DZ091用单片机控制的干电池充电器[附程序+中英文翻译]
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毕业论文第 1 页 共 70 页基于单片机控制的干电池充电器设计 毕业论文第 2 页 共 70 页摘要: 本文介绍了一种用单片机控制的干电池充电器的设计过程。该充电器基于 Microchip 公司的 PIC12F683 单片机为控制核心,将PIC12F683 特有的模拟电路模块、高精度 A/D 转换、以及高速PWM 等功能运用到充电控制中,详细讲述了其硬件和软件的设计过程.关键词:碱性干电池 充电器 A/D 转换器 单片机 PIC12F683 PWM 控制Use single chip microcomputer controlling the dry battery chargerAbstract: This text introduced the design process of a dry battery charger for with machine of single chip microcomputer controlling .That chargers core is base on Microchip companys single chip microcomputer of PIC12F683 ,special emulation electric circuit mold of PIC12F683 piece, high accuracy A/ D conversion, and super-speed PWM etc. function make use ofing refreshing in the control, detailedly relating its hardware with software of single slice. Key Words: Alkaline dry battery The charger The A/D convertsSingle chip microcomputer of PIC12F683 PWM control 毕业论文第 3 页 共 70 页前 言 .3第 1 章 绪 论 .41.1 PIC 单片机 .41.1.1 PIC 系列单片机的优点 .51.1.2 所用的 PIC12F683 单片机 .61.1.3 PIC12F683 的一些主要功能模块 .71.2 所用 PIC12F683 的合理性与必要性 .111.3 充电技术概述 .11第 2 章 MPLAB 集成开发环境软件包 .122.1 MPLAB 软件介绍 .132.2 MPLABICD 在线调试工具套件及其应用 .142.3 MPLABICD 套件中包含以下几种部件: .15第 3 章 对充电器的具体设计 .153.1 关于干电池的充电器 .153.1.1 碱性干电池的特点 .163.1.2 可再充干电池的条件 .163.2 硬件电路设计 .163.2.1 设计思想 .163.2.2 硬件电路分析 .173.2.3 充电过程分析 .213.3 软件设计 .233.3.1 单片机输入/输出口作用 .233.3.2 程序功能及实现方法 .233.4 软件流程图(见附录四) .243.5 软件编程(见附录五) .24第 4 章 其它方面 .254.1 该产品特点 .25 毕业论文第 4 页 共 70 页4.2 使用方法 .254.3 应用前景 .26第 5 章 结束语 .265.1 实验结果及结论 .265.2 所得体会 .26致谢 .27参 考 书 目 .28附录一:开题报告 .29附录二:中期报告 .31附录三:英文资料 .33附录四:英文翻译 .50附录五:软件流程图: .61附录六:程序 .62 毕业论文第 5 页 共 70 页前 言随着便携式设备不断小型化、轻量化和高性能化,作为其电源的二次电池的使用率日益提高。如今,废旧电池的处理已日益成为环境保护部门的一项重要工作,众所周知,废电池会对我们的自然环境造成很大的污染,而可对碱性干电池充电的充电器的使用,会大大减少废旧电池的产生量,因为普通电池如果质量合格,可以用该充电器进行反复充电,且充电时间少节省耗电量。经过上个世纪的发展,电池及其保护电路技术日趋成熟,如今应用在很多应用领域,采用干电池作为电源的产品越来越多,这一方面要归功于干电池的优良特性,另一方面也是由于采用单片机控制的干电池可以降低系统复杂度和综合成本。 本文所用的单片机为美国 Microchip 所生产的 PIC 系列的 8 位单片机。它是业内首先采用 RISC 结构的高性价比嵌入式控制器,其高速度,低电压工作,低功耗,强大驱动能力,低价 OTP 技术,体积小巧等都体现了单片机工业的新趋势。PIC 单片机从覆盖市场的角度出发,发展出三个层次系列多种型号的产品来满足不同的产品设计需求。PIC 单片机总线结构采取数据总线和指令线分离独立的哈佛(Harvard )结构,具有很高的流水处理速度。它的精简指令集结构(RISC) 基本上使它所有得知另都是单字节,因此其程序空间的效率比一般单片机高很多。PIC 单片机已经是世界上最具有影响力的嵌入式微控制器之一。 毕业论文第 6 页 共 70 页第 1 章 绪 论1.1 PIC 单片机 提到单片机,有人这样说, “凡是能想到到的地方,单片机都可以用得上”这并不夸张。全世界单片机的年产量已亿计,应用范围很广,花样也很多。如应用于电信,家用电器,计算机外围设备,办公自动化,工业控制,商用电子,玩具,仪器仪表,汽车电子,军用电子等一些典型的应用领域或场合。单片机应用的意义不仅仅限于它的广阔范围以及所带来的经济效益,更重要的还在于它从根本上改变了传统的控制设计思想和设计方法。从前,必须由模拟电路或数字电路实现的大部分控制功能,现在已能使用单片机通过软件编程的方法实现。这种以软件取代硬件并能提高系统性能的控制技术称之为微控制技术。微控制技术标志着一种全新的概念,随着单片机应用的推广普及,微控制技术必将不断发展和日趋完善,而单片机的应用则必将更加深入,更加广泛。1.1.1PIC 系列单片机的优点PIC 系列单片机是美国 Microchip 公司所生产的单片机,他的硬件系统设计简洁,指令系统设计精练。PIC 它的主要优点为:(1):哈佛总线结构:即在芯片内部将数据总线和指令总线分离,并且采用不同的宽度。这样做的好处是便于实现指令提取的“流水作业” ,也就是在执行一条指令的同时对下一条指令进行取指操作:便于实现全部指令的单子节化,单周期化,从而有利于提高 CPU 执行指令的速度。在一般的单片机中,指令总线和数据总线是共用的(即分时复用) 。(2):指令单字节化因为数据总线和指令总线是分离的,并且采用了不同的宽度,所以程序存储器 ROM 和数据存储器 RAM 的寻址空间是互相独立的,而且两种存储器宽度也不同。这样设计不仅可以确保数据的安全性,还能提高运行速度和实现全部指 毕业论文第 7 页 共 70 页令的单字节化。(3):精减指令集技术PIC 系列单片机的指令系统只有 35 条指令。不仅全部指令均为单字节指令,而且绝大多数指令为单周期指令,以利于提高执行速度。(4):寻址方式简单寻址方式就是寻找操作数的方法。PIC 系列单片机只有中寻找方式:即寄存器间接寻址,立即数寻址,间接寻址和位寻址。此外,PIC 单片机还有许多优点:如代码压缩率高,运行速度快,功耗低,驱动能力强,外接电路简洁等。1.1.2 所用的 PIC12F683 单片机PIC12F683 单片机是 8 位单片机,仅有 8 个引脚,其内部结构的功能框图如下图所示:该产品是 PIC 基本级之一,其特点是低功耗、多功能、高性能、体积小和售价低廉。因该产品体积小,所以它们可以嵌入几乎任何一种电子产品中,特 毕业论文第 8 页 共 70 页别是便携式电子产品,如各种 IC 卡、电子身份牌、照相机、充电器、计时器、智能传感器、灯光调节器、儿童玩具等等,都已得到了广泛的应用。特别适于批量的电子产品使用。主要功能:高性能 RISC 结构 CPU;精简指令集仅 33 条单字节指令,易学易用;执行速度快;八级深度的硬件堆栈;直接/间接/相对三种寻址方式。带有预分频器;驱动力强,I/O 口可直接驱动数码管 LED 显示;内置上电复位电路(POR)以保证复位正常;内置自振式看门狗,防止程序死锁;程序保密位;防止程序代码非法拷贝;低功耗睡眠功能;内置 RC 型振荡器。电源的温度特性:工作电压 2.0V5.5V;低功耗睡眠(Sleep)模式;时钟频率低,功耗小。PIC12F683 引脚全功能图如下图所示:1.1.3 PIC12F683 的一些主要功能模块(1)TIMER0 模块TIMER0 模块定时/计数器有以下特征:8 位定时器/计数器; 可读可写; 8 位软件编程预分频器;内/外部时钟选择; FFH00H 溢出时断; 外部时钟沿选择;TIMER0 运行TIMER 工作模式由 TOCS 位(OPTION5 )决定,在这种方式下,每通过一指令周期,TOMR0 加 1(不用预分频器条件下) 。在写 TMR0 时,递增会延迟 2 个指令周期发生,这个问题可通过调整 TMR0 的写入值来解决。 毕业论文第 9 页 共 70 页计数器方式可通过置“1”TOSC 位来选定,在这种方式下,TMR0 在每个GP2/TOCK1 的上生/ 下降沿递增。上升 /下降沿选择由 TOSE 位(OPTION 4 )来确定。TOSE 位为“0”则选择上升沿, “1”则选择下降沿。TIMER0 中断当 TIMER0 从 FFH 到 00H 溢出时将产生中断。这是相应的中断请求标志位 TOIF(INTCON2 )被置“1” 。清零 TOIF 位(INTCON5 )可屏蔽这一中断,在重新允许中断之前,TOIF 位必须由 TMR0 中断服务子程序用软件清零。由于在睡眠状态下 TMR0 不工作,所以 TMR0 中断不能将芯片从睡眠状态唤醒。(2)外部时钟用于 TIMER0当外部时钟用于 TMR0 时,它要与内部时钟同步,所以,外部时钟须符合一定要求。计数脉冲在预分频器后实现同步。在每个指令周期,预分频器的输出被自动采样两次 Q2 和 Q4 周期以检测上升或下降沿。当不用预分频器时,预分频器的输出与 TMR0 时钟输入一样,要求加在TOCK1 端的脉冲信号的高,低电平持续时间都必须大于 2TOSC。(3)预分频器预分频器是一个分频比率可编程的 8 位计数器,或作为看门狗定时器的后分频器,预分频器是通过控制 PSA 位进行软件控制。PSA 位清零将使预分频器作用于 TIMER0,预分频器的选择位:PS2 :PS0 预处理器不可读写。 毕业论文第 10 页 共 70 页(4) 带有门控制的 TIMER1 模式PIC12F683 是一个 16 位定时器,TIMER1 的特征如下:16 位定时器/计数器; 可直接读写; 内外部时钟选择;从 FFFFH 到 0000H 溢出时中断; 唤醒溢出;选择外部使能端输入; 选择 LP 振荡器TIMER1 控制寄存器,如图 6-1 所示,常用做使能/非使能的 TIMER1 和选择不同特征的 TIMER1 模式。TIMER1 模式的运行TIMER1 能在下面三个模式之一下运行:带有预分频器的 16 位定时器; 16 位同步记数方式; 16 位异步记数方式;在定时器方式下,TIMER1 在每个指令周期递增加 1,在计数器方式下,TIMER1 在每个外时钟输入的上升沿增加 1。此外,计数器模式时钟对于微系统控制能够进行同步或异步计数方式。在计数和定时模式下,TIMER1 的门能够打开计数器 /定时器时钟的门,他能够选择用 TIG/管脚还是比较输出。如果需要外部时钟振荡器,TIMER1 能够使用 LP 振荡器作为一个时钟源。 毕业论文第 11 页 共 70 页TIMER1 中断TIMER1 寄存器(TMR1H:TMRIL)从 0000H 递增到 FFFFH 然后在转回到 0000H。当相应的中断被使能时,可以产生溢出中断。溢出中断标志位为TMR1IF(PIR10 ) ,相应的中断使能位为 TMR1IE(PIE10 ) 。TIMER1 预分聘器TIMER1 在时钟输入时可产生四个分频:1,2, 4,8。TICKPS 位(TICON)控制着预分频计数器。预分频计数器不可直接读写,然后,预分频计数器在写到 TMR1H 或 TMR1L 时被清零。TIMER1 在异步计数器模式下操作如果位 TISYNC(TICON)置“1” ,TIMER1 在异步计数器方式下工作。外部时钟输入不同步并异步递增。自睡眠期间,定时器仍可继续运行,在溢出时产生中断,这个中断能够环形处理器,在异步方式下,读写定时器时需要特别注意。(5) TIMER2 模块TIMER2 模块定时器具有如下特征:8 位定时器; 8 位周期寄存器(PR2) ; 可读写两个寄存器;软件编程预分频器(1:1, 1:4, 1:16) ; 软件编程后分频器(1:1-1:16 );TMR2 带有 8 位周期寄存器的中断TIMER2 是带有预分频器和后分频器的 8 位定时器,它能用作 CCP 模块的PWM 模式下 PWM 的时基。TMR2 寄存器是可读写的,任何复位都将其清零。TMR2 的匹配输出通过一个 4 位后分频器产生一个 TMR2 中断,中断标志位为TMR2IF(PIR1)。相应的中断使能位是 TMR2IE(PIE).(6) 捕捉器/比较器/PWM 模块(CCP 模块)每个捕捉器/比较器/PWM 模块都包含一个 16 位的寄存器,这个寄存器可以作为:16 位捕捉寄存器;16 位比较寄存器;PWM 主从运行周期寄存器捕捉器/比较器/PWM 寄存器(CCPR1) 是由两个位寄存器组成,即CCPR1L(低位字节)和 CCPR1H(高位字节)。CCP1 控制寄存器 CCP1CON 控制 CCP1 的运行。比较相等时,将产生特别触发事件并对 TIMER1 复位。捕捉器模式 毕业论文第 12 页 共 70 页在捕捉器模式时,当下述事件之一发生在引脚 CCP1 上时,CCPR1H:CCPR1L 将会捕捉 16 位 TMR1 寄存器的值。通过控制位COP1CON来选择下列事件:每个下降沿; 每个上升沿; 每 4 个上升沿; 每 16 个上升沿当发生捕捉事件时,中断请求标志位 CCPIF(PIR1)被置“1” ,中断标志位必须用软件清零。如果寄存器 CCPR1 里的值被读之前发生了另外一个捕捉事件,那末就的捕捉值将会丢失。在捕捉方式时,要对相应的 TRIS 位置“1”将 CCP1 引脚设置为输入。如果 CCP1 引脚被设为输出,任一个写端口的操作将导致捕捉误发生。在捕捉器方式中,TIMER1 必须工作在定时器方式或者同步计数器方式下,在异步计数器方式下,捕捉器不工作。在运行中改变捕捉方式时,将有可能产生一个错误的捕捉中断,为避免这一点,应将 CCP1IE(PIE1)为清零,同样在运行中,任何这样的变化之后也应该对标志位 CCP1IF 清零。比较器模块在比较器模式中,16 位 CCPR1 寄存器的指不断的和 TME1 寄存器的值相比较,当两者出现相等时,CCP1 引脚将: 变为高; 变位低; 保持不变 在这个引脚上的动作是由控制位 CCP1M的值来决定的。同时,中断标志位 CCP1IF 被置“1” 。比较器可产生特殊事件触发。CCP1 的特殊触发能复位 TMR1,这样可把CCPR1 变成 TIMER1 的一个可编程的 16 位周期寄存器;CCP2 的特殊触发除复位还能启动 A/D 转换。PWM 方式在脉宽调置方式中,CCPX 引脚可产生一个 16 位分辨率的 PWM 输出。相应的 TRIS 位必须清零以使 CCP1 引脚成为输出。对 CCP1CON 寄存器清零将会强迫 CCP1PWM 输出锁存器为低电平,而不是端口输入/输出数据锁存器得值。PWM 输出有一个时间基准(周期)和一个输出高电平阶段的时间, PWM 毕业论文第 13 页 共 70 页的频率是周期的倒数。1.2 所用 PIC12F683 的合理性与必要性必要性:PIC12F683 单片机是 8 位单片机,仅有 8 个引脚。该产品是 PIC基本级之一,其特点是低功耗、多功能、高性能、体积小和售价低廉。因该产品体积小,所以它们可以嵌入几乎任何一种电子产品中,特别是便携式电子产品,如各种 IC 卡、电子身份牌、照相机、充电器、计时器、智能传感器、灯光调节器、儿童玩具等等,都已得到了广泛的应用。特别适于批量的电子产品使用。合理性:在使用时,PIC12F683 带有内部的 A/D 转换器,PWM 输出,I/O口可直接驱动发光二极管 LED 显示。外接电路简单,可大大提高工作效率。而且它的价格便宜,为一般人都能接受。1.3 充电技术概述在可充化学电池或物理电池的运用过程中,充电器是其成功运用的重要装置,所以可充电池一出世,充电器便是个关键问题,因为充电器的好坏直接影响到电池的两个重要技术指标:1) 可充电池的使用容量;2) 可充电池的循环使用次数,即使用寿命。然而直到六十年代以前充电器技术并没有得到长足发展,普遍采用的方法主要是恒流或恒压充电方法,并且其充电效果是不得不承认的现实。这种状况直到六十年代 Mascc 博士基于最低出气率可充曲线 恒流充电时其起始充电电流总是低于电池的可接受能力,造成充电效率低,充电时间长;而在充电后期,最终的充电电流又总是高于电池可接受的程度,因而电池内部气体析出率不断增加,到充电结束时,所有充电电流全部供给气体析出,电池内部电压迅速增加,电池温度也随之迅速上升,造成每次充电电极上都有活性物质脱落,从而大大降低了电池的寿命。限压充电则是在充电初期,电池电压与充电电压相差太大致使充电电流过 毕业论文第 14 页 共 70 页大,而随时间并不按指数规律下降(常偏离制定曲线) 。后来,根据 Mascc 曲线,又提出了所谓的两段式,三段式或更多段式充电。所谓两段式充电指首先对电池进行恒流或恒压充电,当电池电压达到一定程度,然后对电池进行涓流充电;所谓三段式一般是首先对电池进行恒流充电,待电池电压达到电压阀值后转化为第二阶段,即所谓限压充电阶段,当充电电流小到某种程度后转化为第三阶段,即涓流充电。综上所述尽管已经有了多种充电方法,而且也有一定的效果,然而大多忽略了一个重要事实,即充电电池并不是工作于理想状态,每个电池都有自己独特的个性,确切地说每个充电电池都有自己有别于其它甚至是同类电池的充放电曲线,该曲线甚至在充电过程中还是动态变化的,这就意味着好的充电控制模式应该是变化的,而且应该与电池的充放电曲线变化一致才是最佳的。事实上,每个电池在充电的任意时刻总存在一个最佳的充电电流和充电模式的。在判别电池是否充足电方面,目前有两种标准算法,通常称为“负电压法”(-V)和“温度法”( T)。要使用这两种算法,充电电流必须不小于0.2C,这样才能够让电池产生显著的温升或者电压降,从而判别充电效果。第 2 章 MPLAB 集成开发环境软件包Microchip 公司为 PIC 系列单片机配备了功能强大的的软件集成开发环境MPLAB,可以通过网上下载和光盘发行两种方式为用户免费提供。使能在自己的微机系统上对 PIC 系列单片机进行程序的创建,录入,编辑以及汇编,甚至还能实现程序的模拟运行和动态调试之类的虚拟实战演练,并且调试的方式可以采用连续运行,单步运行,自动单步运行,设置断点运行等多种运行方式。MPLAB 的功能非常丰富。2.1 MPLAB 软件介绍MPLAB 是一个集成了多种单片机应用开发工具软件与一体的,功能完备的软件包。其中的 5 种工具软件简要介绍如下:(1) Project Manager(工程项目管理器)工程项目管理器是 MPLAB 的核心部分,用于创建和管理工程项目,为开 毕业论文第 15 页 共 70 页发人员提供自动化程度高,操作简便的符号化(屏幕上的指令,指令地址,常数,变量,寄存器等均用表义性和可读性很强的符号代表和表识)调试工作平台。(2) MPLAB Editor(源程序编辑器)源程序编辑器是一个全屏幕文本编辑器,用于创建和修改汇编语言源程序文件。源程序文件以纯文本格式保存,其文件扩展名为“.asm”。(3) MPASM Assembler(汇编器)用于将汇编语言源程序文件(.asm)汇编成机器语言目标程序文件( .hex),并负责查找语法错误和格式错误等一些浅层次简单错误。(4) MPLABSIM Software Simulator(软件模拟器 )软件模拟器是一种代替价格较贵的 Hardware Emulstor(硬件仿真器)的调试工具,也是一种非实时,非在线的纯软件的调试工具。借助这个在微机系统上运行的工具软件,我们可以不需要任何额外的附加硬件,仅用软件的手段,来模方 PIC 系列单片机的指令的执行和信号的输入/ 输出,从而实现对用户自编单片机源程序的模拟运行,功能条适合深层次逻辑错误检查。因此可以说,Microchip 公司为学习和应用 PIC 系列单片机的人们提供了一种虚拟的实战环境。对于单片机初学者来说,不用花钱也可实现边学边练的梦想;对于单片机开发者来说,可以缩短开发周期和降低开发成本。总之,它是一种许多其它型号系列单片机很少配备的,性能价格比极高的程序调试工具。不过他也存在一定的局限性:一它不能模拟 PIC16F87X 片内少数的功能图书的外围模块;它是不能帮我们查找目标板上的电路错误;三是他执行速度慢而只能适合调试那些实时性要求不高的程序。(5)MPLABICD Debugger(在线调试工具 ICD 的支持程序)这是一种专门与 ICD 配合使用的支持程序。ICD 是 Microchip 公司专门为 PIC16F87X 摄制的一种廉价在线调试工具套件。另外,还包含一些其它软件。例如:程序模块连接器,库程序管理器,C 语言编译器,硬件在线仿真器的支持程序,目标程序烧录器的支持程序,运行于 DOS 操作系统下的汇编器等等。2.2 MPLABICD 在线调试工具套件及其应用 毕业论文第 16 页 共 70 页MPLABICD 是 Microchip 公司针对其 PIC 系列单片机中,近期推出的具有片内 FLASH 程序存储器的 PIC16F87X 字系列单片机,所研制的一套廉价的学习和开发工具套件。MPLABICD 可以用于试验阶段的评估和辅助调试。它既是一个编程器(即程序烧写器) ,又是一个实时在线调试器。用它可以代替在单片机应用项目的开发过程中常用的两件工具-硬件在线实时仿真器和程序烧写器。他利用了 PIC16F87X 片内集成的再现调试能力和 Microchip 公司的再线串行编程技术。MPLABICD 工作于 MPLAB集成开发环境软件包之下,其仿真头直接连接到目标电路板上,如同将一片 PIC16F78X 插入到目标板内一样去运行用户编制的程序。MPLABICD 的功能特点:(1)能以实时或单步方式运行用户程序;(2)断点设置功能(3)在线编程功能;(4)工作电压范围为:3.0-5.5 伏;(5)可以从目标板上获取工作电源;(6)工作频率范围为 32KHZ20MHZ;(7)可对源程序直接进行代码的调试;(8)可以工作于 MPLAB 集成开发环境下;(9)以 RS-232 串行接口方式与微机系统相连。借助于 MPLABICD 工具套件,用户可以实现:在自己设计的 PIC16F87X 的应用电路中实行运行和调试自己的源程序-软件调试;用自己编制的程序来调试和检验自制目标板上的电路-硬件调试;利用在线串行编程技术将自己设计的目标程序烧写到插在目标板上的PIC16F87X 单片机(又称目标单片机)中,-程序固化。2.3 MPLABICD 套件中包含以下几种部件:(1)MPLABICD 仿真头;(2)MPLABICD 模块;(3)MPLABICD 演示板; 毕业论文第 17 页 共 70 页(4)RS-232 串行通信电缆;(5)连接插针:2 条 14 脚插针和 2 条 20 脚插针;(6)20cm 长的 6 芯电缆;(7)包含所有 MPLAB 软件包和文档资料的光盘;(8)MPLABICD 用户指南 的中文翻译版本;(9)直流电源适配器第 3 章 对充电器的具体设计3.1 关于干电池的充电器我们平常所用的可进行充电的电池大多都为镍铬充电电池,一般认为干电池是不可充的。但是只要我们根据干电池的特点对它进行必要的控制,干电池也是可重复进行充电的,不仅节约了资源,也对环境的保护起到一定的作用。3.1.1 碱性干电池的特点在日常生活中,我们最常用的电池为碱性干电池。在使用过程中,电池电压会逐渐下降,在降低到一定程度后,即使电池容量还有剩余,电池也无法继续使用。因此在电量不足时,干电池便无法使用。 毕业论文第 18 页 共 70 页3.1.2 可再充干电池的条件从理论上讲,干电池是不可以充电的。但多年的实验证明,只要掌握以下几点要素,干电池的充电再循环使用是完全可行的。(1)、电池不要太亏电:端电压不低于 1.3V,短路电流不低于 300mA,太亏电会使内阻增加,产生热。(2)、充电电流控制在 一定的范围之内 。(3)、选择正规厂家做工好的电池,效果会更好。3.2 硬件电路设计它的特点是以硬件实体来体现毕业设计的成果。如课题要求用单片机来控制干电池充电器,这个充电器就是毕业设计的成果。3.2.1 设计思想干电池的充电器非常简单,那些用于镍基电池的充电控制电路、充电算法、电流调节电路和计时器都不再需要。干电池充电器,不论是线性工作方式还是脉冲工作方式,这个电路只需要很少的程序代码,并且可以用简单的模拟电路实现。一个优良的干电池充电器应该是安全的,也就是说,充电电源供给充电控制电路的最大电压不能超出干电池的安全电压范围。譬如说,某个厂商的干电池可以承受的最大连续过充电电压为 4.75V,那么一个优质的充电电源就会将最大输出电压限定在 4.75V 电池另外一个优良的特性是对充电电流的大小没有固定限制。本硬件主要由 PIC12F683 单片机和可调节电流的外接电路,电源电路等几部分外围电路组成。它充电过程的系统框图如图(1)所示: 毕业论文第 19 页 共 70 页外接电源被充电池A/D部分 PWM控制电路充电结束3.2.2 硬件电路分析下面所要介绍的这个充电器可对碱性干电池进行反复充电,它一次可对一至三节的五号或七号电池同时进行充电。它的系统硬件框图如下所示:外接电源变压整流滤波 三端固定正输出集成稳压器PWM PIC12F683A/D可调节电流的外接电路电池外接显示(1) 、变压整流滤波 交流 220V 经整流滤波电路变换成 7V-12V 交变低电压, 整流后以脉动电流对电池充电;整流以后在经过一个三端固定正输出集成稳压器 W7805 给单片机 PIC12F683 提供一个正 5V 的电源,此时发光二极管 D1 处于一直发光状态,而发光二极管 D2 的状态显示了充电器的状态,当电池没充好时,D2 处于一亮一灭不断闪烁的状态;当电池充好时,D2 灭。(2) ,可调节电流的外接电路外接电路的 Q1,Q2,Q3,Q4,及 LC 构成了电路的主要外围设备,它相当 毕业论文第 20 页 共 70 页于一个电流调节器,可调节给定电压 UA 的大小。LC 滤波电路可让定频段的信号比较顺利的通过,而对其它频段的信号起衰减作用。Q2,Q3 是一个跟随器它使得输出能够跟随输入的变化而变化。P 沟道的功率 MOS 管的输入电压能够控制输出电压。R4 相当于一个电流检测装置,控制电流的大小。(3)软件编程部分充电器充电速度的大小和快慢是由软件编程来控制的,当电池的给定电压和端电压不符和要求时,经过单片机的内部 A/D 转换后,通过改变 PWM 的参数来调节。充电器品质的高低取决于电压 A/D 转换的精度和可靠性。A/D 转换器:模拟/数字转换模块(A/D)具有 10 位 A/D 通道输。 PIC12F683 具有 4个模拟输入。所有模拟输入通道共用一个采样和保持电路。输出采样和保持与输入转换器相连。转换器经由一系列类似产生一个成双的效果并将结果供给一个 10 位寄存器。可用软件选择单片机的正电压 VDD 或 VREF 引脚上的电压。A/D 模块可利用两个寄存器去控制 A/D 模式的功能:ADCONO; ANSELANS3:ANS0 位(ANSEL )和 TRISIO 位控制着 A/D 口的管脚的运行。TRISIO 位和输出管脚驱动位的复位一致,同样, ANSEL 位和数字输入的缓冲器复位一样。 PIC12F683 有 4 个模拟通道,AN1 到 AN3 通道的 CHS2:CHS0位控制与采样保持电路相连。 毕业论文第 21 页 共 70 页在 A/D 转换中,对于电压参考有两个选择器使用 VDD 或提供给 VREF 的模拟电压,V CFG 位控制着电压参考选择,如果 VCFG 置位,那末,电压 VREF 引脚就作为参考电压,否则,V DD 时参考电压。A/D 转换的 TAD 周期A/D 的转换输出:A/D 转换有两种格式:左移与右移。ADFM 控制着输出。下图显示了输出格式。A/D 的十位转换结果格式:PWM 方式在脉宽调置方式中,CCP1 引脚可产生一个 16 位分辨率的 PWM 输出。相应的 TRIS 位必须清零以使 CCP1 引脚成为输出。下图是一个简单 CCP 模式下的 PWM 输出格式。 毕业论文第 22 页 共 70 页对 CCP1CON 寄存器清零将会强迫 CCP1PWM 输出锁存器为低电平,而不是端口输入/输出数据锁存器得值。PWM 输出有一个时间基准(周期)和一个输出高电平阶段的时间,PWM的频率是周期的倒数。PWM 输出:在充电过程中不断检测,不断改变 PWM 的参数进行调节,直到电池充好。电路设计简单,成本低、体积小、携带方便。 毕业论文第 23 页 共 70 页3.2.3 充电过程分析电池充电状态一般是由充电电流进行识别的,一般认为当充电电流减小到最大充电电流(恒流)的 10时可认为电池充满。如原理图所示在使用充电器时,先要判断是否有电池放入充电器。如果要看是否有电池放入,须测量给定电压 UA。当 P7 口的输入电压等于零时,即没有电流通过 R4,就可判断出没有被充电池放入充电器;反之,当 P7 口的输入电压不为零时,即有电流通过 R4,可只有电池被放入充电器。 当电池在被充电的过程中,主要是通过用 PIC 单片机的软件编程来对它进行控制。如图所示,A 点为一个给定电压,B 点为被充电池的端电压。在电池的充电过程中,须反复对干电池的端电压进行测量,以使它达到所要充到的电压值。在充电时,只要有外接电源,D 1 总处于发光状态,而 D2 在未充满时总处于一亮一灭的状态,当电池充好时,D 2 处于一直熄灭状态。电池充电状态是由充电电流进行识别的,一般认为当充电电流减小到最大充电电流(恒流)的 10时可认为电池充满。为了检测充电电流,在电流回路中窜入一电阻 R3,使流经 R3 的电流变化转换成电压变化。电压 A/D 转换数值的变化就是电阻 R3 两端电压的变化,从而反映充电电流的变化。充电器品质的高低取决于电压 A/D 转换的精度和可靠性。PIC12F683 单片机仅有 8 引脚,外部结构比较简单。它的 A/D 转换器的分辨率为 10 位,所以,它的数字量的最低有效位对应于模拟电压为:1.8MV。即在反复进行检测时的电压差为 1.8MV.。在充电过程中,势必存在一个充电时的最佳电流 I:电流太小,电池不易充满,所须时间太长;电流太大时,容易损坏电池。所以须反复测量 A 点的给定电压大小,来控制输入电流。要使给定的电压为零时只需使 PWM 的输出足购小,趋近于零及可。(PWM 的分析:PWM 的输出应该为高低电平)PWM 为高, T1 的 b1e1 导通, Vc1 为低,T 3 通, T2 止。G 的输入为低,当 G 的 Ui=VgsVGS(th) 时,MOS 管工作在恒流区,电路工作在放大状态,随着 G 的输入 Ui 继续上升,MOS 管的导通内阻变得很小,输出端低电平VOL, D-S 相当于闭合开关。在充电过程当中,先使给定电压 UA=0(可通过改变 PWM 的参数来改变它的大小) ,经过一小段时间( )后,再给给定电压一个较小的输入值,此时有一定的电流通过被充电池,测量出电池的端电压 U1,然后继续对电池充电,再经过一小段时间( ) ,再次测量电池两段的电压 ,然后求出U 与 U 的电压差,如果电压差比 1.8MV 大,则再次使给定电压的输入为零。经过一段时间后,给他一个比第一次更小的输入电压,测出电池两端的电压 ,此后,在经过一段时间后,再次测出电池两端的端电压 U ,可得出U 与 U的电压差;反之,如果电压差比 1.8MV 小,过程同 ,只是当给定电压时,给定电压应比前一次的给定电压要大一些。如此反复检测,反复冲,直到达到所要求的 1.8MV。之后,再经过稍长一点的时间,再次对电池进行检测充电检测充电这一过程(充电过程与检测如下图 3) ,直到检测到的电池端电压为 1.65MV(干电池一般的最大电压为 1.8V,在充电过程中电能不可能全部转化为化学能 ) ,充电结束。在判别电池是否充足电方面,目前有两种标准算法,通常称为“负电压法”(-V )和“温度法” ( T)。要使用这两种算法,充电电流必须不小于 0.2C,这样才能够让电池产生显著的温升或者电压降,从而判别充电效果。充电过程与检测图(3)UU1U2t0 t1 t2 t3 t4 t5 t6 t 毕业论文第 25 页 共 70 页充电器实际电流与理论值比较如下图:1.8V1.65V3.3 软件设计软件设计就是利用单片机 PIC12F683 的 A/D 转换器模块实现模数转换,A/D 转换器的 AN0,AN1 通道输入模拟信号可调, A/D 转换的结果控制发光二极管,当某端口为输出二进制数 1,对应二极管发光;否则,不发光。然后通过改变 PWM 参数来调节给定电压的输入值,是电池能够处于不断检测 充电检测充电-的过程,直到电池充满,结束充电。3.3.1 单片机输入/输出口作用P1 给单片机提供基准电压+5V,P3 输出驱动 LED 作充电器状态显示;P5 为PWM 输出,通过改变 PWM 的参数值可改变输出电流的大小,R3 起到限流作用;P6 为电池端电压输入,P7 为给定电压参考电压检测(P6,P7 为单片机 A/D 转换部分) 。 3.3.2 程序功能及实现方法A/D 转换,PWM 脉宽调制, 电池充电方式控制(1) A/D 转换将模拟电压转换为数字量,通过数字滤波处理提高抗干扰能力和可靠性。它是识别电池充电状态的基础。本充电器所用单片机的 A/D 转换器具有四个模拟输入通道,分辨率为十位。所以本充电器电压 A/D 转换的精度和可靠性都很高,而且测量电压的范围也很宽。可以说,高性能低价位的电压 A/D 转换是充电器品质的根本保证。A/D 的模拟输入模式: 毕业论文第 26 页 共 70 页(2)PWM 脉宽调制在脉宽调置方式中,CCP1 引脚可产生一个 10 位分辨率的 PWM 输出。相应的 TRIS 位必须清零以使 CCP1 引脚成为输出。对 CCP1CON 寄存器清零将会强迫 CCP1PWM 输出锁存器为低电平,而不是端口输入/输出数据锁存器得值。本设计主要通过改变 PWM 的内部参数达到改变给定电压大小的变化。给定电压的大小取决于脉冲的宽度,要使给定电压为零时,则 PWM 的输出脉冲就须趋近于零。(3)电池充电方式控制电池充电状态是由充电电流进行识别的,一般认为当充电电流减小到最大充电电流(恒流)的 10时可认为电池充满。为了检测充电电流,在电流回路中窜入一电阻 R3,使流经 R3 的电流变化转换成电压变化,所以电压 A/D 转换数值的变化就是电阻 R3 两端电压的变化,从而反映充电电流的变化。3.4 软件流程图(见附录四)3.5 软件编程(见附录五) 毕业论文第 27 页 共 70 页第 4 章 其它方面4.1 该产品特点(1) 电池不用时可直接放入充电器充电,用时即取,无须管理。(2)适用于 5 号(AA) 、7 号(AAA)碱性普通干电池充电。(3)红色充电指示灯,红灯接近熄灭或完全熄灭时电即充足。全新的碱性普通干电池可循环充放电数十次至上百次,经济、高效、环保、节能。特别适用于 BP 机、商务通、随身听、复读机、儿童玩具、收音机等中小电器的用户使用。4.2 使用方法(1)为了优化电池的使用性能,全新电池或久置不用的电池应完全充满并放电 2 次。(2)充电时电池发热属正常现象,当电池完全充足时将会冷却下来。(3)只限于室内使用,不能将充电机暴露于雨中、雪中或直接放到太阳下暴晒。4.3 应用前景如今,废旧电池的处理已日益成为环境保护部门的一项重要工作,众所周知,废电池会对我们的自然环境造成很大的污染,而该充电器的使用,会大大减少废旧电池的产生量,因为普通电池如果质量合格,可以用该充电器进行反复充电,且充电时间少节省耗电量。上述充电器可对碱性干电池(普通电池)进行充电。因此从节省能源和环境保护的角度来讲,该充电器具有广阔的市场前景。 毕业论文第 28 页 共 70 页第 5 章 结束语5.1 实验结果及结论充电器品质的高低取决于电压 A/D 转换的精度和可靠性。利用单片机控制的干电池充电器不仅设计时外围电路设计简单,成本低、体积小、携带方便;而且从节省能源和环境保护的角度来讲,该充电器具有广阔的市场前景。5.2 所得体会在本次毕业设计中我从选题,搜集材料,开始对电路的外围设备进行设计直到后来的软件编程,比较系统的接触了工程设计的许多具体环节,也对编程的思想方法有了进一步的加深,受益匪浅。通过本次设计我不但对 PIC 单片机这门以前没学过的新型单片机有了一定的理解,而且可进行些简单的编程;对于电路的硬件外围的设计,不但学习了新的知识,也对以前学过的知识有了复习和控固的机会。 毕业论文第 29 页 共 70 页致谢这次毕业设计在路青起老师的指导下,在学校的规定时间内较好的完成了硬件和软件的实现,基本达到了设计初的技术指标。能够在大学最后一次学习中,跟随路老师作毕业设计是我的幸运。一个学期的学习,通过跟路老师的沟通,使我学习到许多书本中无法学习到的东西。路老师严谨的学术作风、渊博的知识、分析问题敏锐的洞察力以及精辟独到的见解,令我受益匪浅,终身难忘。论文从选题阶段到最终得出结果,整个过程,无不渗透着路老师的心血。路老师不是仅限于知识的熏陶,更多的是从解决实际问题方法入手,培养了我实际动手解决问题的能力,启迪思维,开拓思路.这在今后的工作和学习中将无时无刻的鞭策着我,使我走向更加辉煌的明天。在此,向路老师致以崇高的敬意和深深的感谢!在我的学习道路上,父母对我的支持是很大的,他们不仅是我的坚强后盾,更是我强大的精神支柱。在我遇到困难和挫折时,父母总是在默默的支持着我!在此,我也想对父母说一声:谢谢你们!并把此文献给他们。最后,对所有帮助过我的老师、同学等表示衷心的感谢! 毕业论文第 30 页 共 70 页 毕业论文第 31 页 共 70 页参 考 书 目1.PIC 全系列单片机原理与开发 中国科学技术大学出版社蔡纯洁 杨维坚 伍先达 钱玮 主编2.PIC 单片机实用教程 -基础篇.
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DZ091用单片机控制的干电池充电器[附程序+中英文翻译],dz091,单片机,控制,节制,干电池,充电器,程序,中英文,翻译
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