开题报告智能充电器 - 图文

石河子大学机械电气工程学院 毕业设计开题报告 课题名称： 智能充电电源的设计 学生姓名： 张志伟 学 号： 2008092623 学 院： 机械电气工程学院 专业年级： 08电气（4）班 指导教师： 梁习卉子 完成日期： 二零一二年三月 一、本课题来源及研究的目的和意义 1、本课题研究的目的和意义 目的：如今，随着越来越多的手持式电器的出现，对高性能、小尺寸、重量轻的电池充电器的需求也越来越大。电池技术的持续进步也要求更复杂的充电算法以实现快速、安全的充电。因此需要对充电过程进行更精确的监控，以缩短充电时间、达到最大的电池容量，并防止电池损坏。与此同时，对充电电池的性能和工作寿命的要求也不断地提高。从20世纪60年代的商用镍镉和密封铅酸电池到近几年的镍氢和锂离子技术，可充电电池容量和性能得到了飞速的发展。目前各种电器使用的充电电池主要有镍镉电池（NiCd）、镍氢电池（NiMH）、锂电池（Li-Ion）和密封铅酸电池（SLA）四种类型。 电池充电是通过逆向化学反应将能量存储到化学系统里实现的。由于使用的化学物质的不同，电池有自己的特性。设计充电器时要仔细了解这些特性以防止过度充电而损坏电。 目前，市场上卖得最多的是旅行充电器，但是严格从充电电路上分析，只有很少部分充电器才能真正意义上被称为智能充电器，随着越来越多的手持式电器的出现，对高性能、小尺寸、轻重量的电池充电器的需求也越来越大。电池技术的持续进步也要求更复杂的充电算法以实现快速、安全地充电，因此，需要对充电过程进行更精确地监控(例如对充、放电电流、充电电压、温度等的监控)，以缩短充电时间，达到最大的电池容量，并防止电池损坏。 意义：在大学的最后一个学期，学校为我们安排了为期一学期的毕业设计，对于一个即将走出校园的毕业生而言可谓意义重大。作为一个工科院校的大学生，在大学的几年学习中除了扎实的理论学习外，一定的自己动手设计能力更是必不可少的，它可以较全面直观的反映一个应届毕业生的能力。我们在将来的工作中绝大部分都将是社会上各行各业里的技术人员，这要求我们必须具备一个21世纪大学生，特别是对学以致用更为要求的工科学生所应有的理论与动手能力。这学期，学校为我们安排的为期一学期的毕业设计将切实的考验和提高我们的理论和联系实际的能力，为我们做了一个工作前的大演练，我们也应该充分的利用好这次机会，把这次毕业设计做到自己老师都满意 二、本课题所涉及的问题在国内研究现状及分析 第一节 充电器概念及用途和在中国的发展前景 充电器,英文名称Charger,通常指的是一种为蓄电装置提供能量的设备。充电器在各个领域用途广泛，特别是在生活领域被广泛用于手机、相机等等常见电器。 充电器是采用电力电子半导体器件，将电压和频率固定不变的交流电变换为直流电的一种静止变流装置。在以蓄电池为工作电源或备用电源的用电场合，充电器具有广泛的应用前景。 充电器有很多，如铅酸蓄电池充电器、阀控密封铅酸蓄电池的测试与监测、镉镍电池充电器、镍氢电池充电器、锂离子电池充电器、便携式电子设备锂离子电池充电器、锂离子电池保护电路多功能充电器、电动车蓄电池充电器、车充等。 充电器是一种将高压交流电转化为低压直流电的设备。充电器的用途十分广泛，许多数码产品如手机、数码相机、数码摄像机、笔记本电脑、MP3、MP4等都配有充电器，除了数码产品以外，在我国普遍使用的电动自行车也配有充电器。根据调查研究，在我国的充电器市场上手机、数码相机、笔记本电脑、电动自行车这四种产品的充电器已经占据了整个充电器市场份额的90%以上。 最近几年，伴随着手机、笔记本电脑、数码相机等电子产品在我国市场的热销，我国充电器行业得到了迅速的发展。 在整个充电器市场中，不同产品的充电器占据不同的份额。就中国而言，在整个充电器市场中，手机充电器所占份额居第一位，占据了绝大部分的充电器市场的份额；排第二位的是笔记本电脑充电器；数码相机充电器所占份额排在第三位；电动自行车充电器排第四位。这四种产品的充电器占据了整个充电器市场的94%，剩下的为其它产品充电器所占的份额。 我国手机充电技术主要分布在如下领域： 第一，太阳能充电器。例如，200420040002．5号文献涉及一种折叠式太阳能手机电池充电器。03202640．4号文献涉及一种智能型太阳能交流两用手机充电器，包括太阳能硅光电池、220V电子稳压开关电路、电池组CD、连接手机电池的输出插孔等。02115872．X号文献涉及一种增光式太阳能万用充电器及电源。该充电器能增光和吸收一切光能和太阳能，转换的电能可增加手机通话量2至5倍。200520077970．8号文献涉及一种与手机一体的太阳能充电器。把太阳能电池板置于阳光下就能随时对手机电池进行充电，突破了使用交流电源或者汽车电瓶给手机电池充电的局限。 第二，手动充电器。例如，02230050．3号文献涉及一种掌上型手动移动电话充电器，它用手动压杆的一端连接齿条，压杆另一端连接复位弹簧，齿条连接齿轮机构，齿轮机构连接电机。充电器通过一对棘爪换向组件使电机被连续带动而供给3．6V至7．2V电压的直流电。98249600．1号文献涉及一种移动电话的自充电装置，可采用外接充电器方式充电，也可通过发条式微型发电机给电池充电。200420053036．8号文献涉及一种万能充电器，包括手动充电装置，可在任何场所对手机充电。 第三，车动充电器。例如，200510060811．1号文献涉及一种依靠自行车车轮转动力发电对小型充电电池进行充电的方法。它在自行车车架的前叉上设置微型发电机，在车架把手上设置直流电池充电器。人们在骑车行驶时，车轮的转动带动微型发电机发电，提供给为充电电池使用。 第四，无线充电器。例如，200420006628．4号文献涉及一种无线充电装置，它设有充电感应器和接收感应器，充电感应器由充电感应线圈和电源电路构成，接收感应器由接收感应线圈和充电电路构成。它能实现手机、电脑的无线充电。200620013146．0号文献涉及一种非接触式充电器，它利用电磁耦合方式实现电能传输，不需要任何机械金属点的连接。01270829．1号文献涉及一种无接触式充电器装置。 第五，折叠充电器。例如，200620028238．6号文献涉及一种折叠型手机充电器，其中，电源盒由电池组、带有发光二极管的功能电路、壳体及其外层的连接膜组成，电池组与功能电路相连。97215725．5号文献涉及一种折叠式无线电话电池充电器，它的外壳里有变压电路、充电电路，外壳上有内藏式电源插头。外壳由主壳和副壳组成，主壳与副壳连接在一起，形成无线电话电池插座。充电器折叠后，所有电源插头和触头均为内藏。 第六，干电池充电器。例如，01232765．4号文献涉及一种移动电话应急充电器，它可用普通干电池给移动电话充电。它包括电池盒、电池盒盖、卡簧、卡簧盒、卡簧按键和充电插头，电池盒、卡簧盒和充电插头为一体结构，组成充电器的本体，电池盒内设有平行排列的三个电池舱；卡簧盒内设有两个卡簧，卡簧盒的上盖设有一个卡簧按键，卡簧按键的下端与上述两个卡簧接触。200420047899．4号文献涉及一种移动电话简易充电器，它可把其他电池组装到充电器的导电侧进行充电。 第七，重力充电器。例如，200520043512．2号文献涉及一种人体行走重力发电手机充电器。它把人体行走的重力能转化成机械能，再由机械能转化成电能并给手机充电。它包括鞋后跟锁接机构、踩顶杆机构、储存机械能机构、超微型磁钢式交流发电机、变压整流稳压电路等。踩顶杆机构中还装有卸荷压簧保险机构等。 第八，照明充电器。例如，200520073858．7号文献涉及一种照明式车载充电器。200520073860．4号文献涉及一种照明式手机充电器，包括内装电池的充电器本体，充电器本体上设有连接器公座，连接器公座可与手机连接并对手机充电。充电器本体上还设有盖体，盖体内设有与连接器公座插接的连接器母座，连接器母座连接PCB基板，PCB基板连接LED灯。03261101．3号文献涉及一种具有照明功能的手机用车辆充电器以及照明装置。 第九，应急充电器。例如，03219653．9号文献涉及一种自充便携式无线手机应急充电器。它包括接交流电源的插头、接手机的充电接口、微型电池等。插头通过整流、变压电路接电池，构成充电电路，电池两端引接到充电接口构成放电电路。手机缺电时，将应急充电器的充电接口与手机插接，即可随时随地通过放电电路对手机电池充电。 第十，智能充电器。例如，200310102248．0号文献涉及一种智能移动电源，包括智能电池组、智能充电器、输出调节器等。智能充电器包括充电管理器、交流适配器、电量显示器；输出调节器包括控制器、液晶显示器、输出调节按钮、功率输出单元、控制信息存储单元；智能电池组包括锂电池管理器、锂电池保护器、电池信息存储单元、充电电量显示器、电池组接口。它适合笔记本电脑、DVD播放机、移动电话、数码相机、PDA以及其他便携式电子设备使用。95229383．8号文献涉及一种智能多功能快速充电器。 此外，200620117159．2号文献涉及一种智能手机充电器，它在手机充电器线路板电源输入端和插头之间串连一个开关和一个时间继电器，在手机充电器线路板另一个电源输入端与另一个电源插头通过导线相连接，在手机充电器线路板的两个电源输入端和两个电源插头连接处，并联一个指示灯，手机充电器线路板电源输出端通过导线和手机充电接线插口相连接。 第十一，直流充电器。例如，200620088967．0号文献涉及一种包括变压电路的直流充电器。00236490．5号文献涉及一种移动电话直流电源连接器，包括绝缘胶心、内端子及外套管；绝缘胶心上具有侧边设有通至绝缘胶心底端的T形槽的矩形插杆；外套管为呈矩形断面的金属管体；内端子插装在绝缘胶心的T形槽内，其外端显露在绝缘胶心短形插杆的前端侧边；外套管系套装在矩形插杆外。 第十二，内置式充电器。例如，200520028985．5号文献涉及一种自带充电功能的手机，它的内部安装了一个微型充电器，在需要时可按动按钮，将充电器弹出进行充电。03218757．2号文献涉及一种手机直接充电技术。其中，手机机壳外的上端设有天线，机壳外的前侧面上设有显示屏，显示屏的下面设有按键，机壳内设有机芯、电池，机壳内还设有充电器，充电器通过导线与电池相连，机壳上设有电极板，电极板通过导线与充电器相连，机壳的侧面设有一端与电极板相联、另一端与滑动开关相联的连动机构。 第十三，户外供电技术。例如，03273486．7号文献涉及一种组合移动电源的户外供电技术及其充电器。它包括能提供直流电源的移动供电器、与负载相适配的输出插头，供电器输出端与兼容稳压系统的输入端相连，兼容稳压系统能自动调节输出功率，并设有两个输出端，第一输出端的输出电压与手机的工作电压相匹配，第二输出端的输出电压与手提电脑的工作电压相匹配。常备可充电电源经选择开关的接线端与移动供电器的输出端并接，它的另一个接线端与兼容稳压系统的第二输出端相连。 第十四，数据线或者存储器式充电器。例如，200520067752．6号文献涉及一种集成数据传输功能的手机充电器。200420060248．9号文献涉及一种与充电器合为一体的

手机信息备份存储器。01803086．6号文献涉及一种通讯装置控制设备和方法。其手机装置带有从物理数据载体读取数据的读取器。物理数据载体置入手机附件，如充电器中。200510037381．1号文献涉及一种在手机充电器内备份手机内信息的方法和装置，包括电源转换模块、充电管理模块、控制模块、与手机的数据接口相适配的手机接口、半导体存储介质模块等。充电管理模块控制着电源转换模块流入正在充电手机内的电流大小；控制模块经手机接口读取手机中所存储的信息并写入半导体存储介质模块。 常见充电电池特性及其充电方式 电池充电是通过逆向化学反应将能量存储到化学系统里实现的，由于使用的化学物质的不同，电池的特性也不同，其充电的方式也不大一样。 电池的安全充电 现代的快速充电器( 即电池可以在小于3 个小时的时间里充满电，通常是一个小时) 需要能够对单元电压、充电电流和电池温度进行精确地测量，在充满电的同时避免由于过充电造成的损坏。 充电方法 SLA 电池和锂电池的充电方法为恒定电压法要限流； NiCd 电池和NiMH 电池的充电方法为恒定电流法，且具有几个不同的停止充电的判断方法。 最大充电电流 最大充电电流与电池容量(C) 有关。最大充电电流往往以电池容量的数值来表示。例如，电池的容量为750 mAh，充电电流为750 mA，则充电电流为1C (1 倍的电池容量)。若涓流充电时电流为C/40，则充电电流即为电池容量除以40。 过热 电池充电是将电能传输到电池的过程。能量以化学反应的方式保存了下来。但不是所有的电能都转化为了电池中的化学能。一些电能转化成了热能，对电池起了加热的作用。当电池充满后，若继续充电，则所有的电能都将转化为电池的热能。在快速充电时这将使电池快速升温，若不及时停止充电就会造成电池的损坏。因此，在设计电池充电器时，对温度进行监控并及时停止充电是非常重要的。 现代消费类电器主要使用如下四种电池： ? 密封铅酸电池 (SLA) ? 镍镉电池 (NiCd) ? 镍氢电池(NiMH) ? 锂电池(Li-Ion) 在正确选择电池和充电算法时需要了解这些电池的背景知识。 密封铅酸电池(SLA) 密封铅酸电池主要用于成本比空间和重量更重要的场合，如UPS和报警系统的备份电池。SLA 电池以恒定电压进行充电，辅以电流限制以避免在充电过程的初期电池过热。只要电池单元电压不超过生产商的规定( 典型值为2.2V)， SLA 电池可以无限制地充电。 镍镉电池(NiCd) NiCd 电池目前使用得很普遍。它的优点是相对便宜，易于使用；缺点是自放电率比较高。典型的NiCd 电池可以充电1000 次。失效机理主要是极性反转。在电池包里第一个被完全放电的单元会发生反转。为了防止损坏电池包，需要不间断地监控电压。一旦单元电压下降到1.0V 就必须停机。NiCd 电池以恒定电流的方式进行充电。 镍氢电池(NiMH) 在轻重量的手持设备中如手机、手持摄象机，等等镍氢电池是使用最广的。这种电池的容量比NiCd 的大。由于过充电会造成NiMH 电池的失效，在充电过程中进行精确地测量以在合适的时间停止是非常重要的。和NiCd 电池一样，极性反转时电池也会损坏。NiMH 电池的自放电率大概为20%/ 月。和NiCd 电池一样，NiMH 电池也为恒定电流充电。 锂电池 (Li-Ion) 和本文中所述的其他电池相比，锂电池具有最高的能量/ 重量比和能量/ 体积比。锂电池以恒定电压进行充电，同时要有电流限制以避免在充电过程的初期电池过热。当充电电流下降到生产商设定的最小电流时就要停止充电。过充电将造成电池损坏，甚至爆炸。 三、对课题提出的任务要求及实现预期目标的可行性分析 1、对课题提出的任务要求 智能充电器的设计包括硬件和软件两大部分，本人的主要任务是完成充电器设计的LCD显示部分，其主要涉及的知识包括： (1) 自学AVR单片机的相关内容。 (2) 设计电源电路。 (3) 手工焊接和ICCAVR编译器的应用。 (4) 这次设计要解决的关键问题是如何用Atmega16L芯片控制LCD模块及用C语言编制相应的显示程序．随着单片机的开发应用，其相应的汇编编程和所暴露的问题也越来越多，逐渐引入了高级语言，C语言就是其中的一种。在大一时就曾接触过C语言，由于时间较短，重视程度不够，后来又一直没用过，只能对它有一个大概的了解。而对于AVR单片机的相关知识和液晶显示模块的使用，则完全是一片空白。这次毕业设计，就不得不花大量的时间在这些基础知识的学习上。 2、实现预期目标的可行性分析 1）技术可行性 本课题所涉及的研究目标，在国内外已经有成熟的理论基础和技术基础。对于单片机所涉及到的技术问题进行细致的分析，绝大部分使用计算机与所学专业知识进行构建，其他的部分则可以通过自学，老师的指导来完成。 2）操作可行性 本课题要求对于单片机有比较细致的了解，能够通过对所查文献和专业知识的自主研究与学习。利用实验室提供的现有仪器和设备来搭建，从可操作性的角度来讲，完全可行。 四、本课题需要重点研究的、关键的问题 1、重点研究的、关键的问题 (1)’用单片机的相关内容，设计电源电路，设计液晶现示控制电路。用图形方式显示充电器电压，电流等参数。 五、完成本课题所必须的工作条件及解决的办法 1、完成本课题所必须的工作条件 （1）计算机一台，单机单用，保证程序的安全有效。 （2）Visual Basic编程软件 （3）相关的书籍和学习资料 （4）能够保证一天不少于6个小时的工作环境 2、解决的办法 （1）使用电子实验室个人计算机一台。 （2）通过个人购买，网络搜索，和大学图书馆和学院资料室借阅解决。 （3）电子实验室的开放时间足以保证时间要求。 (如工具书、实验设备或实验环境条件、某类市场调研、计算机辅助设计条件等等) 六、完成本课题的工作方案及进度计划 1、完成本课题的工作方案 为完成本课题的基本任务要求，拟定工作方案如下： （1） 确定毕业设计题目之后，首先从个人图书、学院资料室、大学图书馆，因特网上搜集相关的文献和技术文档，以及可能涉及到的软件程序，搜集开发平台所需要的插件，帮助文档等。 （2）阅读搜集到的文档，熟悉课题所涉及到的知识和开发工具。查漏补缺，继续完善文献和技术文档。 （3）对于课题进行功能分解，抽取其系统结构图，划定功能模块。 （4）尝试编写功能模块，坚持完成一块，调试一块，解决一块的原则。 （5）进行系统调试，安装和部署项目。 （6）在各阶段中，做好相关的文档；在调试结束后进行文档的整理与汇总，完成毕业设计文档的撰写，并做好演示课件，准备毕业答辩。 2、完成本课题的进度计划（以周为单位） （1）第1-3周：熟悉课题的基本要求，查阅相关资料，初步拟定设计的整体方案，完成开题报告。 （2）第4-5周：自学这次课题所涉及的相关内容，包括C语言基础知识，AVR单片机（主要是Atmega16L芯片）和ICCAVR编译器的使用以及液晶显示的相关内容。并设计一些简单的实际电路，熟练所学内容并加以巩固。 （3）第6-7周：熟悉绘图软件Protel99的使用。 1. （4）第8-9周：设计LCD显示电路，电源电路，用Protel99绘制原理图，和同学一起完成整个充电电路原理图，并绘制印制电路板。 编写显示程序。 （5）第10-11周：焊接调试电路，根据各部分的作用对硬件电路进行调试，最后联机调试。 （6）第12周：修改设计说明书、准备答辩 总计12周（自2010年3月1日起） 七、主要参考文献（不少于15篇） 1．沈文、Eagle、詹卫前编著 AVR单片机C语言开发入门指导 清华大学出版社 2003 2．金春林、邱慧芳、张皆喜编著 AVR系列单片机C语言编程与应用实例 清华大学出版社 2003 3．武锋、陈新建编著 PIC单片机C语言开发入门 北京航空航天大学出版社 2005 4．夏路易、石宗义编著 电路原理图与电路板设计教程 北京希望电子出版社 2002 5．图形液晶显示模块使用手册(第二版) 北京精电蓬远显示技术有限公司 6．郭永贞主编 数字电子技术 西安电子科技大学出版社 2000 7．吴国经主编 单片机应用技术 中国电力出版社 2004 8．徐泳龙主编 单片机原理及应用 机械工业出版社 2004 9．陆坤、奚大顺等编著 电子设计技术 1997 10．卢胜利主编 智能仪器设计与实现 重庆大学出版社 2003 11.王兆安、黄俊主编 电力电子技术(第四版) 机械工业出版社 2002 12．K.Alexander，N.O.Sadiku Fundamentals of electric Circuits 清华大学出版社 2000

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