智能锂离子电池快速充电器的设计

毕业设计论文论文题目智能锂离子电池快速充电器的设计系部电气工程系专业电机与电器班级电器0912012年05月08日摘要锂离子电池由于能量密度高和长循环寿命等优点，在便携式设备中得到了广泛的应用。安全、可靠、快速、高效的锂电池充电器对锂电池的性能及应用起着至关重要的作用。但是，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。锂离子电池要求的充电方式是恒流恒压方式,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。因此，安全有效的智能型锂离子电池充电器对于锂离子电池来说就是必须而且是必要的。在硬件方面，完成了单片机系统的设计，包括系统电压、电流、温度的采样及功能按键等。可实现恒流、涓流等充电过程，具备容量、残压检测功能，具备故障监测和报警功能。实用软件方面，采用模块化的程序设计，介绍了模块划分和各模块的功能，实现的具体算法，给出了流程图，并根据系统工作需求进行了低功耗和软件抗干扰设计，确保了系统运行的可靠稳定性。本设计提高了充电器智能化水平，更精确的实现充电过程控制，保护电池，延长电池寿命。关键词充电器；恒流充电；涓流充电；单片机ABSTRACTLITHIUMIONBATTERYISBEINGWIDELYUSEDINPORTABLEDEVICEFORTHEIRHIGHENERGYDENSITYANDLONGCYCLELIFESAFE,RELIABLE,FASTANDEFFICIENTCHARGERPLAYAROLEINTHEPERFORMANCEANDAPPLICATIONOFTHEBATTERYBUT,THESHORTAGEOFLITHIUMIONBATTERIESINTHEREQUESTTOTHECHARGERISHARD,ANDITNEEDAPROTECTIVECIRCUITLITHIUMIONBATTERYREQUIREDCHARGINGMODEISCONSTANTVOLTAGEWAYFORTHEEFFECTIVEUSEOFBATTERYCAPACITY,THELITHIUMIONBATTERYSHOULDBECHARGEDTOMAXIMUMVOLTAGEBUTOVERVOLTAGECHARGINGWILLCAUSEDAMAGETOTHEBATTERY,WHICHREQUIRESHIGHCONTROLPRECISIONINADDITION,THEBATTERYOFLOWVOLTAGENEEDTOPERCHARGECHARGERSWITHTHERMALPROTECTIONANDTIMEPROTECTIONPROVIDEADDITIONALPROTECTIONFORTHEBATTERYTHEREFORE,SAFEANDEFFECTIVEINTELLIGENTLITHIUMIONBATTERYCHARGERFORLITHIUMIONBATTERYISNEEDEDANDITISNECESSARYINHARDWARE,THEDESIGNACHIEVESTHEHARDWAREDETAILCIRCUITINCLUDINGTHESYSTEMVOLTAGE,CURRENT,TEMPERATURESAMPLINGCIRCUITANDFUNCTIONKEYSITCANACHIEVETHEPROCESSOFCONSTANTCURRENTCHARGEANDTRICKLECHARGEANDHAVETHECAPACITYANDPRESSURETESTINGFUNCTIONINSOFTWARE,THEDESIGNADOPTSMODULARPROCEDURES，WHICHANALYSISTHEPLOTTINGANDFUNCTIONOFEACHMODULE，ANDTHESPECIFICWAYOFREALIZATIONAREINTRODUCEDACCORDINGTOTHEWORKDEMANDSOFTHESYSTEM,LOWPOWERCONSUMPTIONANDSOFTWAREANTIINTERFERENCEAREDESIGNED，WHICHENSURETHESAFETYANDRELIABILITYOFTHESYSTEMTHEDESIGNCANIMPROVETHEINTELLECTUALIZATIONLEVELOFTHEBATTERYCHARGER,REALIZETHECONTROLTOTHECHARGEPROCESSMOREPRECISELY,PROTECTTHEBATTERYANDEXTENDITSLIFEKEYWORDSCHARGERCONSTANTCURRENTCHARGETRICKLECHARGESINGLECHIPMICROCOMPUTER目录第1章绪论111课题设计的主要背景312课题设计的主要工作3第2章电池的充电方法与充电控制技术421电池的充电方法和充电器422充电控制技术8第3章硬件设计1131主要器件1132MAX1898充电芯片1333单片机电路1634电源产生电路1835充电控制电路1936电路原理图和说明25第4章软件设计2841测量数据2842单片机控制程序设计2843上位机处理程序设计2844程序功能2945主要变量说明2946程序流程图30第5章系统的稳定性设计3351传感器的使用3352芯片稳定性控制34展望35致谢36参考文献37附录38附录1系统原理图及PCB图38附录2系统程序39第1章绪论11课题设计的主要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LIION电池。111二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11。表11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20400600无3镍镉电池1250150400500有1530镍氢电池126080240300500无2535锂离子电池361201403001000无25112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12V，而锂离子电池为36V，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36V，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1530月，镍氢电池为2535月，锂离子电池为25。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2730V，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41V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。113课题设计的意义本课题设计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。12课题设计的主要工作本文主要设计锂电池的充电方法，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2章电池的充电方法与充电控制技术21电池的充电方法和充电器211电池的充电方法2111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21所示。图21恒流电源充电电路2112恒压充电恒压充电电路如图22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22恒压充电电路2113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。2V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23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24所示。图23V控制系统框图图24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25电池温度检测简图图26电池温度和充电时间的关系212充电器的要求和结构2121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1C4C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ACDC变换获得低压直流电，可省去笨重的工频变压器。2122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27AA线右边所示。图27充电器结构框图213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210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。22充电控制技术221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032小时率电流。小时率电流值是由公式CAH/TH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05AH1H500MA，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28所示图28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。222快速充电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29。图29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BC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BC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03C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。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0V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3章硬件设计硬件电路的设计的核心器件是MAX1898、AT89C52。电路的设计围绕这两个器件展开的。电池管理系统液晶显示上位机控制电路驱动电路主回路电池键盘输入采样电路通信串行通信采样报警信号下位机控制电路图31硬件设计流程框图31主要器件311单片机充电芯片本设计的单片机芯片选用ATMEL公司的AT89C52，它可以完全满足要求。AT89C52是一个低电压，高性能CMOS8位单片机，片内含8KB的可反复擦写的FLASH只读程序存储器（ROM）和256B的随机存取数据存储器（RAM），器件采用ATMEL公司的高密度、非易失性存储技术生产，兼容标准MCS51指令系统，片内置通用8位中央处理器和FLASH存储单元AT89C52有40个引脚，32个外部双向输入/输出（I/O）端口，同时内含2个外中断口，3个16位可编程定时计数器,2个全双工串行通信口，2个读写口线，AT89C52可以按照常规方法进行编程,但不可以在线编程S系列的才支持在线编程。其将通用的微处理器和FLASH存储器结合在一起，特别是可反复擦写的FLASH存储器可有效地降低开发成本。管脚定义说明1VCC管脚系统供电电源2GND管脚接地管脚（3）P0端口（P00P07）P0端口是一组8位开环的双向I/O端口。当P0用作输出口时，没个管脚能保持8个TTL输入。当操作外部程序与数据区时，通过配置，P0还可用作地位的地址/数据复用端口。（4）P1端口（P10P17）P1端口是一组具有内部上拉电阻的双向I/O端口。由于存在上拉电阻，P1端口的外部电流IIL会很低。此外,P10和P11管脚可配置成为定时/计数器2的外部计数输入（P10/T2）和触发输入（P11/T2EX），具体配置如表31。在刷新程序代码和验证信息时，P1端口还可用来接受地位地址字节。表31P10和P11管脚配置管脚配置功能表述P10T2（定时/计数器2的外部计数输入），时钟输出P11T2EX（定时/计数器2的处罚和方向选择）（5）P2端口P2端口是一组具有内部上拉电阻的双向I/O端口。当系统使用16位地址信息读取外部程序区间或操作外部数据区间时，他发送高8位地址字节。这种操作一般使用MOVXDPTR语句实现。（6）P3端口P3是一组具有内部上拉电阻的双向I/O端口，同时它还具备许多系统功能，如表32所示。表32P3的功能管脚配置功能P30RXD（串行输入端口）P31TXD（串行输出端口）P32INT0（外部中断0端口）P33INT1（外部中断1端口）P34T0（定时器0的外部输入）P35T1（定时器1的外部输入）P36WR（外部数据存储区间的写入端口）P37RD（外部数据存储区间的读取端口）（7）RST管脚输入用于抚慰输入信号。（8）ALE/PROG管脚ALE表示地址所存使能信号，当防卫外部存储区间时，用来锁存低8位地址字节。/PROG表示在刷新程序代码时的程序脉冲输入信号。在正常操作时，ALE将以系统晶振频率的1/6发送一个固定的频率，可用于外部时钟或者定时。（9）/PSEN管脚/PSEN表示程序代码存放使能信号，主要用于读取外部的程序数据区间，当AT89C52执行外部程序数据区间中的代码时，/PSEN信号在每一机器始终周期内使能两次，但若单片机操作外部数据区间，/PSEN将无实际意义。（10）XTAL1管脚改管脚点解单片机晶振，作为晶振放大器和内部时钟处理电路的输入。（11）XTAL2管脚晶振放大器的输出。AT89C52管脚图如图32。图32AT89C52管脚图32MAX1898充电芯片MAX1898是一片MAXIM公司生产的单锂离子电池的线性充电器电路，是一款性价比比较高的线性充电芯片。MAX1898配合外部的PMOS或PNP晶体管可以组成完整的锂离子充电器。MAX1898提供了充电状态的输出指示、输入电压是否与充电器连接的输出制式和充电电流指示。MAX1898可以提供精确的恒流/恒压充电，提高了电池性能且延长了电池的使用时间。充电电流可自由设定，原理无需外部检流电阻，只用内部检流。MAX1898还可以可选过放电电池的低电流预充和充电终止安全定时器、输入关断控制、可选充电周期重启（不用重新给电）。它具有很高的集成度，在很小的尺寸内集成了很多的功能，基本上覆盖了基本的应用电路，大大简化了设计过程，因为只需少量外部的元件。321MAX1898的充电原理MAX1898外接P沟道场效应管和限流型充电电源，可以对锂离子电池进行快速、有效、安全的充电。这种连接方式有个很大的优点如果在没有使用电感的情形下，仍然能使功率耗散降到很低，这样可以进行预充电，同时具有温度、过压保护的功能，最长的充电时间的限制可以对锂离子电池进行二次保护。MAX1898集成度高，内部有很多电路主控制器、定时器、输入电流调节器、电压检测器、充电电流检测器、温度检测器。输入电流调节器可以限制电源的总输入电流（包括系统充电电流和负载电流）。充电电流检测器如果检测到输入电流大于设定的阈值电流时，可以进行反馈，使输入电流调节器降低充电电流，这样就会控制输入电流。这是因为当系统工作的时候，电源的电流变化范围很大，如果充电器没有输入电流检测的功能，则输入电源就必须能够提供最大充电电流和最大负载电流之和，这就会是电源体积增大、成本增加。正因为有这个功能，就会使充电器降低了对电源要求，与此同时，也大大简化了设计电源的过程。322MAX1898典型充电电路的过程图33MAX1898典型充电电路（1）电源输入输入电源范围为4512V。我们在上面讨论过，锂电池的充电方式必须为恒流恒压方式，所以电源的输入就采用恒流恒压源，我们可以用直流电源外加一个变压器来实现。（2）输出锂离子电池的充电接口可以外接一个场效应管来提供。（3）充电时间的选择充电时间TCHG的设置需要外接一个电容CCT（充电时间是快速充电时的最大充电电流）。充电时间与定时电容的关系CCT3433TCHGCCT单位是NF，TCHG单位为小时。在大多数情况下，快速充电的最大充电时间一般不超过3个小时，所以CCT常取100NF。（4）设置充电电流在限制电流的模式下，最大充电电流IFSTCHG的设置需要外接一个电阻REST，公式如下IFSTCHG1400/REST此式中，REST单位为，IFSTCHG单位为A。充电过程的启动很简单，只要把电池放进充电器就会检测到，之后就会开始充电。一般情况下，平均的脉冲充电电流要低于设置的快速充电电流的20，当充电时间超过我们设置的最大充电时间时，充电周期就会结束。MAX1898会自动检测充电电源，如果没有检测到电源时就会自动关断，尽量少的减少电池的漏电。快速充电启动之后，打开外接的P型场效应管，当检测到电池电压达到的设定的阈值时，就会竟如脉冲充电，P型场效应管打开的时间会越来越短。充电结束时，LED指示灯就会呈现周期性的闪烁。闪烁的含义如表表33MAX1898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15HZ频率闪烁因为充电器外部由12V来供电，所以就需要一个电压转换芯片将12V电压转换为5V电压，在这里可以选用三段电压转换芯片LM7805来完成电压的转换。33单片机电路331主要特性1STC89C52可以在线下载编程21000次擦写周期3晶振频率0HZ24HZ4三级加密程序存储器52658字节内部RAM632个可编程I/O口线73个16位定时/计数器88中断源P3口也可作为STC89C52的一些特殊功能口，如下表34所示表34P3口口管脚备选功能P30/RXD（串行输入口）P31/TXD（串行输出口）P32/INT0（外部中断0）P33/INT1（外部中断1）P34T0（记时器0外部输入）P35T1（记时器1外部输入）P36/WR（外部数据存储器写选通）P37/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（0000HFFFFH），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。332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光耦合器表356N137光耦合器的真表6N137光耦合器的真表输入使能输出HHLLHHHLHLLHHNCLLNCH6N137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850NM波长ALGAASLED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346N137光耦合器34电源产生电路LM7805集成电路三端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。它的样子象是普通的三极管，TO220的标准封装，也有LM9013样子的TO92封装。该系列集成稳压IC型号中的LM78或LM79后面的数字代表该三端集成稳压电路的输出电压，如LM7806表示输出电压为6V，LM7909表示输出电压为9V。这里LM7805，表示输出电压为5V。图35LM7805样品为了降低电压的干扰，保持电路稳定，在LM7805完成电压转换，将5V充电电源传给MAX1898之前，需要先经过一次管够模块6N137处理，这样，通过单片机对光耦模块的控制，可以及时关断充电电源。6N137的引脚功能图366N137引脚图表366N137引脚功能各引脚引脚功能NC1、4脚悬在空中（2脚）、（3脚）发光二极管的正负极GND5脚接地OUTPUT（6脚）输出EN7脚使能端。低的时候，无论有无输入，输出总是高。不用，悬空就行。VCC（8脚）电源输入端35充电控制电路351MAX1898充电芯片3511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。3512MAX18981如何使用MAX1898MAX1898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075，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42V，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45V12V输入电压范围；内置检流电阻；075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37所示。IN1CHG2EN/OK3ISET4CT5RSTRT6BATT7GND8DRV9CS10MAX1898图37MAX1898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。CHGLED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。图37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。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15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CNF3433TCHGHOURS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（1）具有预充电功能。（2）具有充电保护功能。（3）具有自动断电功能。（4）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。（1）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25V，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25V，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。（2）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。（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510的使用时间。（4）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P12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。（5）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。352充电控制电路的实现3521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（1）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。（2）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。（3）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。（4）PNPP沟道场效应管或三极管。（5）LEDR红色的表贴发光二极管，表示电源接通。（6）LEDG绿色的表贴发光二极管，表示充电状态。（7）U14蜂鸣器。（8）6N137光耦，连接LM7805和MAX1898的电源输入端。3522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（1）CHGMAX1898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P12引脚切断MAX1898的电源输入。（2）GATE连接单片机的P12引脚，当单片机判断充电完毕后，P12管脚输出低电平，光耦不导通，从而切断MAX1898的电源输入。（3）BEEP单片机控制蜂鸣器的引脚。（4）5VLM7805的输出端，为5V电压。（5）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。3523实现的功能首先，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P12和P13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38锂离子电池充电电路353充电器保护电路蓄电池充电器质量指标应该是以安全性、可靠性为第一原则。在电气技术指标满足正常使用的条件下，为使电源在恶劣环境及突发故障情况下安全可靠地工作必须设计多种保护电路，比如软启动电路，防过压、欠压、过热、短路、缺相等保护电路。36电路原理图和说明硬件电路是由单片机电路、电压转换及光耦隔离电路、充电控制电路组成图39单片机控制部分单片机部分的电路原理图如图39。其中，U1为单片机AT89C52，这是智能控制控制中心，工作频率为110592MHZ，其可通过外部中断口/INT0（12脚）响应充电芯片MAX1898输出的充电状态，并通过P20口输出控制信号控制隔离光耦6N137，随时启动或关断充电电源。LS1是蜂鸣器，他可有单片机的P21脚控制发出报警声提示。图310电压转换及光耦隔离部分电路原理图U2是电压转换芯片LM7805，由图我们可以看出来，输入时电源电压12V，输出经过LM7805就成了5V的电压，这是充电器需要的电压。C8是光耦隔离芯片6N137，输入VCC（8脚）与LM7805的输出（3脚）相连，输出OUTPUT是经过隔离的5V电压，U4的2脚与单片机的P20相连，单片机控制可以适时地关闭充电电源，这样可以防止电源的干扰。图311充电控制部分图311为充电控制部分的电路原理图，充电控制部分的核心器件是MAX1898，它的充电状态引出脚/CHG经过74LS04反相后于单片机/INT0相连，触发外部中断。R5是设置充电电流的电阻，阻值为28K，所以最大充电电流为500MA；C12是设置充电时间的电容，容值为100NF，所以最大充电时间是3个小时。LED_R是红色发光二极管，它亮表示电源接通；LED_G是绿色发光二极管，它亮时表示电池处于充电状态。Q1是由MAX1898驱动的P沟道场效应管。第4章软件设计在此充电系统中，不仅要有设计的硬件系统，而且要设计与硬件相匹配的软件系统，才能使充电器正常运行。软件设计主要是程序设计，程序控制充电环节的正常有序运行，而且保护电池不受过热、过压、过流的损坏，使电池保持稳定的性能。41测量数据在单片机的测量中,电池电压值和电流测量值经过多路选择器进行选择,然后通过A/D转换器转换为16进制数,直接存入单片机。电池电容量C则需要间接计算,由于每个循环周期检测电流一次,故可以利用电流值的积分求出电容量C。考虑电池内阻R的影响,可以得到计算电容量的计算公式为CN1CNITI2RT充电时间和剩余充电时间由上位机进行计算,剩余充电间等于预设的充电时间与已充电时间的差值。其中,预设时间可根据电池的型号预先得到。42单片机控制程序设计对于不同的电池和不同的参数,单片机需要设定不同的充电参数,选择不同的充电策略。另外,程序需要在电池过电流、过电压等异常情况下强制终止充电。以锂离子电池为例,一般采用恒流恒压充电方式,其充电过程包括小电流预充电、大电流充电、恒压充电等几部分。在控制恒定电流和恒定电压的过程中,采用比例控制,即如果充电电流I大于设定电流IS,就按照比例减小脉宽反之按照比例增大脉宽。单片机还需要接收和处理上位机的命令,并根据上位机的要求将数据实时回送给上位机。两者的通讯协议要在程序中预先设定。43上位机处理程序设计上位机程序由VISUALC编写。其任务