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本科生毕业论文本科生毕业论文 智能充电器的研究与开发 The Research And Development of Intelligent Charger 学生姓名 所在专业电子信息工程 所在班级1091 申请学位工学学士 指导教师职称副教授 副指导教师职称 答辩时间2013 年 6 月 1 日 目 录 目目 录录 摘 要.I ABSTRACT.II 第 1 章 绪论.1 1.1 选题背景及意义.1 1.2 课题研究现状.1 1.3 国内外发展现状.1 第 2 章 智能充电器的总体研究.2 2.1 研究方案的论述.2 2.2 充电方案的实现.2 2.2.1 实现的功能.2 2.2.2 电池论述及工作模式选择.2 2.3 系统研究框图.4 第 3 章 智能充电器的硬件电路研究.4 3.1 智能充电器的研究思想.4 3.2 单片机控制模块.4 3.2.1STC12C5604AC 单片机的主要功能.4 3.2.2 单片机控制电路.6 3.3 供电电源.7 3.3.1 USB5V 供电电源.7 3.3.2 电荷泵升压.7 3.4 直流线性稳压控制电路研究.8 3.4.1 LM358 双运算放大器.9 3.4.2 扩流.10 3.5 LCD1602 显示电路.10 3.6 按键电路.11 第 4 章 智能充电器的软件研究.12 4.1 软件编辑语言的选择.12 4.2 软件研究.12 4.2.1 主程序.12 4.2.2 LCD1602 显示子程序.13 4.2.3 按键扫描程序.14 第 5 章 实物制作及测试.14 5.1 实物的制作.14 5.2 实物的测试.15 第 6 章 使用说明.17 第 7 章 总 结.18 鸣 谢.19 参考文献.20 附 录.21 摘 要 I 摘 要 目前使用较多的电池有镍镉、镍氢、锂电池。它们的各自特点决定了它们将在相当长的时期内共 存发展。由于不同类型的电池特性不同，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，给实际使用带来诸多不便。本研究课题可根据电池不同的特性采取不同的方案进行充电。 本研究以 STC12C5604AD 单片机和 LM358 双运放放大器作主要器件。由 STC12C5604AD 芯片调 节占空比产生 PWM 脉冲信号，并进行 A/D 转换控制， LM358 构成电压跟随器和比较器，辅助芯片 输出的 PWM 信号进行输出控制，并提供给适当的充电电压给不同的电池充电。 系统硬件按功能分为 USB 电源模块、电荷泵升压模块、中央处理器模块、显示模块、直流线性稳 压控制模块、按键模块。系统的软件是在 Keil uVision4 的集成开发环境下，采用 C 语言完成了应用系 统软件编程，包括主程序、AD 控制、PWM 控制、中断、显示等子程序。 关键词：关键词：STC12C5604AD；LM358；AD 模数转换；PWM 控制 ABSTRACT II ABSTRACT At present, nickel- cadmium batteries, nickel metal hydride batteriesand lithium batteries are used mostly. The respective characte ristics of them indicate that they will coexist and develop for a long time. There are different characteristics ab out different types of batteries. To different types even different voltage and the capacity level of the battery, di fferent charger are used,but there are much inconvenient in actually use.in this research, different program are t aken according to voltage values across the battery charge. STC12C5604AD microcontroller and LM358 dual operational amplifier are used as the main device. The duty cycle is regulate by STC12C5604AD chip, as a result to produce PWM pulse signal, and use the AD digital-to-analog converter to control it. The voltage follower and comparator are consist of LM358, the PWM signal output by auxiliary chip controls the output, and provided to the appropriate charging voltage to different battery charging. According to the function, System hardware can be classed as the following: USB power supply module, th e charge pump boost module, CPU module, display module, DC linear regulator control module and key modu le. The system software completed application system software programming by using C language in the Keil uVision4 integrated development environment, which including the main program, the AD control, PWM cont rol, interrupt and display subroutine. KEYWORDS: STC12C5604AD; LM358; AD analog -to- digital conversion; PWM control 广东海洋大学 2013 届本科生毕业论文 1 智能充电器的研究与开发智能充电器的研究与开发 电子信息工程，200911611128，余永佳 指导教师：欧触灵 第 1 章 绪论 1.1 选题背景及意义 在人们的日常工作和生活中，充电器的使用越来越广泛。从随身听到数码相机、从手机到笔记本 电脑几乎所有用到电池的电器设备都需要用到充电器。充电器为人们的外出旅行和出差办公提供了极 大的方便。由于充电器多采用大电流的快速充电法，在电池充满后如果不及时停止会使电池发烫，过 度的充电会严重损害电池的寿命。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，而采用小电流涓流1补充充电。充电技术是影响电池寿命和使用性能的重要因 素，寻找有效的充电控制方式及电池智能化管理途径，有助于增强电池的使用性能，延长其使用寿命， 提高相关设备的工作可靠性。 1.2 课题研究现状 目前市场上使用的所谓智能充电器，并不是严格意义上的阶段式充电器，据有关部门统计资料显 示，市场上的充电器存在各种质量隐患。这些充电器往往充电电流过小，充电电压不稳定，充电时间 过长，导致电池内部出现极化现象，致使充电容量达不到要求，大大降低了电池的使用寿命。锂电池 是手机最为常用的一种电池，它具有较高的能量重量比、能量体积比，具有记忆效应，可重复充电多 次，使用寿命较长，价格也越来越低。锂电池对于充电器的要求比较苛刻，需要保护电路。为了有效 利用电池容量，需将锂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。 因而这就要求研究出比较科学的充电器，较好的方法是采用专用充电控制芯片配合单片机控制的 方式。专用的充电芯片可以检测出电池充电饱和时发出的电压变化信号，比较精确地借助充电工作， 通过单片机对这些芯片的控制可以实现充电过程的智能化（如在充电后及时关断电源、蜂鸣报警和液 晶显示） 。而充电器的智能化可以缩短充电的时间，同时能够维护电池，延长电池使用寿命。 1.3 国内外发展现状 随着电子技术的高速发展，电子系统的应用领域越来越广泛，功能越来越强大，对充电系统的要 求也越来越高，为了适应电子科技发展的需要，充电器的研究已经向智能化方向发展，智能化程度和 自适应性等新的要求也不断提出。智能化主要体现在对电池充电算法和对环境自适应方面，一个新兴 的充电系统要能自动识别被充电电池的类别，根据电池残路以及环境温度等自适应地生成曲线，以最 广东海洋大学 2013 届本科生毕业论文 2 佳的方式完成快速充电。国外起步较早，目前，发达国家已经将技术应用于军事、探险和科学考擦等 特殊领域，其向民用领域的技术转化工作也已经开始。 近年来，国内外人士正致力于充电器的智能化研究，智能化程度较高的充电器解决了动态跟踪电 池壳接收充电电流曲线的技术关键，使充电电流与可接收充电电流保持良好的匹配关系，使充电过程 始终在最佳状态下进行，比较常规充电模式可节约电能 30%-50%左右，提高了充电质量和效率，为充 电技术和充电设备的智能化发展闯出了一条新路。 第 2 章 智能充电器的总体研究 2.1 研究方案的论述 现阶段常用的充电器有以下几种： （1）定时控制方法：主要用恒定电压或者电流来控制充电时间进行充电，当达到控制的时间，充 电器自动断开充电。由于电池电量的不等，很容易造成电池过充等方面的问题。 （2）电压控制法/电流控制法：此方案需要计算出电池的充电截止电压，和电池容量，在快充阶 段以恒定的电压大电流充电，通过控制脉冲电压进行控制充电电流的幅值和占空比。当电压达到截止 电压时结束充电。这种充电方案对镍镉电池这种适应高强度过充的电池比较适用，而且价格便宜，电 路简单。 （3）综合控制法：此方法是针对不同的电池特性，利用不同的控制方案对充电池进行充电，充电 可大致分预充、恒充、涓流充电三个步骤。然后利用反馈电压进行控制充电断电，达到充电截止电压 时，自动断开充电2。 鉴于以上原因，我选择第三种研究方案。 2.2 充电方案的实现 2.2.1 实现的功能 智能充电器实现的功能有： （1）工作模式 1：工作电压为 4.1V，此工作模式为锂电池进行充电。 （2）工作模式 2：工作电压为 2.7V，此工作模式为镍镉/氢电池充电。 （3）工作模式 3：此工作模式为可调工作电压式，可调范围为 2.7V-4.1V （4）LCD 显示充电类型、饱和充电电压、当前电池电压、以及达到恒流充电百分数 2.2.2 电池论述及工作模式选择 1现阶段充电电池可大致分为以下三大类： （1）锂充电电池：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。使 用以下反应：Li+MnO2=LiMnO2 该反应为氧化还原反应，放电。锂电池芯过充到电压高于 4.2V 后， 广东海洋大学 2013 届本科生毕业论文 3 会开始产生副作用。过充电压愈高，危险性也跟着愈高。锂电芯电压高于 4.2V 后，正极材料内剩下的 锂原子数量不到一半，此时储存格常会垮掉，让电池容量产生永久性的下降。锂电芯放电时也要有电 压下限。当电芯电压低于 2.4V 时，部分材料会开始被破坏。又由于电池会自放电，放愈久电压会愈低， 因此，放电时最好不要放到 2.4V 才停止。锂电池从 3.0V 放电到 2.4V 这段期间，所释放的能量只占电 池容量的 3%左右。因此，3.0V 是一个理想的放电截止电压。 （2）镍镉充电电池：镍镉电池（Ni-Cd，Nickel-Cadmium Batteries,，i-Cd Rechargeable Battery） 使用以下反应放电：Cd+2NiO(OH)+2H2O=2Ni(OH)2+Cd(OH)2，充电时反应相反。镍镉电池最致命的 缺点是，在充放电过程中如果处理不当，会出现严重的“记忆效应”，使得服务寿命大大缩短。所谓“记 忆效应”就是电池在充电前，电池的电量没有被完全放尽，久而久之将会引起电池容量的降低，在电池 充放电的过程中（放电较为明显） ，会在电池极板上产生些许的小气泡，日积月累这些气泡减少了电池 极板的面积也间接影响了电池的容量。当然，我们可以通过掌握合理的充放电方法来减轻“记忆效应”。 而且放电时电压变化很小，是一种非常理想的直流供电电池。与其它类型的电池比较，镍镉电池可耐 过充电或过放电。镍镉电池的放电电压根据其放电装置有所差异，每个单元电池(Cell)大约是 1.2V， 镍镉电池的放电终止电压为 1.0V。 （3）镍氢充电电池：镍氢电池是有氢离子和金属镍合成，电量储备比镍镉电池多 30%，比镍镉 电池更轻，使用寿命也更长，并且对环境无污染。镍氢电池的缺点是价格比镍镉电池要贵好多，性能 比锂电池要差。电池充电时，氢氧化钾（KOH）电解液中的氢离子（H+）会被释放出来，由这些化合 物将它吸收，避免形成氢气（H2） ，以保持电池内部的压力和体积。当电池放电时，这些氢离子便会 经由相反的过程而回到原来的地方。以每一个单元电池的额定电压来看，镍氢与镍镉都是 1.2V。虽然 镍氢电池的记忆效应小，仍然推荐大家尽量每次使用完后再充电，并且是一次性充满，不要充一会用 一会然后再充，对镍氢进行放电，尽量不要对镍氢电池进行过放电，过放会导致充电失败，这样做的 危害远远大于镍氢电池本身的记忆效应。 2模式选择 （1）在模式 1：针对锂电池防过充与过放特性，研究锂电池充电器的时候必须考虑充电截止电压， 而锂电池的最理想的充电电压上限为 4.2V，所以在充电时，需要检测电池两端的电压，并进行实时控 制，当充电电压达到 4.2V 的时候就断电，停止充电。锂电池每次充电不需要都要充满，充到 80%以 上就已经达到要求可用了。所以在充到 4.1V 时即可停止充电了3，此时可采用涓流充电，以极小的电 流为电池充电，考虑到用户可能忘记拔去充电电器，然后电池就长时间充电，因此，可利用电池反馈 的电压，在比较器的作用下，进行控制充电的断电。 （2）模式 2：考虑到镍镉电池有极强的耐过充过放的特性，因此在充电时需要保证镍镉电池电量 已经放完。单节的镍镉/氢电池为 1.2V，放电终止电压为 1.0V，在生活中，基本很少出现单节电池的 使用，基本都是两节或者多节以上的电池串联使用。而镍镉/氢电池充电需要过充 10%50%。双节电 池标称电压为 2.4V，因此方案设定镍镉/氢充电方式充电终止电压为 2.7V，在充电电压达到 2.6V 的时 候采用涓流充电。 （3）模式 3：此模式为可调模式，可兼容 2.4V 到 4.2V 充电电压，可根据自身需要进行采用不同 广东海洋大学 2013 届本科生毕业论文 4 的电压值进行充电。所选电压为充电截止电压，在终止电压前 1V 采用涓流充电。适用于其他幅值的 充电电池。 2.3 系统研究框图 该系统总体框图如图 2.1 所示： 中央处理器 电源 按键运放 PWM PNP 调整管 LED 指示LCD 显示 电 池 ADC 取样 误差放 大调节 图 2.1 智能充电器的总体框图 采用单片机 STC12C5604AD 作为主控芯片，有主控芯片调制占空比产生一定脉宽 PWM 信号，所 产生的脉宽信号进行滤波转为直流信号，同时利用 LM358 接成电压跟随器，负载能力提高，然后经过 比较器控制晶体管的导通与截止，供给电池充电4。并对电池电压取样反馈到比较器及主控芯片，由 主控芯片进行 A/D 转换处理，然后输出 LCD1602 显示。 第 3 章 智能充电器的硬件电路研究 3.1 智能充电器的研究思想 本系统硬件研究的基本思想是采用模块化研究，把实现不同功能的部分电路做成独立模块，然后 通过合理的连接组成一个具有特定功能的产品。本研究主要由单片机控制模块、电源模块、电荷泵升 压模块、直流线性稳压控制模块、键盘模块、显示模块组成。 3.2 单片机控制模块 3.2.1STC12C5604AC 单片机的主要功能 STC12C5604AC 单片机是 STC 生产的单时钟/机器周期（1T）的单片机，是高速/低功耗/超强抗干 扰的新一代 8051 单片机，指令代码完全兼容传统 8051，但速度快 8-12 倍。内部集成 MAX810 专用复 位电路、PCA、高速 10 位 A/D 转换、数据存储器、定时/计数器、I/O 接口、SPI 接口、看门狗及片内 RC 振荡器等模块。几乎包含了数据采集和控制中所需的所有单元模块，可称得上一个片上系统。如 图 3-1 为 STC12C5604AD 的内部结构框图： 广东海洋大学 2013 届本科生毕业论文 5 图 3-1 STC12C5604AD 内部结构框图 主要性能： 1增强型 8051CPU，1T，单始终/机器周期，指令代码完全兼容传统 8051 2工作电压：5.5V-3.5V 3工作频率范围：0-35MHz，相当于普通 8051 的 0-420MHz 4用户应用程序空间 4K 字节 5片上集成 768 字节 RAM 6通用 I/O，复位后为：准双向口/弱上拉（普通传统 I/O 口） 可设置成四种模式：准双向口/弱上拉，强推挽/强上拉，仅为输入/高阻，开漏每个 I/O 口驱动能力 均可达到 20mA，单整个芯片最大不要超过 55mA 7ISP（在系统可编程）/IAP（在应用可编程） ，无需专用编程器，无需专用仿真器可通过串口 （P3.0/P3.1）直接下载用户程序，数秒即可完成一片 8有 EEPROM 功能 9看门狗 10内部集成 MAX810 专用复位电路（外部晶体 20M 一下时，可省外部复位电路） 11时钟源：外部高精度晶体/时钟，内部 R/C 振荡器 用户在下载用户程序时，可选择是使用内部 R/C 振荡器还是外部晶体/时钟 广东海洋大学 2013 届本科生毕业论文 6 常温下内部 R/C 振荡器频率为：5.2MHz6.8MHz 精度要求不高时，可选择使用内部时钟，但因为有制造误差和温漂，以实际测试为准 12共 6 个 16 位定时器 两个与传统 8051 兼容的定时器/计数器，16 定时器 T0 和 T1，没有定时器 2， PCA 模块可再实现 4 个 16 位定时器 132 个时钟输出口，可由 T0 的溢出在 P1.0 输出时钟，可由 T1 的溢出在 P1.1 输出时钟 14外部中断 6 路，下降沿中断或低电平出发中断，PCA 模式可分别或同时支持上升沿中断/下降沿中 断，Power Dowm 模式可由外部中断唤醒，INT0/P3.2、INT1/P3.3、T0/P3.4、xD/P3.0、 PCA0/P3.7、PCA1/P3.5 15PWM（4 路）/PCA（可编程计数器阵列，4 路） -也可用来当 4 路 D/A 使用 -也可用来再实现 4 个定时器 -也可用来再实现 4 个外部中断（上升沿中断/下降沿中断均可分别或同时支持） 16A/D 转换，10 位精度 ADC，共 8 路 17通用全双工异步串行口（UART） ，由于 STC12 系列是高速的 8051，也可再用定时器软件实现多 串口 18SPI 同步通信口，主模式/从模式 19工作温度范围：075 20封装：TSSOP-20（超小封装 6.4mm6.4mm） 3.2.2 单片机控制电路 如图 3-2 所示为单片机控制电路。 图 3-2 单片机控制电路 广东海洋大学 2013 届本科生毕业论文 7 主要管脚用途： （1）XTAL1 脚和 XTAL2 脚为振荡器输入输出端口，外接 12Mhz 晶振5； （2）VCC、GND 接 5V 电源正负端； （3）P3.0、P3.1 分别接 LCD 显示屏的 RS 与 EN 端; （4）P3.2、P1.1 接开关电路，用来获取开关信号； （5）P3.3、P3.3 接两发光二极管，用来指示充电状态； （6）P3.5、P3.6 为 PWM 输出端口，分别接直流稳压电路以及电荷泵升压电路，电荷泵升压电路 产生+7V 电压为 LM358 芯片提供工作电源，直流稳压电路控制一定的输出电压为电池充电； （7）P1.0 为数模转换信号输入端口，外接电池取样电压端； （8）P1.2、P1.3、P1.5、P1.6 接 LCD1602 数据输入端； （9）P1.4 接 LCD1602 背光源正极； （10）P1.7 接 TL431 稳压管，为 P1.7 提供 2.5 稳压源； （11）本研究没用到复位电路，所以复位端 RST 直接接地。 3.3 供电电源 3.3.1 USB5V 供电电源 USB 电源主要由 USB 数据线为主要连通工具，接电脑 USB 接口或其他+5V 电源如：移动电源、 交换式电源供应器，主要为芯片和外部显示屏及其他外部电路提供工作电源。因为 USB 输入电压虽然 是单一方向，但是仍会含有交流成分，因此，需要加电容滤波电路，输出平滑的直流电压。如图 3-3 为 USB 电源电路。 图 3-3 USB 电源电路 3.3.2 电荷泵升压 （1）电荷泵定义：也称为开关电容式电压变换器，是一种利用所谓的“快速” （lying） “泵送” 广东海洋大学 2013 届本科生毕业论文 8 电容（而非电感或变压器）来储能的 DC-DC（变换器）它们能使输入电压升高或降低，也可以用于产 生负电压。其内部的 FET 开关阵列以一定方式控制快速电容器的充电和放电，从而使输入电压以一定 因数（0.5,2 或 3）倍增或降低，从而得到所需要的输出电压。这种特别的调制过程可以保证高达 80% 的效率，而且只需外接陶瓷电容。由于电路是开关工作的，电荷泵结构也会产生一定的输出纹波和 EMI（电磁干扰） 。 （2）电荷泵升压电路主要利用电容存储电荷或电能，并按预先确定的速度和时间放电的特性。电 路中电容一旦被加电，由于电容的寄生效应限制了峰值充电电流，并增加了电荷转移时间，因此电容 的电荷累积不能立即完成，也意味着电容两端的初始电压变化为零。使用这种方法可实现电压的倍压， 开关信号的占空比设为 50%，能产生最佳的电荷转移效率。 （3）电荷泵的工作过程为：首先贮存能量，然后以受控方式释放能量，以获得所需的输出电压， 而电容式电荷泵采用电容器来贮存能量。 （4）电荷泵的研究主要升压驱动 LM358 芯片工作，但是如果没有电荷泵，LM358 的比较输出后， 到达不了 5V，所以只能升压驱动 LM358。电荷泵升压电路图如图 3-4 所示，PWM 占空比为 50%的开 关信号由单片机 P3.7 提供。 图 3-4 电荷泵升压电路图 3.4 直流线性稳压控制电路研究 单片机主控制芯片根据不同的充电状态产生不同 PWM 脉冲信号电压供电池充电。因而，需要进 行滤波，因为滤波以后，负载能力差了，需要用到电压跟随器。然后利用比较器与电池取样电压比较， 控制输出6。直流线性稳压控制电路如图 3-5 所示： 广东海洋大学 2013 届本科生毕业论文 9 图 3-5 直流线性稳压控制电路 3.4.1 LM358 双运算放大器 LM358 内部包括有两个独立的、高增益、内部频率补偿的双运算放大器，适合于电源电压范围很 宽的单电源使用，也适用于双电源工作模式，在推荐的工作条件下，电源电流与电源电压无关。它的 使用范围包括传感放大器、直流增益模块和其他所有可用单电源供电的使用运算放大器的场合。 LM358 的特征： （1）内部频率补偿 （2）直流电压增益高(约 100dB) （3）单位增益频带宽(约 1MHz) （4）电源电压范围宽：单电源(330V) （5）双电源(1.5 -15V) （6）低功耗电流，适合于电池供电 （7）低输入偏流 （8）低输入失调电压和失调电流 （9）共模输入电压范围宽，包括接地 （10）差模输入电压范围宽，等于电源电压范围 （11）输出电压摆幅大(0 至 Vcc-1.5V) LM358 接成电压跟随与电压比较电路：PWM1 到 U2R1，这一段是把 PWM1 的负载能力提高，因 为 PWM1 输出的是方波，要转成直流信号，就依靠两级 RC 滤波电路，因为滤波以后，负载能力差了， 所以用了电压跟随器；右边为比较器其实目的就是为了比较 PWM1 的电压和 ADC0 的电压，然后调整 广东海洋大学 2013 届本科生毕业论文 10 Q1，Q2 的导通和截止，再供给电池。 3.4.2 扩流 直流线性稳压控制电路后级输出采用两 S8550 并联使用， +5V 电源在经两晶体管调整后供给电 池。因为 S8550 为低功率三级管，并联使用可以提高输出功率。两个三级管存在放大差异问题，特性 不可能一致，所以用小电阻 8.6 欧电阻调整。三极管为低电平导通，高电平截止电路，前级电压比较 器，比较电池取样电压及 PWM1 输出电压，比较输出低电平，两三极管导通。 3.5 LCD1602 显示电路 1、LCD1602 液晶显示模块介绍 1602 液晶也叫 1602 字符型液晶，它是一种专门用来显示字母、数字、符号等的点阵型液晶模块。 它由若干个 57 或者 511 等点阵字符位组成，每个点阵字符位都可以显示一个字符，每位之间有一 个点距的间隔，每行之间也有间隔，起到了字符间距和行间距的作用，正因为如此所以它不能很好地 显示图形，用自定义 CGRAM，显示效果也不好。 1602LCD 是指显示的内容为 162 即可以显示两行，每行 16 个字符液晶模块（显示字符和数字） 。 市面上字符液晶大多数是基于 HD44780 液晶芯片的，控制原理是完全相同的，因此基于 HD44780 写 的控制程序可以很方便地应用于市面上大部分的字符型液晶。 （1）1602LCD 主要特性： +5V 电压，对比度可调 内含复位电路 提供各种控制命令,如：清屏、字符闪烁、光标闪烁、显示移位等多种功能 有 80 字节显示数据存储器 DDRAM 内建有 160 个 5X7 点阵的字型的字符发生器 CGROM 8 个可由用户自定义的 5X7 的字符发生器 CGRAM （2）模块引脚说明： 表 3-1 LCD1602 液晶的引脚说明 编号符号引脚说明编号符号引脚说明 1VSS电源地9D2Data 1/0 2VDD电源正极10D3Data 1/0 3VL液晶显示偏压信号11D4Data 1/0 4RS数据/命令选择端（H/L)12D5Data 1/0 5R/W读/写选择端（H/L)13D6Data 1/0 6E使能信号14D7Data 1/0 7D0Data 1/015BLA背光源正极 广东海洋大学 2013 届本科生毕业论文 11 8D1Data 1/016BLK背光源负极 其中，VDD 接 5V 正电源。VL 为液晶显示器对比度调整端，接正电源时对比度最弱，接地时对 比度最高，对比度过高时会产生“鬼影”，使用时可以通过一个 10K 的电位器调整对比度。RS 为寄存 器选择，高电平时选择数据寄存器、低电平时选择指令寄存器。R/W 为读写信号线，高电平时进行读 操作，低电平时进行写操作。当 RS 和 R/W 共同为低电平时可以写入指令或者显示地址，当 RS 为低 电平 R/W 为高电平时可以读忙信号，当 RS 为高电平 R/W 为低电平时可以写入数据。E 端为使能端， 当 E 端由高电平跳变成低电平时，液晶模块执行命令。 2、LCD1602 液晶显示的控制指令： 表 3-2 控制指令 序号 指令 RS R/W D7 D6 D5 D4 D3 D2 D1 D0 1 清显示 0 0 0 0 0 0 0 0 0 1 2 光标返回 0 0 0 0 0 0 0 0 1 * 3 置输入模式 0 0 0 0 0 0 0 1 I/D S 4 显示开/关控制 0 0 0 0 0 0 1 D C B 5 光标或字符移位 0 0 0 0 0 1 S/C R/L * * 6 置功能 0 0 0 0 1 DL N F * * 7 置字符发生存贮器地址 0 0 0 1 字符发生存贮器地址 8 器地址 0 0 1 显示数据存贮器地址 9 读忙标志或地址 0 1 BF 计数器地址 10 写数到 CGRAM 或 DDRAM） 1 0 要写的数据内容 11 从 CGRAM 或 DDRAM 读数 1 1 读出的数据内容 3、显示模块电路 参照 LCD1602 液晶的引脚说明，在其第三个引脚上接上一个 10K 可变电阻到地，用来调整液晶 显示器的对比度；用 STC12C5604AD 单片机的的 P3.0 和 P3.1 两个端口分别来控制液晶的 RS、EN 端 口，W/R 接低电平操作；用 STC12C5604AD 单片机的 P1.6、P1.5、P1.3 和 P1.2 端口来控制液晶的 D4-D7 数据口，背光源负极接 P1.4。LCD1602 连接电路如图 3-6 所示。 图 3-6 LCD1602 连接电路 广东海洋大学 2013 届本科生毕业论文 12 3.6 按键电路 按键电路连接如图 3-7 所示： 图 3-7 按键电路 按键主要用来对充电模式进行选择：SW1 控制充电的暂停/开始；SW2 可调菜单 0、菜单 1，SW3 为 功能“-”键，SW4 为功能“+”键，在菜单 0 中，可控 SW3、SW4 进行锂电池充电模式及镍镉/氢充电 模式调节，在菜单模式 1 中，可控 SW3、SW4 可调充电终止电压 2.7V-4.1V；SW5 为 LCD1602 显示屏背 光按键。 第 4 章 智能充电器的软件研究 4.1 软件编辑语言的选择 电路可采用汇编语言编程，也可采用 C 语言编程。由于汇编语言编写代码实时性强，能够直接控 制硬件的工作状态，但是不具有可移植性，维护和修改困难。而 C 语言编属于高级语言，具有可移植 性，能够结构化编程。使用标准 C 语言的程序，几乎都可以不作改变移植到不同的微机平台上，对于 嵌入式等的微控制芯片，属于标准 C 语言的部分也很少需要修改，而且程序很容易读懂，编写程序结 构清晰，移植性好，容易维护和修改。由此选择 C 语言进行编程。 4.2 软件研究 程序编写需要做到软件结构简单清晰、流程合理。本研究各功能实现模块化、子程序，方便调试、 修改与链接7。软件主要包括主程序、键盘获取子程序、显示子程序等。 4.2.1 主程序 主程序主要完成程序的初始化，比如中断初始化、LCD 初始化、ADC 初始化、PWM 初始化等。 广东海洋大学 2013 届本科生毕业论文 13 先进入初始充电模式，然后不停的调用键盘扫描程序。并根据不同的按键结果进行相应的处理，主要 调节三种充电模式，然后开始充电。流程图如图 4-1 所示。 显示子模块 按键处理 初始化 工作模式三 确定是否有键按下？ 开始充电 Y N 键盘扫描模块 工作模式二工作模式一 暂停充电 键盘中断 初始工作模式 图 4-1 主程序流程图 4.2.2 LCD1602 显示子程序 初始化，因 LCD1602 只作写操作，即 R/W 口接低电平，所以接地。功能设置命令 DL 设高电平， 即只有高四位 D4-D7 四位总线。当芯片 I/O 数据接口不够时，可选择四线驱动，可省四条数据线，数 据传输数据时，进行两次传输完成。显示子程序主要在上电时或者键盘调用 LCD1602 显示子模块。流 程图如图 4-3 所示 广东海洋大学 2013 届本科生毕业论文 14 开始 显示初始化 显示位置设置 显示内容 写检测？ 允许 忙 等待 图 4-2 LCD1602 显示模块子流程图 4.2.3 按键扫描程序 按键扫描在程序在响应键盘中断时执行，判断得到按键的输入，判断为哪个按键，并进行相应的 处理工作。 图 4-3 按键扫描程序 第 5 章 实物制作及测试 5.1 实物的制作 硬件制作首先用研究电路原理，对电路原理进行充分的了解。并在 Altium Designer 画原理图，同 响应键盘中断 延时 10ms 有键按下？ 判断键号 键号送入键盘缓存区并作相应处理 等待 Y N 广东海洋大学 2013 届本科生毕业论文 15 时上网查每个元器件的封装与规格，方便 PCB 图的制作，列出元件清单及了解每个元器件的规格，进 行初步制作 PCB 图8，初步图已经出来的时候就去网上购买元件器，然后就是电路板的制作与调试。 在整个过程中遇到以下需注意及改正的问题： 1、在电路研究时，要充分考虑应用系统各部分的驱动能力，因为一些经验的缺乏，往往忽视电路 的驱动能力及时序问题，认为原理上通就行了，其实不然，因为不同的电路有不同的驱动能力，对后 级系统的输入阻抗要求也不一样，如果阻抗匹配不当，系统驱动能力不够，将导致系统工作不可靠甚 至无法工作。所以在电路中，我加入了电荷泵模块，因为有了电荷泵，LM358 比较输出才能达到预期 电压，所以只有升压驱动芯片。 2、在购买元器件的时候，有几个元器件购买不到，因而影响到整体的进程。再画 PCB 的时候， 应确保每个元器件到位，可避免多次购买及不断地修改 PCB 图。 3、在画 PCB 的时候，应该注意安全规范，要考虑到元件的封装、布线规则的设置和元件的摆放 等问题，减小干扰问题，同时腐蚀铜板前要补齐因印板问题而出现的线条过细和断，避免腐蚀铜板的 时候腐蚀过多而出现线路不通。 4、在焊接前要用万用表细心测完所有电路，防止有些线路不导通并不知道，就直接焊电路上去了。 同时要精心焊板，避免出现虚焊等焊接问题，我在芯片的的第 17 引脚出现过虚焊问题，因为焊接前已 经测过此线的导通情况，所以并不知道此线不导通，到实物做完时，调试完成，功能也正常，经过不 久后，硬件就出现显示屏不显示数据了。然后买显示屏回来焊，还想着重新焊过板。最后在偶然的机 会下发现了虚焊问题而解决了。所以焊接电路板应该注意规范问题。 5、在硬件调试时，要分模块进行调试。调试前，不要插上芯片，先用万用表对电路板进行供电检 测，再测量芯片的电源电压是否正常，进而插上芯片调试。 5.2 实物的测试 广东海洋大学 2013 届本科生毕业论文 16 图 5-1 智能充电器实物图正面 图 5-2 智能充电器实物图背面 广东海洋大学 2013 届本科生毕业论文 17 图 5-3 智能充电器实物图侧面 图 5-4 充电测试图 测试图对 LC18650 锂电池进行充电，在工作模式 0 下为锂电池进行充电，当前充电电压为 3.9V。 当充电电压达到 4.1V 时就停止大电流充电，而采用涓流充电。当充电电压到达 4.2V 时即停止充电。 60%表示已充电量比。当电池电压到达 4.1V 即为 100%。如图 LED2 灯亮，表示正处于充电工作状态， 相反不亮的时候表示并未充电。LED1 不亮表示未充满，亮表示已充满。 第 6 章 使用说明 1、主要用途 用于各种类型的电池充电，如锂电池，