1、单片机将各功能部件集成在一块晶体芯片上，集成度很高，体积自然也是最小的。芯片本身是按工业测控环境要求设计的，内部布线很短，其抗工业噪音性能优于一般通用的CPU。单片机程序指令，常数及表格等固化在ROM中不易破坏，许多信号通道均在一个芯片内，故可靠性高。（2）控制功能强为了满足对对象的控制要求，单片机的指令系统均有极丰富的条件：分支转移能力，I/O口的逻辑操作和位处理能力，非常适用于专门的控制功能。（3）低电压，低功耗，便于生产便携式产品 为了满足广泛使用于便携式系统，许多单片机内的工作电压仅为1.8V3.6V，而工作电流仅为数百微安。（4）易扩展片内具有计算机正常运行所必需的部件。芯片外部有许
2、多供扩展用的三总线及并行、串行输入/输出管脚，很容易构成各种规模的计算机应用系统。（5）优异的性能价格比单片机的性能极高。为了提高速度和运行效率，单片机已开始使用RISC流水线和DSP等技术。单片机的寻址能力也已突破64KB的限制，有的已可达到1MB和16MB，片内的ROM容量可达62MB，RAM容量则可达2MB。由于单片机的广泛使用，因而销量极大，各大公司的商业竞争更使其价格十分低廉，其性能价格比极高。1.1.2 单片机的应用（1）单片机在智能仪器仪表中的应用在各类仪器仪表中引入单片机，使仪器仪表智能化，提高测试的自动化程度和精度，简化仪器仪表的硬件结构，提高其性能价格比。（2）单片机在机电
3、一体化中的应用 机电一体化是机械工业发展的方向。机电一体化产品是指集成机械技术、微电子技术、计算机技术于一体，具有智能化特征的机电产品，例如微机控制的车床、钻床等。单片机作为产品中的控制器，能充分发挥它的体积小、可靠性高、功能强等优点，可大大提高机器的自动化、智能化程度。（3）单片机在日常生活及家用电器领域的应用自从单片机诞生以后，它就步入了人类生活，如洗衣机、电冰箱、空调器、电子玩具、 电饭煲、视听音响设备等家用电器配上单片机后，提高了智能化程度，增加了功能，倍受人们喜爱。单片机将使人类生活更加方便、舒适、丰富多彩。（4）在实时过程控制中的应用用单片机实时进行数据处理和控制，使系统保持最佳工
4、作状态，提高系统的工作效率和产品的质量，在自动控制系统中有广泛的应用。（5）办公自动化设备现代办公室使用的大量通信和办公设备多数嵌入了单片机。如打印机、复印机、传真机、绘图机、考勤机、电话以及通用计算机中的键盘译码、磁盘驱动等。（6）商业营销设备在商业营销系统中已广泛使用的电子称、收款机、条形码阅读器、IC卡刷卡机、出租车计价器以及仓储安全监测系统、商场保安系统、空气调节系统、冷冻保险系统等都采用了单片机控制。（7）在计算机网络和通信领域中的应用现代的单片机普遍具备通信接口，可以很方便地与计算机进行数据通信，为在计算机网络和通信设备间的应用提供了极好的物质条件，现在的通信设备基本上都实现了单片
5、机智能控制，从手机，电话机、小型程控交换机、楼宇自动通信呼叫系统、列车无线通信、再到日常工作中随处可见的移动电话，集群移动通信，无线电对讲机、路由器等。（8）单片机在医用设备领域中的应用单片机在医用设备中的用途亦相当广泛，例如医用呼吸机，各种分析仪，监护仪，超声诊断设备及病床呼叫系统等等。（9）汽车电子产品现代汽车的集中显示系统、动力监测控制系统、自动驾驶系统、通信系统和运行监视器（黑匣子）等都离不开单片机，并且在汽车技术日益发达的今天，单片机更是在汽车系统中起到了举足轻重的作用。（10）航空航天系统和国防军事、尖端武器等领域单片机的应用更是不言而喻。例如导弹跟踪系统，智能机器人等，正是因为单
6、片机的应用，使得武器设备变得越来越智能，减少了人工的干预，增强了稳定性和安全性。综合所述，单片机已成为计算机发展和应用的一个重要方面。另一方面，单片机应用的重要意义还在于，它从根本上改变了传统的控制系统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功能，现在已能用单片机通过软件方法来实现了。这种软件代替硬件的控制技术也称为微控制技术，是传统控制技术的一次革命。1.2 飞思卡尔MC9S12XS128单片机简介本文设计中使用的单片机型号为MC9S12XS128MAL（图1.1），为了解和方便使用，在此做简单介绍。MC9S12XS128（以下简称XS128）是Freescale公司推出
7、的S12XS系列单片机中的一款增强型16位单片机，S12XS系列单片机是在S12XE系列的基础上去掉XGate协处理器的单片机，该系列单片机采用CPU12X V2内核，可运行在40MHz总线频率上。不仅在汽车电子、工业控制、中高档机电产品等应用领域具有广泛的用途，而且在FLASH存储控制机加密方面也有很强的功能。图 1.1 MC9S12XS128MAL单片机MC9S12XS128单片机的特点：存储器：128KB FLASH；2KB EEPROM；8KB RAM；A/D：16通道模数转换器（本设计中用到），可选8位、10位和12位精度；PWM：8位8通道或16位4通道PWM；串行口：2个异步串行
8、通讯SCI和2个同步串行设备接口SPI；CRG时钟和复位发生器：锁相环、看门狗、实时中断；增强型捕捉定时器；总线；CAN总线：3个1Mbps的CAN总线，兼容CAN 2.0 A/B；背景调试模式（BDM）；封装：LQFP-112。1.3 实现智能充电的意义由于充电器多采用大电流的快速充电法， 在电池充满后如果不及时停止会使电池发烫，过度的充电会严重损害电池的寿命。一些低成本的充电器采用电压比较法，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。锂离子电池是便携设备最为常用的一种电池，锂离子电池的使用寿命和单次使用时间与充电过程密切相关，对于充电器的要求比较苛刻，需要保护
9、电路。为了有效利用电池容量，需将锂离子电池充电至最大电压，同时防止过压充电造成电池损坏，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，充电器最好带有热保护和时间保护，为电池提供附加保护。一部分的充电器不但能在很短时间内将电量充足，而且还可以对电池起到一 定的维护作用，修复由于使用不当造成的记忆效应，即容量下降（电池活性衰退）现象。设计比较科学的充电器往往采用专用充电控制芯片配合单片机控制的方式。专用的充电芯片具有业界公认较好的v 检测，可以检测出电池充电饱和时发出的电压变化信号，比较精确地结束充电工作，通过单片机对这些芯片的控制，可以实现充电过程的智能化。例如，在充电后增加及时
10、关段电源、蜂鸣报警和液晶显示等功能。充电器的智能化可以缩短充电的时间，同时能够维护电池，延长电池使用寿命。第二章 充电方案选择充电管理是锂离子电池管理系统的重要组成部分，它对电池的特性及寿命有着至关重要的影响。随着电源技术的不断发展，充电的手段越来越丰富，充电方式对电池及应用环境的针对性也越来越强。目前针对各种各样的可充电电池，存在的主要充电方法包括：恒流充电法、恒压充电法、恒压限流充电法、恒流恒压充电法、分级定流充电法、脉冲式充电法、定化学反应状态充电法、变电流间歇恒压充电法及变电压间歇充电法等。这些充电方法根据各自特点，被运用在不同充电管理系统中。2.1 恒流充电（CC）恒流充电根据其充电
11、电流的大小，又可分为浮充充电（又称涓流充电）、标准充电及快速充电。该方法在整个充电过程中采用恒定电流对电池进行充电，充电曲线如图2.1所示。这种方法操作简单，易于做到，特别适合对由多个电池串联的电池组进行充电。但由于锂离子电池的可接受电流能力是随着充电过程的进行而逐渐下降的，在充电后期，若充电电流仍然不变，充电电流多用于电解质，产生大量气泡，这不仅消耗电能，而且容易造成极板上活性物质脱落，影响锂离子电池的寿命。图 2.1 恒流方式电池充电曲线2.2 恒压充电法（CV）在恒压充电法中，充电电源的电压在全部充电时间里保持恒定的数值，随着锂离子电池端电压的逐渐升高，电流逐渐减少。充电曲线如图2.2所
12、示。从图中可以看到，充电初期充电电流过大，这样对锂离子电池的寿命会造成很大影响。与恒流充电一样，该方法操作简单，易于做到。但在电池放电深度过深时，充电初期电流过大，容易对电池及电路造成损伤。图 2.2恒压方式电池充电曲线2.3 恒压限流充电该方法在恒压充电的基础上，通过在充电设备输出电压与电池之间增加限流元件（一般为电阻）来对充电电流进行调整。充电初期，充电电流大，电阻上的压降也大，充电设备输出的电压损失也大，充电电流被限制在一定范围以内。充电结束时，电流减小，充电设备输出的电压损失也小，充电曲线如图2.3所示。该方法克服了恒压模式下电流过大的缺点。但由于增加了限流电阻，充电效率降低。图 2.
13、3恒压限流方式电池充电曲线2.4 恒流恒压充电法（CC/CV）在CC/CV充电器中，充电通过恒定电流开始。在恒流充电CC周期中，为了防止过度充电而不断监视电池端电压。当电压达到设定的端电压时，电路切换为恒定电压充电，直到把电池充满为止。在CC充电期间，电池可以以较高电流强度进行充电，这期间电池被充电到大约85的容量。在CV充电周期中，电池电压恒定，充电电流逐渐下降，在电流下降到低于电池的110C容量时，充电周期完成。恒流恒压充电曲线如图2.4所示。图 2.4 普通恒流恒压方式电池充电曲线2.5 分级定电流充电法分级定电流充电法与恒流恒压充电方法相似。它根据电池充电过程中不同充电阶段的特性，将充
14、电过程划分为几个阶段，在不同的阶段采用不同的充电电流或电压，这种充电方法在恒流恒压充电方法的基础上，将充电过程进一步细划，可以达到保护电池和快速充电的目的，是目前运用最广泛的充电方法。在锂离子电池充电管理中所采用的三阶段充电法，基本上就是这种方法在应用过程中的一种变体。三阶段充电法将锂电池充电过程分为三个阶段，第一阶段为小电流充电阶段，主要起保护电池的作用；第二阶段为恒流充电阶段，采用固定电流对电池充电以实现快速充电的目的：第三阶段为恒压阶段，主要是保证电池充满及防止过充电。该方法充电曲线如图2.5所示。图 2.5 电池分级定电流充电曲线2.6 脉冲充电方法脉冲充电方式是比较新的一种充电方式。
15、脉冲充电法是从对电池的恒流充电开始的，大部分的能量在恒流充电过程中被转移到电池内部。当电池电压上升到充电终止电压后，脉冲充电法由恒流转入真正的脉冲充电阶段。在这一阶段，脉冲充电方式以与恒流充电阶段相同的电流值间歇性的对电池进行充电。每次充电时间为后，然后关闭充电回路。充电时由于充电电流的存在，电池电压将继续上升并超过充电终止电压；当充电回路被切断后，电池电压又会慢慢下降。电池电压恢复到时，重新打开充电回路，开始下一个脉冲充电周期。在脉冲充电电流的作用下，电池会渐渐充满，电池端压下降的速度也渐渐减慢，这一过程一直持续到电池电压恢复到的时间达到某个预设的值为止，可以认为电池已接近充满，充电曲线如图
16、2.6所示。图 2.6 脉冲充电法电池充电曲线图2.7 定化学反应状态充电法定化学反应状态充电是近几年提出来的充电方法。采用这种方法充电，充电设备的闭环跟踪系统动态跟踪电池可接受的充电电流。这样充电电流始终与电池可接受的充电电流保持良好的匹配关系，使充电过程在最佳状态下进行，充电曲线如图2.7所示。这种充电方式具有充电效率高，充电时间短等优点。但其电路系统较为复杂，造价高，不易实现。图 2.7 定化学状态充电法曲线图2.8 变电流间歇/定电压充电法变电流间歇定电压充电法与变电压间歇充电法也是近几年提出来的充电方法。该方法目前主要用于对铅酸蓄电池进行充电。它们采用分级电流或电压对电池进行间歇式充
17、电，以提高充电效率和速度。目前对锂电池仍然以恒流恒压的充电方法为主。充电初期一般采用小电流对电池进行预处理，防止电池过放电带来的影响；接着用大电流快速充电；在电池电压达到额定充电终止电压时，转为恒压模式确保电池充满。本文采用目前广泛充电方法分级定电流充电模式，虽然这种方法电路相对复杂，但充电时间短，效率高，因此在锂离子电池充电方案中占主导地位。第三章 硬件电路设计3.1 设计思路分析在详细的了解了锂离子电池的充电原理和查阅有关充电方案后，本文提出了两种智能充电控制的方案，并通过比较两种充电方案的优缺点选择最佳的充电方案。3.1.1 脉宽PWM法充电随着电子技术的发展，出现了多种PWM技术，其中
18、包括：相电压控制PWM、脉宽PWM法、随机PWM、SPWM法、线电压控制PWM等，而在锂离子电池智能充电器中采用的脉宽PWM法。它是把每一脉冲宽度均相等的脉冲列作为PWM波形，通过改变脉冲列的周期可以调频，改变脉冲的宽度或占空比可以调压，采用适当控制方法即可使电压与频率协调变化。脉宽PWM法的基本思想就是利用单片机具有的PWM端口和PWM控制恒压恒流源芯片配合，在不改变PWM方波周期的前提下，通过软件的方法调整单片机的PWM控制寄存器来调整PWM的占空比，从而控制充电电压和电流。本方法所要求的单片机必须具有ADC端口和PWM端口这两个必须条件。脉宽PWM法充电具有以下优缺点。可控制涓流大小。在
19、PWM控制充电的过程中,单片机可实时检测ADC端口上充电电流的大小，并根据充电电流大小与设定的涓流进行比较，以决定PWM占空比的调整方向。电池唤醒充电。单片机利用ADC端口与PWM的寄存器可以任意设定充电电流的大小，所以，对于电池电压比较低的电池，在上电后，可以采取小电流充一段时间的方式进行充电唤醒，并且在小电流的情况下可以近似认为恒流，对电池的冲击破坏也较小。电流控制精度低。充电电流的大小的感知是通过电流采样电阻来实现的，采样电阻上的压降传到单片机的ADC输入端口，单片机读取本端口的电压就可以知道充电电流的大小。若设定采样电阻为R（单位为），采样电阻的压降为V（单位为mV）， 10位ADC的
20、参考电压为5.0V。则ADC的1 LSB对应的电压值为 5000mV/10245mV。一个5mV的数值转换成电流值就是50mA，所以软件PWM电流控制精度最大为50mA。若想增加软件PWM的电流控制精度，可以设法降低ADC的参考电压或采用10位以上ADC的单片机。PWM采用软启动的方式。在进行大电流快速充电的过程中，充电从停止到重新启动的过程中，由于磁芯上的反电动势的存在，所以在重新充电时必须降低PWM的有效占空比,以克服由于软件调整PWM的速度比较慢而带来的无法控制充电电流的问题。充电效率不是很高。在快速充电时，因为采用了充电软启动，再加上单片机的PWM调整速度比较慢，所以实际上停止充电或小
21、电流慢速上升充电的时间是比较大的。3.1.2 电源管理IC控制充电由于充电管理IC将充电各个阶段的充电电路集成在了芯片内部，实现了功能的模块化，相比较PWM控制的分立恒压源恒流源充电电路，具有电路简单易实现的优点，并且提高了充电效率，降低了软件编程算法难度和设计成本，缺点是无法实现USB模式的智能充电。但是通过比较两种方法的优缺点，本文选择方案二作为智能充电器的设计的最终方案。本文设计中采用锂离子电池充电IC是MAX1898（图3.1）。MAX1898和外部晶体管PNP或PMOS组成一个锂离子充电器，可精确地恒流/恒压充电，电池电压精度可达0.75%。MAX1898有两种型号，MAX1898E
22、UB42应用于4.2V的锂离子电池，类似的MAX1898EUB41用于4.1V的锂离子电池。MAX1898具有以下功能：（1）电压精度达0.75%（2）充电电流可控（3）带自动输入电源监视器（4）内部检流电阻（5）LED充电状态指示器（6）可控的安全充电时间（7）电流大小监视输出（8）可选择的自动重启图 3.1 MAX1898 MAX1898充电过程如下：1. 预充 在安装好电池后，接通电源，当充电器检测到电池时将定时器复位，从而进入预充过程，在此期间充电器以快充电流的10%给电池充电，使电压、温度恢复到正常状态。预充电时间由外接电容C9确定，如果在预充时间内电池电压达到2.5V，且电池温度正
23、常，则进入快充过程；如果超过预充时间后，电池电压低于2.5V，则认为电池不可充电，充电器显示电池故障，由单片机发出故障指令，LED指示灯闪烁。2. 快充 快充就是以恒定电流对电池充电，恒流充电时，电池的电压缓慢上升，一旦电池电压达到所设定的终止电压时，恒流充电终止，充电电流快速递减，充电进入满充过程。3. 满充 在满充过程中，充电电流逐渐递减，直到充电速率降到设置值以下，或满充超时时，转入顶端截止充电。顶端截止充电时，充电器以极小的充电电流为电池 补充能量。由于充电器在检测电池电压是否达到终止电压时有充电电流通过电池内阻，尽管在满充和顶端截至充电过程中充电电流逐渐下降，减小了电池内阻和其它串联
24、电阻对电池端电压的影响，但串联在充电回路中的电阻形成的压降仍然对电池终止电压的检测有影响。一般情况下，满充和顶端截止充电可以延长电池5%10%的使用时间。3.2 电路设计 系统硬件设计以飞思卡尔MC9S128XSMAL单片机为核心，以电源管理芯片、温湿度传感器、蜂鸣器、继电器、LCD显示屏、键盘、充电保护电路等外设组成，由于便携设备内部有保护电路因此无法利用充电管理IC直接为其充电，因此充电分为电池直接充电和USB充电两部分，而USB充电采用恒压充电，具体充电可以通过程序设定，系统框图（图3.2）如下：图 3.2 系统框图3.2.1 MAX1898电源管理IC表3-1 MAX1898引脚定义：
25、引脚号引脚名功能1IN电压输入端2漏极开路LED驱动。1.没有电池，LED灭。2.预充电，LED亮。3.快速充电，LED亮。4.充电完成，LED灭。5.电池电压小于2.5V，但预充电时间（=100nF,45min）结束。LED 1.5HZ闪烁。3EN/OK1.输入：高电平使能IC。2.输出：高电平表示输入电压接入正确4ISET1.与电池充电电流成比例的模拟输出,。 2.通过设定ISET与GND之间的电阻可改变充电电流。5CT安全充电时间控制口，电容10uF时，充电时间为3小时。6RSTRT自动重启控制，如果电池降低电池规定的电压下0.2V，一个新的充电周期又开始。接地后自动重启功能有效，充电完
26、成时漏极电流为40uA。如果悬空，充电时间耗尽，只能通过EN/OK来触发重启，充电完成时漏极电流为4uA。7BATT电池输入端。8GND地9DRV外部晶体管驱动，该脚接外部PMOS/PNP的栅极/基极。10CS充电电流输入端，接PMOS/PNP的源极/极电极。电流设定：MAX1898充电电流通过线性控制外部晶体管PMOS或PNP，最大的充电电流通过连接ISET与GND的外部电阻来设定，选择电阻通过如下公式：（单位是安培，单位是欧姆） （4-1）ISET可用来实时检测实际的充电电流。ISET端有1mA输出的电流就表明充电电流为1A，ISET端的输出电压正比与充电电流。 （4-2）在快速充电阶段通
27、常ISET端的电压为1.4V，电池充满时将随着充电电流下降。状态输出：是一个漏极开路输出，可以监视电池的充电状态。有5mA的限定电流，因此LED可以直接连接在IN与之间作为充电状态标志。另外，可以通过上拉电阻（通常100k）输出逻辑电平。充电周期重新开始：当电池电压降到电池额定电压下0.2V时，配置MAX1898能够使充电周期自动重新开始（将RSTRT接GND），重启阈值可以通过在RSTRT与GND间接外部电阻来降低。假如不需要自动重启，可以悬空RSTRT。自动重启功能无效时，充电只能通过清零在置高EN/OK来重新开始新的周期，或者先断开输入电源后重新接入电源。EN/OK（EN输入，OK输出）：EN/OK有两种功能，可以作为逻辑输入（高电平）使能充电。除了开/关控制之外，EN/OK也可以反应出输入电源是否接入。当输入电源接IN（ ， 4.25V）
