里使用SS-570220MHZ示波器提供直流电源对智能电器供电，供电电压调整为5V。在电池和电流检测电阻的两端分别使用万用表测量实时电压，并记录。将Chroma63112型电子负载调节为恒流模式，采用375mA的放电率对电池进行放电，同时使用万用表测量电池端电压，并记录。2)自动重复充电实验电池充电完毕后，保持充电电源的接入状态不变，使用电子负载对直接电池电芯(越过充放电控制MOSFET)进行小电流放电，观察电池端压，记录自动重复充电时的电压值。3)过流、过压过温保护实验调节直流电源为恒流输出，越过调整管直接将直流电源输出接至电池两端(保护线路仍为接入状态)，改变恒流输出值，观察过流保护动作，并记录动作时的恒流值。保持直流电源恒流输出模式不变，将恒流值变为C/4，即375mA左右，越过调整管直接对电池进行充电，同时使用万用表对电池端压进行实时测量，并记录下过压保护时的电压值。在电池充电或者放电过程中，使用电吹风对电池进行加热，直到温度保护线路动作，用点温计记录此时的电池温度。本实验结果如下:对充满的电池采用375mA(1/4C)的放电电流进行放电实验的实验数据曲线如图6.1所示。}图6.1电池的放电曲线图Fig6.1Thecurveofthebatterydischarge由上面曲线可以看出，电池从满充电压开始下降，一直到放电终止电压2.5V左右为止，此时保护线路动作，切断了电池的放电回路。图6.2是电池的充电曲线电流部分，图6.3是电池的充电曲线电压部分。根据曲线可以看出充电器先恒流后恒压的充电过程。如果电池的电压低于预充电阀值电压，充电器还将对电池进行预充电过程。图6.2电池的充电曲线IFig6.2ThecurveofthebatterychargeI6.3电池的充电曲线IIFig6.2ThecurveofthebatterychargeII智能充电器使用的锂离子电池数据和充放电参数及实验测得的实际值如表6.1所示。由表中的数据，可以看出智能电器能够实现设计的全部功能。智能电器能够提供0.081～O.084A的预充电流或者终止充电电流，恒流充电时的电流值在0.55