1前言隨著越來越多的手持式電器的出現(xiàn)，對(duì)高性能、小尺寸、重量輕的電池充電器的需求也越來越大。電池技術(shù)的持續(xù)進(jìn)步也要求更復(fù)雜的充電算法以實(shí)現(xiàn)快速、安全的充電。因此需要對(duì)充電過程進(jìn)行更精確的監(jiān)控，以縮短充電時(shí)間、達(dá)到最大的電池容量，并防止電池?fù)p壞。AVR已經(jīng)在競(jìng)爭(zhēng)中領(lǐng)先了一步，被證明是下一代充電器的完美控制芯片。AtmelAVR微處理器是當(dāng)前市場(chǎng)上能夠以單片方式提供Flash、EEPROM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ISP進(jìn)行編程，從而允許在最后一分鐘進(jìn)行軟件更新。EEPROM可用于保存標(biāo)定系數(shù)和電池特性參數(shù)，如保存充電記錄以提高實(shí)際使用的電池容量。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。AVR是目前唯一的針對(duì)像“C”這樣的高級(jí)語言而設(shè)計(jì)的8位微處理器。C代碼似的設(shè)計(jì)很容易進(jìn)行調(diào)整以適合當(dāng)前和未來的電池，而本次智能型充電器顯示程序的編寫則就是用C語言寫的。2第一章概述第一節(jié)緒論1.1.1課題背景如今，隨著越來越多的手持式電器的出現(xiàn)，對(duì)高性能、小尺寸、重量輕的電池充電器的需求也越來越大。電池技術(shù)的持續(xù)進(jìn)步也要求更復(fù)雜的充電算法以實(shí)現(xiàn)快速、安全的充電。因此需要對(duì)充電過程進(jìn)行更精確的監(jiān)控，以縮短充電時(shí)間、達(dá)到最大的電池容量，并防止電池?fù)p壞。與此同時(shí)，對(duì)充電電池的性能和工作壽命的要求也不斷地提高。從20世紀(jì)60年代的商用鎳鎘和密封鉛酸電池到近幾年的鎳氫和鋰離子技術(shù)，可充電電池容量和性能得到了飛速的發(fā)展。目前各種電器使用的充電電池主要有鎳鎘電池（NiCd）、鎳氫電池（NiMH）、鋰電池（Li-Ion）和密封鉛酸電池（SLA）四種類型。電池充電是通過逆向化學(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度充電而損壞電。目前，市場(chǎng)上賣得最多的是旅行充電器，但是嚴(yán)格從充電電路上分析，只有很少部分充電器才能真正意義上被稱為智能充電器，隨著越來越多的手持式電器的出現(xiàn)，對(duì)高性能、小尺寸、輕重量的電池充電器的需求也越來越大。電池技術(shù)的持續(xù)進(jìn)步也要求更復(fù)雜的充電算法以實(shí)現(xiàn)快速、安全地充電，因此，需要對(duì)充電過程進(jìn)行更精確地監(jiān)控(例如對(duì)充、放電電流、充電電壓、溫度等的監(jiān)控)，以縮短充電時(shí)間，達(dá)到最大的電池容量，并防止電池?fù)p壞。因此，智能型充電電路通常包括了恒流恒壓控制環(huán)路、電池電壓監(jiān)測(cè)電路、電池溫度檢測(cè)電路、外部顯示電路(LED或LCD顯示)等基本單元。其框圖如下：3圖1-1智能充電器基本框圖AtmelAVR微處理器是當(dāng)前市場(chǎng)上能夠以單片方式提供Flash、EEPROM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ISP進(jìn)行編程，從而允許在最后一分鐘進(jìn)行軟件更新。EEPROM可用于保存標(biāo)定系數(shù)和電池特性參數(shù)，如保存充電記錄以提高實(shí)際使用的電池容量。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。AVR是目前唯一的針對(duì)象“C”這樣的高級(jí)語言而設(shè)計(jì)的8位微處理器。1.1.2常見充電電池特性及其充電方式電池充電是通過逆向化學(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，電池的特性也不同，其充電的方式也不大一樣。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)避免由于過充電造成的損壞。充電方法SLA電池和鋰電池的充電方法為恒定電壓法要限流；NiCd電池4和NiMH電池的充電方法為恒定電流法，且具有幾個(gè)不同的停止充電的判斷方法。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。過熱電池充電是將電能傳輸?shù)诫姵氐倪^程。能量以化學(xué)反應(yīng)的方式保存了下來。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?，F(xiàn)代消費(fèi)類電器主要使用如下四種電池：密封鉛酸電池(SLA)鎳鎘電池(NiCd)鎳氫電池(NiMH)鋰電池(Li-Ion)在正確選擇電池和充電算法時(shí)需要了解這些電池的背景知識(shí)。密封鉛酸電池(SLA)密封鉛酸電池主要用于成本比空間和重量更重要的場(chǎng)合，如UPS和報(bào)警系統(tǒng)的備份電池。SLA電池以恒定電壓進(jìn)行充電，輔以電流限制以避免在充電過程的初期電池過熱。只要電池單元電壓不超過生產(chǎn)商的規(guī)定(典型值為2.2V)，SLA電池可以無限制地充電。鎳鎘電池(NiCd)NiCd電池目前使用得很普遍。它的優(yōu)點(diǎn)是相對(duì)便宜，易于使用；缺點(diǎn)是自放電率比較高。典型的NiCd電池可以充電1000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電池以恒定電流的方式進(jìn)行充電。鎳氫電池(NiMH)在輕重量的手持設(shè)備中如手機(jī)、手持?jǐn)z象機(jī)，等等鎳氫電池是使用最廣的。這種電池的容量比NiCd的大。由于過充電會(huì)造成NiMH電池的失效，在充電過程中進(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。5鋰電池(Li-Ion)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。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程的初期電池過熱。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。過充電將造成電池?fù)p壞，甚至爆炸。1.1.3主要芯片的選擇ATMEL公司是世界上有名的生產(chǎn)高性能、低功耗、非易失性存儲(chǔ)器和各種數(shù)字模擬IC芯片的半導(dǎo)體制造公司。在單片機(jī)微控制器方面，ATMEL公司有AT89,AT90和ARM三個(gè)系列單片機(jī)的產(chǎn)品。由于8051本身結(jié)構(gòu)的先天性不足和近年來各種采用新型結(jié)構(gòu)和新技術(shù)的單片機(jī)的不斷涌現(xiàn)，現(xiàn)在的單片機(jī)市場(chǎng)是百花齊放。ATMEL在這種強(qiáng)大市場(chǎng)壓力下，發(fā)揮Flash存儲(chǔ)器的技術(shù)特長(zhǎng)，于1997年研發(fā)并推出了個(gè)新配置的、采用精簡(jiǎn)指令集RISC(ReducedInstructionSetCPU)結(jié)構(gòu)的新型單片機(jī)，簡(jiǎn)稱AVR單片機(jī)。精簡(jiǎn)指令集RISC結(jié)構(gòu)是20世紀(jì)90年代開發(fā)出來的，綜合了半導(dǎo)體案成技術(shù)和軟例-性能的新結(jié)構(gòu)。AVR單片機(jī)采用RISC結(jié)構(gòu)，具有1MIPS/MHz的高速運(yùn)行處理能力。為了縮短產(chǎn)品進(jìn)入市場(chǎng)的時(shí)間，簡(jiǎn)化系統(tǒng)的維護(hù)和支持，對(duì)于由單片機(jī)組成的嵌入式系統(tǒng)來說，用高級(jí)語言編程已成為一種標(biāo)準(zhǔn)編程方法。AVR結(jié)構(gòu)單片機(jī)的開發(fā)日的就在于能夠更好地采用高級(jí)語言（例如C語言、BASIC語言）來編寫嵌入式系統(tǒng)的系統(tǒng)程序，從而能高效地開發(fā)出目標(biāo)代碼。為了對(duì)目標(biāo)代碼大小、性能及功耗進(jìn)行優(yōu)化，AYR單片機(jī)的結(jié)構(gòu)中采用了大型快速存取寄存器組和快速的單周期指令系統(tǒng)。AVR單片機(jī)運(yùn)用Harvard結(jié)構(gòu)，在前一條指令執(zhí)行的時(shí)候就取出現(xiàn)行的指令，然后以一個(gè)周期執(zhí)行指令。在其他的CISC以及類似的RISC結(jié)構(gòu)的單片機(jī)中，外部振蕩器的時(shí)鐘被分頻降低到傳統(tǒng)的內(nèi)部指令執(zhí)行周期，這種分頻最大達(dá)12倍(8051)。AVR單片機(jī)是用一個(gè)時(shí)鐘周期執(zhí)行一條指令的，它是在8位單片機(jī)中第一個(gè)真正的RISC結(jié)構(gòu)的單片機(jī)。由于AVR單片機(jī)采用了Harvard結(jié)構(gòu)，所以它的程序存儲(chǔ)器和數(shù)據(jù)存儲(chǔ)器是分開組織和尋址的。尋址空間分別為可直接訪問8M字節(jié)的程序存儲(chǔ)器和8M字節(jié)的數(shù)據(jù)存儲(chǔ)器。同時(shí)，由32個(gè)通用工作寄存器所構(gòu)成的寄存器組被雙向映射，因此，可以采用讀寫寄存器和讀寫片內(nèi)快速SRAM存儲(chǔ)器兩種方式來訪問32個(gè)通用工作寄存器。AVR主要有單片機(jī)有ATtiny、AT90和ATmega三種系列，其結(jié)構(gòu)和基本原理6都相類似。本次設(shè)計(jì)所用到的Atmega16L芯片便是ATmega系列中的一種，在這里作為充電器的核心部件。它是一種具有40引腳的高性能、低功耗的8位微處理器。其功能特性如下：(1)8位CPU。(2)先進(jìn)的RISC結(jié)構(gòu)：131條指令大多數(shù)指令執(zhí)行時(shí)間為單個(gè)時(shí)鐘周期32個(gè)8位通用工作寄存器全靜態(tài)工作(3)非易失性數(shù)據(jù)和程序存儲(chǔ)器：16K字節(jié)的系統(tǒng)內(nèi)可編程Flash，擦寫壽命可達(dá)到10,000次以上。具有獨(dú)立鎖定位的可選Boot代碼區(qū)，通過片上Boot程序?qū)崿F(xiàn)系統(tǒng)內(nèi)編程。512字節(jié)的EEPROM，可連續(xù)擦寫100,000次。1K字節(jié)的片內(nèi)SRAM，可以對(duì)鎖定位進(jìn)行編程以實(shí)現(xiàn)用戶程序的加密。(4)可通過JTAG接口實(shí)現(xiàn)對(duì)FLASH、EEPROM的編程。(5)32個(gè)可編程的I/O引線，40引腳PDIP封裝。(6)兩個(gè)具有獨(dú)立預(yù)分頻器和比較器功能的8位定時(shí)器/計(jì)數(shù)器，一個(gè)具有預(yù)分頻器、比較功能和捕捉功能的16位定時(shí)器/計(jì)數(shù)器。(7)片內(nèi)/片外中斷源。(8)具有一個(gè)10位的AD轉(zhuǎn)換器，能對(duì)來自端口A的8位單端輸入電壓進(jìn)行采樣。(9)工作電壓：2.75.5V。速度等級(jí)：08MHz。AVR單片機(jī)的主要特點(diǎn)如下：1.片內(nèi)集成可擦寫10000次以上的Flash程序存儲(chǔ)器。由于AVR采用16位的指令，所以一個(gè)程序存儲(chǔ)器的存儲(chǔ)單元為16位，即XXXX*1116(也可理解為8位，即2*XXXX*8)。AVR的數(shù)據(jù)存儲(chǔ)器還是以8個(gè)Bit(位)為一個(gè)單元，因此AVR還是屬于8位單片機(jī)。2.采用CMOS工藝技術(shù)，高速度(50ns)、低功耗、具有SLEEP(休眠)功能。AVR的指令執(zhí)行速度可達(dá)50ns(20MHz)。AVR運(yùn)用Harvard結(jié)構(gòu)概念，具有預(yù)取指令的特性，即對(duì)程序存儲(chǔ)和數(shù)據(jù)存取使用不同的存儲(chǔ)器和總線。當(dāng)執(zhí)行某一指令時(shí)，下一指令被預(yù)先從程序存儲(chǔ)器中取出，這使得指令可以在每一個(gè)時(shí)鐘周期內(nèi)執(zhí)行。73.高度保密(LOCK)?？啥啻尾翆懙腇LASH具有多重密碼保護(hù)鎖死(LOCK)功能，因此可低成本高速度地完成產(chǎn)品商品化，并且可多次更改程序(產(chǎn)品升級(jí))而不必浪費(fèi)1C或電路板，大大提高了產(chǎn)品的質(zhì)量及競(jìng)爭(zhēng)力。4.超功能精簡(jiǎn)指令。具有32個(gè)通用作寄存器(相當(dāng)于8051中的32個(gè)累加器)，克服了單一累加器數(shù)據(jù)處理造成的瓶須現(xiàn)象，1284K字節(jié)SRAM可靈活使用指令計(jì)算，并可用功能很強(qiáng)的C語言編程，易學(xué)、易寫、易移植。5.程序?qū)懭肫骷梢圆⑿袑懭?用編程器寫入)，也可使用串行在線編程(ISP)方法下載寫入，也就是說不必將單片機(jī)芯片從系統(tǒng)上拆下，拿到萬用編程器上燒寫，而可直接在電路板上進(jìn)行程序的修改、燒寫等操作，方便產(chǎn)品升級(jí)，尤其是采用SMD封裝，更利于產(chǎn)品微型化。6.工作電壓范圍為2.7V6.0V,電源抗干擾性能強(qiáng)。7.AVR單片機(jī)還在片內(nèi)集成了可擦寫100000次的2EPROM數(shù)據(jù)存儲(chǔ)器，等于又增加了一個(gè)芯片，可用于保存系統(tǒng)的設(shè)定參數(shù)、固定表格和掉電后的數(shù)據(jù)，既方便了使用，減小了系統(tǒng)的空間，又大大提高了系統(tǒng)的保密性。8.有8位和16位的計(jì)數(shù)器定時(shí)器(C/T)，可作比較器、計(jì)數(shù)器、外部中斷和PWM（也可作D/A）用于控制輸出。1.1.4液晶顯示模塊的選擇LCD顯示模塊是一種被動(dòng)顯示器，具有功耗低，顯示信息大，壽命長(zhǎng)和抗干擾能力強(qiáng)等優(yōu)點(diǎn)，在低功耗的單片機(jī)系統(tǒng)中得到大量使用。液晶顯示模塊和鍵盤輸入模塊作為便攜式儀表的通用器件，在單片機(jī)系統(tǒng)的開發(fā)過程中也可以作為常用的程序和電路模塊進(jìn)行整體設(shè)計(jì)。液晶顯示的原理是利用液晶的物理特性，通過電壓對(duì)其顯示區(qū)域進(jìn)行控制，有電就顯示黑色，這樣即可顯示出圖形。在單片機(jī)系統(tǒng)中使用液晶顯示模塊作為輸出器件有以下優(yōu)點(diǎn):(1)顯示質(zhì)量高液晶顯示器每一個(gè)點(diǎn)在收到信號(hào)后就一直保持那種色彩和亮度，恒定發(fā)光，因此液晶顯示器畫質(zhì)高而且不會(huì)閃爍。(2)數(shù)字式接口液晶顯示器都是數(shù)字式的，和單片機(jī)系統(tǒng)的接口更加簡(jiǎn)單。(3)體積小，重量輕(4)功率消耗小液晶顯示器的功耗主要消耗在其內(nèi)部的電極和驅(qū)動(dòng)IC上，因此耗電量比其8它顯示器要小得多。第二節(jié)畢業(yè)設(shè)計(jì)任務(wù)和要求智能充電器的設(shè)計(jì)包括硬件和軟件兩大部分，本人的主要任務(wù)是完成充電器設(shè)計(jì)的LCD顯示部分，其主要涉及的知識(shí)包括：(1)自學(xué)AVR單片機(jī)的相關(guān)內(nèi)容。(2)設(shè)計(jì)電源電路。(3)設(shè)計(jì)128*64液晶顯示控制電路和用C語言編制LCD顯示程序，用圖形方式顯示充電器電壓、電流等參數(shù)。(4)手工焊接和ICCAVR編譯器的應(yīng)用。這次設(shè)計(jì)要解