智能充电器毕业设计

智能恒压充电器设计学生：xxx指导教师：xxx内容摘要：电子技术的迅速发展使得多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称长的时期内共存发展。由于不一样类型电池的充电特性不一样，一般对不一样类型，甚至不一样电压、容量等级的电池使用不一样的充电器，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，详细阐明了系统的硬件构成，包括单片机电路、充电控制电路、电压转换及光耦隔离电路，并对本充电器的关键器件—MAX1898充电芯片、AT89C51单片机进行了较详细的简介。论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。关键字：智能恒压充电器锂电池MAX1898

DesignofintelligentconstantvoltagechargerAbstract:therapiddevelopmentofelectronictechnologymakesawidevarietyofelectronicproductstowardsportableandcompactlightweightdirection,moreelectricalproductsbasedonbatterypowersupplysystem.Atpresent,theuseofmorebatteriesnickel-cadmium,nickel-metalhydride,leadbatteryandlithiumbattery.Theirrespectivecharacteristicdecidedtheywouldinafairlylongperiodofcoexistence.Duetothedifferentcharacteristicsofdifferenttypesofchargeofthebattery,usuallyofdifferenttypes,andevendifferentvoltage,high-capacitybatteryusingdifferentcharger,butithasalotofinconvenienceinpracticaluse.Thedesignisbasedonasingle-chipLi-ionbatterycharger,inthedesign,selection,asimpleandefficienthardwaredesign,stableandreliablesoftware,adetaileddescriptionofthehardwarestructureofthesystem,includingsinglechipcircuit,achargingcontrolcircuit,voltageconversionandopticallycoupledisolationcircuit,andthechargercoredevices-MAX1898chargingchip,AT89C51chipareintroducedindetail.Elaboratedthesystemhardwareandsoftwaredesign.UsingthedevelopmenttoolofClanguage,adetaileddesignandcoding.Realizationofthesystemreliability,stability,securityandeconomy.Theintelligentchargerwithdetectinglithiumionbatterycondition;automaticswitchingchargingmodetomeettheneedofthechargerrechargeablebatterycharging;shortcircuitprotection;thechargingstatedisplayfunction.Inlifethebettermaintenanceofrechargeablebatteries,prolongsitsservicelife.Keywords:intelligentconstantvoltagechargerlithiumbatteryMAX1898目录序言 11实例阐明 12设计思绪分析 12.1要实现智能化充电器，需要从下面两个方面着手。 12.2为何需要实现充电器的智能化 22.3选择电池充电芯片 22.4MAX1898的充电工作原理 33智能恒压充电器硬件电路设计 53.1电路所需器件功能简介 53.1.1AT89S51引脚功能 53.1.2MAX1989引脚功能 83.2时钟电路设计 103.3电路原理图及阐明 113.4软件设计 143.5程序流程 154总结语 15附录1：单片机采样部分电路原理图 17附录2：PCB控制模块 18附录3：程序 19参照文献 22智能恒压充电器设计序言在人们平常工作和生活中，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旅行和出差办公提供了极大的以便。单片机在电池充电器领域也有着广泛的应用，运用它的处理控制能力可以实现充电器的智能化。充电器各类繁多，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。1实例阐明伴随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。这部分将通过一种经典实例简介51单片机在实现手机电池充电器方面的应用。实例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、自动断电和充电完毕报警提醒功能。实例的功能模块如下。单片机模块：实现充电器的智能化控制，例如自动断电、充电完毕报警提醒等。充电过程控制模块：采用专用的电池充电芯片实现对充电过程的控制。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，该电压在送给充电控制模块之前还需通过一种光耦模块。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。2设计思绪分析2.1要实现智能化充电器，需要从下面两个方面着手。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。智能化的实现。在充电器电路中引入单片机的控制。2.2为何需要实现充电器的智能化充电器实现的方式不一样会导致充电效果的不一样。由于充电器多采用大电流的迅速充电法，在电池充斥后假如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。某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亲密有关。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，可反复充电多次，使用寿命较长，价格也越来越低。锂电池对于充电器的规定比较苛刻，需要保护电路。为了有效运用电池容量，需将锂电池充电至最大电压，不过过压充电会导致电池损坏，这就规定较高的控制精度。此外，对于电压过低的电池需要进行预充，充电器最佳带有热保护和时间保护，为电池提供附加保护。一部好的充电器不仅能在短时间内将电量充足，并且还可以对电池起到一定的维护作用，修复由于使用不妥导致的记忆效应，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措施。专用的充电芯片具有业界公认很好的－△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，在充电后增长及时关断电源、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，同步可以维护电池，延长电池使用寿命。2.3选择电池充电芯片目前市场上存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。本设计要实现的是手机的单节锂离子电池充电器，规定充电迅速且具有优良的电池保护能力，因此在选择详细电池充电芯片时根据如下的原则。电池类型：不一样的电池（锂电池、镍氢电池、镍镉电池等）选择不一样的充电芯片。电池数目：可充电池的数目。电流值：充电电流的大小决定了充电时间。充电方式：是快充、慢充还是可控充电过程。最终选择Maxim企业的MAX1898作为电池充电芯片。MAX1898配合外部PNP或PMOS晶体管可以构成完整的单节锂电池充电器。MAX1898提供精确的恒流/恒压充电，电池电压调整精度为±0.75%，提高了电池性能并延长了电池使用寿命。充电电流可由顾客设定，采用内部检流，不必外部检流电阻。MAX1898提供了充电状态的输出指示、输入电源与否与充电器的连接的输出指示和充电电流指示。MAX1898还具有其他某些功能，包括输入关断控制、可选的充电周期重启（不必重新上电）、可选的充电终止安全定期器和过放电电池的低电流预充。MAX1898的关键特性如下。●简朴、安全的线性充电方式。●使用低成本的PNP或PMOS调整元件。●输入电压：4.5～12V。●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。●可编程安全定期器。●检流监视输出。●可选/可调整自动重启。●小尺寸μMAX封装。2.4MAX1898的充电工作原理充电芯片MAX1898的内部电路包括输入电流调整器、电压检测器、充电电流检测器、定期器、温度检测器和主控制器。输入电流调整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。当检测到输入电流不小于设定的门限电流时，通过减少充电电流从而控制输入电流。由于系统工作时电源电流的变化范围较大，假如充电器没有输入电流检测功能，则输入电源必须可以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，而运用输入限流功能则可以减少充电器对直流电源的规定，同步也简化了输入电源的设计。MAX1898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，其最大的特点是：在不使用电感的状况下，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，最长充电时间的限制可为锂电池提供二次保护。MAX1898的经典充电电路如图1所示。电路详细阐明如下。输入电压范围为4.5～12V。锂电池规定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。图2.4-1MAX1898的经典充电电路通过外接的场效应管提供锂电池的充电接口。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，它和定期电容CcT的关系如下式所示。(2.4-2)＝34.33×(2.4-2)式中，tCHG的单位为小时，CcT的单位为nF。大多数状况下，快充时最大充电时间不超过3小时，因此常取CcT为100nF。在限制电流的模式下，通过外接的电阻RSET来设置最大充电电流IFSTCHG，关系如下式所示。(2.4-3(2.4-3)式中，RSET的单位为Ω，IFSTCHG的单位为nF。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%，或者充电时间超过片上预置的最大充电时间时，充电周期结束。MAX1989可以自动检测充电电源，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，当检测到电池电压到达设定的门限时进入脉冲充电方式，P型场效应管打开的时间会越来越短。充电结束时，LED指示灯将会展现周期性的闪烁，详细的闪烁含义如表1所示。表2.4-3MAX1898经典充电电路的LED指示状态阐明充电状态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3智能恒压充电器硬件电路设计3.1电路所需器件功能简介3.1.1AT89S51引脚功能AT89S51单片机兼容MCS-51指令系统、4k可反复擦写(>1000次）ISPFlashROM、32个双向I/O口、4.5-5.5V工作电压、2个16位可编程定期/计数器、时钟频率0-33MHz、全双工UART串行中断口线、128x8bit内部RAM、2个外部中断源、低功耗空闲和省电模式、中断唤醒省电模式、3级加密位、看门狗（WDT）电路、软件设置空闲和省电功能、灵活的ISP字节和分页编程、双数据寄存器指针。AT89S51引脚图如图3.1.1-1所示。图3.1.1-1AT89S51引脚图各个引脚功能：VCC：电源GND：地P0口：P0口是一种8位漏极开路的双向I/O口。作为输出口，每位能驱动8个TTL逻辑电平。对P0端口写“1”P1口：P1口是一种具有内部上拉电阻的8位双向I/O口，p1输出缓冲器能驱动4个TTL逻辑电平。对P1端口写“1”引脚号第二功能：P1.0T2（定期器/计数器T2的外部计数输入），时钟输出P1.1T2EX（定期器/计数器T2的捕捉/重载触发信号和方向控制）P1.5MOSI（在系统编程用）P1.6MISO（在系统编程用）P1.7SCK（在系统编程用）P2口：P2口是一种具有内部上拉电阻的8位双向I/O口，P2输出缓冲器能驱动4个TTL逻辑电平。对P2端口写“1”P3口：P3口是一种具有内部上拉电阻的8位双向I/O口，p2输出缓冲器能驱动4个TTL逻辑电平。对P3端口写“1”P3引脚号第二功能：P3.0RXD（串行输入）P3.1TXD（串行输出）P3.2INT0(外部中断0)P3.3INT0(外部中断0)P3.4T0（定期器0外部输入）P3.5T1（定期器1外部输入）P3.6WR(外部数据存储器写选通)P3.7RD(外部数据存储器写选通)RST：复位输入。晶振工作时，RST脚持续2个机器周期高电平将使单片机复位。看门狗计时完毕后，RST脚输出96个晶振周期的高电平。特殊寄存器AUXR(地址8EH)上的DISRTO位可以使此功能无效。DISRTO默认状态下，复位高电平有效。ALE/PROG：地址锁存控制信号（ALE）是访问外部程序存储器时，锁存低8位地址的输出脉冲。在flash编程时，此引脚（PROG）也用作编程输入脉冲。在一般状况下，ALE以晶振六分之一的固定频率输出脉冲，可用来作为外部定期器或时钟使用。然而，尤其强调，在每次访问外部数据存储器时，ALE脉冲将会跳过。假如需要，通过将地址为8EH的SFR的第0位置“1”，ALE操作将无效。这一位置“1”PSEN：外部程序存储器选通信号（PSEN）是外部程序存储器选通信号。当AT89S51从外部程序存储器执行外部代码时，PSEN在每个机器周期被激活两次，而在访问外部数据存储器时，PSEN将不被激活。EA/VPP：访问外部程序存储器控制信号。为使能从0000H到FFFFH的外部程序存储器读取指令，EA必须接GND。为了执行内部程序指令，EA应当接VCC。在flash编程期间，EA也接受12伏VPP电压。XTAL1：振荡器反相放大器和内部时钟发生电路的输入端。XTAL2：振荡器反相放大器的输出端。硬件电路设计重要围绕充电芯片MAX1898展开，而单片机控制部分的电路较为简朴。3.1.2MAX1989引脚功能本例的关键器件是MAX1989。MAX1989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，尽量多地覆盖了基本应用电路，只需要少数外部元件。MAX1989为10引脚、超薄型的μMAX封装，其引脚分布如图3.1.2-1所示。图3.1.2-1MAX1898引脚分布图其引脚功能如下。IN（1脚）：传感输入，检测输入的电压或电流。（2脚）：充电状态指示脚，同步驱动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，可以通过输入严禁芯片工作；OK为输出脚，用于指示输入电源与否与充电器连接。ISET（4脚）：充电电流调整引脚。通过串接一种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。接一种时间电容来设置充电时间，电容为100mF时，几乎为3个小时，此引脚直接接地将禁用此功能。RSTRT(6脚）：自动重新启动控制引脚。当此引脚直接接地时，假如电池电压掉至基准电压阈值如下200mV，将会重新开始一轮充电周期。此引脚通过电阻接地时，可以减少它的电压阈值。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。此引脚需旁接一种大电解电容到地。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。此外，由于充电器外部为+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来完毕此功能。为了减少电源干扰，保持电路的稳定，在LM7805完毕电压转换，将+5V充电电源送给MAX1898之前，先通过一次光耦模块6N137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所示。图3.1.2-26N137引脚分布图其引脚功能如下。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，无论有无输入，输出都为高。不使用时，悬空即可。VCC（8脚）：电源输入脚。3.2时钟电路设计时钟是单片机的心脏，各部分都以时钟频率为基准，有条不紊的一拍一拍的工作。因此，时钟频率直接影响单片机的速度，时钟电路的质量也直接影响单片机系统的稳定性。对于MCS-51系列的单片机，常用的时钟电路设计方式有内部时钟和外部时钟两种。内部时钟电路设计如下：运用AT89S51单片机内部一种高增益的反相放大器，把一种晶振体和两个电容器构成自鼓励振荡电路，接于XTAL1和XTAL2之间。这样振荡器发出的脉冲直接送入内部时钟电路，如图3-3所示。图3-3内部时钟电路本系统中晶振体选石英晶体，振荡频率为12MHz，电容器为33PF电容。3.3电路原理图及阐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部分构成。单片机部分的电路原理图如图4所示。图3.3-1基于MAX1898的智能充电器电路单片机部分原理图图3.3-1中，U1为单片机AT89C52，工作在11.0592MHz时钟；U2为蜂鸣器，蜂鸣器由单片机的P2.1肛却控制发出报警声提醒；单片机的P2.0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0由充电芯片MAX1898的充电状态输出信号/CHG通过反相后触发。图3.3-2所示的为电压转换及光耦隔离部分电路的原理图。图3.3-2基于MAX1898的智能充电器电路电压转换及光耦隔离部分原理图U3为输出+5V的电压转换芯片LM7805，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，输出为通过隔离的5V电压，U4的2脚和单片机的P2.0相连，由单片机控制适时地关闭电电源。图3.3-3所示的为充电控制部分的电路原理图。图3.3-3基于MAX1898的智能充电器电路充电控制部分原理图其关键器件为充电芯片MAX1898，其充电状态输出引脚/CHG通过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，红灯表达电源接通；LED－G为绿色发光二极管，绿灯表达处在充电状态。Q1为P沟道的场效应管，由MAX1898提供驱动。图6中，R4为设置充电电流的电阻，阻值为2.8kΩ,设置最大充电电流为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MAX1898和外部单片机的共同作用下，实现了如下的充电过程。●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期器复位，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、温度恢复到正常状态。预充时间由外接电容CcT确定（100nF时为45分钟），假如在预充时间内电池电压到达2.5V，且电池温度正常，则充电进入快充过程；假如超过预充时间后，电池电压仍低于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。●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，一旦电池电压到达所设定的终止电压，恒流充电终止，充电电流迅速递减，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如下，或满充时间超过，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与否到达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成的压降仍然对电池终止电压的检测有影响。一般状况下，满充和顶端截止充电可以延长电池5%～10%的使用时间。●断电当电池充斥后，MAX1898芯片的2引脚/CHG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，假如判断出充电完毕，则单片机将通过P2.0口控制光耦6N137，切断LM7805向MAX1898的供电，从而保证芯片和电池的安全，同步也减小功耗。●报警当电池充斥后，MAX1898芯片自身会熄灭外接的LED绿灯。不过，为了安全起见，单片机在检测到充斥状态的脉冲后，不仅会自动切断MAX1898芯片的供电，并且会通过蜂鸣器报警，提醒顾客及时取出电池。当充电出错时，MAX1898芯片自身会控制LED绿灯以1.5Hz左右的频率闪烁，此时不要切断芯片的供电，要让顾客一直看到此提醒。3.4软件设计充电电器的充电过程重要由MAX1898控制，而单片机芯片重要是对电池起保护作用。本软件设计较为简朴，其重要功能如下。当MAX1898完毕充电时，其/CHG引脚会产生由低到高的跳变，该跳变引起单片机的INT0中断。/CHG输出为高存在3种状况：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1.5Hz频率反复跳变）。显然前两种状况单片机都可以直接控制光耦切断充电电源，因此，程序中只要区别看待第3种充电出错的状况即可。因此，在此中断中，假如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。3.5程序流程单片机控制智能充电器工作的程序流程如图3.5-1所示。图3.5-1基于MAX1989的智能充电器程序流程图4总结语本设计以充电芯片MAX1898为基础运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设计时需要针对不一样的电池选择不一样的充电芯片。本设计实现的是单节锂离子电池充电器，因此选用了芯片MAX1898作为充电芯片。在设计过程中，需着重把握如下几点。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/CHG在本设计中的应用。MAX1898外围电路的设计，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用。怎样在单片机程序中判断出充电完毕还是充电出错，并做出对应的处理。通过本次课程设计，我不仅学到了专业技术方面的许多专业知识，同步也让我感受到老师和同学的协助是非常重要的。在本次的课程设计的过程中要感谢我的指导老师孙活老师对我专业知识上的指导和焊接技术上的培训。我还要感谢王川北老师平时对我单片机知识的辅导，有了平时的积累在课程设计中才能更好的运用。还要感谢徐胤、和李超同学在我整个课程设计过程中协助我更好的使用AltiumDesigner和教会了我制作实物PCB板。谢谢试验室的同学们在我完毕设计期间的大力协助和支持!附录1：单片机采样部分电路原理图附录2：PCB控制模块

附录3：程序重要程序代码及其阐明（见注释语句）如下。#defineucharunsignedchar#defineuintunsignedintSbitGATE=P2^0;SbitBP=p2^1;Uintt_count,int0_count;/*定期器0中断服务子程序*/voidtimer0()interrupt1using1{TR0=0;//停止计数TH0=-5000/256;//重设5mg计数初值TL0=-5000%256;tcount++;if(t_count>600)//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}else//否则即是充电出错{GATE=1;BP=1;}ET0=0;//关闭T0中断EX0=0;//关闭外部中断0int0_count=0;t_count=0;}/*外部中断0服务了程序*/voidint0()interrupt0using1{if(int0_count==0){TH0=-5000/256;//5ms定期TL0=-5000%256;TR0=1;//启动定期/计数器0计数t_count=0;//产生定期器0中断的计数器清零}int0_count++;}/*初始化*/voidinit()\{EA=1;//打开CPU中PT0=1;