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1、本科生毕业设计（论文）摘 要本设计讨论了镍镉、镍氢电池的充电问题，以此为基础设计了一个快速充电器。论文中首先介绍了镍镉、镍氢电池各自的特点以及它们的充电特性，研究了几种常用的充电方法和充电终止控制方法，分析了这几种方法各自的优缺点。基于以上分析，本设计采用了一种较好的充电终止控制方法电压负增量控制方法，以AT89C2051单片机为核心设计了一个智能快速充电器。该充电器主要利用模数转换，将电池电压这一模拟量转换为单片机定时器中的数字量，经过数字量的运算、比较，对电池的工作状态进行判断，并相应地采取不同的充电方法。其中快速充电过程采用了大电流脉冲充放电的方法，消除了电池极化反应这一现象，充电过程中
2、检测电路检测到电池出现负压后，快速充电终止。关键词：电压负增量；快速充电；模数转换AbstractThe reference design discusses the issue of charge for NiCd/NiMH batteries; on this basis a quick charger is designed. The characteristic and charge feature of them are introduced, some kind of charging method and stop-charge controlling method are pa
3、rticularly investigated，The advantages and disadvantages of them are analyzed. Based on the analysis above, a kind of well controlling method is adopted (-V) and an intelligent quick charger based on AT89C2051 single-chip microcomputer designed. This charger uses the A/D conversion, changing analogi
4、cal quantity of batteries voltage into digital quantity of timer in single-chip microcomputer. After operating and comparing of this digital quantity, it judges the state of batteries, accordingly adopts different charge method. To eliminate the effect of polarization, it uses large current pulse to
5、 conduct charging and discharging. Quick charge stops after negative voltage appearing during the process of charge.Key words：Negative voltage increment；Quick charge；A/D conversion前 言最近几年以来，数码技术的发展使人们对能源的要求越来越高，作为能源市场上的佼佼者，性价比高的镍镉镍氢电池可满足很多方面的需求，得到了众人的青睐，各种镍镉镍氢电池的充电器也得到了很大发展。这两种电池具有相似的特性，可以设计出两种电池都适用
6、的充电器。本设计在讨论了两种电池特性基础上，以AT89C2051单片机为核心设计了一个可对镍镉镍氢电池充电，具有电压负增量（-V）控制功能的快速充电器。这个快速充电器硬件电路比较简单，成本较低，不过在软件部分采用了较为先进的控制方法，其性能并未因此受到影响。本论文主要分四个部分，首先第一章对本设计作了一下概述。第二章介绍了镍镉镍氢电池的特点、充电曲线、充电方法、充电过程和充电终止控制方法，它们是本设计的基础，其中两种电池的充电曲线是重点内容，正是在研究了两种电池充电曲线的基础上，本设计采用了脉冲法加去极化反应结合的充电方法和电压负增量的充电终止控制方法。第三章分三个部分对本设计的硬件电路做了详
7、细分析，其中包括电路工作原理和每一部分参数的设置。本设计中用到了A/D转换，第三章最后对影响该A/D转换电路的因素做了详细分析并给出了误差解决方案。第四章是程序设计，讲述了本设计程序代码，并结合程序分析了电路工作过程。目 录第1章 概 述1第2章 镍镉镍氢电池的充电原理22.1 充电相关术语22.2 两种充电电池的特点32.3 充电曲线42.4 充电方法、过程及充电终止控制方法5第3章 硬件电路设计93.1 电路总体框架93.2 控制芯片AT89C2051简介93.3 充放电电路设计113.4 电压变换和模拟开关选通电路设计123.5 A/D转换电路设计183.6 电路其它组成部分203.7
8、电路工作过程分析203.8 误差分析及解决办法213.9 影响A/D转换速度的因素及提高办法22第4章 程序设计234.1 程序设计总体思路234.2 主程序代码设计244.3 子程序设计27结 论31参考文献32致 谢33附录1 系统电路图34附录2 主要源代码35IV大庆石油学院本科生毕业设计（论文）第1章 概 述随着数码行业的爆破性增长，镍镉镍氢电池以其经济实惠的优点得到众人的青睐，用途也从传统的小家电产品收音机、录音机、剃须刀等扩展到我们新兴的MP3、PDA、数码相机、电动玩具等产品中来。镍镉镍氢电池各有各的特点，可分别满足特定的需求。镍镉镍氢电池具有独特的充电特性，因此设计充电器时要
9、考虑到这一特性，这样才能把优势充分发挥出来。在理解了两种电池的特点，分析了它们的充电曲线和特性以后，本文对几种不同的充电方法和充电终止控制方法作了详细比较，分析了各自的利弊，最终采用了脉冲法加去极化反应结合的快速充电方法以及电压负增量（-V）的充电终止控制方法。本设计选用了单片机、模拟开关等集成器件，为了便于对硬件电路设计原理进行分析，在硬件电路设计这一章中对它们的基本功能做了简要介绍。本设计的硬件电路中，充电和电压变换部分属于模拟电路，而控制部分属于数字电路，连接这两部分电路的一个重要组成部分是A/D转换电路。为了充分利用已有资源，降低成本，这个A/D转换电路利用的是恒流源对电容充电，电容两
10、端电压与时间呈线性关系这一原理，将电池电压这个模拟量转换成单片机定时器中的数字量。本设计的软件部分根据A/D转换电路得到的电池电压的数字量进行电压的比较和判断，按照充电曲线进行快速充电，当快充结束后，自动转入涓流充电。第2章 镍镉镍氢电池的充电原理2.1 充电相关术语为了更好地理解镍镉镍氢充电电池的特性，下面先简单介绍一下几个和充电电池相关的术语：1充电速率（C-rate）C是Capacity的第一个字母，用来表示电池充放电时电流的大小数值，以mAh或Ah表示。可以用它来估算工作时间，例如，C=1600mAh的电池，如果工作电流为400mA，则可估算工作时间约为4小时。2终止电压（Cut-of
11、f discharge voltage）电池放电时，电压下降到电池不宜再继续放电的最低工作电压值称为终止电压。根据不同的电池类型及不同的放电条件，对电池的容量和寿命的要求也不同，因此规定的电池放电的终止电压也不相同。3开路电压（Open circuit voltage）电池不放电时，电池两极之间的电位差称为开路电压。电池的开路电压，会依电池正、负极与电解液的材料而异，如果电池正、负极的材料完全一样，那么不管电池的体积有多大，几何结构如何变化，开路电压都是一样的。4过放电（Over discharge）电池若是在放电过程中，超过电池放电的终止电压值，仍继续放电时就可能会造成电池内压升高，正、负极
12、活性物质的可逆性遭到损坏，使电池的容量明显减少，这一现象称为过放电。5过充电（Over charge）电池在充电时，达到充满状态后，若仍继续充电，可能导致电池内压升高、电池变形、漏液等情况发生，电池的性能也会显著降低，甚至使电池损坏，这一现象称为过充电。6能量密度（Energy density）电池的平均单位体积或质量所释放出的电能称为能量密度。一般在相同体积下，锂离子电池的能量密度是镍镉电池的2.5倍，是镍氢电池的1.8倍，因此在电池容量相等的情况下，锂离子电池就会比镍镉、镍氢电池的体积更小，重量更轻。7自我放电（Self discharge）电池无论处于使用状态还是未使用状态，由于各种原因
13、，都会引起其电量损失，这一现象称为自我放电。若是以一个月为单位来计算的话，镍镉电池自我放电约是15%30%、镍氢电池自我放电约25%35%。8记忆效应（Memory effect）镍镉充电电池使用过程中，如果电量没有全部放完就开始充电，下次再放电时，就不能放出全部电量，这一现象称为记忆效应。比如，镍镉电池只放出80%的电量后就开始充电，充满电后，该电池也只能放出80%的电量，这种现象称为记忆效应。镍氢电池也有记忆效应，只是没有镍镉电池那样明显。2.2 两种充电电池的特点2.2.1 镍镉电池的特点镍镉电池特点如下：1镍镉电池的充放电周期可达500次以上，是一种经济的电池；2内阻小，可大电流放电，
14、放电时电压的变化很小，因此作为直流电源质量极佳；3完全密封式封装，因此正常操作不会有电解液泄漏的现象，也不需要补充电解液；4与其他种类电池相比，镍镉电池可耐过充电或过放电；5长时间的放置不用也不会使性能劣化，当再次充满电后即可恢复原来的特性；6可使用在很广的温度范围内1。镍镉电池放电时，开路电压依据其放电电流多少有些差异，大体上是每个1.25V1.3V左右，其放电终止电压在5小时放电率情况下为1.0V/cell，使用温度范围在-2060，在此范围内可进行正常充放电。2.2.2 镍氢电池的特点镍氢电池和镍镉电池相比，由于制造材料不含重金属镉，其最大的特点是清洁环保，不污染环境2。其它特点如下：1
15、与同体积镍镉电池相比，容量可提高将近一倍，因此一次充电使用时间更长，但价格稍高；2两者电压相同，工作寿命也大体相当；3记忆效应没有镍镉电池明显；4耐过放电性能与镍镉电池相比较差，这在使用时需加以注意；5自我放电率比镍镉电池大，为25%35%（月）；6内阻为18m35m，比镍镉电池内阻（7m19m）大；7使用温度为0503。镍氢电池标称开路电压为1.25V，放电终止电压一般规定为1V。2.3 充电曲线镍镉镍氢电池的电压充电曲线如下图所示。图2.1 镍镉镍氢电池的电压充电曲线从曲线中可以看出，不管是镍镉电池还是镍氢电池，充电开始阶段，电压上升较快，当电池电压超过1.4V后，电压上升趋于平缓。充满电后，电池电压开始下降，这一特性可以作为一种有效的检测电池是否充满的方法，而且对于镍镉和镍氢电池都适用4。本设计正是基于这一特性，具体参见2.4节。电池充满后，电池电压下降的同时，多余的能量将转化成热量，且电池内部压力增加，这时就应停止充电或采取其它措施，比如本设计中，电池充满后采用了涓流充电。从曲线中还可以看出，电池充满后，镍镉电池的电压下降幅度要比镍氢电池的大很多，镍氢电池
