開題報告

電氣工程及自動化

電池充電管理器的設計

一、綜述本課題國內外研究動態，說明選題的依據和意義

隨著半導體元件、大規模集成電路的飛速發展及人們生活水平的不斷提高，各種便攜式收錄機、電動剃須刀、筆記本、電腦、攝像機、電子計算器、移動電話等電器廣泛應用，這就使各種干電池的需求量迅速增加。一次性的普通堿性電池使用壽命較短,特別是對諸如便攜式收錄機一類功耗較大的小型家用電器來說，一般1~2小時就需更換電池，因此，人們普遍希望用可充電的干電池來代替一次性干電池，盡管可充電電池成本較高，一次性投資較大，但由于可反復充電使用，其總的成本相對還是比較低的。據有關資料介紹，普通一次性堿性電池只要使用得當

（即電池電壓在使用中不致降至過低）

采用適當的充電方法也可以反復使用,充放電循環可達30

次以上，甚至可以用上幾年。采用可充電的電池（如鎳福電池）雖一次性投資較高，但使用壽命很長可反復充放電1000%

次以上，因此，不管是一次性堿性電池還是可充電電池都可以通過適當的充電器來延長其使用壽命。然而，各種可充電電池對充電方式有不同的要求，所以，根據電池的特性，研究其相應的充電方法就顯得十分重要了。此外，充電器的開發應用，對節約原材料、節約能源、減少環境污染也有重要意義。

當今可充電電池的材料，結構、規格種類很多，其作用原理大多是相同的，它們都屬反應可逆的化學能源，即充電時借助充電產生的化學反應將能量儲存起來，使用時再利用逆向反應將儲存的能量釋放出來。二次世界大戰后，各國為滿足戰爭和軍備競賽的需要而開發了許多種可充電電池，除大量使用的鉛酸電池外還有鎳鐵、鎳鋅、銀氫、氧化銀鋅、鋅空氣、鎘空氣、鋁空氣、鋰碘（廣泛用于心臟起博器）鋰鑰、鋰鐵鋁等等。每種可充電電池均有其自身的充電要求，如果混用將會嚴重影響它的使用壽命，因此應根據使用情況選用合適的充電器。簡易充電器有的過于簡單,充電參數不易調正控制,有的采用專用集成電路控制,調正參數較多,但又過于繁瑣,此外成本也較高。

單片機是在一塊芯片上集成了CPU、存儲器、輸入輸出部件、時鐘電路及各種應用系統所需的部件，如A/D轉換器、D/A轉換器等。它具有體積小、使用靈活方便、成本低、易于產品化、抗干擾能力強、可在各種惡劣的環境下可靠地工作等特點。特別是它強大的面向控制的能力，使它在工業控制、智能儀表、外設控制、家用電器、機器人、軍事裝置等方面得到了廣泛的應用，整個工業設備和工藝將進行一次以普及應用微機為特征的技術改造。

單片機技術正以驚人的速度向前發展，就已出現的單片機而言也正以其各自獨特的優點或先進的技術在進行挑戰，主要表現在（1）CPU的發展，增加CPU的字長或提高時鐘頻率均可提高CPU的數據處理能力和運算速度。CPU的字長已有8位、16位、32位、64位。時鐘頻率也已發展到20MHZ以上。標準的8051單片機一個機器周期要占用12個時鐘周期，執行一條命令最少要一個機器周期，而現在的單片機執行命令的速度大大的提高了。（2）一般的RAM為64~128B，程序存儲器ROM在1~2KB，新型的單片機片內的RAM在256B以上，片內程序存儲器也采用了快速閃存Flash，使得在線編程ISP和在應用中編程技術得以實現。（3）加強片內輸入/輸出接口功能，最初的單片機，片內只有輸入/輸出接口、定時器、計數器，他們的功能也較差，在實際應用中往往還要通過特殊的接口擴展功能，這樣既增加了應用系統結構的復雜性，也降低了系統的穩定性。近幾年來，新型單片機內的接口，無論從類型上還是從數量上都有很大的發展。這不僅大大的提高了單片機的功能，且使系統的總體結構也大大的簡化了

8位單片機是目前品種最豐富、應用最廣泛的單片機自8位單片機問世以來，由于制造工藝的提高和新技術的采用，使8位單片機的性能也以驚人的提高和完善，當今在單片機內集成的應用系統常用電路越來越多，還有的在單片機內集合了局部網絡控制模塊，其資源已能滿足很多應用場合的需要。加之單片機具有體積、功耗低、功能強、穩定、可靠、使用靈活、性能/價格比高、便于推廣應用等顯著優點、所以8位單片機被廣泛應用于自動控制、智能儀器儀表、數據采集和處理、通信系統、計算機、家用電器等領域。

隨著半導體工藝技術的發展，在單硅片上的集成度越來越高，使設計者把目標系統所需要的功能部件都集成在單硅片上成為可能，如在單片機中再集成A/D/、D/A、看門狗定時器、LCD控制器、局部網絡控制模塊等。把一個微型的應用系統集成在一塊芯片，稱為片上系統SOC。SOC就是將中央處理器、模擬IP核、數字IP核和存儲器等都集合成在一塊片上。SOC的出現使集成電路發展成為集成系統。片上系統可以提供更好的性能、更低的功耗、更小的印制板空間以及更低的成本，因而日益受到人們的重視

鉛酸蓄電池由于其制造成本低、容量大、價格低廉而廣泛應用于發電廠、變電站、通訊系統、電動汽車、航空航天等各個部門，但若使用不當，其壽命將大大縮短。影響鉛酸蓄電池壽命的因素很多。研究發現，電池充電過程對電池壽命的影響最大，放電過程的影響較小，而采用正確的充電方式能有效延長蓄電池的使用壽命。也就是說，絕大多數蓄電池不是用壞的，而是“充壞”的。由此可見，一個好的充電器對延長蓄電池的使用壽命具有舉足輕重的作用，為了達到這個目的，完全有必要研制智能型的充電設備。

針對鉛酸蓄電池充電器在充電過程中不能對電流、電壓實時性監測，交互能力和控制能力弱等問題。設計了一種基于

MSP430F169

單片機能夠實時顯示電流、電壓大小、并且可以調節電流大小的智能充電器，這種充電器具有硬件電路簡單，功耗低等特點。MSP430F169

是美國TI公司生產的16位超低功耗單片機它具有超低功耗的結構體系

(0.1~400微安的額定工作電流，1.8~3.6伏的工作電壓)，豐富的存儲器和外設，編程相對簡單，良好的可擴展性。且其ADC12是高精度的12位A/

D

轉換模塊，具有高速、通用的特點。如果采用傳統的微處理器8051則需要在外部擴展

A/D

轉換模塊，電路復雜，且很難達到較高的精度，在此使用MSP430F169多功能超低功耗混合信號處理器則可以解決以上問題。其內置8通道12bit

A/D電路簡單且精度高

。MSP430F169內置256B

Flash存儲器能夠方便的保存重要數據，且掉電不失。MSP430F169功耗極低，能夠減小系統的電源負荷，同時也為系統的電池供電提供了可能。

對于充電器開發來說，今后要做的工作還有很多：（1）今后會有很多種先進的。新蓄電池面市，每種電池性能各異，就是同一種電池也有不同的規格，因此要進行產品系列化，將先進的設計理念和好的電路做成通用模塊應用于系列的各產品中，可使生產過程簡化、成本降低。（2）變換器中采用軟開關和同步整流等新技術后，振蕩頻率可大幅提高（如提至200kHz）從而使體積大幅減少，成本降低，效率提高。（3）電路成熟定型以后盡量制成專用集成塊，大批量生產，可以非常便宜，而且質量可靠體積小。（4）體積變小以后，可直接裝在電池箱里，這省去了外殼電纜、插頭等。熱敏電阻直接裝在電池內，減少了補償誤差。（5）充電器與均衡器合并成一體，總造價更便宜。

二、研究的基本內容，擬解決的主要問題：

1.有多個電源輸入，比如交流適配器、USB接口、電池等直流輸入；

2.采用專業的電池充電芯片實現對充電過程的控制；

3.對電池充放電狀態進行監視，并給出相應的狀態信號；

4.利用單片機實現充電器的智能化，具有預充、充電保護、自動斷電和充電完成報警提示等功能。

三、研究步驟、方法及措施：

1．要了解要研究的對象是充電器，該充電器要實現多個電源輸入，比如交流適配器、USB接口、電池等直流輸入。

2．通過對電池基本特性的了解選擇合適的方法來實現智能化充電。

3.學習充電芯片MAX1898各個引腳的功能，設計合理的電路圖。

4．通過對單片機的應用實現充電器的電路保護以及報警等功能。

四、參考文獻

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