锂电池管理系统硬件设计

本科生毕业设计（论文）锂电池管理系统硬件设计THEHARDWAREDESIGNOFLIIONBATTERYMANAGEMENTSYSTEM总计18页表格3个插图10幅学院（系）电子与电气工程系专业电子信息工程锂电池管理系统硬件设计摘要锂离子/锂聚合物电池是90年代发展起来的一种新型的二次电池。它兼具高能量密度和长循环寿命等优点，因此迅速成为实际应用尤其是便携式应用中的首选对象。本文所设计系统以AT89C51单片机为控制核心，以18B20温度检测芯片及TLC549数模转换模块，专业的锂电池充电芯片和LED数码管显示模块及蜂鸣器现实报警模块构成了一种新型的智能锂电池的充电器，该智能充电器能很好的实现以下几个功能实时显示充电量的多少，过温保护，温度过高的报警，过流过压保护。本文主要是研究了温度检测，电压监测，LED显示及报警电路的硬件设计。关键词51单片机；锂电池；温度检测；充电器；数模转换THEHARDWAREDESIGNOFLIIONBATTERYMANAGEMENTSYSTEMABSTRACTLITHIUMION/LIPOLYMERBATTERYISTHE90SDEVELOPEDANEWTYPEOFSECONDARYBATTERYITCOMBINESHIGHENERGYDENSITYANDLONGCYCLELIFE,ETC,ITQUICKLYBECAMETHEPRACTICALAPPLICATIONSINPORTABLEAPPLICATIONS,ESPECIALLYTHEPREFERREDTARGETTHISARTICLEISDESIGNEDTOAT89C51SINGLECHIPMICROCOMPUTERSYSTEMFORTHECONTROLOFTHECORE,THETEMPERATUREDETECTION18B20ANDTLC549CHIPDACMODULE,PROFESSIONALRECHARGEABLELITHIUMBATTERIESANDLEDCHIPMODULEANDALARMMODULEREALITYCONSTITUTEANEWTYPEOFLITHIUMBATTERYSMARTCHARGERTHESMARTCHARGERCANACHIEVEVERYGOODTHEFOLLOWINGFEATURESREALTIMEDISPLAYTHEAMOUNTOFCHARGE,OVERTEMPERATUREPROTECTION,HIGHTEMPERATUREALARM,OVERVOLTAGEPROTECTIONOVERCURRENTTHISPAPERISTOSTUDYTHETEMPERATUREDETECTION,DIGITALTOANALOGCONVERSION,LEDDISPLAYANDALARMCIRCUITOFTHEHARDWAREDESIGNKEYWORDSAT89C51BATTERYCHARGERLITHIUMBATTERYTEMPERATUREMEASURING目录1引言111锂电池概述112当前锂电池的管理方法2121基于专用芯片的锂电池管理2122基于监控测量的大容量智能化锂电池管理系统213锂离子电池技术3131锂离子电池特性3132锂离子电池充电方法42系统硬件设计621系统硬件总体结构622电压监测模块设计6221TLC549概述6222TLC549工作原理7223TLC549与单片机接口的设计823温度检测模块的设计9231DS18B20的主要特点9232DS18B20的管脚排列及主要结构10233DS18B20的测温工作原理11234DS18B20的操作12235DS18B20与单片机的接口电路设计1324数码管显示电路设计1425报警电路设计153结束语15参考文献16附录17致谢181引言11锂电池概述时代的进步，科技的发展，使得越来越多的电子产品出现在人们的生活当中。随着这些电子产品的日益普及，其对化学电源提出了更高更新的要求体积小、质量轻、能量大、安全性好、无污染。锂离子电池作为本世纪90年代新发展起来的绿色能源，也是我国能源领域重点支持的高新技术产业，其高可逆容量、高电压、高循环性能和高能量密度等优异性能而备受世人青睐，成为这些电子产品的理想电源，并得到广泛应用。目前使用的各类电池中，锂离子电池（也称锂离子二次电池或锂离子蓄电池）是近十几年才发展起来的一种新型电源。自20世纪90年代初日本索尼能源开发公司和加拿大莫里能源公司研制锂离子电池获得成功以来，一直是世界各国竞相研究开发和应用的热点。锂离子电池有别于一般的化学电源，其充放电工作过程是通过锂离子在电池正负极中的嵌入和脱嵌来实现的。当电池充电时，正极释放出锂离子于电解质中，这个过程是脱嵌；负极从电解质中吸入锂离子，这个过程是嵌入。当电池放电时发生与上述相反的过程。这种充放电时锂离子往返的嵌入和脱嵌过程好像摇椅一样摇来摇去，故有人称锂离子电池为“摇椅电池”。尽管锂离子电池问世只有十多年的时间，但已经普遍应用于各种便携式电子设备中，如笔记本电脑、摄像机、掌上电脑和智能电话等。随着信息化社会的不断发展，锂离子电池将会在通信、汽车电子、仪器仪表、航空和海洋探索等各个领域得到更深层次的开发应用。因此研究锂离子电池的特点，掌握其应用方法，对扩展其在电子设备中的应用，有着重要的意义。与常用的镍镉（CDNI），镍氢（MHNI）电池相比较，锂离子电池有许多优越性，主要表现在以下几个方面。（1）单体锂离子电池的端电压高，为36V或37V，而镍镉电池、镍氢电池的端电压均为12V。就工作状态而言，锂离子电池稳定放电终止电压一般为镍镉电池、镍氢电池的3倍，因此组合使用的锂电池容易获得更高的电压。（2）重量比能量（WH/KG）高，即同重量的锂离子电池提供的能量比其他电池高。锂离子电池的重量比能量一般在100170之间，为镍镉电池、镍氢电池的23倍。因此同容量的电池，锂离子电池要轻很多。（3）体积比能量（WH/L）高，即同体积的锂离子电池提供的能量比其它电池高。锂离子电池的体积比能量一般在270460之间，为镍镉电池、镍氢电池23倍。因此同容量的电池，锂离子电池体积小很多。（4）循环使用寿命长。锂离子电池充放电次数5001000次，聚合物锂离子电池则在1000次以上。而镍镉电池、镍氢电池会有使用了一半而不得不放电后再充电的现象。（5）没有记忆效应，可随时补充充电。这样就使电池锂离子电池效能得到充分发挥，而镍镉电池、镍氢电池会有使用了一半而不得不放电后再充电的现象。（6）自放电率低。自放电率又称电荷保持率，是指电池停止不用自动放电的多少。锂离子电池的自放电率为39，镍镉电池在2530之间，镍氢电池在3035之间。因此，同样环境下锂离子电池保持电荷的时间长。（7）锂离子电池内部采用过流保护、压力保护、隔膜自熔等措施，工作安全、可靠。（8）工作环境温度范围宽，一般可在3060之间工作，具有良好的高温和低温工作性能，特别是在20条件下，仍能够释放出90的容量。（9）锂离子电池不含任何汞（HG）、镉（CD）、铅（PB）等有毒元素，是真正的绿色环保电池。12当前锂电池的管理方法当前锂电池的管理方法主要有两种基于专用芯片的锂电池管理和基于监控测量的大容量智能化锂电池管理系统。121基于专用芯片的锂电池管理在便携式应用中，人们一般采用容量相对不大的锂电池，以求在设备的便携性与工作时间之间取得一定的平衡。同样的，作为设备内部锂电池的管理系统，其体积和重量也应该尽量缩小。而且，由于电池容量不大，因此电池管理的内容相对简单，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这些设备当中非常普遍。这些专用芯片在一定的外围电路配合下，能够实现简单的充放电管理和一些简单的保护功能，完全能够满足便携式设备的需要，同时有效的控制了设备的体积和成本，深受设备厂家的欢迎。目前的芯片有能够单独使用，实现简单充放电保护功能的，也有带微机控制接口，能够与处理设备协同工作，实现相对复杂功能的。基于专用芯片的电池管理已经成为便携式设备电池管理的最主要方式。但是专用芯片的功能单一，因此灵活性较差，同时它无法提供圆满的均衡充电方案，具有一定的局限性。122基于监控测量的大容量智能化锂电池管理系统在某些应用场合，特别是电池容量大，性能要求高的场合，专用芯片由于其局限性已经没有了用武之地，取而代之的，我们需要一个具有一定处理功能的设备（如单片机）来集中处理采集来的电池数据（包括电池电压、电流、温度等），通过这些数据判断电池所处的状态，依据一定的管理方法，对电池采取智能化的管理方式，以求达到最有效使用电池容量和延长电池使用寿命的目的。此外，基于微处理器监控测量的锂离子电池管理系统还可以通过软件编程适用于不同型号的容量的电池，实现更加灵活方便的控制。本论文介绍了锂离子电池和锂聚合物电池的电化学原理，分析了它们的充放电特点和使用过程中应当注意的问题，讨论了锂电池管理系统的主要构成和设计方法，最后设计典型的锂电池充电器保护电路。以达到管理效果。13锂离子电池技术要想设计品质优良、性能可靠的锂离子电池管理系统，首先就必须得清楚锂离子电池的特性与要求。本节将详细介绍锂离子电池的充、放电过程、原理及充电方法等相关知识。131锂离子电池特性锂离子电池在不同电流下的充、放电过程会不同，因此研究其充、放电特性，使用正确的充、放电控制对于其的使用安全和延长使用寿命具有很大的理论与应用意义。电池容量通常用AH（安时）和MAH（毫安时）表示，1AH就是能在1A的电流下放电1H。电池的充电电流常用充电率C表示，C为电池的额定容量。例如，用500MA电流对1AH的电池充电，其充电速率就是05C。（1）充电特性由于锂离子电池对过充电十分敏感，因此为了获得最大限度的储能又不至损坏电池，其单体充电电压必须严格控制在锂离子电池额定输出值1的容限范围内，即4250MV，具体视电池型号和厂家而定，充电电流通常应限制在1C以下。如果在锂离子电池的容量接近满充后继续对其充电，其端电压将会超过充电终止电压而继续上升，从而造成电池发热甚至永久性损坏。锂离子充电时，在提供的电荷作用下，阴极材料中的LI原子电离成LI离子，该LI离子通过电解液移动到阳极C附近，再与电子复合还原成LI原子溶于C中，6个C原子可吸收一个LI原子。显然，阳极C能够容纳的LI原子数是有限的，并且，以上复合还原机制是存在一定的概率分布的，复合还原作用随着充电的进行其机率逐渐下降，这意味着当阳极容纳的LI原子接近饱和时，其附近未还原的LI离子数量逐步增加，导致电池电压逐步上升。当发生过充时，将导致阳极电压过高，同时破坏了阴极材料结构，导致电池损坏。（2）放电特性锂离子电池对过放电也十分敏感，如果其放电到一个太低的电压则可能会降低电池的容量，通常放电电流不应超过1C。放电时，单节电池电压不应低于22V。若电池电压低于22V，可能会造成永久性损坏。锂离子电池放电时，阳极附近的LI离子经电解液运动到阴极后，经与由电解液提供的电子进行复合后还原成LI原子，溶于阴极材料中，同样因为复合还原的概率问题，在阴极附近尚留有一定的LI离子。这样，阳极材料C中的LI原子电离后以保持阳极附近LI离子的浓度不变，以保持电压的稳定。阳极电离产生的电子供给负载以形成驱动电流。放电充分进行后，阳极C中LI原子的数量不断减小，最终可导致电离的LI离子数下降，导致阳极电位逐步下降，同时在阴极未复合的LI离子数增加，阴极电位不为零，并且随充电过程而逐步提高，电池电压逐渐下降。当过放电发生后，电池电压过低，电解液因发生过度反应而致使电池损坏。因此，当检测到电池电压小于25V后，必须停止放电。锂离子电池不适合用作大电流放电，过大电流放电时会降低放电时间（内部会产生较高的温度而损耗能量）。同时，环境温度对电池的放电容量有较大影响，锂离子电池放电时，允许环境温度范围为2060。由上可知，在锂离子电池充电或放电过程中发生过充、过放或过流时，会造成电池的损坏，降低其使用寿命，甚至会引发安全问题。所以在锂离子电池的应用中必须采取一定的保护措施，限制其充放电电流电压。132锂离子电池充电方法锂离子电池和其它任何密封式可充电电池一样，要对充电进行控制，不能滥充，否则就极易损坏电池。图1锂离子电池充电特性曲线锂离子电池可以采用不同的充电方法，其中最简单的充电方法是恒压充电。采用恒压充电时，电池电压保持不变（42V），而充电电流将逐渐降低。当充电电流降到低于01C时，就认为电池被充分充电了。为了防止有缺陷的电池无休止地进行充电，采用了一个备用定时器来终止充电周期。恒压充电是一个相对节省成本的方法，但是这种方法却需要很长的电池充电时间。由于在电池充电期间充电电压保持恒定，充电电流降低得很快，因而充电速率也降低得很快。这样，电池就只是在比其能够接受的低得多的的电流强度下进行充电。兼顾充电过程的安全性、快速性和电池使用的高效性，锂离子电池通常都采用恒流恒压充电方法，其充电过程可分为预充电、恒流充电、恒压充电三个阶段。如图1所示。（1）预充电阶段在该状态下，首先检测单节锂离子电池电压是否较低（30V），如果是则采用涓流充电，即一个比较小的恒定电流对电池进行充电直至电池电压上升到一个安全值。否则可省略该阶段，这也是最普遍的情况。因为预充电主要是完成对过放的锂电池进行修复。（2）恒流充电阶段涓流充电后，充电器转入恒流充电状态。该状态下，充电电流保持不变的较大值，电池的最大充电电流决定于电池的容量。在恒流充电和预充电状态下，通过连续监控电池的电压和温度，可以采用以下两种恒流充电终止法，终止恒流充电。A电池最高电压终止法当单节锂电池的电压达到42V，恒流充电状态应立即终止。B电池最高温度终止法在恒流充电过程中，当电池的温度达到60时，恒流充电状态应立即终止。（3）恒压充电阶段恒流充电结束后，则转入恒压充电状态。在该状态下，充电电压保持恒定。因为锂离子电池对充电电压精度的要求比较高，单节电池恒压充电电压应在规定值的1之间变化，因此要严格控制锂离子电池的充电电压。在恒压充电过程中，充电器连续监控电池的电压、温度、充电电流和充电时间。常用的恒压充电终止方法有以下四种A电池最高电压当单节锂离子电池的电压达到425V时，恒压充电状态自动终止。B电池最高温度当锂离子电池本身的最高温度达到60时，恒压充电状态自动终止。C最长充电时间为了确保锂离子电池安全充电，除了设定最高电压和最高温度外，还应设置最长恒压充电时间。温度和电压检测失败的情况下，可以保证电池安全的充电。D最小充电电流在恒压充电过程中，锂离子电池的充电电流逐渐减小，当充电电流下降到一定数值（通常为恒流充电电流的1/10）时，恒压充电状态自动终止。此外，电池充足电后，若电池仍插在充电器上，电池会由于自放电而损失电量。充电器应以非常小的电流对电池充电或是监测电池电位以备对电池的再充电，这种状态称为维护充电状态。2系统硬件设计21系统硬件总体结构下图为锂电池管理系统总体结构图，如图2所示，其设计包含了锂电池充电模块，温度检测模块，模数转换模块（电压监测），数码显示模块，报警模块和单片机处理模块。其中锂电池充电模块是采用市面上专用的锂电池充电芯片，而A/D转换模块则是采用片型小，采样速度快，功耗低，价格便宜，控制简单的TLC549芯片，主要用来采集锂电池的充电量的多少，并把这个模拟量转化为数字量，然后送入AT89C51单片机进行处理，温度检测模块采用18B20芯片，该芯片具有转换速度快，测量精度高，多点检测，测量范围宽和不需外部电源优点。主要是用来检测锂电池充电模块充电时的温度，然后送入处理器处理。设计的核心器件是AT89C51单片机，处理A/D转换模块和温度检测模块送过来的数据，同时，驱动LED灯显示A/D转换模块的锂电池充电量。数码显示部分则是用两个数码管，用来显示0099，分为100份，表示充电量占所需充电的百分比。而蜂鸣器则是当充电完毕后报警所用。锂电池充电模块A/DTLC54918B20AT89C51数码显示管蜂鸣器图2锂电池管理系统硬件总体结构设计22电压监测模块设计A/D转换模块采用片型小，采样速度快，功耗低，价格便宜，控制简单的TLC549芯片，主要用来采集锂电池的充电量的多少，并把这个模拟量转化为数字量，然后送入AT89C51单片机进行处理。221TLC549概述TLC549是美国德州仪器公司生产的8位串行A/D转换器芯片，可与通用微处理器、控制器通过I/OCLOCK、/CS、DATAOUT三条口线进行串行接口。具有4MHZ片内系统时钟和软、硬件控制电路，转换时间最长17US，TLC549允许的最高转换速率为40000次/S，总失调误差最大为05LSB，典型功耗值为6MW，采用差分参考电压高阻输入，抗干扰，可按比例量程校准转换范围，VREF接地，VREFVREF1V，可用于较小信号的采样。TLC549是以8位开关电容逐次逼近A/D转换器为基础而构造的CMOSA/D转换器。它设计成能通过3态数据输出和模拟输入与微处理器或外围设备串行接口。TBL549仅用输入或输出时钟（I/OCLOCK）和芯片选择（）输入作数据控制。它的I/OCSCLOCK输入频率最高可达11MHZ。TLC549提供了片内系统时钟，它通常工作在4MHZ且不需要外部元件。片内系统时钟使内部器件的操作独立于串行输入/输出的时序并允许TLC549像许多软件和硬件所要求的那样工作。I/OCLOCK和内部系统时钟一起可以实现调整数据传送以及对于TLC549为每秒40000次转换的转换速度。TCL549的其它特点包括通用控制逻辑，可自动工作或在微处理器控制下工作的片内采样保持电路，具有差分高阴抗基准电压输入端、易于实现比率转换（RATIOMETRICCONVERSION）的高速转换器，定标SCALING以及逻辑和电源噪声隔离的电路。整个开关电容逐次逼近转换器电路的设计允许在小于17S的时间内以最大总误差为05最低有效位（LSB）的精度实现转换。它的工作温度范围为0至70。222TLC549工作原理TLC549是在单个芯片内完善的数据采集系统。每一个器件包含内部系统时钟，采样和保持，8位A/D转换器，数据寄存器以及控制逻辑电路。为了提高灵活性和访问速度，器件有两个控制输入I/OCLOCK和芯片选择（）。这些控制输入和与TTL兼CS容的3态输出易于与微处理器或小型计算机的串行通信。器件可在17S或更短的时间内完成转换。TBL549每25S重复一次输入转换输出周期。内部系统时钟和I/OCLOCK独立使用且不需要任何特定的速度或二者之间的相位关系。这种独立性简化了器件的硬件和软件控制任务。由于这种独立性和系统时钟的内部产生，控制硬件和软件只需关心利用I/O时钟读出先前转换结果和启动转换。内部系统时钟以这种方式驱动转换电路以便控制硬件和软件不需要涉及此项任务。当为高电平时，DATAOUT处于高阴状态且I/OCLOCK（I/O时钟）被禁止。当CS使用另外的TLC549器件时，这种控制功能允许I/OCLOCK与其计数部件CS（COUNTERPART）端共用同样的控制点。当使用多个TLC549器件时，这也用于例所需的控制逻辑端为最少。控制时序已设计成使启动转换与取得转换结果所需的时间和工作为最少。正常控制时序为（1）被拉至低电平。为了使端噪声所产生的误差为最小，在识别低跳变之CSCS前，内部电路在之后等待内部系统时钟两个上升沿与其后的下降沿。然而，由于上升沿的作用，即使直到经历了TSCCS时间，其余的集成电路仍不识别跳变DATAOUT也将在TDIS之内变为高阻状态当器件用于噪声环境中时，这种技术可用来保护器件使其免受噪声的影响当变为低电平时，前次转换结果的最高有效位S（MSB）开始出现在DATAOUT端。（2）前4个I/OCLOCK周期的下降沿输出前次转换结果的第2、第3、第4和第5个最高有效位。在I/OCLOCK第4个高电平至低电平的跳变之后，片内采样和保持电路开始对模拟输入采样。采样操作主要包括内部电容器充电到模拟输入电压的电平。（3）其后再把三个I/OCLOCK周期加至I/OCLOCK端，在这些时钟周期的下降沿，第6、第7和第8个转换位被移出。（4）最后（第8个）时钟周期被加至I/OCLOCK。此时钟周期高电平至低电平的跳变使片内采样和保持电路开始保持功能。保持功能在接着四个内部系统时钟周期内继续进行，在此之后保持功能结束且在下面32个系统时钟周期内完成转换，总共为36个周期。在第8个I/OCLOCK周期之后，必须变为高电平，否则I/OCLOCK必须保CS持低电平达至少36个系统时钟周期以供保持和转换功能的完成。在多个转换周期内可保持低电平。在多个转换周期内使保持低电平时必须特别注意防止I/OCSCLOCK线上的噪声闪变。如果在I/OCLOCK上发生闪变，那么在微处理器/控制器和器件之间的I/O时序将失去同步。此外，如果变为高电平，那么它必须保持高电平直S到转换结束为止。否则，的有效高电平至低电平跳变将引起复位，它使正在进行的CS转换失败。在36个系统时钟周期发生之前，通过完成步骤1至4可以启动新的转换，同时正在进行的转换中止。此操作产生先前的转换结果而不是正在进行的转换结果。223TLC549与单片机接口的设计TLC549可方便地与具有串行外围接口（SPI）的单片机或微处理器配合使用，也可与51系列通用单片机连接使用。TLC549是8位串行输出A/D转换芯片。与单片机AT89C51的接口电路见图3所示，其中REF和REF为差分输入，AIN为模拟信号输入端，CLK为时钟信号输入端，CS为转换控制端，D0为转换数据输出端。图3TLC与单片机的接口设计TLC549的工作时序见图4工作过程为当CS由高电平为低电平后，上一次转换的结果出现在D0端，由CPU来取走转换结果，并在第四个CLK的下降沿开始对本次模拟输入采样；在第8个时钟周期的下降沿，片内的采样保持电路进行保持，同时将CS拉高，确保在接下来的36个周期内完成模拟量到数字量的转换。TLC549通过CS、CLK和D0这3个引脚与CPU相连。与并行A/D转换器相比，其接口简单，占用CPU资源较少。图4TLC的工作时序图23温度检测模块的设计DS118B20温度传感器是美国DALAAS公司生产的一种高精度单总线温度传感器，它把温度信号直接转换成串行数字信号供微机处理。并且可根据实际需要通过简单的编程实现912位数字量的转换。具胡测量精确度高、可靠性好、抗干扰能力强、传输距离远等特点。可广泛应用于高精度测量温度的各个领域。231DS18B20的主要特点（1）单线结构，只需要根信号线和CPU相连。（2）不需要外部元件，直接输出串行数据。（3）可不需要外部电源，直接通过信号线供电，电源电压范围为33V5V。（4）测温精度高，测温范围为；55125，在1085范围内，精度为05。（5）测温分辨率高，当选用12位转换位数时，温度分辨率可达00625。（6）数字量的转换精度及转换时间可通过简单的编程来控制，9位精度的转换时间9375MS；10位精度的转换时间为1875MS；12位精度的转换时间为750MS。（7）具有非易失性上、下限报警设定的功能，用户可方便地通过编程修改上、下限的数值。（8）可通过报警搜索命令识别哪片DS18B20采集的温度超越上、下限。232DS18B20的管脚排列及主要结构（1）管脚排列DS18B20的常用封装有3脚、8脚等几种形式，各脚含义如下DQ数字信号输入/输出端。GND电源地端。VDD外接供电电源输入端（在寄生电源接线时此脚应接地）。（2）内部结构简要介绍DS18B20的内部结构如图5所示主要有64位光刻ROM、温度传感器、非易失性温度报警触发器TH和TL、配置寄存器等组成。图5DS18B20内部结构图A64位光刻ROM是生产厂家给每一个出厂的DS18B20命名的产品序列号，可以看作为该器件的地址序列号。其作用是使每一个出厂的DS18B20地址序列号都各不相同，这样，就可以实现一根总线上挂接多个18B20的目的。BDS18B20中温度传感器完成对温度的测量，输出格式为16位符号位扩展的二进度补码。当测温精度设置为12位时，分辨率为00625，即00625/LSB。其二进制补码式如表1所示。表1DS18B20温度输出二进制补码温度值的低字节D7D6D5D4D3D2D1D0温度值的高字节SSSSSD10D9D8其中，S为符号位，S1，表示温度为负值；S0，表示温度为正值。例如125的数字输出为07D0H，55的数字输出为FC90H。一些温度值对应的数字输出如表2所示。CDS18B20中低温触发器TL、高温触发器TH，用于设置低温、高漫的报警数值。DS18B20完成一个周期的温度测量后，将测得的温度值和TL、TH相比较，如果小于TL，或大于TH，则表示温度越限，将该器件告警标志位置位，并对主机发出的告警搜索命令作出响应。需要修改上、下限温度值时，只需使用一个功能命令即可对TL、TH写入，十分方便。表2DS18B20一些温度值对应的数字输出温度值二进制十六进制8500000011011100000370H10125000000001010001000A2H0500000000000010000008H00000000000000000000H051111111111111000FFF8H101251111111101011110FF5FH551111110010010000FC90HDDS18B20中的高速暂存器是一个9字节的存储器，其含意如表3所示。开始两个字节为被测温度转换的精度位数、转换时间等。第7字节为测漫计数的剩余值。第8字节为测温时每度的计数值。第9字节读出的是前8个字体的CRC校验码，通过此码，可判断通讯是否正确。表3DS18B20中高速暂存器含义表暂存器内容字节地址温度最低数字位0温度最高数字位1高温上限TH2低漫下限值TL3配置寄存器4保留5计数剩余值6每度计数值7CRC校验8233DS18B20的测温工作原理DS18B20的测温原理内部计数器对一个受温度影响的振荡器的脉冲计数，低温时振荡器的脉冲可以通过门电路，而当到达某一设置高温时振荡器的脉冲无法通过门电路。计数器设置为55的值，如果计数器到达0之前，门电路未关闭，则温度寄存器的值将增加，这表示当前温度高于55。同时，计数器复位在当前温度值上，电路对振荡器的温度系数进行补偿，计数器重新开始计数直到回零。如果门电路仍然未关闭，则重复以上过程，温度表示值为9BIT，高位为符号位，其结构如图6所示。图6符号扩展位对DS18B20的使用，多采用单片机实现数据采集。处理时，将DS18B20信号线与单片机一位口线相连，单片机可挂接多片DS18B20，从而实现多点温度检测系统。234DS18B20的操作（1）ROM操作命令A读命令（33H）通过该命令主机可以读出DS18B20的ROM中的8位系列产品代码，48位产品序列号和8位CRC校验码。该命令仅限于单个DS18B20在线的情况。B选择定位命令（55H）当多片DS18B20在线时，主机发出该命令和一个64位数，DS18B20内部ROM与主机一致者，才响就命令。该命令也可用于单个DS18B20的情况。C查询命令（0F0H）该命令可查询总线上DS18B20的数目及其64位序列号。D跳过ROM序列号检测命令（0CCH）该命令允许主机跳过ROM序列号检测而直接对寄存器操作，该命令仅限于单个DS18B20在线的情况。E报警查询命令（0ECH）只有报警标志置位后，DS18B20才相应该命令。（2）存储器操作命令A写入命令（4EH）该命令可写入寄存器的第2、3、4字节，即高低温寄存器和配置寄存器。复位信号发出之前，三个字节必须写完。B读出命令（0BEH）该命令可终止读出。C开始转换命令（44H）该命令使DS18B20立即开始温度转换，当温度转换正在进行时，主机这时读总线将收到0；当温度转换结束时，主机这时读总线将收到1。若用信号线给DS18B20供电，则主机发出转换命令后，必须提供至少相应于分辨率的温度转换时间的上拉电平。D架设命令（0B8H）该命令把EEROM中的内容写到寄存器TH、TL及配置寄存器中。DS18B20上电时能自动写入。E复制命令（48H）该命令把寄存TH、TL及配置寄存器中的内容写到EEROM中。F读电源标志命令（0B4H）主机发出该命令后，DS18B20将进行响应，发送电源标志，信号线供电发0，外接电源发1。（3）DS18B20的复位及读写时序A复位对DS18B20操作之前，首先要将它复位。复位时序为主机将信号线置为低电平，时间为480960S。主机将信号线置为高电平，时间为1560S。DS18B20发出60240S的低电平作为应答信号。主机收到此信号后，才能对DS18B20作其它操作。B写操作主机将信号线从高电平拉至低电平，产生写起始信号，在1560S的时间内DS18B20对信号线检测，如信号线为高电平，则写1，如信号线为0，则写0，从而完成了一个写周期。在开始另一个周期前，必须有1S以上的高电平恢复期。C读操作主机将信号线从高电平拉至低电平1S以上，再使数据线升为高电平，产生读起始信号。从主机将信号线从高电平拉低至低电平起1560S的时间内，DS18B20将数据放到信号线上，供主机读取。从而完成一个读周期。在开始另一个读周期前，必须有1S以上高电平恢复期。235DS18B20与单片机的接口电路DS18B20与单片机构成温度检测系统的接口电路图如图7所示。如图7所示采用寄生电源供电方式。为保证有效的DS18B20时钟周期内，提供足够的电流，用一个MOSFET管和89C51的一个I/O口（P10）来完成对DS18B20的总线上拉。当DS18B20处于写存储器操作和温度A/D变换操作时，总线上必须有强的上拉，上拉开启时间最大为10S。采用寄生电源供电方式时VDD必须接地。由于单线制只有一根线，因此发送接收口必须是三态的，为了操作方便我们用89C51的P11口作为发送口TX，P12口作接收口RX。图7DS18B20与单片机的接口电路无论是单点还是多点温度检测，在系统安装及工作之前，应将主机逐个与DS18B20挂接，读出其序列号。其工作过程为主机TX发一个脉冲，待“0”电平大于480S后，复位DS18B20，待DS18B20所发响应脉冲由主机RX接收后，主机TX再发读ROM命令代码33H（低位在前），然后发一个脉冲（15S）并接着读取DS18B20序列号的一位。用同样的方法读取序列号的56位。对于系统的DS18B20总体流程分三步完成首先系统通过反复操作，搜索DS18B20序列号；然后启动所有在线DS18B20做温度A/D变换；再读出在线DS18B202变换后的温度数据。24数码管显示电路设计数码显示部分主要是利用七段数码管来显示DS1820所测得的电池充电量的多少，经过单片机的处理，在七段数码管上显示出来，用两个数码管来显示，分别为0099，表示已充电量占所需充电量的百分比。关于七段数码管的引脚图如图8所示。图8七段LED数码管引脚图关于数码管电路图如图9所示。图9数码管电路图图9中的A,B,C,D,E,F,G分别与单片机的P0006口相连，通过单片机软件解码来控制显示数字的形状。25报警电路设计报警电路部分采用蜂鸣器在锂电池充满电的情况下进行报警。蜂鸣器发声原理是电流通过电磁线圈，使电磁线圈产生磁场来驱动振动膜发声的，因此需要一定的电流才能驱动它，单片机IO引脚输出的电流较小，单片机输出的TTL电平基本上驱动不了蜂鸣器，因此需要增加一个电流放大的电路，通过一个三极管C8550来放大驱动蜂鸣器。其电路如图10所示。图10蜂鸣器报警电路如图所示，蜂鸣器的正极接到VCC（5V）电源上面，蜂鸣器的负极接到三极管的发射极E，三极管的基级B经过限流电阻R1后由单片机的P37引脚控制，当P37输出高电平时，三极管T1截止，没有电流流过线圈，蜂鸣器不发声；当P37输出低电平时，三极管导通，这样蜂鸣器的电流形成回路，发出声音。因此，可以通过程序控制P37脚的电平来使蜂鸣器发出声音和关闭。程序中改变单片机P37引脚输出波形的频率，就可以调整控制蜂鸣器音调，产生各种不同音色、音调的声音。另外，改变P37输出电平的高低电平占空比，则可以控制蜂鸣器的声音大小，这些都可以通过编程实验来验证。3结束语本文针对锂离子电池组在便携设备中日益广泛应用，及锂离子电池组管理系统的现状与应用问题，开发设计了一种安全可靠、经济适用的锂离子电池智能管理系统。尽管锂离子电池问世只有十多年的时间，但己经普遍应用于各种便携式电子设备中，如笔记本计算机、摄像机、掌上电脑和智能电话等。随着信息化社会的不断发展，锂离子电池将会在通信、汽车电子、仪器仪表、航空和海洋探索等各个领域得到更深层次的开发应用。因此研究锂离子电池的特点，掌握其应用方法，对扩展其在电子设备中的应用，有着重要而实际的意义。文中详细阐述了本课题设计过程中使用的技术基础和要点，通过学习和研究，确定了本系统中使用的具体方法和实现方式。在此基础之上，综合考虑系统实际应用需求，提出了电池管理系统的总体设计方案，并从硬件方面进行了设计实现。时代的进步，科技的发展，使得越来越多的电子产品出现在人们的生活当中。随着这些电子产品的日益普及，其对化学电源提出了更高更新的要求体积小、质量轻、能量大、安全性好、无污染。锂离子电池作为本世纪90年代新发展起来的绿色能源，也是我国能源领域重点支持的高新技术产业，以其高可逆容量、高电压、高循环性能和高能量密度等优异性能而备受世人青睐，成为这些电子产品的理想电源，并得到广泛应用。本系统由TLC549数模转换器，DS18B20数字温度计，AT89C51单片机和7段数码管，报警器构成。初步验证了采样电路、充电电路及控制电路的正常工作，单片机系统完成了对模拟信号的采集与转换，按照软件流程设计，基本实现系统主要功能。但由于受实验条件、设备及时间的限制，尚不能对系统所有功能进行完整而全面的验证。因此，在接下来的时间里，仍需继续努力，不断优化系统软硬件设计，以期取得更大的研究成果。参考文献1潘靖锂电池智能管理系统学位论文浙江大学200472周志敏，周纪海，纪爱华便携式电子设备电源设计与应用第1版北京二人民邮电出版社20073王国华，王鸿麟，羊彦，周小军便携电子设备电源管理技术第1版西安西安电子科技大学出版社20044沙占友新型单片开关电源的设计与应用第1版北京电子工业出版社20015周志敏，周纪海，纪爱华充电器电路设计与应用第1版人民邮电出版社20056刘霞，邹彦艳，金梅，李玉春锂电池电量的动态预测大庆石油学院学报20047郭炳馄，徐徽，王先友，肖立新锂离子电池第1版中南大学出版社