AVR的锂电池智能充电器的设计与实现
一、引言 4
（一）课题背景 4
（二）锂电池的工作原理及结构 4
（三）锂电池充电器的充电特性 5
二、系统硬件设计 5
（一）AVR单片机特点 5
（二）电源电路 6
（三）充电电路设计 6
（四）控制电路 6
三、系统软件设计 8
（一）设计思路 8
（二）锂电池充电器模块的硬件电路设计 8
（三）锂电池充电器模块的主程序设计 8
四、 毕业设计总结 10
参考文献 11
致谢 12
附录一 13
附录二 14
一、引言
（一）课题背景
电子信息时代使对移动电源的需求快速增长。由于锂离子电池具有高电压、高容量的重要优点，且循环寿命长、安全性能好，使其在便携式电子设备、电动汽车、空间技术、国防工业等多方面具有广阔的应用前景，成为近几年广为关注的研究热点。为此，研发性能稳定、安全可靠、高效经济的锂电池充电器显得尤为重要。
本文在综合考虑电池安全充电的成本、设计散率及重要性的基础上，设计了一种基于AVR单片机的锂电池充电器，有效地克服了一般充电器过充电、充电不足、效率低的缺点，实现了对锂电池的智能充电，达到了预期效果。该方案设计灵活，可满足多种型号的锂电池充电需求。
（二）锂电池的工作原理及结构
1、工作原理
目前最常用的锂离子电池的负极为石墨晶体，正极为氧化钴锂。石墨晶体和氧化钴锂都具有层状结构，这种层状结构化合物允许锂离子进出，而材料结构不会发生不可逆变化。
充电时，正极中的锂原子电离成锂离子和电子。得到外部输入能量的锂离子 *好棒文|www.hbsrm.com +Q: ^351916072*
，在电解液中由正极向负极迁移，并且锂离子和电子在负极上复合成锂原子，重新形成的锂原子插入到负极石墨的层状结构中。
放电时，插入到石墨晶体中的锂原子从石墨内部向负极表面移动，并在负极表面电离成锂离子和电子，他们分别通过电解液和负载流向正极，在正极重新复合成锂原子然后插入到正极的氧化钴锂的层状结构中，从上面的过程可以看出，锂永远以离子的形态出现，不会以金属的形态出现，因此，这样的电池叫做锂离子电池。
氧化钴锂具有稳定的层状结构，但是当失去锂离子后，其结构就能使正极的晶型比较稳定，电池就能继续使用；如果电压过高，就会使这种层状结构变得极不稳定，可能造成晶型坍塌，使电池报废。负极第一次充电之后，正极中的锂离子被冲到负极层中。放电时，负极层中的锂，又回到正极中，但是化成之后，负极层中的锂不能完全被拿出，有一部分锂必须被留在负极中，以保证下次锂能正常迁入，否则电池寿命就会缩短。为了保证负极层中能留住一部分锂，必须限制放电电压，一般放电电压不能低于2.5V。
2、基本结构
圆柱型锂离子电池的基本结构如图1.2.2所示：
图1.2.2 圆柱型锂离子电池的构造图
用复合金属氧化物在铝板上形成阴极，用锂碳化化合物在铜板上形成阳极，两极板间插入聚烯氢薄膜状隔板。为了使锂离子能通过隔板，隔板上有亚微米级的微孔，电解液为有机溶剂，阳极和阴极极板卷成螺旋状，插在圆筒形的容器中。为了确保锂离子电池安全工作，该电池中装有检测电池温度的正温度系数热敏电阻（PTC），为了防止电池内压力过高，电池顶盘上留有安全放气孔。
（三）锂电池充电器的充电特性
充电温度：一般情况下，锂离子电池的充电温度为0℃～45℃ 。
放电温度：一般情况下锂离子电池的放电温度为-20℃～65℃ 。
循环寿命的数据：10%放电深度时，大于1000次，100%放电深度时，大于200次。
存储特性：在充满电状态的锂离子电池在20℃下保存28天的容量保存率平均为96%，恢复率是99%以上。
二、系统硬件设计
（一）AVR单片机特点
首先，进入AVR单片机开发的门槛非常低，只要会操作电脑就可以学习AVR单片机的开发。 而且AVR单片机便于升级，也无需购买仿真器、编辑器等，节省很多开发费用。
其次，AVR单片机是高速嵌入式单片机，耗能也低，保密性能好。
再次，I/O口功能强,具有A/D转换等电路，还有功能强大的定时器/计数器及通讯接口。
（二）电源电路
单片开关电源负责将电能转化为电池充电所需要的形式，构成了充电器的主要功率转换方式。本设计电源主要由单片机和运算放大器供电，假设外部已提供12V的电源，外部电源经过三端稳压器7805后得到稳定的5V电压，电容C1和C2与输入输出电流大小有关。发光二极管作为充电器的指示电路。如图2.2.1所示。
（三）充电电路设计
如图2.3.1所示充电电路预先设定好基准电压，利用两个三极管Q1和Q2做开关控制。当电池电压小于基准电压，Q1导通，电流流入电池和电容，电流同时存储在L中，电池电压持续升高直到超过基准电压，此时就通过PWM调节开关控制断开，存储在L中的电流迅速下降直到二极管偏置，这样电感中的电流就会流入电池，电容在电感电流衰减后开始放电，最后电池电压下降，下降到低于基准电压后，PWM控制开关闭合，再次循环。
。
（四）控制电路
单片机负责控制整个系统的运行，包括充电电流电压值的设定，电流电压温度的检测与调整，充放电状态的显示等。
如图，2.4.1所示。
1、采样检测电路
电池在充电末期，负极发生氧复合反应产生热量，是电池温度升高。由于电池温度升高将导致充电电流增大，为控制充电电流，可在电路中设置热敏电阻等温度检测元件，当电池温度达到设定值时，电池充电电路被切断。
如图2.4.2所示，该电路完成充电器电源电压和环境温度的采样。当电源适配器电压或环境温度超出设定范围时，系统应该报警提示并立即停止充电。
电路原理和器件功能描述如下：
（1）Vref连接精确基准电源产成电路，为温度采样提供可靠的标准值。
（2）连接Vref的10kΩ电阻为分压电阻。
（3）系统利用热敏电阻的压降计算得到温度值，利用T_AD连接至单片机的管脚，再利用该管脚的A/D转换器向单片机输入温度采样值。
（4）电压值利用电路作半部分的分压电路得到，利用P_AD连接至单片机的管脚，再利用该管脚的A/D转换器向单片机输入电压采样值。
（5）利用分压电路取数据可使采样值处在A/D转换器的允许范围内。
锂电池充电器模块硬件电路图（见附录一）。
（三）锂电池充电器模块的主程序设计
如图，3.2.1所示为系统主流程图，它包括初始化函数、电池检测函数、预充电子程序、快速充电子程序和涓流充电子程序。按照系统主流程的时序设计，各函数的调用机制为：
1、单片机上电后，初始化寄存器。
单片机上电后，完成系统主流程的主函数将使用CALL指令调用初始化函数，初始化工作包括3个方面：定义全部寄存器和单片机端口、初始化片内寄存器和端口状态、系统监控系统复位并启动，中断复位等待。
（一）课题背景 4
（二）锂电池的工作原理及结构 4
（三）锂电池充电器的充电特性 5
二、系统硬件设计 5
（一）AVR单片机特点 5
（二）电源电路 6
（三）充电电路设计 6
（四）控制电路 6
三、系统软件设计 8
（一）设计思路 8
（二）锂电池充电器模块的硬件电路设计 8
（三）锂电池充电器模块的主程序设计 8
四、 毕业设计总结 10
参考文献 11
致谢 12
附录一 13
附录二 14
一、引言
（一）课题背景
电子信息时代使对移动电源的需求快速增长。由于锂离子电池具有高电压、高容量的重要优点，且循环寿命长、安全性能好，使其在便携式电子设备、电动汽车、空间技术、国防工业等多方面具有广阔的应用前景，成为近几年广为关注的研究热点。为此，研发性能稳定、安全可靠、高效经济的锂电池充电器显得尤为重要。
本文在综合考虑电池安全充电的成本、设计散率及重要性的基础上，设计了一种基于AVR单片机的锂电池充电器，有效地克服了一般充电器过充电、充电不足、效率低的缺点，实现了对锂电池的智能充电，达到了预期效果。该方案设计灵活，可满足多种型号的锂电池充电需求。
（二）锂电池的工作原理及结构
1、工作原理
目前最常用的锂离子电池的负极为石墨晶体，正极为氧化钴锂。石墨晶体和氧化钴锂都具有层状结构，这种层状结构化合物允许锂离子进出，而材料结构不会发生不可逆变化。
充电时，正极中的锂原子电离成锂离子和电子。得到外部输入能量的锂离子 *好棒文|www.hbsrm.com +Q: ^351916072*
，在电解液中由正极向负极迁移，并且锂离子和电子在负极上复合成锂原子，重新形成的锂原子插入到负极石墨的层状结构中。
放电时，插入到石墨晶体中的锂原子从石墨内部向负极表面移动，并在负极表面电离成锂离子和电子，他们分别通过电解液和负载流向正极，在正极重新复合成锂原子然后插入到正极的氧化钴锂的层状结构中，从上面的过程可以看出，锂永远以离子的形态出现，不会以金属的形态出现，因此，这样的电池叫做锂离子电池。
氧化钴锂具有稳定的层状结构，但是当失去锂离子后，其结构就能使正极的晶型比较稳定，电池就能继续使用；如果电压过高，就会使这种层状结构变得极不稳定，可能造成晶型坍塌，使电池报废。负极第一次充电之后，正极中的锂离子被冲到负极层中。放电时，负极层中的锂，又回到正极中，但是化成之后，负极层中的锂不能完全被拿出，有一部分锂必须被留在负极中，以保证下次锂能正常迁入，否则电池寿命就会缩短。为了保证负极层中能留住一部分锂，必须限制放电电压，一般放电电压不能低于2.5V。
2、基本结构
圆柱型锂离子电池的基本结构如图1.2.2所示：
图1.2.2 圆柱型锂离子电池的构造图
用复合金属氧化物在铝板上形成阴极，用锂碳化化合物在铜板上形成阳极，两极板间插入聚烯氢薄膜状隔板。为了使锂离子能通过隔板，隔板上有亚微米级的微孔，电解液为有机溶剂，阳极和阴极极板卷成螺旋状，插在圆筒形的容器中。为了确保锂离子电池安全工作，该电池中装有检测电池温度的正温度系数热敏电阻（PTC），为了防止电池内压力过高，电池顶盘上留有安全放气孔。
（三）锂电池充电器的充电特性
充电温度：一般情况下，锂离子电池的充电温度为0℃～45℃ 。
放电温度：一般情况下锂离子电池的放电温度为-20℃～65℃ 。
循环寿命的数据：10%放电深度时，大于1000次，100%放电深度时，大于200次。
存储特性：在充满电状态的锂离子电池在20℃下保存28天的容量保存率平均为96%，恢复率是99%以上。
二、系统硬件设计
（一）AVR单片机特点
首先，进入AVR单片机开发的门槛非常低，只要会操作电脑就可以学习AVR单片机的开发。 而且AVR单片机便于升级，也无需购买仿真器、编辑器等，节省很多开发费用。
其次，AVR单片机是高速嵌入式单片机，耗能也低，保密性能好。
再次，I/O口功能强,具有A/D转换等电路，还有功能强大的定时器/计数器及通讯接口。
（二）电源电路
单片开关电源负责将电能转化为电池充电所需要的形式，构成了充电器的主要功率转换方式。本设计电源主要由单片机和运算放大器供电，假设外部已提供12V的电源，外部电源经过三端稳压器7805后得到稳定的5V电压，电容C1和C2与输入输出电流大小有关。发光二极管作为充电器的指示电路。如图2.2.1所示。
（三）充电电路设计
如图2.3.1所示充电电路预先设定好基准电压，利用两个三极管Q1和Q2做开关控制。当电池电压小于基准电压，Q1导通，电流流入电池和电容，电流同时存储在L中，电池电压持续升高直到超过基准电压，此时就通过PWM调节开关控制断开，存储在L中的电流迅速下降直到二极管偏置，这样电感中的电流就会流入电池，电容在电感电流衰减后开始放电，最后电池电压下降，下降到低于基准电压后，PWM控制开关闭合，再次循环。
。
（四）控制电路
单片机负责控制整个系统的运行，包括充电电流电压值的设定，电流电压温度的检测与调整，充放电状态的显示等。
如图，2.4.1所示。
1、采样检测电路
电池在充电末期，负极发生氧复合反应产生热量，是电池温度升高。由于电池温度升高将导致充电电流增大，为控制充电电流，可在电路中设置热敏电阻等温度检测元件，当电池温度达到设定值时，电池充电电路被切断。
如图2.4.2所示，该电路完成充电器电源电压和环境温度的采样。当电源适配器电压或环境温度超出设定范围时，系统应该报警提示并立即停止充电。
电路原理和器件功能描述如下：
（1）Vref连接精确基准电源产成电路，为温度采样提供可靠的标准值。
（2）连接Vref的10kΩ电阻为分压电阻。
（3）系统利用热敏电阻的压降计算得到温度值，利用T_AD连接至单片机的管脚，再利用该管脚的A/D转换器向单片机输入温度采样值。
（4）电压值利用电路作半部分的分压电路得到，利用P_AD连接至单片机的管脚，再利用该管脚的A/D转换器向单片机输入电压采样值。
（5）利用分压电路取数据可使采样值处在A/D转换器的允许范围内。
锂电池充电器模块硬件电路图（见附录一）。
（三）锂电池充电器模块的主程序设计
如图，3.2.1所示为系统主流程图，它包括初始化函数、电池检测函数、预充电子程序、快速充电子程序和涓流充电子程序。按照系统主流程的时序设计，各函数的调用机制为：
1、单片机上电后，初始化寄存器。
单片机上电后，完成系统主流程的主函数将使用CALL指令调用初始化函数，初始化工作包括3个方面：定义全部寄存器和单片机端口、初始化片内寄存器和端口状态、系统监控系统复位并启动，中断复位等待。
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