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电器电子毕业设计论文
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毕业设计176智能充电程序,电器电子毕业设计论文
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摘 要 I 摘要 随着电子技术的不断发展，便携式设备扮演了重要的角色， 而 小型 款便携式的手机充电器 可以便利和丰富人们的生活 。 本文从锂电池的结构原理着手，通过的锂电池性能及常用充电方法的研究比较，以及结合目 前手机充电器 的 使用 情况 ，设计一款 由新型 微 处理器 ， 针对 市场上常见手机 锂 电池的充电器 智能充电电路 控制功能。 本文利用 USB 端口 提供的电源，通过 A/D 转换和 PWM 控制 完成 恒流恒压充电功能，系统地阐述了设计原理及方法，并且通过硬件 制作与调试 完成了设计任务 。 关键词： 锂电池 USB供电端口 微处理器 恒压恒流 PWM ntsABSTRACT II ABSTRACT With the development of electronic technology, portable equipments are playing a important role, and a pint-sized portable cellphone charger will bring the convenience and pleasure to people s life. The principle， character and charging method of Li-ion and Li-polymer battery are illuminated in the paper, and different impacts on the performance of battery in different charging methods and the situation of use of cellphone charger are analyzed in detail based on which, an intelligent charger IC for generic Li-ion or Li-polymer battery on the market which is controlled by mcroprocesser is necessary to be designed. USB port is selected for supplying power with the system, and the charger is charged by making use of A/D conversion and PWM control in CC/CV mode. The principle and method of the design are also illuminated in this paper, when the hardware is successful to execute and modulate, the job is finished. Keyword: Li-ion or Li-polymer battery power supply CC/CV P89LPC925 PWM nts 目录 III 目 录 第一章 绪论 . 1 1.1 课题背景 . 1 1.2 技术概况及其发展趋势 . 1 1.3 课题解决的问题 . 2 1.4 课题的意义 . 2 第二章 锂电池的特性及充电方法 . 4 2.1 锂电池的优点及应用 . 4 2.1.1 锂电池的优点 . 4 2.1.2 锂电池充电管理 . 5 2.1.3 锂聚合物电池 . 5 2.2 锂离子 /锂聚合物电池的外特性 . 5 2.2.1 锂电池的充电 . 5 2.2.2 锂电池的放电 . 6 2.2.3 锂电池的充电温度 . 7 2.3 锂电池充电方法 . 7 第三章 锂电池智能充电硬件设计 . 10 3.1 手机充电器硬件设计方法 . 10 3.2 参数设定 . 11 3.3 开发工具 . 12 3.4 充电器硬件设计 . 12 3.4.1 硬件系统总体结构设定 . 12 3.4.2 硬件系统的的工作原理及过程 . 13 3.4.2.1 电源部分 . 13 3.4.2.2 控制电路和充电电路 . 16 3.4.2.3 采样电路 . 18 3.4.2.4 手机充电接口 . 22 3.4.2.5 显示电路 . 23 3.4.2.6 充电器功能拓展实现 . 24 3.4.2.7 硬件设计原理图 . 25 nts目录 IV 3.5 本章小结 . 27 第四章 计算机控制系统设计 . 28 4.1 计算机控制系统设计概述 . 28 4.2 计算机控制系统分类 . 28 4.3 本课题采用单片机控制和闭环控制系统 . 29 4.3.1 单片机 . 29 4.3.2 单片机 P89LPC925 . 30 4.3.2.1 P89LPC925 概述 . 30 4.3.2.2 P89LPC925 的特性 . 30 4.3.2.3 P89LPC925 的管脚说明 . 32 4.3.2.4 AD转换功能 . 35 4.3.2.5 I/O口配置 . 38 4.3.2.6 定时 /计数器 T0/T1 . 38 4.4 本章小结 . 40 第五章 充电器软件设计 . 41 5.1 手机锂电池的充电过程 . 41 5.2 充电终止方法 . 42 5.3总体设计 . 43 5.4 编程实现 . 44 5.4.1 初始化程序 . 44 5.4.2 采样程序 . 46 5.4.3 量化程序 . 47 5.4.4 PWM脉宽输出程序 . 48 5.4.5 显示程序 . 50 5.5 本章小结 . 50 第六章 总结 . 51 参考文献 . 52 致谢 . 53 附录 . 54 外文资料原文 . 63 译文 . 67 nts第一章 绪论 1 第一章 绪论 1.1 课题背景 随着 社会和电子技术的快速 发展， 便携式设备不断涌现，丰富和方便了人们的生活。现在，移动电话、笔记本电脑、数码相机等便携式设备已经成为人们生活的一部分，而且有着更为广阔的市场前景和发展空间。而 手机越来越成为人们生活中不可或缺的一部分。如果某人的手机没法使用，那将对他的工作和生活造成巨大的影响，甚至损失。而外出手机没电，又没有适用的手机电池充电器，是造成手机无法使用的最常见的原因。因此， 一个便携式的万能手机充电器在现实生活中显得必不可少 。现在市场上手机充电器琳琅满目，参差不齐， 而体积小 、携带、使用方便的手机充电器是最具吸引力的。因此，本课题设计的手机充电器着重从这方面进行设计。 1.2 技术概况及其发展趋势 当前，手机充电器的市场走向如下 : 1）电子技术的成熟，手机充电器越来越向功能强大、体积小、使用方便 ，价格便宜 的 方向发展。 2)随着手机种类的日益增多，各种充电器因机型不同，电源端口的大小也不相同，从而不能互换使用，给消费者带来了不便。标准型充电器，是指可以连接所有手机底端电源插座 (端口 )的充电器。而且，生产的手机的电源端口将统一为适用于标准充电器的规格。这样 ，消费者将不必在每次换手机时同时购买新的充电器。由此可见，充电器在从坐式向便携式、双槽式等方向发展的同时，也开始向标准化、通用化的方向发展。 3)手机充电器的待机耗电量的降低逐步成为充电器的设计过程中的一个重要环节。相比于以前的充电器，今后生产的产品将会在各项功能完善的同时进一步降低本身的待机耗电量。 4)现在市场上的大部分充电器，只是针对 锂 电池或镍氢电池充电的，但是随着市场的发展以及锂电池技术的成熟，智能充电器更趋向于针对锂电池的手机充电器。 nts电子科技大学学士学位论文 2 1.3 课题解决的问题 选用合适 实用 的外围器件、单片机等设备，设计一款便携式的手机智能充电器。 利用单片机控制，实现对目前市场上出售的 常用 手机电池 的万能充电。其主要设计目的包括 : 1) 利用单片机，通过外围电路，监测电池的充电状态，实现对电池充电的智能控制，以最大限度地保护电池寿命。 2）利用 计算机 USB端口提供电源对电池充电 ，以达到随插随用的效果，方便使用。 3) 使现充电器具备强大的功能扩展性，以便为该充电器的后续功能升级提供平台。 4) 使该充电器的综合成本尽可能低 1.4 课题的意义 1） 手机的迅速普及及其在 人们生产生活中所发挥的越 来越重要的作用，而一款保藏，携带，使用方便、能够提供便捷安全 充电服务的 手机 充电器，就显得尤具吸引力。因此，在设计中 选用了功能强大的单片机 P89LPC925，大大简化了外围充电电路，使充电器的体积尽可能的小。而计算机的普及也为充电器提供了稳定便利的充电电源： PC 机 USB 端口。因此，设计而成的充电器外接一个 USB 接口即可插在 PC机 USB端口上进行充电，使用非常方便 。图 1-1显示的是已经制作成的硬件充电器 的立体图 ，其体积已经很小，板面积是 51.2mm*51.2mm。而 该设计将来如果能够被推 广并作成产品，可以选用 体积更小但实现相同功能的 P89LPC924 单片机，以及电子器件选用贴片器件，并利用 P89LPC924 单片机本身附带的复位和时钟功能，舍去外围的复位和时钟电路 ，使之体积只有 U盘般大小 ，如图 1-2（ a）所示，其板面积为 38.1mm*14.2mm，如 U盘 （图 1-2(b)所示） 一样使用非常方便 。因此，本设计具有相当大的实用价值和推广前景。 nts第一章 绪论 3 图 1-1 完成的充电器仿真图 (a) 体积更小的充电器仿真图 （ b） U 盘 图 1-2 小体积充电器与 U 盘的对照图 2） 现代社会中利用微电脑控制的智能手机充电器技术日趋成熟，因此，一个功能强大的 MCU能够更好的发挥智能充电的功能。 通过分析比较， P89LPC925 单片机 是最好的选择。其 强大功能，控制 对手机电池进行智能充电 ，最大限度地保护了电池的寿命 。同时，它本身的可编程功能使得 大量的工作由单片机软件来实现，简化了外 围电路，从而大大降低了成本。另外，作为一种功能强大的平台，该单片机很多管脚没有被使用，这就为后续的功能拓展提供了条件。 因此，本课题 在现在乃至今后很长的一段时间内，都很有实用价值。nts电子科技大学学士学位论文 4 第二章 锂电池的 特性及充电方法 由于手机充电电池中锂电池已经占据主流地位，况且本课题主要是针对锂电池充电的，因此，有必要介绍锂电池 相对 于其他电池的优点以及对锂电池本身的结构和特性进行一定的了解。本章先介绍锂电池的优点，再对锂电池充电方面的特性作必要的介绍，并阐述锂电池在使用过程中必须注意的问题，最后对 锂电池的常用充电方法 作具体说明 。 2.1 锂电池的优点及应用 便携式设备的发展，对电池产业提出了更高的要求。低成本、高电压、高 能量密度、轻型化、长寿命、高安全性的电池，特别是可重复使用的可充电电池 备受关注。 2.1.1 锂电池的优点 现在广泛采用的便携式可充电电池可以分为：镍镉（ Ni-Cd）电池、镍氢（ Ni-Mh）电池、锂离子（ Li-Ion）及锂聚合物（ Li-Polymer）电池。相比于其它两类电池，锂离子和锂聚合物电池有以下优点： 1比能量高。锂离子电池的最大特点是比能量高，即单位重量或单位体积的能量高。因此，锂离子电池有高容量，高密度，尺寸小，重量轻等特点。 2电压高。单节锂电池平均使用电压为 3.6V，是单节镍镉、镍氢电池的 3 倍，充足电时电压可达 4.2V。另外，锂电池还有使用电压平坦的特点。 3无记忆效应。 镍镉，镍氢等电池都有记忆效应，必须进行定期放电，否则就会因为记忆效应使电池报废。而锂电池无记忆效应，不必理会残余电量的多少，可直接进行充电。 4锂电池自放电率为每月 25%，非常的低（镍镉，镍氢等电池自放电率达到每月 1535%）。 5工作温度范围宽，充放电寿命长。锂电池可在 -2060之间正常工作，高温放电性能优于其它类型电池。锂电池的充放电寿命长，经过 500次重复放电后，其容量至少相当于新电池的 70%以上。 基于以上优点，锂电池被广泛应用在便携式设备中，因此 ，本课题设计的手机智能充电器 只 针对 锂电池。 nts第二章 锂电池的特性及充电方法 5 2.1.2 锂电池充电管理 在便携式应用中，一般采用容量相对不大的锂电池，以求在设备的便携性和工作时间之间取得一定的平衡。同样，作为设备内部锂电池的管理系统，其体积和重量也应该相应缩小。由于电池容量不大，管理系统相对简单，一般不涉及复杂的均衡等问题。因此，基于专用芯片的锂电池管理在便携式应用中非常普遍。 充电管理是锂电池管理的重要组成部分。根据锂电池的特点，锂电池充电器芯片所需要达到的基本功能是提供可限流的充电电流和不超过电池充电终止电压的最大电压。此外，充电器芯片还需要对充电过程进行保护。由电 池的过充电，过放电和充电不足等引起的电池损坏或使用寿命降低的主要原因与充电器的充电方法及充电过程息息相关。因此，设计一款充电保护功能优良的充电器芯片对锂电池非常重要。 2.1.3 锂聚合物电池 锂聚合物电池不仅具有锂离子电池的优点，即体积小、重量轻、能量密度高、自放电小、无记忆效应，更重要的是，锂聚合物电池可以制成任意形状。锂聚合物电池中的电解液比锂离子电池要少的多，因此更加安全 。 2.2 锂离子 /锂聚合物电池的外特性 锂离子电池和锂聚合物电池的外特性基本一致。下面的介绍中把锂离子电池和锂聚合物电池统 称为锂电池。 2.2.1 锂电池的充电 在电压方面，锂电池对充电终止电压的精度要求很高，误差不能超过额定值的1%。终止电压过高，会影响锂离子电池的寿命，甚至造成过充电现象，对电池造成永久性的损坏；终止电压过低，又会使充电不完全，电池的可使用时间变短。图 2-1显示了充放电时电池电压随电池容量变化的关系，在 4.1V时锂电池容量接近100%。图 2-2显示了充电终止电压对电池寿命的影响。可以看到，充电终止电压越高，电池寿命越短， 4.2V是充电曲线函数的拐点。因此，结合充电终止电压对电池容量和电池寿命的影响，一般将 充电终止电压设定在 4.2V。 nts电子科技大学学士学位论文 6 图 2-1 电池电压与电池容量的关系 图 2-2 充电终止电压对电池寿命的影响 充电电流方面，锂电池的充电率（充电电流）应根据电池生产厂的建议选用。虽然某些电池充电率可达 2C（ C 为电池的容量），但常用的充电率为 0.5 1C。在采用大电流对锂离子电池充电时，因充电过 程中电池内部的电化学反应会产生热，因此有一定的能量损失，同时需要 检测电池的温度以防过热损坏电池或产生爆炸。此外对锂电池充电，若全部用恒定电流充电，虽然可以在一定程度上缩短充电时间，但很难保证电池充满，如果对充电 结束控制不当还会造成过充现象。 2.2.2 锂电池的放电 放电方面，锂电池的最大放电电流一般被限制在 2 3C左右。更大的放电电流会使电池发热严重，对电池的组成物质造成损坏，影响电池的使用寿命。同时，由于大电流放电时，电池的部分能量转变成热能，因此电池的放电容量将会降低。在造成过放电（低于 3V）时，还会造成电池的失效。对于过放电的锂电池，在充nts第二章 锂电池的特性及充电方法 7 电前需要进行预处理，即使用小电流充电，使电池内部被过放电的单元被激活。在电池电压被充电到 3V后再按正常方式充电。通常将这一阶段的充电称为预充电。 2.2.3 锂电池的 充电温度 锂电池的充电温度一般应该被限制在 0 60范围。电池温度过高会损坏电池并可能引起爆炸；温度过低虽不会造成安全方面的问题，但很难将电池充满。由于充电过程中，电池内部将有一部分热能产生，因此在大电流充电时，需要对电池进行温度检测，并且在超过设定充电温度时停止充电以保证安全。 由于本课题的芯片和 器件使用方面基本没有涉及温度方面 ，故温度保护 在本设计中没有实际意义，因此不再作 详细介绍。 2.3 锂电池充电方法 充电管理是锂电池管理系统的重要组成部分，它对电池的特性及寿命有着至关重要的影响。随着电源技术的不 断发展，充电的手段越来越丰富，充电方式对电池及应用环境的针对性也越来越强。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2-3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， 造成过充或欠充， 而且容易造成极板上活性物质脱落，影响锂电池的寿命。 图 2-3 恒流充电法曲线 nts电子科技大学学士学位论文 8 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 2-4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 2-4 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 2-5所示。 图 2-5 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nts第二章 锂电池的特性及充电方法 9 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 2-6所示。 图 2-6 脉冲充电法曲线 通过锂电池的特性说明以及以上四种充电方法的比较分析，恒流恒压充电方法是锂电池充电的最好方法。以上分析可知，恒流法和恒压法很难正确控制，对锂电池的使用寿命有很大的影响，而脉冲充电方法的控制过程过于繁琐和复杂，不容易实现，因此 选择恒流恒压法对锂电池进行充电。 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 IC 也将采用这种充电方法 134。 nts电子科技大学学士学位论文 10 第三章 锂电池智能充电硬件设计 硬件设计 是整个智能充电器设计的核心和软件设计的基础，而电子器件是硬件设计的组成部分，其性能的好坏 会直接影响到整个 硬件电路的性能，因而如何选择合适的电子器件很关键。通过分析，利用 电子设备可靠性设计方法来选择电子器件。基于 USB接口在整个设计中的意义， PC机 USB端口 作 为供电电源也是硬件设计的一个重要部分。硬件设计另外一部分内容是外围 电路，外围电路由各个子电路组成，也是硬件设计的核心内容。 3.1 手机充电器硬件设计方法 在手机电池充电器硬件设计中，采用了电子设备可靠性设计方法。 可靠性预计 ： 电子设备的最大 特点是其元器件寿命服从指数分布，即故障率为常数。所以，可用公式 1nsii （ 3-1） 预计其可靠性指标。 电子设备均是由电阻、电容、二极管、三极管、集成电路等标准化程度很高的电子元器件组成，而对于标准元器件现已积累了大量的试验、统计数据，已有成熟的预计标准和手册。 元件计数法这种方法适用于方案论证和初步设计阶段。其通用计算公式为 1()ns i g i q iiN （ 3-2） 式中 s 系统的总故障率 (1/h) gi 第 i种元器件的通用故障率 (1/h) qi 第 i种元器件的通用质量系数 nts第三章 锂电池智能充电硬件设计 11 iN 第 i种元器件的数量 n 设备所用元器件的种类数目。 元器件应力分析法适用于电子设备详细设计阶段，此时已具备了 洋细的元器件清单、电应力比、环境温度等信息。这种方法的预计结果比计数法要准确些。但计算比较繁琐。其计算公式为 ()p b e q r a s c （ 3-3） 式中 p 元器件工作故障率 (1/h ) b 元器件基本故障率 (1/h) e 环境系数 q 质量系数 r 电流额定值系数 a 应用系数 s 电压应力系数 c 配置系数 然后按下式求得系统的故障率 1Ns i p iLN （ 3-4） 式中 pi 第 1种元器件的故障率 (1/h) iN 第 i种元器件的数量 N 系统中元器件种类数 3.2 参数设定 根据目前市场上手机充电锂电池的特性和 USB 端口作为供电电源的 一些特点，确定手机充电器的一些参数 如下 ： nts电子科技大学学士学位论文 12 电源： USB端口提供的 5V输入电压 ，输入电流： 0500mA 误差控制： 5% 输出电压： 04.64V 输出电流： 0400mA 误差 控制： 5% 3.3 开发工具 本 设计 采用 Protel99SE作为开发工具。 Protel99SE是 PROTEL公司在 80年代末推出的 EDA软件，目前己发展到 Protel DXP 版。这是一个完整的板级全方位电犷设计系统， 它包含了电路原理图绘制、模拟电路与数字电路混合信号仿真、多层 PCB板设计、可编程逻辑器件设计、图表生成、电子表格生成等功能。 Prote199SE可以处理任意复杂的电路设计 :其仿真元件库中提供了 6400多个模拟和数字元件，分类存放在 Sim.ddb 数据库的 28个库中，因此制作电路原理图时显得非常方便。Protel99的强大功能，以及易于掌握的特点，使得 开发速度和成功率 大大提高 8。 3.4 充电器硬件设计 充电器的硬件电路 利用 PC机 USB端口 提供 P89LPC925的工作电压和充电电压，电流以及发光二极管所需的驱动电流。利用采样电路采样充电 电压和充电电流，通过 PWM脉宽 调制电路控制输出电压和输出电流，以达到智能充电的目的。 3.4.1 硬件系统总体结构设定 根据设计要求，设计硬件系统的原理如图 3-1 所示，该硬件可在单片机的控制下完成对手机电池 的充电。 nts第三章 锂电池智能充电硬件设计 13 P 8 9 L P C 9 2 5显示电路控 制 电 路采 样 电 路充电电池系 统 电 源U S B 端 口图 3-1 充电器硬件设计的总体原理图 3.4.2 硬件系统的的工作原理及过程 经过大量的资料收集，阅读和比较，确定了整个硬件设计的原理图。硬件电路设计是由各子电路所构成，因此对各个子电路进行详细分析尤为必要 。 3.4.2.1 电源部分 PC机的普及提供了可直接利用的电源： PC机 USB端口提供的 5V 充电电源。USB 端口作为供电电源 比 AC 适配器 通过稳压器提供的电源更稳定，也为用户使用本充电器 提供了便利。 如图 3-2，把 USB接口 直接连 到硬 质板上的一个四管脚接口J2，当插到 PC机的 USB端口 ， 充电器即可获得 5V的稳定电压。 图 3-2 USB接口提供电源 nts电子科技大学学士学位论文 14 A）电源部分的基本功能 电源供给是充电器各部件正常工作的基础 。 USB 端口的 5V 电源 的功能： 驱动LED显示电路，通过 P89LPC925的对应管脚输出 电平 来控制 LED的显示；通过控制电路来给锂 电池充电，充电的输出电压和电流最大值分别为 4.64V和 400mA； 给单片机 P89LPC925提供 2.43.6V的 工作电压 ，最大 250mA的工作电流 。 B）硬件实现 LED的最大驱动电 流为 20mA,因此 5V电压通过合适的电阻 限流 即可满足要求。 由于 P89LPC925 的工作电压为 2.43.6V,因此 5V 需分压后才能接入单片机。 这里通过公式 3905 * 3 . 3 13 9 0 2 0 0V V V单 片 机 （ 3-5） 给 P89LPC925提供 3.31V的工作电压。 USB端口输出的最大电压为 5V，最大电流为 500mA,通过 PWM 脉宽调制 控制电路可以控制输出电压电流的大小，因此 USB 端口提供的 电源 作为 充电电压 和电流满足 基本要求。 主要参数 输入 电压： 5V 输入电流： 0500mA 输出电压： 5V 输出电流： 0500mA R6=200 R7=390 C） USB 端口作为供给电源是这个设计的突出特点 ， 以及较少使用，因此须 对USB端口电源作详尽 说明： 1） USB端口的功能 USB端口利用 4 芯电缆传送信号和电流，如图 3-3所示。 USB标准其中一个特性是从主机为插入的 USB外设供电。 除直接供电 USB 器件外， USB更有用的一个功能是 用 USB电源进行电池充电。由于很多便携装置与 PC交换信息，所以，电池充电和数据交换同时在一条缆线上进行将会使装置方便性大大增强。把 USB 和电池供电功能结合起来，扩大了 “ 非受限 ” 装置的工作范围。 从 USB 对电池充电可以复杂也可以简单，这取决于 USB 设备要求。对设计有影响的因素通常是 “ 成本 ” 、 “ 大小 ” 和 “ 重量 ” 。其它重要的考虑包括： nts第三章 锂电池智能充电硬件设计 15 当设备插入到 USB端口时，带放电电池的设备能够以多快的速度进入完全工作状态； 所允许的电池充电时间； 受 USB限制的电源预算； 图 3-3 USB接口结构图 2） USB电源 所有主机 USB 设备 (如 PC 和笔记本电脑 )至少可以供出 500mA 电流或每个 USB插口提供 5个 “ 单元负载 ” 。在 USB述语中， “ 一个单元负载 ” 是 100mA。自供电USB 插孔也可以提供 5 个单元负载。总线供电 USB 插孔保证提供一个单元负载(100mA)。根据 USB 规范 说明，在缆线外设端，来自 USB主机或供电插孔的最小有效电压是 4.5V，而来自 USB 总线供电插孔的最小电压是 4.35V。这些电压在为锂离子电池充电时 (一般需要 4.2V)，其余量是很小的。 插入 USB端口的所有设备开始汲取的电流不得大于 100mA。在与主机通信后，器件可决定它是否可以占用整个 500mA。 USB 外设包含两个插孔中的一个。两个插孔都比 PC 和其他 USB 主机中的插口要小。 “S ERIESB和更小的 “S ERIES MINI-B” 插孔示于图 3-4。从 SeriesB 的引脚 1(+5V)和 4(地 )和 Series Mini-B的引脚 1(+5V)和 5(地 )得到电源。 图 3-4 USB器件插孔 一旦连接，所有 USB 设备需要主机对其加以识别。这称之为 “ 枚举 ” 。在识别过程中，主机决定 USB 设备的电源以及是否为其供电，对于被认可的设备可以nts电子科技大学学士学位论文 16 将负载电流从 100mA 增大到 500mA。 3） USB接口器件的正负极识别 USB接口器件在硬件设计中作为电源接入口，因此设计时必须考虑正负极的接入问题，以免出现问题。 USB 接口定义 如 图 3-5， 1 脚为正极输入， 4 脚接地。 由于没有用到 2、 3 管脚的信号线，在设计中把 1、 2 管脚作为电源正极输入， 3、 4管脚作为地线输入 10。 图 3-5 USB接口定义图 3.4.2.2 控制电路 和充电电路 控制电路 是单片机根据采样电压和采样电流的变化 来 调节 PWM 的占空比 控制充电电压和充电电流 大小 的开关电路 。由于脉宽调制 PWM 属于软件部分的内容，这里先不做介绍。 而充电电路主要通过 储能电容 C5 来 实现， 单排四管脚 接口 J1能够识别各种各样的手机充电 电池，因此通过此接口能够 对各种各样的手机电池进行充电，实现 万能充电的功能。 A） 控制 、充电 电路的基本功能 控制电路 利用 P89LPC925 计时器 T1的模式 6的 PWM功能，接收来自计算机控制系统的 PWM 信号，通过两级三极 管的开关功能，控制经过三极管输出 电压和电流的大小，以达到标准的 智能 充电。 充电电路依靠大电容储存能量， 给接口上的手机电池进行 合理的充电。 B） 硬件电路实现 充电接口的 控制 电路如图 3-6所示。 nts第三章 锂电池智能充电硬件设计 17 图 3-6 控制电路和充电接口的电路图 根据单片机 P89LPC925的特点，其引脚输出电压最大值为 5V， 电流越小，功 耗越小，效果就更好，同时参考晶体管的性能特性（容量越小，价格越低），因此使用两级 容量不大的 三极 管 B834和 8050组成 控制 开关 。 控制电路的电阻 R9和R8具有限流的作用，使电流值不超过 单片机 I/O输入 电流和三极管管脚所允许的最大电流 。 电路中 用 2200uF的大电容 C5做为储能器，用 0.1uF的小电容 C4与 C5并联，用于过滤高频信号，以消除高频干扰。通过两级三极管开关通断，控制电源向电容 C5充电 ，从而控制电容对手机充电接口的输出电压和输出电流。 三极管在此控制电路中起着至关重要的作用，因此 有必要对三极管的一些性能做 相关 的介绍 ：三极管分为 NPN 管和 PNP 管两种类型，每个三极管包含发射极（ e）、基极 (b)和集电极（ c），三个极对应的电流分别为Ei、Bi、Ci， 满足以下关系式： E C Bi i i （ 3-6） 三极管处于放大偏置要求：发射结正向偏置，集电结反向偏置，电流满足关系式： CBii （ 3-7） 根据三极管的放大特性曲线知 (如图 3-7 三极管的放大特性曲线 )，三极管的集电极电流CBii，当B i很大时，虽然 会减小，但Ci仍将继续增大。如果C CNii，nts电子科技大学学士学位论文 18 将导致三极管损坏 (CNi为三极 管的集电极最大允许电流 )。因此 为保护两级开关三极管，在两级三极管的基极分别串联电阻 Rl, R9，作为限流电阻，以限制三极管基极电流Bi，防止三极管的集电极电流过度增大，而损坏三极管 。 图 3-7 三极管的放大特性曲线 主要参数 三极管 Q1： B834 三极管 Q2： 8050 电阻 R8： 10k 电阻 R9： 1k 电容 C4： 0.1uF 电容 C5： 2200uF 接口 J1： 四管脚单排插针 3.4.2.3 采样电路 鉴于电路中涉及的芯片和充电电池的温度范围较大， 没有把温度 影响 列成考虑对象， 因此 不存在温度采样。这里 的采样电路采样电池的充电电压和充电电流，并根据采样到的电压电流 ，通过 PWM脉宽调制 控制电路调整充电电压和电流。 A）采样系统概述 采样 :控制器控制生产过程，只能每隔一定的时间进行一次控叙循环。在每一次循环中首先输入信息，即将模拟信 号采样，加到 A/D，变成数字信号输入计算机，然后执行控制程序、计算出控制量，最后输出控制信号。这个过程就是采样。 B） 采样电路把电阻作为传感器 在我国，所有的电气元件中，电阻制造技术最为成熟。电阻性能稳定，线性好，灵敏度高，迟滞、重复性、分辨力和零漂等指标均满足技术要求。且电阻价nts第三章 锂电池智能充电硬件设计 19 格低廉，适合于低成本制作 。另外，电阻作为传感器大大简化了采样电路，因此，通过电阻进行采样是最好的选择。 C）采样电路的基本功能 根据 P89LPC925 单片机的 A/D转换的工作原理， 输入到 单片机模拟信号 端必须 是电压 ，因 此采样 到单片机输入端口的只能是电压。而采样电路除负责采集模拟信号量外，还必须负责将其转换 成电压量，并加到单片机模拟信号输入端， 通过软件设计可以把采样的模拟电压转换成 相应的数字电压量。 D）硬件实现 采样电路的硬件原理图如图 3-8所示。采样电路分为两路，分别采样充电电压和充电电流。 图 3-8 采样电路的原理 图 1） 采样电路 1 采样电容器 C5的电压。为扩大本充电器的使用范围，电容器C5 上的设计最高电压为 5V。由于 单片机模拟信号输入端的最高允许输入电压为1.33V，因此必须先分压。 利用电阻 R11, R12 组成分 压电路，使加 到单片机 模拟输入端 的电压 ： 6 1 2 / ( 1 1 1 2 )XCU U R R R （ 3-8） 以保证加到单片机模拟信号输入端的电压不能超过所允许输入的最高电压 。 nts电子科技大学学士学位论文 20 采样电路 2 采样手机充电接口电路的电流。 手机电池的充电曲线如图 3-9，由于单片机模拟信号输入端识别的 是电压 Vx，所以，在手机充电接口电路上串联电阻 R14，通过 U=RI （ 3-9） 将充电电流 转化为 对应的电压， 以满足单片机的输入要求 。当然，转化后的电压也要限制在模拟输入端的电压允许范围内 ，因此电阻 R14 大小的选择显得很关键。 图 3-9 手机电池的充电曲线 采样的充电电压和电流 通过 集成 运算放大器，再加到模拟输入端。电路中的运算放大器是作为一个跟随器，具有稳 压的作用。稳压器 使得加到 AD 转换接口的电压值在采样周期内基本上保持不变 。 考虑到运算放大器的实用性、 通用 性和价格， 741是最好的选择 2）采样电压、电流与电池电压的关系 如图 3-10， 采样电路中采样到的电压 Vout并不是充电电池的真实电压，而是存在以下关系式： V o u t V b a t V s e n s e (3-10) 1V sen se Io u t (3-11) 可知，采样到的电压要大于充电电池的电压，因此设计时要考虑这些因素，以免充电时出现问题。另外，电阻 R14对采样电压也有很大的影响，因此不能取得太大，但是其值太小对采样电流转化成的电压也有影响，所以应合理选择电阻值，使采样效果达到最佳。 nts第三章 锂电池智能充电硬件设计 21 图 3-10 采样电压和电流与电池电压的关系图 3） 集成 运算放大器 集成 运算放大器的特点：本质上，集成运放是一个以差动放大电路做输入级的高增益直接偶合电压放大器。它有两个输入端，一个输出端，具有很高的输入电阻和狠低的输出电阻，通常总可满足深负反馈条件，使得
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