智能充电器设计

1、智能充电器设计学校 ： 陕西电子科技学院 专业： 电子信息科学与技术姓名 ： 赵淑珍 学号： 1407072141 导师： 余建权 3摘要本设计是针对目前大多数充电器只具备充电功能,没有充电监控和智能控制功能而设计的。本设计的智能控制是利用价格比较便宜的51单片机，通过外围电路的AD转换，由MCU对充电状况进行实时监控，实现充电器的智能控制、充电进度显示和充满提示功能，消除一般充电器充满后电路继续工作的缺点。本设计以集成充电管理芯片MAX1898EBU42为充电控制模块，实现充电、过压保护和温度保护等多种保护功能，确保充电的安全进行，采用AT89C52为控制系统的核心，以ADC0832数模转化

2、，采集充电电压的实际状况，以LCD1602液晶显示电压及充电进度，并通过STC89C52对电路进行监视和控制。本文针对以上设计，采用软硬结合的方式，系统阐述设计思想和设计理念。本设计通过模拟仿真实验证明，理论可靠，效果明显，具备成为可用产品的条件，是电子产品充电的好帮手。关键词:AT89C51单片机；MAX1898芯片；智能充电器；ADC0832转换；LCD液晶显示；Abstract In this paper, it designs of the circuit simple, high efficiency and low power consumption smart charger d

3、esign in system. It is on the basis of integrated charging management chip MAX1898EBU42 to charge control module. It also has some protection functions, for example charging, overvoltage protection and temperature protection. It used AT89C51 as the core of the control system, to achieve full automat

4、ically disconnect and alarm to remind users can extend battery life. ADC0832 analog-to-digital conversion, with the acquisition of voltage, through LCD1602 LCD display voltage and charge process. This paper uses the combination of hard and soft to control to charge intelligently. The experiment prov

5、es that the design of the charger has low power consumption, system stable and reliable work, high intelligent degree, and low cost, low loss, high security, high service life. It will be the ideal product in life.Key words: AT89C51; MAX1898 chips; Intelligent charger, ADC0832 transformation; LCD li

6、quid crystal display;目录摘要1Abstract11 总体方案设计11.1 设计框图11.2设计构思22 方案论证与设计22.1 主控电路的设计选择与论证22.1.1 MCU的可选方案22.1.2 选定方案22.2 电池充电控制芯片的选择与论证32.2.1智能锂电池充电控制芯片SMC40132.2.2智能锂电池充电控制芯片MAX175832.2.3智能锂电池充电控制芯片MAX1898EBU4242.3 显示设备的选择与论证42.3.1数码管显示42.3.2液晶显示43 硬件电路设计63.1 直流电源电路的设计63.1.1电源电路原理图63.1.2直流电源电路的功能简介63.

7、2 直流稳压电源电路的设计73.2.1稳压电路原理图73.2.2稳压电路参数设计73.3 智能充电器控制模块设计与实现83.4 ADC0832数模转换模块设计与实现93.5 自动断开及报警电路的设计与实现104 软件流程设计114.1 软件总流程114.2软件子流程124.2.1 A/D转换算法流程124.2.2电压及充电进度显示流程134. 3 软件整机程序设计145 硬件调试与仿真155.1直流稳压电源调试与仿真155.2 ADC0832模数转换电路的测试与仿真175.3 液晶电路的测试与仿真175.4 自动断开及报警电路测试与仿真186 测试检测196.1测量仪器196.2 基本功能19

8、6.3 发挥功能197 总结20附录一：元件清单21附录二：程序说明22智能充电器的设计1 总体方案设计1.1 设计框图LCD1602显示进度和状态DC5VMAX1898AC220V充电输出ADC0832输出电压采样充电报警STC89C52智能控制Li+电池输出状态控制图1 系统框图1.2设计构思本方案智能充电器通过恒压充电的方式，将220V市电通过变压、整流、滤波和稳定处理，输出5V直流电压，将该电压输入电源管理芯片MAX1898进行控制和输出用于给电池充电。在充电同时，采集电池两端电压，通过AD转换，送单片机进行预设判断和处理，由单片机通过液晶显示相关参数和充电进度，在充电完成后，由单片机

9、发出一定时间的报警，自动断电终止充电。 2 方案论证与设计2.1 主控电路的设计选择与论证2.1.1 MCU的可选方案1）AT89C51单片机价格便宜，可降低设计成本，但由于功能单一，内部资源有限，所以市场已经很少这种单片机。2）MSP430单片机，16位单片机，具有低功耗的节电模式，资源丰富，被广泛使用，就功能控制和功耗来说是最佳选择，但价格相对较高，用于本设计不经济实用。3）STC89C52单片机，兼容MCS-51的全部优点，价格低廉，为本设计首选主控MCU。2.1.2 选定方案STC89C52芯片的内核为8051芯片的增强型，除具有51系列单片机的性能外，还具有以下的功能特点 ：1、 工

10、作电压范围宽（2.7V6V），全静态工作，工作频率宽在0Hz24MHz之间。2、 片内有4k字节的在线可重复编程、快速擦除快速写入程序的存储器。3、 低损耗、高性能、CMOS八位微处理器，系统工作稳定，方便高效的开发环境。4、 128×8位内部RAM，32位双向输入输出线，两个十六位定时器/计数器，五个中断源,两级中断优先级。综合上述，由于STC89C52众多的优良性质，尤其是高速度和多功能引脚的特性，这样可以减少扩展，提高性价比。因此，本设计最终才用STC89C52单片机作为主控CPU。2.2 电池充电控制芯片的选择与论证2.2.1智能锂电池充电控制芯片SMC401SMC401主要

11、是用于锂电池的充电器芯片，内嵌8位MCU，具有全程智能检测和智能控制，根据电池充电曲线的不同阶段，进行恒流、恒压充电，具有过流、过放电涓流预充、温度检测及保护、LED状态指示等功能。采用此芯片可以提高电池充电的饱和度，延长锂电池的使用寿命，除此之外，芯片还能通过补偿电池的内阻缩短充电时间。SMC401芯片的充电方式分为三个阶段：预充，恒流充电及恒压充电。此芯片是一款高级的充电控制芯片，一般用于笔记本电脑的充电控制，性能优越但价格偏贵。2.2.2智能锂电池充电控制芯片MAX1758MAX1758是Maxim公司生产的锂电池充电控制芯片，可实现智能充电，自动检测调节电流、电压、温度等参数，为电池提

12、供安全、高效的设计方案。其功能和MAX1898基本相似，只是MAX1758常用于笔记本及高档仪器的电源管理芯片，外围电路复杂，引脚多，价格高。SMC401是一款更高级的充电控制芯片， 8位MCU集成芯片控制，使用方便简洁，外设电路简单，但是介于此次设计要用单片机为控制芯片，所以此芯片不做考虑。MAX1758和MAX1898可以作为智能充电器的电路控制芯片，考虑到MAX1898的外围电路简单，易于焊接，更适合做小型充电器研究的青睐。2.2.3智能锂电池充电控制芯片MAX1898EBU42MAX1898EBU42芯片是专门的充电控制管理芯片，其内部集成了输入电流调节、电压检测、电流检测、定时器及温

13、度检测等电路，芯片外围由PNP或PMOS组成锂电池充电器，可精确的对充电电池进行恒流、恒压充电，精度可高达±0.75%。其MAX1898电池控制芯片的特点如下：1，4.5-12V的电压输入范围；2，可编程充电电流；3，片内检流电阻及监视输出；4，LED充电状态指示；5，电源自动检测；根据以上可选电源管理芯片的性能比较，MAX1898EBU42的功能和特点，符合本设计的电源管理功能，所以作为本设计的电源管理模块使用，与STC89C52一起作为本设计的电源管理模块。2.3 显示设备的选择与论证2.3.1数码管显示在智能显示部分，数码管也是一个可选用的参考方案，如果采用数码管，可以使用一个

14、3/8译码器作为位选芯片，一个74LS573作为段选芯片，完成电压及进度显示，此方案虽然电路简单，控制方便，但是，显示内容简单，缺乏全面显示信息缺点，并且其功耗大，只能效果差。2.3.2液晶显示LCD1602液晶显示具有功耗低，显示信息量大，驱动简单，无辐射危险，显示直观、寿命长和抗干扰能力强等优点，在低功耗的单片机系统中得到大量使用。在单片机系统开发中，作为常用的程序和电路模块进行整体设计。液晶显示电压及充电进度，对显示区域进行控制。单片机控制显示部分的液晶模块作为输出有一下优点： （1） 显示质量高：每一个点在收到信号后就一直保持那种色彩和亮度，恒定发光，因此液晶显示画质量高无闪烁。（2）

15、 数字式接口：液晶显示都是数字的，与单片机接口连接简单。（3） 体积小，重量轻。（4） 功耗小：液晶显示的功耗主要消耗在内部电极和驱动IC上，因此耗电量低。综上所述：此次设计应选择LCD液晶显示，可以很直观清楚地显示电压和进度，为人们清楚地知道充电的情况，及时切断电源，延长电池的使用寿命。3 硬件电路设计3.1 直流电源电路的设计3.1.1电源电路原理图 3.1.2直流电源电路的功能简介此电路通过将市电220v通过变压，整流电路，滤波电路，稳压环节得到稳定的5v电压输出。其各部分的作用如下：（1） 电源变压器：将220v电网电压转换为整流电路所需要的交流电压，而少部分电路采用电容降压，如遥控电

16、风扇电路。（2） 整流电路：将交流电压转化为直流电压。常用的整流电路有半波整流电路、全波整流电路和桥式整流电路。（3） 滤波电路：将脉动直流电压转化为平滑的直流电压，常用的滤波电路有电感滤波、电容滤波、阻容滤波，最常用的是电容滤波。（4） 稳压电路：采取三端稳压电路LM7805将直流电源输出的电压稳定，不受电网电压或负载的影响。在线性电源中常用的稳压电路有二极管稳压，串联稳压。3.2 直流稳压电源电路的设计3.2.1稳压电路原理图3.2.2稳压电路参数设计（1）Ui是整流滤波的输出电压，C1，C2陶瓷电容目的是使稳压器在整个输入电压和输出电流变化范围内，提高工作稳定性和改善瞬变响应。C0是进一

17、步减小输出电压的波纹。（2）稳压器输入电压值得确定：输入5v集成稳压器，最小输入电压Ui为：当Ui-Uo=210v最有较好的稳压输出特性，Umin=Uo+(Ui-Uo)min+URIP+Ui =5+2+0.7+0.77 8.5v注：URIP稳压器输入电压的纹波电压一般取Uo、(Ui-Uo)min之和的10%；电网电压波动引起输入电压的变化Ui取Uo、(Ui-Uo)min、URIP之和的10%。3.3 智能充电器控制模块设计与实现STC89C52单片机最小系统是用最少的元件组成的单片机可以工作的系统。一般包括单片机、晶振电路、复位电路。对于STC89C52由于内部有4k可在线编程的Flash存储

18、器，不许外部扩展程序存储，有复位电路和时钟电路。即单片机组成的最小系统如下： 3-1 单片机最小系统图 充电芯片MAX1898内部具有电流调节，电压检测、电流检测，温度检测等，包括系统负载电流与充电电流，检测输入电路大于设定门限电流时，通过降低充电电流，从而控制充电电流，max1898外接限流型充电电源和PNP功率三极管，可进行有效充电，外接电容设定充电时间，电阻设定最大充电电流。它的最大特点是子啊没有使用电感的情况下仍能保持很低的功率耗散，可实现预充，具有过压保护和温度保护功能以及为电池进行二次保护。电路图如图3-2图所示： 3-2充电芯片MAX1898控制图 3.4 ADC0832数模转换

19、模块设计与实现ADC0832模数转换器电路，是将采集的模拟电压，转换成数字信息送到单片机，与单片机进行显示处理，并与内部设定的充电参数进行比较，根据运算和比较结构，驱动充电控制电路。ADC0832可对两路模拟信号进行A/D转换，本设计只需一个通道，选择通道CH0作为A/D转化的输入通道。在采集充电电压时，为了不影响充电输出从的电压电流参数，本设计在输出模拟电压采集点与A/D转换的输入端加接了输入阻抗很大的集成运算放大器LM358，利用集成运放的跟随器特性，采集输出电压的模拟量，这样的设计，其优点是：1）不影响原充电电路的输出。2）采集的输出电压比较准确，为准确控制创造条件。设计图中的电位器是仿

20、真软件仿真时，为验证充电电压的变化，MCU的控制效果而加上去的，实际的设计电路应该去掉。 3.5 自动断开及报警电路的设计与实现自动断开电路设计原理：智能充电器设计的智能之处在于，当电源给电池充电充满时，为避免损害电池及延长电池的使用寿命，用单片机智能控制，使其自动断开，自动断开电路由继电器和二极管完成。 当电池充满电后，通过继电器断开电源，由于继电器线圈的电流不能突变，在电源切断后，线圈中原有的电流需要一个回路慢慢释放的回路。尽管在断电后，继电器线圈中的电流很小，但如果没有回路则相当于小电流串接了一个无穷大的电阻，两者相乘得到线圈两端的电压很高，有可能烧坏线圈，因此，本设计在继电器旁加接了一

21、个电流泄放二极管，其作用是给切断电源后继电器线圈电流一个泄放回路，来避免线圈被烧坏。 蜂鸣器电路设计：蜂鸣器电路比较简单，通过单片机的编程控制，可直接启动蜂鸣器工作，所不同的是，如果报警没完没了，那么充电完成后长时间的蜂鸣也会增加噪音，尤其是晚上，可能影响休息，所以，蜂鸣器在充满自动报警后，设计了报警一段时间自动停止报警。初始化LCD1602液晶显示器电压采样ADC0832转换数据转换读取ADC08采样电池数据显示电池数据1.关闭充电模式2.启动充满提示3.报警一定时间自动停止开始电量充足与否？启动充电模式否结束是4 软件流程设计4.1 软件总流程从充电电池端采集电压，用集成运算放大器放大组成

22、的电压跟随器进行，然后将ADC0832进行模/数（A/D）转换，送到单片机处理，以显示电池电量及充电进度，判断电量充足与否，如果电量不足启动充电模式继续充电，若充满则关闭充电模式，启动充满提示，启动报警，并报警一段时间自动关闭，在LCD1602液晶上显示出电压和充电进度。4.2软件子流程4.2.1 A/D转换算法流程采集电压取A/D转换值将算子左移1位并保存YN读取ADC0832一位返回读取值8次否ADC0832是8位AD转换器，采用的是串行输出以节省MCU的I/O资源。对于ADC0832的读取，按照ADC0832的通信协议，从高位依此读取，程序将取得的数字首先存入辅助运算器的最低位B.0位，

23、然后每读取一位，则将B左移一位，直到第八次为止，这样，就可将ADC转换的模拟量的数字量读出。用右移的办法来代替，再将各部分的移位结果进行加（减）运算，即可获得转化后的结果，软件流程如图所示，其中N,Y是分支转移的判断，表示YES和NO。基于上述思想避免常规浮点法占用大量CPU时间，又避免查表法需扩展大量的程序存储器，用于存放查表数据的不足。4.2.2电压及充电进度显示流程液晶初始化读入数据调整输出U=date*196/10000数据处理ADC0832的参考电源选择5V标准电压，转换为8为二进制数，则数字量1代表5/2550.0196V，这样，从ADC0832读到单片机中的值转化为实际电压为Vo

24、lt= 196 * data/10000液晶显示就是针对这个数值进行显示和处理。对于手机电池标准3.7V的电压，一般在3V的时候就不能启动手机，所以，一般吧3V作为无电状态，这个值对应的二进制数为153，这个值作为MCU判断无电或低电量的标准，当data153时，显示LCD显示0%或者低电压状态。3.7V标准电压对应的二进制数为189，这个值作为充电完成的标准，当data189时作为电压充满的标准，LCD显示100%。这两个参考电压对应点ADC0832的值，两者相差189 153 =36.所以，充电过程也是单片机读取的ADC0832的值从153到189之间的变化过程，进度百分比为 Percen

25、t = 100 *（Data-153）/36 当ADC0832的值超越189为充满，MCU切断充电电路并发出一段时间报警。这就是软件的设计思路。4. 3 软件整机程序设计通过keil仿真软件，结合单片机的智能控制实现模拟到数字的转化，以及控制驱动LCD1602液晶实现电压及充电进度的测量与现实，实时显示充电进度及充电电压。当充电器给电池充电为100%时，智能断开电源充电并且自动启动蜂鸣器报警并且能智能控制报警时间，自动停止报警，以避免夜间充电报警时，打扰休息。当然，即便如此还是会对生活带来不便的地方，因此，将智能控制蜂鸣器的启动作为可预留处理问题：假设设计一种能辨别夜间和白天的电路或程序，通过

26、单片机控制其在晚间充电充满时，不会报警，只会自动切断电源，避免过充，即便电路中有过充控制，但是还是对电池有一定损害，影响电池的使用寿命。而当在白天充电充满时，则自动切断电源并发出一定时间的报警，提醒及时切断充电，延长了电池的使用寿命，不仅可增加电池的重复使用次数，减少电池的生产量，而且可以保护环境。5 硬件调试与仿真5.1直流稳压电源调试与仿真经过计算调试与仿真，使电路能完成5v稳压，1A电流稳压的功能。5.2 ADC0832模数转换电路的测试与仿真在电池输入端采集电压，通过ADC0832的数模转换，经LM358集成运放放大，送到单片机进行智能控制，经过对程序的调试与仿真，达到电压采集并输出成

27、功。充电电压可达3.7v的容量电压。5.3 液晶电路的测试与仿真通过protues对单片机进行编程与仿真，首先将采集的数字电压通过单片机编程控制，经电压值分成255份，一份则代表1%的电压。再初始化液晶，将电压值及电压进度通过LCD1602的液晶，清楚地呈现充电的进度及电压情况。5.4 自动断开及报警电路测试与仿真经过对单片机程序的编写与调试，仿真结果实现了继电器控制电池充满时自动断开，及蜂鸣器的一定时间报警。6 测试检测6.1测量仪器1.数字万用表；2.示波器；3.频率计6.2 基本功能要实现的功能测试结果输出电压为5V、电流为1A的直流电源实现了此功能当直流输入电压在5.525V变化时，输

28、出电压为5±0.05V电压实现了此功能实时显示充电电压及充电进度达到要求6.3 发挥功能功能测试结果电池充满时自动切断电源实现电池充满时自动报警实现过压保护和温度保护实现7 总结通过这次课程设计的实践中，通过自己对资料的查询及知识的学习，让我受益匪浅，终身难忘。我不仅完成了一件作品，而且大大提高了我们的创新精神，动手能力，独立工作的能力，相信会对今后的学习、工作和生活中有非常重要的影响。本次设计为软硬结合，又以软件智能控制为主，在硬件的电路设计中，不断找寻最合适的元器件及参数，通过Multisim测试软件，对电路进行仿真，实现最终目标。在调试的过程中遇到了不少错误，通过不断检测细心地

29、检查电路的连线，测量电路的参数，单步运行可能出问题的程序段，直至找到错误的根源。在实践中不断改进自己的电路以及程序代码。 实践证明，只要细心，耐心，用心，对于不会的问题多请教以及查阅资料，自我充电，不断用知识武装头脑才可以完成我们所期待的目标。参考文献【1】 胡宴如 耿苏燕 模拟电子技术 高等教育出版社【2】 杨志忠 卫桦林 数字电子技术 高等教育出版社【3】 胡宴如 高频电子线路 高等教育出版社【4】 李全利 单片机原理及应用技术 高等教育出版社【5】 姜志海 单片机的C语言 电子工业出版社【6】 谭浩强 C语言程序设计 清华大学出版社【7】 葛中海 开关电源实例电路测试分析与设计附录一：元

30、件清单元件规格数量个单片机AT89C511max18981AD转换ADC08321LCD液晶显示LM016L(1602)<14脚>1继电器5v/RTE24005F1集成运放LM358(U3:A)5v1排阻RESPACK-81喇叭BUZZER/SPEAKER1晶振11.0592HZ1变压器220v/50hz 9v-5v1电阻2.7k150110k118212001301149.9122012.8k1电容33pf220uf10.1uf2220uf1100nf110uf1三极管PNP/DB1382PNP1极性电容470uf2二极管DIODE2IN40015稳压管02DZ4.7102DZ2

31、.22发光二极管LED红，绿红2绿1三端稳压LM7805CT/5V1按键SW-PB1PCB印刷板10cm*10cm（大的）1插头1导线3mUSB接口1附录二：程序说明/ LCD_DATA=P0 / rs=P2.4,e=P2.5 / ADC0832:DI=P2.2,DO=P3.3/#include"reg51.h"#include"intrins.h"#define uchar unsigned charsbit cs=P20;sbit clk=P21;sbit di=P22;sbit DO=P23;sbit B0=B0;sbit rs=P24;sbit

32、e=P25;sbit OFFON=P26;sbit beep=P27;unsigned int dat;uchar tab1=" Percent:"uchar tab2=" Power:"/ delay time /void delay(uchar ms)char k; while(ms-) for(k=0;k<100;k+);/ readADC0830 /uchar rADC() char i;cs=1;_nop_();cs=0; clk=0;_nop_(); di=1; /di=1 clk=1; _nop_(); clk=0; _nop_();

33、 clk=1; /di=1_nop_(); clk=0; _nop_(); di=0; /di=0 clk=1; _nop_(); clk=0; clk=1; _nop_(); /set 8bit no set 7bit clk=0; for(i=0;i<8;i+) B=B<<1; clk=1; B0=DO; _nop_(); clk=0; return B; /LCD1602 write command /void w1602c(uchar datt)char m; rs=0;e=0;P0=datt;m=4;while(m-);e=1;m=8;while(m-);e=0;/ LCD1602 write data /void w1602d(uchar datt)char m; rs=1;e=0;P0=datt;m=4;while(m-);e=1;m=8;while(m-);e=0;/ init LCD1602 /void ini