【镍氢电池智能充电器系统设计7900字（论文）】

镍氢电池智能充电器系统设计TOC\o"1-2"\h\u11862摘要 24431绪论 2107201.1研究背景 2234651.2镍氢电池的发展状况及其应用领域 3215251.3主要研究内容 3235972镍氢电池智能充电器设计总体思路 4245152.1总体思路 4290773镍氢电池智能充电器系统硬件设计 4219693.1镍氢电池的充放电工作原理 4198983.2.微控制器AT89S51 6253643.2ADC0809芯片简介 7109963.3微控制器硬件电路 8322513.4充放电电路 9321623.5ADC0809电路与MC1403电路 10272393.6数字电路电源模块 1179643.7串口转并口芯片74LS164模块 1254753.81602液晶显示模块 1394784软件设计 13287595设计仿真 1525852总结 16摘要随着电子科技的发展，电能在我们的生活中起到了至关重要的作用。它不仅给我们的生活带来光明。而且产生了许多电子产品，比如手机充电宝，电动汽车等。然而。如何有效的储存电能使运用电能的重要环节之一。如今社会上的一些蓄电池不仅充电时间长，而且还有记忆效应，循环寿命时间短，大大的降低了电脑的利用率。因此，研究如何有效的储存电能是我们生活中运用电能的主要的问题。对于这个问题，本设计对镍氢电池做了深入的研究。同时也对电池如何充电做了详细的研究。在能源市场里，镍氢电池应用的领域十分广泛，而且通过社会的不断发展，镍氢电池在很大程度上也有所提升，由于镍氢电池有较高的能量比以及较长的循环寿命，因此它是我们理想中的研究电池。本设计主要介绍了镍氢电池的基本性能，以及如何快速有效地对镍氢电池充电。通过单片机的设计，充电器可以对电池进行电压，电流充电过程的智能控制。从而直观的了解到电池的充电状态。与此同时，还加了1602液晶显示屏，可以直观的了解到电池电量的剩余量。给我们带来重要的信息与电池的使用情况。关键词：镍氢电池；智能充电器；设计仿真1绪论1.1研究背景近年来，全世界信息技术都有了很大的发展，从而直接推动了人们对科技产品的开发与研究。然而，科技产品的发展需要能源的维持，但是在能源领域里，电能是最环保，最绿色的一种能源物质。因此，世界各国也对电能的利用有了很大的研究。因此，电子产品逐渐的涌入生活的每一个角落。作为二次能源的电池，也大大的提高了电能的利用率。再加上智能化时代的到来，充电器也有了大大的提升。因此，智能充电器也是智能化时代重要的产物之一。智能充电器是一种可以对电池进行电压，电流以及对电池的充电保护进行实时的检测。一旦出现过电压过电流的情况充电器就会自动断电，从而来防止电池发热而引起爆炸。有效的降低了我们的安全。1.2镍氢电池的发展状况及其应用领域镍氢电池是20世纪90年代开始发展的一种新型绿色电池。他不但有很强的实用性，而且价格成本低，使用寿命长等很多优势。因此，他便成为了世界上广大范围的竞争对象，也是世界经济发展的产品之一。镍氢电池的发现是在开发储氢电池合金的过程中逐步让人们熟知的。储氢金属合金，是20世纪60年代人们发现的一种化学物质，这种物质在一定的温度下和相当大的化学压力下，他可以直接快速的被热吸收，同时会放出大量的氧化氢。到了20世纪70年代的时候，荷兰飞利浦实验室，在研究储氢稀土永磁电池合金的时候，意外的发现了一种lani5的储氢电磁催化性能。它具有良好的电池储氢性能。但是通过人们传奇的研究发现。他虽然有良好的储氢性能，并不适合锂电池，因为它的离子平衡充电压力太高，使用寿命比较短。即便如此它对我过我国以后开始大力的发展新型的蓄电池材料打下了一个基本的基础。如今，国内外对适用于小型电子产品等通讯设备的镍氢电池的充电有了很大的理论基础。为社会带来了飞跃性的发展。1.3主要研究内容为了让本课题有条理清晰地展现出来，接下来让我们主要讨论一下研究的内容。对于智能充电器首先要做到的是对电池的保护，由于镍氢电池没有记忆效应，与其他电池相比，可以随时随地的充电。但是为了电池充满电而继续充电会导致电池发热甚至损坏。我们需要对电路设计以一个保护电路。因此，这个充电器要根据电池的当前电压来判断电池是否适合充电防止过充电从而损坏电池。另外，为了能够快速的充电，我们还要设计一个快速充电的电路，使电能能够快速的储存起来，方便人们使用。在快速充电的过程中为防止电压急速升高，还要在电池马上充满点的时候加一段涓流充电，使电池能够稳定的充满电。最后，为了能直观的了解到电池充电的状态以及充电电量，我们还要加一个充电显示。来方便让人们观察。本设计主要分为四个部分，第一部分绪论主要是对镍氢电池的发展进行了讨论。第二章介绍了念经电池智能充电器总体的设计思路，也是本设计的重要理论思想。其中说明了该电池的大概充电原理，做了一个详细的基本框图。第三章主要研究的是硬件电路的设计，以及每个模块电路设计做了一定的讲解。第四章主要是对镍氢电池智能充电器软件的设计，通过C语言编写出了相应的程序代码以及设计软件的流程框图。最后一张就是对本设计在，结论的基础上进行了反正与调试，从而更准确的验证了实验的可靠性。2镍氢电池智能充电器设计总体思路2.1总体思路整个充电设备装置包括充放电电路,单片机控制器和液晶显示辅助电路四部分。首先用手机充电器作为输入端，通过MC7805稳压输出5V的电压作为整个电路的标准电源，给每个模块充电。再通过单片机控制充放电电路。充放电电路在通过采集电路把模拟量转变为数字量在输送到单片机内。单片机再通过74LS164把当前状态传送给1602液晶屏进行显示。这样一个充电的流程就形成了。接下来就是硬件电路图的设计，通过DXP制作出基本的电路图，并进行分析正确与否。最后在通过PROTUS软件画出仿真电路，进行实时仿真。当然，仿真的前提要结合软件来运行完成。因为软件与硬件是不可分割的一部分。因此，软件与硬件的设计是本设计的重要部分，以下就是硬件与软件设计的具体分析。电源变换电路充放电电路单片机控制器160液晶显示电源变换电路充放电电路单片机控制器160液晶显示采样电路充电电池3镍氢电池智能充电器系统硬件设计3.1镍氢电池的充放电工作原理3.1.1充电特性正像普通镍氢电池一样,镍氢电池连续充电也会受到温度以及电池充电持续时间的因素影响。电池待充端子的电压效率会随着电池充电电流的不断增加和待充温度的逐渐降低而不断增加;电池充电器的效率将随电池充电电流,充电持续时间和待充温度的不断变化而发生变化。镍氢电池在不同端子充电率(即不同的电池充电电流)下的不同充电电压特性,充电率(即不同充电电流)越高,电池的端子和电压特性升高幅度越高。[5]镍氢电池的实际工作稳定温度一般在0℃至40℃之间,充电时对效率要求较高时的工作温度一般在10℃至-30℃之间。HHR160a分析镍氢电池在1c不同使用温度下的连续充电性能特性。当使用电池稳压充电器的温度低时,电池稳压端子的有源电压温度会迅速地向上升。另外,在一种标称稳压电流范围为0.1c的小型恒流稳压充电使用过程中,端电的稳压在恒流充电的10%期间逐渐向下升高至约1.46v/s为单位,然后端电压降低。电压变化率在接近1.4sv之前很大。这主要是因为随着电池充电持续时间的不断增加,吸附在电极涂层表面的其他氢原子也会增加,因此再一次吸收其他氢原子更加困难,因此在进行充电的后期时其阻抗也会有不断增加的变化趋势,从而导致最终压力的上升会增加。当电池快要完全充满时,大量的氢原子已与其他合金结合进而形成合金氢化物,因此放在电池内的电压可能会因此略有轻微降低。[6]3.1.2放电特性单个镍氢电池的平均开路能源电压约为1.35v/pc,放电后的平均开路能源电压约为1.2v/pc。例如,当一种镍氢电池分别在相同的放电终止和结束时间上各自具有不同的放电频率时,高倍率镍氢电池放电终止和结束时的电压曲线变化频率最高,并且电压变化频率曲线陡峭:介质放电终止时的电压曲线变化频率小,速度镍氢电池放电终止时的过程较短,电压变化频率曲线平坦。例如,当两次放电结束相同一定电量的功率时,高倍率放电结束时的功率和电池输出的电压较低,而中、低倍率放电结束时的功率和电池输出的电压较高。例如,当一般情况下使用镍氢电池过充放电池的工作容量电压一般都是低于1.1v时,称之为过程式的充放电。与其它的镍氢电池制造商相比,镍氢电池制造商的产品具备了较佳的充放电和保护性能。过压电池充放电后的单体锂离子电池的电压和温度已经达到1.0v时,通过反复降压充放电,通过反复充放电,单体电池电压将迅速返回正常值。[7]3.2.微控制器AT89S51AT89S51单片机它是一种性能比较高而且功耗比较低的8位单片机原件。它的特点就是能够与MCS-51兼容，它的芯片有8位中央处理器还有ISPFlash存储单元组成。它的用途广泛，在各种嵌入式系统中都有它的影子。其管脚如下图所示：图3.2.1AT89S51管脚功能说明：（1）VCC：供电电压。（2）GND：接地。（3）P1口到P0口：它是一个8位通路双向性I/O端口，它的每一个管脚可以吸收8TTL门电流。当它的P1端口的管脚初次写为1的时候，它就被定义成了高阻输入的状态。此时的P0端口如果用于外部程序数据存储器时，它就可以被定义成了低八位的数据地址。与此同时，在Flash编程时的时候，P0端口也可以作为一个原代码的输入端口，如果Flash进行验证时，P0端口就会输出原代码，此时的P0端口的外部必须要提高。（4）P1口到P1口：它其实就是一个内部的上拉电阻，它有8个双向性I/O端口。此外，P1端口缓冲器还能够的接收输出的门电流。如果P1端口管脚写入1的时候，就会被它内部的上拉电阻提高，并且可以把它用作输入。同时，P1端口要是被外部的下拉电阻变成低电平的时候，这时候就会输出电流，为什么呢？这是因为它内部上拉电阻的原因。（5）P2口到P2口：它也是一个内部的上拉电阻，同时也有8位双向I/O端口，P2口还可以作为缓冲器。此时，如果P2端口写为1的时候，它的管脚同样也会就被内部的上拉电阻提高，并且作为输入。这时候输入时的P2口就会被拉低变成输出电流。还有就是当P2口用于外部程序存储器的时候，这时候的P2口就会输出高八位的地址位。当它地址位为“1”时，它就会利用内部上拉的优点。当它对外部的八位地址数据存储器读写的时候，P2口就会输出具有特殊功能寄存器的内容。这时候时的P2口就会在Flash编程的时候接收到高八位的地址信号和控制信号。（6）P3口到P3口：同样的，管脚也是由8个内部上拉电阻组成。它也可以接收输4个TTL的门电流。如果P3端口输出“1”的时候，它就会变成高电平，并用作为输入端。P3口也有一些特殊功能，如下所示：P3口管脚 备选功能P3.0RXD 串行输入口P3.1TXD 串行输出口P3.2/INT0外部中断0P3.3/INT1外部中断1P3.4T0 记数器0外部输入P3.5T1 记数器1外部输入P3.6/WR 外部数据存储器写选通P3.7/RD 外部数据存储器读选通（7）89S51的振荡器特性：XTAL1和XTAL2分别是反向放大器的输入和输出。这个反向放大器可以作为为片内的振荡器，还有石晶振荡以及陶瓷振荡。如果采用外部时钟驱动器件的话，XTAL2应该不接。这是因为输入到内部时钟信号的时候要通过一个二分频的触发器。因此，对外部时钟信号的脉宽没有任何的要求，即便如此也不能保证脉冲的高低电平的宽度。3.2ADC0809芯片简介ADC0809有8位A/D转换器、8路开关和微处理机以及兼容的控制逻辑CMOS组件。它是一个个的慢慢接近A/D转换器，还可以和单片机直接连接。图3-2-1ADC0809的内部逻辑结构上图是一个ADC009的逻辑内部器件，是由一个八路开关和一个A/D转换器还有一个地址锁存以及译码器组成的。多路开关有八个模拟的通道可以进行八个分量输入，同时还可以共用A/D转换器来进行转换。锁存器用来锁存A/D转换器来完成相应的数字量。如下图3-2-2所示，当OE端为高电平时，才能够把锁存器取走转换了的数据。否则无法取走。图3-2-2ADC0809引脚结构3.3微控制器硬件电路此次设计用AT89S52作为控制器，它有较多的I/O口线，还有两个定时器以及两个外部中断，它的优点是可以在线编程。因而，选它作为控制器最为合适并且处理数据也不会复杂。该单片机有三种复位电路：上电复位、按键电平复位、按键脉冲复位。本次设计采用按键电压复位方式。整个电路如图2.1所示：图3-3-1AT89S52以及周边电路图从图2-8中看出，复位电路采用了电平复位，采用了频率为12MHz的晶振来提供单片机的工作频率。右图显示了2块4.7K的排阻，在所用单片机P0口和P2口引脚处分别接上上拉排阻，可以增强I/O口的驱动能力，可以让其更加稳定的工作。3.4充放电电路接下来介绍的是充放电电路，也是本设计的重要内容。如下图3-4-1所示，当镍氢电池充电时，P2,P1为低电平，Q2导通，Q1截止.从而使得电阻电源与电池形成一个回路，这时候的电池不断的在充电。当电池充满电后P2为低电平，从而有形成另一个回路。由于R4的电阻很大，所以电流很小，此时电池进入涓流充电状态。在放电的过程中P2、p1置为1，Q1导通，此时的电路形成放电的回路。这个时候涓流充电要仍然进行中，对其放电来说充的电是微乎其微的。此时ADC0809不断进行采样，并且很快的反馈给单片机来进行数据比较并判断目前处于什么状态。由于电池特殊的结构，基本上达到1.4V的时候就充满电了。在0.8V左右的时候就开始为放电完的状态。图3-4-1充放电电路3.5ADC0809电路与MC1403电路这两个电路的电路图结构如下图3-5-1所示。其中，对ADC0809端输入的要求是：信号要从单一极上发出，而且电压的范围是0-5V之间。如果信号太小的话，必须要对其放大信号。此外，输入的信号要在转换的过程中应该保持不变，如果变化太快的话，需要在输入信号前增加一个采样保持电路。要使高电平有效，ALE就要使地址锁存允许输入。当ALE线作为高电平时，地址锁存与译码器把三条地址线的地址信号进行锁存，最后经过选中的通道的模拟量把译码后的信号进行转换。如图的A,B,C三条为地址输入线，他们是用来选通IN0－IN7上的模拟量输入，数字量与控制线作为输出。图中的ST是转换启动信号。在ST打开时，所有内部寄存器都将会清零；反之，这时的A/D转换开始进行；并且在转换的时候，ST应该保持低电平状态。图中的EOC为转换结束信号。倘若EOC为高电平的时候，就表明转换结束了。否则，表示A/D转换器正在进行。这个时候OE为输出允许信号，用来控制三条输出锁存器。并且向单片机输出转换得到的相关数据。即当OE＝1时，数据发生转换；反之，当OE＝0时，输出的数据线变为高阻状态。还有D7－D0，他们是数字量的输出线，用于输出。CLK是时钟输入的信号线。由于ADC0809的内部没有时钟电路，所以时钟信号必须从外界获得，一般情况下用的是频率为500KHZ,VREF（＋），VREF（－）为参考的输入电压。图3-5-1ADC0809和MC1403电路如上述电路所示，MC1403输入端的电压为+5V，输出端的电压为+2.5V。其中的两个电容要考虑到稳压引起的高频波和低频波，所以要相应的处理。在ADC0809的电压端接入2.5V的电压时，我们就可以得到精度为0.01。模数转换端口是P00-P07，位数为八位。通道选择端分别是ADD-A，ADD-B，ADD-C，为了可以选择8种通道，我们用0,1来组合。从图中可以看出，我们选择是通道0。ADC0809可以实时采集到充电电路的数据，把模拟量转换为数字量，在通过单片机处理，最后通过1602液晶显示器显示出来。3.6数字电路电源模块数字电路电源模块如下图2-11所示。用手机的充电器来提供下面图中的电源电压值为8V，打开开关，再通过7805变为5V的电压，右边的电容起着滤波的作用。图2-11数字电路电源模块3.7串口转并口芯片74LS164模块如下图所示就是74LS164芯片，它的作用主要是通过单片机把DAT与单片机连接起来，其中RXD为数据的输出线。在把CLK接入单片机，此时的TXD就作为移位时钟脉冲。此时的74LS164为单向8位移位寄存器,可以实现并行输出与串行输入。图中的1、2引脚是串行输入端，这两个引脚是按逻辑与运算的规律输入信号。八号引脚是时钟输入端，可以把它连接到TXD端口。此时，当时钟信号上升沿加到T端时，移位寄存器就开始移动一位，有八个时钟脉冲，全部上升到T端后，此时的八位二进制数就会全部移入74LS164中。九号管脚为复位端，如果R=0时，移位寄存器复位为零，所以，只有R=1的时候时钟脉冲才可以起到作用。最后这八个引脚连接到液晶显示出进行数据显示，这样就可以直观的观察到了。图2-12串口转并口模块3.81602液晶显示模块下图3-8-1所示，就是LCD1602液晶显示，它的性质就是利用液晶的物理特性，再通过电压对显示的控制，从而显示出来数据。他主要运用于大规模的集成电路。在本设计中，第一引脚为接地电源，第二引脚为5V电的捷通源，第三引脚的V0，是调整液晶显示器的对比度，但它在接电源的时候，它的对比度最弱。在接地电源的时候，对比度最高。第四引脚是RS寄存器的选择，当它为高电平的时候就选择数据寄存器，反之就选择指令寄存器。第五引脚Rw是读写的信号线，它的作用是当为高电平时，就进行读操作，反之进行写操作。第六引脚E端是使能端，当它由高电平变为低电平时，此时的液晶模块就会执行命令。液晶显示模块如图3-8-1所示。4软件设计接下来就是软件的设计，在做软件之前我们要确定用什么语言，单片机语言一般有两种，一是汇编语言，另一种是C语言。此时我们就要考虑到，用哪种语言比较容易，便于开发。在本次设计中，我应用的是C语言，因为C语言编程，比较简单，灵活，使用方便，语法控制也不是太多，程序设计可以更好的发挥。然后选用Keil51作为编程软件，来进行编程。这个软件是专门用与C语言的编程。这个软件提供了丰富的库函数，以及集成开发的调试工具，具有全面的性能。最重要的是，它生成的代码率很高，生成的汇编代码精简。很容易理解，因此它变成C语言编程的不二之选。接下来就是软件程序的开发与编写，我们在编写程序之前，要有一个大概的思路，因此经过细心的考虑以后，我做了一个大概的流程图，便于我们以后程序正确的开发与编写。以下图4-1就是程序编写的大概流程图。图4-1程序流程图如图4-1所示的流程图反映了程序模块如何编写，以及在哪里需要调试，在下图，我们就可以直观的看到整个程序的流程。在完成了硬件系统设计和软件系统设计之后，接下来我们就要对软硬件进行仿真与调试。首先我们要用protues软件进行仿真。protues软件是专门用于单片机的仿真,他可以直接绘制出原理图，并且与C语言程序相结合,就可以清晰直观的了解到软件的调试结果。从而对整个设计结果有一个整体的认识以及，有错误的地方可以及时的修改，最后得