| 用Atmega8單片機自制智能型液晶顯示充電器 (527DZ作品) |
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一,、概述：
移動通訊、消費類數(shù)碼產(chǎn)品,、筆記本電腦,、便攜儀器等便攜設(shè)備市場的不斷擴張，使得我們對電池的性能和工作壽命的要求不斷地提高,。從20世紀60年代的商用鎳鎘和密封鉛酸電池到近幾年的鎳氫和鋰離子技術(shù),，可充電電池容量和性能得到了飛速的發(fā)展。
但充電電池的使用離不開對其補充能量的充電器,，而且充電器的好壞將會直接影響到電池的充電性能和使用壽命,。
本文詳細介紹了鎳鎘,、鎳氫,、鋰電池這三種最為常用的充電電池的特點，同時介紹本站設(shè)計的智能型充電器的電路原理,。
二,、各種充電電池特性：
目前各種電器使用的充電電池主要有鎳鎘電池（NiCd）、鎳氫電池（NiMH）,、鋰電池（Lilon）和密封鉛酸電池（SLA）四種類型,。
1．各種充電電池的優(yōu)缺點
NiCd電池是前幾年使用最為普遍的充電電池。它的優(yōu)點主要是價格便宜,，缺點是其自放電率較高,，存在記憶效應(yīng)，且鎳鎘電池會對環(huán)境產(chǎn)生污染,，因此也將逐漸地退出市場,。通常NiCd電池可以充放電1000次左右。
近兩年來,，重量更輕容量更大的NiMH電池得到了更為普遍的使用,。在手機、數(shù)碼相機,、數(shù)碼攝像機等便攜式設(shè)備中都能見到NiMH電池的身影,。鎳氫電池的容量比鎳鎘電池高1.5－2倍，且具有不污染環(huán)境、價格便宜,、性能好等優(yōu)點,。NiMH電池的自放電率大概為20％左右
同其他充電電池相比較，鋰電池具有最高的能量/重量,、能量/體積比,、無記憶效應(yīng)等優(yōu)點。但是鋰電池成本高而且充電器要求也是最高的,。如果對鋰電池充電不當?shù)脑?，很容易損壞電池，甚至產(chǎn)生電池爆炸,。
2．影響充電電池使用壽命的因素
影響鎳氫,、鎳鎘電池使用壽命的主要因素是過充電和充電時電池溫度過高（通常要求電池溫度保持在45度以下進行充電）。另外,，由于鎳鎘電池具有記憶效應(yīng),，因此，如果在鎳鎘電池存儲的電量沒有完全放完的情況下充電的話,，也會影響電池的使用壽命,。
而影響鋰電池使用壽命的主要因素有以下幾點：
過放電：鋰電池放電過程中，鋰離子不斷地從電池負極移動到電池正極,，但是不能使鋰離子完全地移動,，必須保留一部分鋰離子在電池負極中。否則電池壽命就會大大地縮短,。為保證電池放電結(jié)束后電池中還保留部分鋰離子,，就要求電池在使用中不能過放電。通常鋰電池單體的終止放電壓為3.0,，不要低于2.7V,。
充電溫度：通常要求鋰電池在充電過程中溫度不能超過50度，否則會影響電池使用壽命,。
最高充電電壓：鋰電池的最高電壓為4.2V,，否則會使正極的鋰離子移動太多，從而大大縮短電池的使用壽命,。
三,、智能型充電器的設(shè)計要求
幾乎是所有用戶都希望充電器的充電速度越快越好。因此,，充電器能夠提供的充電速率就是充電器設(shè)計的一個重要指標,，但是要提高這個指標的前提是充電器必須能夠在快速充電階段能夠準確的判斷電池的狀態(tài)?？焖俪潆娖鞯囊粋€本質(zhì)特征就是在過度充電之前自動降低充電速率,。同時充電速率最好也不要超過電池生產(chǎn)商的建議值,，通常不要超過2C的充電速率。
如果充電器做不到這一點的話,，那么我覺得只能設(shè)計和使用合適的小電流涓流充電器,。
因此，一個安全可靠的充電器就需要能夠在電池的充電過程中能夠嚴格的控制電池的充電電流,、電壓,、溫度等物理參數(shù)。因此,，智能型充電器通常應(yīng)該包括恒流/恒壓控制環(huán)路,、電池電壓監(jiān)測電路、電池溫度監(jiān)測電路等基本單元,。智能充電器的基本硬件方框圖如下圖所示：
四,、ＣＰＵ電路：
本充電器設(shè)計采用ATMEL公司2002年推出的一款A(yù)VR高檔單片機Atmega8。其內(nèi)部集成了大容量的存儲器,，提供了PWM脈寬調(diào)制脈沖產(chǎn)生器,、多路AD轉(zhuǎn)換器、實時時鐘電路,、串行接口等硬件接口,。非常適合用作智能型充電器的MCU控制單元。Atmega8有DIP28和TQFP/MLF32三種封裝類型,。我們選擇了DIP28封裝,，如下圖所示：
MCU控制單元電路如下圖所示：
MCU系統(tǒng)時鐘和實時時鐘的選擇：
Atmega8具有5種類型的系統(tǒng)時鐘源，即外部晶振,、外部低頻晶振,、外部RC振蕩、內(nèi)部RC振蕩及外部時鐘,。由于充電器在充電過程中需要計算充電時間，因此智能充電器的設(shè)計中必須包括實時時鐘源,。根據(jù)Atmega8的時鐘源特點,，本充電器的MCU系統(tǒng)時鐘選擇使用可校準的內(nèi)部RC振蕩器產(chǎn)生8M時鐘，外接32.768KHz的晶振做為實時時鐘的時鐘源,。
PWM脈寬調(diào)制波產(chǎn)生器：
Atmega8具有3個定時/計數(shù)器,，可以實現(xiàn)定時/計數(shù)功能外，還具有任意小于16位相位和頻率可調(diào)的PWM脈寬調(diào)制輸出功能,。本充電器使用T/C1產(chǎn)生PWM,，為了獲得較高的PWM脈沖頻率，T/C1的工作模式選擇快速模式,。PWM脈沖從PB1（15腳）輸出,。
AD轉(zhuǎn)換器：
DIP28封裝形式的Atmega8具有4個10位精度和2個8位精度的AD轉(zhuǎn)換通道,。本充電器在充電過程中需要隨時采集電池的充電電流、放電電流,、電池電壓和電池溫度,，共需要4個AD轉(zhuǎn)換通道。我們采用ADC0（PC0）采集充電電流數(shù)據(jù),，ADC1（PC1）采集電池電壓,，ADC2（PC2）采集電池溫度，ADC3（PC3）采集放電電流,。
Atmega8的21腳AREF是AD轉(zhuǎn)換器的電壓參考源,。20腳Avcc是AD轉(zhuǎn)換器的電源引腳，為了減小電磁干擾提高測量精度,，Avcc是通過L1和C6組成的LC網(wǎng)絡(luò)才連接至5V電源端,。
五、1602B字符型液晶模塊
1602B字符型液晶模塊是2行16個字的5x8點陣圖形來顯示字符的液晶顯示器,，控制芯片為KS0066,。液晶模塊內(nèi)部的字符發(fā)生存儲器（CGROM）已經(jīng)存儲了160個不同的點陣字符圖形。這些字符有：阿拉伯數(shù)字,、英文字母的大小寫,、常用的符號、和日文假名等,，每一個字符都有一個固定的代碼,，比如大寫的英文字母“A”的代碼是01000001B（41H），顯示時模塊把地址41H中的點陣字符圖形顯示出來,，我們就能看到字母“A”,。
下圖是該模塊的外形封裝尺寸圖：
腳注意事項：
從該模塊的正面看，引腳排列從右向左為：15腳,、16腳,，然后才是1－14腳。
VDD：電源正極,，4.5－5.5V,，通常使用5V電壓；
VL：LCD對比度調(diào)節(jié)端,，電壓調(diào)節(jié)范圍為0－5V,。接正電源時對比度最弱，接地電源時對比度最高，但對比度過高時會產(chǎn)生“鬼影”，因此通常使用一個10K的電位器來調(diào)整對比度,，或者直接串接一個電阻到地；
RS：MCU寫入數(shù)據(jù)或者指令選擇端,。MCU要寫入指令時,，使RS為低電平；MCU要寫入數(shù)據(jù)時,，使RS為高電平,；
R/W：讀寫控制端。R/W為高電平時,，讀取數(shù)據(jù),；R/W為低電平時，寫入數(shù)據(jù),；
E：LCD模塊使能信號控制端,。寫數(shù)據(jù)時，需要下降沿觸發(fā)模塊,。
D0－D7：8位數(shù)據(jù)總線,，三態(tài)雙向。如果MCU的I/O口資源緊張的話,，該模塊也可以只使用4位數(shù)據(jù)線D4－D7接口傳送數(shù)據(jù),。本充電器就是采用4位數(shù)據(jù)傳送方式；
BLA： LED背光正極,。需要背光時,，BLA串接一個限流電阻接VDD，BLK接地,，實測該模塊的背光電流為50mA左右,；
BLK： LED背光地端。
1602B在智能充電器中的電路
六,、恒流/恒壓電路
下圖是采用PWM方式控制的恒流/恒壓電路,。由于圖中的開關(guān)管是工作在開關(guān)狀態(tài)，因此電路的工作效率較高,。
工作原理：
當開關(guān)管Q導(dǎo)通時,，輸入電源通過電感L向電容C充電，同時電感L開始存儲能量,。當Q斷開后,，電感要保持電流從而開始釋放能量，二極管D開始導(dǎo)通,，電感繼續(xù)給電容充電。開關(guān)管周期性的導(dǎo)通,，從而保證了電路輸出恒定的輸出電壓,。如果開關(guān)管的導(dǎo)通時間增加，則輸出電壓升高,，充電電流加大,。反之則輸出電壓下降,，充電電流下降。
因此,，通過調(diào)整PWM的占空比,，就可以實現(xiàn)實現(xiàn)充電器的恒流和恒壓功能。占空比與輸出電壓的關(guān)系如下：
ton/T = (Vo + VD) / (Vi – Vsat + VD)
其中：
ton ：開關(guān)管導(dǎo)通時間
T ：PWM脈沖的周期
Vi ：輸入電壓
Vo ：輸出電壓
Vsat ：開關(guān)管的飽和壓降
VD ：二極管導(dǎo)通壓降
電感L的計算方法如下：
L = (Vi – Vsat - Vo)ton / Ipk
其中：
Ipk = 2IoMAX
IoMAX = 最大輸出電流
下圖是本充電器的恒流/恒壓電路,。
圖中開關(guān)管選用了東芝的TPC8103 MOSFET管,，為8腳貼片封裝。其外形和內(nèi)部原理圖如下,。
七,、基準電壓源
TL431是一個具有良好的熱穩(wěn)定性能的三端可調(diào)基準電源。外形如下圖所示：
TL431有3個引腳,，分別為：陰極C（CATHODE）,、陽極A（ANODE）和參考端R（REF）。
其內(nèi)部工作原理圖如下圖所示：
充電器基準電壓電路如下圖所示：
TL431的內(nèi)部含有一個2.5V的基準電壓,，所以當在REF端引入輸出反饋時,，器件可以通過從陰極到陽極很寬范圍的分流，控制輸出電壓,。輸出電壓可以控制在Vref（2.5V）到36V范圍內(nèi),。當R12和R16的阻值確定時，兩者對Vo的分壓引入反饋,，若V o增大,，反饋量增大，TL431的分流也就增加,，從而又導(dǎo)致Vo下降,。顯見，這個深度的負反饋電路必然在VI等于基準電壓處穩(wěn)定,，此時Vo=(1+R12/R16)Vref,。選擇不同的R1和R2的值可以得到從2.5V到36V范圍內(nèi)的任意電壓輸出，特別地,，當R1=R2時,，Vo=5V。需要注意的是,，在選擇電阻時必須保證TL431工作的必要條件,，就是通過陰極的電流要大于1 mA 。
本充電器選擇的基準電壓值＝（1＋3/6）×2.5＝3.75V
八,、電流檢測電路：
本充電器需要實時監(jiān)控充電過程中的充電電流,、電池電壓、電池溫度以及放電電流值,。因此需要運放電路來對這些參數(shù)進行放大,。LM324是一款使用普遍且價格便宜的4運放集成電路,。其工作電壓為3－32V，封裝如下圖所示：
電流檢測電路如下圖所示,。通過檢測與電池串聯(lián)的電流檢測電阻R26上的電壓,，即可計算出充電電流和放電電流。運放2為充電電流檢測放大器,，運放3為放電電流檢測放大器,。
兩路放大器的增益均為：R27/R30＝87/6.6＝13。即最大電流檢測值為：基準電壓/電流放大器增益/R26＝3.7/13/0.1＝2.8A,。
九,、電池電壓檢測電路
為了監(jiān)控電池電壓，需要將電池電壓變換在單片機的AD測量范圍以內(nèi),，即0至Vref范圍內(nèi),。這里采用了一個普通的差分放大電路。如下圖所示：
其運放輸出電壓TEST_V＝Vbattery×R17/R14,。即電池最大測量電壓為：
Vbattery_max＝Vref×R14/R17＝3.75×12/3.08＝14.6V,。
十、溫度傳感電路
溫度傳感器：LM35
LM35是一款精密集成電路溫度傳感器,，其輸出的電壓線性地與攝氏溫度成正比,。LM35系列傳感器生產(chǎn)制作時就已經(jīng)過校準過，其輸出電壓與攝氏溫度一一對應(yīng),，使用極為方便,。其靈敏度為10.0mV/℃，精度在0.4℃至0.8℃(-55℃至+150℃溫度范圍內(nèi)),，低輸出阻抗,，線性輸出和內(nèi)部精密校準使其與讀出或控制電路接口簡單和方便，可單電源和正負電源工作,。
特性
在攝氏溫度下直接校準
+10.0mV/℃的線性刻度系數(shù)
確保0.5℃的精度(在25℃)
額定溫度范圍為-55℃至+150℃
適合于遠程應(yīng)用
工作電壓范圍寬,4V至30V
低功耗,小于60uA
在靜止空氣中,自熱效應(yīng)低,小于0.08℃的自熱
非線性僅為±1/4℃
10輸出阻抗,，通過1mA電流時僅為0.1Ω
參數(shù)指標及外形圖（三種封裝）
本充電器選用了LM35DZ型號，封裝類型為TO-92塑封,，如下圖所示,。工作溫度范圍為0℃至+100℃。
TO-92封裝（底視圖）
1腳：+VS,，2腳：Vout,，3腳：GND
典型應(yīng)用
利用數(shù)字表可以直接測量溫度，如室溫25℃時,，表上讀數(shù)為0.25V,。如下圖所示：
本充電器溫度測量電路如下圖所示：
運放電路增益為R34/R35＝12/2＝6。因為AD轉(zhuǎn)換器基準電壓為3.7V,，因此充電器的溫度測量最大值為（基準電壓/溫度測量增益）/10mV＝3700/6/10＝62攝氏度,。
十一、RS232接口電路
這里采用下圖分立元件構(gòu)成的RS232接口電路,，該電路工作穩(wěn)定可靠,，而且無須調(diào)試。如果需要縮小體積的話,，可以采用MAX232專用串口芯片,。
本充電器除了使用LCD做為狀態(tài)顯示以外，還采用了一個雙色發(fā)光二極管做為充電器的狀態(tài)指示,。這樣的話,，即使在黑夜里使用充電器，也能夠在遠處一眼就看出充電器的狀態(tài),。雙色二極管的驅(qū)動也是ATMEGA8串口的TX和RX腳,。
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There's something good in this world. And it's worth fighting for …… |
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