MAX1898智能充电器.doc

基于单片机的锂电池充电器设计基于单片机的锂电池充电器设计 摘摘 要要 电子技术的快速发展使得各种各样的电子产品都朝着便携式和小型轻量化 的方向发展 也使得更多的电气化产品采用基于电池的供电系统 目前 较多 使用的电池有镍镉 镍氢 铅蓄电池和锂电池 它们的各自特点决定了它们将 在相当长的时期内共存发展 由于不同类型电池的充电特性不同 通常对不同 类型 甚至不同电压 容量等级的电池使用不同的充电器 但这在实际使用中 有诸多不便 本课题设计是一种基于单片机的锂离子电池充电器 在设计上 选择了简 洁 高效的硬件 设计稳定可靠的软件 详细说明了系统的硬件组成 包括单 片机电路 充电控制电路 电压转换及光耦隔离电路 并对本充电器的核心器 件 MAX1898 充电芯片 AT89C51 单片机进行了较详细的介绍 阐述了系统的 软硬件设计 以 C 语言为开发工具 进行了详细设计和编码 实现了系统的可 靠性 稳定性 安全性和经济性 该智能充电器具有检测锂离子电池的状态 自动切换充电模式以满足充电 电池的充电需要 充电器短路保护功能 充电状态显示的功能 在生活中更好 的维护了充电电池 延长了它的使用寿命 关键词 充电器 单片机 锂电池 关键词 充电器 单片机 锂电池 MAX1898MAX1898 目目 录录 引引 言言 2 第第 1 1 章章 绪论绪论 3 1 1 课题研究的背景 3 1 2 课题研究的主要工作 6 第第 2 2 章章 电池的充电方法与充电控制技术电池的充电方法与充电控制技术 6 2 1 电池的充电方法和充电器 6 2 1 1 电池的充电方法 6 2 1 2 充电器的要求和结构 9 2 1 3 单片机控制的充电器的优点 10 2 2 充电控制技术 11 2 2 1 快速充电器介绍 11 2 2 2 快速充电终止控制方法 15 第第 3 3 章章 锂电池充电器硬件设计锂电池充电器硬件设计 15 3 1 单片机电路 15 3 2 电压转换及光耦隔离电路 17 3 3 电源电路 18 3 4 充电控制电路 19 3 4 1 MAX1898 充电芯片 19 3 4 2 充电控制电路的实现 24 第第 4 4 章章 锂电池充电器软件设计锂电池充电器软件设计 26 4 1 程序功能 26 4 2 主要变量说明 27 4 3 程序流程图 27 结论结论 29 致谢致谢 30 附录附录 A A 主要参考文献主要参考文献 30 附录附录 B B 主要源程序主要源程序 31 附录附录 C C PCBPCB 电路图电路图 33 引引 言言 社会信息化进程的加快对电力 信息系统的安全稳定运行提出了更高的要 求 在人们的生产 生活中 各种电气 电子设备的应用也越来越广泛 与人 们的工作 生活的关系日益密切 越来越多的工业生产 控制 信息等重要数 据都要由电子信息系统来处理和存储 而各种用电设备都离不开可靠的电源 如果在工作中间电源中断 人们的生产和生活都将受到不可估量的经济损失 本论文从锂电池技术特性 充电技术 充电器电路结构 充电器典型电路 和电池保护等方面 多角度地阐述了充电技术发展和应用 第第 1 1 章章 绪论绪论 1 11 1 课题研究的背景课题研究的背景 电池是一种化学电源 是通过能量转换而获得电能的器件 二次电池是可 多次反复使用的电池 它又称为可充电池或蓄电池 当对二次电池充电时 电 能转变为化学能 实现向负荷供电 伴随吸热过程 对于二次电池 其性能参 数很多 主要有以下 4 个指标 工作电压 电池放电曲线上的平台电压 电池容量 常用单位为安时 Ah 和毫安时 mAh 工作温区 电池正常放电的温度范围 电池正常工作的充 放电次数 二次电池的性能可由电池特性曲线表示 这些特性曲线包括充电曲线 放 电曲线 充放电循环曲线 温度曲线等 二次电池的安全性可用特性的安全检 测方式进行评估 二次电池能够反复使用 符合经济使用原则 对于市场上二 次电池的种类 大致分为 铅酸 LA 电池 镍镉 NiCd 电池 镍氢 NiMH 电池 和锂离子 Li ion 电池 1 二次电池的性能比较 铅酸 镍镉 镍氢和锂离子电池的性能比较见表 1 1 表 1 1 铅酸 镍镉 镍氢和锂离子电池的性能比较 电池类 型 工作电 压 V 重量比能 量 Wh kg 体积比能 量 Wh L 循环次 数 记忆效 应 自放 电率 月 铅酸电 池 2 0 400 6 00 无3 镍镉电 池 1 250150400 5 00 有15 3 0 镍氢电 池 1 260 80240 300 500无25 3 5 锂离子 电池 3 6120 140300 1000无2 5 2 镍氢电池 镍镉电池与锂离子电池之间的差异 重量方面 以每一个单元电池的电压来看 镍氢电池与镍镉电池都是 1 2V 而锂离子 电池为 3 6V 锂离子电池的电压是镍氢 镍镉电池的 3 倍 并且 同型电池的 重量锂离子电池与镉镍电池几乎相等 而镍氢电池却比较重 但锂离子电池因 端电压为 3 6V 在输出同电池的情况下 单个电池组合时数目可减少 2 3 从而 使成型后的电池组重量和体积都减小 记忆效应 镍氢电池与镍镉电池不同 它没有记忆效应 对于镍镉电池来说 定期的 放电管理是必需的 这种定期放电管理属于模糊状态下的被动管理 甚至是在 镍镉电池荷电量不确切的情况下进行放电 每次放电或者使用几次后进行放电 都因生产厂的不同有所差异 这种烦琐的放电管理在使用镍镉电池时是无法 避免的 相对而言 锂离子电池没有记忆效应 在使用时非常方便 完全不用 考虑二次电池残余电压的多少 可直接进行充电 充电时间自然可以缩短 记忆效应一般认为是长期不正确的充电导致的 它可以使电池早衰 使电 池无法进行有效的充电 出现一充就满 一放就完的现象 防止电池出现记忆 效应的方法是 严格遵循 充足放光 的原则 即在充电前最好将电池内残余 的电量放光 充电时要一次充足 通常镍镉电池容易出现记忆效应 所以充电 时要特别注意 镍氢电池理论上没有记忆效应 但使用中最好也遵循 充足放 光 的原则 这也就是很多充电器提供放电附加功能的原因 对于由于记忆效 应而引起容量下降的电池 可以通过一次充足再一次性放光的方法反复数次 大部分电池都可以得到修复 自放电率 镍镉电池为 15 30 月 镍氢电池为 25 35 月 锂离子电池为 2 5 镍氢电池的自放电率最大 而锂离子电池的自放电率最小 充电方式 锂离子电池已易受到过充电 深放电以及短路的损害 单体锂离子电池的 充电电压必须严格限制 充电速率 蓄电池的充电电流通常用充电速率 C 表示 C 为蓄电池的额定容量 例如用 2A 的电流对 1Ah 电池充电 充电速率就是 2C 同样地 用 2A 电流对 500mAh 电池充电 充电速率就是 4C 通常不超过 1C 最低放电电压为 2 7 3 0V 如再继续放电 则会损害电池 锂离子电池 以恒流转恒压方式进行充电 采用 1C 充电速率充电至 4 1V 时 充电器应立即 转入恒压充电 充电电流逐渐减小 当电池充足电后 进入涓流充电过程 为 避免过充电或过放电 锂离子电池不仅在内部设有安全机构 充电器也必须采 取安全保护措施 以监测锂离子电池的充放电状态 3 课题研究的意义 本课题研究的对象主要是锂离子电池的充电原理和充电控制 锂离子电池 的充电设备需要解决的问题有 能进行充电前处理 包括电池充电状态鉴定 预处理 解决充电时间长 充电效率低的问题 改善充电控制不合理 而造成过充 欠充等问题 提高电池的使用性能和 使用寿命 通过加强单片机的控制 简化外围电路的复杂性 同时增加自动化管理设 置 减轻充电过程的劳动强度和劳动时间 从而使充电器具有更高的可靠性 更大的灵活性 且成本低 1 21 2 课题研究的主要工作课题研究的主要工作 本文主要研究锂电池的充电方法 在此基础上进行系统设计和电路设计 并通过实验结果对充电控制方法测试验证 具体结构如下 第一章 绪论 首先介绍了课题研究的背景 再介绍了锂电池的特点和在 应用中存在的主要问题及课题研究的意义和主要工作 这是该论文的设计基础 第二章 电池的充电方法与充电控制技术 主要介绍了电池的充电方法和 锂电池的快速充电终止控制方法 确保在充电控制过程中不过充 不损坏电池 第三章 锂电池充电器电路设计 选择控制芯片进行介绍和比较 在此基 础之上 对该电路的充电控制芯片进行选择 介绍与分析 第四章 通过 C 语言软件编程设计出锂电池快速充电器电路 来实现对锂 电池的自动化控制充电 第第 2 2 章章 电池的充电方法与充电控制技术电池的充电方法与充电控制技术 2 12 1 电池的充电方法和充电器电池的充电方法和充电器 2 1 1 电池的充电方法 1 恒流充电 1 恒流充电 充电器的交流电源电压通常会波动 充电时需采用一个直流恒流电源 充 电器 当采用恒流充电时 可使电池具有较高的充电效率 可方便地根据充 电时间来决定充电是否终止 也可改变电池的数目 恒流电源充电电路如图 2 1 所示 图2 1 恒流电源充电电路 2 恒压充电 恒压充电电路如图2 2所示 恒压充电是指每只单体电池均以某一恒定电 压进行充电 当对电池进行这一充电时 电池两端的电压决定了充电电流 这 种充电方式的充电初期电流较大 末期电流较小 充电电流会随着电压的波动 而变化 因此充电电流的最大值应设置在充电电压最高时 以免时电池过充电 另外 这种充电方式的充电末期电压在达到峰值后会下降 电池的充电电 流将变大 会导致电池温度升高 随着电池温度升高 电压下降 将造成电池 的热失控 损害电池的性能 图2 2 恒压充电电路 5 快速充电 在用大电流短时间对电流充电时 需用电池电压检测和控制电路 该电路 在电池充电末期实时检测电池电压和电池温度 并且根据检测参数控制充电过 程 1 电池电压检测 在大电流充电末期 检测电池电压 当电池电压达到设定值时 将大电流 充电转成小电流充电 采用小电流充电方式是为了保证电池充电容量 控制电 路设置的充电截止电压必须比充电峰值电压低 2 V检测 电池充电过程的充电电流是通过检测电池充电末期的电压降来进行控制的 V控制系统框图如图2 3所示 采用 V控制系统的充电控制电路 当充 电峰值电压确定后 若 V检测电路检测的电压降达到设定值 控制电路将 使大电流充电电路分断 电池的充电电流 电池电压和充电时间的关系如图2 4所示 图2 3 V控制系统框图 图2 4 充电电池 电池电压和充电时间的关系 3 电池温度检测 电池在充电末期 负极发生氧复合反应产生热量 使电池温度升高 由于 电池温度升高将导致充电电流增大 为控制充电电流 可在电池外壳上设置温 度传感器或电阻等温度检测元件 当电池温度达到设定值时 电池充电电路被 切断 下面即给出了电池温度检测简图和电池温度与充电时间的关系图 图2 5 电池温度检测简图 图2 6 电池温度和充电时间的关系 2 1 22 1 2 充电器的要求和结构充电器的要求和结构 1 充电器的要求 对充电器的要求是 安全 快速 省电 功能全 使用方便 价格便宜 快速充电器 1C 4C 的充电器 的安全更为重要 终止快速充电的检测方法 要可靠 精确 以防止过充电 另外 一些充电器集成电路还设有充电时间定 时器来作为一种附加的安全措施 当充电电流较小时可采用线性电源 充电电流较大时常采用开关电源 它 既省电又解决发热问题 并有可能由市电直接整流经 AC DC 变换获得低压直 流电 可省去笨重的工频变压器 2 充电器的结构框图 早期的充电器是没有处理器的 它主要由充电器集成电路及电源部分组成 其内部结构较复杂 引脚也较多 一般的功能较完善的充电器结构框图如图 2 7 AA 线右边所示 图2 7 充电器结构框图 2 1 32 1 3 单片机控制的充电器的优点单片机控制的充电器的优点 目前 市场上有大量的电池管理芯片 针对充电器开发的电池充电管理芯 片业很多 可以直接使用这些芯片进行充电器的设计 但是 充电器实现的方式不同导致其充电效果不同 由于采用大电流的快 速充电法 所以在电池充满后如不及时停止会使电池发烫 过度的过充会严重 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 采用小电流涓流补充充电 一般的 为了使得电 池充电充分 容易造成过充 表现为有些充电器在充电终了时电池经常发烫 电池在充电后期明显发烫一般说明电池已过充 设计比较科学的充电器采用专 业充电控制芯片 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 这些芯片往往具备了充电过程控制 加上单片机对充电后的功能 如图 2 10 所示 还可加入关断电源 蜂鸣报警和液晶显示等 就可以完成一个比较实 用的充电器 2 22 2 充电控制技术充电控制技术 2 2 12 2 1 快速充电器介绍快速充电器介绍 快速充电器的特点是对充电电池采用大电流充电 常用的充电电流值为 0 3 2 小时率电流 小时率电流值是由公式 C Ah t h 规定的 其中 C 代表 电池额定容量 t 代表时间 例如用 1 小时率电流对 5 号锂电池快速充电 根 据 0 5 Ah 1 h 500 mA 即采用 500mA 的充电电流 一般慢速充电 选用 10 小时率电流 性能完善的快速充电器 其原理图如图 2 8 所示 图2 8 快速充电器原理框图 其中的主控电路有多种类型 1 定时型 对电池进行定时充电 主控电路采用定时电路 定时时间可由充电电流决 定 定时主控电路常设置不同的时间以控制不同的小时率电流对电池按时间分 挡充电 使用很方便 由于定时器制作容易 所以常用它自制定时快速充电器 自制时 为了充电安全 最好选大于 5 小时率的电流充电 2 电压峰值增量 V 型 有的可充电电池在充电时端电压随充电时间的增长而上升 但充足电后端 电压开始下降 设计主控电路时 利用该特性监测电池电压出现峰值之后的微 量下降 以控制充电结束 达到自动充电的目的 这也称为 V 法 由于这 种控制电路比较复杂 故不适于自制 3 其他主控电路 主控电路除上述两种以外 还有温度监测和脉宽调制 PWM 控制电路 温 度监测常用热敏电阻监测电池温度 当电池温度高于设定值时 立即停止快速 充电 即使电池温度下降后 充电器也不会启动工作 只有它复位 人工或自 动 后 才能启动再次转人快速充电 2 2 22 2 2 快速充电快速充电终止控制方法终止控制方法 充电控制技术是充电器系统中软件设计的核心部分 根据充电电池的原理 将锂电池的电压曲线分为三段 具体见图2 9 图2 9 锂电池的充电特性 由于锂电池的最佳充电过程无法用单一量实现 在这三段应分别采用不同 的控制方式 具体为 进入B C段之前 电池电量己基本用完 此时采用恒定 的小电流充电 当进入B C段时 若采用恒流充电 电流过大会损坏电池 电 流过小使充电时间过长 根据电压变化情况控制充电电流 使电池充电已满 若此时停止充电 电池会自放电 为防止自放电现象发生 采用浮充维护充电 方式 用小电流进行涓流充电 在恒流充电状态下 不断检测电池端电压 当电池电压达到饱和电压时 恒流充电状态终止 自动进入恒压充电状态 恒压充电时 保持充电电压不变 由于电池内阻不断变大 导致充电电流不断下降 当充电电流下降到恒流状态 下充电电流的1 10时 终止恒压充电 进入浮充维护充电阶段 电池在充满电后 如果不及时停止充电 电池的温度将迅速上升 温度的 升高将加速板栅腐蚀速度及电解液的分解 从而缩短电池寿命 容量下降 为 了保证电池充足电又不过充电 可以采用定时控制 电压控制和温度控制等多 种终止充电的方法 1 定时控制 采用恒流充电法时 根据电池的容量和充电电流 可以很容易的确定所需 的充电时间 这种控制方法较简单 但有其缺点 充电前 电池的容量无法准 确知道 而且电池和一些元器件的发热使充电电能有一定的损失 实际的充电 时间很难确定 而该方法充电时间是固定的 不能根据电池充电前的状态而自 动调整 结果使有的电池可能充不足电 有的电池可能过充电 因此 只有充 电速率小于0 3C时 才采用这种方法 2 电池电压控制 在电压控制法中 最容易检测的是电池的最高电压 常用的电压控制法有 最高电压 VMAX 从充电特性曲线可以看出 电池电压达到最大值时 电 池即充足电 这种方法的缺点是 未充足电以前 电池电压在某一段时间内可能变化很小 若此时误认为0 V出现而停止充电 会造成误操作 3 电池温度控制 为了避免损坏电池 电池温度上升到规定数值后 必须立即停止快速充电 采用温度控制法时 由于热敏电阻响应时间较长 再加上环境温度的影响 因 此 不能准确的检测电池的充足电状态 4 综合控制法 以上各种控制方法各有其优缺点 由于存在电池个体的差异和个别的特殊 电池 若只采用一种方法 则会很难保证电池较好的充电 为了保证在任何情 况下均能可靠的检测电池的充足电状态 可采用具有定时控制 温度控制和电 池电压控制功能的综合控制法 鉴于定时控制 温度控制 最高电压控制等单独作为终止条件使用的局限 性 有的系统中锂电池的充电终止也采用综合控制法 锂电池是以零增量检测 为主 时间 温度和电压检测为辅的方式 系统在充电过程检测有无零增量 V 出现 作为判断电池已充满的正常标准 同时判断充电时间 电池温度 及端电压 是否已超过预先设定的保护值作为辅助检测手段 当电池电压超过 检测门限时 系统会检测有无零增量出现 若出现 V 则认为电池正常充满 进入浮充维护状态 在充电过程中 系统会一直判断充电时间 电池温度及端 电压是否己到达或超过了充电保护条件 若其中有一个条件满足 系统会终止 现有充电方式 进入浮充维护状态 第第 3 3 章章 锂电池充电器硬件设计锂电池充电器硬件设计 3 13 1 单片机电路单片机电路 1 主要特性 1 STC89C52 可以在线下载编程 2 1000 次擦写周期 3 晶振频率 0HZ 24HZ 4 三级加密程序存储器 5 265 8 字节内部 RAM 6 32 个可编程 I O 口线 7 3 个 16 位定时 计数器 8 8 中断源 图 3 1 STC89C52 P3 口也可作为 STC89C52 的一些特殊功能口 如下表 3 1 所示 表 3 1 P3 口 口管脚备选功能 P3 0 RXD 串行输入口 P3 1 TXD 串行输出口 P3 2 INT0 外部中断 0 P3 3 INT1 外部中断 1 P3 4 T0 记时器 0 外部输入 P3 5 T1 记时器 1 外部输入 P3 6 WR 外部数据存储器写选 通 P3 7 RD 外部数据存储器读选 通 P3 口同时为闪烁编程和编程校验接收一些控制信号 RST 复位输入 当振荡器复位器件时 要保持 RST 脚两个机器周期的高 电平时间 ALE PROG 当访问外部存储器时 地址锁存允许的输出电平用于锁存地址的地 位字节 在 FLASH 编程期间 此引脚用于输入编程脉冲 在平时 ALE 端以不 变的频率周期输出正脉冲信号 此频率为振荡器频率的 1 6 因此它可用作对 外部输出的脉冲或用于定时目的 然而要注意的是 每当用作外部数据存储器 时 将跳过一个 ALE 脉冲 如想禁止 ALE 的输出可在 SFR8EH 地址上置 0 此时 ALE 只有在执行 MOVX MOVC 指令是 ALE 才起作用 另外 该引脚被略微拉高 如果微处理器在外部执行状态 ALE 禁止 置位无效 PSEN 外部程序存储器的选通信号 在由外部程序存储器取指期间 每个 机器周期两次 PSEN 有效 但在访问外部数据存储器时 这两次有效的 PSEN 信 号将不出现 EA VPP 当 EA 保持低电平时 则在此期间外部程序存储器 0000H FFFFH 不管是否有内部程序存储器 注意加密方式 1 时 EA 将内部锁定为 RESET 当 EA 端保持高电平时 此间内部程序存储器 在 FLASH 编程期间 此 引脚也用于施加 12V 编程电源 VPP XTAL1 反向振荡放大器的输入及内部时钟工作电路的输入 XTAL2 来自反向振荡器的输出 3 23 2 电压转换及光耦隔离电路电压转换及光耦隔离电路 耦合器以光为媒介传输电信号 它对输入 输出电信号有良好的隔离作用 所以 它在各种电路中得到广泛的应用 目前它已成为种类最多 用途最广的 光电器件之一 光耦合器一般由三部分组成 光的发射 光的接收及信号放大 输入的电信号驱动发光二极管 LED 使之发出一定波长的光 被光探测器接 收而产生光电流 再经过进一步放大后输出 这就完成了电 光 电的转换 从而起到输入 输出 隔离的作用 本次设计选择了 6N137 光耦合器 6N137 光耦合器是一款用于单通道的高速光耦合器 其内部有一个 850 nm 波长 AlGaAs LED 和一个集成检测器组成 其检测器由一个光敏二极管 高增 益线性运放及一个肖特基钳位的集电极开路的三极管组成 具有温度 电流和 电压补偿功能 高的输入输出隔离 LSTTL TTL 兼容 高速 典型为 10MBd 5mA 的极小输入电流 特性 转换速率高达 10MBit s 摆率高达 10kV us 扇出系数为 8 逻辑电平输出 集电极开路输出 图 3 2 6N137 光耦合器 6N137 光耦合 器的真值表 3 33 3 电源产生电路电源产生电路 1 LM7805 介绍 电子产品中 常见的三端稳压集成电路有 正电压输出的 lm78 系列和 图 3 3 LM7805 样品 6N137 光耦合器的真值表 输入使能输出 HHL LHH HLH LLH HNCL LNCH 负电压输出的 lm79 系列 顾名思义 三端 IC 是指这种稳压用的集成电路 只有三条引脚输出 分别是输入端 接地端和输出端 因为三端固定集成稳压 电路的使用方便 电子制作中经常采用 2 LM7805 主要特点 输出电流可达 1A 输出电压有 5V 过热保护 短路保护 输出晶体管 SOA 保护 3 43 4 充电控制电路充电控制电路 3 4 1 MAX1898 充电芯片 1 如何选择电池充电芯片 选择电池充电芯片时需要结合实际的应用 具体的选择标准有以下几点 封装 即芯片的大小 对于体积有要求的场合需要选择合适的封装 电流大小 充电的电流大小决定充电时间 充电方式 即是快充 慢充还是可以控制充电过程 使用的电池类型 不同的电池需要不同的充电器 2 MAX1898 1 如何使用 MAX1898 MAX1898 是本次设计充电器中的一个关键的器件 首先需要了解 MAX1898 的一些基本的特性和功能 MAX1898 配合外部 PNP 或 PMOS 晶体管可以组成完成的单节锂电池充电器 MAX1898 提供精确的恒流 恒压充电 电池电压调节精度为 0 75 提高了电 池性能并延长了使用寿命 充电电流由用户设定 采用内部检流 无需外部检 流电阻 MAX1898 提供了用于监视充电状态的输出 输入电源是否与充电器连 接的输出指示和充电电路指示 MAX1898 可对所有化学类型的锂离子电池进行安全充电 电池调节电压为 4 2V 采用 10 引脚 超薄型 MAX 封装 在更小的尺寸内集成了更多的功能 只需少数外部元件 MAX1898 的基本特点如下 4 5V 12V 输入电压范围 内置检流电阻 0 75 电压精度 可编程充电电流 输入电源自动检测 LED 充电状态指示 检流监视输出 MAX1898 的引脚如图 3 4 所示 IN 1 CHG 2 EN OK 3 ISET 4 CT 5 RST RT 6 BAT T 7 GND 8 DRV 9 CS 10 MAX1898 图 3 4 MAX1898 的引脚 MAX1898 的引脚功能如下 IN 传感器输入 检测输入电压和电流 CHG LED 驱动电路 EN OK 逻辑电平输入允许 电源输入 好 ISET 电流调节 CT 安全的充电时间设置 RSTRT 自动重新启动控制引脚 BATT 接单个 Li 的正极 GND 地 DRV 外接电阻驱动器 CS 电流传感器输入 MAX1898 外接限流型充电电源和 P 沟道场效应管 可以对单节锂离子电池 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 效耗散 可以实现预充电 具有过压保护和温度保护功能 最长充电时间限制 为锂离子电池提供二次保护 MAX1898 的典型充电电路如图 3 5 所示 图 3 6 中的 MAX1898 内部电路包括 输入调节器 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 输入电流调节电路用于限制电源的 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限 流门限时 通过降低电池充电电流可达到控制输入电流的目的 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 墙上适配器或其他直流电源 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充电器对 直流电源的要求 同时也简化了输入电源设计 图 3 5 MAX1898 的典型充电电路 电源输入 锂离子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 一般的 可以采用直流电源加上变压器提供 输出 MAX1898 通过外接的场效应管提供理电池的充电接口 充电时间的选择 MAX1898 充电时间的选择是通过外接的电容大小决 定的 标准的充电时间为 1 5 小时 最大不要超过 3 小时 根据这个标准 可 以计算得到外接的电容的容值 如下所示 定时电容 C 和充电时间 Tchg 的关系式满足 C nF 34 33 Tchg hours 设置充电电流 MAX1898 充电电流在限制电流的模式下 可以通过选 择外接的电阻阻值大小决定 2 如何在单片机系统中使用 MAX1898 锂离子电池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 锂离子电池的这些特点使得选用 单节锂离子电池供电的产品也越来越多 然而 锂离子电池的不足之处在于对 充电器要求比较苛刻 需要保护电路 为有效利用电池容量 需将锂离子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保护 为电池提供附加保护 针对这些应用特点 本设计提出了一种基于单片机 AT89C2051 和 MAX1898 的智能充电器 该充电器有如下的功能 具有预充电功能 具有充电保护功能 具有自动断电功能 具有充电完成报警指示功能 在 MAX1898 内置的充电状态控制和外围的单片机控制下 充电过程分为预 充 快充 满充和报警 5 个部分 以下分别介绍 预充 在安装好电池之后 接通输入直流电源 当充电其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 电压 温度恢复到正常状体 预充电时间由 CT 口外接电容确定 如果在预充 时间内电池电压达到 2 5V 且电池温度正常 则进入快充过程 如果超过预充 时间后 电池电压低于 2 5V 则认为电池不可充电 充电器显示电池故障 由 单片机发出故障指令 LED 指示灯闪烁 快充 快充过程也称恒流充电 此时充电器以恒流电流对电池充电 根据电池厂 商推荐的充电速率 一般锂离子电池大多选用标准充电速率 充满电池需要 1 个小时左右的时间 恒流充电时 电池电压将缓慢上升 一旦电池电压达到所 设定的终止电压 恒流充电终止 充电电池快速递减 充电进入满充过程 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池为 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 减少了电 池内阻和其他串联电阻对电流端电压的影响 但串联在充电回路中的电阻形成 的压降仍然对电池终止电压的检测有影响 一般情况下 满充和顶端终止充电 可以延长电池 5 10 的使用时间 断电 当电池充满后 MAX1898 芯片的 2 引脚发送的脉冲电平将会被单片机检测 到 引起单片机的中断 在中断中判断出充电完毕的状态 此时 单片机将通 过 P1 2 口控制光耦 切断 7805 向 MAX1898 芯片的供电 从而保证芯片和电池 的安全 同时也减少功耗 报警 当电池充满后 MAX1898 芯片本身会向外接的 LED 灯发出指令 LED 灯会 闪烁 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 MAX1898 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 3 4 23 4 2 充电控制电路的实现充电控制电路的实现 1 电路原理和器件选择 在这里列出和本次设计相关的 关键部分的器件名称及其在电路中的主要 功能 AT89C2051 充电器的控制器 控制 MAX1898 的充电过程 并在充电完毕 后切断电源和进行报警 MAX1898 电池充电芯片 在单片机的控制下实现对锂离子电池的充电控 制 LM7805 电压转换芯片 将外部的 12V 电压转化为 5V 电压 作为单片机 和 MAX1898 的电源 PNP P 沟道场效应管或三极管 LEDR 红色的表贴发光二极管 表示电源接通 LEDG 绿色的表贴发光二极管 表示充电状态 U14 蜂鸣器 6N137 光耦 连接 LM7805 和 MAX1898 的电源输入端 2 地址分配和连接 只列出了和本次设计相关的 关键部分单片机与各个功能管脚的连接和相 关的地址分配 CHG MAX1898 充电状态输出 连接到单片机的 INT0 单片机判断充电完 毕后 通过 P1 2 引脚切断 MAX1898 的电源输入 GATE 连接单片机的 P1 2 引脚 当单片机判断充电完毕后 P1 2 管脚输 出低电平 光耦不导通 从而切断 MAX1898 的电源输入 BEEP 单片机控制蜂鸣器的引脚 5V LM7805 的输出端 为 5V 电压 5VIN 光耦输出到 MAX1898 的电源输出端 该端口的导通与否是通过单 片机的 GATE 信号控制的 3 功能简介 首先 监测 MAX1898 的输出信号 CHG 当 MAX1898 将要完成充电时 该引 脚会发出周期为 4s 的脉冲 单片机的 INT0 引脚接收中断后 产生中断 并使 用单片机的 T0 计数器开始计数 当下一个脉冲到来时 在定时器程序中判断 单片机的计数值是否在 4s 左右 如果是 则通过控制 P1 2 和 P1 3 引脚关断 电源 并引发蜂鸣器报警 利用 MAX1898 LM7805 和 AT89C2051 单片机共同构成的锂离子电池充电器 图 3 6 锂离子电池充电电路 第第 4 4 章章 锂电池充电器软件设计锂电池充电器软件设计 4 14 1 程序功能程序功能 基于单片机 AT89C2051 和 MAX1898 的智能电池充电器的程序需要完成以下 的功能 通过 CHG 信号引起 INT0 外中断 在两次中断中使用 T0 计数 判断是否充电完毕 如果充电完毕 则控制 P1 2 和 P1 3 引脚 输出低电平 4 24 2 主要变量说明主要变量说明 程序中的变量及说明如表 4 1 所示 表 4 1 变量及说明 变量说明 GATE单片机的 P1 2 口 控制电源的开关 BEEP单片机的 P1 3 口 控制蜂鸣器 t countT0 的计数值 int0 count外部中断脉冲 int0 外中断 0 服务程序 timer0 定时器 0 中断服务程序 4 34 3 程序流程图程序流程图 单片机控制的智能充电器的程序流程图如图 4 1 所示 Y 外部中 断入口 Int0 count 0 启动定时器 0 t count 0 返回 Int0 count N 图 4 1 b 外部中断 程序 开始 初始化 while 1 图 4 1 a 等待外部 信号输入 Y N N N Y Y 定时器 0 服务程序 关闭 T0 计数 重设计数初值 3s t count 5s Int0 count 为 1 充电完毕 蜂鸣器 报警 切断电源 关闭 T0 中断和 外部 0 中断 返回 启动 T0 计 时 充电出错 图 4 1 c 定时器程序 Int0 count 0 t count 结论结论 在这次毕业设计中许多同学也为我加油 鼓劲 也使我们的同学关系更进 一步 同学之间互相帮助 有什么不懂的大家在一起商量 听听不同的看法对 我们更好的理解知识 所以 在此 我向各位老师及同学们表示我最衷心的感 谢 同时 我也感谢我的所有任课老师 是他们把我带入了电子学科学殿堂 在整个设计中我懂得了许多东西 也培养了我独立工作的能力 树立了对 自己工作能力的信心 相信会对今后的学习工作生活有非常重要的影响 而且 大大提高了动手能力 使我充分体会到了在创造过程中探索的艰难和成功时的 喜悦 虽然这个设计做的也不很好 但是在设计过程中所学到的东西是这次设 计的最大收获和财富 使我终身受益 我会带着这份求学精神 带着老师和同学们寄予我的厚望 好好地把握机 会 在以后的生活 工作岗位上发挥自己最大的优势 实现自己的人生价值 致谢致谢 通过努力这次设计顺利完成了 并最终定稿 看着自己的劳动结晶 内心 充满了感激 在此我要感谢我的指导老师对我的悉心的指导 感谢老师给我的 帮助 在设计过程中 老师在百忙之中还挤出休息时间给我用电子邮件和电话 的方式为我指点迷津 为我耐心讲解 给