基于单片机的锂电池充电器设计

基于单片机的锂电池充电器设计基于单片机的锂电池充电器设计电子技术的快速发展使得各种各样的电子产品都朝着便携式和小型轻量化的方向发展也使得更多的电气化产品采用基于电池的供电系统目前较多使用的电池有镍镉镍氢铅蓄电池和锂电池它们的各自特点决定了它们将在相当长的时期内共存发展由于不同类型电池的充电特性不同通常对不同类型甚至不同电压容量等级的电池使用不同的充电器但这在实际使用中有诸多不便本课题设计是一种基于单片机的锂离子电池充电器在设计上选择了简洁高效的硬件设计稳定可靠的软件详细说明了系统的硬件组成包括单片机电路充电控制电路电压转换及光耦隔离电路并对本充电器的核心器件1898充电芯片AT89C2051单片机进行了较详细的介绍阐述了系统的软硬件设计以C语言为开发工具进行了详细设计和编码实现了系统的可靠性稳定性安全性和经济性该智能充电器具有检测锂离子电池的状态自动切换充电模式以满足充电电池的充电需要充电器短路保护功能充电状态显示的功能在生活中更好的维护了充电电池延长了它的使用寿命关键词充电器单片机锂电池1898LithiumBatteryChargerDesignBasedOnSingleChipAbstractElectronictechnologysfastdevelopmentcausesvariouselectronicproductsdevelopstowardportableandthesmalllightweightdirectionItalsocausesthemoreelectrificationproductstousebasedonbatteryspowersupplysystemAtpresentthemanyusesbatterieshavethenickelcadmiumthenickelhydrogentheleadaccumulatorandthelithiumbatteryTheirrespectivecharacteristichaddecidedtheywillcoexistinalongtimedevelopBecausethedifferenttypebatteryschargecharacteristicisdifferentusuallytodifferenttypeevendifferentvoltagecapacityrankbatteryusedifferentbatterychargerbutthishasmanyinconveniencesintheactualuseThistopicdesignisonekindlithiumionbatterychargerwhichisbasedonSingleChipinthedesignithaschosensuccinctlythehighlyeffectivehardwarethedesignstablereliablesoftwareexplainedindetailsystemshardwarecompositionincludingthemonolithicintegratedcircuitelectriccircuitthechargecontrolelectriccircuitthevoltagetransformationandthelightpairisolatingcircuitandtothisbatterychargerscorecomponent-1898chargechipat89C2051monolithicintegratedcircuithascarriedonthedetailedintroductionElaboratedsystemssoftwareandhardwaredesignTaketheClanguageasthedevelopmentkithascarriedonthedetaileddesignandthecodeHasrealizedsystemsreliabilitythestabilitythesecurityandtheefficiencyTheintelligencebatterychargerhastheexaminationlithiumionbatterysconditionTheautomaticcutoverchargepatternmeetswhenrechargeablebatteryschargeneedsBatterychargerhasshortcircuitprotectionfunctionThechargeconditiondemonstrationsfunctionThebatterychargerhasmadethebettermaintenancerechargeablebatteryinthelifeandlengthenedtherechargeablebatterysservicelifeKeywordsChargerSCMLithiumbattery1898目录引言1第1章绪论211课题研究的背景212课题研究的主要工作3第2章电池的充电方法与充电控制技术521电池的充电方法和充电器5com电池的充电方法5com充电器的要求和结构9com单片机控制的充电器的优点1022充电控制技术10com快速充电器介绍10com快速充电终止控制方法11第3章锂电池充电器硬件设计1431单片机电路1432电压转换及光耦隔离电路1733电源电路1834充电控制电路20com1898充电芯片20com充电控制电路的实现24第4章锂电池充电器软件设计2641程序功能2642主要变量说明2643程序流程图26结论与展望29致谢30参考文献31附录A电路原理图32附录B外文文献及其译文33附录C主要参考文献的题录及摘要40附录D主要源程序42插图清单图2-1恒流电源充电电路5图2-2准恒流充电电路5图2-3恒压充电电路6图2-4浮充方式充电电路6图2-5涓流方式的简单示意图6图2-6分阶段充电的简单示意图7图2-7－△V控制系统框图7图2-8充电电池电池电压和充电时间的关系8图2-9电池温度检测简图8图2-10电池温度和充电时间的关系9图2-11充电器结构框图10图2-12锂电池的充电特性11图2-13快速充电器原理框图12图3-16N137光耦合器18图3-2lm7805样品18图3-3LM7805内部结构框图19图3-4LM7805功能框图20图3-51898的引脚21图3-61898的典型充电电路22图3-7基于1989的智能充电器的原理图23图3-8锂离子电池充电电路25图4-1a等待外部信号输入27图4-1b外部中断程序27图4-1c定时器程序28图4-1智能充电器的程序流程图28表格清单表1-1铅酸镍镉镍氢和锂离子电池的性能比较2表4-1P3口15表4-2LED指示灯状态说明22表5-1变量及说明26引言社会信息化进程的加快对电力信息系统的安全稳定运行提出了更高的要求在人们的生产生活中各种电气电子设备的应用也越来越广泛与人们的工作生活的关系日益密切越来越多的工业生产控制信息等重要数据都要由电子信息系统来处理和存储而各种用电设备都离不开可靠的电源如果在工作中间电源中断人们的生产和生活都将受到不可估量的经济损失对于由交流供电的用电设备为了避免出现上述不利情况必须设计一种电源系统它能不间断地为人们的生产和生活提供以安全和操作为目的可靠的备用电源为此以安全和操作为目的的备用电源设备上都使用充电电池这样即使电力网停电也可利用由充电电池构成的安全和操作备用电源从容地采用其他应急手段避免重大损失的发生而对于采用充电电池供电的用电设备从生产信息供电安全角度来说充电电池在系统中处于及其重要的地位同时具体到生活方面随着社会的快速发展电子产品小型化便携化也使得充电电池越来越重要锂离子电池有较高的比能量放电曲线平稳自放电率低循环寿命长具有良好的充放电性能可随充随放快充深放无记忆效应不含镉铅汞等有害物质对环境无污染被称为绿色电池基于这些特性所以锂电池得到了迅速的发展和广泛的应用锂电池充电器是为锂离子充电电池补充能源的静止变流装置其性能的优劣直接关系到整个用电系统的安全性和可靠性指标本论文从锂电池技术特性充电技术充电器电路结构充电器典型电路和电池保护等方面多角度地阐述了充电技术发展和应用第1章绪论11课题研究的背景电池是一种化学电源是通过能量转换而获得电能的器件二次电池是可多次反复使用的电池它又称为可充电池或蓄电池当对二次电池充电时电能转变为化学能实现向负荷供电伴随吸热过程对于二次电池其性能参数很多主要有以下4个指标①工作电压电池放电曲线上的平台电压②电池容量常用单位为安时Ah和毫安时mAh③工作温区电池正常放电的温度范围④电池正常工作的充放电次数二次电池的性能可由电池特性曲线表示这些特性曲线包括充电曲线放电曲线充放电循环曲线温度曲线等二次电池的安全性可用特性的安全检测方式进行评估二次电池能够反复使用符合经济使用原则对于市场上二次电池的种类大致分为铅酸LA电池镍镉NiCd电池镍氢NiMH电池和锂离子Li–ion电池1二次电池的性能比较铅酸镍镉镍氢和锂离子电池的性能比较见表1-1表1-1铅酸镍镉镍氢和锂离子电池的性能比较电池类型工作电压V重量比能量Whkg体积比能量WhL循环次数记忆效应自放电率月铅酸电池20400～6003镍镉电池1250150400～500有15～301260～8025～3536120～1402～521重量方面以每一个单元电池的电压来看镍氢电池与镍镉电池都是12V而锂离子电池为36V锂离子电池的电压是镍氢镍镉电池的3倍并且同型电池的重量锂离子电池与镉镍电池几乎相等而镍氢电池却比较重但锂离子电池因端电压为36V在输出同电池的情况下单个电池组合时数目可减少23从而使成型后的电池组重量和体积都减小2记忆效应镍氢电池与镍镉电池不同它没有记忆效应对于镍镉电池来说定期的放电管理是必需的这种定期放电管理属于模糊状态下的被动管理甚至是在镍镉电池荷电量不确切的情况下进行放电每次放电或者使用几次后进行放电都因生产厂的不同有所差异这种烦琐的放电管理在使用镍镉电池时是无法避免的相对而言锂离子电池没有记忆效应在使用时非常方便完全不用考虑二次电池残余电压的多少可直接进行充电充电时间自然可以缩短记忆效应一般认为是长期不正确的充电导致的它可以使电池早衰使电池无法进行有效的充电出现一充就满一放就完的现象防止电池出现记忆效应的方法是严格遵循充足放光的原则即在充电前最好将电池内残余的电量放光充电时要一次充足通常镍镉电池容易出现记忆效应所以充电时要特别注意镍氢电池理论上没有记忆效应但使用中最好也遵循充足放光的原则这也就是很多充电器提供放电附加功能的原因对于由于记忆效应而引起容量下降的电池可以通过一次充足再一次性放光的方法反复数次大部分电池都可以得到修复3自放电率镍镉电池为15～3025～352～54充电方式锂离子电池已易受到过充电深放电以及短路的损害单体锂离子电池的充电电压必须严格限制充电速率蓄电池的充电电流通常用充电速率C表示C为蓄电池的额定容量例如用2A的电流对1Ah电池充电充电速率就是2C同样地用2A电流对500mAh电池充电充电速率就是4C通常不超过1C最低放电电压为27～30V如再继续放电则会损害电池锂离子电池以恒流转恒压方式进行充电采用1C充电速率充电至41V时充电器应立即转入恒压充电充电电流逐渐减小当电池充足电后进入涓流充电过程为避免过充电或过放电锂离子电池不仅在内部设有安全机构充电器也必须采取安全保护措施以监测锂离子电池的充放电状态3课题研究的意义1能进行充电前处理包括电池充电状态鉴定预处理2解决充电时间长充电效率低的问题3改善充电控制不合理而造成过充欠充等问题提高电池的使用性能和使用寿命4通过加强单片机的控制简化外围电路的复杂性同时增加自动化管理设置减轻充电过程的劳动强度和劳动时间从而使充电器具有更高的可靠性更大的灵活性且成本低1充分研究锂离子电池的充放电特性寻找有效