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内蒙古科技大学毕业设计说明书 毕业论文 锂离子电池充电器的设计毕业论文锂离子电池充电器的设计毕业论文 目 录 摘 要 I ABSTRACT II 第一章 绪 论 1 1 1 课题背景 1 1 2 锂离子电池的工作原理 2 1 3 锂离子电池的电特性及充电方式 3 1 3 1 锂离子电池的充放电特性 3 1 3 2 锂电池的充电方法 4 1 4 课题意义 7 第二章 系统的硬件设计 8 2 1 系统的整体设计方案 8 2 2 充电电路的设计与实现 10 2 2 1 单片机选型 10 2 2 2 电源模块的设计 11 2 2 3 单片机外围电路的设计 12 2 2 4 快速转换器的设计 13 2 2 5 快速调节器操作 14 2 2 6 选择快速转换器的电感 15 2 2 7 JTAG 口设计 15 2 3 锂离子电池的充电过程 17 2 4 充电过程参数控制 18 第三章 PCB 板布线 20 第四章 系统的软件设计 22 4 1 系统软件设计的组成部分 22 内蒙古科技大学毕业设计说明书 毕业论文 4 1 1 主程序 22 4 1 2 校准 ADC 子程序 24 4 1 3 监测电池子程序 25 4 1 4 快速充电子程序 26 4 1 5 低电流充电子程序 27 4 1 6 关闭 PWM 子程序 28 4 1 7 测量子程序 28 4 1 8 调节电压子程序 29 4 1 9 调节电流子程序 30 4 1 10 中断服务程序 31 4 2 系统软件调试 32 第五章 结论 34 参 考 文 献 35 附录 A 锂电池充电器原理图 36 附录 B 锂电池充电器的 PCB 板 37 附录 C 锂电池充电器程序设计 38 致 谢 58 内蒙古科技大学毕业设计说明书 毕业论文 内蒙古科技大学毕业设计说明书 毕业论文 第一章第一章 绪绪 论论 1 1 课题背景课题背景 随着信息技术的迅猛发展 信息化正以不可思议的速度渗透到各个领域 电池作 为一项传统产业 正经历着前所未有的变革 特别是在通信 动力及军用领域 对电 池均有新的要求 为了满足市场的需求 智能电池应运而生 多年来 小型电子系统 和设备一直以镍镉电池作为其标准电源配置 少数较大的设备如便携式计算机 高功 率无线电设备等则靠密封型免维护铅酸蓄电池供电 其后由于环境问题及对电池要求 的提高 新的电池技术得到发展产生了镍氢 NiMH 电池 可充电碱性电池和锂电池 与之相适应的更复杂的电池充电和保护电路应运而生 最近几年电池技术的革新主要体现在锂电池技术上 锂电池的容量比目前大批量 生产的任何可充电电池 如NiCd NiMH 电池的容量都大 虽然以体积作为度量尺度 时锂电池的容量仅比同样体积大小的NiMH电池容量仅大10 30 但是对于便携式设备 体积大小并非其唯一重要指标 设备的轻重度同样很重要 当以单位重量计算储能多 少时 锂电池的优势一下体现出来了 NiMH电池相对锂电池而言要重些 同等质量的 容量相比 锂电池将近是NiMH电池的两倍 目前流行的铅酸密封蓄电池充电器大多采用三段式 恒流 恒压 浮充 充电方 法 充电时间长 效率低 对电池的保护差 容易发生过充电或者充电不足的现象 过充电 可使蓄电池发热 电解液失水 充电不足 可使蓄电池内化学反应不充分 并且长期充电不足会导致电池容量下降 以上两种情况都会降低蓄电池的使用寿命 由此可见 充电器性能的好坏直接影响到蓄电池的使用效果和使用寿命 通常来说 简易充电器是不能够为不同工艺所制造的电池或者是相同工艺但是容 量 电压不同的电池充电的 用简易的充电器为上述不同的电池充电 轻则造成电池 充电不当 重则会酿成一系列的安全事故 用微控制器则可以解决上述问题 将微控 制器用于电池充电的场合 除了智能控制的优势之外 还有降低成本 结构简单的特 点 使用微控制器能够在很短的周期内开发出可应用于各种场合 功能完善的智能充 电器 另外微控制器也能狗轻松实现串行通信 实时数据记录和监测 内蒙古科技大学毕业设计说明书 毕业论文 1 2 锂离子电池的工作原理锂离子电池的工作原理 锂离子电池目前有液态锂离子电池 LIB 和聚合物锂离子电池 PLIB 两类 其 中 液态锂离子电池是指以Li 嵌入化合物为正负极的二次电池 正极采用锂离子化合 物锂钴氧化物 LiCoO2 锂镍氧化物 LiNiO2 或锂锰氧化物 LiMn2O4 负极采 用锂 碳层间化合物LixC6电解质为溶解有锂LiPF6 LiAsF6等有机溶剂 聚合物锂电池 的正极和负极与液态锂离子电池相同 只是原来的液态电解质改为含有锂盐的凝胶聚 合物电解质 而目前主要开发的就是这种 对于锂离子电池 使用不同的活性材料 包括电池的正极材料 负极材料和电解 质 电池的性能特性也会有所区别 负极材料中 目前常用的有焦碳和石墨 其中 石墨由于低成本 低电压 可以得到高的电池电压 高容量和高可恢复的优点 被 广泛采用 正极材料中 主要以锂金属氧化物为主 目前常用的有锂钴氧化物 LiCoO2 锂镍氧化物 LiNiO2 锂锰氧化物 LiMn2O4 以及纳米锰氧化物 其 中 锂钴氧化物具有电压高 放电平稳 适合大电流放电 比能量高 循环性好的优 点 并且生产工艺简单 电化学性质稳定 其作为锂离子电池的正极材料 适合锂离 子的嵌入和脱出 锂镍氧化物自放电率低 没有环境污染 对电解液的要求较低 与锂 钴氧化物相比 具有一定的优势 锂锰氧化物优点是稳定性好 无污染 工作电压高 成本低廉 锂离子电池中的电解质使用有机溶剂作为锂离子的传输介质 锂离子电池 对电解质溶剂的要求是 高导电性 高分解电压 无污染 安全 锂离子电池实际上是一种锂离子浓差电池 正负两极由两种锂离子嵌入化合物组 成 充电时 Li 从正极脱嵌经过电解质嵌入负极 负极处于富锂态 正极处于贫锂态 同时电子的补偿电荷从外电路供给到碳负极 保证负极的电荷平衡 放电时则相反 Li从负极脱嵌 经电解质嵌入正极 这种循环被形象的称为摇椅式机制 在正常的 充放电情况下 锂离子在层状结构的碳材料和层状结构氧化物层间嵌入嵌出 因为过 渡金属氧化物LiCoO2 LiNiO2中低自旋配合物多 晶格体积小 在锂离子嵌入脱嵌时 晶格膨胀收缩性小 结晶结构稳定 因此循环性能好 而且充放电过程中 负极材料 化学结构基本不变 因此从充放电反应的可逆性看锂离子电池反应是一种理想的可逆 过程 内蒙古科技大学毕业设计说明书 毕业论文 1 3 锂离子电池的电特性及充电方式锂离子电池的电特性及充电方式 1 3 1 锂离子电池的充放电特性锂离子电池的充放电特性 根据锂离子电池本身的结构特征 其充放电有着与镍基材料化学电池完全不同的 充放电特性 它的充电过程一般采用恒流转恒压的充电模式 充电开始为恒流充电阶 段 电池的电压较低 充电的电流基本不变 充电的速率一般为1C C 充电电流 电池 容量 对于500mAh的电池即为500mA的充电电流 随着充电的继续进行 电池的电压 逐渐上升 当单体电池的电压升到4 2V时 充电器立即转入恒压充电 恒压充电时 单体锂离子电池的充电电压必须严格保持在4 2 V 50mV 若充电电压超过4 5V可能造 成理离子电池的永久性破坏 此阶段为恒压充电阶段 充电电流下降较快 温度上升 最后当电流下降到某一范围 进入涓流充电阶段 涓流充电也称维护充电 在维护充 电状态下 充电器以某一充电速率给电池继续补充电荷 最后使电池处于充足状态 用这种方法 第一个小时可充入电池额定容量的80 两小时后电池即可充到额定容量 电池充电终止的检测方法是判断充电电流 当充电电流降到某一定值时终止充电 例 如充电电流降80mA 典型值为起始充电电流的10 左右 时终止充电 也可以在检测到电 池电压达到4 2V时启动定时器 在一定的延时后终止充电 锂离子电池典型充电特性 曲线如图1 1所示 图1 1 锂电池充电曲线示意图 锂离子电池的放电特性比较简单 一般 锂离子电池放电起始电压为4 2V 放电 终止电压约为2 5V 放电终止时 电池电压不得低于2 2V 否则将造成电池的永久性 损坏 此外锂离子电池的放电电流也不应过大 放电电流一般不应超过3C 否则也会 严重影响电池寿命与使用质量 需强调的一点是 不同的放电速率放出锂离子电池额 内蒙古科技大学毕业设计说明书 毕业论文 定容量的程度也不同 例如容量为500mAH的锂电池用0 2C 100mA 的放电速率放电时 可放出全部额定容量 而采用1C 500mA 的放电速率 只能放出额定容量的90 锂离 子电池的一个特点是比较容易显示剩余电量 因为其工作电压随时间徐徐下降 而镍 镉电池镍氢电池则保持一定的电压值 直到放电末期 电压才急速下降 因此锂离子 电池放电过程 可通过对照放电特性曲线图 测量电池两端的电压来判断剩余电量 锂电池放电特性示意图如图1 2所示 图1 2 锂电池放电特性示意图 1 3 2 锂电池的充电方法锂电池的充电方法 锂离子电池的更高化学能量密度和更高电池电压使得我们可以为便携式应用制造 出更小和更轻的电池 更轻和更小的电源对便携式应用而言常常是至关重要的 不过 要想充分利用电池容量或延长电池寿命 必须极其严格地控制充电参数 在充电过程 中 施加电压的精度对提高电池的效率和延长电池的寿命具有非常重要的作用 超过 充电终止电压将导致过充电 这在短期内会增加电池的供电量 但长期来说则会导致 电池失效并产生安全问题 充电终止电压每提高1 电池的初始容量就会增大约5 这种显而易见的短期增益效应会对电池的充电 放电次数产生严重的后果 过充电导致 了充电次数的减少 另一方面 欠充电尽管不会产生安全问题 但会显著减小电池的 容量 因此 延长电池寿命的关键是合理选择充电方法及参数 如电流 电压和温度 目前锂电池充电主要有四种方法 恒流充电 恒压充电 恒流恒压充电和脉冲充电 1 恒流充电 CC 恒流充电根据其充电电流的大小 又可分为浮充充电 又称涓流充电 标准充 内蒙古科技大学毕业设计说明书 毕业论文 电及快速充电 该方法在整个充电过程中采用恒定电流对电池进行充电 如图1 3所示 这种方法操作简单 易于做到 特别适合对由多个电池串联的电池组进行充电 但由 于锂电池的可接受电流能力是随着充电过程的进行而逐渐下降的 在充电后期 若充 电电流仍然不变 充电电流多用于电解质 产生大量气泡 这不仅消耗电能 而且容 易造成极板上活性物质脱落 影响锂电池的寿命 图1 3 横流充电法曲线 2 恒压充电法 CV 在恒压充电法中 充电电源的电压在全部充电时间里保持恒定的数值 随着锂电 池端电压的逐渐升高 电流逐渐减少 充电曲线如图1 4所示 从图中可以看到 充电 初期充电电流过大 这样对锂电池的寿命会造成很大影响 图1 4 恒压充电法曲线 3 恒流恒压充电法 CC CV 在CC CV充电器中 充电通过恒定电流开始 在恒流充电CC周期中 为了防止过度 充电而不断监视电池端电压 当电压达到设定的端电压时 电路切换为恒定电压充电 直到把电池充满为止 在CC充电期间 电池可以以较高电流强度进行充电 这期间电 池被充电到大约85 的容量 在CV周期中 电池电压恒定 充电电流逐渐下降 在电流 下降到低于电池的1 10容量时 充电周期完成 恒流恒压充电曲线如图1 5所示 内蒙古科技大学毕业设计说明书 毕业论文 图1 5 恒流恒压充电法曲线 4 脉冲充电法 脉冲充电方式是比较新的一种充电方式 脉冲充电法是从对电池的恒流充电开始 的 大部分的能量在恒流充电过程中被转移到电池内部 当电池电压上升到充电终止 电压VCV后 脉冲充电法由恒流转入真正的脉冲充电阶段 在这一阶段 脉冲充电方式 以与恒流充电阶段相同的电流值间歇性的对电池进行充电 每次充电时间为TC后 然后 关闭充电回路 充电时由于充电电流的存在 电池电压将继续上并升超过充电终止电 压VCV 当充电回路被切断后 电池电压又会慢慢下降 电池电压恢复到VCV时 重新 打开充电回路 开始下一个脉冲充电周期 在脉冲充电电流的作用下 电池会渐渐充 满 电池端压下降的速度也渐渐减慢 这一过程一直持续到电池电压恢复到VCV的时间 达到某个预设的值TO为止 可以认为电池已接近充满 如图1 6所示 图1 6 脉冲充电法曲线 在以上四种充电方法中 锂电池充电仍以恒流恒压的方法为主 虽然恒流恒压充 电需要复杂得多的电路来实现 但由于其充电时间短 充电效率高 因此在锂离子电 池充电中占主导地位 本文所设计的充电器也将采用这种充电方法 内蒙古科技大学毕业设计说明书 毕业论文 1 4 课题意义课题意义 随着信息技术的发展 锂电池得到了越来越广泛的应用 传统的充电器采用的充 电技术主要是恒流 恒压或者是两者相结合 这些充电方法很容易造成锂电池过冲或 者是充电不足 并且充电时间很长 在一定程度上缩短了蓄电池的使用寿命 为使用 者造成一定的经济损失 据此 研制出一种快速充电且能延长锂电池电池寿命的充电 器就成为一项很重要的任务 本课题的目的是设计出一款用单片机控制实现的智能锂电池充电器 此充电器可 对目前市场上具有的各种型号和容量的锂电池进行快速安全的充电 采用这种方案进 行锂电池充电器的开发具有成本廉价和易于编程升级的优点 有着广阔的市场前景 内蒙古科技大学毕业设计说明书 毕业论文 第二章第二章 系统的硬件设计系统的硬件设计 2 1 系统的整体设计方案系统的整体设计方案 本设计要实现对单节锂电池的快速充电 需要使用 C8051F300 单片机作为控制核 心和控制桥梁 下载端口采用 JTAG 口实现程序的下载与烧录 实现渐弱终止充电的快 速转换器 本设计实现了充电电压 电流 电池温度的实时检测 在电池充电的最后 阶段 可以通过监测电流电压或两者的值来决定何时结束充电 同时 如果电池温度 超过最大设定值 应立即结束充电 实现了对充电过程的智能控制 系统设计的参数 如下所示 电压输入 8V 15V 电池参数 单节锂电池 额定电压 4 2V 容量 150mAh 低电流充电电流大小 37 5mA 快速充电电流大小 150mA 低电流充电最长时间 90min 快速充电最长时间 90min 电池额外充电时间 30min 电池温度下限 10 电池温度上限 50 最低快速充电电压 3V 系统实现框图如图 2 1 所示 C8051F300单片机电源模块JTAG端口 快速转换器 内蒙古科技大学毕业设计说明书 毕业论文 图 2 1 系统框图 由系统框图可知 本设计主要由四模块构成 电源模块 单片机模块 JTAG下载 端口模块 快速转化器模块 1 电源模块 本设计电源模块采用LM340低压差线性稳压器以及一些滤波整流电路组成 由于本 设计采用的单片机的工作电压为3 3V 所以电压经线性稳压器降压后输出电压为 3 3V 2 单片机模块 本设计采用新华龙公司生产的C5051F300作为控制核心 3 JTAG下载端口模块 本设计采用JTAG下载端口进行程序下载与烧录 连线简单 使用方便 4 快速转化器模块 实现一个渐弱终止充电器的最经济的方法就是用一个快速转换器 快速转换器是 一个用一个电感和 或一个变压器 需要隔离的时候用变压器 作为能量存储单元以离 散的能量包的形式将能量从输入传输至输出的开关调节器 反馈电路通过晶体管来调 节能量的传输 同时也作为过滤开关 以确保电压或电流在负载时保持恒定 系统硬件设计分为三部分 电源模块的设计 单片机和JTAG口的连接设计 快速 转化器的设计 系统软件设计分为十部分 主程序设计 校准 ADC 子程序设计 监测电流子程序 快速充电子程序 低电流充电子程序 关闭 PWM 子程序 测量子程序 调节电压子程 序 调节电流子程序 中断服务程序 软件设计框图如图 2 2 所示 内蒙古科技大学毕业设计说明书 毕业论文 锂 电 池 充 电 器 的 设 计 主程序 校准ADC程序 监测电池子程序 快速充电子程序 低电流充电子程序 关闭PWM子程序 测量子程序 调节电压子程序 调节电流子程序 中断服务程序 图 2 2 软件设计框图 2 2 充电电路的设计与实现充电电路的设计与实现 2 2 1 单片机选型单片机选型 本设计采用新华龙公司生产的C8051F300单片机作为控制核心 C8051F单片机是 完全集成的混合信号系统级芯片 SoC 具有与8051兼容的高速CIP 51内核 与MCS 51指令集完全兼容 片内集成了数据采集和控制系统中常用的模拟 数字外设及其他 功能部件 内置FLASH程序存储器 内部RAM 大部分器件内部还有位于外部数据存 储器空间的RAM 即XRAM C8051F单片机具有片内调试电路 通过10脚的JTAG接 口可以进行非侵入式 全速的在系统调试 下面列出了一些主要特性 1 全速 非侵入式的在系统调试接口 片内 2 真正8位500ksps的11通道ADC 带PGA和模拟多路器 3 高精度可编程的25MHz内部振荡器 4 2 4 8K字节可在系统编程的FLASH存储器 内蒙古科技大学毕业设计说明书 毕业论文 5 256字节片内RAM 6 3个通用的16位定时器 7 具有3个捕捉 比较模块和看门狗定时器功能的可编程计数器 定时器阵列 PCA 8 片内上电复位 VDD监视器和温度传感器 9 片内电压比较器 10 8个端口I O 容许5V输入 C8051F300系列器件使用Silicon Labs的专利CIP 51微控制器内核 CIP 51与MCS 51 指令集完全兼容 可以使用标准803x 805x的汇编器和编译器进行软件开发 CIP 51内 核具有标准8052的所有外设部件 包括两个标准的16位计数器 定时器 一个具有外部 振荡器输入的增强型16位计数器 定时器 一个具有增强波特率配置的全双工 UART 256字节内部RAM 128字节特殊功能寄存器 SFR 地址空间及8个I O端口 C8051F300器件内部有两个电压比较器 可以由用户软件使能 禁止和配置 所有 端口I O引脚都可被配置为比较器输入 如果需要 可以将两个比较器输出连到端口引 脚 一个锁存输出和 或一个未锁存的输出 异步 比较器的响应时间是可编程的 允许用户在高速和低功耗方式之间选择 比较器的正和负回差电压也是可配置的 2 2 2 电源模块的设计电源模块的设计 电源模块是可以直接贴装在印刷电路板上的电源供应器 本设计的电源模块采用 LM2937 3 3 作为稳压器件 LM2937 3 3 是一种正电压调整器 能提供 500mA 负载电 流 并且能理想地把 5V 至 26V 的输入电压降低为 3 3V 电压来作为特定用途集成电路 的电源 当输入电压超过 5V 时 其内部组成特殊的电路使 LM2937 500mA 满负载时 静电流减小到 10mA 以内 以下简单介绍此电压模块的几个主要特点 1 工作温度在 40 到 125 之间 2 输出电流一般为 500mA 3 在所有工作条件下 输出误差在 5 以内 4 有较宽的输出电容 ESR 范围 0 01 5 5 内部有瞬间短路保护 超负荷热量保护 短暂 60V 高电压输入保护和镜像插 口保护 6 输入电压为 4 75V 26V 输出电压为 3 3V 输出满负载电流为 500mA 时 内蒙古科技大学毕业设计说明书 毕业论文 静电流为 2mA DS1 是经过调整 稳压后的输出电压 VDD 的电源指示灯 用来检查整个系统的供 电情况 此外 在电源模块电路中加上了高频滤波电路 目的是将电压信号中的高频信号 滤除 减少电源噪声对系统的影响 增强系统的抗干扰能力 电源模块电路设计图如 图 2 3 所示 P2 PWIN3 2 330uF C1 0 1uF C2 IN 1 2 OUT 3 GND 4 U1 LM2937 3 3 2 2 R1 15uF C3 1uF C4 3 3V 475 R2 0 1uF C5 D1 DS1 LED1 图2 3 电源模块电路图 2 2 3 单片机外围电路的设计单片机外围电路的设计 本设计单片机外围电路设计十分简单 单片机电源引脚上加一旁路电容 目的是 为了使电路工作更稳定 减少振荡 因为电路板上的印刷电路存在电阻和电感成分 在电路板上 数字IC的安装位置可能距离提供稳定电压的稳压IC较远 因而电源铜箔 的电阻及电感就较大 当数字IC的输出在进行 L H 的转换时 在稳压IC的电源铜箔及 地线铜箔上就流过高频脉冲电流 由于电感对于高频信号具有高的阻抗 就会在IC的 VDD端子上引起大的电压波动 造成数字IC的工作不稳定 所以 在单片机的VDD引 脚要就进对地接一旁路电容 单片机的XTAL1引脚作为PWM输出与快速转化器连接 单片机的P0 7 RST引脚 与JTAG口连接 作为程序下载端口 P0 4 P0 5 P0 6引脚作为电池电压 电流 温 度的检测端口与快速转换器连接 单片机外围电路图如图2 4所示 内蒙古科技大学毕业设计说明书 毕业论文 475 R3 DS2 LED2 P0 0 VREF 1 P0 1 2 VDD 3 P0 2 XTAL1 4 P0 3 XTAL2 5 P0 4 6 P0 5 7 RST DBCK 8 P0 6 CNVSTR 9 P0 7 DBIO 10 11 DGNG U2 C8051F300 3 3V 0 1uF C6 L1 图2 4 单片机外围电路图 2 2 4 快速转换器的设计快速转换器的设计 实现一个渐弱终止充电器的最经济的方法就是用一个快速转换器 快速转换器是 一个用一个电感和 或一个变压器 需要隔离的时候用变压器 作为能量存储单元以离 散的能量包的形式将能量从输入传输至输出的开关调节器 反馈电路通过晶体管来调 节能量的传输 同时也作为过滤开关 以确保电压或电流在负载时保持恒定 设计中为了减小电流的脉动 降低输出纹波 在体积和成本允许的情况下设计选 用饱和电流比较大的电感 因为当磁芯接近饱和时损耗增大 会降低转换效率 电感 的饱和电流至少应大于充电回路中的峰值电流 同时 电感的直流电阻会消耗一定的 功率 在体积和成本许可的情况下设计选用直流电阻尽量小的电感 另外对于低噪声 应用 为降低电源的电磁干扰 设计选用具有闭合磁芯的电感 肖特基二极管D2的作 用是吸收电感的反向电动势 保护MOSFET开关管Q1 快速转换器如图2 5所示 内蒙古科技大学毕业设计说明书 毕业论文 Q1 MOSFET N4200 R8 D2 Diode 10TQ040 10mH L1 Inductor Q2 QNPN 1K R9 10K R10 0 1uF C11 100uF C10 D3 Diode 10TQ040 10K R11 20K R12 1 RSENSE 10K R13 20K R14 图2 5 快速转换器 2 2 5 快速调节器操作快速调节器操作 快速调节器的操作是通过控制一个晶体管开关的占空比来实现的 占空比会自动 增加以使电池流入更多的电流 当VBATT VREF时 一个比较器会将开关闭合 如图 2 6所示 电流流入电池和电容C 这个电流同时也存储在电感L中 VBATT持续升高 直到超过VREF 此时比较器将开关断开 参见图2 7 存储在电感中的电流迅速下 降直到二极管偏置 使得电感电流以减速度流入电池 电容C在电感电流衰减后开始放 电 并且最后VBATT开始下降 当VBATT低于VREF时 比较器再次将开关闭合并开始 另一次循环 在较大的范围内 如果减小占空比 缩短闭合的时间 平均电压就会 下降 反之亦然 因此 可以通过控制占空比的方法调节电压或电流至所需要的值 快速调节器操作如图2 6和2 7所示 图2 6 快速转换器开关 开 内蒙古科技大学毕业设计说明书 毕业论文 图2 7 快速转换器开关 关 2 2 6 选择快速转换器的电感选择快速转换器的电感 要确定快速转换器中电感的大小 首先应假定晶体管的占空比为50 因为此时的 转换器操作操作效率最高 占空比由方程式1给出 其中T是PWM的周期在 本设计中T 10 5 S 占空比 ton T 方程式1 占空比 至此 就可以选择一个PWM的转换频率 如方程式2所示 PWM的转换频率越大 则 电感的值越小 也越节约成本 本设计配置C8051FF300的8位硬件PWM是使用内部 24 5MHz主时钟的256分频来产生一个95 7kHz 的转换速率 L Vi Vsat Vo ton 2Iomax 方程式2 电感值的确定 现在我们可以计算电感的大小了 假定充电电压Vi的值为15V 饱和电压Vsat的值 为0 5V 需要获得的输出电压值为4 2V 并且最大输出电流Iomax为1500mA 那么电感的 值至少应选为18 H 需要注意的是 在本电路中的电容仅仅是一个纹波衰减器 因为纹波与电容的大 小成反比例关系 所以电容的值越大衰减效果越好 2 2 7 JTAG 口设计口设计 本设计程序下载与调试端口采用JTAG口 内蒙古科技大学毕业设计说明书 毕业论文 JTAG 是一种国际标准测试协议 IEEE 1149 1 兼容 主要用于芯片内部测试 现在多数的高级器件都支持 JTAG 协议 如 DSP FPGA 器件等 标准的 JTAG 接口是 4 线 TMS TCK TDI TDO 分别为模式选择 时钟 数据输入和数据输出线 相 关 JTAG 引脚的定义为 TCK 为测试时钟输入 TDI 为测试数据输入 数据通过 TDI 引脚输入 JTAG 接口 TDO 为测试数据输出 数据通过 TDO 引脚从 JTAG 接口输 出 TMS 为测试模式选择 TMS 用来设置 JTAG 接口处于某种特定的测试模式 TRST 为测试复位 输入引脚 低电平有效 JTAG 最初是用来对芯片进行测试的 基本原理是在器件内部定义一个 TAP Test Access Port 测试访问口 通过专用的 JTAG 测试工具对进行内部节点 进行测试 JTAG 测试允许多个器件通过 JTAG 接口串联在一起 形成一个 JTAG 链 能实现对各个器件分别测试 现在 JTAG 接口还常用于实现 ISP In System Programmable 在线编程 对 FLASH 等器件进行编程 JTAG 编程方式是在线编程 传统生产流程中先对芯片进行预编程现再装到板上 因此而改变 简化的流程为先固定器件到电路板上 再用JTAG 编程 从而大大加 快工程进度 JTAG 接口可对 PSD 芯片内部的所有部件进行编程 在硬件结构上 JTAG 接口包括两部分 JTAG 端口和控制器 与 JTAG 接口兼 容的器件可以是微处理器 MPU 微控制器 MCU PLD CPL FPGA ASIC 或其它符合IEEE1149 1 规范的芯片 IEEE1149 1 标准中规定对应于数字集成电 路芯片的每个引脚都设有一个移位寄存单元 称为边界扫描单元BSC 它将JTAG 电路与内核逻辑电路联系起来 同时隔离内核逻辑电路和芯片引脚 由集成电路的 所有边界扫描单元构成边界扫描寄存器 BSR 边界扫描寄存器电路仅在进行 JTAG 测试时有效 在集成电路正常工作时无效 不影响集成电路的功能 JTAG接口电 路如图2 8所示 内蒙古科技大学毕业设计说明书 毕业论文 图2 8 JTAG接口电路图 2 3 锂离子电池的充电过程锂离子电池的充电过程 电池的特性唯一地决定其安全性能和充电的效率 电池的最佳充电方法是由电池 的化学成分决定的 本设计锂电池的充电方案都包含下面的三个阶段 1 低电流调节阶段 2 恒流阶段 3 恒压阶段 充电终止 所有电池都是通过向自身传输电能的方法进行充电的 一节电池的最大充电电流 取决于电池的额定容量 C 例如一节容量为1000mAh的电池在充电电流为1000mA时 可以充电1C 电池容量的1倍 也可以用 1 50C 20m A 或更低的电流给电池充电 尽 管如此 这只是一个普通的低电流充电方式 不适用于要求短充电时间的快速充电方 内蒙古科技大学毕业设计说明书 毕业论文 案 现在使用的大多数充电器在给电池充电时都是既使用低电流充电方式又使用额定 充电电流的方法 即所谓的容积充电 低充电电流通常使用在充电的初始阶段 在 这一阶段 需要将会导致充电过程终止的芯片初期的自热效应减小到最低程度 容积 充电通常用在充电的中级阶段 电池的大部分能量都是在这一阶段存储的 在电池充电的最后阶段 通常充电时间的绝大部分都是消耗在这一阶段 可以 通过监测电流 电压或两者的值来决定何时结束充电 同样 结束方案依赖于电池的 化学特性 例如 大多数锂离子电池充电器都是将电池电压保持在恒定值 同时检测 最低电流 镍镉 NiCd 电池用电压或温度的变化率来决定充电的结束时间 充电时 部分电能被转换成热能 直至电池充满 而充满后 所有的电能将全部 被转换成热能 如果此时不终止充电 电池就会被损坏或烧毁 快速充电器 电池完 全充满的时间小于两小时的充电器 则可以解决这个问题 因为这些充电器是使用高 充电电流来缩短充电时间的 因此 对于锂离子电池来说 监测它的温度是至关重要 的 因为电池在过充电时会发生爆裂 在所有的充电阶段都应该随时监测温度的变化 并且在温度超过最大设定值时 立即停止充电 锂电池充电时电流和电压变化曲线图 如图2 9所示 图2 9 锂电池充电过程中电流和电压变化图 内蒙古科技大学毕业设计说明书 毕业论文 2 4 充电过程参数控制充电过程参数控制 1 温度 本设计的算法使用片上温度传感器监测温度 温度传感器是没有经过校正的 但 仍然可以提供充分精度的温度测量 如果需要获得更高精度的温度测量 可以通过一 点或两点温度校正方案来实现 电池的在充电过程中随时监测电池的温度 当温度超 过上限时 立即停止充电 2 电流 电池的充电电流是通过采集一个小的但精确的敏感电阻的差分电压的值来进行监 控的 本设计次敏感电阻值为1欧 经片上的PGA将电流放大后 采用片上8位ADC使用 过采样的和均值的方法来获得16位的分辨率 再通过斜率和偏置校正系数计算出相应 地电流值 3 电压 电池的电压是通过外部的电阻进行衰减和监测的 本设计是用电源电压作为ADC的 参考电压 为了更精确地检测 必须将检测到的高于参考电压的电压值衰减 内蒙古科技大学毕业设计说明书 毕业论文 第三章第三章 PCB 板布线板布线 PCB Printed Circuit Board 印刷电路板的制作直接影响着硬件设计的成败 设计 良好的 PCB 板能较好的防止器件之间干扰并且完全的实现设计的要求 设计印制电路板时 首先要确定原理图必须设计正确 然后PCB印刷电路板图一定要 合理布线 努力将系统中各元器件之间 电路之间可能产生的不利影响限制在最低程 度 当原理图被正确绘制之后 应当首先检查每个器件的封装 在Protel2004 8 中采用 了原理图符号和PCB封装集成在一起的集成库 可以在原理图中方便地修改每个器件 的封装 然后用户不必手动生成网络表来将原理图载入PCB图 只要使用设计选项中 的Update命令就可以将封装和连接直接传递到同一个项目中的PCB中 当将原理图成功传递到 PCB 图里后 这时候 PCB 中器件之间的连线都处于飞线状 态 必须先把元器件按要求布局 再通过布线将其一一连接起来 在所有器件和连线 网络都传递到 PCB 图之后 要仔细检查 PCB 图上的封装和飞线连接 确定正确以后根 据 PCB 板的实际应用情况确定板的大小和元器件摆放位置 元件的布局和布线直接影 响着电路板的性能 由于布线设计的影响因素很多 不同的电路又有其自身的特殊性 无固定的方法可循 一般情况下按设计人员的经验和理解进行设计 但从抗干扰角度 考虑 应当注意以下几个方面的问题 1 在 PCB 的布局方面 合理选择 PCB 的尺寸大小 尺寸太大布线较长增加阻抗且成本增加 尺寸太小影 响散热而且邻近线容易发生干扰 对于可调元器件应放在 PCB 靠近边缘易于调节的部分 应当在 PCB 上留出定位孔以及支架等所占的位置 孔的位置与板缘应有一定的距 离以保证电路板的机械强度 以每个功能电路的核心元件为中心 围绕它来进行布局 元件排列应当均匀 整齐 紧凑 位于电路板边缘的元器件离电路板边缘要大于 2mm 2 在 PCB 的布线方面 印制的导线的最小宽度主要由导线和绝缘基板间的粘附强度和流过的电流值决定 导线宽度一般遵循信号线 电源线 地线的原则 当然可以根据实际布线的限制 内蒙古科技大学毕业设计说明书 毕业论文 在各线宽的允许范围内适当调节宽度 接地线应尽量加宽以减少接地电阻 并解决 好接地点问题 同时应当在 Protel2004 的设计选项中的规则选项中对宽度 间距等 进行设定以便直观的发现错误 印制导线拐弯处一般采用 45 度转角或者圆弧形以减少高频信号的对外发射 布线 应当尽量有序 简短 避免过长的平行走线以减少布线的分布电容 避免印制电路 走线形成环路接收噪声形成干扰 在需要通过过孔连接层间走线时 考虑过孔带来的分布电容 同时要符合工艺要求 并防止增加成本 按钮在操作时可能会产生抖动 应采用消除抖动措施 布线完成后要使用大面积覆铜接地 3 电源方面 电源线的走向应尽量与数据传递的方向一致 保证电源线合适的宽度 每片集成电路的电源引脚上应配置去耦合电容 4 对于 C8051F300 组成的锂电池充电器电路来说 器件布局和布线对性能的影响更加 明显和敏感 在本设计中应当注意以下几点 以 C805F300 为中心 各元器件紧靠其周围 均匀 整齐 紧凑地排列在 PCB 上 尽量减少和缩短各元器件之间的引线和连接 以减少分布参数的影响 对于抑制空间辐射干扰 主要解决办法是屏蔽 使用屏蔽层或屏蔽盒屏蔽外部静电 和电磁场的干扰 去耦电容应当尽量靠近相应的引脚 直接连接两个相邻的电源脚会增加噪声的耦合 应当尽量避免 每个去耦电容的接地端应当通过一个独立的过孔连接到地层 本设计由于用的是两 层板 没有专门的接地层和电源层 所以只能通过覆铜时连接到地网络来使各引脚 去耦电容尽量互不干扰 过孔一般分为 盲孔 Blind Via 埋孔 Buried Via 和 通孔 Through Via 在设计时设计者希望过孔越小越好 这样板上可以留有更多 的布线空间 此外过孔越小其自身的寄生电容也越小 更适用于高频电路 但过孔 尺寸的减小受到成本和加工工艺的限制 不可能无限制的减小 而且当孔的深度超 过钻孔直径的 6 倍时 就无法保证孔壁能均匀镀铜 一般 PCB 厂家能提供的钻孔 直径最小只能达到 8mil 内蒙古科技大学毕业设计说明书 毕业论文 第四章第四章 系统的软件设计系统的软件设计 4 1 系统软件设计的组成部分系统软件设计的组成部分 本设计的软件设计包括主程序 校准ADC子程序 监测电流子程序 快速充电子程 序 低电流充电子程序 关闭PWM子程序 测量子程序 调节电压子程序 调节电流子 程序 中断服务程序十部分 4 1 1 主程序主程序 主程序的主要功能是实现整个充电过程无错误 快速 稳定将电池充满电 首先 程序将单片机C8051F300初始化 接着校准ADC 当发现SW0被按下时 在没有错误被发 现的情况下开始给电池充电 当发现有错误产生时 停止充电 发光二极管熄灭 主 程序流程图如图4 1所示 内蒙古科技大学毕业设计说明书 毕业论文 开始 初始化F300 采样温度 电压 电流 清除状态标志 SW0按下 发现错误 LED0亮 快速充电 低电流状态 低电流充电 报告错误 LED0熄灭 循环 快速充电状态 YES NO NO NO YES YES NO YES YES NO 图4 1 主程序流程图 内蒙古科技大学毕业设计说明书 毕业论文 4 1 2 校准校准 ADC 子程序子程序 为确保电压和电流的测量值的精确性 算法采用一个两点系统校正方案 在这个 方案中假定用户使用两个已知的电压和两个已知的电流 一个点接近于地电平 另一 个点接近于原测量值 然后算法采用这两个点为电流和电压通道计算一个斜率和一个 偏置值 并将结果存储在FLASH中 所有以后的转换都是相对于这些斜率和偏置计算值 而言的 校准ADC子程序流程图如图4 2所示 开始 SW0按下 配置ADC参数 获得16位测量值 配置ADC参数 获得16位测量值 计算电压斜率系数 计算电压补偿系数 清除存储单元0X1A00 存储电压斜率 补偿系数 SW0按下 配置ADC参数 获得16位测量值 配置ADC参数 获得16位测量值 计算电压斜率系数 计算电压补偿系数 存储电压斜率 补偿系数 结束 NO NO YES YES 图4 2 校准ADC子程序 内蒙古科技大学毕业设计说明书 毕业论文 4 1 3 监测电池子程序监测电池子程序 本设计需要监测电池的三个参数 分别是电压 电流和温度 程序流程图如图4 3 所示 开始 AMUX 电流AMUX 电压停止PWM 停止PWM AMUX 温度 AMUX 电压 AV 0 I 0 I 10 打开ADC ADC结束 AV AV ADC AV AV 10 计算电压 校准 系数 计算电流 校准 系数 计算温度 校准系数 打开PWM 返回参数 结束 NO YES NO 图4 3 检测电池子程序流程图 内蒙古科技大学毕业设计说明书 毕业论文 4 1 4 快速充电子程序快速充电子程序 快速充电包括横流充电和低电流充电两部分 在程序中设定充电结束时间 延迟 时间 还设定了温度 电压的上限值 当超出范围时 停止PWM 程序流程图如图4 4 所示 开始 开始PWM 恒流充电 T在范围之内 电压在范围内 计算充电结束时 间 绿灯亮 快速充电 调节电池电流 读充电电压 恒压充电 调节电压 时间溢出 温度溢出 60秒结束 电流在范围内 计算转换结束时间 延迟 延迟结束 停止PWM 恒流 低电流充 电 绿灯熄灭 结束 停止PWM 停止PWMNO YES NO YES NO YES NO YES YES NO YES NO NO YES NO YES NO YES 内蒙古科技大学毕业设计说明书 毕业论文 图4 4 快速充电子程序流程图 4 1 5 低电流充电子程序低电流充电子程序 低电流充电子程序运行在锂电池充电的最初阶段 一般在电池电压小于3V的情况 下 进行低电流充电 一旦电池电压高于3V 则进行快速充电 程序流程图如图4 5所 示 内蒙古科技大学毕业设计说明书 毕业论文 开始 重设初始时间 计算终止时间 无错误 范围之内 V max V 绿灯闪烁延时 绿灯熄灭 电压 设定 值 准备进入快速充电 充电电压在范围内 调节电流 恒压充电 调节电压 低电流充电结 束 停止PWM 结束 恒流到恒压充电 NO NO NO YES YES YES NO YES YES NO NO YES YES NO 图4 5 低电流充电子程序 4 1 6 关闭关闭 PWM 子程序子程序 本设计的脉宽调制关闭需要软件来实现 程序框图如图4 6所示 内蒙古科技大学毕业设计说明书 毕业论文 开始 CEX0计数器 0 xF0 增加CEX0计数器 CEX0计数器 0 xF0 使能PWM模式 结束 YES NO YES NO 图4 6 关闭PWM子程序流程图 4 1 7 测量子程序测量子程序 测量程序的主要目的是让单片机通过ADC得到一个16位的测量值 程序框图如图 4 7所示 内蒙古科技大学毕业设计说明书 毕业论文 开始 设置累加器 计数器置零 清除转换标志 开始新的转换 转换结束 累加器 累加器 ADC 增加i i 0 返回十六位测量值 结束 NO NO YES YES 图4 7 测量子程序流程图 4 1 8 调节电压子程序调节电压子程序 在充电的后期 要进行恒压充电 这时 保持电压的恒定非常重要 本子程序的 目的就是要保持电压的恒定 此程序监测电池的电流以适时调整PWM的占空比来确保电 压值在恒定值 程序框图如图4 8所示 内蒙古科技大学毕业设计说明书 毕业论文 开始 测量电池电压 电压小 使占空比增大 电压正确 结束 电压大 使占空比减小 NO YES NO YES NO YES 图4 8 调节电压子程序流程图 4 1 9 调节电流子程序调节电流子程序 在快速充电和低电流充电阶段 要求电流保持恒定 快速充电结束以后 进入恒 压充电阶段 此程序监测电池的电流以适时调整PWM的占空比来确保电流值在恒定值 调节电流子程序框图如图4 9所示 内蒙古科技大学毕业设计说明书 毕业论文 开始 测量电流 电流小 使占空比增大 电压正确 结束 电压大 使占空比减小 NO YES NO YES NO YES 检测电压 电压小于低电流电 压 恒压充电 NO YES 图4 9 调节电流子程序流程图 4 1 10 中断服务程序中断服务程序 当中央处理器正在处理内部数据时 外界发生了紧急情况 要求CPU暂停当前 的工作转去处理这个紧急事件 处理完毕后 再回到原来被中断的地址 继续原来 的工作 这样的过程称为中断 实现这一功能的部件称为中断系统 申请CPU中断 的请求源称为中断源 单片机的中断系统一般允许多个中断源 当多个中断源同时 向CPU请求中断时 就存在一个中断优先权的问题 通常根据中断源的优先级别 优 先处理最紧急事件的中断请求源 即最先响应级别最高的中断请求 实现这一功 能的程序就叫做中断服务程序 任何一个单片机系统都要用到中断服务程序 本设 计中断服务程序如图 4 10所示 内蒙古科技大学毕业设计说明书 毕业论文 开始 复位PCA计数器和中断 消耗时间计数器 计数器为0 重置时间计数器溢出 增加时间 秒 60秒 复位 增加时间 分 60分 点亮LED 增加时间 小时 24小时 复位时间 结束 低电流充电 余下时间 熄灭LED NO YES NO NO NO YES YES NO NO YES YES 图4 10 中断服务程序流程图 4 2 系统软件调试系统软件调试 系统固件程序在 Silicon Laboratories 集成开发环境 IDE 里面编写和调试 Silabs 集成开发环境 IDE 是一套完整独立的软件程序 它为设计者提供了用于开发和测试项 目的所有工具 调试器具有设置断点 观察点 单步等功能 工具链接集成支持汇编 器 编译器和链接器 与串行适配器配合可以方便的通过 JTAG 口来连接硬件和下载 内蒙古科技大学毕业设计说明书 毕业论文 程序到硬件 固件编程采用 C51 语言 编程时用子程序实现模块化 有利于调试和移植修改 充分利用开发软件的单步 断点 子函数运行 函数跳转的功能 结合寄存器 端口 状态监控窗口界面 对程序进行从局部到全面的调试 以下具体介绍 Silicon Laboratories IDE 的软件编写 调试过程 1 先创建一个新项目 打开 IDE 在 IDE 视窗左边的项目窗口中 在 New Project 新项目 项上点击鼠 标右键 选择 Save project New Project 弹出 Save Workspace 保存工作区 对话框 在其中选择一个适当的目录来保存项目 键入项目文件名然后单击 Save 保存 按钮 2 配置项目 缺省设置时 Keil 8051 汇编器和链接器适合大多数应用 改变工具配置或配 置 C51 编译器 选择 Project Tool Chain Integration 来选择和设置汇编器 编译器和 链接器 选择 File New File 将打开一个编辑窗口 编写源文件并保存文件 如果保