电池供电微电阻测量仪设计与实现毕业论文.doc

电池供电微电阻测量仪设计与实现毕业论文 目 录1. 绪论11.1微电阻测量的意义11.2微电阻测量仪原理简述21.2.1伏安法测微电阻21.2.2比较法测徽电阻41.3微电阻测量的发展现状51.3.1微电阻计51.3.2直流微电阻测试仪51.3.3数字式微电阻测试仪62. 整机原理结构框图83. 微电阻测量93.1测量原理93.2四引线测量93.3系统工作原理94. 主要单元电路设计114.1恒流源114.2仪用放大器量程自动转换电路114.3 A/D转换电路114.3.1结构与性能特点124.3.2 AD7714片内寄存器及其功能134.3.3 AD7714与C8051的连接144.3.4软件设计154.3.5注意事项195. 抗干扰设计205.1硬件滤波205.2软件滤波205.3其它抗干扰措施206. 低功耗设计226.1 C8051各部分组件的功耗226.1.1振荡器功耗分析226.1.2数字设备的功耗分析236.1.3数字外围设备与I0接口的功耗分析246.1.4模拟外围设备的功耗256.2 降低功耗的几点考虑256.2.1降低工作电压、减小工作电流256.2.2设计一个低功耗的休眠模式266.2.3设计一个高效运作模式277. 锂电池充电供电保护电路设计297.1锂离子电池充电供电的保护条件297.2锂离子电池充供电保护电路原理297.2.1正常状态2972.2过充电保护297.2.3过供电保护307.2.4过电流保护317.2.5短路保护317.3软件设计318. 结论33致谢34参考文献及引用资料目录35附录1 英文资料及翻译36第I页1. 绪论工业生产和科学研究中，经常遇到微小电阻的测量问题，如在电力系统生产和安全维护中经常需要对各类变压器绕组直流电阻进行测量，以判断变压器性能及状况。在这些场合，由于被测电阻阻值通常很小，万用表无法测量，而实验室通常所用的电桥测量又具有操作过程繁琐且不能够直接读出被测电阻值的缺点。所以，传统的测量方法难以快速实现微小电阻的测量，鉴于此，我们研制了用于高精度的微小电阻测量仪，方便在现场进行快捷、准确的测量。鉴于此，以高性能单片机C8051F020为主控制芯片，选用高精度24位的A/D转换芯片AD7714设计并开发了微小电阻测量仪。随着便携式电子设备的发展,其对电池性能、体积、质量的要求也日益提高。锂离子电池以高能量密度、高电池电压、高循环次数、体积小、质量轻等特性脱颖而出，取代传统的镍铬和镍氢电池,迅速成为市场主流。随着锂离子电池的广泛应用，其使用方法和技术得到人们越来越多的重视。锂离子电池对充电供电控制和保护电路的要求较高。在使用过程中应严格避免出现过充、过放、过流等现象。与镍氢、镍镉电池不一样，锂离子电池必须考虑充电、供电时的安全性。在过度充电状态下，电池温度上升后能量将过剩，由于电解液分解而产生气体，致使内压上升而产生自然或破裂的情况。而在过度供电状态下，电解液分解导致电池特性和耐久性劣化。降低电池可充电次数。根据锂离子电池特性，采用8051单片机对锂离子电池进行充供电保护,并对其充供电原理、保护方法、参数设置和应用中出现的问题进行了分析。1.1微电阻测量的意义在工程实践中,常需要测定某些高导电材料的电阻率。在科学研究中,也经常把电阻率测量当成一种对材料的结构和物质形态变化进行监测的手段。但是有些高导电材料的电阻很小,采用实验室一般仪器,在很多情况下无法测量,而市场上微电阻测量仪价格又非常昂贵。在工程实践中，常需要测定某些高导电材料的电阻率。在科学研究中，也经常把电阻率测量当成一种对材料的结构和物态变化进行监测的手段。但金属试样受几何形状的限制电阻很小，只有几微欧或更小。在实验室中，测量低电阻时通常使用双臂电桥，由于它本身受灵敏度的限制和存在引线电阻的影响，采用双臂电桥最低只能测到1微欧的电阻，而且测量结果只有1位有效数字，不同仪器对待测样品的几何形状也有要求，在很多情况下甚至无法测量，从而精确测量微电阻比较困难。1.2微电阻测量仪原理简述在工程实践中，我们常需要测定某些高导电材料的电阻率。但由于实际情况的限制，有时试样做得很小，其电阻只有微欧数量级或更小。在一般实验室里，测量低电阻使用的双臂电桥最低只能测到10欧姆，测量结果只有一位有效数字甚至无法测量，从而使微电阻的测量成为难题。1.2.1伏安法测微电阻在测中值电阻时，由于伏安法受到接线方法和电表准确度的影响，测量误差较大，我们常使用准确度较高的电桥进行测量。但是，在测量微电阻时，电桥已无法使用，而伏安法却有它自己的独到之处。因为此时待测电阻值很小，做成四端电阻，电压表所引起的分流可以忽略，测量误差完全由电表准确度决定。所以，在测量微电阻时，使用伏安法，只要电表选择合适，仍可达到一定的测量精度。微电阻测量的特点是试样里通过的电流较大，而电压端钮间的电位差很小。检测此电位差，需使用合适的测量仪表。当电阻为10-6量级时，如电流达1OA量级，则电位差可达数+V，用分辨率为0.1V的电位差计测量，结果有三位有效数字。更小的电阻可用灵敏电流计测量电压。用电位差计测电压存在的主要问题有：（1）由于电位差计准确度的限制，很可能达到微伏量级时读数已完全不确。（2）电位差计及测量回路热电势的影响，使测量产生误差。（3）电位差计工作电流发生漂移。（4）通过试样电流的稳定性及其测量。对应的可采用如下方法处理；（1） 可用放大法消除龟位差计的系统误差。由于电位差计灵敏度很高，测量的偶然误差很小（零点几微伏），误差主要是系统误差，可用放大法消除之。如图1.1b线路，电位差计先接在月R2上，调节电路中电流使电位差计读数为测 a.伏安法测电阻电路 b.放大测量电路图1.1 测量微电阻原理图量值UX，则被测电压真值为 UX=U2=U1R2/R1 （1-1）由于U1比U2大得多，可以用电位差计准确测量，电阻R1和R2用标准电阻，比值可以准确知道，所以UX也可以准确测得。（2） 当待测电位差为零时，电位差计上仍有示值U0，这就是热电势，可用测量时的示值UX（=UX+U0）减去零电势U0作为测量结果，亦可将待测电位差反向接入，测出其示值UX（=UX-U0）则测量结果为 UX=（UX+UX）/2 （1-2）（3）工作电流漂移，将导致校准和测量时单位电阻上的电位差不同，而使测量结果产生误差。如电流漂移很慢，在测量时间内相对漂移量不大（低于电位差计精度），则可不去苛求，因为它仅影响测量值的相对精度。否则，应增大电位差计工作电源的容量。（4）试样中需通入稳定的大电流，可使用大容量蓄电池或直流稳压电源。为保证电流的稳定性，必要时亦可混合使用。电流可接入电流表直接测量。用灵敏电流计测电压用灵敏电流计测微小电压除受热电势和试样电流稳定性的影响可用前述方法处理外，还需对灵敏电流计进行电压标定。这可以用图1.2的电路来解决。R01和R02是两个标准电阻，R01R02。标定时，调整Rn，使灵敏电流计指示到某一位图1.2 电流计电压标定电路置A，对应的电位差计读数为U1，则位置A对应的电压值是 U2=（R02/R01）U1 （1-3）由于微电阻上的电压降很小，用仪表测量其上的电压误差较大（灵敏电流计的不准确度可达5%），并需对电压测量仪表进行标定，为了减小此种误差，亦可采用比较法测量。1.2.2比较法测徽电阻比较法测微电阻可采用图1.3所示电路。标准电阻R0上的电流由电流表A1图1.3比较法测电阻原理图得到，未知电阻RX上的电流由A2得到。两电阻的电压端钮间分别短接和接一灵敏检流计。调节I1或I2，使检流计指零，则未知电阻值为 RX=（I1/I2)R0 （1-4）产生误差的主要原因在于检流计的电压灵敏度和电流I1与I2的测量误差（热电势误差可以通过选用合适的测量方法予以消除）。如采用0.5级的电流表，则测量结果可有三位有效数字。如两支路的电流比也采用比较法测量，则测量精度可以大大提高。1.3微电阻测量的发展现状在电力系统和电器制造业中，常要对微电阻进行测试，如电机、变压器的线圈电阻、电闸或油开关的接线端子的接触电阻、电缆插座的接触电阻等。现在测量这些微电阻一般使用一下三种设备：1.3.1微电阻计微电阻计，主要用于测量电阻的阻值。微电阻计具有元件测试分类所必需的比较器功能。微电阻计可手动测试或系统应用测试，可16次/秒快速采样、温度补偿和自动选择量程，并可根据不同用途选择版本。电力设备的接地引下线与地网的可靠连接是电力设备安全运行及操作人员人身安全的根本保证。本产品是电力、电信、石化、铁路、冶金等行业的必备检测设备。微电阻计功能特点：（1）干电池供电。（2）采用异频小电流法测试，无交流干扰。（3）采用DDS、数字选频、梳装滤波等新技术确保了测试精度。（4）可以测试纯电阻（相当于微欧表）。（5）大容量数据存储。（6）采用大屏幕液晶，显示界面美观，易懂。（7）自恢复过流/过热保护功能，使仪器使用更安全。（8）采用便携式设计，体积小，重量轻，携带方便。1.3.2直流微电阻测试仪直流电阻快速测试仪（微欧计）是取代直流单、双臂电桥的高精度换代产品。直流电阻快速测试仪采用了先进的开关电源技术，由点阵式液晶显示测量结果。克服了其它同类产品由LED显示值在阳光下不便读数的缺点，同时具备了自动消弧功能。仪器主要特点（1）采用高速16位A/D转换器，测量数据稳定，重复性好。 （2）自动程控电流源技术，电流源共设1000个电流档位，由内部微控制器根据被测电阻自动控制，从而达到比较宽的测量范围和最佳的测量状态，无须手动切换电流换档。（3）响应速度快，在测量状态可以直接转换分接开关，仪器会自动提示，新的电阻值很快就会显示出来。（4）高度智能化设计，功能设置巧妙先进，可自动判断测试线虚接、断线等故障。（5）保护功能完善，能可靠保护反电势对仪器的冲击，具有自动放电指示功能。（6）可显示测量电流和测量时间。（7）智能化功率管理技术，可有效减轻仪器内部发热。（8）可储存120次测量数据，掉电不丢失。（9）全部汉字菜单及操作提示，直观方便。 （10）数字电阻测量仪测量精度高、性能稳定、显示清晰、测量范围宽、抗干扰能力强。1.3.3数字式微电阻测试仪数字式电阻测试仪摒弃传统的人工手摇发电工作方式，采用先进的中大规模集成电路，应用DC/AC变换技术将三端钮、四端钮测量方式合并为一种机型的新型接地电阻测量仪。数字式接地电阻表的优点：（1）结构上采用高强度铝合金作为机壳，电路上为防止工频、射频干扰采用锁相环同步跟踪检波方式并配以开关电容滤波器使仪表有较好的抗干扰能力。（2）采用DC/AC变换技术将直流变为交流的低频恒定电流以便于测量。（3）允许辅助接地电阻在02K（RC），040K（RP）之间变化，不致于影响测量结果。（4）本仪表不需人工调节平衡，3(1/2)位LCD显示，除测地电阻外，还可测低电阻导体电阻、土壤电阻率以及交流地电压。如若测试回路不通表头显示“1”代表溢出，符合常规测量习惯。2. 整机原理结构框图电池供电微电阻测试仪的原理框图如2.1所示。主要由电池充电电路，电池放电电路，电池保护电路，恒流源，保护电路，可编程仪用放大器，滤波电路，A/D转换器，译码电路，量程自动转换电路及输入变换电路组成。图2.1 整机原理结构框图3. 微电阻测量3.1测量原理测量仪采用补偿法原理进行测量。所谓补偿法就是比较标准电阻与被测电阻的电位差的测量方法，如图3.1所示。图3.1 补偿法原理图 上图中在电流I恒定的条件下，分别测量标准电阻Rn和被测电阻RX上的电位差Vn和Vx，则 Vn=IRn （3-1） Vx=IRx （3-2）由（3-1）、（3-2）式可得 Rx=RvVx/Vn （3-3）3.2四引线测量同时本测试仪采用了四端测试技术（即一对电流端，一对电位端）。如图3.2的四端钮电阻中。a,b之间为被测电阻的实际值，a,b为电阻的结点，C1,C2为电流端，P1,P2为电位端，采用了这种四端钮接法可有效地消除接触电阻与连线电阻的影响。使得在补偿法中测得的电压就是被测电阻结点间的电位差。3.3系统工作原理根据以上所述测试原理，设计了基于高性能单片机C8051F020的测量系统，该系统主要由恒流源电路、信号调理和模数转换电路、液晶显示电路、C8051F020图3.2 四端钮接法的电路图单片机、直流电源电路等几部分组成。采用24位A/D转换器AD7714实现高精A/D 转换，同时其内置的PGA可实现被测电压信号的数控放大。系统工作原理如下: 设计一个数控电流源，通过C8051F020根据测量范围控制继电器来自动实现电流源的切换；让该电流流经标准电阻和被测电阻，分别采集标准电阻和被测电阻上的电压；将检测到的电压信号由AD7714内置的PGA完成一定增益的放大后进行A/D转换，然后在单片机中进行计算获得被测试品的电阻值，并将测量结果送LCD 显示和打印机打印。系统测量原理图如图3.3所示。图3.3 测量原理图4. 主要单元电路设计4.1恒流源恒流源电路如图4.1所示。图4.1 恒流源电路图在图4.1中：Un为基准电压源，由放大器ICL7650，T1T3组成复合管，Rf1负反馈电阻组成同相放大器，电路将负载端电压IRx作为反馈信号，通过Rf2反馈到放大器的同相端使输出电流I保持恒定，Rn为标准电阻，Cf、C起滤波作用。故输出电流I=Un/Rn（当RxRn时）。4.2仪用放大器量程自动转换电路在本仪器中采用高精度，低噪声的单片集成仪用放大器AD624。它的输入失调电压为25V，输入噪声电压（峰峰）为0.2V，足以满足分辨率1V读数稳定的要求，并且AD624内有预先调好的精密电阻网络，通过引脚互连及外接精密电阻可获得6种固定的增益：1、10、100、200、500、1000。其量程转换电路如图4.2所示。由图4.2可知，通过使用PA0PA3置1或清零可选择以上6种增益。4.3 A/D转换电路AD7714是美国Analog Devices公司（AD）的24位串行模数转换器，是ADC家族AD771X系列的产品。该器件具有极好的静态工作特性，片内集成完整的模拟前端和校正功能，可以直接测量传感器输出的直流微弱信号，使用一转换图4.2 量程自动转换电路技术可以达到24位无误码性能；具有自校准、系统校准和背景校准等功能，这样可以消除零点误差、满量误差以及温度漂移的影响。特别适合于测量低频小信号。4.3.1结构与性能特点AD7714的内部结构，如图4.3所示。从图中可以看出，它是由选通矩阵、缓冲器、可编程增益放大器、电荷平衡A/D转换单元（由一调制器和数字滤波器组成）、内部寄存器组、时钟发生器构成。AD7714提供了一个片内可编程增益放大器，一个低通数字滤波器和校准选择功能，增益值在G=l128之间可选，数字滤波的3dB带宽可通过片内寄存器来编程。另外，由于采用一技术，能获得很高的分辨率（最高可实现24位无误码输出，0.0015非线性度）。AD7714有6个模拟输入通道（AIN1一AIN6），可灵活配置成3个差分模拟输人（或5个伪差分模拟输人）和1个差分基准输人；采用3V或5V的工作电压；利用三线串行方式与微控制器接或DSP系统连接，完成增益设置、信号极性、刷新率的选择及自校准与系统校准功能；低功耗下工作，典型电流值为226A(掉电模式仅为5A)；具有低噪声特点(小于150nvms)，比积分型模数转换器要好得多。图4.3 AD7714内部结构4.3.2 AD7714片内寄存器及其功能AD7714具有8个片内寄存器，分别是通信寄存器、模式寄存器、滤波器高寄存器、滤波器低寄存器、测试寄存器、数据寄存器、零刻度校准寄存器和满刻度校准寄存器。通过对片内寄存器的编程，可实现通道选择、增益选择、滤波频率选择、转换周期选择、自动校准和AD转换等功能。对AD7714的任何一种操作，必须首先对通信寄存器写入相应代码，然后才能对其它寄存器读写。下面介绍其中主要的几种寄存器的用法。（1）通信寄存器对AD7714的所有寄存器的读写操作都要首先对通信寄存器进行写操作，以决定下一次读写操作所使用的寄存器。通信寄存器的格式为：0/DRDYRS2RS1RS0R/WCH2CH1CHOO/DRDY位在通信寄存器读写操作时有所区分。写操作时，该位必须为“0”(若为“1”，则等待直到写入“0”为止)；读操作时，表示数据是否准备好，与DRDY脚上的信号一致。R/W位表示下一次操作为读或写操作，RS2一RS0为寄存器选择位，CH2一CH0为通道位。（2）模式寄存器模式寄存器是一个8位的可读写寄存器。其格式为：MD2MD1MD0G2G1G0BOFSYNCMD2一MD0是器件工作模式的选择位，G2一Go为增益设置位，BO位为耗尽电流控制端，FSYNC为控制滤波器同步位。（3） 滤波寄存器滤波寄存器是两个可读写的8位寄存器，其滤波高位寄存器的格式为：B/UWLBSTZEROFS11FS10FS9FS8A型滤波低位寄存器的格式为：FS7FS6FS5FS4FS3FS2FS1FS0B/U位设置单极或双极操作，WL位决定字长，ZERO位必须设置为高，FSllFS0为滤波选择位。4.3.3 AD7714与C8051的连接利用AD7714设计了微小电阻测试仪的电压采集模块。为了提高测量精度，展宽测量范围，当电流流经标准电阻和被测电阻，利用两片24位A/D转换器AD7714分别采集标准电阻和被测电阻上的电压；将检测到的电压信号由AD7714内置的PGA完成一定增益的放大后进行高精度A/D转换，然后在单片机中进行计算获得被测试品的电阻值。设计中AD7714专门用于电压的模数转换。因为实时性要求不太强，因此数据读取采用位查询方法。在路图2中，AD7714采集被测电阻上的电压，SCLK、DOUT、DIN、DRDY、CS和SYNC引脚直接连接到C8051单片机的P3.0P3.5引脚。使用稳压管LM385产生+25V基准电压供给AD7714作为参考电压，通过寄存器查询A/D更新状态，而不使用DRDY硬件信号，以节省单片机口线及简化布线。模拟输入通道AIN1和AIN6配置为准差分输人通道，并在非缓冲模式下(BUFFER按地)工作，如图4.4所示。图4.4 AD7714与C8051F020接线图4.3.4软件设计在本设计中AD7714编程流程，如图4.5所示。使用AD7714之前，一定要对所有寄存器进行设置，才能保证器件正常工作。在实际使用中，首先选择模拟输入模式(单极性还是双极性)、是否需要缓冲、时钟分频、增益值和输出更新速率。根据实际情况确定所有参数以后，对AD7714器件进行设置，在参数设置之前，首先对通信寄存器进行一次写操作，来决定下一个是何种寄存器和何种操作内容，再进行下一步的参数写入。以下是AD7714的配置程序：void ADC_ write(unsigned char byte) unsigned ehar i； AD_SCLK =0；图4.5 AD7714变成流程图 AD_CS=0；/开始写 for(i=0；i8；i+) AD_SCLK=0； AD_DIN=(byte & 0x80)；/输入数据 byte=(byte1)； AD_SCLK=1； AD_SCLK=0； AD_DIN =1； AD_CS=1；/结束void ADC_init(void) ADC_write(0xff)；/选择写满刻度校准寄存器 ADC_write(0xff)；/写24位满刻度校准寄存器，分三次每次8位 ADC_write(0xff)； ADC_write(0xff)； ADC_write(0x20)；/选择下一个写滤波高寄存器 ADC_write(Oxe2)；/单极性，长度24位，不提升电流，A器件必须写入0 ADC_write(0x30)；/选择下一个写滤波低寄存器 ADC_write(0x80)；/写滤波低寄存器设定第一个凹口的频率 ADC_write(0xl0)；/选择下一个写模式寄存器 ADC_write(0x20+G*4)；/选择正常模式，不用烧断电流，自校准，增益为2 的G次幂 DEIAY(100)；/延时unsigned long ADC_read(unsigned long temp) unsigned char i； while(AD_DRDY=1)/等待数据准备好 DELAY(20)； ADC_write(0x58)；/选择下一个读数寄存器 AD_SCLK=0； AD_CS=0；/开始读数据 Temp=0： for(i=0；i24；i+) Temp=temp1； AD_CLK=1； temp=(temp|AD_DOUT)；/读取数据 AD_SCLK=0； AD_SCLK=0； AD_CS=1；/结束 return(temp)；/返回24位数据unsigned char GAIN(unsigned char G) unsigned char i； for(i：0；i=2) AD_VALUE*=2； G=i； continue； break； return(G)；4.3.5注意事项（1）在REFIN、AIN和其他逻辑输人引脚加入信号前，应接通AD7714电源，避免发生闭锁。（2）读AD数据时，输出数据的顺序由最高位到最低位；同样，对AD内部寄存器进行写操作时，应首先写入最高位，最后写入最低位。（3）印刷电路板要有良好的抗干扰措施，模拟和数字部分的供电是分开的，分两组电源供电是比较理想的方法，也可将AVDD与DVDD连在一起，但在数字地DGND和模拟地AGND布线时应满足一点接地以避免数字与模拟电路出现有公共回路，接地点尽量靠近AD7714，数字地严禁设计在芯片下面，因为这样会把噪声耦合给芯片，从而影响ADC正常工作。但是最好能将AGND布在器件底部，因为这样能减少数字噪声的耦合。（4）软件也应采取一些抗干扰措施，如在每次采样的进程中，要检测AD7714管脚DPRY的状态，只要发现异常就取消该采样结果重新采样；为避免采样进入死循环，对AD7714的工作要实施定时监控，超时则强制将其复位并初始化。（5）AD7714是高分辨率的ADC，因而电源的耦合电路尤为重要。因此在制作印制电路板设计时，应对所有的模拟电源输入都要加一级去耦电路，即用10F钽电容和0.1F陶瓷电容并联到地。这些去耦电路的元件应尽可能靠近芯片的电源引脚，这样才能获得更好的去耦效果和消除引线过长而带来的干扰。5. 抗干扰设计5.1硬件滤波测控系统的应用现场,被控对象和被测信号往往分布在各个不同的地方,计算机与它们之间也有相当的距离,信号线和控制线可能是长线;其次现场往往有许多强电设备,空间电磁场通过感应耦合到输入电路,其中50Hz交流电网的干扰最为严重,接触型继电器触电断开电路时产生的高频干扰信号会影响系统正常工作;此外信号线间干扰导致零漂,微机与被测信号间隔一段距离,使得两地之间存在电位差,产生共模干扰。为了保证测量数据的稳定和可靠,系统针对不同性质的干扰,采取了隔离、屏蔽、接地、滤波等抗干扰措施。在本系统中通过光耦进行隔离。外部设备和微机之间,模拟信号和数字信号之间全部采用光耦隔离,避免了两部分之间有电的直接联系而产生干扰。信号线尽量选绞线或屏蔽线,合理布局,远离动力线,以减小配电线路由于电路干扰和静电感应所产生的干扰。电压测量系统中,模拟信号传输的通道都采用防静电干扰措施。导线屏蔽层,机壳都与大地相连。连接被测电阻和测量系统的四根测试线分别走线,各自用一根屏蔽电缆,这样外界的电磁干扰对测量的影响可以大大的削弱。恒流源、电压测量部分都有一套独立的电源;模数转换中模拟地和数字地严格分开,仅在一点上相连,模拟电路尽量远离数字电路,避免电容耦合;模拟电源采用电阻和电容进行低通滤波,滤掉高频噪声干扰。5.2软件滤波为进一步提高系统抗干扰和噪声的能力,保证测试的精度,除了硬件滤波措施外,还采取了对获得的测量值进行数字滤波处理,即进行256次测量后取平均值。经过硬件、软件滤波处理后的系统误差仅仅1LSB。5.3其它抗干扰措施配置去耦电容：在各芯片的电源端与地线端之间直接跨接一个0.01F的去耦电容。CMOS电路中不使用的输入引脚应接地，否则会引起逻辑电平的不正常，易接受外界干扰产生的误动作。6. 低功耗设计本设计的微电阻测量仪为电池供电，为保证测量仪能较长时间运行，须进行相应的功耗节约设计。由于测量仪的重点在于8051单片机，故主要进行8051单片机的低功耗设计。6.1 C8051各部分组件的功耗 当一个系统对功耗要求严格时，可以在硬件电路建立前首先粗略计算一下整个系统所需的功耗。由于C8051系列单片机为数模混合SOC系统，能够实现整个设计的大部分功能，因此整个设计系统的功耗将主要集中在C8051系列单片机的能量消耗上。 整个单片机系统的功耗应该由4部分组成：振荡器功耗、数字设备功耗、模拟外设功耗及IO端口功耗。振荡器功耗包括内部振荡器的功耗以及外部振荡器功耗。数字设备能量消耗主要由CPU的工作模式、工作电压及系统时钟频率决定。温度与数字外围设备对数字设备的功耗影响很小。模拟外围设备功耗主要包含ADC、电压基准VREF、温度传感器、偏压发生器及内部振荡器。比较器也有少量的能量损耗。6.1.1振荡器功耗分析 外部振荡器具有很高的可配置性，为系统设计者提供了多种选择。时基信号可以从外部CMOS电平时钟源、晶振或陶瓷谐振器、RC组合电路或外部电容获得，每一种方法都有各自的优势。由于振荡器可以灵巧地在各种方式中转换，因此可以通过改变振荡器来降低功耗。对外部振荡器来说，外部CMOS时钟、电容和RC网络都能够提供较低的振荡频率。(1) 外部CMOS时钟 当工作于外部振荡器CMOS时钟模式时，外部振荡器驱动被关闭电路功耗电流微小可以近似忽略。XTAL2输出的时基信号可以用作CPU、计时器、PCA或其他外围设备的时钟源。注意，即使在某一端口应用了高频信号，功耗仍只有少量的增加。(2) 外部晶振 外部晶振提供了最精确的时间基准，但随之而来的功耗在同一频率下也更高。外部晶振依赖于晶振频率和振荡器驱动电路(XFCN)。(3) 外部电容C模式 外部电容模式通过将一个电容连接到XTAL2为系统提供低功耗时钟。这是精度最差的一种时基方式，但同时也是最灵活的一种方式。只用1个电容元件就可以提供8种不同的工作频率最高频率几乎可达最低频率的3000倍。可以通过改变在OSCXCN寄存器中的XFCN位改变其振荡的频率，并直接影响其输出的电流。外部电容方式下的时基精度主要由电容的误差和流过XTAL2的内部电流源的精度决定。(4) 外部振荡RC模式 RC模式与电容模式十分相似，区别在于外部电容方式下电容的充电电流由接到XTAL2的内部可编程电流源提供，并且在RC模式下充放电电路除了包含电容外还要通过一个外部电阻器。RC模式振荡电路的平均功耗由通过电阻器的平均电流所决定。电阻器上的压降成指数倍大小，其波形可以简化为三角波来估计平均值。 通常，设计者可以通过合理地选择时钟源达到降低功耗的目的。内部振荡器消耗数字电源电流的典型值为200A，用于驱动外部振荡器的电流是变化的。对于一个外部振荡源(如晶振)，驱动电流(由模拟电源提供)用软件通过配置外部振荡器控制寄存器OSCXCN的XFCN位来设置。在驱动电流较大时用户町以使用内部振荡器以降低功耗。6.1.2数字设备的功耗分析 数字设备的能量淌耗主要是由CPU电流的大小来衡量的。CPU的电源模式是决定CPU电流大小、工作电压及系统时钟频率的关键因素。通常，温度和数字外围设备对数字设备的功耗只有很小的影响。(1) OPU电源管理模式 CPU有3种操作模式：正常状态，空闲状态与停止状态。通常，空闲状态的平均电流值受控于内部振荡器。正常模式时的电流值减去空闲模式时的电流值即为CPU正常运行的工作电流值。当写l到IDLE位时，CPU结束指令周期进入低功耗模式，直到被中断或复位唤醒。在空闲模式下，所有的模拟与数字外围设备，存储器与内部寄存器都保持原来的值不变。被唤醒后，CPU开始从设置空闲方式选择位指令的下一条指令开始执行。当写1到STOP位时，CPU进入停机模式。设置停机模式后，当前指令被执行完毕，内部振荡器及所有的数字外围设备全部停止工作。模拟外设(如比较器与外部振荡器)保留其当前的状态。在停止状态，MCU消耗最少的电流。(2) OPU工作电压、频率及温度对功耗的影响 工作电压：CPU的工作电流会随着供电电压的升高而增大。这种关系存在于任意一种工作频率下，尤其在高频运行时表现得更为明显。理论上供电电压最小可达到27 V，但由于电压调整本身有10的误差率，因此系统通常供电电压不会低于3V。 温度：温度对系统的功耗无影响。 工作频率：CPU工作频率对系统功耗有主要影响。在CMOS数字逻辑器件中，功耗与系统时钟SYSCLK频率成正比： 功耗=CV2f式中：C是CMOS的负载电容；V是电源电压；f是SYSCLK的频率。 因此，为了降低功耗，设计者必须知道给定系统所需的最高SYSCLK频率和精度。某些设计口可能需要其系统时钟频率在全部工作时间内保持不变。在这种情况下，设计者将选择满足要求的最低频率并采用消耗最低功率的振荡器配置。6.1.3数字外围设备与I0接口的功耗分析 数字外围设备(计数器、UART、PCA、SPl)的损耗占系统总功耗的比例很小。举个例子，当C8051F单片机工作在306MHz(内部振荡器8分频)，3 V电压时，没有一个数字外围设备端口的工作电流超过700A；而在启动计数器作为UARTO数据传输时钟后，系统的工作电流会增加18A。这里，计数器与UART的功率损耗主要由其时钟频率及工作电压来决定。利用交叉开关配置通用IO口为推挽模式，也能够影响功耗的大小。在上述例子中，如果利用交叉开关将UARTO的TX端分配到P04口，则配置端口为推挽模式将令系统的工作电流再增加82A。输出引脚的功耗由连接在该引脚的外部电路频率决定。6.1.4模拟外围设备的功耗 模拟外围设备功耗是ADC、温度传感器、内部偏置电压产生器及内部振荡器的功耗和。通常，只要ADC、内部振荡器或温度传感器被激活，内部偏置电压产生器就会自动被使能，ADC在转换期间的工作电流比ADC没有转换时的工作电流大3050。SAR转换时钟频率与采样频率也影响了功耗的大小。由于增加SAR转换时钟频率或降低采样率会缩短每次AD转换的时间，使系统在转换间隙有更多的时间处于空闲状态，因此会大大降低系统功耗。6.2 降低功耗的几点考虑 要降低系统的平均功耗，需要从两个方面考虑：首先是适当调整在所有时间一直影响系统工作的参数。通常工作电压是重点考虑的参数。工作电压决定了系统是否能够处于正常运作状态，它可以由电压调整器或一个电池来提供。对于一个节能系统，工作电压应该被最小化，以节约能量。第二点就是构建合理的固件结构降低以功耗。要为系统设计两个工作模式：一个为高效的运作模式；另一个则是以降低功耗为日地的睡眠模式。两个模式的设计标准不同，但应尽量让系统在大部分时间内处于睡眠模式，以降低系统的总功耗。下面详细讨论这两个方面的设计。6.2.1降低工作电压、减小工作电流 工作电压对系统的总功耗起着举足轻重的作用。对于节能系统应该尽量在保证系统安全可靠的前提下采用最低的工作电压。通常电压调整器会有土10的误差率，因此在设计工作电压时，最低的工作电压应该为3V，此时电压调整器的输出电压在27V与33V之间。也可以选择用电池。在这里推荐使用锂电池，锂锰二氧化氮电池能够无须任何调节地输出稳定的285V电压，并且该电池能够直接连接到设备的电源引脚。无须担心电池耗尽时会对系统工作有不良的影响，因为在C8051F系列单片机中，片上电源监控器能够确保在电池耗尽后系统自动复位。由于工作电压通常是恒定的，因此经常通过减小平均电流来降低系统的总功耗。平均工作电流是系统在单位时间内消耗的电荷量。对一个系统来说，其总的运行时间应该被分为两个部分高效工作期与低功耗体眠期，如图l所示。高效工作期的工作电流偏大，而休眠期的电流非常小。平均工作电流是系统在这两部分时问的总电荷量与时问相除所得的平均值。因此，如果想减小平均电流值，唯有通过两种方法解决缩短高效工作期的时间或减小高效工作期的峰值电流。设计者应该尽量从这两方面着手设计系统，以达到降低总功耗的目的。 图6.1 工作功耗与休眠功耗6.2.2设计一个低功耗的休眠模式 可以通过设计低功耗休眠模式，令系统在非工作期一直处于低消耗状态，从而达到减小整个系统工作电流的目的。休眠模式可以通过将电源管理模式设定为空闲或停机状态来实现。通常会设定空闲模式，因为该模式更容易被恢复。需要注意的是，在休眠模式下应该关闭所有不需要的外围设备，并配置体眠模式的时钟为外部振荡器。因为外部振荡器能够禁止内部振荡器的振荡，并能以非常低的时钟基准进行振荡。这里有两个可选的振荡器：36.728kHz晶振与单电容模式外部振荡器。 外部电容模式振荡器消耗的功耗比晶振低，但没有晶振精确。其优势在于能够使钟控外围设备(如定时器)的频率低度低于10kHz。同时由于其组成只包含1个电容，相比于晶振的2个装载电容及1个电阻器结构，能够节省PCB板的空间。若在没计中使用了高频晶振，则可将装载电容连接到XTAL2引脚，作为外部振荡器使用，并可在C模式下为休眠模式提供一个较低频率的时钟。6.2.3设计一个高效运作模式 高效运作模式的设计应该以尽可能缩短完成作业所需时间为标准，使得系统能够尽快地恢复到休眠模式。模式的设计包括调整工作电流的峰值以及时钟频率，以减小高效工作期问的总电荷量。通常在高效工作模式下使用内部振荡器，更有益于系统总功耗的降低。 下面以ADC采样为例，比较、分析两种设计中系统功耗的消耗率情况。 片上温度传感器以10Hz速率采样，系统的外部晶振连接到XTAL1与XTAL2之间。定时器2每100ms溢出产生一个中断，将系统从空闲模式唤醒。当系统被激活后，系统捕捉ADC采样数据，然后重新返回空闲模式，直到下一个中断发生。 由于该系统是电池供电，因此系统应尽量减少每次A/D采样所消耗的电荷。由于电荷量是一段时间内电流的总量，因此可以通过缩短采样时间或减小采样时的峰值电流来节约能量。也就是说，在捕捉ADC采样数据时，系统可以选择转换到3MHz的内部振荡器，在短时间内使用大的电流；或是用外部32kHz晶振作为系统振荡器，使单片机在长时间内使用较小的电流值。 根据以上分析，进行了两种设计。一种设计是在采样时一直采用外部32768kHz晶振作为系统时钟基准；另一种设计是在采样时将振荡器转换到内部振荡器，以缩短AD转换的时间。两个系统在不采样时都处于同样的空闲模式。 第1个系统从空闭模式被唤醒后，系统直接启动了ADC设备开始采样。系统没有转换到内部振荡器，而是仍采用原来的32kHz晶振作为系统的时钟基准。AD转换结束后，系统读取采样值，关闭ADC并重新进入空闲模式。为了捕捉采样数据，系统在峰值工作电流O65mA上持续了15ms。第2个系统从空闲模式被唤醒时，系统启动内部振荡器与ADC，转换系统时钟基准为内部振荡器8分频模式，并开始ADC转换。转换完成后，读ADC数据，而后停止ADC及内部振荡器并令CPU回到空闲模式。为了捕捉ADC采样数据，系统在峰值工作电流22 mA上持续了400s。利用公式：计算可得，第1种设计系统的平均电流为15A；而第2种设计系统的平均工作电流为14A。在3V锂电池供电的情况下第1种设计电池的寿命为4000h；而第2种设计电池的寿命为42000h。 从这个例子可以看出，在系统高效工作时提高系统的叫钟频率能够减小系统的平均工作电流，从而降低系统的总功耗。7. 锂电池充电供电保护电路设计7.1锂离子电池充电供电的保护条件锂离子电池允许充电的电压范围是：每节电池2.54.2V。如果电池电压超出允许的范围，则禁止充电。锂离子电池供电的安全电压下限为2.4V。在低于2.4V条件下继续供电将对电池造成永久性的损坏。电池进行持续供电时，电池电压会不断降低，当电压低于过供电保护电压即2.4V时，应当关闭电池供电回路，禁止其对外继续供电，避免电池损坏。但切断供电进行保护时，必须配合适当延迟时间，以避免干扰而造成误判断。当电池供电电流过大，超出其额定功率，电池会产生较高的热量，致使本身温度过高，有爆炸的危险。所以此时保护电路应该关闭电池供电，执行过流保护功能。至于保护时电流的大小，则根据电池的额定功率和负载的大小加以设定。值得注意的是：保护电路不能因为负载需要短时间的大电流而误动作，所以必须提供不同的过供电电流保护延迟时间，以提高电路工作的稳定性。7.2锂离子电池充供电保护电路原理锂离子电池充供电保护电路原理图如图1.2所示。保护电路以8051单片机为控制核心，监测电池电压与回路电流，并控制2个MOSFET的栅极，MOSFET在电路中起开关作用，分别控制着充电回路与供电回路的导通与关断，该电路具有过充电保护、过供电保护、过电流保护与短路保护功能。7.2.1正常状态 在正常状态下电路中P1.4和P1.5口都输出高电压，2个MOSFET都处于导通状态，电池可以自由地进行充电和供电，由于MOSFET的导通阻抗很小，通常小于60m，因此其导通电阻对电路的性能影响很小。72.2过充电保护锂离子电池要求的充电方式为恒流/恒压，在充电初期，为恒流充电。随着充电过程，电压会上升到4.2V，转为恒压充电，直至电流越来越小。电池在被充电过程中，如果充电器电路失去控制，会使电池电压超过4.2V后继续恒流充图7.1 锂电池充电供电保护电路原理图电。此时电池电压仍会继续上升，当电池电压被充电至超过4.3V时，电池的化学副反应将加剧，会导致电池损坏或出现安全问题。所以当电池电压达到4.28V时,比较器LM139翻转，单片机P1.0采到低电平，控制P1.5由高电平转为低电平，使Q2由导通为关断，从而切断了充电回路，使充电器无法再对电池进行充电,起到过充电保护作用。而此时由于Q2自带的体二极管V2的存在，电池可以通过该二极管对外部负载进行供电。在单片机检测到电池电压超过4.28V至发出关断Q2信号之间,还应有1s左右延时，以避免因干扰而造成误判断。7.2.3过供电保护 电池在对外部负载供电过程中，其电压会随着供电过程逐渐降低，当电池电压降至2.5V时，其容量已被完全放光，此时如果让电池继续对负载供电，将造成电池的永久性损坏。电池供电时，当电池电压低于2.5V时，P1.1采到低电平,控制P1.4由高电平转为低电平，使Q1由导通转为关断，从而切断了供电回路，