课程设计正文排版格式参考.doc

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1、大标题：黑体 小二段前两行，段后两行第1章 概 述正文：宋体 小四行间距：固定值20磅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，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

2、（-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

3、电池的充电原理一级标题：黑体 小三段前1行，段后1行2.1 充电相关术语正文：宋体 小四行间距：固定值20磅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 discharge 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

4、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

5、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（Memo

6、ry effect）二级标题：黑体 四号行间距：固定值20磅段前1行，段后0.5行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

7、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

8、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。图标：置于图下方黑体 五号行间距：固定值20磅段后1行图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，电池电压开始下降，这一特性可以作为一种有

9、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。快充和慢充的概念如下：首先一

10、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电器松下BQ390也只能很好

11、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，而是脉冲方波。波峰时，电流最大，

12、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，插入一个短暂的负电流方波，来抵消

13、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%左右的损失大得多。这也是快速充电器十分流

14、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，还应加入补足充电，补足充电速率一般不

15、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小时可以充满，采用2.5C充电速率时

16、，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，但实际上，因为每个电池的特性

17、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是否充满。它的缺点是：电池电

18、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变化很小，从而造成过早停止快

19、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4550时，应立即停止快速充电。

20、（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、电池电压采集变换电路、恒压

21、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公司生产的低电压，高性能CMOS 8位

22、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，但振荡器停止工作并禁止其它所

23、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。AT89C2051引脚如图3.2所示

24、。(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，如果需要作为通用I/O口，应在外部

25、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）。表标：置于表上方黑体 五号行间距：固定值20磅段后1行P3口还可以用于特殊的

26、功能，如下表所示。表3-1 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）中间省略。主程序流程图如下图所示。放电完全?端压到预定值?出现负压?端压在范围内?放电充电进行负压检测转入涓流充电NYNN充电N预充电开始YYY图4.1 主程序流程图3.3 主程序代码设计根据流程图，设计主程序代码如下：CLRSMALACALLDEL500MSETBSWTH;模拟开关接VIACALLAVERGMOVNV1L,AVLMOVNV1H

27、,AVH;保存上次VI对应数值REP1:ACALLREPS;得到电压值对应数值;判断电池电压是否小于2.1VJUDG1:CLRCMOVA,V01LSUBBA,NV1LMOVA,V01HSUBBA,NV1HJCJUDG2;借位说明当前值大于2.1V，继续判断CPLLED1AJMPREP1;继续采集电压;判断电池电压是否大于3.3V总 结经过系统调试，这个充电器工作正常，可对两节串联的镍镉镍氢充电电池进行快速充电。本设计主要优点是利用单片机做主控芯片，电路功能容易扩展。它的硬件电路相对比较简单，因此成本并不算高。采用-V检测方法可以更加精确地对镍镉镍氢电池进行充电，效果比较理想。本设计需要改进之处

28、有以下几个方面：第一，设计中用到了两个TL431，一个用作恒压源，另一个用作恒流源，考虑到它的成本等问题，可以只用一个TL431实现两者的不同功能。第二，本设计的A/D转换电路还可以进一步简化，用一个或两个普通的稳压管代替其中所用的TL431，这样虽然会使A/D转换的精度受到一些影响，不过这可在软件上得到补偿，另外充电器对A/D转换的精度要求也不是那么高。第三，本设计只能对两节串联电池进行充电，而且充电电路采用了5V电压供电，有很大一部分功率消耗在电阻上了，造成浪费。本设计的功能还可以进行扩展，比如设计中只用了-V一种检测方法，如果和温度检测、定时检测等其它检测方法结合起来，可以使功能更加完善

29、。另外，设计中CD4051只用了两个输入端，其余输入端均闲置着，如果把它们全部利用上，便可实现对多节电池同时进行充电。参考文献1 钱建立，周晓军.智能快速充电器设计与制作M.北京：科学出版社，2001.2 Niggemann E.High performance nickel-metal hydride battery for electric and hybrid vehiclesZ.EVS215，Bruxelles，1998.3 Feder D O.Characteristic of Nickel Metal Hydride battery J. Batteries Intentional

30、，1994(18).4 刘美俊.基于AT89C2051单片机的智能充电器设计J.电子质量，2004(7).5 Sato Noboru，Yagi Kazuhiko，Sakurai Takeshi. Control technology of Ni-MH batteries for electric vehiclesZ.EVS215，Bruxelles，1998.6 张毅刚，彭喜源.MCS-51单片机应用设计M.哈尔滨：哈尔滨工业大学出版社，1997.7 电子之城：TL431特性及应用EB/OL.8 童诗白，华成英.模拟电子技术基础M.北京：高等教育出版社，2000.9 张国雄，金篆芷.测控电路M

31、.北京：机械工业出版社,2000. 10 阎石.数字电子技术基础M.北京：高等教育出版社，1998.11 电源网：用普通单片机实现低成本A/D转换（二）EB/OL.附录1 系统电路图附录：黑体 小四段前1行，段后1行附录2 主要源代码LED1BITP1.4;红色指示灯LED2BITP1.3;绿色指示灯SWTHBITP1.2;模拟开关选通CLERBITP3.7;电容放电FLAGBITP3.6;模拟比较器输出，控制T0启停DISCBITP3.4;放电SMALBITP3.3;涓流充电.ADDCA,AVTMOVAVT,A;依次将T0数值累加到三个寄存单元DJNZAVC1,AV1;累加8次MOVAVC2

32、,#3;保存移位次数AV3:CLRCMOVA,AVTRRCAMOVAVT,AMOVA,AVHRRCAMOVAVH,AMOVA,AVLRRCAMOVAVL,ADJNZAVC2,AV3;三个寄存单元中的数右移3次RET;T0中断服务程序T0INT:CLRLED1;如T0计满,说明出现错误，两指示灯全亮CLRLED2;RETI;T1中断服务程序T1INT:MOVTH1,#3CHMOVTL1,#0AFH;T1置初值15535,隔50ms产生一次中断JNBNTA,NT3SETBLAGRSETBDISCSETBNTAAJMPNT2NT3:JBNTB,NT4DJNZNTC,NT1CLRNTASETBLAGRCLRDISCSETBNTBAJMPNT2NT4:SETBLAGRSETBDISCCLRNTBMOVNTC,#17CPLLED2INCR1AJMPNT2NT1:SETBDISC;在1s中，放电50ms，充电850msCLRLAGRNT2:RETI