基于单片机的智能充电器设计.doc

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1、 目 录第1节 引 言31.1 蓄电池的特点31.1.1镍铬电池和镍氢电池31.1.2锂离子电池41.2 智能充电器41.3 本设计功能模块5第2节 系统设计思路分析62.1 智能化的实现62.2 电池充电芯片的选择62.2.1 如何选择电池充电芯片62.2.2 芯片MAX1898 的特点72.2.3 MAX1898 的充电工作原理7第3节 系统主要硬件电路设计103.1 主要器件103.2 电路原理图及说明11第4节 系统的软件设计1441 程序流程1442 程序说明14结 束 语17参考文献18附 录19基于单片机的智能充电器设计 第1节 引 言 目前，一部分的充电器不但能在很短的时间里将

2、电量充足，而且还可以对电池起到一定的维护作用，修复由于使用不当造成的记忆效应，即容量下降现象。设计比较科学的充电器往往采用专用充电控制芯片配合单片机控制的方式。专用的充电芯片可以检测出电池充电饱和时发出的电压变化信号，比较精确地结束充电工作，通过单片机对这些芯片的控制，可以实现充电过程的智能化，例如，在充电后增加及时关键电源、蜂鸣报警和液晶显示等功能。充电器的智能化可以缩短充电的时间，同时能维护电池，延长电池使用寿命。51系列单片机也是当前使用最为广泛的8位单片机系列，其丰富的开发资源和较低的开发成本，使51系列单片机现在以致将来都仍会有强大的生命力。在众多的51系列单片机中，AT89系列单片

3、机在我国得到了极其广泛的应用，AT89系列单片机是美国Atmel公司的8位机产品。它的特点是片内有Flash Memory是一种电可摩除和电写入的闪速存储器（记为FPEPROM），在系列的开发过程中可以很容易地进行程序修改，使开发调试更为方便。随着社会的不断发展，人们使用各种家电设备、仪表以及工业生产中的数据采集与控制设备也在逐步走向智能化，所以充电器有它的巨大发展空间，同时电子产品的不断更新。51单片机在实现手机电池充电器方面的应用就更有意义。为了完成智能充电器的设计，我将进行以下工作：1) 分析充电的实现和智能化的实现方法，选择合适的充电电池芯片。2）进行硬件电路的设计，绘制充电电路原理图

4、。3）进行软件设计，设计程序代码。1.1 蓄电池的特点目前常用的四种化学电池是铅酸电池(PbSO4)、锂离子电池(Li+)、镍铬电池(NiCd)和镍氢电池(NiMH)。由于环保问题和对电池的要求越来越高等综合因素,推动了新电池技术的发展。1.1.1镍铬电池和镍氢电池镍铬电池的容量比镍氢电池或锂离子电池低,具有低阻抗特性,对于需要短时间大电流的应用场合很具吸引力。但镍铬电池如果未经充分放电又进行充电,或者长时间处于小电流放电状态,就会产生枝状晶体,引起“记忆效应”,从而导致电池内阻变大,容量变小,缩短了电池寿命。如果在充电前进行完全放电,使每节电池的电压降到10V左右,就能消除引起“记忆效应”的

5、枝状晶体,恢复电池的性能。镍氢电池具有较高的容量,但其自放电率也较高,约为镍铬电池的二倍。在初始阶段其放电率尤高(每天放掉1%)。所以镍氢电池不宜用于需要长时间保持电池容量的场合就充电方式而言,两种电池非常相似,都是以恒流的方式进行充电,可采用快速、标准或者涓流的方式进行充电。它们都能以超过2C(C为电池容量,单位为安培)的速率进行充电(但一般采用C/2速率)。由于存在内部损耗,充电效率一般小于100%,所以,在采用C/2的速率充电时,通常需要两个多小时才能把电池充满。充电过程中的损耗随着充电速率和电池的不同而不同。在恒流充电时,电池电压会缓慢达到峰值(V/t变为0),镍氢电池需在这个峰值点终

6、止快速充电,镍铬电池的充电须在峰值点后当电池电压开始下降时(V/t变为负)即终止快速充电,否则会导致电池内压力和温度上升而损坏电池。当充电速率大于C/2时,则要监测电池的电压和温度,因为当电池快充满时,电池的温度会急剧上升。对于镍铬电池和镍氢电池,还可以采用比较简便的涓流充电,这时只会造成极小的温升,不会损坏电池,也就无需终止涓流充电或者监测电池的电压。允许的最大涓流随着电池类型和环境温度的不同而不同,典型条件下C/15较为安全。1.1.2 锂离子电池过去几年中,电池技术领域最突出的创新就是锂离子电池。相对于镍基电池而言,锂离子电池具有更高的容量。从容量/体积比来衡量,锂离子电池比镍氢电池高出

7、10%30%,从容量/质量比来看,锂离子电池比镍氢电池高出近两倍。但锂离子电池对于过充电和欠充电很敏感。要达到最大容量就必须充电到最高电压,而过高的电压和过大的充电或放电电流又会造成电池的永久性损坏。如果多次放电至过低的电压则会造成容量损失,所以,充电和放电时都须限制其电压和电流,以保护电池不受损坏。锂离子电池的充电方式不同于镍基材料的化学电池,充电时需用一个电压电流源来进行充电。为了获得最大的充电量而又不损坏电池,须使电压保持在1%的精度内。快速充电开始时,电池的电压比较低,充电电流即为电流极限。随着充电的进行,电池电压缓慢上升,最终当每节电池达到浮空电压42V时,此时即可终止充电。1.2

8、智能充电器在人们日常工作和生活中，充电器的使用越来越广泛。从随身听到数码相机，从手机到笔记本电脑，几乎所有用到电池的电器设备都需要用到充电器。充电器为人们的外出和出差办公提供了极大的方便。单片机在电池充电器领域也有着广泛的应用，利用它的处理控制能力可以实现充电器的智能化。充电器的种类繁多，但从严格意义上讲，只有单片机参与处理和控制的充电器才能称为智能充电器。随着手机在世界范围内的普及使用，手机电池充电器的使用也越来越广泛。本次设计将通过一个典型的势力介绍51单片机在实现手机电池充电器方面的应用。设计所实现的充电器是一种智能充电器，它在单片机的控制下，具有预充、充电保护、自动断电和充电完成报警提

9、示功能。1.3 本设计功能模块本设计的功能模块主要如下：1）单片机模块：实现充电器的智能化控制。比如自动断电、充电完成报警提示等。2）充电过程控制模块：采用专用的电池充电芯片实现充电过程的控制。3）充电电压提供模块：采用电压转换芯片将外部+12V电压转换为需要的+5V电压。4）C51程序：单片机控制电池充电芯片实现充电过程的自动化，并根据充电的状态给出有关的输出指示。第2节 系统设计思路分析充电的实现，它包括两部分：一是充电过程的控制；二是需要提供基本的充电电压。2.1 智能化的实现在充电器电路中引入单片机的控制。它为什么需要实现充电器的智能化呢？充电器实现的方式不同会导致充电效果的不同。由于

10、充电器多采用大电流的快速充电法，在电池充满后如果不及时停止会使电池发烫，过度的充电会严重损害电池的寿命。一些低成本的充电器采用电压比较法，为了防止过充，一般充电到90就停止大电流快充，而采用小电流涓流补充充电。手机电池的使用寿命和单次使用时间与充电过程密切相关。锂电池是手机最为常用的一种电池，它具有较高的能量重量比、能量体积比，具有记忆效应，可重复充电多次，使用寿命较长，价格也越来越低。锂电池对于充电器的要求比较苛刻，需要保护电路。为了有效利用电池容量，需将锂电池充电至最大电压，但是过压充电会造成电池损坏，这就要求较高的控制精度。另外，对于电压过低的电池需要进行预充，充电器最好带有热保护和时间

11、保护，为电池提供附加保护。 一部好的充电器不但能在短时间内将电量充足，而且还可以对电池起到一定的维护作用，修复由于使用不当造成的记忆效应，即容量下降(电池活性衰退)现象。设计比较科学的充电器往往采用专用充电控制芯片配合单片机控制的方法。专用的充电芯片具备业界公认较好的-v 检测，可以检测出电池充电饱和时发出的电压变化信号，比较精确地结束充电工作，通过单片机对这些芯片的控制，可以实现充电过程的智能化，例如，在充电后增加及时关断电源、蜂鸣报警和液晶显示等功能。充电器的智能化可以缩短充电的时间，同时能够维护电池，延长电池使用寿命。2.2 电池充电芯片的选择2.2.1 如何选择电池充电芯片目前市场上存

12、在大量的电池充电芯片，它们可直接用于进行充电器的设计。在选择具体的电池充电芯片时，需要参考以下标准。 1)电池类型：不同的电池(锂电池、镍氢电池、镍镉电池等)需选择不同的充电芯片。 2)电池数目：可充电池的数目。3)电流值：充电电流的大小决定了充电时间。4)充电方式：是快充、慢充还是可控充电过程。本设计要实现的是手机的单节锂离子电池充电器，要求充电快速且具有优良的电池保护能力，据此选择Maxim 公司的MAXl898 作为电池充电芯片。2.2.2 芯片MAX1898 的特点MAXl898 配合外部PNP 或PMOS 晶体管可以组成完整的单节锂电池充电器。MAX1898提供精确的恒流/恒压充电，

13、电池电压调节精度为0.75，提高了电池性能并延长了电池使用寿命。充电电流可由用户设定，采用内部检流，无须外部检流电阻。 MAXl898 提供了充电状态的输出指示、输入电源是否与充电器连接的输出指示和充电电流指示。MAXl898 还具有其他一些功能，包括输入关断控制、可选的充电周期重启(无须重新上电)、可选的充电终止安全定时器和过放电电池的低电流预充。MAXl898 的关键特性如下：1) 简单、安全的线性充电方式。 2) 使用低成本的PNP 或PMOS 调整元件。 3) 输入电压：4.512V。4) 内置检流电阻。5) 0.75电压精度。6) 可编程充电电流。7) 输入电源自动检测。8) LED

14、 充电状态指示。9) 可编程安全定时器。10) 检流监视输出。11) 可选/可调节自动重启。12) 小尺寸uMAX 封装。2.2.3 MAX1898 的充电工作原理充电芯片MAXl898 的内部电路包括输入电流调节器、电压检测器、充电电流检测器、定时器、温度检测器和主控制器。输入电流调节器用于限制电源的总输入电流，包括系统负载电流与充电电流。当检测到输入电流大于设定的门限电流时，通过降低充电电流从而控制输入电流。因为系统工作时电源电流的变化范围较大，如果充电器没有输入电流检测功能，则输入电源必须能够提供最大负载电流与最大充电电流之和，这将使电源的成本增高、体积增大，而利用输入限流功能则能够降低

15、充电器对直流电源的要求，同时也简化了输入电源的设计。 MAXl898 外接限流型充电电源和P 沟道场效应管，可以对单节锂电池进行安全有效的快充，其最大特点是：在不使用电感的情况下，仍能做到很低的功率耗散，可以实现预充电，具有过压保护和温度保护功能，最长充电时问的限制可为锂电池提供二次保护。MAX1898 的浮动方式能够使电池容量充至最大。当充电电源和电池在正常的工作温度范围内时，插入电池将启动一次充电过程；充电结束的条件是平均的脉冲充电电流达到快充电流的 1，或时间超出片上预置的充电时间。MAXl898 能够自动检测充电电源，没有电源时自动关断以减少电池的漏电。启动快充后打开外接的P 型场效应

16、管，当检测到电池电压达到设定的门限时进入脉冲充电方式，P 型场效应管打开的时问会越来越短。充电结束时，指示灯将会按12%的周期闪烁，MAX1898 的典型充电电路如下图图2-1所示电路具体说明如下。图2-1 MAX1898的典型充电电路1)输入电压范围为 4.512v。锂电池要求的充电方式是恒流恒压方式，电源的输入需要采用恒流恒压源，一般可采用直流电源外加变压器。 2)通过外接的场效应管提供锂电池的充电接口。3)通过外接的电容 CcT 来设置充电时间 tCHG。这里的充电时间指的是快充时的最大充电时间，它和定时电容CcT 的关系如下式所示：CcT=34.33tCHG (2-1)式中，tCHG

17、的单位为小时，CcT 的单位为Nf。大多数情况下，快充时最大充电时问不超过3 小时，因此常取CcT 为100nF。4)在限制电流的模式下，通过外接的电阻 RSET 来设置最大充电电IFSTCHG，关系如下式所示：IFSTCHG=1400/Rset 式中，RSEI-的单位为Q，IFSTCHG 的单位为A。 当充电电源和电池在正常的工作温度范围内时，插入电池将启动一次充电过程。平均的脉冲充电电流低于设置的快充电流的20，或者充电时间超出片上预置的最大充电时问时，充电周期结束。MAXl898 能够自动检测充电电源，没有电源时自动关断以减少电池的漏电。启动快充后，打开外接的P 型场效应管，当检测到电池

18、电压达到设定的门限时进入脉冲充电方式，P 型场效应管打开的时JI 间会越来越短。充电结束时，LED 指示灯将会呈现周期性的闪烁，具体的闪烁含义如表1所示。表2-1 MAX1898 典型充电电路的LED 指示灯状态说明充电状态LED 指示灯电池或充电器没有安装灭预充或快充亮充电结束灭充电出错以1.5Hz 频率闪烁第3节 系统主要硬件电路设计 硬件电路设计主要围绕充电芯片MAXl898 展开，而单片机控制部分的电路简单。3.1 主要器件本设计的核心器件是MAXl898。MAXl898 可对所有化学类型的Li+电池进行安全充电，它具有高集成度，在小尺寸内集成了更多功能，尽可能多地覆盖了基本应用电路，

19、只需要少数外部元件。MAXl898 为10 引脚、超薄型的MAX 封装，其引脚分布如图3-1 所示：图3-1 MAXl898引脚分布其引脚功能如下：IN(1 脚)：传感输入，检测输入的电压或电流； CHG(2 脚)：充电状态指示脚，同时驱动LED；EN/OK(3 脚)：使能输入脚/输入电源“好”输出指示脚。EN 为输入脚，可以通过输入禁止芯片工作；OK 为输出脚，用于指示输入电源是否与充电器连接；ISET(4 脚)：充电电流调节引脚。通过串接一个电阻到地来设置最大充电电流；CT(5 脚)：安全充电时间设置引脚。接一个时间电容来设置充电时间，电容为 100nF 时，几乎为3 个小时，此引脚直接接

20、地将禁用此功能；RSTRT(6 脚)：自动重新启动控制引脚。当此引脚直接接地时，如果电池电压掉至基准电压阈值以下 200mV，将会重新开始一轮充电周期。此引脚通过电阻接地时，可以降低它的电压阈值。此引脚悬空或者 CT 引脚接地(充电时间设置功能禁用)时，自动重新启动功能被禁用；BATT(7 脚)：电池传感输入脚，接单个 Li+电池的正极。此引脚需旁接一个大电解电容到地；GND(8 脚)：接地端；DRV(9 脚)：外部晶体管驱动器，接晶体管的基极； CS(10 脚)：电流传感输入，接晶体管的发射极。 本设计的单片机芯片选用Atmel 公司的AT89C52，它完全可以满足要求。另外，由于充电器外部

21、为+12V 供电，因此需要通过电压转换芯片将+12V 电压转换为 +5V 电压，这里选用三端电压转换芯片LM7805 来完成此功能。为了降低电源干扰，保持电路的稳定，在LM7805 完成电压转换，将+5v 充电电源送给 MAXl898 之前，先经过一次光耦模块 6N137 的处理，通过单片机对光耦模块的控制，可以及时关断充电电源。6N137 的引脚分布如图3-2 所示：图3-2 6N137 的引脚分布其引脚功能如下：NC(1 脚、4 脚)：悬空；+(2 脚)、-(3 脚)：发光二极管的正、负极；GND(5 脚)：接地端；OUTPUT(6 脚)：输出脚；EN(7 脚)：使能脚。为低时，无论有无输

22、入，输出都为高。不使用时，悬空即可； VCC(8 脚)：电源输入脚。3.2 电路原理图及说明硬件电路由单片机电路、电压转换及光耦隔离电路、充电控制电路3 部分组成。单片机部分的电路原理图如下图3-3 所示。 图3-3 单片机部分的电路原理图图3-3中，ul 为单片机AT89C52，工作在110592MHz 时钟；u2 为蜂鸣器，蜂鸣器由单片机的P21 脚控制发出报警声提示；单片机的P2O 脚输出控制光耦器件，在需要的时候可以及时关断充电电源；单片机的外部中断O 由充电芯片MAXl898 的充电状态输出信号/ CHG 经过反相后触发。下图3-4 所示的为电压转换及光耦隔离部分电路的原理图。图3-

23、4 电压转换及光耦隔离部分电路原理图 U3为输出+5V 的电压转换芯片M7805，它将12V 的输入电压转换为固定的5V输出；U4为光耦隔离芯片6N137，其输入为LM7805 产生的5V 电压，输出为经过隔离的5V电压，U4的2 脚和单片机的P20 相连，由单片机控制适时地关闭充电电源。 图3-5 充电控制部分电路原理图上图3-5 所示的为充电控制部分的电路原理图，其核心器件为充电芯片MAXl898，其充电状态输出引脚/CHG 经过。74LS04反相后与单片机INT0相连，触发外部中断。LED_R为红色发光二极管，红灯表示电源接通；LEDG为绿色发光二极管，绿灯表示处于充电状态。Q1为P沟道

24、的场效应管，由MAxl898 提供驱动。图中，R4为设置充电电流的电阻，阻值为2.8kQ，设置最大充电电流500mA，C11为设置充电 时间的电容，容值为100nf，设置最大充电时间为3 小时。在MAXl898和外部单片机的共同作用下，实现了如下的充电过程。1）预充在安装好电池之后，接通输入直流电源，当充电器检测到电池时将定时器复位，从而进入预充过程，在此期间充电器以快充电流的10给电池充电，使电池电压、温度恢复到 13 正常状态。预充时间由外接电容CcT 确定(100nF 时为45 分钟)，如果在预充时间内电池电压达到2.5V，且电池温度正常，则充电进入快充过程；如果超过预充时间后，电池电压

25、仍低于2.5V，则认为电池不可充电，充电器显示电池故障，LED 指示灯闪烁。 2）快充快充过程也称为恒流充电，此时充电器以恒定电流对电池充电。恒流充电时，电池电压缓慢上升，一旦电池电压达到所设定的终止电压，恒流充电终止，充电电流快速递减，充电进入满充过程。3）满充在满充过程中，充电电流逐渐衰减，直到充电速率降到设置值以下，或满充时间超时，转入顶端截止充电。顶端截止充电时，充电器以极小的充电电流为电池补充能量。由于充电器在检测电池电压是否达到终止电压时有充电电流通过电池内阻，尽管在满充和顶端截止充电过程中充电电流逐渐下降，减小了电池内阻和其他串联电阻对电池端电压的影响，但串联在充电回路中的电阻形

26、成的压降仍然对电池终止电压的检测有影响。一般情况下，满充和顶端截止充电可以延长电池510的使用时间。 4）断电当电池充满后，MAXl898 芯片的2 号管脚发送的脉冲电平会由低变高，这将会被单片机检测到，引起单片机的中断，在中断中，如果判断出充电完毕，则单片机将通过P2.0 口控制光耦6N137，切断LM7805 向MAXl898 的供电，从而保证芯片和电池的安全，同时也减小功耗。5）报警当电池充满后，MAXl898 芯片本身会熄灭外接的LED 绿灯。但是，为了安全起见，单片机在检测到充满状态的脉冲后，不仅会自动切断MAXl898 芯片的供电，而且会通过蜂鸣器报警，提醒用户及时取出电池。当充电

27、出错时，MAXl898 芯片本身会控制LED 绿灯以15Hz 左右的频率闪烁，此时不要切断芯片的供电，要让用户一直看到此提示。第4节 系统的软件设计充电器的充电过程主要由MAXl898 控制，而单片机芯片主要是对电池起保护作用。本设计的软件设计较为简单，其主要功能如下。当MAXl898完成充电时，其/CHG 引脚会产生由低到高的跳变，该跳变引起单片机的 INTO 中断。/CHG 输出为高存在3 种情况：一是电池不在位或无充电输入，二是充电完毕，三是充电出错(此时，实际上/CHG 会以15Hz 频率反复跳变)。显然前两种情况单片机都可以直接控制光耦切断充电电源，所以，程序中只要区别对待第3 种充

28、电出错的情况即可。因此，在此中断中，如果判断出不是充电出错，则控制P2.0 脚切断电源，控制P2.1 脚启动蜂鸣器报警。41 程序流程单片机控制智能充电器工作的程序流程如图4-1 所示图4-1 单片机控制智能充电器工作程序流程图42 程序说明 主要程序代码及其说明(见注释语句)如下：#define uchar unsigned char#define uint unsigned intsbit GATE=P20; sbit BP=P21; uint t_count，int 0_count; /+定时器0 中断服务子程序*/void timer0()interrupt 1 USing 1 TR0

29、=0; /停止计数TH0=-5000/256; /重设5ms 计数初值TL0=-5000256:t_count+; if(it_count600) /第一次外部中断0 产生后3S if(int0_count=1)/还没有出现第二次外部中断0,则认为充电完毕 GATE=0; /关闭充电电源 BP=0; /打开蜂鸣器报警 e1se /否则即是充电出错 GATE =1;BP =1;ET0 =0; /关闭TO 中断EX0 =0; /关闭外部中断0int0_count =0;t_count =0;else TR0=1; /TO 开始计数 /*外部中断0 服务子程序+/ void int0()interr

30、upt 0 USing 1 if(int0_count=0) TH0=-5000/256; /5ms 定时TL0=-5000256;TRO=1： /启动定时/计数器O 计数t_count=0; /产生定时器0 中断的计数器清零 intO_count+; /*初始化*/ void init()EA =1; /打开cpu 中断 PTO =1 /T0 中断设为高优先级 TMOD=0X01; /模式1，TO 为16 位定时/计数器 ETO =1; /打开TO 中断 ITO =1; /外部中断O 设为边沿触发 EXO =l; /打开外部中断O GATE =1; /光耦正常输出电压 Bp =1; /关闭蜂

31、鸣器 Int0_count =O /产生外部中断O 的计数器清零 void main() /*调用初始化函数*/ init(); /*无限循环*/ while(1); 结 束 语首先，通过这次应用系统课程设计，在很大程度上提高了自己的独立思考能力和单片机的专业知识，也深刻了解写一篇应用系统的步骤和格式，有过这样的一次训练，相信在接下来的日子我们都会了，而且会做得更好。本次课程设计实训以充电芯片MAX1898的使用为例，介绍了如何利用单片机实现智能化的手机充电器。目前，充电电池的种类繁多，因此在充电器的方案创建时需要针对不同的电池选择不同的充电芯片。此设计实现的是单节锂离子电池充电器，因此选用了

32、芯片MAX1898作为充电芯片。设计在选择芯片后进行硬件和软件设计，最后进行调试和检测。在本次课程设计实训过程中，需着重把握的是：预充、快充、满充等充电方式的工作原理；MAX1898的充电状态指示输出信号CH6在本次设计中的应用：MAX1898在外围电路的设计中，其中包括设置充电电流的电阻和充电时间的电容数值的选取以及如何在单片机程序中判断出充电完成还是充电出错，并做出相应的处理，采用C51语言设计单片机应用系统程序时，首先是要尽可能地采取结构化的程序设计方法，这样就使整个应用系统程序结构清晰，易于调试和维护。采用单片机和充电集成电路进行充电器的设计,不但能够实现对一般的蓄电池进行充电,而且还

33、能够实现相应的过压和温度保护,从而可以充分发挥蓄电池的性能,延长电池的使用寿命,并避免简易充电器在充电时可能对电池造成损害的情况发生,具有一定的智能功能,符合目前的环境保护潮流。由于水平有限，使用软件编写方面还不是很顺手，软件流程方面也比较繁琐。使许多简单的问题都复杂化了。希望通过今后的不断努力学习实践，把课程设计做得更加完善。参考文献1 余永权.单片机应用系统的功率接口技术(M).北京航空航天大学出版社,1993.2 张友德.单片微型机原理应用与实践(M).复旦大学出版社,1992.3 朱定华.单片机原理与接口技术(M).电子工业出版社,2001.4 李国厚，冯启高.基于单片机的智能充电器的设计.河南职业技术师范学院,2000.5 白三中,黄念慈,宋婷婷.基于单片机的通用型智能充电器设计. 四川大学电气信息学院,2005.附 录1产品工作原理图图A 产品工作原理图2 元器件材料清单 表A 元器件材料清单18