于单片机的智能电器控制原理及设计_单片机原理与控制技术

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河北工业大学 硕士学位论文 基于单片机的智能电器控制原理及设计 姓名：郭东太 申请学位级别：硕士 专业：物理电子学 指导教师：赵红东 20081001 河北工业大学硕士学位论文

基于单片机的智能电器控制原理及设计 摘 要

智能电器是以微控制器/微处理器为核心，除具有传统电器的切换、控制、保护、检 测、变换和调节功能外，还具有显示、外部故障和内部故障诊断与记忆、运算与处理以及 与外界通信等功能的电子装置。本文根据近年来便携式电子产品的迅速增长，对电源管理的要求越来越高，设计了一 款用于电源管理的智能电器。首先对广泛采用的电源锂电池的化学原理进行了介绍，通过实验得出在不同影响因素 下充放电时锂离子电池电压与容量的关系，另外还就充放电电流，过充，过放，及过温对 锂电池的影响进行了讨论。在对锂离子电池特性实验分析的基础上，进行了智能电器电路设计和软件程序编写。设计的电源管理部分具备了充电过程的控制，结合Atmel公司的AT89C52单片机管理功能，包括：温度控制、时间控制、电源关断、蜂鸣报警和液晶显示等，可以完成一个较为实用 的电源管理系统。为了保护数据，抑制干扰，进行了看门狗监测电路功能设计，保证了智 能电器工作的可靠性。最后对智能电器进行了测试实验。结果表明智能电器能够实现设计的全部功能。能够 提供预期范围的预充电流和终止充电电流，恒流充电时的电流值在设计范围内，恒压充电 时，能够提供较理想的电池端压。同时，也实现了相应的过温保护功能，及其出错报警等 功能。关键词：智能电器，电源管理，锂电池，AT89C52 I 基于单片机的智能电器控制原理及设计

THE INTELLIGENT CONTROL THEORY AND DESIGN OF ELECTRICAL APPARATUS BASED ON MCU ABSTRACT Intelligent apparatus based on microcontroller and microproceor core, not only have functions of traditional electrical switches, control, protection, detection, transformation and adjustment, but also have shown that the external and internal fault and the fault diagnosis of memory, and proceing operations, as well as communication with the outside world, and other functions of electronic devices.Based on the rapid growth of the portable electronics in recent years, power management have become increasingly demanding, the article designs a intelligent power management for electrical apparatus.First of all, the article introduces the chemical principle of lithium batteries, and then carries out the experiments of the battery charge and discharge in different factors, finding out the relationship between the battery voltage and capacity.In addition, discuing the charge and discharge current, charge-off, take-off, and over-temperature to the impact of lithium batteries.On the basis of analysis of the lithium-ion battery characteristics experiments, carry out a intelligent electrical circuit design and software programs.Design of power management has some control over the charging proce, combined with Atmel's AT89C52 single-chip management capabilities, including temperature control, time control, power off, beep alarm and liquid crystal display, and so on, can be a more practical power management system.In order to protect the data, interference suppreion, the watchdog function of monitoring circuit design ensures that the work of the intelligent apparatus.Finally, intelligent apparatus testing results show that the intelligent apparatus designed achieves full functionality.It can be expected to provide the scope of the pre-charge current and terminating charge current;the current value is in the design when charging current and it can provide a better battery-side preure when charging voltage.AS well as the realization of the corresponding over-temperature protection, and other features such as alarm error.KEY WORDS: intelligent apparatus, power management, lithium batteries, AT89C52 II 河北工业大学硕士学位论文

第一章 引言

§1-1 智能电器概述

1-1-1 智能电器定义 电器在国民经济的各部门和国防领域均占有非常重要的位置，起着不可或缺的作用。电器的主要发 展趋势是高性能、高可靠、小型化、电子化、数字化、组合化、集成化、多功能化、智能化及可通信化 /网络化，其核心是智能化和网络化 [1][2]。

关于智能电器的定义或阐释已有很多，这里从构成智能电器的核心部件及其功能出发，给出智能电 器的定义：智能电器是以微控制器/微处理器为核心，除具有传统电器的切换、控制、保护、检测、变 换和调节功能外，还具有显示、外部故障和内部故障诊断与记忆、运算与处理以及与外界通信等功能的 电子装置。该定义指出，智能电器的核心部件为微控制器/微处理器；与传统电器相比，智能电器的 功能有“质”的飞跃；智能电器是电子装置，而传统电器是电气设备。1-1-2 智能电器的种类 从大的方面讲，智能电器可分为智能电器元件/装置、智能开关柜和智能供配电系统；从电力系统 的一次设备和二次设备的角度讲，智能电器可分为二次智能设备(如智能测控装置、智能保护装置)和一 次智能设备(如智能开关、智能开关柜、智能箱式变电站)。1-1-3 智能电器所涉及的技术 智能电器是在传统电器的基础上发展起来的，因此智能电器所涉及的理论首先是传统电器的理论。此外，智能电器还涉及以下技术，这里只对本文涉及的微控制器技术和电磁兼容技术作重点介绍，其 它技术只简要介绍。1)电子技术 电子技术包括模拟电子技术和数字电子技术，或称为基础电子技术和集成电子技术。2)微处理机/微控制器技术 微处理机/微控制器技术主要包括微处理机/微控制器的硬件结构、指令系统、中断系统、定时器/ 计数器、串行口，程序存储器和数据存储器的扩展、I/O接口的扩展，键盘、显示器、拨盘、打印机的 接口设计，D/A、A/D的接口设计，隔离与驱动(功率)电路设计，微处理机/微控制器程序设计、应用系 统可靠性设计。3)检测与转换技术 检测与转换技术主要有： 误差理论； 电量测量技术； 非电量测量方法； 检测信号的处理与转换技术。4)数字信号处理技术 数字信号处理技术主要包括信号的描述及其分类、信号的分解，正交函数，傅立叶变换，连续时间 系统的傅立叶分析，连续时间信号的采样，离散傅立叶级数、离散傅里叶变换、快速傅里叶变换，数字 滤波器的原理、构成与设计。5)电磁兼容技术 电磁兼容性(Electromagnetic Compatibility，EMC)是指设备或系统在其电磁环境中能正常工作 1 [3] [4] [3] 基于单片机的智能电器控制原理及设计

且不对该环境中任何事物构成不能承受的电磁骚扰的能力。电磁兼容包括电磁干扰(EMI)和电磁敏感度(EMS)两部分，其技术主要包括电磁干扰与电磁环境，电磁干扰的耦合与传播，屏蔽理论及其应用，孔 缝泄漏的预制措施，接地技术与搭接技术，滤波技术及其应用，电磁兼容标准与规范，电磁兼容性分析 与设计，电磁兼容性试验与测量。6)现场总线技术 现场总线(Field bus)是当今3C 技术，即通信(Communication)、计算机(Computer)、控制(Control)技术发展的结合点，是电气工程与自动化领域技术发展的热点之一。7)数据库技术/高级语言编程技术 在构建智能供配电系统等现场总线系统时需用到数据库技术/高级语言编程技术。换言之，对于开 发智能电器系统来说，需要用到更多的计算机技术。8)人工神经网络(ANN，Artificial Neural Networks)人工神经网络是人工智能技术的一种，它具有优秀的学习能力，现已被广泛应用于模式识别、分类 辨识、信号处理、图像处理、控制与优化、计算机科学、机器人、预报和智能信息管理等领域。9)数学形态学(MM，Mathematical Morphology)数学形态学以集论基础，是几何形态分析和描述的有力工具，目前已广泛应用于信号处理、图像处 理等工程领域。

§1-2 本文研究的智能电器

目前，电源管理已成为电子系统中必不可少的技术。便携电子产品的迅速增长是电源管理技术发展 的最主要推动力。便携电子设备包括移动蜂窝电话和无绳电话、无线接收机、手持式收发信机、计算器、笔记本电脑、测试设备、医疗设备和由蓄电池供电的其他设备等。便携式电子设备对电源的要求有以 下几点：体积小，重量轻，效率高，低压差。锂离子电池具有能量密度高，可循环充电次数多，使用寿 命长，价格也越来越低等诸多优点，使得选用锂离子电池供电的便携式产品越来越多。然而锂离子电池 也存在一些不足，主要在于对充电控制器要求比较苛刻，需要保护电路。为有效利用电池容量，需将锂 离子电池充电至最大电压，但是过压充电会造成电池损坏，这就要求较高的控制精度。另外，对于电压 过低的电池需要进行预充，充电控制器最好带有热保护和时间保护，为电池提供附加保护。充电方式的选择直接影响着电池的使用效率和使用寿命，充电技术近年来发展非常迅速。充电控制 器的发展经历了三个阶段 : 1)限流限压式充控制电器 最原始的就是限压式充电，然后过渡到限流限压式充电，它使用的方式就是浅充浅放，其寿命表述 就是时间，没有次数，比如10年。这种充电模式的效果较差。2)恒流/限压式充电控制器 这是充电控制器发展的第二阶段，这种模式的充电控制器占据了充电控制器市场近半个世纪。首先，以恒电流充电至预定的电压值，然后，改为恒电压完成剩余的充电。一般两阶段之间的转换电压就是第 二阶段的恒电压。这种充电控制器充电电流总是低于电池的可接受能力，造成充电效率低，大大降低了 电池的寿命。3)自适应智能充电控制器 随着大规模集成IC的出现，充电设备进入了一个全新的自适应、智能阶段，即称为第三代充电控制 2 [7] [6] [5] 河北工业大学硕士学位论文

器。自适应充电控制器遵循各类电池的充、放电规律进行充、放电。并且具有温度补偿功能。充电系统 由具有特殊功能的单片机控制，不断检测系统参数，按模糊推理算法不断调整充电参数，同一充电控制 器可适应不同种类电池的充电，充电控制器自适应调整自己的输出电流，无需人工选择，避免操作失误。目前市场上很多采用大电流的快速充电法，所以在电池充满后如不及时停止会使电池发烫，过度的 过充会严重损害电池的寿命。也有一些低成本的充电控制器采用电压比较法，为了防止过充一般充电到 90%就停止大电流快充，采用小电流涓流补充充电。一般地，为了使得电池充电充分，容易造成过充，表现为有些充电控制器在充终了时电池经常发烫(电池在充电后期明显发烫一般说明电池已过充)。对电 池经常出现过充和欠充的缺点已越来越不能满足们的需要。锂电池的使用寿命和单次循环使用时间与充 电维护过程和使用情况密切相关。一部好的充电控制器不但能在短时间内将电量充足，而且对电池还 能起到一定的维护作用，修复由于使用不当而造成的记忆效应，即容量下降(电池活性衰退)现象。因而 传统的普通充电控制器存在明显的不足。基于以上问题的提出与分析本文将设计一款用于锂离子电池的智能电器。所谓智能充电控制器是指 能根据用户的需要智能控制充电进程，并且在充电过程中能对被充电电池进行保护从而防止过电压和温 度过高的一种智能化充电控制器。单片机控制的智能充电器，具备业界公认较好的-⊿V检测，可以检测 出电池充电饱和时的电压变化信号，比较精确地结束充电工作。这些充电器芯片往往具备了充电过程的 控制，加上单片机管理功能，包括：温度控制、时间控制、电源关断、蜂鸣报警和液晶显示等，可以完 成一个较为实用的智能充电控制器。随着电子技术的发展，芯片体积小型化及其价格的降低，智能充电 控制器大规模的批量生产已经成为可能。而智能充电控制器具有操作简单、可靠性高和通用性强等优点，是充电控制器家族中一个重要的组成部分，也是未来充电控制器发展的主要方向。因此，对充电控制器 智能化的研究与应用具有深远的现实意义。[6] §1-3 本课题的主要工作

本文实现基于单片机控制的智能电器设计，这里主要针对锂离子电池的智能电源管理控制器设计。根据锂电池的特点，要求智能控制器的最基本需求有二 ：一是要求其能提供较高的充电电流以缩短 充电时间，同时要具备最大充电电流和最大充电电压的限制以保证充电系统的安全；二是要求为增加 电池的充放次数及使用寿命，当中包括对过放(over-discharged)的电池减少充电电流，对电池电压的检 测或电池容量的检测，输入电流的限制，电池充饱时关闭智能控制器，对充饱电池经过一段时间漏电 后能自动再充电功能，充电状态的指示，外部智能控制器的开关控制等。1)首先介绍锂离子电池的化学原理，充放电原理及特性。在这一部分通过实验分析验证了锂离子电池电压在不同放电率下与电池容量的关系，环境温度与 电池放电容量的关系，并进一步分析论述了充放电电流对锂离子电池的影响，放电率对电池寿命的影 响，过充过放及过温对锂离子电池的危害。2)然后为智能电器设计进行选型并设计其硬件电路和软件部分，以实现其智能功能。这里在充电 电路设计上在比较锂电池充电主要的四种方法：恒流充电、恒压充电、恒流恒压充电和脉冲充电的优 缺点上，考虑到虽然恒流恒压充电需要复杂得多的电路来实现，但由于其充电时间短，充电效率高，因此本文所设计的智能电器充电控制部分将采用恒流恒压充电方法。智能电源管理控制器设计包括三部分：控制电路，充电电路，显示等外围电路。并完成这三部分 相关的程序设计。实现智能充电，液晶显示，看门狗功能。智能电器工作时不可避免会受到外界的干 3 [8] 基于单片机的智能电器控制原理及设计

扰，这些干扰轻则导致系统内部数据出错,重则将严重影响程序的运行。为了保护数据，抑制干扰，在 单片机智能系统的开发过程中需要进行可靠性设计。这里看门狗功能设计可保证智能电器的正常工作。3)最后给出采用本智能电源管理控制器对锂离子电池充电的实验结果，并对结果进行分析论述，以期提出不足和可能的改进措施。4 河北工业大学硕士学位论文

第二章 锂电池的原理及电特性实验

本文设计的智能电源管理控制器主要针对锂电池，因此有必要对锂电池的结构和特性进行必要的 讨论和实验。本章对锂电池化学原理作了简要介绍，并对其电特性进行了相关实验还就锂电池在使用 过程中必须注意的问题进行了说明。

§2-1 锂电池的化学原理

锂电池主要分为两大类：一次锂电池和二次可充电锂电池。一次锂电池不可充电，只适用于某些 特殊的场合，在这里不作详细的介绍。二次可充电锂电池，主要包括锂离子电池(Lithium-Ion)和锂聚 合物电池(Lithium-Polymer)。由于锂离子电池和锂聚合物电池的特性基本一致，所以接下来选取锂离 子电池作为我们讨论的对象 [9][10]。

锂是元素周期表中原子量最小(6.94)、比重量小(0.5349/cm3，20℃)、电化学当量最小(0.26g/(Ak))、电极电势最负(-3.045V)的金属。锂作为负极的锂电池具有开路电压高(3V 以上)，比功率高(超过 200whk-和 400wkL-1)，放电电压平稳，适用范围大和使用寿命长等特点 从负极转移到正极，如图 2.1 所示 [12] 1 [11]。所谓锂离子电池，是在正极和负极中采用可以容纳锂离子的晶状结构活性材料，使锂离子随着充放电从正极转移到负极或者。

图 2.1 锂离子电池的结构示意图 Fig 2.1 Lithium-ion battery structure diagram 电池通过锂金属氧化物正极产生的锂离子在负极碳材中的嵌入与迁出来实现电池的充放电过程。当对电池进行充电时，电池的正极上有锂离子生成，生成的锂离子经过电解液运动到负极。而作为负 极的碳呈层状结构，它有很多微孔，到达负极的锂离子就嵌入到碳层的微孔中，嵌入的锂离子越多，充电容量越高。同样道理，当对电池进行放电时(即使用电池的过程)，嵌在负极碳层中的锂离子脱出，又运动回到正极。回到正极的锂离子越多，放电容量越高。通常所说的电池容量指的就是放电容量 下 [13] [10]。

一般锂离子电池的负极由碳(C)材料构成，正极由锂金属氧化物(LiMO2)构成，主要的化学反应如 ： 5 基于单片机的智能电器控制原理及设计

负极反应： Li + e + 6C LiC 6 正极反应： LiMO2 Li(1 x)MO2 + xLi + xe + + 总反应式： LiMO2 + 6 xC Li(1 x)MO2 + xLiC 6 对于锂离子电池，使用不同的活性材料，包括电池的正极材料，负极材料和电解质，电池的性能 特性也会有所区别。负极材料中，目前常用的有焦碳和石墨。其中，石墨由于低成本、低电压（可以得到高的电池电 压）、高容量和高可恢复的优点，被广泛采用。、（LiNiO2）、正极材料中，主要以锂金属氧化物为主。目前常用的有锂钴氧化物（LiCoO2）锂镍氧化物 锂锰氧化物（LiMn2O4）以及纳米锰氧化物。其中，锂钴氧化物具有电压高、放电平稳、适合大电流放 电、比能量高、循环性好的优点，并且生产工艺简单、电化学性质稳定，其作为锂离子电池的正极材 料，适合锂离子的嵌入和脱出。锂镍氧化物自放电率低，没有环境污染，对电解液的要求较低,与锂钴 氧化物相比，具有一定的优势。锂锰氧化物优点是稳定性好，无污染，工作电压高、成本低廉。锂离子电池中的电解质使用有机溶剂作为锂离子的传输介质。锂离子电池对电解质溶剂的要求是： 高导电性、高分解电压、无污染、安全。通常用锂盐作为有机溶液。目前使用的锂盐主要有 LiClO4、LiAsF6、LiPF6 等 [14]。[15] 在正、负极、电解质三者中任何一种使用高分聚合物的锂离子电池就可以成为锂聚合物电池。现 在常见的是使用高分子胶体取代常规液体电解质的锂聚合物电池 效应，更重要的是，锂聚合物电池可以制成任意形状 的多，因此更加安全。[16]。

锂聚合物电池不仅具有锂离子电池的优点，即体积小、重量轻、能量密度高、自放电小、无记忆。锂聚合物电池中的电解液比锂离子电池要少

§2-2 锂电池的电特性实验

2-2-1 电池电压 锂离子电池的开路电压与电池的正负极材料、电池的充电状态有关。电池的额定电压有 3.6V 和 3.7V 两种，目前使用比较普遍的是 3.7V 的电池。该电池的充电终止电压为 4.2V，放电终止电压一般 为 2.75V(不同的厂商有不同的推荐值)。从表 2.1 [17] 可以看出，锂离子电池的电压相当于镍镉、镍氢

电池的三倍，也就是说，为了得到同样的电池组端电压，锂离子电池的使用数目只有镍镉、镍氢电池 的 1/3，大大减少了电池的数目，简化了电池组的设计、增加了整个电池组的稳定性。表 2.1 电池工作电压 Table 2.1 Battery voltage 电池种类 镍镉电池 镍氢电池 锂离子电池 充电电压（V）1.43 1.43 4.2 额定电压（V）1.2 1.2 3.6 放电终止电压（V）1.11 1.11 2.75 但是锂离子电池对电压精度的要求很高，误差不能超过 1%。如果电池的终止充电电压是 4.2V，那 么允许的误差范围就是 0.042V。终止电压过高，将会影响锂离子电池的寿命，甚至造成过充现象(Overcharge)，对电池造成永久性的损坏： 终止电压过低，又会使充电不完全，电池的可使用时间变短。6 河北工业大学硕士学位论文

实验测得充放电时电池电压随电池容量变化的关系。如图 2.2，电池终止电压为 4.1V。可以发现充 电时电池的端压要比放电时高，这是因为电池本身和充放电回路上有一定的电阻。

图 2.2 电池电压与容量的关系 Fig 2.2 The relationship between the battery voltage and capacity 我们把电阻等效为 Rd，如图 2.3，那么充电时的端电压表达式为： VO = Vcell + Rd I ch arg e 相应的，放电时端电压表达式为：(2.1)(2.2)VO = Vcell-;} /* 喂狗语句 */ WD I = 1;WD I = 0;} LED_ G = 0;LED_ R = 0;} 图 4.6 程序流程图 Fig 4.6 Program flow chart28 河北工业大学硕士学位论文

第五章 智能电器仿真调试

一个单片机应用系统经过预研、总体设计、硬件设计、软件设计、制板、元器件安装后，在系统的 程序存储器中放入编制好的应用程序，系统即可运行 [34]。但一次性成功几乎是不可能的，多少会出现

一些硬件、软件上的错误，这就需要通过调试来发现错误并加以改正。由于单片机在执行程序时人工是 无法控制的，为了能调试程序，检查硬件、软件运行状态，就必须借助某种开发工具模拟用户实际的单 片机，并且能随时观察运行的中间过程而不改变运行中的数据性能和结果，从而进行模仿现场的真实测 试。完成这一仿真工作的就是单片机仿真器。本论文采用万利电子有限公司的 Insight 仿真器ME-52HU。

§5-1 设置仿真器

MedWin 集成开发环境对仿真器的硬件控制是通过执行菜单命令[设置|仿真器设置]实现的。仿真器 设置功能是通过对仿真器CPU 选择，仿真器时钟选择，仿真器控制选项，程序存储器映像和数据存储器 映像进行的。在设置这些功能时，应将仿真器的各项设置与目标系统的要求一致或尽量接近 1)仿真 CPU 选择 MedWin 是基于Insight 系列仿真器硬件的集成开发环境，集成环境所有窗口显示的数据都是被仿 真对象真实数据的体现，是完全真实的。在实际仿真时，应合理选择仿真CPU，使其与目标CPU 型号、功能最为接近。这里选择ME-52HU。2)仿真器时钟选择 ME-52HU仿真器提供12MHz，24MHz，11.0592MHz 和22.1184MHz 四种仿真器内置时钟源，以及仿真 头组件时钟或目标系统上的有源时钟五个选项供选择。这里选择11.0592MHZ。当选择仿真器内部时钟提供仿真CPU 时，时钟信号还通过仿真头送到目标系统的时钟引脚(XTAL1 和XTAL2)上，此时需将仿真头上的跳线开路(拔出)，以免仿真头组件上的振荡器时钟与仿真器内部时 钟产生信号叠加。当选择仿真头组件或目标系统时钟时，需在仿真头组件时钟或目标系统时钟中取其一者：

1、短路 仿真头组件上的跳线，并在组件上振荡器小板的插孔内插入合适的晶体振荡器，此时仿真头组件时钟提 供给仿真CPU 同时也提供给目标系统。

2、将仿真头上的跳线开路，仿真器的时钟来源与目标系统的振 荡器，此时目标系统应是有源时钟。[35][36]。

§5-2 编译工具设置

MedWin 集成开发环境系统默认使用万利电子有限公司的汇编器A51.EXE 和连接器L51.EXE，支持汇 编语言编写的程序开发，如果使用其它外部编译工具，需要对外部编译工具的路径和程序进行设置。如图 5.1 这是 MedWinV3 环境的初始默认选项，用户只使用汇编作为编程语言时，选择此选项。本文使用指定路径下的编译工具 KEILC51。29 基于单片机的智能电器控制原理及设计

图 5.1 编译工具选择 Fig 5.1 Compiler tools choosing Keil 是目前最流行的 51 单片机开发软件 没有什么差别。其编程要点如下 [38] [37]，各仿真机厂商都宣称全面支持 Keil 的使用，对于使

用 C 语言进行单片机开发的用户，Keil 已经成为必备的开发工具。Keil C51 源程序结构和一般 C 语言 ： 1)语言是由函数构成的。一个 C51 源程序至少包含一个 main()函数，也可以包含一个 main()函 数和若干其它函数。因此，函数是 C51 源程序的基本单位。被调用的函数可以是编译器提供的库函数，也可以是用户根据需要自己编制设计的函数。2)一个 C51 源程序总是从 main()函数开始执行的，而不管 main()函数在整个程序中的位置如何。3)C51 源程序书写格式自由，一行内可以写几个语句，一个语句可以分写在多行上，C51 源程序 无行号。4)每个语句和数据定义的最后必须有一个分号，分号是 C51 源程序语句的必要组成部分，它不可 缺少，即使是程序中最后一个语句也应该包含分号。5)C 语言本身没有输入/输出语句。输入和输出的操作是由库函数 scanf()和 printf()等函数完 成的。C51 源程序对输入/输出实行“函数化”。6)可以用/*„*/对C51源程序中的任何部分作注释。一个有使用价值的程序都应该加上必要的注 释，以增加程序的可读性。

§5-3 连接和测试

1)连接通讯电缆到计算机的 LPT 口，将25芯并行通讯电缆和电源插头插入仿真器的LPT插座和电 源插座，根据仿真频率和目标系统的具体情况，选择200毫米或100毫米的扁平电缆分别与仿真器和仿真 头组件连接，将仿真头组件插入目标系统CPU插座，并将地线夹与目标系统地线相连，如图5.2： 30 河北工业大学硕士学位论文

图 5.2 连接仿真器与目标系统 Fig 5.2 Connecting simulator with the target system 2)将 MS-100 电 源 适 配 器 插 入 市 电 插 座，并 接 通 220V 交流 电 源 此 时 仿 真 器 上 的 电 源 指 示 LED(Power)和监控状态LED(Moni)亮，运行状态LED(Run)闪烁后灭，说明仿真器硬件已经正常工作。3)运行 MedWin V3 软件，执行[选项|设备驱动管理器]命令，对话框中点所选驱动，如图 5.3。

图5.3 选择设备驱动 Fig 5.3 Selecting device driver 31 基于单片机的智能电器控制原理及设计

4)执行[选项|通讯设置]命令，选择合适的通讯端口并确定，如图5.4。

图5.4 通讯端口选择 Fig 5.4 Selecting communications port 5)MedWin V3 的状态行出现通讯端口:仿真器信息和时钟信息。正常时，状态栏内的通讯端口指示 灯为黄色(与仿真器上的Moni LED 对应)，时钟指示灯为绿色，表示仿真器时钟正常，如图5.5： 图 5.5 仿真器状态栏 Fig5.5 Simulator state Column §5-4 设计中问题调试

在完成智能电源管理系统的硬件和软件设计以后，由于单片机的监控电路部分起着十分重要的作 用，它直接关系到整个系统的正常运行，所以很有必要检测这一部分设计是否正常工作 用来检测看门狗设计部分工作是否正常： 1)单片机控制的智能电器正常工作时，时钟引脚XTAL1和XTAL2的对地电压分别约为2.0V和2.5V，用万用表测试这两个电压值分别为1.96V和2.48V，说明智能电器工作正常。2)在单片机控制的智能系统上电工作不正常时，有可能是复位电路存在问题。用短路线将RESET 引脚和+5V短接一下，模拟上电复位，如果智能系统能够正常工作了，说明复位电路存在问题。本系统 上电工作正常，所以此步测试跳过。3)用SS-5702 20MHZ示波器观察和WDI相连的单片机I/O口的信号波形，观察发现端口电平以设置的 时间为周期跳变，表明看门狗程序工作正常。[39]。以下方法

§5-5 程序代码

主要程序代码清单如下，这里只给出单片机控制智能电源管理系统的程序，以及液晶显示“充电 中”字样，还有看门狗监测电路的监控程序部分。#define uchar unsigned char 32 河北工业大学硕士学位论文

#define uint unsigned int uchar code CHONG[32]={ /* 充 */ 0x80,0x00, 0x40,0x01, 0x30,0x02, 0x19,0x8A, 0x16,0x9C, 0x16,0xF0, 0x34,0x80, 0x11,0xFE, 0x16,0xA1, 0x19,0xC9, 0x10,0x85, 0x30,0x07, };uchar code DIAN[32]={ /* 电 */ 0x80,0x00, 0x40,0x01, 0x20,0x02, 0x09,0x18, 0x0D,0x10, 0x0B,0x30, 0x7F,0xFE, 0x09,0x51, 0x0B,0x31, 0x09,0x19, 0x1F,0xFD, 0x20,0x03, };uchar code ZHONG[32]={ /* 中 */ 0x80,0x00, 0x40,0x01, 0x20,0x02, 0x08,0x28, 0x0C,0x30, 0x0A,0x20, 0x7F,0xFF, 0x09,0x60, 0x0A,0x20, 0x08,0x28, 0x1F,0xF4, 0x28,0x02, };#define LCD XBYTE[0xffff] #define CSA P2_2 #define CSB P2_4 #define E P2_3 #define RW P2_5 #define DI P2_6 sbit busy_bit=ACC^7;sbit GATE = P2^0;sbit BP = P2^1;uint t_count,int0_count;sbit LED_G = P1^0;sbit LED_R = P1^1;sbit WDI = P1^2;// 绿灯控制信号 // 红灯控制信号 // 看门狗检测输入信号 //lcd state byte bit 7 /* LCD 端口 */ 0x1F,0xF4, 0x09,0x60, 0x0C,0x30, 0x40,0x01 0x1F,0xFC, 0x09,0x50, 0x0D,0x11, 0x40,0x07 0x10,0x85, 0x5D,0xC0, 0x16,0x91, 0x40,0x01 /* 定时器 0 中断服务子程序 */ void timer0()interrupt 1 using 1 { 33 基于单片机的智能电器控制原理及设计

TR0 = 0;TH0 =-5000/256;TL0 =-5000%256;t_count++;// 停止计数 // 重设计数初值

if(t_count>600){ if(int0_count==1){ GATE = 0;BP = 0;} else { GATE = 1;BP = 1;} ET0 = 0;EX0 = 0;int0_count = 0;t_count = 0;} else TR0 = 1;} /* 外部中断 0 服务子程序 */ // 第一次外部中断 0 产生后 3s // 还没有出现第二次外部中断 0，则认为充电完毕 // 关闭充电电源 // 打开蜂鸣器报警 // 否则即是充电出错

// 关闭 T0 中断 // 关闭外部中断 0 // 启动 T0 计数

void int0()interrupt 0 using 1 { if(int0_count==0){ TH0 =-5000/256;TL0 =-5000%256;TR0 = 1;t_count = 0;} int0_count++;} /* 初始化 */ void init(){ 34 // 5ms 定时 // 启动定时/计数器 0 计数 // 产生定时器 0 中断的计数器清零

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EA = 1;PT0 = 1;TMOD = 0x01;ET0 = 1;IT0 = 1;EX0 = 1;GATE = 1;BP = 1;} // 打开 CPU 中断 // T0 中断设为高优先级 // 模式 1，T0 为 16 位定时/计数器 // 打开 T0 中断 // 外部中断 0 设为边沿触发 // 打开外部中断 0 // 光耦正常输出电压 // 关闭蜂鸣器 // 产生外部中断 0 的计数器清零 int0_count = 0;/* 下面是对液晶屏 gxm12864d 操作的函数, 128x64 点阵 */ /* 发命令 i 到主窗口 */ void lcd_mwc(uchar i){ CSA=1;CSB=0;RW=1;DI=0;do { ACC=LCD;} while(busy_bit);RW=0;LCD=i;} /* 写数据 i 到主窗口 */ void lcd_mwd(uchar i){ CSA=1;CSB=0;RW=1;DI=0;do { ACC=LCD;} while(busy_bit);RW=0;DI=1;LCD=i;35 //wait for lcd not busy //wait for lcd not busy 基于单片机的智能电器控制原理及设计

} /* 清屏 */ void lcd_clear(void){ uchar i;uchar page;for(page=0xb8;page

tmp = 0;WDI = 0;/* 调用初始化函数 */ init();E=1;lcd_clear();lcd_init();lcd_mwc(0xb8);lcd_mwc(0x40);dispm_hz_up(&CHONG);dispm_hz_up(&DIAN);dispm_hz_up(&ZHONG);lcd_mwc(0xb9);lcd_mwc(0x40);dispm_hz_down(&CHONG);dispm_hz_down(&DIAN);dispm_hz_down(&ZHONG);/* 看门狗实现 */ while(1){ LED_G = 1;LED_R = 1;/* 延时 */ for(i=0;i

基于单片机的智能电器控制原理及设计

§5-6 实验测试结果

对智能电源管理控制器设计完成后，下面将进行实验测试，并对实验结果进行分析，以检测智能 电源管理控制器能否完成设计功能。实验中所用设备如下: 1)数字万用表 DT9205A 2)Chroma63112 型电子负载(240A/80V/1200W)3)SS-5702 20MHZ 示波器 4)电吹风 5)YOKOGAWA 530 型数字点温计 实验过程如下: 1)充放电实验 这里使用 SS-5702 20MHZ 示波器提供直流电源对智能电器供电，供电电压调整为 5V。在电池和电 流检测电阻的两端分别使用万用表测量实时电压，并记录。将 Chroma 63112 型电子负载调节为恒流模式，采用 375mA 的放电率对电池进行放电，同时使用万 用表测量电池端电压，并记录。2)自动重复充电实验 电池充电完毕后，保持充电电源的接入状态不变，使用电子负载对直接电池电芯(越过充放电控制 MOSFET)进行小电流放电，观察电池端压，记录自动重复充电时的电压值。3)过流、过压过温保护实验 调节直流电源为恒流输出，越过调整管直接将直流电源输出接至电池两端(保护线路仍为接入状 态)，改变恒流输出值，观察过流保护动作，并记录动作时的恒流值。保持直流电源恒流输出模式不变，将恒流值变为 C/4，即 375mA 左右，越过调整管直接对电池进 行充电，同时使用万用表对电池端压进行实时测量，并记录下过压保护时的电压值。在电池充电或者放电过程中，使用电吹风对电池进行加热，直到温度保护线路动作，用点温计记 录此时的电池温度。本实验结果如下: 对充满的电池采用 375mA(1/4C)的放电电流进行放电实验的实验数据曲线如图 6.1 所示。

图 6.1 电池的放电曲线图 Fig 6.1 The curve of the battery discharge 由上面曲线可以看出，电池从满充电压开始下降，一直到放电终止电压 2.5V 左右为止，此时保护 38 河北工业大学硕士学位论文

线路动作，切断了电池的放电回路。图 6.2 是电池的充电曲线电流部分，图 6.3 是电池的充电曲线电压部分。根据曲线可以看出充电 器先恒流后恒压的充电过程。如果电池的电压低于预充电阀值电压，充电器还将对电池进行预充电过 程。

图 6.2 电池的充电曲线 I Fig 6.2 The curve of the battery charge I 6.3 电池的充电曲线 II Fig 6.2 The curve of the battery charge II 智能充电器使用的锂离子电池数据和充放电参数及实验测得的实际值如表 6.1 所示。由表中的数据，可以看出智能电器能够实现设计的全部功能。智能电器能够提供 0.081～O.084A 的预充电流或者终止充电电流，恒流充电时的电流值在 0.552～0.580A 之间，恒压充电时，智能电器 能够提供 4.216～4.242V 的电池端压。同时，智能电器也可以实现相应的保护功能，如单体电池 4.375V 的过充保护电压，电池 1.930A 的过流保护电流值，当电池温度超过 53 C 时，过温保护动作切断电池 的充放电回路。39 基于单片机的智能电器控制原理及设计

表 6.1 实验数据 Table 6.1 Experimental data 项目 电池容量 额定电压 预充电压阈值 恒压充电电压 放电终止电压 过充保护电压 自动重复充电电压 预充电流/终止充电电流 恒流充电电流 最大放电电流 过流保护电流 充电温度 放电温度 保护温度 标称值 750mAh 3.7V 3.2V 4.2V 2.4V 4.35V 4.2V 0.063A 0.63A 1.5A 2A 0～45 C-20～55 C-20～50 C。。

实测值 765mAh--3.142V 4.216～4.242V 2.501V 4.375V 4.093V 0.081～0.084A 0.552～0.580A--1.930A ～53 C。40 河北工业大学硕士学位论文

第六章 结论及展望

本文介绍了智能电器的发展趋势及所涉及的技术，本文应用的技术主要是微控制技术。近年来便 携式电子产品的迅速增长，对电源管理的要求越来越高，锂离子电池具有体积小，重量轻，能量密度 高，可循环充电次数多，使用寿命长，价格也越来越低等诸多优点，使得选用锂离子电池供电的便携 式产品越来越多。本文设计的智能电源管理控制器主要针对锂电池，因此有必要对锂电池的结构和特性进行必要的 讨论和实验。首先简要介绍了锂离子电池的化学原理，然后实验分析论证了锂离子电池的电特性： 1)由充放电实验电池电压与电池容量的关系，表明充电时电池的端压要比放电时高。这是因为电 池本身和充放电回路上有一定的电阻。所以在计算充放电端电压时，不要忘记内阻值的影响。2)实验不同放电率下锂离子电池电压的变化。结论表明放电率越大，相应剩余容量下的电池电压 就越低。3)环境温度对电池放电的影响实验，结论表明温度较低时，放电容量有所下降。另外还就循环次数，过充，过放，及过温对锂离子电池的影响和危害进行了讨论。然后为智能电器设计进行选型并设计其硬件电路和软件部分，以实现其智能功能。智能电源管理 控制器设计包括三部分：控制电路，充电电路，显示等外围电路。并完成这三部分相关的程序设计。实现智能充电，液晶显示，看门狗功能。智能电器工作时不可避免会受到外界的干扰，这些干扰轻则 导致系统内部数据出错,重则将严重影响程序的运行。为了保护数据，抑制干扰，在单片机智能系统的 开发过程中需要进行可靠性设计。这里看门狗功能设计可保证智能电器的正常工作。本文设计的一款用于电源管理的智能电器，具备较好的-⊿V 检测，比较精确地进行电源管理工作。设计的电源管理电路具备了充电过程的控制：一是提供较高的充电电流缩短了充电时间，同时具备了 最大充电电流和最大充电电压的限制以保证系统的安全；二是为增加电池充放次数及使用寿命，对过 放(over-discharged)的电池减少其充电电流，对电池电压的检测或电池容量的检测，输入电流的限制，电池充饱时关闭充电器，对充饱电池经过一段时间漏电后能自动再充电功能，充电状态的指示，外部 充电器的开关控制等。采用 Atmel 公司的 AT89C52 单片机设计了管理功能，包括：温度控制、时间控 制、电源关断、蜂鸣报警和液晶显示等，可以完成一个较为实用的电源管理系统。在整个智能管理系 统中单片机作为整个系统的控制者，起着非常重要的作用。它能够根据电压、电流采样，判断电池目 前所处的状态，针对不同的状态，决定允许哪些操作，禁止哪些操作，并通过液晶显示告知用户，不 正常时，它能够及时发现并且通过报警手段提醒操作人员的注意。为保证智能电器正常工作，在开发过程中进行了可靠性设计。一般说来系统的可靠性应从软件、硬件以及结构设计等方面全面考虑。只有通过软、硬件的联合设计才能保证系统总体的可靠性指标，以满足系统在现场苛刻条件下的正常运行。本文设计了看门狗监测电路和软件部分，使智能系统能够 排除外界干扰正常工作。由上一章对智能电器的调试及实验所测的数据，可以看出由单片机控制的智能电器能够实现设计 的全部功能。由于实验本身所用的实验设备的限制及其设计中仍存在的不足，整个智能管理系统还有 待进一步提高和改进。如进行多个电池充电时电源均衡管理的设计，电池电量的更精确的显示等。随着电子技术的发展，芯片体积小型化及其价格的降低，智能电源控制器大规模的批量生产已经 成为可能。而智能电源控制器具有操作简单、可靠性高和通用性强等优点，是智能电器中弱电电器家 41 基于单片机的智能电器控制原理及设计

族中一个重要的组成部分，也是未来电源管理控制器发展的主要方向。因此，对电源控制器智能化的 研究与应用具有深远的现实意义。智能电器的研究、开发需要多学科、跨学科的合作与协调，任何一个相关门类学科的发展都会对 其产生推动作用 [40]。另外在智能电器的发展上也是逐步实现其智能功能，智能功能的实现不仅是技术

还是成本、经济等多方面的综合影响的结果。42 河北工业大学硕士学位论文

参考文献

[1] 张杭.电器智能化系统的国内外现状与发展趋势.机电信息, 2003(20): 23-24 [2] 周志敏.国内智能电器的现状与发展趋势.电器开关, 2002(6): 2-3 [3] 佟为明.智能电器综述.电气时代, 2006(5): 18-21 [4] 王章启, 顾霓鸿.配电自动化开关设备.北京：水利电力出版社, 1999: 211-222 [5] 汪岭.DC/DC 升压变换器设计.上海交通大学硕士学位论文, 2007.1: 3 [6] 黄春耀.基于单片机的智能充电控制器的设计与应用.龙岩学院学报, 2007(25): 24 [7] 周玲.基于单片机控制的智能充电器设计.广西大学硕士学位论文, 2006.10: 5 [8] 戴维德.充电器 IC 概述.今日电子, 2005(20): 46-48 [9] 罗光毅.蓄电池智能管理系统.浙江大学硕士学位论文，2003.3: 32-33 [10] 杨捷.锂离子电池的特点与使用.现代电视技术, 2003, 05：93-94 [11] 闫俊美,杨金贤等.锂电池的发展与前景.盐湖研究, 2001,9(4): 58-63 [12] Brouely,M;McDowall, J;New technologiesfor future telecom batteries;Telecommunications Energy Conference 1999.INTELEC 99.The 21st International，6-9June 1999 Pages:7pp.[13] Teofilo VL,Merritt LV,Hollandsworth RP.Advanced lithium ion battery charger.Aerospace and Electronic Systems Magazine,Vol12(11),Nov 1997:30-36 [14] 郑如定.锂离子电池和锂聚合物电池概述.通信电源技术，2002: 18-21 [15] 张洪为.锂离子电池原理及充电管理的设计探讨.Texas Instruments 2004.11: 1-15 [16] 赵培正.聚合物锂离子二次电池..河南师范大学学报，2002(03): 54-55 [17] Mc Dowall, J;Brouely, M;Battery developments for the outside plant environment-an overview;Telecommunications Energy Conference, 1998.INTELEC.Twentieth International, 4-8 Oct.1998 Pages: 636-641 [18] Elena E.Potanina, Vladislav Y.Potanin, Ph.D.Li-ion Battery Charger with Three-Parameter Regulator Loop.IEEE 2005: 2836-2840 [19] Brouely, M;Perelle, M;McDowall, J;Sarre, G;Martaeng, J;Lithium ion: the next generation of long life batteries characteristics,life predictions,and integration into telecommunication systems;Telecommunications Energy Conference, 2000.INTELEC.Twenty-second International, 10-14 Sept.2000 Pages: 194-201 [20] Dan Friel;Portable by Design & Wirele Symposium Battery Centric Charging Benefits and Applications;Power Smart Inc.1999 [21] Joen, A;Spath, V;Doring, H;Garche, J;Battery management systems(BMS)for increasing battery life time;Telecommunications Energy Conference, 1999.INTELEC [22] Elias MFM, Nor KM,Rahim NA, Arof AK.Lithium-ion battery charger for high energy application.Power Engineering Conference.2003:283-288 [23] MAXIM;Switch-Mode, Linear, and Pulse Charging Techniques for Li + Battery in Mobile Phones and PDAs;application note 913:Dec 27, 2001.43 基于单片机的智能电器控制原理及设计

[24] 向德军.用于铅酸蓄电池的大容量智能充电系统的研究.武汉大学硕士毕业论文, 2004.1: 45-47 [25] ARMEL;AT89C52, 8-bit Microcontroller with 8k Bytes Flash;datasheet [26] 张俊谟.单片机中级教程.北京: 北京航空航天大学出版社, 2002: 112 [27] MAX1898;Linear Charger for Single-Cell Li+Battery;datasheet [28] 李敏, 孟臣.彩色液晶显示器在嵌入式系统中的应用.新器件新技术, 2003,1:12 [29] 65COM1132SEG DRIVER&CONTROLLER FOR STNLC.SAMSUNG ELECTRONICS, 1998 [30] GXM12864-22SL Liquid Crystal Display Module User’s Guide GX co, ltd [31] 田小林, 王建华.MG-12864-2 液晶显示器的应用设计.现代显示, 2004, 4: 15 [32] 袁旭军, 庄松林.单片机复位电路的可靠性分析.电子技术应用, 2002, 28(11): 19-20 [33] 求是科技.单片机典型模块设计实例导航.北京: 人民邮电出版社, 2004: 430 [34] 孙方平, 王静.8051单片机C51集成开发系统.农业网络信息, 2004, 5: 21 [35] 刘军.单片机原理与接口技术.上海: 华东理工大学出版社, 2006: 192-222 [36] 万利仿真器使用指导书.2004: 9-18 [37] 尹勇, 王洪成.单片机开发环境μVision2使用指南及USB固件编程与调试.北京： 航空航天大学, 2004: 63-103 [38] 张桂红.单片机原理与应用.福建: 福建科学技术出版社, 2007: 266-267 [39] 彭为, 黄科, 雷道仲.单片机典型系统设计实例精讲.北京: 电子工业出版社, 2006: 331-354 [40] 杨国福.智能电器的现状和发展趋势.江苏电器, 2005, 11: 35 44 河北工业大学硕士学位论文

致 谢

本论文是在导师赵红东老师严格要求和悉心指导下完成的。完成课题过程中，老师严谨的治学态 度和深厚的学术造诣给我留下了深刻的印象，也必将对我的人生道路产生深刻的影响，在此向老师表 示真挚的谢意。感谢我的同学马丽、赵增会、刘赫、赵士达等，几年来和大家结下的深厚友谊将是我人生最宝贵 的财富。感谢生我养我的父母，他们不仅赋予了我生命，并且给予了我天底下最无私的关怀与照顾。最后再一次感谢所有帮助过我的老师同学们！45 基于单片机的智能电器控制原理及设计

攻读学位期间所取得的相关科研成果

[1] 赵红东, 孙梅, 韩力英, 田红丽, 郭东太, 刘赫.计算半导体平板微腔自发发射的近似方法.计 算物理, 2007,24(6)[2] 赵红东, 孙梅, 马丽, 郭东太, 赵增会, 赵士达.平板限制半导体体材料发光的解析方法 中国 科技论文在线, 2008,10 46 1