黑龙江大学剑桥学院毕业论文（设计）
摘 要
随着电子技术日新月异的发展，人们开始越来越多地使用便携式设备，为满足对便携式电源的新要求，铅酸蓄电池因为维护简单、价格低廉、供电可靠、使用寿命长，广泛用作汽车、飞机、轮船等机动车辆或发电机组的启动电源。也在各类需要不间断供电的电子设备和便携式仪器仪表中用作一些电器及控制回路的工作电源。蓄电池使用寿命的长短直接影响了电池的性能等方面，所以铅酸蓄电池的使用寿命尤为重要。
蓄电池的智能充电技术是蓄电池行业广泛关注的课题，是影响充电质量及电池寿命的关键因素之一，相关技术的研究具有很高的实用价值。本文针对铅酸蓄电池的容量智能充电技术开展研究工作，介绍一种基于单片机的智能充电器的硬件和软件实现。主要包括蓄电池充电方法比较选择，电路的具体设计，适合大多数的人们使用。
该充电器可以实时采集和显示电池的容量 ，并进行智能控制 ，根据不同的电池调整充电策略 。实验证明 ，该设计具有数字化、智能化、通用化和低功耗的特点 。
关键词 铅酸蓄电池 智能充电 51单片机
I
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Abstract
With the development of technological change, growing use of portable equipment, to meet the new portable power demand, the battery for maintaining a simple and low prices, power supply reliability and durability, widely used in cars, aircraft and ships to wait for a motor vehicle or the start the current. In the various needs uninterrupted supply of electronic equipment and portable instruments used in making some electrical and control circuit of the work of the electricity supply. The battery life of the direct impact on the performance, so the battery is facing.
The intelligent charging technique is a subject which has been widely in the industry of battery. It is one of the key factors which affect the charging quality and battery life, the research of related technique has high practical value
【11】
. This paper concentrates efforts on
studying high-capacity intelligent charging technique for lead-acid, Introduce a revivification of the charger's hardware and software. Mainly include the comparison and selection of the charging methods, the research of charging algorithm and the design of charging system.
The charger time collecting and displays the arguments and intelligent control and through the string mouth and upper, and real-time communications, to recharge the batteries. Experiments proved that the design of digitalization and intelligent, universal and low characteristics
Keyword Lead-acid battery Intelligent-charging 51 Sing-chip Microcosm
【12】
.
II
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目 录
摘 要 ·······································································································································I Abstract ······································································································································ II
第1章 绪论 ······················································································································· - 1 -
1.1 课题背景·················································································································- 1 -
1.2 充电技术的发展·····································································································- 2 - 1.3 铅酸蓄电池充电器的要求及市场需求·································································- 2 - 1.4 本文主要研究的内容·····························································································- 3 - 第2章 铅酸蓄电池的简介 ······························································································· - 4 -
2.1 铅酸蓄电池的发展历史·························································································- 4 - 2.2 铅酸蓄电池的市场·································································································- 4 - 2.3 铅酸蓄电池的工作原理····························································································· 5 2.4 铅酸蓄电池的主要用途·························································································- 5 - 2.5 铅酸蓄电池充电电压与电池电量恢复的关系························································· 6 第3章 铅酸蓄电池充电方法比较 ··················································································· - 7 -
3.1 恒流充电·················································································································- 7 - 3.2 阶段充电法················································································································· 8 3.3 几种快速充电技术····································································································· 9 3.3.1 脉冲式充电法 ·······························································································- 9 - 3.3.2 变电流间歇充电法 ·······················································································- 9 - 3.3.3 变电压间歇充电法 ·····················································································- 10 - 3.4 恒压充电···············································································································- 10 - 第4章 硬件设计 ············································································································· - 12 -
4.1 整压稳流电路设计·······························································································- 12 - 4.1.1 LM317稳压管的简介 ················································································- 13 - 4.1.2 LM317稳压管的性能 ················································································- 14 - 4.2 单片机及驱动电路电源的设计···········································································- 14 - 4.2.1 AT89C2051单片机的介绍 ·········································································- 17 - 4.2.2 AT89C2051单片机的主要性能 ····································································· 20 4.2.3 AT89C2051单片机的软硬件开发 ·····························································- 20 - 4.2.4 AT89C2051单片机的性价比 ·····································································- 21 - 4.3 显示电路···············································································································- 21 - 4.3.1 DM7447简介 ······························································································- 22 - 4.3.2 数码管 ·········································································································- 25 - 4.3.3 七段译码器与数码管的链接和显示 ·························································- 26 - 第5章 软件设计 ·················································································································································· - 28 -
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5.1 主程序的设计··········································································································· 28 5.2 定时显示子程序的设计··························································································· 30 总 结 ································································································································· - 31 - 致 谢 ································································································································· - 32 - 参考文献 ····························································································································· - 33 - 附录1 总电路图 ·············································································································· - 34 - 附录2 软件程序 ·············································································································· - 35 -
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第1章 绪论
1.1 课题背景
目前铅酸蓄电池运用于各个行业中，如目前流行的电动自行车，电瓶车，工业上的自动引导车，机器人等等。电池的使用量很大。而对于铅酸蓄电池来说，使用方法得当，其使用寿命甚至可以达到20年。但实际情况却是很多铅酸蓄电池使用几年甚至一两年就报废了，纠其原因就在于铅酸蓄电池的使用过程中存在很多不当之处，比如长期过充电状态，放电过度，充电电流过大，长期不满电等都会降低铅酸蓄电池的使用寿命。如果改善了充电器，并能活化蓄电池，延长使用寿命，将能节约大量资源和能源，并能降低废旧电池的处理压力，保护环境。
目前市场上常见的各种二次电池的主要性能比较如表1-1所示。对于镍氢电池、锂离子电池等能量密度高的蓄电池，对其充电的要求不是很严格，而能量密度相对低一点但价格便宜的铅酸蓄电池，充电要求则很严格。
表1-1 各种常用二次电池主要性能表
蓄电池的使用寿命是专业人员及使用人员普遍关注的问题，其由多方面因素决定，其中最重要的是蓄电池本身的物理性能。除此之外，电池的管理技术、不合理的充放电
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模式是造成电池寿命缩短的主要原因。国内外多年来的实践证明:免维护铅酸电池浮充电压偏差5%，电池的浮充寿命将减少一半。据统计，在我国，从日渐普及的电动自行车用蓄电池组到航天用蓄电池组，都不同程度的存在着因充电不当，蓄电池组的使用寿命达不到设计寿命的问题，许多蓄电池的实际使用寿命还不到设计寿命的一半，造成了很大的浪费。
实践证明，要保证铅酸蓄电池的使用寿命，铅酸蓄电池的正确充电方法是非常重要的。通常用专用芯片来制作蓄电池充电器，但是它的缺点是只能给专用的蓄电池充电，其通用性不强。还有用模拟电路和数字电路搭建而成的铅酸蓄电池充电器，但其完成功能达不到蓄电池充电器的预期效果。本文利用51单片机与模拟电路相结合来完成给铅酸蓄电池充电。因为用51单片机和模拟电路相结合的铅酸蓄电池充电器在电路性能，工作可靠性和体积方面都表现的很好。也可以根据实际需要，很容易应用于低、中和大型功率铅酸蓄电池的充电电路应用场合。
1.2 充电技术的发展
随着蓄电池的发展，充电技术也在不断更新。充电技术的更新不仅满足了对新型电池的充电要求，更重要的是提高了充电的质量，延长了蓄电池的使用寿命。
传统的充电技术，都是人工控制充电过程，没有采用动态跟踪电池的实际可接受充电电流的大小，不仅造成充电时间过长，而且大多存在严重的过充现象，直接影响蓄电池的技术状态和使用寿命，远不能适应现代生产和生活的需要。
针对传统充电方法充电缓慢、安全性能不好等缺点，目前国内外陆续提出了一些新型的充电方法，如脉冲式充电法、定化学反应状态法、变电流间歇/定电压充电法、电压间歇充电法等。这些充电方法的原理绝大多数都是在传统方法的基础上加以改进，以便使其充电电流能够更好逼近蓄电池的可接受充电电流曲线。
1.3 铅酸蓄电池充电器的要求及市场需求
铅酸蓄电池在直接供电和备用供电的应用场合得到了广泛的应用，为了充会发挥铅酸蓄电池的作用，充电器电路在给铅酸蓄电池充电的过程中，应给铅酸蓄电池充足电，要尽量避免铅酸蓄电池的过充电，从而延长铅酸蓄电池的使用寿命。
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铅酸蓄电池充电器对电压和电流的要求很高。电压过高会造成蓄电池过渡充电，并改变电解液的浓度，直接影响蓄电池的循环使用寿命。电压过低则会造成充电不能充满，降低蓄电池的放电使用时间，长期充电都处于这种状态下，将会使极板硫化，造成不可恢复性的损伤。充电电流过大，电池内部的散热不能解决，会造成蓄电池爆裂。电流过小充电时间会延长，使用效率降低。所以合理的充电电流和电压非常的重要。
目前市场上使用的所谓智能充电器，大多数都属于简易型的，不能对蓄电池的容量进行检测，并不是严格意义上的智能式充电器，据相关部门统计资料显示，市场上85%以上的充电器存在严重的质量隐患。这些充电器往往充电电流过小，充电电压不稳定，充电时间过长，导致蓄电池内部出现极化、硫化结晶等现象，致使充电容量达不到要求，大大降低了蓄电池的正常使用寿命。
当今功能完善、价格适中的铅酸蓄电池充电器很缺乏，所以我们设计的利用51单片机和模拟电路相结合的铅酸蓄电池充电器比较适用，它可以实现对铅酸蓄电池的容量进行测量，充电计时全部自动化，而且可以对不同容量的铅酸蓄电池进行充电。完全智能化。
1.4 本文主要研究的内容
本文就研制智能蓄电池充电器开展相关工作，主要内容为：
1．在对铅酸蓄电池充电原理和目前各种充电方法的研究基础上，提出了适合大多数铅酸蓄电池使用的充电方案。
2．对铅酸蓄电池充电的控制技术进行了探讨，在设计中，采用了电池的电流控制、定时控制等功能的综合控制法。
3．进行了系统的硬件设计，包括主电路和控制电路的设计。其中用最简单、熟悉的51单片机和继电器控制定时和充满时自动断电。使充电器完全的自动化，智能化。
4．再进行系统的软件设计，包括主程序和定时显示程序。利用汇编语言编程，使数码管在定时时间到时显示电池的容量。让人们了解此时电池的充电情况。
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第2章 铅酸蓄电池的简介
电瓶也叫蓄电池，蓄电池是电池的一种，它的工作原理就是把化学能转化成电能。通常，人们所说的电瓶是指铅酸蓄电池。即一种主要由铅及其氧化物制成的，电解液是硫酸溶液的蓄电池。
2.1 铅酸蓄电池的发展历史
铅酸蓄电池是1859年由普兰特(Plante)发明的，至今已有一百五十年的历史。铅酸蓄电池自发明后，在化学电源中一直占有绝对优势。这是因为其原材料易于获得，价格低廉，使用上有充分的可靠性，适用于大电流放电及广泛的环境温度范围等优点。
到20世纪初，铅酸蓄电池历经了许多重大的改进，提高了能量密度、循环寿命、高倍率放电等性能。
2.2 铅酸蓄电池的市场
铅酸蓄电池是目前世界上广泛使用的一种化学“电源”，具有电压平稳、安全可靠、价格低廉、适用范围广、原材料丰富和回收再生利用率高等优点，是世界上各类电池中产量最大、用途最广的一种电池，它所消耗的铅占全球总耗铅量的82％。
目前中国的铅酸蓄电池的消费结构如下：
通过研究发现：目前蓄电池消费主要集中在汽车和摩托车市场，两者占据大多数比重，消费份额为74％；电动自行车其次为8％；出口占据7％的消费份额，其他的占据余下的11％。不过随着我国汽车和摩托车的保有量进一步的扩大，以及国家主要城市对电动自行车行驶的解禁，这将进一步刺激铅酸蓄电池产品在该领域的消费。
我国铅酸蓄电池行业经过50年的建设与发展，已基本形成了大中小型企业相结合，具有一定规模的制造体系，“八五”计划后期，铅酸蓄电池行业发展稳定，产品档次和水平有了明显提高，产量呈上升趋势。进入“九五”计划后，随着我国改革开放进一步向纵深发展，能源、交通和通讯等支柱产业飞速发展，主要用于汽车、摩托车、电力、通讯等产业的铅酸蓄电池进入蓬勃发展时期，市场不断扩大。
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2.3 铅酸蓄电池的工作原理
铅酸蓄电池用填满海绵状铅的铅板作负极，填满二氧化铅的铅板作正极，并用22%～28％的稀硫酸作电解质。在充电时，电能转化为化学能，放电时化学能又转化为电能。电池在放电时，金属铅是负极，发生氧化反应，被氧化为硫酸铅；二氧化铅是正极，发生还原反应，被还原为硫酸铅。电池在用直流电充电时，两极分别生成铅和二氧化铅。移去电源后，它又恢复到放电前的状态，组成化学电池。铅蓄电池是能反复充电、放电的电池，叫做二次电池。它的电压是2V，通常把三个铅蓄电池串联起来使用，电压是6V。汽车上用的是6个铅蓄电池串联成12V的电池组。普通铅蓄电池在使用一段时间后要补充硫酸，使电解质保持含有22%～28％的稀硫酸[1]。
铅酸蓄电池在充电过程中需注意两个问题：一是应使用铅酸蓄电池尽快充足电；二是应补充由于铅酸蓄电池的自放电而减少的电量。
在铅酸蓄电池的充电过程中，硫酸铅被转换成了铅酸蓄电池负极板上的铅和正极板上的二氧化铅，当铅酸蓄电池内的大部分硫酸铅被转变成铅和二氧化铅后，随之就出现了铅酸蓄电池的过充电现象，导致氢气和氧气的产生。如果铅酸蓄电池的充电迅速率选的适当，则大部分的氢气和氧气在密封铅酸蓄电池内部再结合，但是在非密封铅酸蓄电池中则会产生脱水现象。
2.4 铅酸蓄电池的主要用途
铅酸蓄电池产品主要有下列几种，其用途分布如下： 1、起动型蓄电池
主要用于汽车、摩托车、拖拉机、柴油机等起动和照明； 2、固定型蓄电池
主要用于通讯、发电厂、计算机系统作为保护、自动控制的备用电源； 3、牵引型蓄电池
主要用于各种蓄电池车、叉车、铲车等动力电源； 4、铁路用蓄电池
主要用于铁路内燃机车、电力机车、客车起动、照明之动力； 5、储能用蓄电池
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主要用于风力、太阳能等发电用电能储存；
2.5 铅酸蓄电池充电电压与电池电量恢复的关系
通过检测铅酸蓄电池充电电压的办法可以检测铅酸蓄电池过充电的出现，图2-1所示为铅酸蓄电池以不同充电速率的电压和放电速率的电压及电量恢复的关系曲线。从图2-1所示的铅酸蓄电池的充电电压与电池电量恢复的关系曲线可以看出，铅酸蓄电池充电电压的突然上升点就是铅酸蓄电池过充电的起始点，并且当铅酸蓄电池的充电率上升时，铅酸蓄电池过充电现象就出现的早些。
当铅酸蓄电池的电压突然急剧上升时，则表示出现了铅酸蓄电池的过充电现象，而过充电点的出现位置和铅酸蓄电池的充电速率有关，当铅酸蓄电池的充电速率增加，出现铅酸蓄电池过充电时，电池的充电电量减少，铅酸蓄电池出现过充电点正好和它充足电的时刻相对应。在铅酸蓄电池的大充电速率的应用场合，对密封铅酸蓄电池应注意它的过充电问题，以确保铅酸蓄电池充足电，从图2-1所示的曲线可以看出，当铅酸蓄电池的充电率上升时，铅酸蓄电池过充电现象就会出现的更早些。
铅酸蓄电池电压
放电铅酸蓄电池电量恢复百分 比 图2-1铅酸蓄电池的充电电压与电池电量恢复的关系曲线
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第3章 铅酸蓄电池充电方法比较
常规充电制度是依据1940年前国际公认的经验法则设计的。其中最著名的就是“安培小时规则”：充电电流安培数，不应超过蓄电池待充电的安时数。实际上，常规充电的速度被蓄电池在充电过程中的温升和气体的产生所限制。这个现象对蓄电池充电所必须的最短时间具有重要意义。
以下介绍铅酸蓄电池的几种充电方法。
3.1 恒流充电
恒流充电是指蓄电池充电时，采用分段恒流的方法进行充电，电流是通过调整充电装置达到的[2]。如图3-1所示。该方法的主要特点是有较大的适应性，可任意选择和调整充电电流。
图3-1 恒流充电曲线
所以可对各种不同情况及状态的蓄电池充电，特别适用于小电流长时间的充电模式。对由多数电池串联的电池组充电，有利于容量恢复较慢的蓄电池的充电。
该方式的不足是：开始阶段充电电流过小，在后期充电电流又过大，整个过程时间长，析出气体多，对极板冲击大，能耗高，充电效率不超过65%，充电时间均在15h以上。目前国外已很少使用此方法。
3.2 阶段充电法
此方法包括二阶段充电法和三阶段充电法。
1．二阶段法采用恒电流和恒电压相结合的快速充电方法，如图3-2所示。首先，以恒电流充电至预定的电压值，然后，改为恒电压完成剩余的充电。一般两阶段之间的转换电压就是第二阶段的恒电压[3]。
图3-2 二阶段充电曲线
2．三阶段充电法在充电开始和结束时采用恒电流充电，中间用恒电压充电。当电流衰减到预定值时，由第二阶段转换到第三阶段。如图3-3所示。这种方法可以将出气量减到最少，但作为一种快速电方法使用，受到一定的限制。
图3-3 三阶段充电曲线
3.3 几种快速充电技术
为了能够最大限度地加快蓄电池的化学反应速度，缩短蓄电池达到满充状态的时间，同时，保证蓄电池正负极板的极化现象尽量地少或轻，提高蓄电池使用效率。快速充电技术近年来得到了迅速发展。
下面介绍目前比较流行的几种快速充电方法。这些方法都是围绕着最佳充电曲线进行设计的，目的就是使其充电曲线尽可能地逼进最佳充电曲线。
3.3.1 脉冲式充电法
这种充电法不仅遵循蓄电池固有的充电接受率，而且能够提高蓄电池充电接受率，从而打破了蓄电池指数充电接受曲线的限制，这也是蓄电池充电理论的新发展。
脉冲充电方式首先是用脉冲电流对电池充电，然后让电池停充一段时间，如此循环，如图3-4所示。充电脉冲使蓄电池充满电量，而间歇期使蓄电池经化学反应产生的氧气和氢气有时间重新化合而被吸收掉，使浓差极化和欧姆极化自然而然地得到消除，从而减轻了蓄电池的内压，使下一轮的恒流充电能够更加顺利地进行，使蓄电池可以吸收更多的电量。间歇脉冲使蓄电池有较充分的反应时间，减少了析气量，提高了蓄电池的充电电流接受率[4]。
图3-4 脉冲式充电法
3.3.2 变电流间歇充电法
这种充电方法建立在恒流充电和脉冲充电的基础上，如图3-5所示。其特点是将恒流充电段改为限压变电流间歇充电段。充电前期的各段采用变电流间歇充电的方法，保证加大充电电流，获得绝大部分充电量。充电后期采用定电压充电段，获得过充电量，将电池恢复至完全充电态。通过间歇停充，使蓄电池经化学反应产生的氧气和氢气有时间重新化合而被吸收掉，使浓差极化和欧姆极化自然而然地得到消除，从而减轻了蓄电
池的内压，使下一轮的恒流充电能够更加顺利地进行，使蓄电池可以吸收更多的电量[5]。
图3-5 变电流间歇充电法
3.3.3 变电压间歇充电法
在变电流间歇充电法的基础上又有人提出了变电压间歇充电法，如图3-6所示。与变电流间歇充电方法不同之处在于第一阶段的不是间歇恒流，而是间歇恒压。
图3-6 变电压间歇充电法
3.4 恒压充电
恒压充电是对电池以某一恒定电压进行充电，并控制自动充电初期电流的充电方式。它包括浮充充电及涓流充电。此法是对每只单体电池以某一恒定电压进行充电。
因此充电初期电流很大，随着充电进行，电流逐渐减小，在充电终期只有很小的电流通过，这样在充电过程中就不必调整电流。如图3-7所示。
该方法较简单，因为充电电流自动减小，所以充电过程中析气量小，充电时间短，能耗低，充电效率可达80%，如充电电压选择得当，可在几小时内完成充电[6]。
图3-7恒压充电的曲线
在铅酸蓄电池的充电过程中，为了确保它充足电，可以采用恒电压充电的方法。适当地提高铅酸蓄电池的充电电压，但是又不能太高，以避免出现铅酸蓄电池过充电，但是又足以补偿由于铅酸蓄电池的自放电而引起的铅酸蓄电池电量下降。所以要保持铅酸蓄电池的充电电压不变是必要的。
结论：综上所诉，根据现今的市场需求，采用恒压充电的方式设计铅酸蓄电池充电器,使其达到最佳的充电效果，避免会发生过充。利用51单片机与模拟电路结合的方式自动控制充电，使其效果最佳，延长铅酸蓄电池的使用寿命。
第4章 硬件设计
本文是以12V/4AH的铅酸蓄电池为例说明充电器的充电原理。所以选用的铅酸蓄电池的型号是NT12-4。
充电器的供电通常采用的是模拟电源，其经济、实惠造价低，充电时电流一般小于1A。对于一般的铅酸蓄电池来说，其功率通常在25W以下,电流在2A以下。
本论文的硬件流程图如图4-1所示：
图4-1 硬件流程图
4.1 整压稳流电路设计
铅酸蓄电池一般都有浮电。NT12-4充电电压要求在13.5～14.5左右，所以通常取15V，其功率为15 V×1A ×0.25=3.75W。
220V市电电压经变压器降压获得滤波电压U2(U2=18V)，经VD1～VD4桥式整流输出直流脉动电压，在输出端并联接上电容C6。
电容C6容量的选择：
在实际工作中，为了得到比较好的滤波效果，常常根据下式来选择滤波电容的容量（在桥式整流的情况下）：
RC≥(3～5)T/2 （式4-1）
式中T为电网交流电压的周期。由于电容值比较大，一般为几十到几千微法，通常可选用电解电容器。所以根据我们的经验，我们选择1000uF/24V的电解电容。
稳压管LM317的作用是稳压，使稳压管的输出电压为15V。在稳压管LM317的1、
2端口上并联电阻R2，其R2的作用是提高LM317输出地精确度。在稳压管LM317的1端口上串联电阻R1，R1的作用在限流，防止可变电阻值为0时的输出电压过高。R1串联一个可变电阻Rx。Rx并联一个电阻R3，R3其作用是提高Rx的精确度。C5为滤波电容，当稳压器离电源滤波器有一定距离时C5是必要的[7]。电路如图4-2所示：
图 4-2 整压稳流电路
在图4-2中在稳压的部分使用了LM317稳压管，要对稳压管的特性加以了解。下面介绍一下LM317稳压管的特性：
4.1.1 LM317稳压管的简介
LM317是美国国家半导体公司的三端可调稳压器集成电路。国内和世界各大集成电路生产商均有同类产品可供选用，是使用极为广泛的一类串连集成稳压器。
LM317的输出电压范围是1.2V至37V，负载电流最大为1.5A。它的使用非常简单，仅需两个外接电阻来设置输出电压。此外它的线性调整率和负载调整率也比标准的固定稳压器好。LM317内置有过载保护、安全区保护等多种保护电路。通常LM317不需要外接电容，除非输入滤波电容到LM317输入端的连线超过6英寸（约15厘米）。使用输出电容能改变瞬态响应。调整端使用滤波电容能得到比标准三端稳压器高的多的纹波抑制比。LM317能够有许多特殊的用法。比如把调整端悬浮到一个较高的电压上，可以用来调节高达数百伏的电压，只要输入输出压差不超过LM317的极限就行。当然还要避免输出端短路。还可以把调整端接到一个可编程电压上，实现可编程的电源输出。
4.1.2 LM317稳压管的性能
LM317主要特性：
1).可调整输出电压低到1.2V；
2).保证1.5A输出电流；
3).典型线性调整率0.01%；
4).典型负载调整率0.1%；
5).80dB纹波抑制比；
6).输出短路保护；
7).过流、过热保护；
8).调整管安全工作区保护；
9).标准三端晶体管封装；
10).1.25V 至 37V 连续可调；
4.2 单片机及驱动电路电源的设计
采用的单片机是AT89C2051单片机，其原因是AT89C2051的内部有模拟比较器，可以通过模拟比较器判断电压并控制电池是否充电。所以AT89C2051单片机非常重要。
R9，C1，SB1等组成单片机的复位电路。复位电路分开机复位和手动复位两种模式，按下SB1为手动复位。
C2，C3 和B1与XTAL1，XTAL2相连接，组成晶振电路。其连接如图4-3所示
图4-3 AT89C2051单片机连接电路
单片机用5V电源供电。稳压管7805的输出端接继电器，继电器的输出端接NPN型三极管8050，其中三极管中β=100。三极管的另一端接二极管4148。二极管的作用是因为51单片机P3.7口输出的低电平是0.8V，加一个二极管可以防止三极管直接导通。与继电器并联的二极管1N4007的作用是起保护作用的，如果有反向电流流过时，电流流过二极管，从而保护了继电器。电阻R20是上拉电阻，其作用是增强带载能力[8]。
继电器、三极管8050组成控制器，并与AT89C2051单片机的P3.7口相连。继电器可以控制与铅酸蓄电池相连的常闭开关。如果P1.0大于P1.1时，继电器常闭开关断开，停止铅酸蓄电池充电，证明铅酸蓄电池已经充满了。
稳压管LM317T输出接一个限流电阻R4。其中R4的计算：
R4=(15-12)÷1=3Ω （式4-2）
R4的功率为3Ω×1A=3W。所以选3Ω/5W的电阻。R4的作用是防止电流过高。其中铅酸蓄电池的最低电压为12 V，所以R4的输出电压为12V。
其连接如图4-4所示：
图4-4 驱动电源的设计
R5与稳压管相连，其稳压管的工作电流是15mA，R5与稳压管的基准电压为3.2V，从而R5 取1.5kΩ。稳压管是用3.2V/0.5W。
R5与稳压管之间引出接单片机AT89C2051的P1.1口，作为单片机AT89C2051内部比较器的基准电压，与R6，R7之间的电压进行比较。
R6，R7的阻值计算：
15÷3.2=R7÷R6 （式4-3）
我们设R6=5KΩ，通过计算得R6=25KΩ。
在R6与R7之间引出接单片机AT89C2051的P1.0口。与其P1.1口进行比较。比较的结果送单片机AT89C2051的P3.6口。
AT89C2051在内部构造了一个模拟信号比较器，AT89C2051的P1.0口和P1.1口除了做I/O口外，还有个功能是作为模拟信号比较器的输入端，P1.0为同相输入端，P1.1为反相输入端，模拟信号比较器的比较结果存入P3.6口对应的寄存器，P3.6口在AT89C2051外部引脚[9]。
其连接如图4-5所示：
图4-5 电压比较电路
在图4-5中AT89C2051为主要的芯片，对AT89C2051单片机作以下介绍。
4.2.1 AT89C2051单片机的介绍
AT89C2051是一种低电压、高性能的8位CMOS微型计算机。带2K字节的闪存和可擦可编程只读存储器（EPROM）。该器件应用爱特美尔（Atmel）的高密度非易失性技术生产，与工业级MCS51架构组相兼容。将一片通用的8位CPU与闪存集成在单块芯片上，爱特美尔AT89C2051是一种功能强盛的微型计算机。它为许多嵌入式控制提供了高灵活性低成本的解决方案。
AT89C2051的引脚图如图4-6所示:
图4-6 AT89C2051的引脚图
AT89C2051是一带有2K字节闪速可编程可擦除只读存储体(EEPROM)的低电压，高性能8位CMOS微型计算机。它采用ATMEL 的高密非易失存储技术制造并和工业标准MCS—51指令集和引脚结构兼容。通过在单块芯片上组合通用的CPL1和闪速存储器。
AT89C2051的引脚说明：
AT89C2051是一个有20个引脚的芯片，引脚如图4-6所示，与8051内部结构进行对比可发现，AT89C2051减少了两个对外端口（即P0、P2口），使它最大可能地减少了对外引脚，因而芯片尺寸小。
AT89C2051芯片的20个引脚功能为： 1．V c c：电源电压。 2．GND：地。
3． P1口：P1口是一个8位双向I/O口。口引脚P1.2～P1.7提供内部上拉电阻。 P1.0和P1.1要求外部上拉电阻。P1.0和P1.1还分别作为片内精密模拟比较器的同相输入（AIN0）和反相输入（AIN1）。P1口输出缓冲器可吸收20mA电流并能直接驱动LED
显示。当P1口引脚写入“1”时，其可用作输入端。当引脚P1.2～P1.7用作输入并被外部拉低时，它们将因内部的上拉电阻而流出电流(IIL)。 P1口还在闪速编程和程序校验期间接收代码数据。
4． P3口：P3口的P3.0～P3.5、P3.7是带有内部上拉电阻的七个双向I/0引脚。P3.6用于固定输入片内比较器的输出信号并且它作为一通用 I/O引脚而不可访问。P3口缓冲器可吸收20mA电流。当P3口引脚写入“1”时，它们被内部上拉电阻拉高并可用作输入端。用作输入时，被外部拉低的 P3口引脚将用上拉电阻而流出电流(IIL)。P3口还用于实现AT89C2051特殊的功能，如图表4-1所示：
表 4-1 P3口的特殊功能
P3口还接受一些Flash闪速存储器编程和程序校验的控制信号。
5．RST :复位输入。RST引脚一旦变成两个机器周期以上高电平，所有的I/O口都将复位到“1”（高电平）状态，当振荡器正在工作时，持续两个机器周期以上的高电平是可完成复位，每个机器周期为12个振荡周期。
6．XTAL1：振荡器反相放大器及内部时钟周期发生器的输入端。 7．XTAL2：振荡器反相放大器输入端。 振荡器特征：
XTAL1，XTAL2为片内振荡器的反相放大器的输入端和输出端，可采用石英晶体火陶瓷振荡器组成时钟振荡，如需从外部输入时钟驱动AT89C2051，时钟信号从XTAL1输入，XTAL2应悬空。由于输入到内部电路时经过一个2分频触发器，所以输入的外部时钟信号无需特殊要求，但它必须符合电平的最大和最小值及时序规范。
4.2.2 AT89C2051单片机的主要性能
主要特性：
1．与MCS－51产品兼容。 2．2K字节可重编程闪存。 3．－耐久性：1000次读/写周期。 4．工作电压2.7V至6V。 5．全静态运行：0Hz至24MHz。 6．两级程序锁存。 7．128×8位内部RAM。 8．15个可编程I/O口。 9．两个16位定时器/计数器。 10．六个中断源。
11．可编程串行UART（= Universal Asynchronous Receiver Transmitter通用异步收发器）通道。
12．可直接驱动LED的输出。 13．芯片级模仿比较器。
14．低功耗空闲模式和微功耗模式（Power-down mode）。
4.2.3 AT89C2051单片机的软硬件开发
89C2051设计有2个程序保密位，保密位1被编程之后，程序存储器不能再被编程除非做一次擦除，保密位2被编程之后，程序不能被读出。
AT89C2051可以采用下面2种方法开发应用系统：
1．由于89C2051内部程序存贮器为Flash，所以修改它内部的程序十分方便快捷，只要配备一个可以编程89C2051的编程器即可。调试人员可以采用程序编辑-编译-固化-插到电路板中试验这样反复循环的方法，对于熟练的MCS-51程序员来说，这种调试方法并不十分困难。当做这种调试不能够了解片内RAM的内容和程序的走向等有关信息。
2． 将普通8031/80C31仿真器的仿真插头中P1.0～P1.7和P3.0～P3.6引出来仿真2051，这种方法可以运用单步、断点的调试方法，但是仿真不够真实，比如，2051的内部模拟比较器功能，P1口、P3口的增强下拉能力等等。
4.2.4 AT89C2051单片机的性价比
下面就目前国内全胜较多的两种单片机，讨论一下2051的性能价格比。 1．与80C31系统相比较
如果需要构成一个80C31的最小系统的话，除了CPU之外，至少需要一片27C64，而系统的有效引脚和89C2051基本相同。从元器件的成本，电路板的面积和加密性来看，使用89C2051都是合算的。
2．与PIC单片机比较
目前，国内小型的单片机全胜较多的有PIC系列，89C2051与PIC相对芯片比较有如下特点：
（1） 89C2051的价格高于PIC的OTP型号，但大大低于PIC的EPROM型，89C2051片内不含Watch Dog，这是89C2051的不足之处，中断系统堆栈结构、串等通讯笔定时器系统都大大强于PIC系统。
（2）由于PIC芯片中无标准串等口，所以在单片机的联网应用上面，PIC不太适合。
（3） 与PIC相比2051更适合于较复杂的应用场合，适合一些软件需要多次修改的应用。
3．应用
就目前中国市场的情况来看，89C2051有很大的市场。其原因有下列几点： （1）51采用的是MCS51的核心，十分容易为广大用户所接受； （2）2051内部基本保持了80C31的硬件I/O功能；
（3）2051的Flash存贮器技术，可重复擦/写1000次以上，容易解闷调试手段； （4）适合小批量系统的应用，容易实现软件的升级。
4.3 显示电路
集成电路7447、三个三极管和三只数码管等组成显示电路，它分时轮流选通数码管公共端（这里是共阳极），使各个数码管轮流导通即各数码管中的电流是脉冲电流，这个方式下各数码管的字段线并联使用，从而简化了硬件电路，各个数码管虽然是分时轮流通电的，但由于数码管的余辉特性和人的视觉暂留效应，所以当扫描频率足够高时，并不觉得有闪烁现象。集成电路7447是片段译码器，把BCD码转换成字段码供数码管
显示[10]。AT89C2051的P1高四位分时输出3个数码管要显示的数字。三极管的作用是为了驱动数码管。电路如4-7 所示：
图4-7 译码显示电路
在图4-7路中使用了DM7447译码器和数码管，对这两种元件作以下介绍及其元件间的连接。
4.3.1 DM7447简介
7447芯片BCD七段显示器、译码器/驱动器：
工作电压5V。常用的BCD 对七段显示器译码器/驱动器之IC 包装计有TTL 之7446、7447、7448、7449 与CMOS 之4511 等等。其中7446、7447 必须使用共阳极七段显示器，7448、7449、4511等则使用共阴极七段显示器。
图4-8为7447集成电路译码器之引脚图与真值表如表4-2。在正常操作时，当输入DCBA=0010 则输出a b c d e f g=0010010。故使显示器显示“2”。当输入 DCBA=0110 时，输出a b c d e g=1100000，显示器显示“6”。
在7447 中尚有LT、RBI 与BI/RBO 之控制脚，其功能分述如下：
该电路是由与非门、输入缓冲器和7个与或非门组成的BCD-7 段译码器/驱动器。通常是低电平有效，高的灌入电流的输出可直接驱动显示器。7个与非门和一个驱动器成对连接，以产生可用的BCD 数据及其补码至7个与或非译码门。剩下的与非门和3
个输入缓冲器作为试灯输入（LT）端、灭灯输入/动态灭灯输出(BI/RBO)端及动态灭灯输入(RBI )端。
该电路接受4 位二进制编码—十进制数（BCD）输入并借助于辅助输入端状态将输入数据译码后去驱动一个七段显示器。输出结构设计成能承受7 段显示所需要的相当高的电压。驱动显示器各段所需的高达24mA 的电流可以由其高性能的输出晶体管来直接提供。BCD 输入计数9 以上的显示图案是鉴定输入条件的唯一信号。
该电路有自动前、后沿灭零控制（RBI和RBO）。试灯（LT）可在端处在高电平的任何时刻去进行，该电路还含有一个灭灯输入（BI），它用来控制灯的亮度或禁止输出。
该电路在应用中可以驱动共阳极的发光二极管或直接驱动白炽灯指示器。7447 之输出系为驱动器设计，其逻辑0 之吸入电流高达40mA，故在使用必须加入330Ω 左右电阻加以限流，以免过大电流流经LED 而烧毁显示器。
图4-8 7447引脚图
表4-2 7447真值表
H=高电平 L=低电平 ×=不定
1、当需要0到15的输出功能时，灭灯输入（BI）必须为开路或保持在高逻辑电平，若不要灭掉十进制零，则动态灭灯输入（RBI）必须开路或处于高逻辑电平。 2、当低逻辑电平直接加到灭灯输入（BI）时，不管其它任何输入端的电平如何，
所有段的输出端都关死。
3、当动态灭灯输入（RBI）和 输入端A、B、C、D 都处于低电平而试灯输入(LT)为高时，则所有段的输出端进入关闭且动态灭灯输出（RBO）处于低电平（响应条件）。 4、当灭灯输入/动态灭灯输出（BI/RBO）开路或保持在高电平，且将低电平加到试 灯输入(LT)时，所有段的输出端都得打开。
* BI/RBO 是用作灭灯输入（BI）与/或动态灭灯输出（RBO）的线与逻辑。
4.3.2 数码管
数码管是一种半导体发光器件，其基本单元是发光二极管。
数码管按段数分为七段数码管和八段数码管，八段数码管比七段数码管多一个发光二极管单元（多一个小数点显示）；按能显示多少个“8”可分为1位、2位、4位等等数码管；按发光二极管单元连接方式分为共阳极数码管和共阴极数码管。共阳数码管是指将所有发光二极管的阳极接到一起形成公共阳极(COM)的数码管。共阳数码管在应用时应将公共极COM接到+5V，当某一字段发光二极管的阴极为低电平时，相应字段就点亮。当某一字段的阴极为高电平时，相应字段就不亮。共阴数码管是指将所有发光二极管的阴极接到一起形成公共阴极(COM)的数码管。共阴数码管在应用时应将公共极COM接到地线GND上，当某一字段发光二极管的阳极为高电平时，相应字段就点亮。当某一字段的阳极为低电平时，相应字段就不亮。
在本次电路设计中，采用了共阳极数码管，数码管为动态显示。 如图4-9所示为数码管引脚图及共阳极内部接法。
图4-9 数码管的引脚图及阳极解法
电流：静态时，推荐使用10～15mA；动态时，16/1动态扫描时，平均电流为4～5mA，峰值电流50～60mA。
电压：查引脚排布图，看一下每段的芯片数量是多少？当红色时，使用1.9V乘以每段的芯片串联的个数；当绿色时，使用2.1V乘以每段的芯片串联的个数。
4.3.3 七段译码器与数码管的链接和显示
七段显示译码器是驱动七段显示器件的专用译码器，它可以把输入的二―十进制代码转换成七段显示管所需要的输入信息，以使七段显示管显示正确的数码。七段显示译码的示意图如图4-10所示。
图4-10 七段译码显示示意图
BCD七段译码器的输入是一位BCD码(以D、C、B、A表示)，输出是数码管各段的驱动信号(以F a ~ F g表示)，也称4—7译码器。若用它驱动共阴LED数码管，则输出应为高有效，即输出为高(1)时，相应显示段发光。例如，当输入8421码DCBA=0100时， 即要求同时点亮b、c、f、g段， 熄灭a、d、e段，故译码器的输出应为F a ~ F g=0110011，这也是一组代码，常称为段码。同理，根据组成0~9这10个字形的要求可以列出8421BCD七段译码器的真值表，见表4 - 3(未用码组省略)。
表4-3 BCD七段译码器真值表
MSI BCD七段译码器就是根据上述原理组成的， 只是为了使用方便，增加了一些辅助控制电路。这类集成译码器产品很多，类型各异，它们的输出结构也各不相同，因而使用时要予以注意。数字显示译码器的种类很多，现已有将计数器、锁存器、译码驱动电路集于一体的集成器件，还有连同数码显示器也集成在一起的电路可供选用。
第5章 软件设计
5.1 主程序的设计
程序使用汇编语言编写，主程序流程简图如图5-1所示。
图5-1 主程序流程图
程序由于主程序和定时中断服务子程序、延时子程序等部分组成。主程序由初始化、显示等部分组成。寄存器R0、R1、R2分别用来存储3位显示数据十分位、个分位和小数位。
接通电源后，单片机复位，寄存器R0、R1、R2的赋值均为0。在没有放入被充电的电池之前，P1.0口的电压高于P1.1口的电压，P3.6口为0，数码管不显示，程序处于等待电池放入的状态。当放入电池后，P1.0口的电压低于P1.1口的电压，P3.6口为1，定时器开始定时，定时时间到时，数码管显示当时的电池的容量。随着电池不断充电，其电压逐渐上升，电流逐渐减小，当充电达到其终止电压时，P1.0口的电压高于P1.1口的电压时，P3.6口由1变为0，定时器停止计时，数码管显示当时的电池容量值。同时P3.7口控制继电器的常闭开关断开，停止充电。
主程序见附录2。
5.2 定时显示子程序的设计
应用以下的公式进行电池容量的计算：
电池的容量=电流×充电时间
选用的铅酸蓄电池是12V/4Ah，在数码管上显示充满时的值应该为040 给铅酸蓄电池充电可分为三个阶段：
第一阶段：定时为一个小时，显示当时的电池容量。
第一阶段的充电电流为1A，数码管显示的容量应为010。
第二阶段：定时为两个小时，显示当时的电池容量。
第二阶段的充电电流为0.8A，数码管显示的容量应为026。
第三阶段：定时为三个小时，显示当时的电池容量
第三阶段的充电电流为0.5A。数码管显示的容量应为040。
当数码管显示为040时表明铅酸蓄电池已经充满。
选用的单片机的晶振晶振频率为6MHz，定时器T0工作在方式1的情况下定时100ms。
计数初值的计算：
由于晶振频率为6MHz,所以机器周期Tcy为2us
N=t/Tcy=50000
X=65536-50000=15536=3CB0
即应将3CH送入TH0中，B0送入TL0中。 定时显示程序见附录2。
定时计显示子程序流程图如图5-2所示：
图5-2 子程序流程图
总 结
本毕业设计是从实际出发，考虑到铅酸蓄电池在现今社会被频繁使用，而蓄电池充电器往往使蓄电池的使用寿命减少。基于这个因素，设计一款适用于不同容量的铅酸蓄电池充电器。解决了在铅酸蓄电池充电的过程中出现的过充和充不满的情况。提高了铅酸蓄电池的使用寿命。
这款铅酸蓄电池充电器的电路及其原理非常简单，容易被人们所接受，而且容易操作。它用我们经常可以见到的AT89C2051单片机内部的定时器和模拟比较器去控制电池充满后自动停止充电，而且在充电的过程中我们可以定时看到电池的容量。使人们清楚地知道电池还有多长时间充满，实现了自动化和智能化，从而摆脱了以前的铅酸蓄电池充电必须需要人工操作充电的现象。
通过此次论文使我的知识有了提高，更加了解到自己哪儿方面的知识缺陷，对以后的发展有了明确的目标。
致 谢
时间很快过去了，本篇论文也已初步完成。在这里首先要感谢院、系领导给予的大力支持，特别感谢我的导师吴玉祥老师和王亚平老师，老师的治学严谨，学识渊博，为我营造了一种良好的精神氛围。使我不仅接受了全新的思想观念，领会了基本的思考方式，掌握了通用的研究方法，而且还明白了许多待人接物与为人处世的道理。其严以律己、宽以待人的崇高风范，朴实无华、平易近人的人格魅力，与无微不至、感人至深的人文关怀，令人如沐春风，倍感温馨。在此论文完成之际，谨向吴老师和王老师表示诚挚的谢意。在老师的大力帮助下我得以顺利的完成了设计，并学到了很多新的知识，见识了很多新的事物，让我知道应该如何去学习、思考、解决设计中遇到的问题。也教会了我该如何完善自己的设计，找出不足，改善缺点。
感谢答辩组的各位老师在炎热的天气下为我们所作的各种工作和对我们论文所作的批评斧正，也要感谢各位在我毕业设计和答辩过程中给我提出宝贵意见的老师们，谢谢你们对我的严格要求。
另外，衷心感谢本文所引文献的作者和编者们。
参考文献
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黑龙江大学剑桥学院毕业论文（设计）
附录1 总电路图
附录2 软件程序
软件程序清单：
ORG 0000H
LJMP START ；跳转主程序 ORG 000BH ；T0中断入口地址 LJMP INT＿T0 ；转向中断定时T0 ORG 0030H
START： MOV 30H，#200 MOV 31H，#180
MOV 32H，#00H
MOV TMOD，#01H ；置T0工作方式1 MOV TH0，#3CH ；装入计数初值 MOV TL0，#0B0H
SETB TR0 ；启动T0 SETB ET0 ；T0开中断 SETB EA ；CPU开中断 SJMP $ ；等待中断 INT＿T0：PUSH ACC ；保护现场 PUSH PSW MOV A，30H DEC A JNZ L
MOV 30H，#200 MOV A，31H DEC A JNZ L1
MOV 31H，#180 INC 32H MOV A，32H
CJNE A，#1，L3 ；定时1小时 MOV 32H，A
LCALL L5 ；调显示子程序1 AJMP L2
L3： CJNE A，#3，L4 ；定时2小时 MOV 32H，A
LCALL L6 ；调显示子程序2 AJMP L2
L4： CJNE A，#6，L2 ；定时3小时 MOV 32H，#00H
CLR EA ；CPU关中断 LCALL L7 ；调显示子程序3 AJMP L2 L： MOV 30H，A AJMP L2 L1： MOV 31H，A AJMP L2
POP PSW ；恢复现场 POP ACC L2： RETI
L5： MOV R0，#00H ；显示子程序1 MOV R1，#01H MOV R2，#00H
L6： MOV R0，#00H ；显示子程序2 MOV R1，#02H MOV R2，#06H
L7： MOV R0，#00H ；显示子程序3 MOV R1，#04H MOV R2，#00H END
黑龙江大学剑桥学院毕业论文（设计）
摘 要
随着电子技术日新月异的发展，人们开始越来越多地使用便携式设备，为满足对便携式电源的新要求，铅酸蓄电池因为维护简单、价格低廉、供电可靠、使用寿命长，广泛用作汽车、飞机、轮船等机动车辆或发电机组的启动电源。也在各类需要不间断供电的电子设备和便携式仪器仪表中用作一些电器及控制回路的工作电源。蓄电池使用寿命的长短直接影响了电池的性能等方面，所以铅酸蓄电池的使用寿命尤为重要。
蓄电池的智能充电技术是蓄电池行业广泛关注的课题，是影响充电质量及电池寿命的关键因素之一，相关技术的研究具有很高的实用价值。本文针对铅酸蓄电池的容量智能充电技术开展研究工作，介绍一种基于单片机的智能充电器的硬件和软件实现。主要包括蓄电池充电方法比较选择，电路的具体设计，适合大多数的人们使用。
该充电器可以实时采集和显示电池的容量 ，并进行智能控制 ，根据不同的电池调整充电策略 。实验证明 ，该设计具有数字化、智能化、通用化和低功耗的特点 。
关键词 铅酸蓄电池 智能充电 51单片机
I
黑龙江大学剑桥学院毕业论文（设计）
Abstract
With the development of technological change, growing use of portable equipment, to meet the new portable power demand, the battery for maintaining a simple and low prices, power supply reliability and durability, widely used in cars, aircraft and ships to wait for a motor vehicle or the start the current. In the various needs uninterrupted supply of electronic equipment and portable instruments used in making some electrical and control circuit of the work of the electricity supply. The battery life of the direct impact on the performance, so the battery is facing.
The intelligent charging technique is a subject which has been widely in the industry of battery. It is one of the key factors which affect the charging quality and battery life, the research of related technique has high practical value
【11】
. This paper concentrates efforts on
studying high-capacity intelligent charging technique for lead-acid, Introduce a revivification of the charger's hardware and software. Mainly include the comparison and selection of the charging methods, the research of charging algorithm and the design of charging system.
The charger time collecting and displays the arguments and intelligent control and through the string mouth and upper, and real-time communications, to recharge the batteries. Experiments proved that the design of digitalization and intelligent, universal and low characteristics
Keyword Lead-acid battery Intelligent-charging 51 Sing-chip Microcosm
【12】
.
II
黑龙江大学剑桥学院毕业论文（设计）
目 录
摘 要 ·······································································································································I Abstract ······································································································································ II
第1章 绪论 ······················································································································· - 1 -
1.1 课题背景·················································································································- 1 -
1.2 充电技术的发展·····································································································- 2 - 1.3 铅酸蓄电池充电器的要求及市场需求·································································- 2 - 1.4 本文主要研究的内容·····························································································- 3 - 第2章 铅酸蓄电池的简介 ······························································································· - 4 -
2.1 铅酸蓄电池的发展历史·························································································- 4 - 2.2 铅酸蓄电池的市场·································································································- 4 - 2.3 铅酸蓄电池的工作原理····························································································· 5 2.4 铅酸蓄电池的主要用途·························································································- 5 - 2.5 铅酸蓄电池充电电压与电池电量恢复的关系························································· 6 第3章 铅酸蓄电池充电方法比较 ··················································································· - 7 -
3.1 恒流充电·················································································································- 7 - 3.2 阶段充电法················································································································· 8 3.3 几种快速充电技术····································································································· 9 3.3.1 脉冲式充电法 ·······························································································- 9 - 3.3.2 变电流间歇充电法 ·······················································································- 9 - 3.3.3 变电压间歇充电法 ·····················································································- 10 - 3.4 恒压充电···············································································································- 10 - 第4章 硬件设计 ············································································································· - 12 -
4.1 整压稳流电路设计·······························································································- 12 - 4.1.1 LM317稳压管的简介 ················································································- 13 - 4.1.2 LM317稳压管的性能 ················································································- 14 - 4.2 单片机及驱动电路电源的设计···········································································- 14 - 4.2.1 AT89C2051单片机的介绍 ·········································································- 17 - 4.2.2 AT89C2051单片机的主要性能 ····································································· 20 4.2.3 AT89C2051单片机的软硬件开发 ·····························································- 20 - 4.2.4 AT89C2051单片机的性价比 ·····································································- 21 - 4.3 显示电路···············································································································- 21 - 4.3.1 DM7447简介 ······························································································- 22 - 4.3.2 数码管 ·········································································································- 25 - 4.3.3 七段译码器与数码管的链接和显示 ·························································- 26 - 第5章 软件设计 ·················································································································································· - 28 -
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5.1 主程序的设计··········································································································· 28 5.2 定时显示子程序的设计··························································································· 30 总 结 ································································································································· - 31 - 致 谢 ································································································································· - 32 - 参考文献 ····························································································································· - 33 - 附录1 总电路图 ·············································································································· - 34 - 附录2 软件程序 ·············································································································· - 35 -
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第1章 绪论
1.1 课题背景
目前铅酸蓄电池运用于各个行业中，如目前流行的电动自行车，电瓶车，工业上的自动引导车，机器人等等。电池的使用量很大。而对于铅酸蓄电池来说，使用方法得当，其使用寿命甚至可以达到20年。但实际情况却是很多铅酸蓄电池使用几年甚至一两年就报废了，纠其原因就在于铅酸蓄电池的使用过程中存在很多不当之处，比如长期过充电状态，放电过度，充电电流过大，长期不满电等都会降低铅酸蓄电池的使用寿命。如果改善了充电器，并能活化蓄电池，延长使用寿命，将能节约大量资源和能源，并能降低废旧电池的处理压力，保护环境。
目前市场上常见的各种二次电池的主要性能比较如表1-1所示。对于镍氢电池、锂离子电池等能量密度高的蓄电池，对其充电的要求不是很严格，而能量密度相对低一点但价格便宜的铅酸蓄电池，充电要求则很严格。
表1-1 各种常用二次电池主要性能表
蓄电池的使用寿命是专业人员及使用人员普遍关注的问题，其由多方面因素决定，其中最重要的是蓄电池本身的物理性能。除此之外，电池的管理技术、不合理的充放电
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模式是造成电池寿命缩短的主要原因。国内外多年来的实践证明:免维护铅酸电池浮充电压偏差5%，电池的浮充寿命将减少一半。据统计，在我国，从日渐普及的电动自行车用蓄电池组到航天用蓄电池组，都不同程度的存在着因充电不当，蓄电池组的使用寿命达不到设计寿命的问题，许多蓄电池的实际使用寿命还不到设计寿命的一半，造成了很大的浪费。
实践证明，要保证铅酸蓄电池的使用寿命，铅酸蓄电池的正确充电方法是非常重要的。通常用专用芯片来制作蓄电池充电器，但是它的缺点是只能给专用的蓄电池充电，其通用性不强。还有用模拟电路和数字电路搭建而成的铅酸蓄电池充电器，但其完成功能达不到蓄电池充电器的预期效果。本文利用51单片机与模拟电路相结合来完成给铅酸蓄电池充电。因为用51单片机和模拟电路相结合的铅酸蓄电池充电器在电路性能，工作可靠性和体积方面都表现的很好。也可以根据实际需要，很容易应用于低、中和大型功率铅酸蓄电池的充电电路应用场合。
1.2 充电技术的发展
随着蓄电池的发展，充电技术也在不断更新。充电技术的更新不仅满足了对新型电池的充电要求，更重要的是提高了充电的质量，延长了蓄电池的使用寿命。
传统的充电技术，都是人工控制充电过程，没有采用动态跟踪电池的实际可接受充电电流的大小，不仅造成充电时间过长，而且大多存在严重的过充现象，直接影响蓄电池的技术状态和使用寿命，远不能适应现代生产和生活的需要。
针对传统充电方法充电缓慢、安全性能不好等缺点，目前国内外陆续提出了一些新型的充电方法，如脉冲式充电法、定化学反应状态法、变电流间歇/定电压充电法、电压间歇充电法等。这些充电方法的原理绝大多数都是在传统方法的基础上加以改进，以便使其充电电流能够更好逼近蓄电池的可接受充电电流曲线。
1.3 铅酸蓄电池充电器的要求及市场需求
铅酸蓄电池在直接供电和备用供电的应用场合得到了广泛的应用，为了充会发挥铅酸蓄电池的作用，充电器电路在给铅酸蓄电池充电的过程中，应给铅酸蓄电池充足电，要尽量避免铅酸蓄电池的过充电，从而延长铅酸蓄电池的使用寿命。
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铅酸蓄电池充电器对电压和电流的要求很高。电压过高会造成蓄电池过渡充电，并改变电解液的浓度，直接影响蓄电池的循环使用寿命。电压过低则会造成充电不能充满，降低蓄电池的放电使用时间，长期充电都处于这种状态下，将会使极板硫化，造成不可恢复性的损伤。充电电流过大，电池内部的散热不能解决，会造成蓄电池爆裂。电流过小充电时间会延长，使用效率降低。所以合理的充电电流和电压非常的重要。
目前市场上使用的所谓智能充电器，大多数都属于简易型的，不能对蓄电池的容量进行检测，并不是严格意义上的智能式充电器，据相关部门统计资料显示，市场上85%以上的充电器存在严重的质量隐患。这些充电器往往充电电流过小，充电电压不稳定，充电时间过长，导致蓄电池内部出现极化、硫化结晶等现象，致使充电容量达不到要求，大大降低了蓄电池的正常使用寿命。
当今功能完善、价格适中的铅酸蓄电池充电器很缺乏，所以我们设计的利用51单片机和模拟电路相结合的铅酸蓄电池充电器比较适用，它可以实现对铅酸蓄电池的容量进行测量，充电计时全部自动化，而且可以对不同容量的铅酸蓄电池进行充电。完全智能化。
1.4 本文主要研究的内容
本文就研制智能蓄电池充电器开展相关工作，主要内容为：
1．在对铅酸蓄电池充电原理和目前各种充电方法的研究基础上，提出了适合大多数铅酸蓄电池使用的充电方案。
2．对铅酸蓄电池充电的控制技术进行了探讨，在设计中，采用了电池的电流控制、定时控制等功能的综合控制法。
3．进行了系统的硬件设计，包括主电路和控制电路的设计。其中用最简单、熟悉的51单片机和继电器控制定时和充满时自动断电。使充电器完全的自动化，智能化。
4．再进行系统的软件设计，包括主程序和定时显示程序。利用汇编语言编程，使数码管在定时时间到时显示电池的容量。让人们了解此时电池的充电情况。
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第2章 铅酸蓄电池的简介
电瓶也叫蓄电池，蓄电池是电池的一种，它的工作原理就是把化学能转化成电能。通常，人们所说的电瓶是指铅酸蓄电池。即一种主要由铅及其氧化物制成的，电解液是硫酸溶液的蓄电池。
2.1 铅酸蓄电池的发展历史
铅酸蓄电池是1859年由普兰特(Plante)发明的，至今已有一百五十年的历史。铅酸蓄电池自发明后，在化学电源中一直占有绝对优势。这是因为其原材料易于获得，价格低廉，使用上有充分的可靠性，适用于大电流放电及广泛的环境温度范围等优点。
到20世纪初，铅酸蓄电池历经了许多重大的改进，提高了能量密度、循环寿命、高倍率放电等性能。
2.2 铅酸蓄电池的市场
铅酸蓄电池是目前世界上广泛使用的一种化学“电源”，具有电压平稳、安全可靠、价格低廉、适用范围广、原材料丰富和回收再生利用率高等优点，是世界上各类电池中产量最大、用途最广的一种电池，它所消耗的铅占全球总耗铅量的82％。
目前中国的铅酸蓄电池的消费结构如下：
通过研究发现：目前蓄电池消费主要集中在汽车和摩托车市场，两者占据大多数比重，消费份额为74％；电动自行车其次为8％；出口占据7％的消费份额，其他的占据余下的11％。不过随着我国汽车和摩托车的保有量进一步的扩大，以及国家主要城市对电动自行车行驶的解禁，这将进一步刺激铅酸蓄电池产品在该领域的消费。
我国铅酸蓄电池行业经过50年的建设与发展，已基本形成了大中小型企业相结合，具有一定规模的制造体系，“八五”计划后期，铅酸蓄电池行业发展稳定，产品档次和水平有了明显提高，产量呈上升趋势。进入“九五”计划后，随着我国改革开放进一步向纵深发展，能源、交通和通讯等支柱产业飞速发展，主要用于汽车、摩托车、电力、通讯等产业的铅酸蓄电池进入蓬勃发展时期，市场不断扩大。
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2.3 铅酸蓄电池的工作原理
铅酸蓄电池用填满海绵状铅的铅板作负极，填满二氧化铅的铅板作正极，并用22%～28％的稀硫酸作电解质。在充电时，电能转化为化学能，放电时化学能又转化为电能。电池在放电时，金属铅是负极，发生氧化反应，被氧化为硫酸铅；二氧化铅是正极，发生还原反应，被还原为硫酸铅。电池在用直流电充电时，两极分别生成铅和二氧化铅。移去电源后，它又恢复到放电前的状态，组成化学电池。铅蓄电池是能反复充电、放电的电池，叫做二次电池。它的电压是2V，通常把三个铅蓄电池串联起来使用，电压是6V。汽车上用的是6个铅蓄电池串联成12V的电池组。普通铅蓄电池在使用一段时间后要补充硫酸，使电解质保持含有22%～28％的稀硫酸[1]。
铅酸蓄电池在充电过程中需注意两个问题：一是应使用铅酸蓄电池尽快充足电；二是应补充由于铅酸蓄电池的自放电而减少的电量。
在铅酸蓄电池的充电过程中，硫酸铅被转换成了铅酸蓄电池负极板上的铅和正极板上的二氧化铅，当铅酸蓄电池内的大部分硫酸铅被转变成铅和二氧化铅后，随之就出现了铅酸蓄电池的过充电现象，导致氢气和氧气的产生。如果铅酸蓄电池的充电迅速率选的适当，则大部分的氢气和氧气在密封铅酸蓄电池内部再结合，但是在非密封铅酸蓄电池中则会产生脱水现象。
2.4 铅酸蓄电池的主要用途
铅酸蓄电池产品主要有下列几种，其用途分布如下： 1、起动型蓄电池
主要用于汽车、摩托车、拖拉机、柴油机等起动和照明； 2、固定型蓄电池
主要用于通讯、发电厂、计算机系统作为保护、自动控制的备用电源； 3、牵引型蓄电池
主要用于各种蓄电池车、叉车、铲车等动力电源； 4、铁路用蓄电池
主要用于铁路内燃机车、电力机车、客车起动、照明之动力； 5、储能用蓄电池
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主要用于风力、太阳能等发电用电能储存；
2.5 铅酸蓄电池充电电压与电池电量恢复的关系
通过检测铅酸蓄电池充电电压的办法可以检测铅酸蓄电池过充电的出现，图2-1所示为铅酸蓄电池以不同充电速率的电压和放电速率的电压及电量恢复的关系曲线。从图2-1所示的铅酸蓄电池的充电电压与电池电量恢复的关系曲线可以看出，铅酸蓄电池充电电压的突然上升点就是铅酸蓄电池过充电的起始点，并且当铅酸蓄电池的充电率上升时，铅酸蓄电池过充电现象就出现的早些。
当铅酸蓄电池的电压突然急剧上升时，则表示出现了铅酸蓄电池的过充电现象，而过充电点的出现位置和铅酸蓄电池的充电速率有关，当铅酸蓄电池的充电速率增加，出现铅酸蓄电池过充电时，电池的充电电量减少，铅酸蓄电池出现过充电点正好和它充足电的时刻相对应。在铅酸蓄电池的大充电速率的应用场合，对密封铅酸蓄电池应注意它的过充电问题，以确保铅酸蓄电池充足电，从图2-1所示的曲线可以看出，当铅酸蓄电池的充电率上升时，铅酸蓄电池过充电现象就会出现的更早些。
铅酸蓄电池电压
放电铅酸蓄电池电量恢复百分 比 图2-1铅酸蓄电池的充电电压与电池电量恢复的关系曲线
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第3章 铅酸蓄电池充电方法比较
常规充电制度是依据1940年前国际公认的经验法则设计的。其中最著名的就是“安培小时规则”：充电电流安培数，不应超过蓄电池待充电的安时数。实际上，常规充电的速度被蓄电池在充电过程中的温升和气体的产生所限制。这个现象对蓄电池充电所必须的最短时间具有重要意义。
以下介绍铅酸蓄电池的几种充电方法。
3.1 恒流充电
恒流充电是指蓄电池充电时，采用分段恒流的方法进行充电，电流是通过调整充电装置达到的[2]。如图3-1所示。该方法的主要特点是有较大的适应性，可任意选择和调整充电电流。
图3-1 恒流充电曲线
所以可对各种不同情况及状态的蓄电池充电，特别适用于小电流长时间的充电模式。对由多数电池串联的电池组充电，有利于容量恢复较慢的蓄电池的充电。
该方式的不足是：开始阶段充电电流过小，在后期充电电流又过大，整个过程时间长，析出气体多，对极板冲击大，能耗高，充电效率不超过65%，充电时间均在15h以上。目前国外已很少使用此方法。
3.2 阶段充电法
此方法包括二阶段充电法和三阶段充电法。
1．二阶段法采用恒电流和恒电压相结合的快速充电方法，如图3-2所示。首先，以恒电流充电至预定的电压值，然后，改为恒电压完成剩余的充电。一般两阶段之间的转换电压就是第二阶段的恒电压[3]。
图3-2 二阶段充电曲线
2．三阶段充电法在充电开始和结束时采用恒电流充电，中间用恒电压充电。当电流衰减到预定值时，由第二阶段转换到第三阶段。如图3-3所示。这种方法可以将出气量减到最少，但作为一种快速电方法使用，受到一定的限制。
图3-3 三阶段充电曲线
3.3 几种快速充电技术
为了能够最大限度地加快蓄电池的化学反应速度，缩短蓄电池达到满充状态的时间，同时，保证蓄电池正负极板的极化现象尽量地少或轻，提高蓄电池使用效率。快速充电技术近年来得到了迅速发展。
下面介绍目前比较流行的几种快速充电方法。这些方法都是围绕着最佳充电曲线进行设计的，目的就是使其充电曲线尽可能地逼进最佳充电曲线。
3.3.1 脉冲式充电法
这种充电法不仅遵循蓄电池固有的充电接受率，而且能够提高蓄电池充电接受率，从而打破了蓄电池指数充电接受曲线的限制，这也是蓄电池充电理论的新发展。
脉冲充电方式首先是用脉冲电流对电池充电，然后让电池停充一段时间，如此循环，如图3-4所示。充电脉冲使蓄电池充满电量，而间歇期使蓄电池经化学反应产生的氧气和氢气有时间重新化合而被吸收掉，使浓差极化和欧姆极化自然而然地得到消除，从而减轻了蓄电池的内压，使下一轮的恒流充电能够更加顺利地进行，使蓄电池可以吸收更多的电量。间歇脉冲使蓄电池有较充分的反应时间，减少了析气量，提高了蓄电池的充电电流接受率[4]。
图3-4 脉冲式充电法
3.3.2 变电流间歇充电法
这种充电方法建立在恒流充电和脉冲充电的基础上，如图3-5所示。其特点是将恒流充电段改为限压变电流间歇充电段。充电前期的各段采用变电流间歇充电的方法，保证加大充电电流，获得绝大部分充电量。充电后期采用定电压充电段，获得过充电量，将电池恢复至完全充电态。通过间歇停充，使蓄电池经化学反应产生的氧气和氢气有时间重新化合而被吸收掉，使浓差极化和欧姆极化自然而然地得到消除，从而减轻了蓄电
池的内压，使下一轮的恒流充电能够更加顺利地进行，使蓄电池可以吸收更多的电量[5]。
图3-5 变电流间歇充电法
3.3.3 变电压间歇充电法
在变电流间歇充电法的基础上又有人提出了变电压间歇充电法，如图3-6所示。与变电流间歇充电方法不同之处在于第一阶段的不是间歇恒流，而是间歇恒压。
图3-6 变电压间歇充电法
3.4 恒压充电
恒压充电是对电池以某一恒定电压进行充电，并控制自动充电初期电流的充电方式。它包括浮充充电及涓流充电。此法是对每只单体电池以某一恒定电压进行充电。
因此充电初期电流很大，随着充电进行，电流逐渐减小，在充电终期只有很小的电流通过，这样在充电过程中就不必调整电流。如图3-7所示。
该方法较简单，因为充电电流自动减小，所以充电过程中析气量小，充电时间短，能耗低，充电效率可达80%，如充电电压选择得当，可在几小时内完成充电[6]。
图3-7恒压充电的曲线
在铅酸蓄电池的充电过程中，为了确保它充足电，可以采用恒电压充电的方法。适当地提高铅酸蓄电池的充电电压，但是又不能太高，以避免出现铅酸蓄电池过充电，但是又足以补偿由于铅酸蓄电池的自放电而引起的铅酸蓄电池电量下降。所以要保持铅酸蓄电池的充电电压不变是必要的。
结论：综上所诉，根据现今的市场需求，采用恒压充电的方式设计铅酸蓄电池充电器,使其达到最佳的充电效果，避免会发生过充。利用51单片机与模拟电路结合的方式自动控制充电，使其效果最佳，延长铅酸蓄电池的使用寿命。
第4章 硬件设计
本文是以12V/4AH的铅酸蓄电池为例说明充电器的充电原理。所以选用的铅酸蓄电池的型号是NT12-4。
充电器的供电通常采用的是模拟电源，其经济、实惠造价低，充电时电流一般小于1A。对于一般的铅酸蓄电池来说，其功率通常在25W以下,电流在2A以下。
本论文的硬件流程图如图4-1所示：
图4-1 硬件流程图
4.1 整压稳流电路设计
铅酸蓄电池一般都有浮电。NT12-4充电电压要求在13.5～14.5左右，所以通常取15V，其功率为15 V×1A ×0.25=3.75W。
220V市电电压经变压器降压获得滤波电压U2(U2=18V)，经VD1～VD4桥式整流输出直流脉动电压，在输出端并联接上电容C6。
电容C6容量的选择：
在实际工作中，为了得到比较好的滤波效果，常常根据下式来选择滤波电容的容量（在桥式整流的情况下）：
RC≥(3～5)T/2 （式4-1）
式中T为电网交流电压的周期。由于电容值比较大，一般为几十到几千微法，通常可选用电解电容器。所以根据我们的经验，我们选择1000uF/24V的电解电容。
稳压管LM317的作用是稳压，使稳压管的输出电压为15V。在稳压管LM317的1、
2端口上并联电阻R2，其R2的作用是提高LM317输出地精确度。在稳压管LM317的1端口上串联电阻R1，R1的作用在限流，防止可变电阻值为0时的输出电压过高。R1串联一个可变电阻Rx。Rx并联一个电阻R3，R3其作用是提高Rx的精确度。C5为滤波电容，当稳压器离电源滤波器有一定距离时C5是必要的[7]。电路如图4-2所示：
图 4-2 整压稳流电路
在图4-2中在稳压的部分使用了LM317稳压管，要对稳压管的特性加以了解。下面介绍一下LM317稳压管的特性：
4.1.1 LM317稳压管的简介
LM317是美国国家半导体公司的三端可调稳压器集成电路。国内和世界各大集成电路生产商均有同类产品可供选用，是使用极为广泛的一类串连集成稳压器。
LM317的输出电压范围是1.2V至37V，负载电流最大为1.5A。它的使用非常简单，仅需两个外接电阻来设置输出电压。此外它的线性调整率和负载调整率也比标准的固定稳压器好。LM317内置有过载保护、安全区保护等多种保护电路。通常LM317不需要外接电容，除非输入滤波电容到LM317输入端的连线超过6英寸（约15厘米）。使用输出电容能改变瞬态响应。调整端使用滤波电容能得到比标准三端稳压器高的多的纹波抑制比。LM317能够有许多特殊的用法。比如把调整端悬浮到一个较高的电压上，可以用来调节高达数百伏的电压，只要输入输出压差不超过LM317的极限就行。当然还要避免输出端短路。还可以把调整端接到一个可编程电压上，实现可编程的电源输出。
4.1.2 LM317稳压管的性能
LM317主要特性：
1).可调整输出电压低到1.2V；
2).保证1.5A输出电流；
3).典型线性调整率0.01%；
4).典型负载调整率0.1%；
5).80dB纹波抑制比；
6).输出短路保护；
7).过流、过热保护；
8).调整管安全工作区保护；
9).标准三端晶体管封装；
10).1.25V 至 37V 连续可调；
4.2 单片机及驱动电路电源的设计
采用的单片机是AT89C2051单片机，其原因是AT89C2051的内部有模拟比较器，可以通过模拟比较器判断电压并控制电池是否充电。所以AT89C2051单片机非常重要。
R9，C1，SB1等组成单片机的复位电路。复位电路分开机复位和手动复位两种模式，按下SB1为手动复位。
C2，C3 和B1与XTAL1，XTAL2相连接，组成晶振电路。其连接如图4-3所示
图4-3 AT89C2051单片机连接电路
单片机用5V电源供电。稳压管7805的输出端接继电器，继电器的输出端接NPN型三极管8050，其中三极管中β=100。三极管的另一端接二极管4148。二极管的作用是因为51单片机P3.7口输出的低电平是0.8V，加一个二极管可以防止三极管直接导通。与继电器并联的二极管1N4007的作用是起保护作用的，如果有反向电流流过时，电流流过二极管，从而保护了继电器。电阻R20是上拉电阻，其作用是增强带载能力[8]。
继电器、三极管8050组成控制器，并与AT89C2051单片机的P3.7口相连。继电器可以控制与铅酸蓄电池相连的常闭开关。如果P1.0大于P1.1时，继电器常闭开关断开，停止铅酸蓄电池充电，证明铅酸蓄电池已经充满了。
稳压管LM317T输出接一个限流电阻R4。其中R4的计算：
R4=(15-12)÷1=3Ω （式4-2）
R4的功率为3Ω×1A=3W。所以选3Ω/5W的电阻。R4的作用是防止电流过高。其中铅酸蓄电池的最低电压为12 V，所以R4的输出电压为12V。
其连接如图4-4所示：
图4-4 驱动电源的设计
R5与稳压管相连，其稳压管的工作电流是15mA，R5与稳压管的基准电压为3.2V，从而R5 取1.5kΩ。稳压管是用3.2V/0.5W。
R5与稳压管之间引出接单片机AT89C2051的P1.1口，作为单片机AT89C2051内部比较器的基准电压，与R6，R7之间的电压进行比较。
R6，R7的阻值计算：
15÷3.2=R7÷R6 （式4-3）
我们设R6=5KΩ，通过计算得R6=25KΩ。
在R6与R7之间引出接单片机AT89C2051的P1.0口。与其P1.1口进行比较。比较的结果送单片机AT89C2051的P3.6口。
AT89C2051在内部构造了一个模拟信号比较器，AT89C2051的P1.0口和P1.1口除了做I/O口外，还有个功能是作为模拟信号比较器的输入端，P1.0为同相输入端，P1.1为反相输入端，模拟信号比较器的比较结果存入P3.6口对应的寄存器，P3.6口在AT89C2051外部引脚[9]。
其连接如图4-5所示：
图4-5 电压比较电路
在图4-5中AT89C2051为主要的芯片，对AT89C2051单片机作以下介绍。
4.2.1 AT89C2051单片机的介绍
AT89C2051是一种低电压、高性能的8位CMOS微型计算机。带2K字节的闪存和可擦可编程只读存储器（EPROM）。该器件应用爱特美尔（Atmel）的高密度非易失性技术生产，与工业级MCS51架构组相兼容。将一片通用的8位CPU与闪存集成在单块芯片上，爱特美尔AT89C2051是一种功能强盛的微型计算机。它为许多嵌入式控制提供了高灵活性低成本的解决方案。
AT89C2051的引脚图如图4-6所示:
图4-6 AT89C2051的引脚图
AT89C2051是一带有2K字节闪速可编程可擦除只读存储体(EEPROM)的低电压，高性能8位CMOS微型计算机。它采用ATMEL 的高密非易失存储技术制造并和工业标准MCS—51指令集和引脚结构兼容。通过在单块芯片上组合通用的CPL1和闪速存储器。
AT89C2051的引脚说明：
AT89C2051是一个有20个引脚的芯片，引脚如图4-6所示，与8051内部结构进行对比可发现，AT89C2051减少了两个对外端口（即P0、P2口），使它最大可能地减少了对外引脚，因而芯片尺寸小。
AT89C2051芯片的20个引脚功能为： 1．V c c：电源电压。 2．GND：地。
3． P1口：P1口是一个8位双向I/O口。口引脚P1.2～P1.7提供内部上拉电阻。 P1.0和P1.1要求外部上拉电阻。P1.0和P1.1还分别作为片内精密模拟比较器的同相输入（AIN0）和反相输入（AIN1）。P1口输出缓冲器可吸收20mA电流并能直接驱动LED
显示。当P1口引脚写入“1”时，其可用作输入端。当引脚P1.2～P1.7用作输入并被外部拉低时，它们将因内部的上拉电阻而流出电流(IIL)。 P1口还在闪速编程和程序校验期间接收代码数据。
4． P3口：P3口的P3.0～P3.5、P3.7是带有内部上拉电阻的七个双向I/0引脚。P3.6用于固定输入片内比较器的输出信号并且它作为一通用 I/O引脚而不可访问。P3口缓冲器可吸收20mA电流。当P3口引脚写入“1”时，它们被内部上拉电阻拉高并可用作输入端。用作输入时，被外部拉低的 P3口引脚将用上拉电阻而流出电流(IIL)。P3口还用于实现AT89C2051特殊的功能，如图表4-1所示：
表 4-1 P3口的特殊功能
P3口还接受一些Flash闪速存储器编程和程序校验的控制信号。
5．RST :复位输入。RST引脚一旦变成两个机器周期以上高电平，所有的I/O口都将复位到“1”（高电平）状态，当振荡器正在工作时，持续两个机器周期以上的高电平是可完成复位，每个机器周期为12个振荡周期。
6．XTAL1：振荡器反相放大器及内部时钟周期发生器的输入端。 7．XTAL2：振荡器反相放大器输入端。 振荡器特征：
XTAL1，XTAL2为片内振荡器的反相放大器的输入端和输出端，可采用石英晶体火陶瓷振荡器组成时钟振荡，如需从外部输入时钟驱动AT89C2051，时钟信号从XTAL1输入，XTAL2应悬空。由于输入到内部电路时经过一个2分频触发器，所以输入的外部时钟信号无需特殊要求，但它必须符合电平的最大和最小值及时序规范。
4.2.2 AT89C2051单片机的主要性能
主要特性：
1．与MCS－51产品兼容。 2．2K字节可重编程闪存。 3．－耐久性：1000次读/写周期。 4．工作电压2.7V至6V。 5．全静态运行：0Hz至24MHz。 6．两级程序锁存。 7．128×8位内部RAM。 8．15个可编程I/O口。 9．两个16位定时器/计数器。 10．六个中断源。
11．可编程串行UART（= Universal Asynchronous Receiver Transmitter通用异步收发器）通道。
12．可直接驱动LED的输出。 13．芯片级模仿比较器。
14．低功耗空闲模式和微功耗模式（Power-down mode）。
4.2.3 AT89C2051单片机的软硬件开发
89C2051设计有2个程序保密位，保密位1被编程之后，程序存储器不能再被编程除非做一次擦除，保密位2被编程之后，程序不能被读出。
AT89C2051可以采用下面2种方法开发应用系统：
1．由于89C2051内部程序存贮器为Flash，所以修改它内部的程序十分方便快捷，只要配备一个可以编程89C2051的编程器即可。调试人员可以采用程序编辑-编译-固化-插到电路板中试验这样反复循环的方法，对于熟练的MCS-51程序员来说，这种调试方法并不十分困难。当做这种调试不能够了解片内RAM的内容和程序的走向等有关信息。
2． 将普通8031/80C31仿真器的仿真插头中P1.0～P1.7和P3.0～P3.6引出来仿真2051，这种方法可以运用单步、断点的调试方法，但是仿真不够真实，比如，2051的内部模拟比较器功能，P1口、P3口的增强下拉能力等等。
4.2.4 AT89C2051单片机的性价比
下面就目前国内全胜较多的两种单片机，讨论一下2051的性能价格比。 1．与80C31系统相比较
如果需要构成一个80C31的最小系统的话，除了CPU之外，至少需要一片27C64，而系统的有效引脚和89C2051基本相同。从元器件的成本，电路板的面积和加密性来看，使用89C2051都是合算的。
2．与PIC单片机比较
目前，国内小型的单片机全胜较多的有PIC系列，89C2051与PIC相对芯片比较有如下特点：
（1） 89C2051的价格高于PIC的OTP型号，但大大低于PIC的EPROM型，89C2051片内不含Watch Dog，这是89C2051的不足之处，中断系统堆栈结构、串等通讯笔定时器系统都大大强于PIC系统。
（2）由于PIC芯片中无标准串等口，所以在单片机的联网应用上面，PIC不太适合。
（3） 与PIC相比2051更适合于较复杂的应用场合，适合一些软件需要多次修改的应用。
3．应用
就目前中国市场的情况来看，89C2051有很大的市场。其原因有下列几点： （1）51采用的是MCS51的核心，十分容易为广大用户所接受； （2）2051内部基本保持了80C31的硬件I/O功能；
（3）2051的Flash存贮器技术，可重复擦/写1000次以上，容易解闷调试手段； （4）适合小批量系统的应用，容易实现软件的升级。
4.3 显示电路
集成电路7447、三个三极管和三只数码管等组成显示电路，它分时轮流选通数码管公共端（这里是共阳极），使各个数码管轮流导通即各数码管中的电流是脉冲电流，这个方式下各数码管的字段线并联使用，从而简化了硬件电路，各个数码管虽然是分时轮流通电的，但由于数码管的余辉特性和人的视觉暂留效应，所以当扫描频率足够高时，并不觉得有闪烁现象。集成电路7447是片段译码器，把BCD码转换成字段码供数码管
显示[10]。AT89C2051的P1高四位分时输出3个数码管要显示的数字。三极管的作用是为了驱动数码管。电路如4-7 所示：
图4-7 译码显示电路
在图4-7路中使用了DM7447译码器和数码管，对这两种元件作以下介绍及其元件间的连接。
4.3.1 DM7447简介
7447芯片BCD七段显示器、译码器/驱动器：
工作电压5V。常用的BCD 对七段显示器译码器/驱动器之IC 包装计有TTL 之7446、7447、7448、7449 与CMOS 之4511 等等。其中7446、7447 必须使用共阳极七段显示器，7448、7449、4511等则使用共阴极七段显示器。
图4-8为7447集成电路译码器之引脚图与真值表如表4-2。在正常操作时，当输入DCBA=0010 则输出a b c d e f g=0010010。故使显示器显示“2”。当输入 DCBA=0110 时，输出a b c d e g=1100000，显示器显示“6”。
在7447 中尚有LT、RBI 与BI/RBO 之控制脚，其功能分述如下：
该电路是由与非门、输入缓冲器和7个与或非门组成的BCD-7 段译码器/驱动器。通常是低电平有效，高的灌入电流的输出可直接驱动显示器。7个与非门和一个驱动器成对连接，以产生可用的BCD 数据及其补码至7个与或非译码门。剩下的与非门和3
个输入缓冲器作为试灯输入（LT）端、灭灯输入/动态灭灯输出(BI/RBO)端及动态灭灯输入(RBI )端。
该电路接受4 位二进制编码—十进制数（BCD）输入并借助于辅助输入端状态将输入数据译码后去驱动一个七段显示器。输出结构设计成能承受7 段显示所需要的相当高的电压。驱动显示器各段所需的高达24mA 的电流可以由其高性能的输出晶体管来直接提供。BCD 输入计数9 以上的显示图案是鉴定输入条件的唯一信号。
该电路有自动前、后沿灭零控制（RBI和RBO）。试灯（LT）可在端处在高电平的任何时刻去进行，该电路还含有一个灭灯输入（BI），它用来控制灯的亮度或禁止输出。
该电路在应用中可以驱动共阳极的发光二极管或直接驱动白炽灯指示器。7447 之输出系为驱动器设计，其逻辑0 之吸入电流高达40mA，故在使用必须加入330Ω 左右电阻加以限流，以免过大电流流经LED 而烧毁显示器。
图4-8 7447引脚图
表4-2 7447真值表
H=高电平 L=低电平 ×=不定
1、当需要0到15的输出功能时，灭灯输入（BI）必须为开路或保持在高逻辑电平，若不要灭掉十进制零，则动态灭灯输入（RBI）必须开路或处于高逻辑电平。 2、当低逻辑电平直接加到灭灯输入（BI）时，不管其它任何输入端的电平如何，
所有段的输出端都关死。
3、当动态灭灯输入（RBI）和 输入端A、B、C、D 都处于低电平而试灯输入(LT)为高时，则所有段的输出端进入关闭且动态灭灯输出（RBO）处于低电平（响应条件）。 4、当灭灯输入/动态灭灯输出（BI/RBO）开路或保持在高电平，且将低电平加到试 灯输入(LT)时，所有段的输出端都得打开。
* BI/RBO 是用作灭灯输入（BI）与/或动态灭灯输出（RBO）的线与逻辑。
4.3.2 数码管
数码管是一种半导体发光器件，其基本单元是发光二极管。
数码管按段数分为七段数码管和八段数码管，八段数码管比七段数码管多一个发光二极管单元（多一个小数点显示）；按能显示多少个“8”可分为1位、2位、4位等等数码管；按发光二极管单元连接方式分为共阳极数码管和共阴极数码管。共阳数码管是指将所有发光二极管的阳极接到一起形成公共阳极(COM)的数码管。共阳数码管在应用时应将公共极COM接到+5V，当某一字段发光二极管的阴极为低电平时，相应字段就点亮。当某一字段的阴极为高电平时，相应字段就不亮。共阴数码管是指将所有发光二极管的阴极接到一起形成公共阴极(COM)的数码管。共阴数码管在应用时应将公共极COM接到地线GND上，当某一字段发光二极管的阳极为高电平时，相应字段就点亮。当某一字段的阳极为低电平时，相应字段就不亮。
在本次电路设计中，采用了共阳极数码管，数码管为动态显示。 如图4-9所示为数码管引脚图及共阳极内部接法。
图4-9 数码管的引脚图及阳极解法
电流：静态时，推荐使用10～15mA；动态时，16/1动态扫描时，平均电流为4～5mA，峰值电流50～60mA。
电压：查引脚排布图，看一下每段的芯片数量是多少？当红色时，使用1.9V乘以每段的芯片串联的个数；当绿色时，使用2.1V乘以每段的芯片串联的个数。
4.3.3 七段译码器与数码管的链接和显示
七段显示译码器是驱动七段显示器件的专用译码器，它可以把输入的二―十进制代码转换成七段显示管所需要的输入信息，以使七段显示管显示正确的数码。七段显示译码的示意图如图4-10所示。
图4-10 七段译码显示示意图
BCD七段译码器的输入是一位BCD码(以D、C、B、A表示)，输出是数码管各段的驱动信号(以F a ~ F g表示)，也称4—7译码器。若用它驱动共阴LED数码管，则输出应为高有效，即输出为高(1)时，相应显示段发光。例如，当输入8421码DCBA=0100时， 即要求同时点亮b、c、f、g段， 熄灭a、d、e段，故译码器的输出应为F a ~ F g=0110011，这也是一组代码，常称为段码。同理，根据组成0~9这10个字形的要求可以列出8421BCD七段译码器的真值表，见表4 - 3(未用码组省略)。
表4-3 BCD七段译码器真值表
MSI BCD七段译码器就是根据上述原理组成的， 只是为了使用方便，增加了一些辅助控制电路。这类集成译码器产品很多，类型各异，它们的输出结构也各不相同，因而使用时要予以注意。数字显示译码器的种类很多，现已有将计数器、锁存器、译码驱动电路集于一体的集成器件，还有连同数码显示器也集成在一起的电路可供选用。
第5章 软件设计
5.1 主程序的设计
程序使用汇编语言编写，主程序流程简图如图5-1所示。
图5-1 主程序流程图
程序由于主程序和定时中断服务子程序、延时子程序等部分组成。主程序由初始化、显示等部分组成。寄存器R0、R1、R2分别用来存储3位显示数据十分位、个分位和小数位。
接通电源后，单片机复位，寄存器R0、R1、R2的赋值均为0。在没有放入被充电的电池之前，P1.0口的电压高于P1.1口的电压，P3.6口为0，数码管不显示，程序处于等待电池放入的状态。当放入电池后，P1.0口的电压低于P1.1口的电压，P3.6口为1，定时器开始定时，定时时间到时，数码管显示当时的电池的容量。随着电池不断充电，其电压逐渐上升，电流逐渐减小，当充电达到其终止电压时，P1.0口的电压高于P1.1口的电压时，P3.6口由1变为0，定时器停止计时，数码管显示当时的电池容量值。同时P3.7口控制继电器的常闭开关断开，停止充电。
主程序见附录2。
5.2 定时显示子程序的设计
应用以下的公式进行电池容量的计算：
电池的容量=电流×充电时间
选用的铅酸蓄电池是12V/4Ah，在数码管上显示充满时的值应该为040 给铅酸蓄电池充电可分为三个阶段：
第一阶段：定时为一个小时，显示当时的电池容量。
第一阶段的充电电流为1A，数码管显示的容量应为010。
第二阶段：定时为两个小时，显示当时的电池容量。
第二阶段的充电电流为0.8A，数码管显示的容量应为026。
第三阶段：定时为三个小时，显示当时的电池容量
第三阶段的充电电流为0.5A。数码管显示的容量应为040。
当数码管显示为040时表明铅酸蓄电池已经充满。
选用的单片机的晶振晶振频率为6MHz，定时器T0工作在方式1的情况下定时100ms。
计数初值的计算：
由于晶振频率为6MHz,所以机器周期Tcy为2us
N=t/Tcy=50000
X=65536-50000=15536=3CB0
即应将3CH送入TH0中，B0送入TL0中。 定时显示程序见附录2。
定时计显示子程序流程图如图5-2所示：
图5-2 子程序流程图
总 结
本毕业设计是从实际出发，考虑到铅酸蓄电池在现今社会被频繁使用，而蓄电池充电器往往使蓄电池的使用寿命减少。基于这个因素，设计一款适用于不同容量的铅酸蓄电池充电器。解决了在铅酸蓄电池充电的过程中出现的过充和充不满的情况。提高了铅酸蓄电池的使用寿命。
这款铅酸蓄电池充电器的电路及其原理非常简单，容易被人们所接受，而且容易操作。它用我们经常可以见到的AT89C2051单片机内部的定时器和模拟比较器去控制电池充满后自动停止充电，而且在充电的过程中我们可以定时看到电池的容量。使人们清楚地知道电池还有多长时间充满，实现了自动化和智能化，从而摆脱了以前的铅酸蓄电池充电必须需要人工操作充电的现象。
通过此次论文使我的知识有了提高，更加了解到自己哪儿方面的知识缺陷，对以后的发展有了明确的目标。
致 谢
时间很快过去了，本篇论文也已初步完成。在这里首先要感谢院、系领导给予的大力支持，特别感谢我的导师吴玉祥老师和王亚平老师，老师的治学严谨，学识渊博，为我营造了一种良好的精神氛围。使我不仅接受了全新的思想观念，领会了基本的思考方式，掌握了通用的研究方法，而且还明白了许多待人接物与为人处世的道理。其严以律己、宽以待人的崇高风范，朴实无华、平易近人的人格魅力，与无微不至、感人至深的人文关怀，令人如沐春风，倍感温馨。在此论文完成之际，谨向吴老师和王老师表示诚挚的谢意。在老师的大力帮助下我得以顺利的完成了设计，并学到了很多新的知识，见识了很多新的事物，让我知道应该如何去学习、思考、解决设计中遇到的问题。也教会了我该如何完善自己的设计，找出不足，改善缺点。
感谢答辩组的各位老师在炎热的天气下为我们所作的各种工作和对我们论文所作的批评斧正，也要感谢各位在我毕业设计和答辩过程中给我提出宝贵意见的老师们，谢谢你们对我的严格要求。
另外，衷心感谢本文所引文献的作者和编者们。
参考文献
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黑龙江大学剑桥学院毕业论文（设计）
附录1 总电路图
附录2 软件程序
软件程序清单：
ORG 0000H
LJMP START ；跳转主程序 ORG 000BH ；T0中断入口地址 LJMP INT＿T0 ；转向中断定时T0 ORG 0030H
START： MOV 30H，#200 MOV 31H，#180
MOV 32H，#00H
MOV TMOD，#01H ；置T0工作方式1 MOV TH0，#3CH ；装入计数初值 MOV TL0，#0B0H
SETB TR0 ；启动T0 SETB ET0 ；T0开中断 SETB EA ；CPU开中断 SJMP $ ；等待中断 INT＿T0：PUSH ACC ；保护现场 PUSH PSW MOV A，30H DEC A JNZ L
MOV 30H，#200 MOV A，31H DEC A JNZ L1
MOV 31H，#180 INC 32H MOV A，32H
CJNE A，#1，L3 ；定时1小时 MOV 32H，A
LCALL L5 ；调显示子程序1 AJMP L2
L3： CJNE A，#3，L4 ；定时2小时 MOV 32H，A
LCALL L6 ；调显示子程序2 AJMP L2
L4： CJNE A，#6，L2 ；定时3小时 MOV 32H，#00H
CLR EA ；CPU关中断 LCALL L7 ；调显示子程序3 AJMP L2 L： MOV 30H，A AJMP L2 L1： MOV 31H，A AJMP L2
POP PSW ；恢复现场 POP ACC L2： RETI
L5： MOV R0，#00H ；显示子程序1 MOV R1，#01H MOV R2，#00H
L6： MOV R0，#00H ；显示子程序2 MOV R1，#02H MOV R2，#06H
L7： MOV R0，#00H ；显示子程序3 MOV R1，#04H MOV R2，#00H END