【电子信息科学与技术】基于stc89c52的智能锂电池充电器设计

本科毕业论文设计题目基于STC89C52的智能锂电池充电器设计专业名称电子信息科学与技术教师职称副教授2009年11月13日基于STC89C52的智能锂电池充电器设计摘要该充电器是以STC89C52单片机为控制核心，通过单片机产生PWM信号来控制锂离子电池充电电路。在实际充电时，锂离子电池与BUCK转换器连接，PWM信号控制BUCK转换器的开和关来实现电池的充电。由于使用了LCD液晶显示屏，充电器可以显示时间日期、锂离子电池的充电电压、充电电流和锂离子电池的环境温度等状态信息。为了实现高精度的充电控制，本充电器系统采用PWM脉宽调制技术，通过BUCK转换器的开和关，从而改变锂离子电池充电电压的方法来实现精确的充电控制，确保锂电池不会过充、过热而损坏，大大提高安全性能，延长了锂电池的使用寿命。该智能锂电池充电器采用了开关电源技术，实现了高效的充电功能，具有电路稳定性强、控制精度高、易于软件升级等特点。关键词智能充电器；PWM；数字电位器；X9313；开关电源；THESTC89C52BASEDDESIGNOFINTELLIGENTLIIONBATTERYCHARGERABSTRACTTHECHARGERISSTC89C52MICROCOMPUTERTOCONTROLTHECORE,THROUGHTHEMICROCONTROLLERGENERATEDPWMSIGNALTOCONTROLTHELITHIUMIONBATTERYCHARGINGCIRCUITINPRACTICE,CHARGING,LITHIUMIONBATTERYCONNECTEDWITHTHEBUCKCONVERTER,PWMSIGNALCONTROLBUCKCONVERTERONANDOFFTOACHIEVETHEBATTERYCHARGEASTHEUSEOFLCDLIQUIDCRYSTALDISPLAY,THECHARGERCANDISPLAYTHETIMEANDDATE,LITHIUMIONBATTERYCHARGEVOLTAGE,CHARGECURRENT,ANDLITHIUMIONBATTERYSTATUSINFORMATIONSUCHASTHEAMBIENTTEMPERATUREINORDERTOACHIEVEHIGHPRECISIONCHARGECONTROL,THECHARGERSYSTEMUSESTHEPWMPULSEWIDTHMODULATIONTECHNOLOGY,THROUGHTHEBUCKCONVERTERONANDOFF,THEREBYCHANGINGTHEVOLTAGEOFLITHIUMIONBATTERYCHARGINGMETHODTOACHIEVEPRECISECHARGECONTROL,TOENSURETHATLITHIUMBATTERIESARENOTSOCHARGE,THERMALDAMAGE,GREATLYIMPROVESAFETYPERFORMANCE,EXTENDEDBATTERYLIFETHISINTELLIGENTLIIONBATTERYCHARGERUSINGSWITCHINGPOWERSUPPLYTECHNOLOGYTOACHIEVEANEFFICIENTCHARGINGFUNCTION,WITHTHECIRCUITHIGHLYRELIABLE,HIGHCONTROLPRECISION,EASYSOFTWAREUPGRADESANDSOONKEYWORDSINTELLIGENTCHARGERPWMDIGITALPOTENTIOMETERX9313SWITCHINGPOWERSUPPLY目录引言11设计任务及总体方案选择211设计任务及要求212总体方案的确定22系统硬件配置说明721主控制芯片STC89C52RC介绍722ADC0832模数转换芯片的介绍823温度传感器DS18B20的介绍1024LCD液晶显示器的介绍1125数字电位器X9313的介绍133系统硬件电路设计1531主控制器电路1532串口通信电路1633充电电路1734电压电流采集电路1835温度采集电路1935液晶显示电路2036数字电位器对比度调节电路2137时钟芯片电路2138按键与指示灯电路2239系统电源电路22310系统硬件总体电路234系统软件程序设计2541系统软件设计说明2542主程序软件流程图2543液晶显示器程序流程图2844温度传感器程序流程图2945时钟芯片程序流程图3146ADC0832程序流程图3247VB上位机程序设计335系统调试35结束语1参考文献1附录2致谢1引言随着现代社会的迅速发展，科学技术的不断进步，人们的消费水平也越来越高。电子数码类产品发展很快，手机、PDA、MP3和数码相机等便携式数码产品成了很多人的消费首选。鉴于产品使用的灵活性以及方便性的需要，锂电池在便携式设备中应用非常广泛。许多产品都把可充电锂电池作为主要的能量来源。锂电池充电系统要求较高精度的充电控制方法，但是由于成本的提高，很多便携式产品所配备的锂电池充电器都不能很好的对锂电池进行充电，常常造成锂电池的过充而减少锂电池的寿命或者欠充而不能很好的发挥锂电池的各种优势。鉴于上述问题，本文设计了一款基于STC89C52单片机的智能锂电池充电器，从而实现了对锂电池的高精度充电控制，确保锂电池不会过充、过热而损坏，大大提高安全性能，延长了锂电池的使用寿命。该智能锂电池充电器配上LCD液晶显示各种充电信息，具有体积小、电路稳定性强、系统可靠性高、控制精度高、操作简便、易于软件升级等特点。1设计任务及总体方案选择11设计任务及要求针对现有便携式设备商普通锂电池充电器的问题和不足，如无法精确控制充电过程，容易造成锂电池的过充与欠充，充电时间长且效率低等，设计了具有如下性能指标和功能的智能锂电池充电器。智能锂电池充电器的主要性能指标和功能如下A对最常用的一粒37V锂电池进行充电。B具有过压保护，欠压停充，充满电转脉冲充电，过热保护功能。充电电压检测精度为02V。CLCD液晶显示实际充电电压、电流、充满提醒等状态信息。D具有通信能力，可通过电脑串口接收充电状态信息，同时也可以通过串口下载程序到单片机里，对系统软件进行升级。12总体方案的确定121锂离子电池及其充电原理（1）锂离子电池特性便携式电子设备对电池提出了许多独特的要求，如电池必须具有高能量密度，以为便携式应用提供源源不断的能量；电池重量要轻，占面积要小；电池应能够安全地使用和防止可能的滥用，并具有无限的闲置使用寿命；电池应该具有极低的成本。所以几乎所有高性能便携式产品都会使用包括锂离子聚合物电池在内的可再充电锂离子电池，这么做的理由非常充分。与其它可再充电电池相比，锂离子电池有较高的能量密度、较高的电池电压、自放电少、周期寿命非常长，而且环保且充电和维护简单。另外，由于其具有相对高的电压29V至42V，因此很多便携式产品都能用单节电池工作，从而简化了产品总体设计。锂电池已经成为当前便携式电子设备的首选电池。因锂离子电池具有较高的能量密度加上较高的电池电压的化学特性，使人们能制造出较小且较轻的电池。但是，为了有效利用这种电池的容量和延长的电池寿命，需要极其严格地控制充电参数。延长电池寿命的关键是选择合适的电流、电压和温度等充电参数。在充电期间所施加电压的精度对于电池的效率和寿命起到非常重要的作用。超过端接电压会导致过度充电，短期看是增加了电池的可用性，但是长期看将会引起电池失效，并且可能导致安全问题。过度充电的影响是累积性的。每提高1的充电端电压，初始容量会提高约5。这种短期提高对于电池的充电/和放电周期具有严重的后果。过度充电会引起的充电周期缩短。充电不足虽然不会引起安全问题，但是会大大降低电池的容量。（2）锂离子电池充电方法锂离子电池的充电方法有很多种。最简单的锂离子电池充电器通常指的是恒压（CV）充电器。它由与电池两端相连的一个电流受限的恒压源组成。它的电流被限制在可充锂电池的电池容量以下，输出电压调节为电池终止电压（碳阳极电池是41V，石墨阳极电池是42V）。能量耗尽的电池将尽可能地吸收充电电源提供的电流。在给电池充电时，电池两端的电压将会上升，而充电电流将逐渐变小。当充电电流下降到01C以下时，可以认为电池已经被充满。因为不主张均流充电（TRICKLECHARGE），所以当充电结束时，充电器必须完全关闭或断开。为防止有缺陷的电池被不确定的电流充电，应使用后备定时器来终止充电过程。虽然恒压充电是一种成本相对较低的方法，但它却需要很长的充电时间。由于电源电压保持恒定，随着电池不断被充电，充电电流将会迅速下降，从而使充电的速度也迅速下降。然后，给电池充电的电流速率将远低于它可以承受的电流速率。一种更快的充电方法是恒流/恒压（CC/CV）充电。当开始充电时，CC/CV充电器首先选择施加一个等价于电池容量C的恒定电流。为防止在恒流充电周期中过充电，需要监视电池封装两端的电压。当电压上升到给定的终止电压时，电路切换到恒压源工作模式。即使电池封装两端的电压达到终止电压，但因为在电池端至电池芯之间的ESR上存在电压降，所以实际的电池电压将低于终止电压。在恒流充电期间，电池能以接近其终止电压的高电流速率充电，且不会有任何被施加高电压和发生过充电的危险。经恒流充电后，电池的容量将达到其额定值的85。在恒流周期结束后，充电器切换到恒压周期。在恒压周期，充电器通过监视充电电流来决定是否结束充电。与恒压充电器一样，当充电电流减小到电池的01C以下时，充电周期结束。尽管实现CC/CV充电方方法需要更加复杂的电路但因为它可以显著减少充电时间。所以，本文设计的智能充电器采用了CC/CV的充电方法，从而高效的对锂离子电池进行精确的充电。锂离子电池充电器的所充电的对象并非总是质量好的电池，实际上，被充电的电池可能有缺陷而不能接受充电。此为，试图对有缺陷的电池进行快速充电可能会产生安全隐患。理想的充电器必须能够检测所有可能的电池故障模式，并有针对性地进行充电。如果锂离子电池的温度超出了指定的温度范围，那么给它充电将是不安全的。目前，所有充电器都必须跟踪电压的变化，而CC/CV充电器甚至需要跟踪电流和电压。在提高充电器效率和延长电池寿命的同时不能忽略潜在的安全问题，这就需要更智能的充电控制。为防止因意外把反向电压施加到电池上，所有锂离子电池都包含一些保护电路。一般来说，保护功能包括防止过放电、过充电、过大的充/放电电流，以及避免电池被施加高电压。在电池的充电或放电期间，如果任何参数超过了特定电池设置的限制值，电池芯与电池终端之间的连接将断开。通常，当反向电压被撤除或电池被预置之后，经过一段时间，充电器将复位。122智能锂电池充电器的系统组成和原理该智能锂电池充电器主要由主控制器模块、BUCK转换器充电模块、显示模块、温度检测模块、电压检测模块、电流检测模块、模数转换模块、时钟模块、键盘模块、电源模块组成。系统框图如图1。主控制器STC89C52单片机显示模块LCD1602键盘输入模块温度传感器DS18B20时钟日期芯片DS1302ADC0832A/D转换模块电压电流BUCK转换电路PWM控制锂离子电池系统电源模块PC串口通信RS232图1系统整体框图图一中充电器的主控制器为STC89C52单片机，显示模块为LCD1602液晶显示模块，温度检测模块为DS18B20组成的检测电路，电压和电流检测模块由A/D转换集成芯片ADC0832以及精密电阻组成，时钟模块由芯片DS1302来实现。该智能锂电池充电器的原理是以STC89C52单片机为主控制核心，通过单片机内部定时器模块产生PWM信号来驱动并控制锂离子电池充电电路。在实际充电时，锂离子电池与BUCK转换器连接，PWM信号控制BUCK转换器的开和关来实现电池的充电。模数转换芯片ADC0832将采集到的电压和电流信号传递给单片机进行处理，单片机将处理好的信号通过LCD液晶显示模块显示出来。芯片DS1302产生时间日期信号数据也传递给单片机处理。LCD液晶显示屏负责显示时间日期、锂离子电池的充电电压、充电电流和锂离子电池的环境温度等状态信息。使用者可以通过键盘对显示信息进行切换控制等功能。为了实现高精度的充电控制和保证充电电压的稳定，本充电器系统采用PID算法控制和PWM脉宽调制相结合的技术，通过BUCK转换器的开和关，从而改变锂离子电池充电电压的方法来实现精确的充电控制，确保锂电池不会过充、过热而损坏，大大提高安全性能，延长了锂电池的使用寿命。该智能锂电池充电器采用了开关电源技术，实现了高效的充电功能，具有体积小、电路稳定性强、系统可靠性高、控制精度高、操作简便、易于软件升级等特点。2系统硬件配置说明21主控制芯片STC89C52RC介绍STC89C52RC是新一代超强抗干扰、高速、低功耗的单片机，指令代码完全与传统的8051单片机相容。机器周期有12时钟和6时钟两种，且可以任意选择。211STC89C52RC特点1增强型6时钟/机器周期，12时钟/机器周期，8051CPU2工作电压55V34V（5V单片机）3工作频率范围040MHZ，相当于8051的080MHZ。实际工作频率可达48MHZ4用户应用程序空间为8K字节5片上集成512字节RAM6通用I/O口（32/36个），复位后为P1/P2/P3/P4是准双向口，弱上拉。P0口是开漏输出，作为总线扩展用时，不用加上拉电阻；作为I/O口用时，需要上拉电阻7ISP（在系统可编程）/IAP（在应用可编程），无需专用编程器/仿真器，可通过串口（P30/31）直接下载用户程序8具有EEPROM功能9具有看门狗功能10共3个16位定时器/计数器。定时器T0、T1、T211外部中断4路，下降沿中断和或低电平触发中断，POWERDOWN模式可由外部中断低电平触发中断方式唤醒12通用异步串行口（UART）工，还可用定时器软件实现多个UART13工作温度范围07014PDIP封装212STC89C52RC引脚图及说明图2STC89C52RC引脚图22ADC0832模数转换芯片的介绍221芯片介绍ADC0832是一种8位分辨率、双通道A/D转换芯片。由于它体积小，兼容性强，性价比高而深受单片机爱好者及企业欢迎，其目前已经有很高的普及率。学习并使用ADC0832可是使我们了解A/D转换器的原理，有助于我们单片机技术水平的提高。ADC0832具有以下特点8位分辨率；双通道A/D转换；输入输出电平与TTL/CMOS相兼容；5V电源供电时输入电压在05V之间；工作频率为250KHZ，转换时间为32S；一般功耗仅为15MW；8P、14PDIP（双列直插）、PICC多种封装；商用级芯片温宽为0CTO70C，工业级芯片温宽为40CTO85C；芯片接口说明CS_片选使能，低电平芯片使能。CH0模拟输入通道0，或作为IN/使用。CH1模拟输入通道1，或作为IN/使用。GND芯片参考0电位（地）。DI数据信号输入，选择通道控制。DO数据信号输出，转换数据输出。CLK芯片时钟输入。VCC/REF电源输入及参考电压输入（复用）。ADC0832与单片机的典型接口电路图3ADC0832与单片机的典型接口电路图ADC0832为8位分辨率A/D转换芯片，其最高分辨可达256级，可以适应一般的模拟量转换要求。其内部电源输入与参考电压的复用，使得芯片的模拟电压输入在05V之间。芯片转换时间仅为32S，据有双数据输出可作为数据校验，以减少数据误差，转换速度快且稳定性能强。独立的芯片使能输入，使多器件挂接和处理器控制变的更加方便。通过DI数据输入端，可以轻易的实现通道功能的选择。222ADC0832的控制时序ADC0832时序说明请见图4。图4ADC0832时序图作为单通道模拟信号输入时ADC0832的输入电压是05V且8位分辨率时的电压精度为1953MV。如果作为由IN与IN输入的输入时，可是将电压值设定在某一个较大范围之内，从而提高转换的宽度。但值得注意的是，在进行IN与IN的输入时，如果IN的电压大于IN的电压则转换后的数据结果始终为00H。23温度传感器DS18B20的介绍美国DALLAS半导体公司的数字化温度传感器DS18B20是世界上第一片支持“一线总线”接口的温度传感器，全部传感元件及转换电路集成在形如一只三极管的集成电路内。一线总线独特而且经济的特点，使用户可轻松地组建传感器网络，为测量系统的构建引入全新概念。231DS18B20的主要特性（1）适应电压范围更宽，电压范围3055V。（2）独特的单线接口方式，DS18B20在与微处理器连接时仅需要一条口线即可实现微处理器与DS18B20的双向通讯。（3）DS18B20支持多点组网功能，多个DS18B20可以并联在唯一的三线上，实现组网多点测温。（4）温范围55125，在1085时精度为05。（5）可编程的分辨率为912位，对应的可分辨温度分别为05、025、0125和00625，可实现高精度测温。（6）在9位分辨率时最多在9375MS内把温度转换为数字，12位分辨率时最多在750MS内把温度值转换为数字，速度更快。（7）测量结果直接输出数字温度信号，以“一线总线“串行传送给CPU，同时可传送CRC校验码，具有极强的抗干扰纠错能力。（8）负压特性电源极性接反时，芯片不会烧毁，但不能正常工作5。232DS18B20的外形及引脚图DS18B20的外形及管脚排列如下图5所示。图5DS18B20外形及引脚排列图DS18B20引脚说明1GND为电源地；2DQ为数字信号输入/输出端；3VDD为外接供电电源输入端（在寄生电源接线方式时接地）。24LCD液晶显示器的介绍液晶屏显示模块与数码管相比，它显得更为专业、漂亮。液晶显示屏以其微功耗、体积小、显示内容丰富、超薄轻巧、使用方便等诸多优点，在通讯、仪器仪表、电子设备、家用电器等低功耗应用系统中得到越来越广泛的应用，使这些电子设备的人机界面变得越来越直观形象，目前已广泛应用于电子表、计算器、IC卡电话机、液晶电视机、便携式电脑、掌上型电子玩具、复印机、传真机等许多方面。LCD液晶显示器，主要分为两类，一种是字符模式LCD，另一种是图形模式LCD。其中，字符模式LCD是点阵型液晶显示器，专门用来显示字母、数字、符号等。LCD1602外观如图6。图6LCD1602实物图241LCD模块的引脚1602LCD，每行可以显示16个字符，可显示的行数为了2行，有16只引脚，其中数据线DB0DB7与控制信号线RS、R/W、E用来与单片机连接，另外3只引脚为电源线VSS、VDD、VO，各引脚功能如表1所示表1LCD引脚功能引脚符号功能说明1VSS接地2VDD5V3V0显示屏明亮度调整脚，一般将此脚接地4RS寄存器选择0指令寄存器（WRITE），BUSYFLAG，位置计数器（READ）1数据寄存器（WRITE，READ）5R/WREAD/WRITE选择1READ0WRITE6E读写使能，下降沿使能7DB08DB19DB210DB3低4位三态，双向数据总线11DB412DB513DB614DB7高4位三态，双向数据总线DB7也是一个BUSYFLAG15BLA背光源正极16BLK背光源负极242寄存器选择LCD内部有两个寄存器，一个指令寄存器IR，另一个是数据寄存器DRIR用来存放由微控制器所送来的指令代码，如光标归位，清除显示等；DR用来存放欲显示的数据显示的次序是先把欲存放数据的地址写入IR，再把欲显示的数据写入DR，DR就会自动把数据送至相应的DDRAM或CGRAM地址，DDRAM是显示数据的存储器，用来存放LCD的显示数据；CGRAM是字符产生器，用来存放自己设计的57点图形的显示数据表2LCD寄存器的选择ER/WRS功能说明100写入命令寄存器101写入数据寄存器110读取忙碌标志及RAM地址111读取RAM数据0XX不动作当RS0时，选择指令寄存器；RS1时，选择数据寄存器。当R/W0时，数据写入LCD控制器；当R/W1，到LCD控制器读取数据。E高电位使能信号线。25数字电位器X9313的介绍251X9313的特性X9313非易失性数字电位器是机械式电位器理想替代产品。X9313端电压5V，32抽头，是一个包含有31个电阻单元的电阻阵列。在每个单元之间和二个端点都可以被滑动单元访问的抽头点。滑动单元的位置由、U/和三个输入端控制。滑动端的位置可以被贮存在一个非易失性存储器中，因而在下一次上电工作时可以被重新调用。X9313的分辨率等于最大的电阻值除以31。例如X9313W10K的每个抽头间的阻值为323。X9313特性如下三线式接口；32个滑动抽头点；滑动端位置储存于非易失性存储器之中，可在上电时重装载；31个电阻单元；有温度补偿；20端点到端点阻值范围；241X9313的引脚图X9313的引脚图如图7所示，一般采用DIP封装。图7X9313引脚图3系统硬件电路设计该智能锂电池充电器主要由主控制器模块、BUCK转换器与PWM充电控制模块、显示模块、温度检测模块、电压检测模块、电流检测模块、模数转换模块、时钟模块、键盘模块、电源模块组成。硬件电路简单，操作方便，系统由STC89C52单片机进行充电控制，对电池温度、电压、电流进行检测，从而达到对锂电池的高精度充电控制。安装好锂电池，电源接上后，充电器即可正常工作，当电池充满电后即可自动停止充电，并对锂电池进行保护。31主控制器电路该智能锂电池充电器的主控制器以新一代超强抗干扰、高速、低功耗的单片机STC89C52RC为核心，同时配合单片机上电复位电路，晶振电路，P0输入输出口上拉电路构成了单片机运行的核心稳定系统。主控制器电路原理图如图8示。STC89C52RC单片机的复位电路由电解电容C3、电阻R1与按键构成，实现充电器系统上电自动复位，同时也可以根据需要随时进行手动复位。STC89C52RC单片机的晶振电路由无源的石英晶体振荡器X1与相应的瓷片电容C1、C2构成。XTAL1，XTAL2两脚为单片机的时钟输入引脚。在单片机内部，XTAL1是反向放大器的输入端，该放大器构成了片内振荡器；XTAL2接至上述振荡器的反向放大器的输出端，振荡器的频率是晶体振荡器的频率。由此，可以在XTAL1，XTAL2两端跨接一个片外石英晶体或陶瓷谐振器就构成了稳定的自激振荡器。外接石英晶体时，电容C1，C2的值通常选择为30PF左右；外接陶瓷谐振器时，C1，C2的值均为47UF。接入电容C1，C2有利于振荡器起振，对频率有微调作用。振荡频率由石英晶体的谐振频率确定。一般，振荡频率范围是1212MHZ。为了减少寄生电容，更好的保证振荡器稳定可靠地工作，石英晶体或陶瓷谐振器的电容应尽可能安装得与单片机芯片靠近。本设计中，XTAL1和XTAL2端外接石英晶体作为定时元件，内部反向放大器自激振荡，产生时钟。为了让单片机可以进行无误差的串口通信，所用石英晶体的振荡频率为110592MHZ，电容C1，C2均为30PF。图8主控制器电路原理图请注意，本图8主控制器电路原理图中的单片机的各个使用的引脚均用英文网络标号标注了，后面的电路原理图中与单片机相连接均使用英文网络标号。32串口通信电路STC89C52单片机有一个全双工的串行通讯口，所以单片机和电脑之间可以方便地进行串口通讯。进行串行通讯时要满足一定的条件，RS232C规定的逻辑电平与一般微处理器、单片机的逻辑电平是不同的，电脑的串口是RS232电平的，而单片机的串口是TTL电平的。例如RS232的逻辑“1”是以315V来表示的，而单片机的逻辑“1”是以5V来表示的，两者完全不同。因此，单片机系统要和电脑的RS232接口进行通信，就必须把单片机的信号电平（TTL电平）转换成计算机的RS232C电平，或者把计算机的RS232C电平转换成单片机的TTL电平，通信时候必须对两种电平进行转换，两者之间有一个电平转换电路，所以采用了专用芯片MAX232进行转换。虽然也可以用几个三极管进行模拟转换，但是还是用专用芯片MAX232更简单可靠。我们采用了三线制连接串口，也就是说和电脑的9针串口只连接其中的3根线第5脚的GND、第2脚的RXD、第3脚的TXD。这是最简单的连接方法，但是对本设计来说已经足够使用了。串口通信电路原理图如图9示图9串口通信电路原理图33充电电路该充电器的充电电路部分由BUCK转换器电路与PWM控制电路组成。BUCK转换器主要起降压、储能的作用，由BUCK转换电路组成。BUCK转换电路原理图如图10示，BUCK电路即是降压斩波电路。图10的左端为输入，受PWM信号控制，右端为输出，与锂离子电池进行连接。BUCK转换器与PWM信号结合使用就构成了充电部分，PWM主要起开关作用。图10BUCK转换器电路原理图PWM的控制原理如图11所示，PWM信号由STC89C52单片机产生。由于图11所示电路起开关作用，这样它就可以控制BUCK转换器进行充电和储能。具体的原理为单片机产生控制信号PWM，当开关关上时（三极管Q1导通），此时电流流经电感对电容充电，从而对锂电池进行充电。当开关打开时（三极管Q1截止），此时电感通过感应电压来保持电流流动，但是它不能立刻充电，它此时通过二极管D2给电容充电，从而给锂电池充电。二极管D2选用肖特基快速恢复二极管为宜。图11报警系统原理图34电压电流采集电路智能锂电池充电器要实现对锂电池的智能充电控制，防止电压过高而过充，防止电流过大而烧坏电池，就必须实时地对被充锂电池进行电压与电流的检测，因此必须采用高精度的电压电流采集电路。本智能锂电池充电器的电压电流采集电路由模数转换电路与电阻分压网络电路组成。模数转换电路原理图如图12示，以双通道ADC0832模数转换芯片为核心，具有8位的精度和很高的转换速度。正常情况下ADC0832与单片机的接口应为4条数据线，分别是CS、CLK、DO、DI。但由于DO端与DI端在通信时并未同时有效并与单片机的接口是双向的，所以电路设计时可以将DO和DI并联在一根数据线上使用。作为单通道模拟信号输入时ADC0832的输入电压是05V且8位分辨率时的电压精度为1953MV。芯片ADC0832的模数转换参考电压VREF与其电源引脚VCC复用。图12模数转换器ADC0832电路原理图电阻分压网络电路如图13所示，该电路直接与被充锂离子电池LIBATTERY相接，充电锂电池的工作输出电压为37V。电阻R6与R7对充电电压进行分压，从中分出电压测试点CH0，小阻值电阻R8与锂电池串联，测试点CH1则为测试电流用的。CH0与CH1均分别与ADC0832的两个通道相连，从而实现对电池充电电压与电流的检测。为了提高测量精度，图6中的电阻R6、R7、R8均采用高精度的电阻。图13硬件总体电路图35温度采集电路智能锂电池充电器要实时采集被充锂电池的温度，从而判断电池温度是否过高以防止发生电池爆炸的危险。温度采集电路该模块由温度传感器DS18B20采集温度数据，由单片机处理后通过LCD1602液晶显示器显示出采集到的电池温度。由于DS18B20为单总线数字传感器，因此电路简单，不需要额外辅助电路。温度采集电路原理图如图14示图14温度采集电路原理图35液晶显示电路智能锂电池充电器要将采集到的电池电压、电流、温度信号显示出来，则需要相应的显示电路。由于LCD1602液晶显示器可以不用编码就轻松的显示出西文字符，因此该智能锂电池充电器使用LCD1602液晶显示器来作为信息状态的显示模块。LCD1602液晶显示模块很成熟，外围与单片机的接口很简单，采用8位并口连接方式，LCD1602液晶显示电路原理图如图15示图15LCD1602液晶显示电路原理图36数字电位器对比度调节电路该调节电路主要用来调节智能锂电池充电器的液晶显示器的对比度，这样可以让显示器更适合用户的视觉强度。液晶显示的对比度调节电路如果用普通的滑动电位器，使用时间久了就会产生磨损，影响稳定性。所以，对比度调节电路选用了XICOR公司推出的一种非易失性数字电位器X9313，无机械磨损，具有更久的稳定性和抗干扰性。对比度调节电路原理图如图16示，用来取代原设计中的普通滑动电位器RV1。图16对比度调节电路原理图37时钟芯片电路该时钟芯片电路用来给单片机提供时钟信号，从而让智能锂电池充电器具有时间显示的附加功能。DS1302时钟电路原理图如图17示，防止断电丢失数据，给电路装上了备用电池BAT1。图17DS1302时钟电路原理图38按键与指示灯电路该按键与指示灯电路主要是用来切换充电器液晶显示器的画面和实现一些功能设置作用。由于单片机还剩余许多IO口没有使用，因此直接使用简单的IO口检测作为按键使用。指示灯电路则由一个发光二极管与IO口组成，起到指示充电的作用。按键与指示灯电路原理图如图18示。图18按键与指示灯电路原理图39系统电源电路5V电源是该智能锂电池充电器很重要的一个部分，这里设计的电源是集成直流稳压可调电源。通过LM317可调稳压器其可调伏值为3V到12V。电源有一路输出正5V直流电压的稳压电源，IC采用集成稳压器LM7805，C12、C11、C14、C15为输入端和输出端滤波电容，D5为稳压二极管。当输出电较大时，LM317、LM7805应配上散热板。在设计过程中应先安装集成稳压电路，在安装整流滤波电路，最后安装变压器。安装一级测试一级。对于稳压电路则主要测试集成稳压器是否能正常工作。其输入端加直流电压VI12V，调节RV1，输出电压随之变化，说明稳压电路正常工作。整流滤波电路主要是检查整流二极管是否接反，安装前用万用表测量其正、反向电阻。接入电源变压器，整流输出电压VI应为正。断开交流电源，将整流滤波电路与稳压电路相连接，再接通电源，输出电压为规定值，说明各级电路均正常工作，可以经行各项性能指标测试。系统电源电路原理图如图19所示。图19系统电源电路原理图310系统硬件总体电路该智能锂电池充电器的系统硬件电路原理如图20所示，各个模块均通过电气网络标号进行连接，使电路更加简洁且清晰明了。图20系统硬件总体电路原理图4系统软件程序设计41系统软件设计说明该智能锂电池充电器的系统软件运用C语言编写，在设计中应用到KEIL编程软件及PROTEUS仿真软件。KEILC51UVISION2集成开发环境是KEILSOFTWARE,INC/KEILELEKTRONIKGMBH开发的基于80C51内核的微处理器软件开发平台，内嵌多种符合当前工业标准的开发工具，可以完成从工程建立和管理、编译、链接、目标代码生成、软件仿真及硬件仿真等完整的开发流程。尤其是C编译工具在产生代码的准确性和效率方面达到了较高的水平，而且可以附加灵活的控制选项，在开发大型项目时非常理想。PROTEUSISIS软件是来自英国LABCENTERELECTRONICS公司的EDA工具软件，在全球拥有着广泛的使用者，除了具有和其它EDA工具一样的原理布图、PCB自动或人工布线及电路仿真的功能外，其革命性的功能是，他的电路仿真是互动的，针对微处理器的应用，还可以直接在基于原理图的虚拟原型上编程，并实现软件源码级的实时调试。在软件的编写过程中，像89C51核心的单片机、模数转换芯片ADC0832、LCD1602液晶显示器、DS1302时钟芯片等在PROTEUS仿真软件中支持比较好的数字仿真模块的软件驱动程序，运用KEIL与PROTEUS联调技术，我可以边写程序边进行仿真调试，及时发现各个模块软件程序的问题所在，极大的提高了程序编写的效率。软件设计在本系统中与硬件设计一样占十分重要的部分，基本充电功能大部分是由软件完成，功能发挥部分同样需要软件的密切配合才能顺利实现。下面将重点介绍软件结构和各功能模块的设计流程。具体软件程序见附录。42主程序软件流程图在主程序模块中，采用模块化程序设计方法，需要完成对单片机和外围芯片器件的初始化以及开中断、按键扫描、充电循环控制等工作。主程序软件流程图如图21所示。图21主程序软件流程图主程序软件流程图中的初始化模块、状态采集模块、状态判断模块、充电控制模块又可以分别分解为如下流程图图22初始化模块流程图图23状态采集模块流程图图24状态判断模块流程图图25充电控制模块流程图43液晶显示器程序流程图液晶初始化程序流程图如图26所示图26液晶初始化流程图44温度传感器程序流程图温度传感器DS18B20初始化程序流程图如图27所示图27温度传感器初始化流程图图28读温度流程图流程图温度传感器DS18B20温度采集程序流程图如图28所示。45时钟芯片程序流程图时钟软件部分是锂电池充电器附加的部分，主要包括时间显示、日期显示灯。本系统采用的DS1302时钟芯片是一片时序编程芯片，根据其相应的时序要求，编出相应的驱动程序即可实现对时间信息进行处理。由于采用了硬件与编程相结合的设计方法，所以大大的提高了系统的可靠性和灵活性。相应程序的流程图如图29所示。图29时间显示子程序流程图46ADC0832程序流程图ADC0832通过串行控制时序，对锂电池的电压与电流模数转换后进行采集，由单片机处理数据并通过LCD1602液晶显示。ADC0832程序流程图如图30所示。图30ADC0832程序流程图47VB上位机程序设计该智能锂电池充电器的上位机采用VISUALBASIC语言编写，主要功能是采集锂电池充电器发送过来的电池电压，用于监控锂电池的充电曲线。VB上位机的程序界面如图31所示。图31VB上位机的程序界面5系统调试该智能锂电池充电器的LCD1602液晶显示、电池状态采集等数字程序，均是先通过PROTEUSISIS软件仿真调试通过之后再下载到单片机里进行实物调试。本充电器系统最难调节的部分就是BUCK充电电路，先使PWM,输入端接入高电平5V，然后用万用表测试100UH储能电感的输出端的电压，不断调节LM317的调整端，直到电感输出端的电压为42V（锂电池充电上限电压）。当稳定在42V电压的时候，记录ADC0832转换的数值，并在软件中进行调整，使测试的电压值与实际电压值尽量相等。当所有模数转换数值与实际值相等的时候才能准确的进行充电与异常检测程序的调试。结束语在这次论文中，先通过PROTEUS仿真软件进行仿真，论证了该系统的可行性，再通过做实物来认证系统的正确性，通过实物现象的观察，确认了系统的可靠性，系统也能够达到预期的要求。实际测试的过程中，充电效果达到基本要求，由于水平有限，还有待改进方案。参考文献1康华光电子技术基础数字部分（第五版）M北京高等教育出版社，200612康华光电子技术基础模拟部分（第五版）M北京高等教育出版社，200613曹汉房数字电路与逻辑设计M武汉华中科技大学出版社，200414谢自美电子线路设计实验测试（第三版）M武汉华中科技大学出版社200785何小艇电子系统设计M杭州浙江大学出版社200466阎石数字电子技术基础M北京高等教育出版社，20047古天祥电子测量原理M北京机械工业出版社，200468谭浩强C程序设计（第二版）M北京清华大学出版社200619靳达单片机应用系统开发实例导航M北京人民邮电出版社，2003110周志敏，周继海，纪爱华单片开关电源应用电路电磁兼容PCB布线M北京电子工业出版社，2007711张立科单片机典型外围器件及应用实例M北京人民邮电出版社，2006612INTERSILDIGITALLYCONTROLLEDPOTENTIOMETERX9313OLINTERSILWWWINTERSILCOM，2004113戴佳，戴卫恒51单片机C语言应用程序设计实例精讲M北京电子工业出版社，200614龚沛曾VISUALBASIC程序设计简明教程（第二版）M北京高等教育出版社，2001115黄智伟全国大学生电子设计竞赛电路设计M北京北京航空航天大学出版社，200612附录附录一系统电路图附录二实物制作图附录三程序INCLUDEINCLUDEINCLUDEINCLUDEINCLUDE“UNI1602H“/INCLUDE“ADC0832DIOH“INCLUDE“ADC0832H“INCLUDE“DS18B20H“DEFINEULONGUNSIGNEDLONGDEFINEUFLOATUNSIGNEDFLOATDEFINEUINTUNSIGNEDINTDEFINEUCHARUNSIGNEDCHARVOIDDISPVOLUCHARX,UCHARY,UINTNUMDISP1CHARX,Y,NUM/100048DISPSTRX1,Y,“DISP1CHARX2,Y,NUM1000/10048DISP1CHARX3,Y,NUM1000100/1048DISP1CHARX4,Y,NUM10001001048DISPSTRX5,Y,“V“VOIDMAININTNUCHARI,J,ADCNUM,BUFF16FLOATPI531415926UCHARU50UINTVNUMDELAY10LCDINIT/初始化LCDWHILE1ADCNUMREAD_TEMPERATUREDELAY50SPRINTFBUFF,“D“,ADCNUMDISPSTR0,0,BUFFSPRINTFBUFF,“S“,“0123456789ABCDEF“DISPSTR0,1,BUFF/DISPSTR0,0,“CH0“DISPSTR8,0,“CH1“/DISPSTR10,1,“V“/DISPSTR0,1,“THEADC0832DIDO“/I0I1WHILE1ADCNUMREADADC0/观察CH0仿真结果变化DISP1CHAR4,0,ADCNUM/10048DISP1CHAR5,0,ADCNUM100/1048DISP1CHAR6,0,ADCNUM1001048VNUMFLOATADCNUM5/2551000/1位整数3位小数DISPVOL1,1,VNUMADCNUMREADADC1/观察CH1仿真结果变化DISP1CHAR12,0,ADCNUM/10048DISP1CHAR13,0,ADCNUM100/1048DISP1CHAR14,0,ADCNUM1001048VNUMFLOATADCNUM5/2551000/1位整数3位小数DISPVOL8,1,VNUMDELAY100/WHILE1/LCDWRITEDATADIS16DELAY200DISP1CHAR15,0,MDELAY200DISP1CHAR8,1,TDELAY200DISPNCHAR1,0,16,DIS2DELAY500DISPSTR0,0,DELAY500LOCATEXY0,0WHILE1LCDCLRLOCATEXY0,0I0WHILEDIS1I0/显示字符“HAPPY“LCDWRITEDATADIS1IDISPHZ5,1,UINTIIDELAY50FLASH/闪动三次DELAY100/WHILE1LCDCLRLCD_POS0X10/设置显示位置为第一行第17列I0WHILEDIS1I0/显示字符“HAPPY“LCDWRITEDATADIS1IILCD_POS0X50/设置显示位置为第二行第17列I0WHILEDIS2I0LCDWRITEDATADIS2I/显示字符“NEWYEAR“IFORJ0J“UCHARJIESHU“THISISTHEEND“VOIDDISPSTRUNSIGNEDCHARX,UNSIGNEDCHARY,UNSIGNEDCHARPTRVOIDDISPNCHARUNSIGNEDCHARX,UNSIGNEDCHARY,UNSIGNEDCHARN,UNSIGNEDCHARPTRVOIDLOCATEXYUNSIGNEDCHARX,UNSIGNEDCHARYVOIDDISP1CHARUNSIGNEDCHARX,UNSIGNEDCHARY,UNSIGNEDCHARDATVOIDLCDINITVOIDVOIDLCDWRITECOMMANDUNSIGNEDCHARCMDVOIDLCDWRITEDATAUNSIGNEDCHARDATVOIDWAITFORENABLEVOIDVOIDDELAYINTVOIDDISPHZUNSIGNEDCHARX,UNSIGNEDCHARY,UNSIGNEDINTNUMVOIDFLASH/延时子程序/VOID_NOP_VOIDVOIDDELAYINTMS/延时多少毫秒INTIWHILEMSFORI0I/INCLUDEINCLUDEDEFINEULONGUNSIGNEDLONGDEFINEUINTUNSIGNEDINTDEFINEUCHARUNSIGNEDCHARSBITADCSP23/ADC0832CHIPSECLECTSBITADDIP21/ADC0832DATAINSBITADDOP21/ADC0832DATAOUTSBITADCLKP22/ADC0832CLOCKSIGNALUNSIGNEDINTADC0832UNSIGNEDCHARCHANNEL/读ADC0832函数/采集并返回UNSIGNEDINTADC0832UNSIGNEDCHARCHANNELUCHARI0UCHARJUINTDAT0UCHARNDAT0IFCHANNEL0CHANNEL2/当此2位数据为“1”、“0”时，只对CH0进行单通道转换。IFCHANNEL1CHANNEL3/当2位数据为“1”、“1”时，只对CH1进行单通道转换。ADDI1/在第1个时钟脉冲的下沉之前DI端必须是高电平，表示启始信号。_NOP_/在第2、3个脉冲下沉之前DI端应输入2位数据用于选择通道功能_NOP_ADCS0/拉低CS端_NOP_NOP_ADCLK1/拉高CLK端_NOP_NOP_ADCLK0/拉低CLK端,形成下降沿1_NOP_NOP_ADCLK1/拉高CLK端ADDICHANNEL/第二个脉冲，DI1表示双通道单极性输入_NOP_NOP_ADCLK0/拉低CLK端,形成下降沿2_NOP_NOP_ADCLK1/拉高CLK端ADDICHANNEL1/第三个脉冲，DI1表示选择通道1（CH1），DI0时选择通0（CH0）_NOP_NOP_ADCLK0/拉低CLK端,形成下降沿3ADDI1/控制命令结束_NOP_NOP_DAT0FORI0I1ADCS1/拉低CS端ADCLK0/拉低CLK端ADDO1/拉高数据端,回到初始状态DAT0IDQ0/给脉冲信号DAT1DQ1/给脉冲信号IFDQDAT|0X80DELAY184RETURNDAT/写一个字节/WRITEONECHARUNSIGNEDCHARDATUNSIGNEDCHARI0FORI8I0IDQ0DQDATDELAY185DQ1DAT1/读取温度/UCHARREAD_TEMPERATUREVOIDINIT_DS18B20WRITEONECHAR0XCC/跳过读序号列号的操作WRITEONECHAR0X44/启动温度转换INIT_DS18B20WRITEONECHAR0XCC/跳过读序号列号的操作WRITEONECHAR0XBE/读取温度寄存器