Устройства для тестирования аккумуляторов

Федеральное агентство по образованию

ГОУ СПО Волгоградский политехнический колледж ПОЯСНИТЕЛЬНАЯ ЗАПИСКА к дипломному проекту Устройство для тестирования аккумуляторов

Выполнила: К. И. Черногаева

СОДЕРЖАНИЕ Аннотация Введение

1. Литературный обзор

2. Постановка задачи

3. Техническая часть

3.1 Назначение и основные технические характеристики устройства

3.2 Разработка и описание схемы электрической функциональной

3.3 Характеристика элементной базы

3.4 Разработка и описание алгоритма работы схемы

3.5 Описание схемы электрической принципиальной

3.6 Разработка и описание программного продукта

3.7 Построение и описание временных характеристик

4. Конструкторская часть

4.1 Разработка и описание платы печатной

4.2 Разработка и описание сборочного чертежа платы

5. Расчётная часть

5.1 Оценка надёжности устройства

6. Эксплуатация устройства

7. Ремонтно-регламентные работы

7.1 Характерные неисправности и методы их устранения

7.2 Применение сервисной аппаратуры

8. Охрана труда

9. Экономическая часть Заключение Литература Листинг программы

АННОТАЦИЯ Согласно заданию дипломного проекта разработано «Устройство для тестирования аккумуляторов».

Дипломный проект состоит из двух частей: пояснительной записки и графической части. В пояснительной записке раскрывается назначение, технические характеристики устройства, поясняется работа данного устройства через алгоритм работы схемы и временные характеристики. Представлена конструкторская часть в виде печатной платы и её сборки. Выполнен расчёт на надёжность, рассмотрены возможные неисправности «Устройства для тестирования аккумуляторов» и методы их устранения. Рассмотрены вопросы охраны труда при настройке и эксплуатации данного устройства, произведен расчет себестоимости устройства и его проектная цена в экономической части. Так же выполнено заключение и представлен список используемой литературы, которая была использована для разработки данного устройства.

Рассматриваемое в дипломном проекте «Устройство для тестирования аккумуляторов» может найти применение в сфере использования различной портативной радиоэлектронной аппаратуры, питающейся литий-ионовыми аккумуляторами, в качестве тестирующего и зарядного устройства.

ВВЕДЕНИЕ

Микропроцессорная техника сейчас всё активнее входит в нашу жизнь постепенно замещая и вытесняя традиционную цифровую технику на «жёсткой логике». Со времени своего появления интегральные схемы делились на: малые, средние, большие и ультрабольшие (МИС, СИС, БИС и УБИС соответственно). Все больше и больше транзисторов удавалось поместить на всё меньших и меньших по размерам кристаллах. Следовательно, ультрабольшая интегральная схема оказывалась не такой уж большой по размеру и огромной по своим возможностям. Поэтому процессоры созданы именно на основе УБИС. Развитие микропроцессоров в электронной индустрии проходило настолько быстрыми темпами, что каждая модель микропроцессора становилась маломощной с момента появления новой модели, а ещё через 2−3 года считалась устаревшей и снималась с производства. Универсальность, гибкость, простота проектирования аппаратуры, практически неограниченные возможности по усложнению алгоритмов обработки информации — всё это обещает микропроцессорной техники большое будущее. Обычная цифровая техника сегодня применяется для увеличения возможностей микропроцессорных систем, для их сопряжения с внешними устройствами.

Целью дипломного проекта является спроектировать «Устройство для тестирования аккумуляторов».

В дипломном проекте используется микропроцессор типа PIC16F870, который в свою очередь обладает высоким быстродействием и низкой потребляемой мощностью при тестировании аккумуляторов.

В настоящее время литий-ионные аккумуляторы всё шире применяются для питания различной портативной радиоэлектронной аппаратуры. В первую очередь, это значительная часть сотовых телефонов, число которых только в нашей стране составляет десятки миллионов. Аккумулятор — важная часть сотового телефона, поскольку от его качества зависит как надёжность связи, так и продолжительность работы без подзарядки. Стоимость Li-ion аккумуляторов ещё сравнительно высока, поэтому важно оценить их свойства и принять решение о замене или продолжении эксплуатации. Поможет в этом устройство, представленное ниже. расчет устройство тестирование аккумулятор

Источником для разработки «Устройства для тестирования аккумуляторов» является литература.

1 ЛИТЕРАТУРНЫЙ ОБЗОР Инженерная мысль непрерывно развивается: ее стимулируют постоянно возникающие проблемы, требующие для своего решения разработки новых технологий. В свое время на смену никель-кадмиевым (NiCd) аккумуляторам пришли никель-металлгидридные (NiMH), а сейчас место литий-ионных (Li-ion) пытаются занять литий-полимерные (Li-pol) аккумуляторы. NiMH аккумуляторы в какой-то степени потеснили NiCd, но в силу таких неоспоримых достоинств последних, как способность отдавать большой ток, низкая стоимость и длительный срок службы, не смогли обеспечить их полноценной замены.

Аккумуляторная батарея — это устройство для накопления энергии с целью последующего ее использования.

Первые эксперименты по созданию литиевых батарей начались в 1912 году, но только спустя шесть десятилетий, в начале 70-х годов, они впервые были внедрены в бытовые устройства. Причем, подчеркну, это были именно батареи. Последовавшие вслед за этим попытки разработать литиевые аккумуляторы (перезаряжающиеся батареи) оказались неудачными из-за проблем, связанных с обеспечением безопасности их эксплуатации. Литий, самый легкий из всех металлов, имеет наибольший электрохимический потенциал и обеспечивает самую большую плотность энергии. Аккумуляторы, использующие литиевые металлические электроды, характеризуются и высоким напряжением, и превосходной емкостью. Но в результате многочисленных исследований в 80-х годах было выяснено, что циклическая работа (заряд — разряд) литиевых аккумуляторов приводит к изменениям на литиевом электроде, в результате которых уменьшается тепловая стабильность и появляется угроза выхода теплового состояния из-под контроля. Когда это происходит, температура элемента быстро приближается к точке плавления лития — и начинается бурная реакция с воспламенением выделяющихся газов. Так, например, большое количество литиевых аккумуляторов для мобильных телефонов, поставленных в Японию в 1991 году, было отозвано после нескольких случаев их воспламенения.

Из-за свойственной литию неустойчивости исследователи обратили свой взор в сторону неметаллических литиевых аккумуляторов на основе ионов лития. Немного проиграв при этом в плотности энергии и приняв некоторые меры предосторожности при заряде и разряде, они получили более безопасные так называемые Li-ion аккумуляторы.

Плотность энергии Li-ion аккумуляторов обычно вдвое превышает плотность стандартных NiCd, а в перспективе, благодаря применению новых активных материалов, предполагается еще больше увеличить ее и достигнуть трехкратного превосходства над NiCd. В дополнение к большой емкости Li-ion аккумулятор при разряде ведет себя аналогично NiCd (форма их разрядных характеристик подобна и отличается лишь напряжением).

На сегодняшний момент существует множество разновидностей Li-ion аккумуляторов, причем можно долго говорить о преимуществах и недостатках того или иного типа, но отличить их по внешнему виду невозможно. Поэтому отметим только те достоинства и недостатки, которые свойственны всем типам этих устройств, и рассмотрим причины, вызвавшие появление на свет литий-полимерных аккумуляторов.

Основные преимущества.

· высокая плотность энергии и как следствие большая емкость при тех же самых габаритах по сравнению с аккумуляторами на основе никеля;

· низкий саморазряд;

· высокое напряжение единичного элемента (3.6 В против 1.2 В у NiCd и NiMH), что упрощает конструкцию — зачастую аккумулятор состоит только из одного элемента. Многие производители сегодня применяют в сотовых телефонов именно такой одноэлементный аккумулятор (вспомните Nokia). Однако, чтобы обеспечить ту же самую мощность, необходимо отдать более высокий ток. А это требует обеспечения низкого внутреннего сопротивления элемента;

· низкая стоимость обслуживания (эксплуатационных расходов) — результат отсутствия эффекта памяти, требующего периодических циклов разряда для восстановления емкости.

Недостатки.

· для аккумулятора требуется встроенная схема защиты (что ведет к дополнительному повышению его стоимости), которая ограничивает максимальное напряжение на каждом элементе аккумулятора во время заряда и предохраняет напряжение элемента от слишком низкого понижения при разряде. Кроме того, она ограничивает максимальные токи заряда, разряда и контролирует температуру элемента. В результате возможность металлизации лития практически исключена;

· аккумулятор подвержен старению, даже если не используется и просто лежит на полке. Процесс старения характерен для большинства Li-ion аккумуляторов. По вполне очевидным причинам производители об этой проблеме умалчивают. Незначительное уменьшение емкости становится заметным уже через год вне зависимости от того, находился аккумулятор в эксплуатации или нет. Через два или три года он часто становится непригодным к использованию. Впрочем, аккумуляторы других электрохимических систем также имеют возрастные изменения с ухудшением своих параметров (это особенно справедливо для NiMH, подверженных воздействию высокой температуры окружающей среды). Для уменьшения процесса старения храните заряженный примерно до 40% от номинальной емкости аккумулятор в прохладном месте отдельно от телефона;

· более высокая стоимость по сравнению с NiCd аккумуляторами;

· затруднено быстрое тестирование аккумуляторов (например, на анализаторе Cadex C7xxx), поскольку технология их изготовления до конца еще не отработана и постоянно меняется.

Технология изготовления Li-ion аккумуляторов постоянно улучшается. Она обновляется приблизительно каждые шесть месяцев, и понять, как «ведут себя» новые аккумуляторы после длительного хранения, трудно.

Словом, всем был бы Li-ion аккумулятор хорош, если бы не проблемы с обеспечением безопасности его эксплуатации и высокая стоимость. Попытки решения этих проблем и привели к появлению литий-полимерных (Li-pol или Li-polymer) аккумуляторов.

Основное их отличие от Li-ion отражено в названии и заключается в типе используемого электролита. Первоначально, в 70-х годах, применялся сухой твердый полимерный электролит, похожий на пластиковую пленку и не проводящий электрический ток, но допускающий обмен ионами (электрически заряженными атомами или группами атомов). Полимерный электролит фактически заменяет традиционный пористый сепаратор, пропитанный электролитом.

Такая конструкция упрощает процесс производства, характеризуется большей безопасностью и позволяет выпускать тонкие аккумуляторы произвольной формы. К тому же отсутствие жидкого или гелевого электролита исключает возможность воспламенения. Толщина элемента составляет около одного миллиметра, так что разработчики оборудования свободны в выборе формы, очертаний и размеров, вплоть до внедрения его во фрагменты одежды.

Но пока, к сожалению, сухие Li-polymer аккумуляторы обладают недостаточной электропроводностью при комнатной температуре. Внутреннее сопротивление их слишком высоко и не может обеспечить величину тока, необходимую для современных средств связи и электропитания жестких дисков переносных компьютеров. В то же время при нагревании до 60 °C и более электропроводность Li-polymer увеличивается до приемлемого уровня, однако для массового использования это не годится.

Исследователи продолжают разработку Li-polymer аккумуляторов с сухим твердым электролитом, работающим при комнатной температуре. Подобные аккумуляторы, как ожидается, станут коммерчески доступными к 2005 году. Они будут стабильными, допускать1000 полных циклов заряда-разряда и иметь более высокую плотность энергии, чем сегодняшние Li-ion аккумуляторы Тем временем некоторые виды Li-polymer аккумуляторов в настоящее время используются в качестве резервных источников питания в жарком климате. Например, часть производителей специально устанавливает нагревающие элементы, поддерживающие благоприятную для аккумулятора температуру.

На рынке вовсю продают Li-polymer аккумуляторы, изготовители комплектуют ими телефоны и компьютеры, а мы тут говорим, что для коммерческой эксплуатации они пока не готовы. Все очень просто. В данном случае речь идет об аккумуляторах не с сухим твердым электролитом. Для того чтобы повысить электропроводность небольших Li-polymer аккумуляторов, в них добавляют некоторое количество гелеобразного электролита. И большинство Li-polymer аккумуляторов, используемых сегодня для мобильных телефонов, фактически являются гибридами, поскольку содержат гелеобразный электролит. Правильнее было бы их называть литий-ионными полимерными. Но большинство изготовителей в рекламных целях маркируют их просто как Li-polymer.

Хотя характеристики и эффективность обеих систем во многом сходны, уникальность Li-ion полимерного (можно его и так назвать) аккумулятора заключается в том, что в нем все же используется твердый электролит, заменяющий пористый сепаратор. Гелевый электролит добавляется только для увеличения ионной электропроводности.

Технические трудности и задержка в наращивании объемов производства задержали внедрение Li-ion полимерных аккумуляторов. Это вызвано, по мнению некоторых экспертов, желанием инвесторов, вложивших большие деньги в разработку и массовое производство Li-ion аккумуляторов,

получить свои инвестиции обратно. Поэтому они и не спешат переходить на новые технологии, хотя при массовом производстве Li-ion полимерные аккумуляторы будут дешевле литий-ионных.

Рисунок 1.1 Стадии заряда Li-ion аккумуляторов

Основные характеристики Li-ion и Li-polymer аккумуляторов очень похожи.

Время заряда всех Li-ion аккумуляторов при начальном зарядном токе в 1С (численно равном номинальному значению емкости аккумулятора) составляет в среднем 3 часа. Полный заряд достигается при напряжении на аккумуляторе, равном верхнему порогу, и при уменьшении тока заряда до уровня, примерно равного 3% от начального значения. Аккумулятор во время заряда остается холодным. Как видно из графика, процесс заряда состоит из двух стадий. На первой (час с небольшим) напряжение растет при почти постоянном начальном токе заряда в 1С до момента первого достижения верхнего порога напряжения. К этому моменту аккумулятор заряжается примерно на 70% от своей емкости. В начале второго этапа напряжение остается почти постоянным, а ток уменьшается до тех пор, пока не достигнет вышеуказанных 3%. После этого заряд полностью прекращается.

Если требуется поддерживать аккумулятор все время в заряженном состоянии, то подзаряд рекомендуется проводить через 500 часов, или 20 дней. Обычно его проводят при уменьшении напряжения на выводах аккумулятор до 4.05 В и прекращают при достижении 4.2 В Несколько слов о температурном диапазоне при заряде. Большинство разновидностей Li-ion аккумуляторов допускают заряд током в 1С при температуре от 5 до 45 C. При температуре от 0 до 5 C рекомендуется заряжать током в 0.1 С. Заряд при минусовой температуре запрещен. Для заряда оптимальна температура от 15 до 25 C.

Зарядные процессы в Li-polymer аккумуляторах почти идентичны вышеописанным, поэтому потребителю совершенно ни к чему знать, какой их двух типов аккумуляторов у него в руках. И все те зарядные устройства, которые он использовал для Li-ion аккумуляторов, годятся для Li-polymer.

Обычно Li-ion аккумуляторы разряжают до значения 3.0 В на элемент, хотя для некоторых разновидностей нижний порог составляет 2.5 В. Производители оборудования с питанием от аккумуляторов, как правило, разрабатывают устройства с порогом выключения 3.0 В (на все случаи жизни). Это означает, что напряжение на аккумуляторе при включенном телефоне постепенно уменьшается, и как только оно достигнет 3.0 В, аппарат предупредит вас и выключится. Однако это совсем не означает, что он перестал потреблять энергию от аккумулятора. Энергия, пусть незначительная, требуется для определения нажатия клавиши включения телефона и некоторых других функций. Кроме того, энергию потребляет собственная внутренняя схема управления и защиты, да и саморазряд, хоть и небольшой, но все же характерен даже для аккумуляторов на основе лития. В результате, если оставить литиевые аккумуляторы на длительный срок без подзарядки, напряжение на них упадет ниже 2.5 В, что очень плохо. В этом случае возможно отключение внутренней схемы управления и защиты, и не все зарядные устройства смогут зарядить такие аккумуляторы. Кроме того, глубокий разряд отрицательно сказывается на внутренней структуре самого аккумулятора. Полностью разряженный аккумулятор должен заряжаться на первом этапе током всего в 0.1C. Словом, аккумуляторы скорее любят находиться в заряженном состоянии, чем в разряженном.

Как правило, Li-ion аккумуляторы лучше всего функционируют при комнатной температуре. Работа в более теплых условиях серьезно сокращает срок их службы. Хотя, например, свинцово-кислотный аккумулятор имеет самую высокую емкость при температуре более 30 °C, но длительная эксплуатация в таких условиях сокращает жизнь аккумулятора. Точно так же и Li-ion лучше работают при высокой температуре, которая поначалу противодействует увеличению внутреннего сопротивления аккумулятора, являющемуся результатом старения. Но повышенная энергоотдача коротка, поскольку повышение температуры, в свою очередь, способствует ускоренному старению, сопровождаемому дальнейшим увеличением внутреннего сопротивления.

Исключение составляют на данный момент только литий-полимерные аккумуляторы с сухим твердым полимерным электролитом. Для них жизненно необходима температура от 60 °C до 100 °C. И такие аккумуляторы заняли свою нишу на рынке резервных источников в местах с жарким климатом. Они помещаются в теплоизолированный корпус со встроенными элементами нагревания, питающимися от внешней сети. Li-ion полимерные аккумуляторы в качестве резервных, как считают, превосходят по емкости и долговечности VRLA аккумуляторы, особенно в полевых условиях, когда управление температурой невозможно. Но их высокая цена остается сдерживающим фактором.

При низких температурах эффективность аккумуляторов всех электрохимических систем резко падает. В то время как для NiMH, SLA и Li-ion аккумуляторов температура -20°C является пределом, при котором они прекращают функционировать, NiCd продолжают работать до -40°C. Отмечу только, что речь опять же идет только об аккумуляторах широкого применения.

Важно не забывать, что, хотя аккумулятор и может работать при низких температурах, это совсем не означает, что он может быть также заряжен в этих условиях. Восприимчивость к заряду у большинства аккумуляторов при очень низких температурах чрезвычайно ограничена, и ток заряда в этих случаях должен быть уменьшен до 0.1C.

Литиевая батарея — это не просто батарея элементов. На разъёме больше двух контактов (иногда значительно больше). Все современные батареи для «умных» устройств (ноутбуки, мобильные телефоны, цифровые фотоаппараты) сами по себе тоже «умные» — они как минимум обеспечивают идентификацию батареи устройством, ее использующим. Необходимость такой идентификации объясняется возможностью применения батарей с различной емкостью и даже с различной технологией — устройство должно правильно отображать состояние батареи и корректно выполнять ее зарядку.

В простейшем случае батарея идентифицируется кодовой последовательностью, передаваемой по отдельной электрической линии — таковы, например, батареи мобильных телефонов. Электрический коннектор таких батарей имеет обычно четыре контакта — плюсовой вывод самой батареи, вывод идентификации, вывод встроенного в батарею термистора и общий. Тактовый генератор для работы системы идентификации при этом расположен в самой батарее. Иногда используются три контакта, в этом случае батарея передает показания термистора также через линию идентификации уже в оцифрованном виде. Общим недостатком таких систем является то, что устройство должно опознавать батарею по уникальной кодовой последовательности, соответственно, все допустимые типы и модификации батарей должны быть заранее известны устройству, а с неизвестными оно либо будет работать некорректно, либо вообще откажется.

Рисунок 1.2 — Li-ion аккумулятор

Более гибкий подход был стандартизован в 1993 году компаниями Duracell и Intel под названием Smart Battery System (SBS). Он предполагает применение двунаправленного канала передачи данных между устройством и батареей — интерфейса SMBus. В простейшем случае такие батареи имеют пятиконтактный разъем: две линии требуются для работы интерфейса — он основан на широко применяемой в бытовой технике двухпроводной шине I2C с внешним тактовым сигналом на отдельной электрической линии. Батарея, соответствующая SMBus, может обмениваться с устройством, ее использующим, гораздо большим количеством параметров, кроме того она хранит внутри довольно много данных о себе и своем состоянии (в качестве устройства хранения используется микросхема энергонезависимой памяти с последовательным интерфейсом, к примеру типа 24xx). Среди хранимой информации есть данные, однократно записываемые на заводе-изготовителе (идентификатор, тип элементов, серийный номер, производитель, дата выпуска и прочее) и временные, изменяющиеся в процессе эксплуатации (количество пройденных циклов заряда-разряда, дата первого использования, параметры текущего состояния и т. п.).

Контроллер батареи отслеживает напряжение каждого элемента в отдельности и разрывает цепь заряда при превышении границы в 4,3 В (все значения приведены для типовых цилиндрических литий-ионных элементов), а также отключает разряд, если напряжение упало ниже 2,5 В — батареи, оставленные на хранение при меньшем напряжении элементов, подвержены необратимым изменениям, что при последующем заряде может оказаться опасным (подробнее ниже). Термопредохранители рассчитаны на температуру в 80−90 градусов Цельсия, а система защиты от повышенного давления невосстановимо разрывает цепь при давлении около 10 кгс/см2 внутри элемента.

В современных литиевых батареях значительно больше элементов, обеспечивающих безопасность, нежели в металлoгидридных или никель-кадмиевых аккумуляторах. Связано это с тем, что литий — весьма химически активный элемент (вспоминайте школьные опыты на уроках химии по бросанию кусочка металлического лития в воду). И хотя в чистом виде литий в батареях отсутствует, он образуется в металлической форме на электродах при нештатных условиях (перезаряд или глубокий разряд), зачастую вместе с кислородом, образуя весьма взрывоопасную смесь. Если в старых типах батарей достаточно было включенных последовательно в силовую цепь плавкого предохранителя и терморазмыкателя, то у литиевых используется обычно несколько термопредохранителей (часто отдельно на каждый элемент), тот же общий токовый предохранитель (в большинстве батарей самовосстанавливающийся), система защиты от повышенного давления внутри элемента, а также более сложная схема заряда и контроля состояния батареи в части аварийного отключения сильноточной цепи (выполненная с использованием силовых КМОП-ключей). Опять же по соображениям безопасности схема управления зарядом размещена в самой батарее.

Рисунок 1.3 — Устройство аккумулятора

Избавившись в литиевых батареях от эффекта «памяти» собственно элементов, производители столкнулись с подобным же эффектом на другом уровне — так называемой «цифровой памятью». Дело в том, что электроника управления зарядом-разрядом, размещенная в самой батарее, работает независимо от устройства, батарею использующего. Внутренняя электроника следит за уровнем напряжения элемента, прерывает заряд по достижении установленной максимальной величины (с учетом изменения напряжения, обусловленного током зарядки и температуры батареи), прерывает разряд при достижении критической величины и сообщает об этом «наверх» (для этих целей производится большая номенклатура специализированных микросхем). Система же мониторинга батареи «наверху» вычисляет уровень заряда, основываясь на информации о моментах выключения заряда и разряда от батареи и показаниях системы измерения тока. Но если условия работы таковы, что полной разрядки до аппаратного отключения или полной зарядки не происходит, эти вычисления после нескольких циклов могут стать не вполне корректными — емкость батареи со временем падает, да и показания измерителя тока не всегда могут соответствовать реальности. Обычно отклонения не превышают одного процента на каждый цикл, если только в процессе эксплуатации не произошло серьезных изменений, связанных, к примеру, с выходом из строя одного из элементов батареи. Система мониторинга имеет возможность «обучаться», то есть пересчитывать значение полной емкости батареи, но для этого нужно выполнить как минимум один полный цикл заряд-разряд до срабатывания аппаратных схем самой батареи, при этом система мониторинга должна быть отключена (в нормальном режиме она не даст, к примеру, разрядить батарею ноутбука до нуля, выполнив останов операционной системы или «засыпание» на заданном уровне в 3% или около того). Производители ноутбуков обычно реализуют возможность «переобучения» в программе мониторинга батареи, и на практике использование этой возможности необходимо примерно раз в три месяца.

По указанному на батарее напряжению легко определить число последовательно включенных элементов: к примеру, напряжение одного литиевого элемента составляет 3,6 В, соответственно для двух получится 7,2 В, для трех — 10,8 В, для четырех — 14,4 В. Некоторые модификации (например, ионно-литиевые полимерные батареи) имеют немного более высокое напряжение элемента — 3,7 В, отсюда «нестандартные» цифры типа 14,8 В. Кроме того, элементы в батарее могут быть соединены и параллельно — литиевая технология для этого вполне пригодна. Основываясь на габаритах и напряжении, понять количество параллельных и последовательных элементов не вскрывая пластиковый корпус батареи (особенно в случае с цилиндрическими элементами) не составит труда.

Система зарядки останавливает процесс по достижении элементами батареи некоторого порогового напряжения, и обратного включения зарядки при последующем падении напряжения за счет саморазряда (пока напряжение находится в допустимых пределах) обычно уже не происходит. Режим зарядки включится после некоторой задержки только в случае, когда появится разрядный ток или батарея будет отключена от зарядного устройства и подключена вновь. Чтобы включить зарядку, отсоедините блок питания или батарею и подключите вновь.

Таблица 1.1 — Эксплуатационные свойства аккумуляторов

Встроенные в батарею светодиодные индикаторы состояния бывают разными — наиболее интересны те, которые умеют показывать «мертвую» емкость — они двухцветные, зеленым цветом отображается заряженная часть, красным — та, использовать которую уже невозможно. Эта схема работает без использования внешних программ, и красная индикация, увы, обычно корректно отражает ситуацию.

К персональному компьютеру устройства сопряжения (в данном случае это разрабатываемое «Устройство для тестирования аккумуляторов») могут быть подключены тремя путями, соответствующими трём типам стандартных внешних интерфейсов, свойства которых входят в базовую конфигурацию компьютера:

· через системную магистраль или шину, канал — эти терминалы равнозначны (например, ISA — Industrial Standard Architecture);

· через параллельный интерфейс Centronics;

· через последовательный интерфейс RS-232C.

Каждый из трёх указанных методов подключения имеет свои преимущества и недостатки.

Таблица 1.2 — Сравнение методов подключения устройств сопряжения

Выбор в пользу применения интерфейса RS-232C может быть сделан при наличии следующих требований:

· относительная удалённость объекта обмена информацией (внешнего устройства) от компьютера (стандартом оговорена длина кабеля до 15 м при наличии общего контура заземления, однако во многих практических случаях она может быть существенно увеличена, хотя и с некоторым снижением рабочих скоростей);

· сравнительно (по отношению к параллельным методам и локальным вычислительным сетям) невысокая скорость обмена данными (максимально возможная скорость передачи данных стандартного последовательного порта компьютера составляет 115 200 бит/сек, что ограничивает скорость обмена величиной около 10 Кбайт/сек);

· применение стандартного интерфейса для подключения к компьютеру без его вскрытия (несмотря на то, что времена, когда установка любой дополнительной платы в компьютер представлялась кощунством и вызывала дрожь его хозяина, прошли, применение RS-232C для подключения внешних устройств существенно упрощает процесс подключения и повышает оперативность в работе).

Устройство построено на базе высокоскоростного, восьмиразрядного микроконтроллера PIC16F870, который относится к семейству PIC16F87X.

Микроконтроллеры семейства PIC (Peripheral Interface Controller) компании Microchip объединяют все передовые технологии микроконтроллеров: электрически программируемые пользователем РПЗУ, минимальное энергопотребление, высокую производительность, хорошо развитую RISC-архитектуру функциональную законченность и минимальные размеры. Широкая номенклатура изделий обеспечивает использование микроконтроллеров в устройствах, предназначенных для разнообразных сфер применения.

Первые микроконтроллеры компании Microchip PIC16C5x появились в конце 1980;х годов и благодаря своей высокой производительности и низкой стоимости составили серьёзную конкуренцию производившимся в то время 8-разрядным МК с CISC-архитектурой.

Высокая скорость выполнения команд в PIC-контроллерах достигается за счёт использования двухшинной гарвардской архитектуры вместо традиционной фон-неймановской. Гарвардская архитектура основывается на наборе регистров с разделёнными шинами и адресными пространствами для команд и данных. Все ресурсы микроконтроллера, такие как порты ввода/вывода, ячейки памяти и таймер, представляют собой физически реализованные аппаратные регистры. Кроме того, Гарвардская архитектура допускает конвейерное выполнение инструкций, когда одновременно выполняется текущая инструкция и считывается следующая. В традиционной же Фон-неймановской архитектуре команды и данные передаются через одну разделяемую или мультиплексируемую шину, тем самым, ограничивая возможности конвейеризации.

Микроконтроллеры PIC содержат RISC-процессор с симметричной системой команд, позволяющей выполнять операции с любым регистром, используя произвольный метод адресации. Пользователь может сохранять результат операции в самом регистре — аккумуляторе или во втором регистре, используемом для операции.

Основным назначением микроконтроллеров, как следует из аббревиатуры PIC (Peripheral Interface Controller), является выполнение интерфейсных функций.

В настоящее время компания Microchip выпускает пять основных семейств 8-разрядных RISC — микроконтроллеров:

PIC12CXXX

PIC16C5X

PIC16FXXX

PIC17CXXX

PIC18CXXX

Представление о семействе можно получить, рассмотрев основу системы обозначений и примеры обозначений микроконтроллеров. После префикса PIC16, PIC12 или PIC18 следуют обозначение типа (технологии) памяти программ.

Варианты:

CR — масочное ПЗУ; программируется один раз при изготовлении МК.

C — EPROM; программируется электрическим способом. Может быть запрограммирована только один раз.

F — FLASH ПЗУ (EEPROM); запрограммированная память может быть стерта «электрически» и вновь запрограммирована тысячи раз. FLASH микроконтроллеры обычно имеют также и DATA EEPROM — FLASH память данных (не путать с ОЗУ!) для хранения «неоперативных данных», таких, как настроечные параметры, изменяемые константы, тексты.

JW — ПЗУ, стираемое ультрафиолетовым облучением. Корпус таких МК имеет специальное окошко из кварца (WINDOWED).

В дипломном проекте при разработке «Устройства для тестирования аккумуляторов» используется микроконтроллер типа PIC16F870 (подгруппы PIC16F87X) который относится к семейству 8-разрядных КМОП микроконтроллеров группы PIC16FXXX, для которых характерны высокая производительность и полностью статическая КМОП — технология с очень малым потреблением энергии и полностью статической архитектурой.

Основные характеристики микроконтроллера:

· высокопроизводительный RISC-процессор;

· все инструкции исполняются за один такт, кроме инструкций перехода, выполняемых за два такта;

· скорость работы: тактовая частота до 20 МГц, минимальная длительность такта 200 нс;

FLASH память программ до 2K Ч 14 слов;

память данных (ОЗУ) до 128 Ч 8 байт;

ЭСППЗУ память данных до 64 Ч 8 байт;

· совместимость цоколёвки с PIC16CXXX c 28-ю и 40-а выводными корпусами;

· механизм прерываний (до 11 внутренних/внешних источников прерываний);

· восьмиуровневый аппаратный стек;

· прямой, косвенный и относительный режимы адресации;

· сброс при включении питания (POR);

· таймер включения (PWRT) и таймер запуска генератора (OST);

· сторожевой таймер (WDT) с собственным встроенным RC-генератором для повышения надежности работы;

· программируемая защита кода;

· режим экономии энергии (SLEEP);

· выбираемые режимы тактового генератора;

· экономичная, высокоскоростная технология КМОП FLASH/ЭСППЗУ;

· полностью статическая архитектура;

· программирование на плате через последовательный порт с использованием двух выводов;

· для программирования требуется только единственный источник питания 5В;

· отладка на плате с использованием двух выводов;

· доступ процессора на чтение/запись памяти программ;

· широкий диапазон рабочих напряжений питания: от 2,0 В до 5,5В;

· сильноточные линии ввода/вывода: 25 мА;

· коммерческий и промышленный температурные диапазоны;

· низкое потребление энергии:

< 1.6 мА при 5 В, 4 МГц;

20 мкА (типичное значение) при 3 В, 32 кГц;

< 1 мкА (типичное значение) в режиме STANDBY.

Характеристики периферийных модулей микроконтроллера:

Timer0: 8-разрядный таймер/счетчик с 8-разрядным предварительным делителем;

Timer1: 16-разрядный таймер/счетчик с предварительным делителем, может вести счёт во время спящего режима от внешнего генератора;

Timer2: 8-разрядный таймер/счетчик с 8-разрядным регистром периода, предварительным и выходным делителем;

2 модуля захвата, сравнения, ШИМ;

захват 16-ти разрядов, максимальное разрешение 12,5 нс;

сравнение 16-ти разрядов, максимальное разрешение 200 нс;

ШИМ с максимальным разрешением 10 разрядов;

10-битный многоканальный аналого-цифровой преобразователь;

· универсальный синхронно-асинхронный приемопередатчик (USART/SCI) с обнаружением 9-разрядного адреса;

· встроенный генератор опорного напряжения;

· параллельный 8-битный Slave-порт (PSP) со внешними сигналами управления RD, WR и CS (только в 40/44-выводных корпусах);

· программируемая схема сброса при падении напряжения питания (BOR).

Микроконтроллер содержит 8 — разрядное АЛУ и рабочий регистр W. АЛУ является арифметическим модулем общего назначения и выполняет арифметические и логические функции над содержимым рабочего регистра и любого из регистров контроллера.

АЛУ может выполнять операции сложения, вычитания, сдвига и логические операции. Если не указано иное, то арифметические операции выполняются в дополнительном двоичном коде. В зависимости от результата операции, АЛУ может изменять значения бит регистра STATUS: C (Carry), DC (Digit carry) и Z (Zero).

Рисунок 1.4 — Структурная схема микроконтроллера PIC16F870

TMR0 — таймер 0: 8-разрядный таймер/счётчик с 8-разрядным программируемым предделителем;

TMR1 — таймер 1: 16-разрядный таймер/счётчик с возможностью подключения внешнего резонатора;

TMR2 — таймер 2: 8-разрядный таймер/счётчик с 8-разрядным программируемым предделителем и выходным делителем;

CCP1 — модуль сравнения/захвата/ШИМ 2: 16-разрядный захват и сравнение данных (максимальная разрешающая способность 12,5нс);

CCP2 — модуль сравнения/захвата/ШИМ 2: 16-разрядный захват и сравнение данных (максимальная разрешающая способность 200нс);

10-разрядное АЦП — многоканальный 10-разрядный аналого-цифровой преобразователь;

последовательный синхронный порт — ведущий/ведомый режим SPI, ведущий/ведомый режим I2C;

USART — универсальный синхронно-асинхронный приёмопередатчик с поддержкой детектирования адреса;

EEPROM — энергонезависимая память данных;

POR, OST, PWRT, WDT, BOR, ICD, LVP — представляют собой схему управления сбросом и таймером.

FSR — регистр указатель, используемый при косвенной адресации (например к ячейкам ОЗУ);

PORT, А — Порт A, представляет собой 5-битовый двунаправленный порт ввода/вывода;

PORT B — Порт B, представляет собой 8-битовый двунаправленный порт ввода/вывода;

PORT C — Порт C, представляет собой 8-битовый двунаправленный порт ввода/вывода;

Архитектура микроконтроллера основана на концепции раздельных шин и областей памяти для данных и для команд. Шина данных и память данных (ОЗУ) — имеют ширину 8 бит, а программная шина и программная память (ПЗУ) имеют ширину 14 бит. Такая концепция обеспечивает простую, но мощную систему команд, разработанную так, что битовые, байтовые и регистровые операции работают с высокой скоростью и с перекрытием по времени выборок команд и циклов выполнения. 14 — битовая ширина программной памяти обеспечивает выборку 14 — битовой команды в один цикл. Двухступенчатый конвейер обеспечивает одновременную выборку и исполнение команды. Все команды выполняются за один цикл, исключая команды переходов. У микроконтроллера PIC16F870- 1KЧ14 памяти программ. Вся память является внутренней.

Микроконтроллер может прямо или косвенно обращаться к регистрам или памяти данных. Все регистры специальных функций, включая счётчик команд, отображаются на память данных.

Ортогональная система команд позволяет выполнять любую команду над любым регистром с использованием произвольного метода адресации. Ортогональная архитектура и отсутствие специальных исключений делает программирование микроконтроллера PIC16F870простым и эффективным.

Счётчик команд в микроконтроллере имеет ширину 13 бит и способен адресовать 8КЧ14Бит объёма программной памяти. Однако физически на кристаллах PIC16F870- 1KЧ14 памяти (адреса 0000h — 03FFh). Обращение к адресам выше 3FFh фактически есть адресация в те же первые 512 адресов (первые 1К адресов).

В памяти программ есть выделенные адреса. Вектор сброса находится по адресу 0000h, вектор прерывания — по адресу 0004h. Обычно по адресу 0004h располагается подпрограмма идентификации и обработки прерываний, а по адресу 0000h — команда перехода на метку, расположенную за подпрограммой обработки прерываний.

Память данных МК разбита на две области. Первые 12 адресов — это область регистров специальных функций (SFR), а вторая — область регистров общего назначения (GPR). Область SFR управляет работой прибора. Обе области в свою очередь разбиты на банки 0 и 1. Банк 0 выбирается обнулением бита RP0 регистра статуса (STATUS). Установка бита RP0 в единицу выбирает банк 1. Каждый банк имеет протяженность 128 байт, однако для PIC16F876 память данных существует только до адреса 04Fh.

Рисунок 1.5 — Организация памяти микроконтроллера PIC16F870

При записи байта автоматически стирается предыдущее значение, и записываются новые данные (стирание перед записью). Все эти операции производит встроенный автомат записи EEPROM. Содержимое ячеек этой памяти при выключении питания сохраняется.

Микроконтроллер PIC16F870имеет энергонезависимую память данных 64×8 EEPROM бит, которая допускает запись и чтение во время нормальной работы (во всём диапазоне питающих напряжений). Эта память не принадлежит области регистровой памяти ОЗУ. Доступ к ней осуществляется посредством косвенной адресации через регистры специальных функций.

Рассматривая схему тактирования и цикл выполнения команд, следует сказать, что входная тактовая частота, поступающая с вывода OSC1/CLKIN, делится внутри на четыре, и из неё формируются четыре циклические не перекрывающиеся тактовые последовательности Q1, Q2, Q3 и Q4. Счетчик команд увеличивается в такте Q1, команда считывается из памяти программы и защёлкивается в регистре команд в такте Q4. Команда декодируется и выполняется в течение последующего цикла в тактах Q1… Q4. Схема тактирования и выполнения команды изображена на рисунке 1.3

Рисунок 1.6 — Схема тактирования и выполнения команд

Цикл выполнения команды состоит из четырёх тактов: Q1… Q4. Выборка команды и её выполнение совмещены по времени таким образом, что выборка команды занимает один цикл, а выполнение — следующий цикл. Эффективное время выполнения команды составляет один цикл. Если команда изменяет счётчик команд (например, команда GOTO), то для её выполнения потребуется два цикла.

«Устройства для тестирования аккумуляторов» и все его аналоги, выполняя сходные функции, имеют некоторые различия. Далее приведена сравнительная характеристика «Устройства для тестирования аккумуляторов» и аналогичного по назначению «Зарядного устройства» [5], которая представлена в таблице 1.3.

Таблица 1.3 — Сравнительные характеристики устройств

Из таблицы 1.3 следует, что разрабатываемое «Устройство для тестирования аккумуляторов» превосходит по своим функциональным возможностям «Зарядное устройство» и обладает лучшими характеристиками:

высокая надёжность;

высокое быстродействие;

малое напряжение питания;

функциональные возможности.

Использование более совершенной модели микроконтроллера в совокупности с меньшим количеством элементов и однофазной сетью питания повышает быстродействие, а также делает «Устройство для тестирования аккумуляторов» более надежным и гибким в эксплуатации.

2 ПОСТАНОВКА ЗАДАЧИ Согласно заданию дипломного проекта необходимо разработать «Устройство для тестирования аккумуляторов», которое выполнено на микроконтроллере PIC16F870.

Разработать:

· схему электрическую функциональную и принципиальную;

· алгоритм работы устройства и векторные диаграммы;

· программное обеспечение.

Сконструировать:

· проект печатной платы.

· сборочный чертеж.

Рассчитать:

· вес печатной платы с элементами и без элементов;

· оценку надёжности устройства;

· полную себестоимость и проектную цену.

Охарактеризовать:

· элементную базу;

· характерные неисправности;

· технику безопасности работы.

При разработке и конструировании устройства нужно обратить внимание на то, что для каждого класса запоминающих устройств используется сменный модуль, который подключается к универсальному разъему программатора: переходник между разъемом и панелью под микросхему.

При выполнении задач используется техническая справочная литература.

3 ТЕХНИЧЕСКАЯ ЧАСТЬ

3.1 Назначение и технические характеристики устройства

«Устройство для тестирования аккумуляторов» предназначено для определения ёмкости, напряжения и зарядки исследуемого аккумулятора.

Данное устройство характеризуется основными техническими характеристиками микроконтроллера и устройства и эксплуатационными параметрами устройства.

Технические характеристики микроконтроллера PIC16F870:

Тактовая частота,…МГц…4

Память,… Байт…128

Разрядность……8

Напряжение питания,… …В…+5

Технические характеристики устройства:

Тактовая частота,… …МГц…4

Разрядность… …8

Потребляемый ток,…А…0,4

Напряжение питания,…В…12…15

Ток зарядки и разрядки,…А…0,3

Максимальная регистрируемая ёмкость,.А*ч…9,99

Наработка на отказ,…ч…15 000

Эксплуатационные параметры устройства:

Температура окружающей среды,…С…-10…+50

Атмосферное давление,…кПа…100

Влажность,…%…60

Вибрация… …допускается

3.2 Разработка и описание схемы электрической функциональной Была разработана схема электрическая функциональная «Устройства для тестирования аккумуляторов», которая представлена в приложении А, в виде графического листа ДП. 2201. (230 101). 021 08 Э2.

Микроконтроллер DD1 является основным элементом схемы, выполняет функции обмена с другими блоками схемы и функции управления.

Генератор тактовых импульсов — вырабатывает тактируемый сигнал, который посылается на входы микроконтроллера, задаёт тактовую частоту внутреннего генератора микроконтроллера и формирует сигнал начальной установки. Блок сброса — сбрасывает регистры микроконтроллера в начальное состояние, поддерживает логический уровень напряжения на входе MCLR.

Блоки фильтра 1, 2, 3, 4 — сглаживают напряжение питания.

Блоки стабилизации напряжения 1, 2, 3 — служат для стабилизации напряжения питания.

Компаратор напряжения — даёт опорное напряжение для сравнения с напряжением на аккумуляторе.

Блоки коммутации «Запуск», «Пуск» и «Qзар» — управляют режимами работы схемы.

Блок логики — управляется электронным коммутатором, предназначен для подачи на мультиплексор напряжения питания.

Блок выборки — мультиплексирует, связывает устройство с компьютером.

СОМ-port — предназначен для управления устройством с компьютера.

Блоки ограничения тока 1, 2, 3, 4, 5 — ограничивают силу тока на заданном участке схемы.

Блок индикации — служит средством вывода символьных данных о напряжении и ёмкости.

Блоки электронных ключей 1, 2, 3, 4 — управляют определёнными блоками устройства.

Блок стабилизации тока разрядки — стабилизирует ток разрядки, разряжает аккумулятор.

Блок коммутации разрядки — подключает аккумулятор к блоку стабилизации тока разрядки.

Блок стабилизации тока зарядки — стабилизирует ток зарядки, заряжает аккумулятор.

Блок коммутации зарядки — подключает аккумулятор к блоку стабилизации тока зарядки.

Блок звуковой индикации — служит для звуковой индикации режимов работы устройства.

Режимы работы схемы:

· режим инициализации — подготовка микроконтроллера к работе;

· режим исходного состояния — микроконтроллер ожидает подключение аккумулятора;

· режим первичной зарядки — зарядка аккумулятора до 4,29 В;

· режим разрядки — разрядка аккумулятора до 2,7 В;

· режим окончательной зарядки — окончательная зарядка проверяемого аккумулятора;

· конец цикла — индикация значения ёмкости аккумулятора, полученная при зарядке и разрядке.

Режим инициализации.

После подачи напряжения питания на схему происходит включение микроконтроллера, срабатывает генератор тактовых импульсов, который задаёт тактовую частоту внутреннего генератора микроконтроллера и формирует сигнал начальной установки. Затем микроконтроллер инициализирует все свои блоки, подготавливает порты ввода и вывода, сбрасывает таймер счётчики.

Режим исходного состояния.

Микроконтроллер опрашивает состояние линии портов RA4, RA5 и AN0. При подключении аккумулятора, происходит подача сигнала с COM-порта, после чего нажимается и удерживается кнопка «Запуск» с блока электронного коммутатора, а следом нажимается кнопка «Пуск» с блока коммутации, после чего обе кнопки отпускаются и устройство переходит в режим первичной зарядки, который сопровождается звуком с блока звуковой индикации. Если сигнал с COM-порта не пришёл, происходит нажатие кнопки «Пуск» и устройство переходит в режим первичной зарядки.

Режим первичной зарядки.

Аккумулятор, подключённый к устройству, заряжается стабильным током 0,3 А с блока стабилизации тока зарядки. Измерение напряжения на аккумуляторе производится с помощью порта AN0 (внутреннего АЦП) микроконтроллера. Когда в процессе зарядки напряжение на аккумуляторе достигнет 4,29 В, устройство перейдёт в следующий режим.