锂电池充放电系统的设计毕业设计1.doc

题目： 锂电池充放电系统的设计 所在院系：信息与通信技术系专业：电气工程及其自动化 2 摘要摘要 随着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化和小型轻量 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。目前为止， 较多使用的电池有镍镉、镍氢、铅蓄电池和锂电池。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很多不便。 本设计是一种基于单片机的锂离子电池充电器，在设计上，选择了简洁、高 效的硬件，设计稳定可靠的软件，说明了系统的硬件组成，包括单片机电路、 充电控制电路、电压转换及光耦隔离电路，并对充电器的核心器件 max1898 充电芯片、at89c2051 单片机进行了较详细的介绍。阐述了系统的软硬件设计。 以 c 语言为开发工具，进行了设计和编码。保证了系统的可靠性、稳定性、安 全性和经济性。 该充电器具有检测锂离子电池的状态；自动切换充电模式以满足充电电池的 充电需求；充电器短路保护功能；充电状态显示的功能。在生活中更好的维护 了充电电池，使电池更好被运用到生活中。 关键词：关键词：单片机、max1898、at89c51 3 abstractabstract electronic technologys fast development causes various electronic products develops toward portable and the small lightweight direction, it also causes the more electrification products to use based on batterys power supply system. at present, the many uses batteries have the nickel cadmium, the nickel hydrogen, the lead accumulator and the lithium battery. their respective characteristic had decided they will coexist in a long time develop. because the different type batterys charge characteristic is different, usually to different type, even different voltage, capacity rank battery use different battery charger, but this has many inconveniences in the actual use. this topic design is one kind lithium ion battery charger which is based on single chip, in the design, it has chosen succinctly, the highly effective hardware, the design stable reliable software, explained in detail systems hardware composition, including the monolithic integrated circuit electric circuit, the charge control electric circuit, the voltage transformation and the light pair isolating circuit, and to this battery chargers core component - max1898 charge chip, at89c2051 monolithic integrated circuit has carried on the detailed introduction. elaborated systems software and hardware design. take the c language as the development kit, has carried on the detailed design and the code. has realized systems reliability, the stability, the security and the efficiency. the intelligence battery charger has the examination lithium ion batterys condition; the automatic cut over charge pattern meets when rechargeable batterys charge needs; battery charger has short circuit protection function; the charge condition demonstrations function. the battery charger has made the better maintenance rechargeable battery in the life，and lengthened the rechargeable batterys service life. keykey words:words: scm,stc89c51, max1898 4 目目 录录 引引 言言5 5 第第 1 1 章章 绪论绪论6 6 1.1 课题研究的背景 .6 1.2 课题研究的主要工作 .7 第第 2 2 章章 电池的充电方法与充电控制技术电池的充电方法与充电控制技术9 9 2.1 电池的充电方法和充电器 11 2.1.1 电池的充电方法11 2.1.2 充电器的要求和结构15 2.1.3 单片机控制的充电器的优点 16 2.2 充电控制技术 16 2.2.1 快速充电器介绍16 2.2.2 快速充电终止控制方法17 第第 3 3 章章 锂电池充电器硬件设计锂电池充电器硬件设计2020 3.1 单片机电路 20 3.2 电压转换及光耦隔离电路 23 3.3 电源电路 24 3.4 充电控制电路 26 3.4.1 max1898 充电芯片26 3.4.2 充电控制电路的实现 .30 第第 4 4 章章 锂电池充电器软件设计锂电池充电器软件设计3232 4.1 程序功能 32 4.2 主要变量说明 32 4.3 程序流程图 32 结论与展望结论与展望3535 致致 谢谢3535 参考文献参考文献3636 附录附录 a a 电路原理图电路原理图 3737 附录附录 b b 外文文献及其译文外文文献及其译文 3838 附录附录 c c 主要参考文献的题录及摘要主要参考文献的题录及摘要 4040 附录附录 d d 主要源程序主要源程序 4242 5 引言 电池是通过能量转换获得电能的一种器件，电池可以分为一次电池与二次电 池，一次电池是一次性的，二次电池可以反复循环使用。随着便携式设备的发 展，不管从节约资源上还是从环保上考虑，二次电池的应用会越来越广泛。锂 电池就是二次电池的一种。 随着社会的快速发展，电子产品小型化、便携化也使得充电电池越来越重要， 锂离子电池因为具有较高的比能量，放电曲线平稳，自放电率低，循环寿命长， 有良好的充放电性能，可随充随放、快充深放，无记忆效应，不含镉、铅、汞 等有害物质，对环境无污染，被称为绿色电池。基于这些特性，所以锂电池得 到了迅速的发展和广泛的应用。锂电池充电器是为锂离子充电电池补充能源的 静止变流装置，其性能的优劣直接关系到整个用电系统的安全性和可靠性指标。 本论文从锂电池技术特性、充电过程、充电器电路结构、充电器典型电路 和电池保护等方面，多角度地阐述了充电技术发展和应用。 6 第第 1 1 章章 绪论绪论 1.11.1 课题研究的背景课题研究的背景 电池是一种将物质的化学能通过电化学氧化还原反应直接转化成电能的一种 装置。电池可以分为一次电池和二次电池两种。二次电池是可以反复使用的电 池。而当对二次电池充电时，电能转换为化学能，期间还伴随着吸热反应。对 于二次电池有很多性能参数。主要的有以下四个指标： 工作电压：二次电池放电曲线上的平台电压。 电池容量：常用单位为毫安时(mah)和安时(ah) 工作温区：二次电池正常充放电的温度范围。 二次电池正常工作的充、放电次数。 二次电池的性能可以由电池的特性曲线表示，这些特性曲线包含了充电曲线、 放电曲线、充放电循环曲线、温度曲线等。二次电池的安全性可以用特性的安 全检测方式对其进行评估。二次电池可以反复使用，十分切合经济使用的原则。 对于市场上二次电池的种类，大致可分为：铅酸(la)电池、镍镉(nicd)电池、 镍氢(nimh)电池和锂离子(liion)电池。 1. 二次电池的性能比较 二次电池间的性能比较见下表 1-1 电池类型工作电压 (v) 重量比能量 (wh/kg) 体积比能量 (wh/l) 循环次数记忆效应自放电 率(%/月) 铅酸电池2.0 400600无3 镍镉电池1.250150400500有1530 镍氢电池1.26080240300500无2535 锂离子电 池 3.61201403001000无25 表 1-1 铅酸、镍镉、镍氢和锂离子电池的性能比较 2.锂电池与镍氢电池、镍镉电池之间的区别 (1)重量方面 从每一个单元电池的电压来看，镍氢电池和镍镉电池是 1.2v，而锂离子电池 是 3.6v，锂离子电池的电压是镍氢、镍镉电池的 3 倍。而且，同型电池的重量 锂离子电池与镉镍电池几乎相等，镍氢电池却比较重。但锂离子电池因其端电 压为 3.6v，在输出同电池的情况下，单个电池组合时数目减少 2/3 从而使成型 后的电池组重量与体积都减小。 (2)记忆效应 镍氢电池和镍镉电池不同，它没记忆效应。对镍镉电池来说，定期的放电管 理是必要的。定期放电管理属于模糊状态下的被动管理，甚至是在镍镉电池荷 电量不确切的情况下进行放电，这种烦琐的放电管理在使用镍镉电池时是没法 避免的。相比较而言，锂离子电池没有记忆效应，使用非常方便，完全不用考 虑电池残余电压的多少，就可直接对其进行充电，充电时间自动可以缩短。 记忆效应是电池因为使用而使电池内容产生结晶的一种效应，一般都是长期 7 不正确的充电方式导致的，它可使电池早衰，使电池无法进行有效的充电，出 现一充就满、一放就完的现象。防止电池出现记忆效应的方法有，在充电前最 好将电池剩余的电量放光，充电时记得要一次充满。一般镍镉电池容易出现记 忆效应，所以充电时要特别注意；镍氢电池理论上没有记忆效应，但使用中最 好也得注意，这也是许多充电器提供放电附加功能的原因。对于因为记忆效应 而导致容量下降的电池，可以用一次充足再一次性放光的方法反复数次，大部 分电池就可以修复。 (3)自放电率 自放电率又称电荷保持能力，是指电池在开路状态下，电池所储存的电量在 一定条件下的保持能力。主要受电池制作工艺，材料，储存等因素影响。 镍镉电池为 15%30%，镍氢电池为 25%35%，锂离子电池为 2%5%。 镍氢电池的自放电率最大，锂离子电池的自放电率最小。 (4)充电方式 锂离子电池易受到过充电、深放电以及短路的损害。单体锂离子电池的充电 电压必须严格限制。充电速率(蓄电池的充电电流通常用充电速率 c 表示，c 为 蓄电池的额定容量，例如用 2a 的电流对 1ah 电池充电，充电速率就是 2c)通 常不超过 1c，最低放电电压为 2.73.0v，如果再继续放电，就会损害电池。 锂离子电池以恒流转恒压方式充电。采用 1c 充电速率充电到 4.1v 时，充电器 此时立即转入恒压充电，充电电流逐渐减小；当电池充满电后，进入涓流充电 过程。为避免过充电或过放电，锂离子电池不仅在内部设有安全机构，充电器 也必须采取安全保护措施，以监测锂离子电池的充放电状态。 3.课题研究的意义 本课题研究的主要是锂离子电池的充电原理和充电控制。锂离子电池的充电 设备需解决的问题有: (1)能进行充电前处理。 (2)解决充电时间长、充电效率低的问题。 (3)改善充电控制不合理，而造成过充、欠充等问题，提高电池的使用效率和 使用寿命。 (4) 通过加强单片机的控制，简化外围电路的复杂性，同时增加自动化管理 设置，减轻充电过程的劳动强度和时间，从而使充电器具有更高的可靠性、更 好的灵活性，且成本低。 本课题研究的意义在于： (1)充分研究锂离子电池的充放电特性，寻找有效的充电及电池管理途径。 (2)使充电设备具有完善的自诊断功能和适时处理功能。 1.21.2 课题研究的主要工作 本文主要研究锂电池的充电方法，在此基础上进行系统设计和电路设计。 第一章 绪论。首先叙述了课题研究的背景，还介绍了锂电池的特点和应用 中存在的主要问题及课题研究的意义和要做的工作。 第二章 电池的充电方法与控制技术。介绍了电池的充电方法和锂电池的快 速充电终止的控制方法，确保在充电过程中不过充、不损坏电池。 第三章 锂电池充电器电路设计。选择控制芯片进行介绍和比较。在此基础 之上，对该电路的充电控制芯片进行选择、介绍与分析。 8 第四章 通过 c 语言软件设计出锂电池快速充电器电路。 第第 2 2 章章 电池的充电方法与充电控制技术电池的充电方法与充电控制技术 2.12.1 电池的充电方法与充电器电池的充电方法与充电器 2.1.12.1.1 电池的充电方法电池的充电方法 1.恒流充电 （1）恒流充电 充电器的交流电源电压一般会波动，充电时需要用一个直流恒流电源(充电器)。 当采用恒流充电时，可使电池具有较高的充电效率，可方便地依据充电时间来 决定充电是否停止，也可以改变电池的数目。恒流电源充电电路如图 2-1 所示 图 2-1 恒流电源充电电路 (2)准恒流充电 在准恒流充电电路中，通过直流电源与电池之间串联一个电位器，以增加电 路内阻来产生恒定电流。电阻值可以依据充电末期的电流进行调整，使电流在 电池的允许值范围内。因为结构简单、成本低廉，所以此充电电路被广泛应用 于充电器中。准恒流充电电路如图 2-2 所示。 图 2-2 准恒流充电电路 2.恒压充电 恒压充电是指每只单体电池都以某一恒定电压进行充电。当对电池进行恒定 电压充电时，电池两端的电压决定了充电电流。恒压充电的充电初期电流较大， 末期电流较小。充电电流会随着电压的波动而改变，所以充电电流的最大值应 设置在充电电压最高时，防止电池过充电。 另外，恒压充电的充电末期电压在达到峰值后会有所下降。电池的充电电 流将变大，会导致电池温度升高。随着电池温度升高，电压下降，将会导致电 9 池的热失控，有损电池的性能。恒压充电电路如图2-3所示。 图2-3 恒压充电电路 3.浮充方式 在浮充方式中，电池用很小的电流(c/30c/20)进行充电，以便电池保持在满 充状态。浮充方式广泛应用于备用电源或应急电源的电气设备中。常规浮充方 式充电电路如图2-4所示。 图2-4 浮充方式充电电路 4.涓充方式 电池与负载并联，同时电池与充电器相连接。一般情况下，直流电源作为负 载的工作电源，并以涓充方式为电池充电，只有当负载变很大、直流电源端电 压小于电池端电压或直流电源停止供电后，电池才对负载放电。在这种情况下， 充电电流由使用模式决定。涓充方式通常使用在紧急电源、备用电源或电子表 等不允许断电的场合。涓充方式的简单示意图下图2-5所示。 图 2-5 涓充方式的简单示意图 5.分阶段充电方式 在分阶段充电方式中，在电池充电的初始阶段充电电流较大。当电池电压达 到控制点时，电池将转为以涓流方式充电。分阶段充电方式是电池目前最理想 10 的充电方式，但缺点是充电电路复杂和成本高。而且需增设控制点的电池电压 的监测电路。分阶段充电方式的简单示意图如图2-6所示。 图2-6 分阶段充电的简单示意图 6.快速充电 当用大电流短时间对电流充电时，需要电池电压检测和控制电路。该电路在 电池充电末期实时检测电池电压和电池温度，并且依据检测参数控制充电过程。 (1)电池电压检测 在大电流充电末期，检测电池的电压，当电池电压达到设定值的时候，将大 电流充电转换成小电流充电。这里采用小电流充电方式是为了确保电池充电容 量。控制电路设置的充电截止电压一定要比充电峰值电压低。 (2)v检测 电池充电过程的充电电流是通过检测电池充电末期的电压降来进行控制的， v控制系统框图如图2-7所示。采用v控制系统的充电控制电路，当充电 峰值电压确定后，若v检测电路检测的电压降达到设定值，控制电路将使大 电流充电电路分断。电池的充电电流、电池电压和充电时间的关系如图2-8所示。 图2-7 v控制系统框图 11 图2-8 充电电池、电池电压和充电时间的关系 (3)电池温度检测 电池在充电末期，电池负极会发生氧复合反应产生热量，使电池温度升高。 由于电池温度升高将会导致充电电流增大，为了控制充电电流，可一在电池外 壳上设置温度传感器或电阻等温度检测元件。当电池温度达到设定值时，电池 充电电路会被切断。电池温度检测简图如图2-9所示，电池温度和充电时间的关 系如图2-10所示 图2-9 电池温度检测简图 12 图2-10 电池温度和充电时间的关系 2.1.22.1.2 充电器的要求和结构充电器的要求和结构 1.充电器的要求 对充电器的要求是：安全，快速，省电，功能齐，使用简便，成本低。 快速充电器(1c4c 的充电器)的安全尤为重要，终止快速充电的检测方法要 可靠、精确，防止过充电。另外，一些充电器集成电路还设有充电时间定时器 来作为一种附加的安全措施。 功能全的充电器一般具有电池电压检测功能。如果充电电池的电压大于终止 放电电压，为了防止“记忆效应”的产生，应先放电至终止放电电压后，然后 自动充电。先进行快速充电，到终止快速充电时自动转换为涓流充电，各个充、 放电过程都有 led 指示。功能较齐全的充电器还应具有充电率的设定、充电电 池数的设定、涓流电流大小的设定、定时器时间的设定、充电前电池状态测定 功能，并且可以依据电池的温度来选择充电参数。 当充电电流较小时可采用线性电源，充电电流较大时采用开关电源，它既可 以省电又能解决电池发热的问题，并有可能由市电直接整流经 acdc 变换获 得低压直流电，可以省去笨重的工频变压器。 2.充电器的结构框图 较早的充电器是没有处理器的,它主要由充电器集成电路和电源部分组成，它 的内部结构较复杂，引脚也较多。一般的功能较完善的充电器结构框图如图 2- 11 aa 线右边所示。 13 图2-11 充电器结构框图 2.1.32.1.3 单片机控制的充电器的优点单片机控制的充电器的优点 目前，市场上有很多的电池管理芯片，对于充电器开发的电池充电管理芯片 业很多，可以直接使用这些芯片进行充电器的设计。 但是，充电器实现的方式不同导致其充电效果也不同。因为采用大电流的快 速充电法，所以在电池充满后如不及时停止会使电池发烫，过充会损害电池的 寿命。一些低成本的充电器采用电压比较法，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。一般的情况下，为了使电池充电 充分，容易造成过充，表现为有些充电器在充电结束时电池发烫，如若电池在 充电后期明显发烫一般说明电池已过充。设计比较科学的充电器采用专业充电 控制芯片，具备业界公认较好的v 检测，可以检测出电池充电饱和时发出 的电压变化信号，能比较精确地结束充电工作。 这些芯片往往具备了充电过程控制，加上单片机对充电后的功能，如图 2-11 所示。还可加入关断电源、蜂鸣报警和 led 显示等，就能完成一个比较实用的 充电器。 2.22.2充电控制技术充电控制技术 2.2.12.2.1 快速充电器的介绍快速充电器的介绍 快速充电器的特点是对充电电池采用大电流充电。常用的充电电流值为 0.32小时率电流。小时率电流值是由公式c(ah)/t(h)规定的，其中c代表电池 14 额定容量，t代表时间。例如用1小时率电流对5号锂电池快速充电，0.5(ah) 1(h)500(ma)，即采用500ma的充电电流，而一般慢速充电，选用10小时率 电流。 性能完善的快速充电器原理图如图2-12所示： 图2-12 快速充电器原理框图 主控电路的类型如下： (1)定时型 对电池进行定时充电时，主控电路采用定时电路，定时时间可由充电电流决 定。定时主控电路常设置不同的时间以控制不同的小时率电流对电池按时间分 档充电，使用起来很方便。因为定时器制作容易，所以常用它自制定时快速充 电器。自制时，为了确保充电安全，最好选用 5 小时率的电流充电。 (2)电压峰值增量v 型 有的可充电电池在充电时端电压随着充电时间的增长而变大，但充足电后端 电压又开始下降。设计主控电路时，利用该特性能监测到电池电压出现峰值之 后的微量下降，以控制充电结束，达到自动充电的目的。这也称为v法。由 于这种控制电路比较复杂，所以不适于自制。 (3)其他主控电路 主控电路除了上面两种以外，还有温度监测和脉宽调制(pwm)控制电路。温 度监测常用热敏电阻监测电池温度。当电池温度高于设定值时，立即停止快速 充电，即使电池温度下降后，充电器也不会启动工作。只有它复位后，才能启 动再次快速充电。 2.2.22.2.2 快速充电快速充电终止控制方法终止控制方法 充电控制技术是充电器系统中软件设计的核心部分。依据充电电池的原理， 将锂电池的电压曲线分成三个阶段，如下图2-13所示。 15 图2-13 锂电池的充电特性 由于锂电池的最佳充电过程无法用单一量实现，在这三个阶段应分别用不同 的控制方式。具体为:进入bc阶段之前，电池电量基本用完，此时采用恒定 的小电流充电。当进入bc阶段时，如果还采用恒流充电，电流过大就会损坏 电池，电流过小就会使充电时间变长，根据电压变化情况控制充电电流，使电 池充电已满，如果此时停止充电，电池就会自放电。为防止自放电现象得发生， 必须采用浮充维护充电方式，用小电流进行涓流充电。 在恒流充电状态下，不断检测电池端电压，当电池电压达到饱和电压时，恒 流充电状态将终止，自动进入恒压充电状态；恒压充电时，保持充电电压不变。 由于电池内阻不断变大，导致充电电流不断下降，当充电电流下降到恒流状态 下充电电流的1/10时，终止恒压充电，进入浮充维护充电阶段。 电池在充满后，如果不能及时停止充电，电池的温度将会迅速上升。温度的 升高将加速板栅腐蚀速度及电解液的分解，会使缩短电池寿命、容量下降。为 了保证电池充足电而又不过充电，可以采用定时控制、电压控制和温度控制等 多种方法来终止充电。 (1)定时控制 定时控制适用于恒流充电。采用恒流充电法时，依据电池的容量和充电电流， 能很容易的确定所需要的充电时间。充电的过程中，达到预定的充电时间后， 定时器会发出信号，使得充电器迅速停止充电或者将充电电流迅速转换成浮充 维护充电电流，这样可以避免电池长时间大电流过充电。 这种控制方法较简单，但也有缺点：充电前，电池的容量不能准确知道，而 且电池和一些元器件的发热使充电电能有一定量的损失，实际的充电时间很难 确定。而该方法充电时间是固定的，不能依据电池充电前的状态而自动调整， 会使有的电池可能充不足电，有的电池过充电，所以，只有充电速率小于0.3c 时，才会采用这种方法。 (2)电池电压控制 在电压控制法中，最容易检测的是电池的最高电压值。常用的电压控制法如 下： 最高电压(vmax)：从充电特性曲线能看出，电池电压达到最大值时，电池此 时充足电。充电过程中，当电池电压达到规定值后，应立即停止快速充电。这 种控制方法的缺点是：电池充足电的最高电压会随环境温度、充电速率而变， 而且电池组中各单体电池的最高充电电压也会有差别，所以采用这种方法不可 能非常准确地判断电池是否充满电。 16 电压负增量(v)：由于电池电压的负增量和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，所以可以比较准确地判断电池是否充满 电。而这种控制方法的缺点有：电池充足电之前，也有可能出现局部电压下 降的情况，使电池在未充足电时，由于检测到了负增量而停止快充；镍镉电 池充足电后，电池电压要经过较长时间，才出现负增量，此时过充电较严重， 此时电池的温度较高，对电池有所损害。所以这种控制方法主要适用于镍镉电 池。 电压零增量(v)：锂电池充电器中，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控制法。这种方法的缺点是：未充足电以前，电 池电压会在某一段时间内可能变化较小，如果此时误认为0v出现而停止充电， 会造成误操作。为此，目前大多数锂电池快速充电器都采用高灵敏0v检测， 当电池电压略有降低时，立即停止快速充电。 (3)电池温度控制 为了避免损坏电池，电池温度上升到一定数值后，必须立即停止快速充电。 常用的温度控制方法如下： 最高温度(tmax)：充电过程中，通常当电池温度达到40时，应立刻停止快 速充电，否则就会损害电池。电池的温度可通过与电池装在一起的热敏电阻来 检测。这种方法的缺点是热敏电阻的响应时间较长，温度检测有一定滞后。 温度变化率(t/t)：充电电池在充电的过程中温度都会发生变化，在充足电 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，应当立即终止快速充电。这里要说明的是，由于热敏电阻的阻值与温 度关系是非线性的，所以为了提高检测精度应设法减小热敏电阻非线性的影响。 采用温度控制法时，由于热敏电阻响应时间较长，再加上环境温度的影响， 所以不能准确的检测电池的充足电状态。 (4)综合控制法 以上各种控制方法各有其优缺点：因为存在电池个体的差异和个别的特殊电 池，若只采用一种方法，就会很难保证电池有高质量的充电。为了保证在任何 情况下均能可靠的检测电池的充足电状态，可采用具有定时控制、温度控制和 电池电压控制功能的综合控制法。 依据定时控制、温度控制、最高电压控制等单独作为终止条件使用的局限性， 有的系统中锂电池的充电终止也采用综合控制法。锂电池是以零增量检测为主， 时间、温度和电压检测为辅的方式。系统在充电过程检测有无零增量(v)出现， 作为判断电池已充满的正常标准，同时判断充电时间、电池温度及端电压，是 否已超过预先设定的保护值作为辅助的检测手段。当电池电压超过检测门限时， 系统会检测有无零增量出现，若出现v，就会认为电池正常充满，进入浮充维 护状态；在充电过程中，系统会一直判断充电时间、电池温度及端电压是否已 经到达或超过了充电保护条件。若其中有一个条件满足，系统会终止现有充电 方式，进入浮充维护状态。 17 第第 3 3 章章 锂电池充电器硬件设计锂电池充电器硬件设计 3.13.1 单片机电路部分单片机电路部分 1.at89c51 at89c51 是一种带 4k 字节闪烁可编程可擦除只读存储器（fperomfalsh programmable and erasable read only memory）的低电压，高性能 cmos8 位 微处理器，俗称单片机。at89c2051 是一种带 2k 字节闪烁可编程可擦除只读存 储器的单片机。单片机的可擦除只读存储器可反复擦除 1000 次。该器件采用 atmel 高密度非易失存储器制造技术制造，与工业标准的 mcs-51 指令集和输出 管脚相兼容。由于将多功能 8 位 cpu 和闪烁存储器组合在单个芯片中，atmel 的 at89c51 是一种高效微控制器，at89c2051 是它的一种精简版本。at89c 系列 单片机为很多嵌入式控制系统提供了一种灵活性高且价廉的方案。结构如下图 所示： （1）主要特性： 与 mcs-51 兼容 4k 字节可编程 flash 存储器 寿命：1000 写/擦循环 数据保留时间：10 年 全静态工作：0hz-24mhz 三级程序存储器锁定 1288 位内部 ram 32 可编程 i/o 线 两个 16 位定时器/计数器 5 个中断源 可编程串行通道 低功耗的闲置和掉电模式 片内振荡器和时钟电路 （2）特性概述： 18 at89c51 提供以下标准功能：4k 字节 flash 闪速存储器，128 字节内部 ram，32 个 i/o 口线，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，片内振荡器及时钟电路。同时，at89c51 可降至 0hz 的 静态逻辑操作，并支持两种软件可选的节电工作模式。空闲方式停止 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。掉电方式保 存 ram 中的内容，但振荡器停止工作并禁止其它所有部件工作直到下一个硬件 复位。 （3）管脚说明： vcc：供电电压。 gnd：接地。 p0 口：p0 口为一个 8 位漏级开路双向 i/o 口，每脚可吸收 8ttl 门电流。当 p0 口的管脚第一次写 1 时，被定义为高阻输入。p0 能够用于外部程序数据存 储器，它可以被定义为数据/地址的低八位。在 fiash 编程时，p0 口作为原码 输入口，当 fiash 进行校验时，p0 输出原码，此时 p0 外部必须接上拉电阻。 p1 口：p1 口是一个内部提供上拉电阻的 8 位双向 i/o 口，p1 口缓冲器能接 收输出 4ttl 门电流。p1 口管脚写入 1 后，被内部上拉为高，可用作输入，p1 口被外部下拉为低电平时，将输出电流，这是由于内部上拉的缘故。在 flash 编程和校验时，p1 口作为低八位地址接收。 p2 口：p2 口为一个内部上拉电阻的 8 位双向 i/o 口，p2 口缓冲器可接收， 输出 4 个 ttl 门电流，当 p2 口被写“1”时，其管脚被内部上拉电阻拉高，且作 为输入。并因此作为输入时，p2 口的管脚被外部拉低，将输出电流。这是由于 内部上拉的缘故。p2 口当用于外部程序存储器或 16 位地址外部数据存储器进 行存取时，p2 口输出地址的高八位。在给出地址“1”时，它利用内部上拉优势， 当对外部八位地址数据存储器进行读写时，p2 口输出其特殊功能寄存器的内容。 p2 口在 flash 编程和校验时接收高八位地址信号和控制信号。 p3 口：p3 口管脚是 8 个带内部上拉电阻的双向 i/o 口，可接收输出 4 个 ttl 门电流。当 p3 口写入“1”后，它们被内部上拉为高电平，并用作输入。作为输 入，由于外部下拉为低电平，p3 口将输出电流（ill）这是由于上拉的缘故。 p3 口也可作为 at89c51 的一些特殊功能口，如下表所示： 口管脚 备选功能 p3.0 rxd（串行输入口） p3.1 txd（串行输出口） p3.2 /int0（外部中断 0） p3.3 /int1（外部中断 1） p3.4 t0（计时器 0 外部输入） p3.5 t1（计时器 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） p3 口同时为闪烁编程和编程校验接收一些控制信号。 rst：复位输入。当振荡器复位器件时，要保持 rst 脚两个机器周期的高电 平时间。 ale/prog：当访问外部存储器时，地址锁存允许的输出电平用于锁存地址 的低位字节。在 flash 编程期间，此引脚用于输入编程脉冲。在平时，ale 端以不变的频率周期输出正脉冲信号，此频率为振荡器频率的 1/6。因此它可用 19 作对外部输出的脉冲或用于定时目的。然而要注意的是：每当用作外部数据存 储器时，将跳过一个 ale 脉冲。如想禁止 ale 的输出可在 sfr8eh 地址上置 0。此时， ale 只有在执行 movx，movc 指令是 ale 才起作用。另外，该 引脚被略微拉高。如果微处理器在外部执行状态 ale 禁止，置位无效。 /psen：外部程序存储器的选通信号。在由外部程序存储器取指期间，每个 机器周期两次/psen 有效。但在访问外部数据存储器时，这两次有效的/psen 信号将不出现。 /ea/vpp：当/ea 保持低电平时，则在此期间外部程序存储器（0000h- ffffh） ，不管是否有内部程序存储器。注意加密方式 1 时，/ea 将内部锁定为 reset；当/ea 端保持高电平时，此间内部程序存储器。在 flash 编程期间， 此引脚也用于施加 12v 编程电源（vpp） 。 xtal1：反向振荡放大器的输入及内部时钟工作电路的输入。 xtal2：来自反向振荡器的输出。 振荡器特性: xtal1 和 xtal2 分别为反向放大器的输入和输出。该反向放大器可以配置为 片内振荡器。石晶振荡和陶瓷振荡均可采用。如采用外部时钟源驱动器件， xtal2 应不接。有余输入至内部时钟信号要通过一个二分频触发器，因此对外 部时钟信号的脉宽无任何要求，但必须保证脉冲的高低电平要求的宽度。 (4)芯片擦除 整个 perom 阵列和三个锁定位的电擦除可通过正确的控制信号组合，并保 持 ale 管脚处于低电平 10ms 来完成。在芯片擦操作中，代码阵列全被写“1” 且在任何非空存储字节被重复编程以前，该操作必须被执行。 此外，at89c51 设有稳态逻辑，可以在低到零频率的条件下静态逻辑，支持两 种软件可选的掉电模式。在闲置模式下，cpu 停止工作。但 ram，定时器， 计数器，串口和中断系统仍在工作。在掉电模式下，保存 ram 的内容并且冻 结振荡器，禁止所用其他芯片功能，直到下一个硬件复位为止。 串口通讯 单片机的结构和特殊寄存器，这是你编写软件的关键。至于串口通信需要用到 那些特殊功能寄存器呢，它们是 scon，tcon，tmod，scon 等，各代表什 么含义呢？ sbuf 数据缓冲寄存器这是一个可以直接寻址的串行口专用寄存器。有朋友 这样问起过“为何在串行口收发中，都只是使用到同一个寄存器 sbuf？而不是 收发各用一个寄存器。 ”实际上 sbuf 包含了两个独立的寄存器，一个是发送寄 存，另一个是接收寄存器，但它们都共同使用同一个寻址地址99h。cpu 在 读 sbuf 时会指到接收寄存器，在写时会指到发送寄存器，而且接收寄存器是 双缓冲寄存器，这样可以避免接收中断没有及时的被响应，数据没有被取走， 下一帧数据已到来，而造成的数据重叠问题。发送器则不需要用到双缓冲，一 般情况下我们在写发送程序时也不必用到发送中断去外理发送数据。操作 sbuf 寄存器的方法则很简单，只要把这个 99h 地址用关键字 sfr 定义为一个 变量就可以对其进行读写操作了，如 sfr sbuf = 0x99;当然你也可以用其它的名 称。通常在标准的 reg51.h 或 at89x51.h 等头文件中已对其做了定义，只要用 #include 引用就可以了。 scon 串行口控制寄存器通常在芯片或设备中为了监视或控制接口状态，都 会引用到接口控制寄存器。scon 就是 51 芯片的串行口控制寄存器。它的寻 20 址地址是 98h，是一个可以位寻址的寄存器，作用就是监视和控制 51 芯片串 行口的工作状态。51 芯片的串口可以工作在几个不同的工作模式下，其工作模 式的设置就是使用 scon 寄存器。它的各个位的具体定义如下： sm0 sm1 sm2 ren tb8 rb8 ti ri sm0、sm1 为串行口工作模式设置位，这样两位可以对应进行四种模式的设置。 串行口工作模式设置。 sm0 sm1 模式 功能 波特率 0 0 0 同步移位寄存器 fosc/12 0 1 1 8 位 uart 可变 1 0 2 9 位 uart fosc/32 或 fosc/64 1 1 3 9 位 uart 可变 在这里只说明最常用的模式 1，其它的模式也就一一略过，有兴趣的朋友可 以找相关的硬件资料查看。表中的 fosc 代表振荡器的频率，也就是晶振的频率。 uart 为(universal asynchronous receiver）的英文缩写。 sm2 在模式 2、模式 3 中为多处理机通信使能位。在模式 0 中要求该位为 0。 rem 为允许接收位，rem 置 1 时串口允许接收，置 0 时禁止接收。rem 是 由软件置位或清零。如果在一个电路中接收和发送引脚 p3.0,p3.1 都和上位机 相连，在软件上有串口中断处理程序，当要求在处理某个子程序时不允许串口 被上位机来的控制字符产生中断，那么可以在这个子程序的开始处加入 rem=0 来禁止接收，在子程序结束处加入 rem=1 再次打开串口接收。大家也可以用 上面的实际源码加入 rem=0 来进行实验。 tb8 发送数据位 8，在模式 2 和 3 是要发送的第 9 位。该位可以用软件根 据需要置位或清除，通常这位在通信协议中做奇偶位，在多处理机通信中这一 位则用于表示是地址帧还是数据帧。 rb8 接收数据位 8，在模式 2 和 3 是已接收数据的第 9 位。该位可能是奇 偶位，地址/数据标识位。在模式 0 中，rb8 为保留位没有被使用。在模式 1 中，当 sm2=0，rb8 是已接收数据的停止位。 ti 发送中断标识位。在模式 0，发送完第 8 位数据时，由硬件置位。其它模式 中则是在发送停止位之初，由硬件置位。ti 置位后，申请中断，cpu 响应中 断后，发送下一帧数据。在任何模式下，ti 都必须由软件来清除，也就是说在 数据写入到 sbuf 后，硬件发送数据，中断响应（如中断打开） ，这时 ti=1， 表明发送已完成，ti 不会由硬件清除，所以这时必须用软件对其清零。 ri 接收中断标识位。在模式 0，接收第 8 位结束时，由硬件置位。其它模式 中则是在接收停止位的半中间，由硬件置位。ri=1，申请中断，要求 cpu 取 走数据。但在模式 1 中，sm2=1 时，当未收到有效的停止位，则不会对 ri 置 位。同样 ri 也必须要靠软件清除。常用的串口模式 1 是传输 10 个位的，1 位起始位为 0,8 位数据位，低位在先，1 位停止位为 1。它的波特率是可变的， 其速率是取决于定时器 1 或定时器 2 的定时值（溢出速率） 。at89c51 和 at89c2051 等 51 系列芯片只有两个定时器，定时器 0 和定时器 1，而定时器 2 是 89c52 系列芯片才有的。 波特率在使用串口做通讯时，一个很重要的参数就是波特率，只有当上下位 机的波特率一样时才能进行正常通讯。波特率是串行端口每秒内可以传输的波 特位数。如用串口模式 1 来传输那么加上起始位和停止位，每个数据字节就要 21 占用 10 个二进位，9600 波特率用模式 1 传输时，每秒传输的字节数是 960010=960 字节。51 芯片的串口工作模式 0 的波特率是固定的，为 fosc/12，以一个 12m 的晶振来计算，那么它的波特率可以达到 1m。模式 2 的 波特率是固定在 fosc/64 或 fosc/32，具体用那一种就取决于 pcon 寄存器中的 smod 位，如 smod 为 0，波特率为 focs/64,smod 为 1，波特率为 focs/32。 模式 1 和模式 3 的波特率是可变的，取决于定时器 1 或 2（52 芯片）的溢出 速率。我们怎么才能计算这两个模式的波特率设置时相关的寄存器的值呢？我 们可以用以下的公式去计算。 波特率=（2smod32）定时器 1 溢出速率 上式中如设置了 pcon 寄存器中的 smod 位为 1 时就可以把波特率提升 2 倍。通常会使用定时器 1 工作在定时器工作模式 2 下，这时定时值中的 tl1 做为计数，th1 做为自动重装值 ，这个定时模式下，定时器溢出后，th1 的 值会自动装载到 tl1，再次开始计数，这样可以不用软件去干预，使得定时更 准确。在这个定时模式 2 下定时器 1 溢出速率的计算公式如下： 溢出速率=（计数速率）/(256th1) 上式中的“计数速率”与所使用的晶体振荡器频率有关，在 51 芯片中定时器 启动后会在每一个机器周期使定时寄存器 th 的值增加一，一个机器周期等于 十二个振荡周期，所以可以得知 51 芯片的计数速率为晶体振荡器频率的 1/12，一个 12m 的晶振用在 51 芯片上，那么 51 的计数速率就为 1m。通常用 11.0592m 晶体是为了得到标准的无误差的波特率，那么为何呢？计算一下就 知道了。如我们要得到 9600 的波特率，晶振为 11.0592m 和 12m，定时器 1 为模式 2，smod 设为 1，分别看看那所要求的 th1 为何值。代入公式： 11.0592m 9600=(232)(11.0592m/12)/(256-th1) th1=250 12m 9600=(232)(12m/12)/(256-th1) th1249.49 上面的计算可以看出使用 12m 晶体的时候计算出来的 th1 不为整数，而 th1 的值只能取整数，这样它就会有一定的误差存在不能产生精确的 9600 波 特率。当然一定的误差是可以在使用中被接受的，就算使用 11.0592m 的晶体 振荡器也会因晶体本身所存在的误差使波特率产生误差，但晶体本身的误差对 波特率的影响是微乎其微的，可以忽略不计。 2. at89c20c51 at89c2051 单片机是 51 系列单片机的一个成员，是 8051 单片机的简化版。 内部自带 2k 字节可编程 flash 存储器的低电压、高性能 coms 八位微处理 器，与 intel mcs-51 系列单片机的指令和输出管脚相兼容。由于将多功能八位 cpu 和闪速存储器结合在单个芯片中，因此，at89c2051 构成的单片机系统是 具有结构最简单、造价最低廉、效率最高的微控制系统，省去了外部的 ram、rom 和接口器件，减少了硬件开销，节省了成本，提高了系统的性价 比。 at89c2051 是一个有 20 个引脚的芯片，引脚配置如图 3 所示。与 8051 相比， at89c2051 减少了两个对外端口（即 p0、p2 口），使它最大可能地减少了对 外引脚下，因而芯片尺寸有所减小。 22 at89c2051 芯片的 20 个引脚功能为： vcc 电源电压。 gnd 接地。 rst 复位输入。当 rst 变为高电平并保持 2 个机器周期时，所有 i/o 引脚复 位至“1”。 xtal1 反向振荡放大器的输入及内部时钟工作电路的输入。 xtal2 来自反向振荡放大器的输出。 p1 口 8 位双向 i/o 口。引脚 p1.2p1.7 提供内部上拉，当作为输入并被外部 下拉为低电平时，它们将输出电流，这是因