单片机智能锂电池管理器的设计

单片机智能锂电池管理器的设计内容摘要：

计、增强的原理图网络类定义。 Altium Designer S09 提供了一款统一的电子产品开发软件， 整 合了电 子 产品 开发 一体化所需的 全部 必 需 技术 、工艺和功能。 Altium Designer S09 在单一 开发设计 环境中集成了板级和 FPGA 系统设计、 基于 FPGA 以及 分立 微 处理器的嵌入式软件开发及 PCB图设计、编辑和制造，并 综合 了现代 化 设计数据 库 管理功能，使得 Altium Designer S09成为了电子产品 研 发 以及制造 的 最佳 完整解决方案。 Altium Designer S09 在功能上分为以下几个部分：电子电路图设计、电子电路原理图仿真、印制电路板设计、电子电路实现前后的信号完整性分析和可编程逻辑器件设计等。 Altium Designer S09 提供了丰富的原件库，几乎覆盖了所有电子元器件厂商的元件种类，提供了强大的库原件查询功能，并且支持以前低版本的 原件库，向下兼容。 库编辑器可以使用户方便地编辑一些项目中用到的特殊元件。 Altium Designer S09 的 PCB 编辑器提供了原件的自动和交互布局可以大量减少布局工作的负担；还提供了多种布线模式，适合不同情况的需要；具有大量的设计规则，通过详尽全面的设计规则定义，可以为电路板设计符合实际要求提供了保障。 系统设计 方案选择 图 1 系统框图设计 控制模块 电源模块 充电模块 信息采集模块 显示模块 常州大学本科毕业设计（论文） 第 6 页 ，共 35 页 电池是非常复杂的非线性化学器件，为了检测电池的电量状态及阻抗和温度的变化，电池制造商在锂离子电池组中设有 安全检测电路。 该电路检测每节电池的电压，根据检测的参数控制电路中的开关，以防止出现过度充电和充电不足的情况，同时还可以防止电流过大、温度过高的情况。 为了实现以上提到的功能，本设计方案如 图 1 所示。 具体设计如下： 信息采集模块： 该模块 实时监测 锂离子 电池的电 量 、电 压 、充放电状 态以 及剩余电量等参数，并可以把这些 实时信息存储 起来， 以便于 提供给 控制模块 作相应处理 ，实现系统的智能管理功能。 方案一 以 DS2762 锂离子电池检测芯片组成检测应用电路 如图 2 所示为 DS2762 检测 模块框图。 DS2762 是 MAXIM 公司推 出的智能高精度锂 离子 电池监 控 芯片。 该 监控 芯片集 信息 采集、 数据 储存 以 及安全保护于一身，功能强大 ，性能优越， 结构简单 ；另外，硬件接线较为简易，仅用一根双向数据线即可实现与单片机的通讯。 图 2 DS2762 检测 模块框图 方案二 以 DS2770 电池管理芯片组成应用电路 如图 3 所示为 DS2770 检测 模块框图。 DS2770 芯片 是 DallasSemiconductor 公司 推出 的一款电池电量计 ； 锂离子电池 以及 和镍基电池充电集成器件。 同 DS2762 芯片类似，它也 可以通过 Dallas—Wire 接口与 主控模块 进行通 讯 ，以 便于 读取 电池 电压、温度等 实时 测量信息，同时读写 EEPROM 存储器 ，进行信息存取。 DS2770 电池管理 IC 可 以实现众 种功能 ， 它可以利用简 易 的限流型电源给电池充电，也可以作为一个高精度电量计。 在通过 Dallas 1—Wire 通信接口与主控系统连接时， DS2770 芯片 可以提供充电、剩余电量估 算 、安全管理、非易失性参数存储等功能。 DS2770 芯片 在使用过程中，对充 /放电电流的测量 并不是 连续的，而是按一定的时间间隔采集其数值，其时间间隔 约 为 ，然后以该点采到的电流值乘以该 时间间隔，作为这段时间内输出 /输入的电荷量，再与以前计量的容量进行累加 (充电时为加，放电时为减 )得到电池的实时容量。 可是，在实际过程中，电流值在这段时间内保持不变的情况是很少的，电流会随着负载变化而变化，因此所得到的容量是有偏差的，长时间积累后此误差会越来越大。 为了消除累积误差，采用了下述方法进行校正。 根据电池的物理特性，当电池容量发生变化的同时，电压也相应的发生变化，而且当电池容量接近为 DS2762 STC89C51 锂离子电池 电源 常州大学本科毕业设计（论文） 第 7 页 ，共 35 页 零时，电压也会降低到某一电压 U(此电压与电池放电速率有关 )。 因此，要确定这一最低电压，当电池电压达到此电压时，即可判定电 池的可用容量为零。 在程序中规定，当电池电压下降到此值时，就可以利用软件将电流累积寄存器值清零 (使之为零 )，下一个充放电循环又从零开始。 从而消除了累积误差，提高了检测精度。 另外，假设所测量到的充放电电荷量等于电池实际充放电的电荷量，但是由于电池内部本身也存在漏电流或电极老化等其他不定因素，也使得在多次循环后，剩余电量值的数值不准确。 但使用上述校正方法以后，也可以消除这一偏差。 图 3 DS2770 检测模块框图 伴 随着便携式 产品以及移动式设备 的普及发展，各种性能的充电电池得到了 更 为 广泛的 应 用。 综合上述比较， DS2762 芯片不仅能够满足常规应用要求、性能完备，而且使得充电电池的管理、维护更加方便、安全。 故该模块设计选择方案一。 充电模块： 该电路是采用分立元器件设计而成的简易恒压式锂离子电池充电电路，具有元器件容易选购、制作设计简单、使用安全等特点，可以用作 锂离子电池的充电。 该锂离子电池充电电路由电源输入电路、恒流电路、恒压电路、和充电 指示 电路组成。 电源模块： 在该模块中，利用 24V线性稳压电源作为电源输入，然后采用 78L15，78L08 和 78L05 三块稳压芯片组成 三级降压电路，为整个系统电路提供稳定的 +5V 和+8V驱动电压。 控制模块： 在该模块中利用 STC89C51 作为控制芯片，组成最小系统单元。 为整个系统电路提供控制逻辑。 显示模块： 利用 12864 彩屏作为显示器件，与信息采集模块及控制模块相配合，实时显示电池电压、电流、剩余电量及温度等各种必要 实时 状态。 DS2770 STC89C51 锂离子电池 电源 常州大学本科毕业设计（论文） 第 8 页 ，共 35 页 第三章 系统 总体 设计 硬件部分 信息采集模块 设计 （ 1） DS2762 ○ 1 DS2762 芯片的主要性能特点 DS2762 是 MAXIM 公司推出的智能高精 度锂 离子 电池监 控 芯片。 该 监控 芯片集 信息 采集、 数据 储存 以 及安全保护于一身，功能强大 ，性能优越， 结构简单。 为了满足当前移动性 、 轻便性 和便携性 的要求，设计便携式 移动 产品时通常 都 采用电池 进行 供电。 在 使用电池 进行 供电时，电池的 实时 状态 通常 是用户所 要 关心的问题之一， 目前市场上的智能电话、数码相机等 便携式产品 都 要求 实时显示电池的当前状态 ，以便于实现与用户的交互式通信。 通过 MAXIM 公司的 DS2762 芯片， 即可 完成对 电池的电压、电流、充放电状况及剩余电量等 实时 参数 的监测 ，并把这些数据储存起来，提供给 控制单元 作相应处理 ，实现 各种保护控制。 DS2762 芯片是 MAXIM 公司推出的新一代智能锂电池监测芯片，该芯片集 信息 采集、 数据 储存、安全保护于一身 ， 而且功能强大、硬件接线简单 、性能优越。 其主要特点 如下：  仅用一根双向数据线 即可完成数据与命令的传送， 实现与单片机的通讯。  内 置 温度传感器， 方便监测电池温度， 可免去在电池 模块 内 安装 热敏电阻。  内置 模数转换器 ， 可进行电池 状态 监测， 并可自动完成数据存储，以便 用于判定电池充电和放电的结束。  通过片内电流累加器可实时记录电流流入、流出的总量。  具有两种电流感应模式 ， 一是片内 25mΩ电阻感应方式， 二是可由片外的电阻感应方式。  具有两种电源模式：即工作方式和睡眠方式。 在正常工作模式， DS2762 可实时监测电流、电压、温度和剩余电量等参数，而在睡眠模式， DS2762 将停止对这些参数的监测。 ○ 2 DS2762 芯片的基本组成 DS2762 芯片 的引脚排列如图 4 所示，各引脚的功能如下：  CC：充电保护控制 引 脚 ，低电平有效 ；  PLS：用户端电 源 正极 （充电电源输入）；  DC：放电保护控制 引 脚 ，低电平有效 ；  SNS：感应电阻连接 引脚；  DQ：数据 与地址 输入 、 输出端口；  IS1， IS2：感应 电流 输入端 ；  PS：电源模式选择 控制 端； 常州大学本科毕业设计（论文） 第 9 页 ，共 35 页 图 4 DS2762 引脚图  VSS：接地 端；  PIO：可编程 I/O 端 ， 可根据 系统要求 控制外围电路；  VDD：电池正极输入 端；  VIN：感应电压输入 端。 表 1 DS2762 内部存储器地址映射表 地 址 内 容 读写状况 00H 保护寄存器 可读写 01H 状态寄存器 只读 02H06H 保留 07H EEPROM 寄存器 可读写 08H 特殊寄存器 可读写 09H0BH 保留 0CH 电压寄 存器的最高有效位 只读 0DH 电压寄存器的最低有效位 只读 0EH 电流寄存器的最高有效位 只读 0FH 电流寄存器的最低有效位 只读 10H 电流累加寄存器的最高有效位 可读写 11H 电流累加寄存器的最低有效位 可读写 1217H 保留 18H 温度寄存器的最高有效位 只读 19H 温度寄存器的最低有效位 只读 1AH1FH 保留 20H2FH EEPROM,块 0 锁存时只读，未锁存时可读写 30H3FH EEPROM,块 1 锁存时只读，未锁存时可读写 40H4FH 保留 80H8FH SRAM 可读写 90HFFH 保留 常州大学本科毕业设计（论文） 第 10 页 ，共 35 页 DS2762 内含 EEPROM、可锁存 EEPROM、 SRAM 以及 其它一些功能寄存器，表 1是 DS2762 的内部存储器 地址映射。 其中 EEPROM 是非易失性存储器，具有掉电保护功能，可用 来 储存电池的 实时状态 信息； 当芯片 处于锁存状态时，也可用可锁存 EEPROM储存一些固 有 信息； SRAM 通常 用 来 储存一些不 太 重要的临时 信息。 经内置 AD采集到的 信息 先存到 RAM，然后 再转 入 EEPROM；实际上， EEPROM 中的信息也可 以逆向 复制到 RAM，这 二 者是镜像 关系。 DS2762 芯片 的操作命令有两 种类型 ：一类是地址命令，包括读 数据 地址、地址匹配、跳过、 SWAP 等。 另一类是功能命令，包括读数据、写数据、复制数据、取消数据和锁存等。 DS2762 有两种工作模式：激活模式和休眠模式。 当处于激活模式时， DS2762 会实时监控电池的电流、电压和温度等状态信息，并且将有关数据传送给主系统进而实现电池电量估算以及电池保护等功能。 当处于休眠模式时， DS2762 会终止上述行为。 DS2762上电时，保护引脚的状态取决于 PMOD 位的设置、 DQ的电平以及电池电压，这在电路和软件设计中使器件出现临时 断电 时恢复正常的工作非常重要。 DS2762 经过上电复位 (POR)过程后，器件首先进入激活模式，然后根据电池电压、DQ 引脚的状 态以及 PMOD 位的设置决定是否需要进入休眠模式。 SWEN 位在上电时不会影响 DS2762 的动作。 在 DS2762 上电状态下，器件所有的 EEPROM 内容将在 POR过程中被调入映射的 RAM 内。 上电时，电流累加寄存器 (ACR)的状态和用户 RAM 没有定义。 表 2 包含了各种上电条件，具体介绍如下。 表 2 DS2762 芯片上电状态 情况 状态 PMOD SWEN DQ VIN A 1 0 VUV B 0 VUV C 0 0 VUV D 1 VUV E 1 VUV 情况 A： DQ = 0、 PMOD = 电池电压 VUV。 PMOD 为 1 时，如果 DQ为低电平，DS2762 上电时将进入有效工作模式， CC、 DC 引脚驱动至低电平，使能 PAC+输出。 此后，当检测到 DQ 保持低电平的时间达到 2s 时，器件进入休眠模式。 这时， DC引脚被拉至电池电压，断开 PAC+。 休眠模式下 PAC+端拉至低电平。 CC 引脚拉至 PAC+，因此 CC。