用单片机控制的干电池充电器的设计

摘要: 本文介绍了一种用单片机控制的干电池充电器的设计过程。该充电器基于Microchip公司的PIC12F683单片机为控制核心，将PIC12F683特有的模拟电路模块、高精度A/D转换、以及高速PWM等功能运用到充电控制中，详细讲述了其硬件和软件的设计过程.
　　
Abstract:  This text introduced the design process of a dry battery charger for with machine of single chip microcomputer controlling .That charger's core is base on Microchip company's single chip microcomputer of PIC12F683 ,special emulation electric circuit mold of PIC12F683 piece, high accuracy A/ D conversion, and super-speed PWM etc. function make use ofing refreshing in the control, detailedly  relating its hardware with software of single slice.
   Key Words: Alkaline dry battery

　　
　　前    言
　　随着便携式设备不断小型化、轻量化和高性能化，作为其电源的二次电池的使用率日益提高。
　　如今，废旧电池的处理已日益成为环境保护部门的一项重要工作，众所周知，废电池会对我们的自然环境造成很大的污染，而可对碱性干电池充电的充电器的使用，会大大减少废旧电池的产生量，因为普通电池如果质量合格，可以用该充电器进行反复充电，且充电时间少节省耗电量。
　　经过上个世纪的发展，电池及其保护电路技术日趋成熟，如今应用在很多应用领域，采用干电池作为电源的产品越来越多，这一方面要归功于干电池的优良特性，另一方面也是由于采用单片机控制的干电池可以降低系统复杂度和综合成本。
　　本文所用的单片机为美国Microchip所生产的PIC系列的8位单片机。它是业内首先采用RISC结构的高性价比嵌入式控制器，其高速度，低电压工作，低功耗，强大驱动能力，低价OTP技术，体积小巧等都体现了单片机工业的新趋势。PIC单片机从覆盖市场的角度出发，发展出三个层次系列多种型号的产品来满足不同的产品设计需求。
　　PIC单片机总线结构采取数据总线和指令线分离独立的哈佛（Harvard）结构，具有很高的流水处理速度。它的精简指令集结构(RISC)基本上使它所有得知另都是单字节，因此其程序空间的效率比一般单片机高很多。PIC单片机已经是世界上最具有影响力的嵌入式微控制器之一。
　   
　
1.3  充电技术概述
　　在可充化学电池或物理电池的运用过程中，充电器是其成功运用的重要装置，所以可充电池一出世，充电器便是个关键问题，因为充电器的好坏直接影响到电池的两个重要技术指标：1） 可充电池的使用容量；2） 可充电池的循环使用次数，即使用寿命。然而直到六十年代以前充电器技术并没有得到长足发展，普遍采用的方法主要是恒流或恒压充电方法，并且其充电效果是不得不承认的现实。这种状况直到六十年代Mascc 博士基于最低出气率可充曲线 
     恒流充电时其起始充电电流总是低于电池的可接受能力，造成充电效率低，充电时间长；而在充电后期，最终的充电电流又总是高于电池可接受的程度，因而电池内部气体析出率不断增加，到充电结束时，所有充电电流全部供给气体析出，电池内部电压迅速增加，电池温度也随之迅速上升，造成每次充电电极上都有活性物质脱落，从而大大降低了电池的寿命。
     限压充电则是在充电初期，电池电压与充电电压相差太大致使充电电流过大，而随时间并不按指数规律下降（常偏离制定曲线）。
    后来，根据Mascc 曲线，又提出了所谓的两段式，三段式或更多段式充电。所谓两段式充电指首先对电池进行恒流或恒压充电，当电池电压达到一定程度，然后对电池进行涓流充电；所谓三段式一般是首先对电池进行恒流充电，待电池电压达到电压阀值后转化为第二阶段，即所谓限压充电阶段，当充电电流小到某种程度后转化为第三阶段，即涓流充电。
     综上所述尽管已经有了多种充电方法，而且也有一定的效果，然而大多忽略了一个重要事实，即充电电池并不是工作于理想状态，每个电池都有自己独特的个性，确切地说每个充电电池都有自己有别于其它甚至是同类电池的充放电曲线，该曲线甚至在充电过程中还是动态变化的，这就意味着好的充电控制模式应该是变化的，而且应该与电池的充放电曲线变化一致才是最佳的。事实上，每个电池在充电的任意时刻总存在一个最佳的充电电流和充电模式的。在判别电池是否充足电方面，目前有两种标准算法，通常称为"负电压法"（-ΔV）和"温度法"（ ΔT）。要使用这两种算法，充电电流必须不小于0.2C，这样才能够让电池产生显著的温升或者电压降，从而判别充电效果。
         第2章  MPLAB集成开发环境软件包
　　Microchip公司为PIC系列单片机配备了功能强大的的软件集成开发环境MPLAB,可以通过网上下载和光盘发行两种方式为用户免费提供。使能在自己的微机系统上对PIC系列单片机进行程序的创建，录入，编辑以及汇编，甚至还能实现程序的模拟运行和动态调试之类的虚拟实战演练，并且调试的方式可以采用连续运行，单步运行，自动单步运行，设置断点运行等多种运行方式。MPLAB的功能非常丰富。
2.1  MPLAB软件介绍
　　MPLAB是一个集成了多种单片机应用开发工具软件与一体的，功能完备的软件包。其中的5种工具软件简要介绍如下：
（1） Project Manager（工程项目管理器）
工程项目管理器是MPLAB的核心部分，用于创建和管理工程项目，为开发人员提供自动化程度高，操作简便的符号化（屏幕上的指令，指令地址，常数，变量，寄存器等均用表义性和可读性很强的符号代表和表识）调试工作平台。
（2） MPLAB Editor（源程序编辑器）
源程序编辑器是一个全屏幕文本编辑器，用于创建和修改汇编语言源程序文件。源程序文件以纯文本格式保存，其文件扩展名为".asm"。
（3） MPASM Assembler(汇编器)
用于将汇编语言源程序文件（.asm）汇编成机器语言目标程序文件（.hex）,并负责查找语法错误和格式错误等一些浅层次简单错误。
（4） MPLAB-SIM Software Simulator(软件模拟器)
软件模拟器是一种代替价格较贵的Hardware Emulstor（硬件仿真器）的调试工具，也是一种非实时，非在线的纯软件的调试工具。借助这个在微机系统上运行的工具软件，我们可以不需要任何额外的附加硬件，仅用软件的手段，来模方PIC系列单片机的指令的执行和信号的输入/输出，从而实现对用户自编单片机源程序的模拟运行，功能条适合深层次逻辑错误检查。因此可以说，Microchip公司为学习和应用PIC系列单片机的人们提供了一种虚拟的实战环境。对于单片机初学者来说，不用花钱也可实现边学边练的梦想；对于单片机开发者来说，可以缩短开发周期和降低开发成本。总之，它是一种许多其它型号系列单片机很少配备的，性能价格比极高的程序调试工具。不过他也存在一定的局限性：一它不能模拟PIC16F87X片内少数的功能图书的外围模块；它是不能帮我们查找目标板上的电路错误；三是他执行速度慢而只能适合调试那些实时性要求不高的程序。
（5）MPLAB-ICD  Debugger(在线调试工具ICD的支持程序)
　　 这是一种专门与ICD配合使用的支持程序。ICD是Microchip公司专门为PIC16F87X摄制的一种廉价在线调试工具套件。另外，还包含一些其它软件。例如：程序模块连接器，库程序管理器，C语言编译器，硬件在线仿真器的支持程序，目标程序烧录器的支持程序，运行于DOS操作系统下的汇编器等等。

3.1  关于干电池的充电器
     我们平常所用的可进行充电的电池大多都为镍铬充电电池，一般认为干电池是不可充的。但是只要我们根据干电池的特点对它进行必要的控制，干电池也是可重复进行充电的，不仅节约了资源，也对环境的保护起到一定的作用。
3.1.1  碱性干电池的特点
　　在日常生活中，我们最常用的电池为碱性干电池。在使用过程中，电池电压会逐渐下降，在降低到一定程度后，即使电池容量还有剩余，电池也无法继续使用。因此在电量不足时，干电池便无法使用。
3.1.2  可再充干电池的条件
　　从理论上讲，干电池是不可以充电的。但多年的实验证明，只要掌握以下几点要素，干电池的充电再循环使用是完全可行的。
　　（1）、电池不要太亏电：端电压不低于1.3V，短路电流不低于300mA，太亏电会使内阻增加，产生热。
　　（2）、充电电流控制在一定的范围之内。
　　（3）、选择正规厂家做工好的电池，效果会更好。

3.2  硬件电路设计
　　它的特点是以硬件实体来体现毕业设计的成果。如课题要求用单片机来控制干电池充电器，这个充电器就是毕业设计的成果。
3.2.1  设计思想
　  干电池的充电器非常简单，那些用于镍基电池的充电控制电路、充电算法、电流调节电路和计时器都不再需要。干电池充电器，不论是线性工作方式还是脉冲工作方式，这个电路只需要很少的程序代码，并且可以用简单的模拟电路实现。
　一个优良的干电池充电器应该是安全的，也就是说，充电电源供给充电控制电路的最大电压不能超出干电池的安全电压范围。譬如说，某个厂商的干电池可以承受的最大连续过充电电压为4.75V，那么一个优质的充电电源就会将最大输出电压限定在4.75V电池另外一个优良的特性是对充电电流的大小没有固定限制。
　　本硬件主要由PIC12F683单片机和可调节电流的外接电路，电源电路等几部分外围电路组成。

前    言 3
第1章   绪  论 4
1.1  PIC单片机 4
1.1.1　PIC系列单片机的优点 5
1.1.2  所用的PIC12F683单片机 6
1.1.3  PIC12F683的一些主要功能模块 7
1.2  所用PIC12F683的合理性与必要性 11
1.3  充电技术概述 11
第2章  MPLAB集成开发环境软件包 12
2.1  MPLAB软件介绍 13
2.2  MPLAB-ICD在线调试工具套件及其应用 14
2.3  MPLAB-ICD套件中包含以下几种部件： 15
第3章  对充电器的具体设计 15
3.1  关于干电池的充电器 15
3.1.1  碱性干电池的特点 16
3.1.2  可再充干电池的条件 16
3.2  硬件电路设计 16
3.2.1  设计思想 16
3.2.2  硬件电路分析 17
3.2.3  充电过程分析 21
3.3  软件设计 23
3.3.1  单片机输入/输出口作用 23
3.3.2  程序功能及实现方法 23
3.4  软件流程图（见附录四） 24
3.5  软件编程（见附录五） 24
第4章  其它方面 25
4.1  该产品特点 25
4.2  使用方法 25
4.3  应用前景 26
第5章  结束语 26
5.1  实验结果及结论 26
5.2  所得体会 26
致谢 27
参 考 书 目 28
附录一：开题报告 29
附录二：中期报告 31
附录三：英文资料 33
附录四：英文翻译 50
附录五：软件流程图： 61
附录六：程序 62