基于AT89C51單片機(jī)電池性能檢測(cè)電路的設(shè)計(jì)

劉彥甲

（商丘工學(xué)院，河南 商丘 476000）

1 智能手機(jī)電池特性參數(shù)

1.1 電池的分類(lèi)

常用電池大致可分為6 V鎳鎘電池、6 V鎳氫電池及3.6 V/7.2 V的鋰離子電池。其中，鋰離子電池因能量密度高、壽命長(zhǎng)、放電能力弱及適應(yīng)能力強(qiáng)等優(yōu)勢(shì)而廣泛應(yīng)用于智能手機(jī)。本文電路設(shè)計(jì)的檢測(cè)對(duì)象為鋰離子電池（鋰電池）。電池容量是判斷電池性能的重要指標(biāo)，通常用C也就是電流對(duì)時(shí)間的積分表示，單位為mAh或Ah。電池容量包括實(shí)際容量、額定容量和理論容量[1]。

智能手機(jī)電池一般采用恒電流放電，以電池放電時(shí)的工作電壓為縱坐標(biāo)，放電時(shí)間為橫坐標(biāo)，可反映出一條電壓隨時(shí)間變化的曲線(xiàn)，就是放電曲線(xiàn)。放電曲線(xiàn)充分反映了電池放電過(guò)程中電壓變化快慢和容量變化。離子電池的內(nèi)阻是電流流過(guò)電池內(nèi)部時(shí)受到的電阻。電池在進(jìn)行過(guò)放電保護(hù)測(cè)試、過(guò)充電保護(hù)測(cè)試及短路保護(hù)測(cè)試時(shí)，不產(chǎn)生爆炸、起煙及著火等現(xiàn)象。電池內(nèi)阻是判斷電池性能的重要根據(jù)。

1.2 電池的充放電性能

充電方式a：在溫度為20±5 ℃的情況下，以0.2C恒流充電，當(dāng)兩端電壓達(dá)到充電限制電壓時(shí)，改為恒壓充電，直到充電電流不大于0.01C，停止充電。記錄充電電流和電壓在不同時(shí)間的值，最長(zhǎng)充電時(shí)間不大于8 h，電池性能如表1所示。

表1 鋰電子智能手機(jī)電池充電性能

充電方式b：按充電方式a充電后閑放0.5～1 h，用0.2C放電到截止電壓，記錄放電時(shí)間和電壓的變化，電池性能如表2所示。

表2 鋰離子智能手機(jī)電池放電性能

2 硬件電路總體設(shè)計(jì)

2.1 系統(tǒng)框圖

系統(tǒng)采用AT89C51單片機(jī)作為主要控制核心，還包括測(cè)試電路、數(shù)模與模數(shù)轉(zhuǎn)換裝置、單片機(jī)控制系統(tǒng)及顯示系統(tǒng)等。系統(tǒng)在單片機(jī)的控制下設(shè)置充放電電流和電壓等參數(shù)，通過(guò)測(cè)試電路得到采集信號(hào)，并送到轉(zhuǎn)換電路，單片機(jī)讀寫(xiě)數(shù)字信號(hào)，并存儲(chǔ)相應(yīng)數(shù)據(jù)，系統(tǒng)設(shè)計(jì)如圖1所示。

2.2 系統(tǒng)控制電路的設(shè)計(jì)

電池測(cè)試需對(duì)電池進(jìn)行多次充電，而電池充電又需要一個(gè)恒流源。鋰電池充電需要恒流恒壓控制，Q2、R2、W2及TL431等原件構(gòu)成了精密可調(diào)的穩(wěn)壓電路，Q1、W1、R3等元器件構(gòu)成了可調(diào)恒流電路。該恒流恒壓控制電路能從恒流狀態(tài)自然過(guò)渡到恒壓狀態(tài)，降低了危險(xiǎn)度和復(fù)雜度[2]。充電電路原理如圖2所示。

圖2 充電電路原理圖

D1二極管保護(hù)電路，避免電路倒流。放電時(shí)，R1左邊的電壓為輸出負(fù)電壓，則經(jīng)過(guò)放大器的電壓為負(fù)電壓，Q2截止，Q1導(dǎo)通，電流由e極出來(lái)。通過(guò)控制Q1的導(dǎo)通實(shí)現(xiàn)放電電流的調(diào)節(jié)，當(dāng)電池電壓低于截止電壓時(shí)，放電結(jié)束。為更容易測(cè)得數(shù)據(jù)，設(shè)置R2與R4為精確電阻。放電電路原理如圖3所示。

圖3 放電電路原理圖

2.3 主處理器的設(shè)計(jì)

AT89C51是一種帶4K字節(jié)閃爍可編程可擦除只讀存儲(chǔ)器的低電壓、高性能CMOS8位微處理器，簡(jiǎn)稱(chēng)單片機(jī)。由于將多功能8位CPU和閃爍存儲(chǔ)器組合在單個(gè)芯片中，ATMEL的AT89C51是一種高效的微控器。單片機(jī)AT89C51為很多嵌入式控制系統(tǒng)提供了一種低廉且靈活性高的方案[3]。AT89C51的引腳如圖4所示。

其中，電源的引腳Vcc接+5 V，GND為接+5 V的電源接地端。外界的引腳包括XTAL1與XTAL2，功能略有不同。XTAL1是內(nèi)振蕩器電路反向放大器的輸出或是時(shí)鐘內(nèi)部電路的輸入；XTAL2是內(nèi)振蕩器反向放大器的輸出或是外接的石英晶體產(chǎn)生的脈沖振蕩信號(hào)。兩者均可外連石英振蕩晶體，可產(chǎn)生準(zhǔn)確的微延時(shí)，用于定時(shí)操作。制信號(hào)引腳主要包括RST、ALE/PROC、PSEN及EA/VPP。其中，RST是信號(hào)復(fù)位輸入端口，高電平時(shí)有效。振蕩復(fù)位時(shí)，必須保持引腳的兩個(gè)機(jī)器周期有效。當(dāng)引腳保持的周期高于兩個(gè)機(jī)器周期時(shí)，會(huì)產(chǎn)生相應(yīng)的復(fù)位動(dòng)作。ALE/PROC作為地址鎖存允許輸出端與編輯脈沖輸出端，在平時(shí)會(huì)以頻率不變的周期輸出正脈沖信號(hào)，頻率為振蕩器頻率的1/6，可用作對(duì)外部輸出的脈沖或用于定時(shí)目的。每個(gè)機(jī)器周期兩次PSEN有效。最后EA/VPP可概括為外部程序存儲(chǔ)器地址使能輸出端與編程電壓輸入端。CPU可訪(fǎng)問(wèn)片內(nèi)4kB ROM，當(dāng)?shù)刂烦^(guò)4kB時(shí)，自動(dòng)轉(zhuǎn)向片外ROM。

圖4 AT89C51芯片和外接部分圖

3 結(jié) 論

本文分析了智能手機(jī)電池的充放電特性，介紹了基于單片機(jī)的檢測(cè)系統(tǒng)的總體設(shè)計(jì)，達(dá)到了直觀檢測(cè)電池充電狀態(tài)和充電性能的目的。