1基于ATmega8智能充電器的設(shè)計(jì)【摘要】移動(dòng)通訊、消費(fèi)類數(shù)碼產(chǎn)品、筆記本電腦、便攜儀器等便攜設(shè)備市場(chǎng)的不斷擴(kuò)張，使得我們對(duì)電池的性能和工作壽命的要求不斷地提高。從上世紀(jì)60年代商用鎳鎘充電電池到近幾年的鋰離子電池，可充電電池容量和性能得到了飛速的發(fā)展。充電電池的使用離不開(kāi)對(duì)其補(bǔ)充能量的充電器，而且充電器的好壞將會(huì)直接影響到電池的充電性能和使用壽命。本文詳細(xì)介紹了鎳鎘、鎳氫、鋰電池這三種最為常用的充電電池的特點(diǎn)，同時(shí)介紹利用ATmega8和Buck開(kāi)關(guān)電源設(shè)計(jì)的智能充電的設(shè)計(jì)和電路工作原理，充電期間對(duì)溫度、電壓、電流三項(xiàng)實(shí)時(shí)檢測(cè)，并通過(guò)測(cè)的值來(lái)改變工作狀態(tài)和停充。還設(shè)計(jì)通過(guò)恒流放電到最低限制電壓來(lái)測(cè)量電池的容量。并通過(guò)LCD12864實(shí)時(shí)的顯示電壓、電流、溫度、充放電狀態(tài)等信息。1.概述隨著人們生活水平的提高及科技的發(fā)展，很多的設(shè)備出現(xiàn)小型化和智能化，電子產(chǎn)品中的小型便攜產(chǎn)品離不開(kāi)對(duì)其提供能源的電源，針對(duì)這一狀況，應(yīng)運(yùn)而生的充電式電池飛速的增長(zhǎng)，而隨之對(duì)于充電器的要求也越來(lái)越高，人們希望充電器能完全按照人的思維充電，即快速、安全、準(zhǔn)確、方便的對(duì)電池進(jìn)行充電。根據(jù)人們對(duì)“智能”充電器的要求，對(duì)于純粹的硬件電路已經(jīng)很難實(shí)現(xiàn)智能化，而且勢(shì)必硬件電路會(huì)很復(fù)雜。但是嵌入式系統(tǒng)出現(xiàn)解決了這一難題，嵌入式系統(tǒng)內(nèi)部集成眾多的接口及功能模塊，而且可以通過(guò)編程去盡可能的實(shí)現(xiàn)人的思維，可以很方便的實(shí)現(xiàn)軟件的更新，這樣也就加快了充電器的更新速度，使發(fā)展的更快。便攜式電子產(chǎn)品目前主要是鎳氫（NiMH）、鎳鎘(Nicd）、鋰充電電池（Li-lon），三種充電電池都有輕便、性價(jià)比高、放電電流大、壽命長(zhǎng)等特點(diǎn)，因此在各種通信設(shè)備、電動(dòng)工具、儀器儀表中有著廣泛的應(yīng)用。普通充電器對(duì)電池采取小電流充電方式，沒(méi)什么電壓電流保護(hù)電路。這樣，將導(dǎo)致電池充滿所需時(shí)間長(zhǎng)，且容易造成電池過(guò)充，影響電池壽命甚至引起事故。所謂的智能充電器，是指在充電過(guò)程中可對(duì)電壓、電流、溫度進(jìn)行實(shí)時(shí)檢測(cè)，并根據(jù)檢測(cè)的結(jié)果，對(duì)檢測(cè)的結(jié)果進(jìn)行判斷以調(diào)節(jié)各種的充電狀態(tài)，能最大限度的延長(zhǎng)電池壽命，縮短充電時(shí)間的充電器。本充電器通過(guò)單片機(jī)設(shè)計(jì)的智能快速充電器能夠判斷電池狀態(tài)，控制電池的快速充電，適用于不同容量小型的Nicd、NiMH和Li-lon電池。該方法能大大縮短充電時(shí)間，并能防止電池出現(xiàn)過(guò)充現(xiàn)象。本充電器核心是ATmega8，是AVR單片機(jī)的一種，具有極高的性價(jià)比，AVR微處理器是當(dāng)前市場(chǎng)上能夠以單片方式提供Flash、PWM和10位ADC的最高效的8位RISC微處理器。由于程序存儲(chǔ)器為Flash，因此可以不用象MASKROM一樣，有幾個(gè)軟件版本就庫(kù)存幾種型號(hào)。Flash可以在發(fā)貨之前再進(jìn)行編程，或是在PCB貼裝之后再通過(guò)ISP進(jìn)行編程，從而允許在最后一分鐘進(jìn)行軟件更新。10位A/D轉(zhuǎn)換器可以提供足夠的測(cè)量精度，使得充好后的容量更接近其最大容量。而其他方案為了達(dá)到此目的，可能需要外部的ADC，不但占用PCB空間，也提高了系統(tǒng)成本。本充電器可對(duì)1-3節(jié)鎳鎘、鎳氫、單節(jié)鋰電池進(jìn)行最優(yōu)化充電，可最大限度使電池達(dá)到最大壽命。電池在不斷的充放電中容量會(huì)逐漸的減小，但是電池究竟容量為多少？目前市場(chǎng)極少有此設(shè)備，為此，本充電器設(shè)計(jì)一電池容量檢測(cè)功能，通過(guò)對(duì)電池恒流放電到最低限制電壓，計(jì)算出時(shí)間得到電池容量。這也是本充電器的又一獨(dú)到之處。2.總體設(shè)計(jì)方案2.1設(shè)計(jì)方框圖本智能充電器主控采用的是MCU，按照充電器的設(shè)計(jì)思路，可得到如下的方框圖。電源控制電池控制核心電壓、電流、溫度采樣顯示部分2圖2-1智能充電器總體方框圖2.2方案論證與比較2.2.1控制核心的選擇核心部件必須得是可程序控制的器件，才能體現(xiàn)人性化，所以主控芯片從MCU入手。由此，得到以下幾個(gè)方案的設(shè)計(jì)。方案一：采用傳統(tǒng)8位的51單片機(jī)，具有價(jià)格低廉，使用簡(jiǎn)單，技術(shù)支持較多等特點(diǎn)，但其采用復(fù)雜指令集（CISC),且機(jī)器周期長(zhǎng)，這勢(shì)必影響到對(duì)程序讀取速度，而且51單片機(jī)內(nèi)部沒(méi)集成其他接口功能模塊，如A/D,PWM,D/A等。本設(shè)計(jì)中信號(hào)采集，電源控制需PWM,A/D,D/A模塊，這只能增加外圍模塊，硬件、軟件、成本都得增加。方案二：采用ARM或DSP之類32位的嵌入式模塊。這樣的芯片具有處理速度快、程序儲(chǔ)存器大、功能模塊多等優(yōu)點(diǎn)，但都采用貼片式小封裝，有眾多的管腳（本充電器只需十幾個(gè)管腳），硬件上的焊接設(shè)計(jì)難度大，成本高，大材小用。方案三：采用Atmel公司生產(chǎn)的AVR系列ATmega8單片機(jī)，該單片機(jī)采用精簡(jiǎn)指令集（RISC），一個(gè)時(shí)鐘周期對(duì)應(yīng)一個(gè)機(jī)器周期，在速度上可達(dá)到要求，而且內(nèi)部集成了A/D、PWM等模塊，具有8K的flash儲(chǔ)存器，而成本只和傳統(tǒng)51相當(dāng)，是有極高性價(jià)比的單片機(jī)。綜上論證，本充電器采用方案三。2.2.2電源控制的選擇電源控制主要是通過(guò)MCU輸出控制電源模塊的電流的改變，從而起到調(diào)節(jié)電壓或電流的目的。目前常有的管理電源有兩種方法，一是模擬式，二是開(kāi)關(guān)式?，F(xiàn)對(duì)兩種充電方式進(jìn)行比較。方案一：采用模擬式電源調(diào)節(jié)方法，就是用模擬量去控制功率三極管等調(diào)節(jié)器件，使其輸出隨著輸入模擬量改變而改變，這種方法的好處是電源波紋小，輸出電的質(zhì)量高，但其有一致命弱點(diǎn)功率消耗太大，很多的電能被功率管以發(fā)熱的形式白白浪費(fèi)掉，效率一般20%-40%，不符合綠色用電規(guī)范。功率管也由于產(chǎn)生大量的熱而需面積龐大的散熱片來(lái)保護(hù)功率管。方案二：采用開(kāi)關(guān)式電源調(diào)節(jié)方法。此種方式是使功率管處于開(kāi)關(guān)狀態(tài)，通過(guò)儲(chǔ)能電感間歇的充放電來(lái)改變電壓的。這種方式最大優(yōu)點(diǎn)是電源效率高，一般60%-90%，人們?nèi)粘Ｉ罴肮I(yè)生產(chǎn)中開(kāi)關(guān)電源是越來(lái)越多。這種方式的電源輸出電壓是脈動(dòng)的方波，需整流后才能使用，但存在整流輸出波紋大的缺點(diǎn)，不過(guò)加強(qiáng)濾波，可以使波紋控制在一定的范圍內(nèi)。從論證來(lái)看，開(kāi)關(guān)式有著模擬式不可比擬的優(yōu)點(diǎn)，因此選方案二。2.2.3顯示器件的選擇一個(gè)實(shí)用的充電器必須得包含顯示電路，這樣才能使使用者查看電池的狀態(tài)，及是否完成等，因此顯示電路得到以下幾個(gè)方案。方案一：采用LED顯示。發(fā)光二極管具有驅(qū)動(dòng)電流小，各種顏色顯示直觀，接口電路簡(jiǎn)單，成本低的特點(diǎn)，一般LED只是作為指示用，很難顯示一個(gè)具體的值，對(duì)于調(diào)試、程序設(shè)計(jì)者需要查看各種值就顯的無(wú)力。從設(shè)計(jì)上來(lái)看不用LED。方案二：采用LED數(shù)碼管來(lái)顯示，這種器件需要外圍器件電路來(lái)驅(qū)動(dòng)，需要較大的電流，當(dāng)顯示很多值時(shí)，需很多的數(shù)碼管，這樣在設(shè)計(jì)上復(fù)雜，成本也會(huì)很高，而且需要的接口也較多，從一般的設(shè)計(jì)上不宜采用。方案三：采用LCD1602顯示。LCD1602可采用四線或八線方式傳輸數(shù)據(jù)，另需兩、三根控制線，接口較簡(jiǎn)單，成本也不高，顯示較直觀，省電，但LCD1602只能顯示字符、數(shù)字及很少的簡(jiǎn)單漢字，在顯示多組數(shù)據(jù)時(shí)略顯不足。方案四：采用LCD12864顯示。LCD12864是圖形，漢字顯示器件，可顯示16*16漢字32個(gè)，16*8字符數(shù)字64個(gè)，功能很多，顯示直觀，不過(guò)成本較高?？傮w有一定的性價(jià)比。LCD12864有很多中主控芯片，根據(jù)本設(shè)計(jì)電路的特點(diǎn)，只是顯示漢字、字符和數(shù)字，并不需要顯示圖形，因此可采用帶中文字庫(kù)的LCD，而采用ST7920作主控芯片的LCD12864具有接口電路簡(jiǎn)單，程序控制方便，不用人為生成漢字，節(jié)約程序空間。ST7920的接口方式有并口和串口兩種方式，采用串口總的數(shù)據(jù)線最少只需兩根，這對(duì)于硬件設(shè)計(jì)會(huì)簡(jiǎn)單的多。在設(shè)計(jì)中用LCD12864實(shí)時(shí)顯示電壓、電流、溫度、狀態(tài)等信息，顯示直觀，對(duì)于設(shè)計(jì)來(lái)說(shuō)也提供了幫助。所以本智能充電器采用的是LCD12864。2.2.4溫度采集模塊的選擇智能充電器得用到溫度采集模塊，這里有三種供選擇，DS18B20、LM35、熱敏電阻。現(xiàn)在對(duì)其一一考慮。方案一：用高集成度單片機(jī)控制芯片DS18B20。這在三種選擇之中是最貴的，但是此器件溫度已經(jīng)3校準(zhǔn)，而且里面集成有溫度上下限報(bào)警、EEPROM等，它通過(guò)嚴(yán)格的單線時(shí)序?qū)ζ渥x或?qū)?，不過(guò)要浪費(fèi)MCU很多的時(shí)間和程序儲(chǔ)存器。方案二：用高精度模擬輸出溫度芯片LM35。這種芯片亦不用進(jìn)行調(diào)節(jié)而可直接讀取，它輸出的是把溫度值化為具體的電壓值，不過(guò)讀取器件得有AD口。這在三者中價(jià)格居中。方案三：用熱敏電阻進(jìn)行讀取，它最大的優(yōu)點(diǎn)是價(jià)格便宜，不過(guò)熱敏電阻隨溫度變化不是直線，需手工進(jìn)行測(cè)量編出數(shù)組以對(duì)應(yīng)具體的溫度值，由于自己校準(zhǔn)的設(shè)備不全，難度大，而且也得需要有AD口的MCU來(lái)讀取。綜上所述，充分發(fā)揮ATmega8單片機(jī)有AD口的優(yōu)勢(shì)，采用方案二，它具有相應(yīng)快，讀取簡(jiǎn)單，接口方便的優(yōu)點(diǎn)。2.2.5采樣電路的設(shè)計(jì)在充電或放電中需對(duì)電池的各種信息進(jìn)行測(cè)量，以作出應(yīng)對(duì)，因此需信息檢測(cè)電路。因送入MCU中的信息是模擬量，若直接送入MCU的AD口，有比AD口最大測(cè)量電壓高的量，有比AD最大輸入最大值低得多的量，也有跟其反相的量，因此不能直接送入AD口，需外圍變換電路，以降低電壓保護(hù)AD口或升高電壓使AD口測(cè)量精度最高或使電壓反相以便于測(cè)量，所以需要通過(guò)運(yùn)放電路來(lái)實(shí)現(xiàn)上述變換。因?yàn)槌潆娖魈峁┑碾娫词菃坞娫?，不宜使用雙電源運(yùn)放，這樣會(huì)使電路很復(fù)雜，從單電源運(yùn)放來(lái)看，最宜采用通用運(yùn)放LM324和LM358。這兩種運(yùn)放可單、雙電源供電，在單電源下供電電壓3V-30V，價(jià)格便宜，性能也不錯(cuò)。本次設(shè)計(jì)一共用6個(gè)運(yùn)放，因此用一片LM324（四運(yùn)放）加一片LM358（雙運(yùn)放）。2.2.6按鍵設(shè)計(jì)按鍵一般有兩類，一類是單一接口控制按鍵，一類是矩陣按鍵。矩陣按鍵在按鍵多的情況下用，可大大節(jié)省端口，另一類在按鍵少時(shí)用。在本次設(shè)計(jì)中共用五個(gè)按鍵，因此采用一對(duì)一接口按鍵。在這種按鍵下一般采用按下時(shí)低電平有效的方法，因此需上拉電阻，為了使設(shè)計(jì)簡(jiǎn)單化，又充分發(fā)揮ATmega8的優(yōu)點(diǎn)，使能內(nèi)部上拉，因此可省去外部上拉電阻，只用一按鍵接地就可。3.充電原理電池充電是通過(guò)逆向化學(xué)反應(yīng)將能量存儲(chǔ)到化學(xué)系統(tǒng)里實(shí)現(xiàn)的。由于使用的化學(xué)物質(zhì)的不同，電池有自己的特性。設(shè)計(jì)充電器時(shí)要仔細(xì)了解這些特性以防止過(guò)度充電而損壞電池。3.1電池技術(shù)3.1.1鎳鎘電池（Nicd）NiCd電池前幾年使用普遍的充電電池。它的優(yōu)點(diǎn)是價(jià)格便宜，易于使用；缺點(diǎn)是自放電率比較高，存在記憶效應(yīng)。典型的NiCd電池可以充電1,000次。失效機(jī)理主要是極性反轉(zhuǎn)。在電池包里第一個(gè)被完全放電的單元會(huì)發(fā)生反轉(zhuǎn)。為了防止損壞電池包，需要不間斷地監(jiān)控電壓。一旦單元電壓下降到1.0V就必須停機(jī)。NiCd電池一般以恒定電流的方式進(jìn)行充電。因?yàn)殒囨k電池會(huì)對(duì)環(huán)境產(chǎn)生污染，因此將逐漸的推出市場(chǎng)。3.1.2鎳氫電池（NiMH）繼鎳鎘電池后，重量更輕容量更大的NiMH電池得到更為普遍的使用。在數(shù)碼相機(jī)、數(shù)碼攝像機(jī)等便攜式設(shè)備中都能見(jiàn)到NiMH電池的身影。鎳氫電池容量比鎳鎘電池高1.5-2倍，且具有不污染環(huán)境、價(jià)格便宜、性能好等優(yōu)點(diǎn)。由于過(guò)充電會(huì)造成NiMH電池的失效，在充電過(guò)程中進(jìn)行精確地測(cè)量以在合適的時(shí)間停止是非常重要的。和NiCd電池一樣，極性反轉(zhuǎn)時(shí)電池也會(huì)損壞。NiMH電池的自放電率大概為20%/月。和NiCd電池一樣，NiMH電池也為恒定電流充電。3.1.3鋰電池（Li-lon）近幾年，鋰電池得到長(zhǎng)足的發(fā)展。和本文中所述的其他電池相比，鋰電池具有最高的能量/重量比和能量/體積比、無(wú)記憶效應(yīng)等優(yōu)點(diǎn)但是鋰電池成本較高而且對(duì)充電器的要求也是最高的。鋰電池以恒定電壓進(jìn)行充電，同時(shí)要有電流限制以避免在充電過(guò)程的初期電池過(guò)熱。當(dāng)充電電流下降到生產(chǎn)商設(shè)定的最小電流時(shí)就要停止充電。過(guò)充電將造成電池?fù)p壞，甚至爆炸。3.2電池的安全充電現(xiàn)代的快速充電器(即電池可以在小于3個(gè)小時(shí)的時(shí)間里充滿電，通常是一個(gè)小時(shí))需要能夠?qū)卧妷?、充電電流和電池溫度進(jìn)行精確地測(cè)量，在充滿電的同時(shí)避免由于過(guò)充電造成的損壞。3.2.1充電方法鋰電池的充電方法為恒定電壓法要限流；NiCd電池和NiMH電池的充電方法為恒定電流法，且具有幾4個(gè)不同的停止充電的判斷方法。3.2.2最大充電電流最大充電電流與電池容量(C)有關(guān)。最大充電電流往往以電池容量的數(shù)值來(lái)表示。例如，電池的容量為750mAh，充電電流為750mA，則充電電流為1C(1倍的電池容量)。若涓流充電時(shí)電流為C/40，則充電電流即為電池容量除以40。3.2.3過(guò)熱電池充電是將電能傳輸?shù)诫姵氐倪^(guò)程。能量以化學(xué)反應(yīng)的方式保存了下來(lái)。但不是所有的電能都轉(zhuǎn)化為了電池中的化學(xué)能。一些電能轉(zhuǎn)化成了熱能，對(duì)電池起了加熱的作用。當(dāng)電池充滿后，若繼續(xù)充電，則所有的電能都將轉(zhuǎn)化為電池的熱能。在快速充電時(shí)這將使電池快速升溫，若不及時(shí)停止充電就會(huì)造成電池的損壞。因此，在設(shè)計(jì)電池充電器時(shí)，對(duì)溫度進(jìn)行監(jiān)控并及時(shí)停止充電是非常重要的。3.3停止充電的判別方法電池的不同應(yīng)用場(chǎng)合及工作環(huán)境限制了對(duì)判斷停止充電的方法的選擇。有時(shí)候溫度不容易測(cè)得，但可以測(cè)得電壓，或者是其他情況。本文以電壓變化率(-dV/dt)為基本的判斷停止充電的方法，而以溫度和絕對(duì)電壓值為輔助和備份。但是本文所描述的硬件支持以下講述的所有的方法。3.3.1t-時(shí)間這是決定何時(shí)停止充電的最簡(jiǎn)單的方法。通常用于快速充電時(shí)的后備方案。有時(shí)也作為普通充電(14-16小時(shí))方法的基本方案。適用于各種電池。3.3.2V-電壓當(dāng)電壓超出上限時(shí)停止充電。通常與恒定電流充電配合使用。最大電流由電池決定，通常為1C。為了防止充電時(shí)電流過(guò)大導(dǎo)致電池過(guò)熱，此時(shí)電流限制是非常關(guān)鍵的。這個(gè)方法是鋰電池的基本充電和停止方案。實(shí)際鋰電池充電器往往在達(dá)到最大電壓之后還繼續(xù)進(jìn)行第二階段的充電，以達(dá)到100%的電池容量。對(duì)于NiCd電池和NiMH電池本方法可以作為后備的判斷停止充電方案。3.3.3-dV/dt-電壓變化率這個(gè)判斷停止充電的方法利用了負(fù)的電壓變化率。對(duì)于某些類型的電池，當(dāng)電池充滿后繼續(xù)充電將導(dǎo)致電壓的下降。此時(shí)本方案就非常合適了。這個(gè)方法通常用于恒定電流充電，適用于對(duì)NiCd電池和NiMH電池的快速充電。3.3.4I-電流當(dāng)充電電流小于某個(gè)預(yù)先設(shè)定的數(shù)值時(shí)停止充電。通常用于恒定電壓充電法。適用于鋰電池。3.3.5T-溫度絕對(duì)溫度可以作為NiCd電池和NiMH電池停止充電的依據(jù)，但是更適合于作為備份方案。溫度超出設(shè)定值時(shí)任何電池都得停止充電。3.4影響充電電池使用壽命的因素3.4.1鎳鎘、鎳氫電池影響鎳氫、鎳鎘電池使用壽命的主要因素是過(guò)充電和充電時(shí)電池溫度過(guò)高（通常要求電池溫度保持在45度以下進(jìn)行充電）。另外，由于鎳鎘電池具有記憶效應(yīng)，因此，如果在鎳鎘電池存儲(chǔ)的電量沒(méi)有完全放完的情況下充電的話，也會(huì)影響電池的使用壽命。3.4.2鋰電池影響鋰電池使用壽命的主要因素有以下幾點(diǎn)：過(guò)放電：鋰電池放電過(guò)程中，鋰離子不斷地從電池負(fù)極移動(dòng)到電池正極，但是不能使鋰離子完全地移動(dòng)，必須保留一部分鋰離子在電池負(fù)極中。否則電池壽命就會(huì)大大地縮短。為保證電池放電結(jié)束后電池中還保留部分鋰離子，就要求電池在使用中不能過(guò)放電。通常鋰電池單體的終止放電壓為3.0，不要低于2.7V。充電溫度：通常要求鋰電池在充電過(guò)程中溫度不能超過(guò)50度，否則會(huì)影響電池使用壽命。最高充電電壓：鋰電池的最高電壓為4.2V，否則會(huì)使正極的鋰離子移動(dòng)太多，從而大大縮短電池的使用壽命。3.5智能充電器的設(shè)計(jì)要求幾乎是所有用戶都希望充電器的充電速度越快越好。因此，充電器能夠提供的充電速率就是充電器設(shè)計(jì)的一個(gè)重要指標(biāo)，但是要提高這個(gè)指標(biāo)的前提是充電器必須能夠在快速充電階段能夠準(zhǔn)確的判斷電池的狀態(tài)?？焖俪潆娖鞯囊粋€(gè)本質(zhì)特征就是在過(guò)度充電之前自動(dòng)降低充電速率。同時(shí)充電速率最好也不5要超過(guò)電池生產(chǎn)商的建議值，通常不要超過(guò)2C的充電速率。因此，一個(gè)安全可靠的充電器就需要能夠在電池的充電過(guò)程中能夠嚴(yán)格的控制電池的充電電流、電壓、溫度等物理參數(shù)。因此，智能型充電器通常應(yīng)該包括恒流/恒壓控制環(huán)路、電池電壓監(jiān)測(cè)電路、電池溫度監(jiān)測(cè)電路等基本單元。智能充電器的基本硬件方框圖如下圖所示：圖3-1智能充電器硬件方框圖4.硬件設(shè)計(jì)硬件設(shè)計(jì)包含MCU、Buck變換器、信息采樣、電壓基準(zhǔn)、按鍵、LCD顯示等電路，現(xiàn)介紹如下：4.1MCU電路4.1.1MCU簡(jiǎn)介本充電器設(shè)計(jì)采用ATMEL公司2002年推出的一款A(yù)VR高檔單片機(jī)Atmega8。其內(nèi)部集成了大容量的存儲(chǔ)器，提供了PWM脈寬調(diào)制脈沖產(chǎn)生器、多路AD轉(zhuǎn)換器、實(shí)時(shí)時(shí)鐘電路、串行接口等硬件接口。非常適合用作智能型充電器的MCU控制單元。Atmega8有DIP28和TQFP/MLF32三種封裝類型。我們選擇了DIP28封裝，如下圖所示：6圖4-1ATmega8封裝ATmega8是基于增強(qiáng)的AVRRISC結(jié)構(gòu)的低功耗8位CMOS微控制器。由于其先進(jìn)的指令集以及單時(shí)鐘周期指令執(zhí)行時(shí)間，ATmega8的數(shù)據(jù)吞吐率高達(dá)1MIPS/MHz，從而可以緩減系統(tǒng)在功耗和處理速度之間的矛盾。AVR內(nèi)核具有豐富的指令集和32個(gè)通用工作寄存器。所有的寄存器都直接與算邏單元(ALU)相連接，使得一條指令可以在一個(gè)時(shí)鐘周期內(nèi)同時(shí)訪問(wèn)兩個(gè)獨(dú)立的寄存器。這種結(jié)構(gòu)大大提高了代碼效率，并且具有比普通的CISC微控制器最高至10倍的數(shù)據(jù)吞吐率。ATmega8有如下特點(diǎn):8K字節(jié)的系統(tǒng)內(nèi)可編程Flash(具有同時(shí)讀寫(xiě)的能力，即RWW)，512字節(jié)EEPROM，1K字節(jié)SRAM，32個(gè)通用I/O口線，32個(gè)通用工作寄存器，三個(gè)具有比較模式的靈活的定時(shí)器/計(jì)數(shù)器(T/C),片內(nèi)/外中斷，可編程串行USART，面向字節(jié)的兩線串行接口，10位6路(8路為T(mén)QFP與MLF封裝)ADC，具有片內(nèi)振蕩器的可編程看門(mén)狗定時(shí)器，一個(gè)SPI串行端口，以及五種可以通過(guò)軟件進(jìn)行選擇的省電模式。工作于空閑模式時(shí)CPU停止工作，而SRAM、T/C、SPI端口以及中斷系統(tǒng)繼續(xù)工作；掉電模式時(shí)晶體振蕩器停止振蕩，所有功能除了中斷和硬件復(fù)位之外都停止工作；在省電模式下，異步定時(shí)器繼續(xù)運(yùn)行，允許用戶保持一個(gè)時(shí)間基準(zhǔn)，而其余功能模塊處于休眠狀態(tài)；ADC噪聲抑制模式時(shí)終止CPU和除了異步定時(shí)器與ADC以外所有I/O模塊的工作，以降低ADC轉(zhuǎn)換時(shí)的開(kāi)關(guān)噪聲；Standby模式下只有晶體或諧振振蕩器運(yùn)行，其余功能模塊處于休眠狀態(tài)，使得器件只消耗極少的電流，同時(shí)具有快速啟動(dòng)能力。本芯片是以Atmel高密度非易失性存儲(chǔ)器技術(shù)生產(chǎn)的。片內(nèi)ISPFlash允許程序存儲(chǔ)器通過(guò)ISP串行接口，或者通用編程器進(jìn)行編程，也可以通過(guò)運(yùn)行于AVR內(nèi)核之中的引導(dǎo)程序進(jìn)行編程。引導(dǎo)程序可以使用任意接口將應(yīng)用程序下載到應(yīng)用Flash存儲(chǔ)區(qū)(ApplicationFlashMemory)。在更新應(yīng)用Flash存儲(chǔ)區(qū)時(shí)引導(dǎo)Flash區(qū)(BootFlashMemory)的程序繼續(xù)運(yùn)行，實(shí)現(xiàn)了RWW操作。通過(guò)將8位RISCCPU與系統(tǒng)內(nèi)可編程的Flash集成在一個(gè)芯片內(nèi)，ATmega8成為一個(gè)功能強(qiáng)大的單片機(jī)，為許多嵌入式控制應(yīng)用提供了靈活而低成本的解決方案。4.1.2MCU控制單元電路MCU控制單元電路如下圖所示：7圖4-2ATmega8控制口電路圖4-3LC濾波電路MCU系統(tǒng)時(shí)鐘和實(shí)時(shí)時(shí)鐘的選擇：ATmega8具有5種類型的系統(tǒng)時(shí)鐘源，即外部晶振、外部低頻晶振、外部RC振蕩、內(nèi)部RC振蕩及外部時(shí)鐘。由于充電器在充電過(guò)程中需要計(jì)算充電時(shí)間，因此智能充電器的設(shè)計(jì)中必須包括實(shí)時(shí)時(shí)鐘源。根據(jù)ATmega8的時(shí)鐘源特點(diǎn)，本充電器的MCU系統(tǒng)時(shí)鐘選擇使用可校準(zhǔn)的內(nèi)部RC振蕩器產(chǎn)生8M時(shí)鐘，外接32.768KHz的晶振做為實(shí)時(shí)時(shí)鐘的時(shí)鐘源。PWM脈寬調(diào)制波產(chǎn)生器：ATmega8具有3個(gè)定時(shí)/計(jì)數(shù)器，可以實(shí)現(xiàn)定時(shí)/計(jì)數(shù)功能外，還具有任意小于16位相位和頻率可調(diào)的PWM脈寬調(diào)制輸出功能。本充電器使用T/C1產(chǎn)生PWM，為了獲得較高的PWM脈沖頻率，T/C1的工作模式選擇快速模式。PWM脈沖從PB1（15腳）輸出，送入Buck變換器中。PB2是做為放電控制輸出，它經(jīng)過(guò)兩級(jí)RC濾波，用運(yùn)放提高電壓和驅(qū)動(dòng)能力，控制功率三極管去改變電流，從而改變了放電電流。AD轉(zhuǎn)換器：DIP28封裝形式的ATmega8具有4個(gè)10位精度和2個(gè)8位精度的AD轉(zhuǎn)換通道。本充電器在充電過(guò)程中需要隨時(shí)采集電池的充電電流、放電電流、電池電壓和電池溫度，共需要4個(gè)AD轉(zhuǎn)換通道。我們采用ADC0（PC0）采集充電電流數(shù)據(jù)，ADC1（PC1）采集放電電流，ADC2（PC2）采集電壓，ADC3（PC3）采集溫度信息。模擬地的處理：8ATmega8的21腳AREF是AD轉(zhuǎn)換器的電壓參考源。20腳Avcc是AD轉(zhuǎn)換器的電源引腳，為了減小電磁干擾提高測(cè)量精度，Avcc是通過(guò)L1和C6組成的LC網(wǎng)絡(luò)才連接至5V電源端。下載端口：ATmega8單片機(jī)下載方式為ISP下載，只需用四根數(shù)據(jù)線接口即可引出即可。它采用的是SPI傳輸方式，這種方式下載簡(jiǎn)化了程序更新的難度，可隨時(shí)更新程序。4.2Buck變換器這部分也就是用PWM方式控制的恒流/恒壓電路。由于此種電路中開(kāi)關(guān)管是工作在