投币式多功能充电器控制电路的设计论文参考文献.doc

分类号 分类号 tm910 6 u d c d10621 408 2013 0415 0 密密 级 公级 公 开开 编编 号 号 成成 都都 信信 息息 工工 程程 学学 院院 学学 位位 论论 文文 投币式多功能充电器控制电路的设计投币式多功能充电器控制电路的设计 论论文作者姓名 文作者姓名 申申请请学位学位专业专业 雷雷电电防防护护科学与技科学与技术术 申申请请学位学位类别类别 工学学士工学学士 指指导导教教师师姓名 姓名 职职称 称 副教授 副教授 论论文提交日期 文提交日期 2013 年年 06 月月 01 日日 独 创 性 声 明 本人声明所呈交的学位论文是本人在导师指导下进行的研究工作 及取得的研究成果 据我所知 除了文中特别加以标注和致谢的地方 外 论文中不包含其他人已经发表或撰写过的研究成果 也不包含为 获得成都信息工程学院或其它教育机构的学位或证书而使用过的材料 与我一同工作的同志对本研究所做的任何贡献均已在论文中作了明确 的说明并表示谢意 签名 日期 2013 年 06 月 01 日 关于论文使用授权的说明 本学位论文作者完全了解成都信息工程学院有关保留 使用学位 论文的规定 有权保留并向国家有关部门或机构送交论文的复印件和 磁盘 允许论文被查阅和借阅 本人授权成都信息工程学院可以将学 位论文的全部或部分内容编入有关数据库进行检索 可以采用影印 缩印或扫描等复制手段保存 汇编学位论文 保密的学位论文在解密后应遵守此规定 签名 日期 2013 年 06 月 01 日 投币式多功能充电器控制电路的设计投币式多功能充电器控制电路的设计 摘摘 要要 随着科学与技术的发展 大量使用电池供电的便携式电电子产品进入人们的 日常生活中 如手机 数码相机 mp3 等 锂离子电池拥有比能量高 寿命长 可循环使用 可快速充电 质量轻 体积小等优点 与其他类型电池相比 锂离 子电池具有良好的综合性能 卓越的竞争能力 本文介绍的是投币式多功能充电器控制电路的设计 该设计是基于 stc12c5a60s2 单片机以及 cn3052a 充电管理芯片的一款多功能充电器 投币 式多功能充电器控制电路主要有单片机电路 直流稳压电源电路 充电控制电路 投币模拟电路 显示电路等部分组成 单片机通过投币数量决定充电时间 从而 控制充电电路给锂离子电池充电 充电情况也通过相应电路及时得到反馈 关键词关键词 锂离子电池 多功能充电器 投币式 cn3052a stc12c5a60s2 coin multi function charger control circuit design abstract with the science and technology developing battery powered portable electronic products come out such as cell phone digital camera mp3 etc li ion battery has advantages in high energy density energy saving long service life recycling using fast charging lighter weight small size etc compared to other types of batteries li ion battery has good comprehensive performance the paper is mainly about the design of coin multi function charger control circuit the design is based on the stc12c5a60s2 mcu and cn3052a charge management chip and it contains with some electric circuits like mcu controling power supply charging controling coin simulating displaying etc mcu judges charging time by the number of coin in order to control the li ion battery charger while the situation of charging is showed by the circuit key words li ion battery multi function charger coin cn3052a stc12c5a60s2 目 录 第一章第一章 引引 言言 1 1 1 背景和意义 1 1 2 充电器的现状 1 1 3 充电电池 2 1 3 1 充电电池介绍 2 1 3 2 锂离子电池的充电特性 3 1 4 充电方法的分析 4 1 4 1 快充慢充 4 1 4 2 常用的充电方式 4 1 5 投币的分析 7 1 6 本文的主要任务及结构 7 第二章第二章 系统设计方案系统设计方案 9 2 1 总体方案 9 2 2 单片机的选择 10 2 2 1 stc12c5a60s2 的简介 10 2 2 2 stc12c5a60s2 的内部结构 10 2 3 充电芯片的选择 11 2 3 1 cn3052a 11 2 3 2 bq24080 12 2 4 直流稳压电源 13 2 5 数码管显示效果 14 第三章第三章 硬件电路的设计与实现硬件电路的设计与实现 16 3 1 硬件系统框图 16 3 2 单片机最小系统 16 3 3 直流稳压电源电路 18 3 4 充电电路 19 3 5 投币电路 22 3 6 数码管显示电路 23 3 7 充电接口 23 第四章第四章 编程控制实现方法编程控制实现方法 24 4 1 i o 口分配 24 4 2 程序功能及实现方法 24 4 3 程序仿真 26 第五章第五章 调试调试 28 5 1 开发环境介绍 28 5 2 硬件调试 28 5 3 软件调试 29 5 4 整机调试 29 5 5 测试数据 29 第六章第六章 总结与展望总结与展望 31 6 1 总结 31 6 2 展望 31 参考文献参考文献 32 致致 谢谢 33 附附 录录 34 第一章 引 言 1 1 背景和意义 随着科学与技术的发展 大量使用电池供电的产品进入人们的日常生活 如 手机 数码相机 电动车等 因为充电电池有较高的性价比 放电电流大 可循 环使用 寿命长等特点 早期的电池充电电路比较简单 只需变压器配合二极管 整流即可满足要求 而如今的充电系统在微型化 自动化 智能化等多方面的要 求大大提升 这些设备维持其便携性的关键在于自身电量的保证 充电器恰好能 够提高用电设备的续航能力 但市场上现有的充电器存在着一些问题 如充电效 率低 发热较严重 对电池损耗大 1 为此 设计一款方便快捷 效率高 功能 全 安全的投币式多功能充电器变得十分必要 1 2 充电器的现状 充电器是一种将交流电转换为低压直流电的设备 充电器是一种将频率和电 压固定不变的交流电变换为直流电 采用电力电子半导体器件的静止变流装置 目前市场上流行的充电器主要分为恒流充电器和自动充电器两种 2 恒流充电器是一种最为常见的充电器 从镍镉电池时代开始 我们就使用恒 流充电器 恒流充电器充电电流比较慢 使用相对简单 只需将电池放在电池盒 中即可充电 2 不过有一定需要特别注意 充电时间的计算要比较准确 充电时间计算的简单公式是 2 如充电电流为 充电电流 5 1 chour 150ma 的充电器给 1500mah 的电池充电 则时间为 1500mah 150ma 等于 10 个小时 不过在很多时候 计算出的时间不是整数 为了方便记时 可以挑离得 最近的半小时 如充电电流为 160ma 的充电器给 1500mah 的电池充电 则时间 为 1500mah 160ma 约为 9 个小时 而不用计算到分 恒流充电器的构造较简单 工作较稳定 对电池寿命的影响小 是一种不错 的选择 不过 恒流充电器有局限性 不仅时间必须计算 而且随着电池的容量 越来越大 充电所需的时间也越来越长 在使用上造成一定的不便 快速自动充电器具有充电速度快 安全等特点 其在这几年越来越受到大家 欢迎 快速自动充电器是是用大电流来给充电电池充电 有时可以达到 2c 或更 高 大电流充电对电池寿命的影响很小 不过 如果对大电流充电时产生的高热 不作处理 将会直接影响到充电电池寿命 在使用比电池标称电压稍高的电压来充电时 电池本身对充电电流会产生一 个反电势 因此有一部分电流为了抵消反电势而白白做功 转化为热能 随着充 电电流越来越大 电能不断被转化为热能 充电温度也就越来越高 过高的温度 对充电电池是有害的 在慢速恒流充电器中 充电电流比较慢 产生的热量在可 控制范围内 因此并不需要采取特殊的措施 而在快速自动充电器中 快速的充 电电流会让充电温度更高 因此许多快速自动充电器使用余弦法 来降低充电时 的温度 也就是说不采用恒定的大电流充电 而是像余弦波那样 电流强度不断 变化以缓解热量的积聚 从而将温度控制在合适的范围内 因这类充电器不再使 用恒定电流来充电 与以前的恒流充电器有明显的区别 为了解决过充问题 快速自动充电器一般都采用了电压斜率判断法来判断电 池接近充满的程度 这功能往往靠使用控制电路或者 ic 芯片来完成 当电池接 近充满时 控制电路会自动切换充电模式 对电池进行涓流充电 采用涓流电流 给电池的好处是比较明显 涓流充电可以将电池充的比较满 同时不用担心过充 的问题 为此 快速自动充电器不用像恒流充电器那样去计算时间 1 3 充电电池 充电电池种类不少 目前市场上主流产品有镍镉 nicd 电池 镍氢 nimh 电池和锂离子 li ion 电池 2 1 3 1 充电电池介绍 镍镉电池是镍镉碱性电池的简称 是一种广泛应有的蓄电池 1898 年 镍镉 电池有瑞典人雍格涅尔 jungener 发明 镍镉电池的正极性物质是高价氢氧化 镍 负极性物质是海绵状金属镉 有氢氧化钾或氢氧化钠的水溶性电解液 2 镍 镉电池具有功率高 循环及浮充寿命长 充电容易 使用和维护方便等优点 可 制成无需维护的密封和全密封结构的电池 但是其 记忆效应 和金属镉对环境 污染是在应用中的不利因素 镍氢电池是镍金属氢化合物碱性蓄电池的简称 是一种碱性电池 其正极是 氢氧化镍发泡板 负极是从稀土提炼出来的储氢合金粉 电解质是氢氧化钾溶液 2 镍氢电池具有容量大 无 记忆效应 耐过充 过放电能力强 无污染 寿 命长等优点 受到广大用户的欢迎 锂离子电池是在二次锂电池技术的基础上发展而来的一种新型高容量蓄电池 锂离子电池正极材料为锂合金金属氧化物 负极材料为石墨 使用非水电解质 2 充放电时锂离子在正负电极之间漂移传递能量 锂离子电池具有比容量高 无 记忆效应 比能量大 储存寿命长 无污染 安全性好等优点 但也存在工 作电压变化大 内部阻抗高 不能与其他二次电池互换使用等缺点 表 1 1 为镍镉 镍氢 锂离子电池特性的比较 3 表 1 1 镍镉 镍氢 锂离子电池特性的比较 电池类型 工作电压 v 质量比能量 wh kg 体积比能量 wh l 循环次数记忆效应 自放电率 月 镍镉1 250150400 500有25 镍氢1 260 80240 300 500无20 锂离子3 6120 140300 1000无10 1 3 2 锂离子电池的充电特性 1 激活状态区 锂离子电池再充电时 首先需要一小段激活时间 此期间所需电流很小仅为 正常充电值的 1 左右 而且维持时间很短 4 2 预充电状态区 锂离子电池进入预充状态 此期间电流比较小 4 2 快充电阶段 当经过一段时间的预充电 锂离子电池就进入了快充区 此阶段充电电流比 较大 电压要逐步上升并达到锂离子电池的标准电压左右 4 4 限压衡压充电区 充电电压稳定在标准电压 电流逐步减小到一个很小的电流并维持 且电池 温度有小幅增加 4 5 维持充电区 在维持充电区期间 电压维持在较高的值 电流几乎为零 直到电池被取走 从以上分析可看出 对于锂离子电池其控制参量可为最大电压 最大温 max v 度 最大时间 电池充电各阶段的转换控制主要用电池开路电压的精确 max max t 测量 v 作为控制参量 4 1 4 充电方法的分析 1 4 1 快充慢充 一节电池的电容量称为 1c 是一个逻辑概念 同样的 1c 不一定相等 在充 电时 充电电流小于 0 1c 时 称为涓流充电 一般而言 涓流充电可以把电池充 的较满 同时不影响电池寿命 涓流充电的充电电流比较小 导致所花费的时间 比较长 因此很少单独使用 往往和其它充电方式结合使用 充电电流在 0 1c 0 2c 之间时 称为慢速充电 充电电流大于 0 2c 小于 0 8c 则是快速充电 而 当充电电流大于 0 8c 时 称之为超高速充电 由此可见 1c 只是个逻辑概念 而不是绝对值 相对来说根据 1c 折算的快充 慢充也是一个相对值 如 200ma 充电电流对于 1200mah 的电池来说是慢充 而 对于 700mah 的电池来说就是快充 1 4 2 常用的充电方式 1 恒压限流充电 恒压限流充电方式的充电曲线如图 1 1 所示 在充电过程中 维持恒定的充 电电压 电流逐渐减小 在充电电流减小到一特定值时 视为电池己充满 则停 止充电 5 充电电压 充电电流 t 图 1 1 恒压充电曲线图 2 恒流限压充电 恒流限压充电方式的充电曲线如图 1 2 所示 在充电过程中 维持恒定的充 电电流 电池电压逐渐升高 在电池电压升高到一特定值时 视为电池己充满 则停止充电 5 充电电流 充电电压 t 图 1 2 恒流充电曲线图 3 恒流 恒压充电 恒流 恒压充电方式的充电曲线如图 1 3 所示 是恒流限压和恒压限流充电方 法的综合 在充电过程中 先选择恒流限压的充电方式 在电池电压达到某一数 值以后 再选择恒压限流的充电方式 5 恒压充电电压 恒流充电电流 t 图 1 3 恒流 恒压充电曲线图 4 脉冲电流充电 脉冲电流充电方式的充电波形如图 1 4 所示 在充电过程中 采用周期性脉 冲电流对电池进行充电 一个脉冲周期分脉冲充电时间和间歇时间两部分 在脉 冲充电时间内 采用较大的电流为电池充电 间歇时间则停止充电 以减小电池 在充电过程中的极化现象 5 脉冲电流ip t 图 1 4 脉冲电流充电曲线图 5 正负脉冲充电 正负脉冲充电如图 1 5 所示 在一个充电工作周期内 电池先后经历正脉冲 充电 负脉冲放电和间歇三个阶段 首先 对电池采用较大电流进行正脉冲充电 接着 进行更大电流的短时间脉冲放电 经过一定间歇时间再进入正脉冲充电阶 段 对电池的脉冲放电可以起到吸收热能 去极化等作用 5 这样做可以加快充 电速度 脉冲电流ip t 图 1 5 正负脉冲充电曲线图 1 5 投币的分析 1 一元硬币的相关信息如表 1 2 所示 表 1 2 一元硬币的基本资料 版本正面反面材质直径边缘发行时间 旧版 国徽 国名 拼音 年号 牡丹花 面额 钢芯镀 镍 25mm无丝齿1992 06 01 新版 行名 面额 拼音 年号 菊花 钢芯镀 镍 25mm rmb 字 符标记 2000 10 16 2 利用涡流传感器测量原理来检测硬币 电涡流传感器工作原理如图 1 6 所示 6 传感器激励电流 传感器激励线圈 被测金属导体 图 1 6 电涡流传感器工作原理图 当金属导体被置于振荡器线圈的交变磁场 h1 中时 在金属导体中感应出电 涡流 并产生一个与原磁场方向相反的新磁场 h2 两者相互作用 改变了线圈 的电感 阻抗及品质因数等参数 线圈的这些参数变化与被测金属电阻率 磁 导率 励磁频率 f 以及线圈与被测金属体的距离 d 等有关 6 因此可以利用线圈这些参数的变化 把对被测导体所要测量的量变换成电量 的形式来测量 1 6 本文的主要任务及结构 本论文所完成的任务是对投币式多功能充电器控制电路的设计方法进行研究 本论文在总体结构上共分为 6 章 第 1 章引言 本章介绍了充电器 充电电池特性 充电方法以及投币的分析 第 2 章系统设计方案 本章简要介绍了总体设计方案和关键元器件的选择 第 3 章硬件电路的设计与实现 本章主要介绍了各部分电路的详细设计 第 4 章编程控制实现方法 简要地介绍了程序如何控制充电电路 第 5 调试 主要介绍电路的调试以及如何应对存在的问题 第 6 章结论 对本次设计进行总结 并对该课题的前景进行展望 第二章 系统设计方案 锂离子电池具有比容量高 比能量大 使用寿命长 无污染 安全性好等诸 多优点 因此 越来越多产品选用锂离子电池来供电 不过 锂离子电池同样存 在不足 主要在于对充电控制器要求比较高 需要保护电路 为有效利用电池的 容量 锂离子电池往往充电至最大电压 但是过压充电会损坏电池 这就要求较 高的控制精度 3 另外 对于电压过低的电池需进行预充 充电控制器应该带有 时间保护和热保护 提供一些附加保护 根据锂离子电池的特点 充电器应符合的要求有 一是可以提供较高的充电 电流以减少充电时间 也可限制最大充电电流和最大充电电压来确保充电器的安 全 二是避免充电电池充放次数及使用时间的减少 减少对过放的电池充电电流 限制输入电流 电池充满时应关闭充电器 自动再充电功能 充电状态的指示 外部充电器的开关控制等 4 2 1 总体方案 投币式多功能充电器控制电路可以通过控制模块 充电模块 投币模块 显 示模块等四个模块来实现相应的功能 控制模块主要功能是收集其他各模块的信息 进行分析处理 再发送命令给 对应模块 信息处理的功能由合适的单片机来实现 充电模块是整个设计方案的核心部分 充电模块的功能有 采集电池的一些 参数 传达给控制模块 从控制模块接收命令 采取合适的充电方法给充电电池 进行充电 可以对电池起到一定的保护作用 在充电发生问题时 及时发出相应 的警告消息 可以对充电状况做出相应提示 如正在充电 充电完成等 投币模块主要是使用者投进一定数量的一元硬币 来确定充电模块对充电电 池进行相应时间的充电 显示模块相对来说比较简单 利用数码管来显示投币的数量 充电时间等信 息 显示模块 控制 模块 投币 模块 充电 模块 计数 确认 停止 内容 切换 开始 完成 图 2 1 设计模块图 2 2 单片机的选择 2 2 1 stc12c5a60s2 的简介 stc12c5a60s2 是单片机中应用比较广泛的型号 也是传统的 51 单片机的 增强型 现在以其为代表介绍其参数 stc12c5a60s2 单片机是把那些作为控制 应用所必需的基本内容都集成在一个尺寸有限的集成电路芯片上 它们都是通过 片内单一总线连接而成 其基本结构依旧是 cpu 加上外围芯片的传统结构模式 但对各种功能部件的控制是采用特殊功能寄存器的集中控制方式 2 2 2 stc12c5a60s2 的内部结构 1 微处理器 该单片机中有一个 8 位的微处理器 与通用的微处理器基 本相同 同样包括了运算器和控制器两大部分 只是增加了面向控制的处理功能 不仅可处理数据 还可以进行位变量的处理 2 数据存储器 片内为 128 个字节 片外最多可外扩至 64k 字节 用来 存储程序在运行期间的工作变量 运算的中间结果 数据暂存和缓冲 标志位等 所以称为数据存储器 3 程序存储器 由于受集成度限制 片内只读存储器一般容量较小 如 果片内的只读存储器的容量不够 则需用扩展片外的只读存储器 片外最多可外 扩至 64k 字节 4 中断系统 具有 5 个中断源 2 级中断优先权 5 定时器 计数器 片内有 2 个 16 位的定时器 计数器 具有四种工作方 式 6 4 个并行 8 位 i o 口 分别为 p1 口 p2 口 p3 口 p4 口 7 串行口 1 个全双工的串行口 具有四种工作方式 可用来进行串行通 讯 扩展并行 i o 口 甚至与多个单片机相连构成多机系统 从而使单片机的功 能更强且应用更广 8 特殊功能寄存器 共有 21 个 用于对片内的各功能的部件进行管理 控制 监视 实际上是一些控制寄存器和状态寄存器 是一个具有特殊功能的 ram 区 考虑到 stc12a5c60s2 单片机高速 低功耗 超强抗干扰的新一代 8051 单片机 以及该系列单片机资料较多 而且对其的使用相对熟练 本设计采用此单片机来 实现 2 3 充电芯片的选择 2 3 1 cn3052a cn3052a 是专门为一节锂离子或锂聚合物电池而设计的线性充电器电路 利 用芯片内部的功率晶体管对电池进行恒流或恒压充电 充电电流可以用外部电阻 编程设定 最大持续充电电流可达 500ma 不需要另加阻流二极管和电流检测电 阻 temp iset gnd vin ce chrg fault bat cn3052a 1 2 3 4 8 7 6 5 图 2 2 cn3052a 管脚图 主要特点是 输出电压 4 2v 精度可达 1 为了激活深度放电的电池和减 小功耗 在电池电压较低时采用小电流的预充电模式 采用恒流 恒压 恒温模式 充电 既可以使充电电流最大化 又可以防止芯片过热 电源电压掉电时自动进 入低功耗的睡眠模式状态指示输出可驱动 led 或与单片机接口 自动再充电 电池温度监测功能 主要应用 移动电话 数码相机 mp3 播放器 电子词典 便携式设备 各 种充电器 表 2 1 cn3052a 管脚功能 管脚功能管脚功能 temp电池温度检测输入端ce充电电流输出 iset 恒流充电电流设置和 充电电流监测端 chrg 漏极开路输出的 充电状态指示端 gnd电源地fault 漏极开路输出的 电池故障状态指示端 vin输入电压正输入端bat电池连接端 2 3 2 bq24080 bq24080 是一个高度集成和灵活的锂离子线性充电芯片 应用于空间有限的 充电器设计 它提供了一个集成的功率场效应管和电流传感器 高精度的电流和 电压调节 充电状态 和充电终止 一个外部电阻可以设置充电电流的大小 bq24080 充电电池有三个阶段 调节 恒定电流 恒定电压 内部充电定时 器为保险起见提供备用充电 如果电池电压低于内部阈值 bq24080 自动重新充 电 当输入电源被拿掉时 bq24080 自动进入睡眠模式 iset gnd vss ce out pg in gnd stat1 stat2 bq24080 1 2 3 4 5 10 9 8 7 6 图 2 3 bq24080 管脚图 主要特点是 小型 3 毫米 x3 毫米 mlp 封装 安全预充电调节定时器 充电 和电源良好 自动睡眠模式低功耗 固定 7 小时的快速充电安全定时器 适合用 于单节锂离子或锂聚合物电池充电的便携式设备 表 2 2 bq24080 管脚功能 管脚功能管脚功能 in电源输入out充电电流输出 gnd地ce 使能输入端 低电平时 进入低功耗模式 stat1电荷输出 1pg可用来驱动 led stat2电荷输出 2gnd地 vss地iset充电电流 预充电和终止设定点 主要应用 掌上电脑 mp3 播放器 数码相机 互联网设备 智能手机 cn3052a 和 bq24080 的比较如表 2 3 所示 表 2 3 cn3052a 和 bq24080 的比较 充电芯片cn3052abq24080 封装形式sop8son drc 10 工作环境温度 40 85 40 125 最大66 5输入电源电 压 v最小4 354 5 输出电压 v4 24 2 最大6001000 输出电流 ma 最小40050 自动再充电有有 电池温度监测有无 睡眠模式低功耗低功耗 可充锂电池节数单节单节 以上两款充电管理芯片功能相似 也都不需要太多的外围电路 不仅可以符 合充电器的要求 也便于充电器的微型化和便携性 根据具体参数的比照 德州 仪器公司生产的 bq24080 要优于如韵电子公司生产的 cn3052a 本设计的前期 选用的正是 bq24080 充电芯片 也设计好相应电路图 并着手制作用于模块测试 的电路板 bq24080 充电芯片是贴片式的 无引脚 且芯片底面管脚距离很近 经过多次尝试 受限于焊接技术水平的限制 始终无法完成电路板的制作 而 cn3052a 充电芯片虽然也是贴片式的 但是有引脚且管脚距离较大 方便焊接 所以在设计方案最终选用 cn3052a 作为充电模块的管理芯片 2 4 直流稳压电源 随着半导体工艺的发展 稳压电路也制成了集成器件 由于集成稳压器具有 体积小 外接线简单 工作可靠和通用性好等优点 因此各种电子设备中应用十 分普遍 基本上取代了由分立元器件构成的稳压电路 集成电路稳压器的种类很 多 应根据设备对直流电源的要求来进行选择 对于大多数电子仪器 设备和电 子电路来说 通常是选用串联线性集成稳压器 7 其中 三端式稳压器使用最为 广泛 78xx 79xx 系列三端式集成稳压器的输出电压是固定的 在使用中不能进 行调整 78xx 系列三端式稳压器输出正极性电压 可在 5v 24v 范围内选择 输出电流可达 1 5a 加散热片 同类型 78m 系列稳压器的输出电流为 0 5a 78l 系列稳压器的输出电流为 0 1a 若要求负极性输出电压 则可选择 79xx 系列的集成稳压器 78xx 系列有限流 过热保护功能 78xx 系列不允许 gnd 端悬空 否则器件极易损坏 78xx 系列有三个引出端 输入端 输出端 公共端 7 使用时输入电压 v 一般要比输出电压 v 大 3 5v 才能保证集成稳压 器工作在线性区 78xx 系列的外形和接线如图 2 5 所示 ingndout 123 78xx 78xx 1 2 3 输 入 输 出 图 2 4 78xx 系列外形和接线图 因为本设计选择的 stc12c5a60s2 单片机工作电压为 5v 所以选择 7805 三 端式集成稳压器 2 5 数码管显示效果 充电相应的信息显示在数码管上 如投币数 时间和充电状态情况等 例如 充电中 charging 简称 ch 完成 complete 简称 cp 错误 error 简称 er 数码管显示设计效果有五种 如下 a 投币数量显示效果 l1路 投币 li 03 图 2 5 投币显示效果图 b 计时时间显示效果 l2路 计时 l2 18 图 2 6 时间显示效果图 c 正在充电提示显示效果 l1路 充电 l1ch 图 2 7 充电显示效果图 d 充电完成提示显示效果 l2路 完成 l2 cp 图 2 8 完成显示效果图 e 充电错误提示显示效果 l1路 错误 li er 图 2 9 错误显示效果图 第三章 硬件电路的设计与实现 投币式多功能充电器控制电路主要有单片机电路 直流稳压电源电路 充电 控制电路 投币模拟电路 显示电路等部分组成 3 1 硬件系统框图 第一路 投币 第二路 投币 stc12c5a60s2 数码管 显示 第一路充电 cn3052a 第二路充电 cn3052a 充电 接口 充电 接口 图 3 1 硬件系统框图 图 3 1 中 第一路 第二路投币电路分别向单片机发送信号 单片机再分别 控制数码管和第一 第二路充电电路 充电接口可接各种类型的锂离子电池 3 2 单片机最小系统 单片机最小系统组成部分有单片机 晶振电路和复位电路 单片机选用宏晶科技生产的单时钟 机器周期 1t 的单片机 型号为 stc12c5a60s2 stc12c5a60s2 单片机是新一代高速 低功耗 抗干扰超强的 8051 单片机 完全兼容传统 8051 单片机的代码 且速度快 8 至 12 倍 工作频率 为 12 mhz 工作电压为 5v 图 3 2 单片机最小系统图 晶振电路由 12mhz 的晶振以及电容 c6 电容 c7 组成 晶振给单片机提供 工作信号脉冲 而整个脉冲就是单片机的工作速度 这里采用 12mhz 晶振 则 单片机工作速度为每秒 12m 两个电容为起振电容 其值为 30pf 有利于减少 起振时间 在设计过程中 晶振应尽量与单片机靠近 两个电容也是离晶振越近 越好 图 3 3 单片机最小系统复位电路 复位电路是必不可少的一部分 作用是保证单片机最小系统电路工作稳定可 靠 单片机在启动时需要复位 恢复到初始状态 并从初始状态开始工作 复位 电路由按键 r2 电容 c5 和电阻 r2 组成 单片机的复位输入端 rst 与复位电路相连 当 5v 端上电时 电容 c5 开始 充电 在电阻 r2 上产生电压 rst 端处于高电平 单片机复位 几毫秒之后 电容 c5 充电完毕 电阻 r2 中流过的电流降为 0 电压同样为 0 则 rst 维持在 低电平 让单片机进入工作状态 在单片机工作的时候 按下按键 s2 使电容 c5 放电 松开按键 s2 后 电容 c5 有开始充电 电阻 r2 出现电压 使单片机复位 之后 电容 c5 充满 单片机再次进入工作状态 综上所述 可以通过控制按键 s2 来决定单片机的复位与否 3 3 直流稳压电源电路 直流稳压电源电路采用 7805三端集成稳压器 其主要特点有 a 输出电流可 达 1a b 输出电压有 5v c 过热保护 d 短路保护 e 输出晶体管 soa 保护 图 3 4 直流稳压电源电路图 直流稳压电源电路从图 3 4 左侧 j1 端输入 12v 电压 经过电容 c1 c2 进行 滤波 进入 7805 的 vin 端 从 vout 端输出 再由 c3 c4 进行滤波 为电路提 供稳定的 5v 电压的电源 如果 led 灯 d1 亮说明电源供给正常 电路如图 3 5 所示 图 3 5 直流稳压电源提示电路图 3 4 充电电路 vcc 1 1 2 j3 con2 r2 300 r3 300 d2 led d1 led vcc 1 r1 10k c1 4 7u bt1 battery c2 4 7u 1 2 3 4 j1 con4 1 2 3 4 j4 con4 vcc 1 temp 1 iset 2 gnd 3 vin 4 ce 8 fault 6 chrg 7 bat 5 j2cn3052 vcc 2 1 2 j8 con2 r5 300 r6 300 d4 led d3 led vcc 2 r4 5k c3 4 7u bt2 battery c4 4 7u 1 2 3 4 j5 con4 1 2 3 4 j6 con4 vcc 2 temp 1 iset 2 gnd 3 vin 4 ce 8 fault 6 chrg 7 bat 5 j7cn3052 1 2 j11 con2 1 2 j12 con2 ad1 ad1 ad2 ad2 图 3 6 两路充电电流分别可调的电路图 充电电路采用 cn3052a 充电管理芯片 电路如图 3 6 所示 cn3052a 是专 门为一节锂离子或锂聚合物电池而设计的线性充电器电路 利用芯片内部的功率 晶体管对电池进行恒流和恒压充电 充电电流可以用外部电阻编程设定 最大持 续充电电流可达 500ma 不需要另加阻流二极管和电流检测电阻 8 cn3052a 包含两个漏极开路输出的状态指示输出端 充电状态指示端 chrg和电池故障状态指示输出端fault 芯片内部的功率管理电路在芯片的 结温超过 115 时自动降低充电电流 这个功能可以使用户最大限度的利用芯片 的功率处理能力 不用担心芯片过热而损坏芯片或者外部元器件 8 在最坏的情 况下 cn3052a 会自动减小充电电流 当输入电压大于电源低电压检测阀值和芯片使能输入端接高电平时 cn3052a 开始对电池充电 chrg管脚输出低电平 表示充电正在进行 如果电 池电压低于 3v 充电器用小电流对电池进行预充电 当电池电压超过 3v 时 充 电器采用恒流模式对电池充电 充电电流由 iset 管脚和 gnd 之间的电阻 riset 确定 当电池电压接近电池端调制电压时 充电电流逐渐减小 cn3052a 进入恒 压充电模式 当充电电流减小到充电结束阀值时 充电周期结束 chrg端输出 高阻态 表示充电周期结束 充电结束阀值是恒流充电电流的 10 如果要开始 新的充电周期 需将输入电压断电 然后再上电 当电池电压降到再充电阀值以 下时 自动开始新的充电周期 芯片内部的高精度的电压基准源 误差放大器和 电阻分压网络确保电池端调制电压的精度在 1 以内 满足了锂离子电池和锂聚 合物电池的要求 当输入电压掉电或者输入电压低于电池电压时 充电器进入低 功耗的睡眠模式 电池端消耗的电流小于 3ua 从而增加了待机时间 如果将使 能输入端 ce 接低电平 充电器被关断 8 上述充电过程如图 3 7 所示 涓涓流流充充电电恒恒流流充充电电 充充电电 电电流流 3 3v v 充充电电 电电压压 充充电电结结束束 4 4 2 2v v 恒恒压压充充电电 图 3 7 充电过程示意图 1 电源低电压锁存 uvlo cn3052a 内部有电源电压检测电路 当电源电压低于电源电压过低阀值时 芯片处于关断状态 充电也被禁止 2 睡眠模式 cn3052a 内部有睡眠状态比较器 当输入电压 vin 小于电池端电压 40mv 时 充电器处于睡眠模式 只有当输入电压 vin 上升到电池端电压 90mv 以上时 充电器才离开睡眠模式 进入正常工作状态 3 预充电状态 在充电周期的开始 如果电池电压低于 3v 充电器处于预充电状态 充电 器以恒流充电模式充电电流的 10 对电池进行充电 4 芯片使能输入端 cn3052a 有一个芯片使能输入端 ce 如果此管脚的电压低于 0 75v 则芯 片被关断 芯片内部电路和功率晶体管都被关断 若要芯片正常工作 则需要在 ce 管脚施加大于 2v 的电压 在 ce 管脚施加电压在 0 75v 和 2 0v 之间 将导 致工作电流变大 并可能使 cn3052a 处于不确定状态 5 设定充电电流 在恒流模式 计算充电电流的公式为 isetch rvi 1800 3 1 其中 ich表示充电电流 单位为安培 riset表示 iset 管脚到地的电阻 单位为欧姆 通过测量 iset 管脚的电压可以检测充电电流 充电电流可以用下面的公式 计算 900 isetisetch rvi 3 2 6 再充电 当一个充电周期结束时 如果电池电压低于再充电阀值 4 1v 时 cn3052a 自动开始一个新的充电周期 vamp termination comparator recharge comparator control temp comparator uvlo schmitt tdic iref vref fault bat vin iset temp chrg ce 115 gnd tamp iamp 图 3 8 内部功能框图 7 恒流 恒压 恒温充电 cn3052a 采用恒流 恒压 恒温模式对电池充电 如图 3 8 所示 在恒流模式 充电电流为 1800v riset 如果 cn3052a 的功耗过大 器件的结温接近 115 放大器 tamp 开始工作 使器件的结温保持在大约 115 8 电源输入端 vin旁路电容 cin 电源输入端需要一个旁路电容 一般情况下 4 7uf 的电容可以满足要求 对电容的类型没有限制 9 稳定性 为了保证充电器正常工作 需要从电池端 bat 到 gnd 之间连接一个电容 通常情况下 电容值为 4 7uf 一般情况下 iset 管脚没有外加电容时 此管脚 可以外接的电阻阻值最高可达 50k 10 极限参数 cn3052a 的极限参数如表 3 1 所示 表 3 1 cn3052a 极限参数 管脚电压 0 3v 6 5v最高结温 150 bat 管脚短路持续时 间 连续工作温度 40 85 静电放电 hbm 2kv存储温度 65 150 热阻tbd 焊接温度 10 秒 300 11 pcb 设计的注意事项 a 第 2 管脚 iset 的充电电流编程电阻要尽可能靠近 cn3052a 并且要使第 2 管脚 iset 的寄生电容尽量小 b 第 4 管脚 vin 的旁路电容 第 5 管脚 bat 的输出电容要尽可能靠近 cn3052a c 在充电时 cn3052a 的温度可能比较高 因而电池的 ntc 电阻要尽量远 离 cn3052a 否则 ntc 电阻值的变化不能正常反应电池的温度 d 一个散热性能良好的 pcb 对输出最大充电电流很关键 集成电路产生的 热通过封装的金属引线框管脚散到外面 pcb 上的铜层起着散热片的作用 所以 每个管脚 尤其是 gnd 管脚 的铜层的面积应尽可能大 为了能够输出最大的充电电流 要求将 cn3052a 背面裸露的金属板焊接到 印刷线路板的地端的铜线上 以达到最大的散热性能 否则 芯片的热阻将增大 导致充电电流减小 3 5 投币电路 投币电路通过两组按键来实现投币模拟 每一组有两个按键 一个为投币键 按一下代表投入一个 1 元硬盘 另一个为确认键 按下后代表停止投币 并开始 给充电电池充电 图 3 10 投币电路图 3 6 数码管显示电路 投币信息 充电信息均通过四位数码管直观地提供给使用者 l1 l4 端口 从单片机处获得位选信号 选择一位数码管 接着 a g 端口获得段选信号 显 示相应内容 图 3 11 数码管显示电路 3 7 充电接口 为了能适应不同型号 大小的充电电池 充电接口采用带有两条金属触片的 塑料夹子 首先根据充电电池正负极的间距 调整金属触片到合适的位置 接着 放入充电电池 使电池电极与触片接触良好 最后 把固定住充电电池的塑料夹 子平稳地放置好 这样就可以顺利地开始充电了 第四章 编程控制实现方法 keil c51 是目前开发 8051 内核单片机的主流工具 而 stc12c5a60s2 正是 以 8051 为内核的单片机 为此 投币式多功能充电器控制电路的设计的软件部 分使用 keil c51 来完成编写工作 4 1 i o 口分配 p2 4 p2 7 送出位选信号 选中特定数码管 通过位选信号选中某个数码管 后 p0 0 p0 7 送出对应段选信号 从而以动态扫描方式实现静态显示效果 p2 0 p2 3 为按键控制端 p2 0 和 p2 2 为投币按键端 p2 1 和 p2 3 为确认按键 端 p3 6 控制第一路 cn3052a 充电芯片使能端 ce p3 7 控制第二路 cn3052a 充电芯片使能端 ce ce 端为高电平时 充电芯片开始工作 低电平时则停止 4 2 程序功能及实现方法 单片机控制的投币式多功能充电器的程序流程如图 4 1 所示 开始 投币 计数显示 确认 计时 充电 n y 时间为0 充电结束 n y 图 4 1 程序流程图 单片机持续接收投币信号 同步更改数码管显示信息 在接收到确认信号后 不在接收投币信号 发送信号给 cn3052a 充电芯片的 ce 端 充电模块开始充电 当剩余时间为 0 时 自动终止充电 在程序流程上 两路充电电路的控制过程是 一样的 程序中的主要变量及说明如表 4 1 所示 表 4 1 主要变量及说明 变量说明变量说明 ce 1p3 6 口 一路使能端display 1第一路显示 ce 2p3 5 口 二路使能端display 2第二路显示 key1p2 0 口 一路投币按键flagcoin 1第一路投币标记 key2p2 1 口 一路确认按键flagcoin 2第二路投币标记 key3p2 3 口 二路投币按键flagyes 1第一路确认标记 key4p2 2 口 二路确认按键flagyes 2第二路确认标记 程序中的主要子函数及说明如表 4 2 所示 表 4 2 主要子函数及说明 子函数说明 void delay ms uchar x 延时函数 void time init void 定时器初始化函数 void display int date 数码管显示函数 下面以第一路充电的程序为例简要说明程序的实现方法 部分程序如下 1 投币按键部分 if key1 0 延时去抖 if key1 0 coin num 1 投币数增加 if coin num 1 coin maxnum 1 coin num 1 1 限制投币数 while key1 0 等待按键松开 flagcoin 1 1 投币标记 display 1 coin num 1 记录投币数 2 投币确认部分 if key2 0 3 控制充电芯片使能端 if flagyes 1 1 tr1 1 启动 t1 定时器 ce 1 1 开始充电 if time second test 1 100 定时 1s time second 1 time second test 1 0 if time second 1 60 time second 1 0 time minute 1 if time minute 1 time 1 coin num 1 充电结束 time minute 1 0 ce 1 0 使 cn3052 充电使能端置低 tr1 0 关闭定时器 flagyes 1 0 确认标记 取消 coin num 1 0 投币标记 取消 display 1 0 显示清空 4 3 程序仿真 proteus 软件是英国 labcenter electronics 公司出版的 eda 工具软件 除了具 有一般的仿真功能 也能仿真单片机及外围器件 且支持 keil 种编译器 proteus 是目前最好的仿真单片机及外围器件的工具 9 由于 stc12c5a60s2 单片机指令代码完全兼容传统 8051 故仿真是选用 at89c52 单片机代替 一个四位数码管用于显示 左边两位为第一路显示 右边 两位为第二路显示 四个按键作为投币模拟电路 两个 led 灯用于观察单片机 对 cn3052a 使能端控制 亮表示成功 在图 4 2 中 第一路已经投币并按下确认键 第二路正在投币且没有按下确 认键 第一路说明 10 表示充电时间还有十分钟 led 灯 d1 亮表示 cn3052a 使能端控制成功 第二路说明 05 表示已经投入 5 枚硬币 led 灯 d2 不亮表示还没有开始充电 图 4 2 protues 仿真图 数码管显示其他效果如图 4 3 所示 a b 图 4 3 数码管显示图 图 4 3 a 中 cl cr 分别表示左边 left 使能端 ce 的显示 右边 right 使能端 ce 的显示 图 4 3 b 中 57 43 均是在充电时间只剩一分钟时显示 内容由分钟变为秒 第五章 调试 5 1 开发环境介绍 本设计的硬件电路设计是用 protel 99se 软件绘制原理图 protel 是一款由 altium 公司在上世纪 80 年代末推出的 eda 软件 是电子设计者的首选软件 protel 在国内公司以及学校教学普遍使用 protel 可以实现原理图设计 pcb 设计 自动布线 原理图混合信号仿真 pld 设计等功能 软件部分的设计是用美国 keil software 公司的 keil 软件编写 keil 提供了包 括 c 编译器 宏汇编