基于單片機的智能充電器設計

1、目錄 摘 要.I Abstract .II 1 緒論.1 1.1 課題研究的背景.1 1.2 課題研究的主要工作.3 2 鋰電池充電器硬件設計.3 2.1 單片機電路部分.3 2.2 電壓轉(zhuǎn)換及光耦隔離電路部分.7 2.3 電源產(chǎn)生電路部分.8 2.4 充電控制電路部分.10 3 鋰電池充電器軟件設計.16 3.1 程序功能.16 3.2 主要變量說明.17 3.3 程序流程圖.17 結 論.20 致 謝.21 參考文獻.22 附錄 1 電路原理圖.23 附錄 2 主要源程序.24 摘 要 本課題設計是一種基于單片機的鋰離子電池充電器，在設計上，選擇了簡潔、高 效的硬件，設計穩(wěn)定可靠的軟件，詳

2、細說明了系統(tǒng)的硬件組成，包括單片機電路、充 電控制電路、電壓轉(zhuǎn)換及光耦隔離電路，并對本充電器的核心器件MAX1898 充電芯 片、AT89C2051 單片機進行了較詳細的介紹。闡述了系統(tǒng)的軟硬件設計。以 C 語言為 開發(fā)工具，進行了詳細設計和編碼。實現(xiàn)了系統(tǒng)的可靠性、穩(wěn)定性、安全性和經(jīng)濟性。 該智能充電器具有檢測鋰離子電池的狀態(tài)；自動切換充電模式以滿足充電電池的 充電需要；充電器短路保護功能；充電狀態(tài)顯示的功能。在生活中更好的維護了充電 電池，延長了它的使用壽命。 關鍵詞關鍵詞：單片機；MAX1898；AT89C2051 ABSTRACT This topic design is one ki

3、nd lithium ion battery charger which is based on Single Chip, in the design, it has chosen succinctly, the highly effective hardware, the design stable reliable software, explained in detail systems hardware composition, including the monolithic integrated circuit electric circuit, the charge contro

4、l electric circuit, the voltage transformation and the light pair isolating circuit, and to this battery chargers core component - MAX1898 charge chip, at89C2051 monolithic integrated circuit has carried on the detailed introduction. Elaborated systems software and hardware design. Take the C langua

5、ge as the development kit, has carried on the detailed design and the code. Has realized systems reliability, the stability, the security and the efficiency. The intelligence battery charger has the examination lithium ion batterys condition; The automatic cut over charge pattern meets when recharge

6、able batterys charge needs; Battery charger has short circuit protection function; The charge condition demonstrations function. The battery charger has made the better maintenance rechargeable battery in the life，and lengthened the rechargeable batterys service life. Key words：SCM;MAX1898；AT89C2051

7、 1 緒論 1.1 課題研究的背景 電池是一種化學電源，是通過能量轉(zhuǎn)換而獲得電能的器件。二次電池是可多次反 復使用的電池，它又稱為可充電池或蓄電池。當對二次電池充電時，電能轉(zhuǎn)變?yōu)榛瘜W 能，實現(xiàn)向負荷供電，伴隨吸熱過程。對于二次電池，其性能參數(shù)很多，主要有以下 4 個指標： 工作電壓：電池放電曲線上的平臺電壓。 電池容量：常用單位為安時(Ah)和毫安時(mAh)。 工作溫區(qū)：電池正常放電的溫度范圍。 電池正常工作的充、放電次數(shù)。 二次電池的性能可由電池特性曲線表示，這些特性曲線包括充電曲線、放電曲線、 充放電循環(huán)曲線、溫度曲線等。二次電池的安全性可用特性的安全檢測方式進行評估。 二次電池能夠反復

8、使用，符合經(jīng)濟使用原則。對于市場上二次電池的種類，大致分為： 鉛酸(LA)電池、鎳鎘(NiCd)電池、鎳氫(NiMH)電池和鋰離子(Liion)電池。 1.二次電池的性能比較 鉛酸、鎳鎘、鎳氫和鋰離子電池的性能比較見表 1-1。 表 1-1 鉛酸、鎳鎘、鎳氫和鋰離子電池的性能比較 電池類型工作電壓 (V) 重量比能量 (Wh/kg) 體積比能量 (Wh/L) 循環(huán)次數(shù)記憶效應自放電 率(%/月) 鉛酸電池2.0 400600無3 鎳鎘電池1.250150400500有1530 鎳氫電池1.26080240300500無2535 鋰離子電 池 3.61201403001000無25 2.鎳氫電池

9、、鎳鎘電池與鋰離子電池之間的差異 (1)重量方面 以每一個單元電池的電壓來看，鎳氫電池與鎳鎘電池都是 1.2V，而鋰離子電池為 3.6V，鋰離子電池的電壓是鎳氫、鎳鎘電池的 3 倍。并且，同型電池的重量鋰離子電 池與鎘鎳電池幾乎相等，而鎳氫電池卻比較重。但鋰離子電池因端電壓為 3.6V，在輸 出同電池的情況下，單個電池組合時數(shù)目可減少 2/3 從而使成型后的電池組重量和體積 都減小。 (2)記憶效應 鎳氫電池與鎳鎘電池不同，它沒有記憶效應。對于鎳鎘電池來說，定期的放電管 理是必需的。這種定期放電管理屬于模糊狀態(tài)下的被動管理，甚至是在鎳鎘電池荷電 量不確切的情況下進行放電(每次放電或者使用幾次后

10、進行放電都因生產(chǎn)廠的不同有所 差異)，這種煩瑣的放電管理在使用鎳鎘電池時是無法避免的。相對而言，鋰離子電池 沒有記憶效應，在使用時非常方便，完全不用考慮二次電池殘余電壓的多少，可直接 進行充電，充電時間自然可以縮短。 記憶效應一般認為是長期不正確的充電導致的，它可以使電池早衰，使電池無法 進行有效的充電，出現(xiàn)一充就滿、一放就完的現(xiàn)象。防止電池出現(xiàn)記憶效應的方法是， 嚴格遵循“充足放光”的原則，即在充電前最好將電池內(nèi)殘余的電量放光，充電時要 一次充足。通常鎳鎘電池容易出現(xiàn)記憶效應，所以充電時要特別注意；鎳氫電池理論 上沒有記憶效應，但使用中最好也遵循“充足放光”的原則，這也就是很多充電器提 供放

11、電附加功能的原因。對于由于記憶效應而引起容量下降的電池，可以通過一次充 足再一次性放光的方法反復數(shù)次，大部分電池都可以得到修復。 (3)自放電率 鎳鎘電池為 15%30%月，鎳氫電池為 25%35%月，鋰離子電池為 2%5%。鎳 氫電池的自放電率最大，而鋰離子電池的自放電率最小。 (4)充電方式 鋰離子電池已易受到過充電、深放電以及短路的損害。單體鋰離子電池的充電電 壓必須嚴格限制。充電速率(蓄電池的充電電流通常用充電速率 C 表示，C 為蓄電池的 額定容量，例如用 2A 的電流對 1Ah 電池充電，充電速率就是 2C；同樣地，用 2A 電 流對 500mAh 電池充電，充電速率就是 4C)通

12、常不超過 1C，最低放電電壓為 2.73.0V，如再繼續(xù)放電，則會損害電池。鋰離子電池以恒流轉(zhuǎn)恒壓方式進行充電。 采用 1C 充電速率充電至 4.1V 時，充電器應立即轉(zhuǎn)入恒壓充電，充電電流逐漸減??； 當電池充足電后，進入涓流充電過程。為避免過充電或過放電，鋰離子電池不僅在內(nèi) 部設有安全機構，充電器也必須采取安全保護措施，以監(jiān)測鋰離子電池的充放電狀態(tài)。 3.課題研究的意義 本課題研究的對象主要是鋰離子電池的充電原理和充電控制。鋰離子電池的充電 設備需要解決的問題有: (1)能進行充電前處理，包括電池充電狀態(tài)鑒定、預處理。 (2)解決充電時間長、充電效率低的問題。 (3)改善充電控制不合理，而造

13、成過充、欠充等問題，提高電池的使用性能和使用 壽命。 (4) 通過加強單片機的控制，簡化外圍電路的復雜性，同時增加自動化管理設置， 減輕充電過程的勞動強度和勞動時間，從而使充電器具有更高的可靠性、更大的靈活 性，且成本低。 本課題研究的意義在于： (1)充分研究鋰離子電池的充放電特性，尋找有效的充電及電池管理途徑。 (2)使充電設備具有完善的自診斷功能和適時處理功能。 (3)實現(xiàn)充電器具備強大的功能擴展性，以便為該充電器的后續(xù)功能升級提供平臺。 1.2 課題研究的主要工作 本文主要研究鋰電池的充電方法，在此基礎上進行系統(tǒng)設計和電路設計，并通過 實驗結果對充電控制方法測試驗證。具體結構如下: 第

14、一章 緒論。首先介紹了課題研究的背景，再介紹了鋰電池的特點和在應用中存 在的主要問題及課題研究的意義和主要工作，這是該論文的設計基礎。 第二章 鋰電池充電器電路設計。選擇控制芯片進行介紹和比較。在此基礎之上， 對該電路的充電控制芯片進行選擇、介紹與分析。 第三章 通過 C 語言軟件編程設計出鋰電池快速充電器電路，來實現(xiàn)對鋰電池的自 動化控制充電。 2 鋰電池充電器硬件設計 2.1 單片機電路部分 1AT89C51 AT89C51 是一種帶 4K 字節(jié)閃爍可編程可擦除只讀存儲器（FPEROMFalsh Programmable and Erasable Read Only Memory）的低電壓

15、，高性能 CMOS8 位微處理器， 俗稱單片機。AT89C2051 是一種帶 2K 字節(jié)閃爍可編程可擦除只讀存儲器的單片機。 單片機的可擦除只讀存儲器可以反復擦除 100 次。該器件采用 ATMEL 高密度非易失存 儲器制造技術制造，與工業(yè)標準的 MCS-51 指令集和輸出管腳相兼容。由于將多功能 8 位 CPU 和閃爍存儲器組合在單個芯片中，ATMEL 的 AT89C51 是一種高效微控制器 圖 1-1(a) AT89C51 單片機 (b) AT89C2051 單片機 AT89C2051 是它的一種精簡版本。AT89C 系列單片機為很多嵌入式控制系統(tǒng)提供 了一種靈活性高且價廉的方案。 (1)

16、主要特性： 與 MCS-51 兼容 4K 字節(jié)可編程閃爍存儲器 壽命：1000 寫/擦循環(huán) 數(shù)據(jù)保留時間：10 年 全靜態(tài)工作：0Hz-24Hz 三級程序存儲器鎖定 128*8 位內(nèi)部 RAM 32 可編程 I/O 線 兩個 16 位定時器/計數(shù)器 5 個中斷源 可編程串行通道 低功耗的閑置和掉電模式 片內(nèi)振蕩器和時鐘電路 (2)管腳說明： VCC：供電電壓。 GND：接地。 P0 口：P0 口為一個 8 位漏級開路雙向 I/O 口，每腳可吸收 8TTL 門電流。當 P1 口的管腳第一次寫 1 時，被定義為高阻輸入。P0 能夠用于外部程序數(shù)據(jù)存儲器，它可 以被定義為數(shù)據(jù)/地址的第八位。在 FI

17、ASH 編程時，P0 口作為原碼輸入口，當 FIASH 進行校驗時，P0 輸出原碼，此時 P0 外部必須被拉高。 P1 口：P1 口是一個內(nèi)部提供上拉電阻的 8 位雙向 I/O 口，P1 口緩沖器能接收輸出 4TTL 門電流。P1 口管腳寫入 1 后，被內(nèi)部上拉為高，可用作輸入，P1 口被外部下拉 為低電平時，將輸出電流，這是由于內(nèi)部上拉的緣故。在 FLASH 編程和校驗時，P1 口作為第八位地址接收。 P2 口：P2 口為一個內(nèi)部上拉電阻的 8 位雙向 I/O 口，P2 口緩沖器可接收，輸出 4 個 TTL 門電流，當 P2 口被寫“1”時，其管腳被內(nèi)部上拉電阻拉高，且作為輸入。并 因此作為

18、輸入時，P2 口的管腳被外部拉低，將輸出電流。這是由于內(nèi)部上拉的緣故。 P2 口當用于外部程序存儲器或 16 位地址外部數(shù)據(jù)存儲器進行存取時，P2 口輸出地址 的高八位。在給出地址“1”時，它利用內(nèi)部上拉優(yōu)勢，當對外部八位地址數(shù)據(jù)存儲器 進行讀寫時，P2 口輸出其特殊功能寄存器的內(nèi)容。P2 口在 FLASH 編程和校驗時接收 高八位地址信號和控制信號。 P3 口：P3 口管腳是 8 個帶內(nèi)部上拉電阻的雙向 I/O 口，可接收輸出 4 個 TTL 門電 流。當 P3 口寫入“1”后，它們被內(nèi)部上拉為高電平，并用作輸入。作為輸入，由于 外部下拉為低電平，P3 口將輸出電流（ILL）這是由于上拉的緣

19、故。 P3 口也可作為 AT89C51 的一些特殊功能口，如下表 3-1 所示： 表 2-1 P3 口 口管腳備選功能 P3.0/RXD（串行輸入口） P3.1/ TXD（串行輸出口） P3.2/INT0（外部中斷 0） P3.3/INT1（外部中斷 1） P3.4 T0（記時器 0 外部輸入） P3.5 T1（記時器 1 外部輸入） P3.6/WR（外部數(shù)據(jù)存儲器寫選通） P3.7/RD（外部數(shù)據(jù)存儲器讀選通） P3 口同時為閃爍編程和編程校驗接收一些控制信號。 RST：復位輸入。當振蕩器復位器件時，要保持 RST 腳兩個機器周期的高電平時 間。 ALE/PROG：當訪問外部存儲器時，地址鎖

20、存允許的輸出電平用于鎖存地址的地 位字節(jié)。在 FLASH 編程期間，此引腳用于輸入編程脈沖。在平時，ALE 端以不變的 頻率周期輸出正脈沖信號，此頻率為振蕩器頻率的 1/6。因此它可用作對外部輸出的脈 沖或用于定時目的。然而要注意的是：每當用作外部數(shù)據(jù)存儲器時，將跳過一個 ALE 脈沖。如想禁止 ALE 的輸出可在 SFR8EH 地址上置 0。此時， ALE 只有在執(zhí)行 MOVX，MOVC 指令是 ALE 才起作用。另外，該引腳被略微拉高。如果微處理器在外 部執(zhí)行狀態(tài) ALE 禁止，置位無效。 PSEN：外部程序存儲器的選通信號。在由外部程序存儲器取指期間，每個機器周 期兩次 PSEN 有效。

21、但在訪問外部數(shù)據(jù)存儲器時，這兩次有效的 PSEN 信號將不出現(xiàn)。 EA/VPP：當 EA 保持低電平時，則在此期間外部程序存儲器（0000H-FFFFH）， 不管是否有內(nèi)部程序存儲器。注意加密方式 1 時，EA 將內(nèi)部鎖定為 RESET；當 EA 端 保持高電平時，此間內(nèi)部程序存儲器。在 FLASH 編程期間，此引腳也用于施加 12V 編程電源（VPP）。 XTAL1：反向振蕩放大器的輸入及內(nèi)部時鐘工作電路的輸入。 XTAL2：來自反向振蕩器的輸出。 (3)振蕩器特性： XTAL1 和 XTAL2 分別為反向放大器的輸入和輸出。該反向放大器可以配置為片 內(nèi)振蕩器。石晶振蕩和陶瓷振蕩均可采用。如

22、采用外部時鐘源驅(qū)動器件，XTAL2 應不 接。有余輸入至內(nèi)部時鐘信號要通過一個二分頻觸發(fā)器，因此對外部時鐘信號的脈寬 無任何要求，但必須保證脈沖的高低電平要求的寬度。 (4)芯片擦除： 整個 PEROM 陣列和三個鎖定位的電擦除可通過正確的控制信號組合，并保持 ALE 管腳處于低電平 10ms 來完成。在芯片擦操作中，代碼陣列全被寫“1”且在任何非空 存儲字節(jié)被重復編程以前，該操作必須被執(zhí)行。 此外，AT89C51 設有穩(wěn)態(tài)邏輯，可以在低到零頻率的條件下靜態(tài)邏輯，支持兩種軟件 可選的掉電模式。在閑置模式下，CPU 停止工作。但 RAM，定時器，計數(shù)器，串口和 中斷系統(tǒng)仍在工作。在掉電模式下，保

23、存 RAM 的內(nèi)容并且凍結振蕩器，禁止所用其他 芯片功能，直到下一個硬件復位為止。 2AT89C2051 AT89C2051 單片機是 51 系列單片機的一個成員，是 8051 單片機的簡化版。內(nèi)部 自帶 2K 字節(jié)可編程 FLASH 存儲器的低電壓、高性能 COMS 八位微處理器，與 Intel MCS-51 系列單片機的指令和輸出管腳相兼容。由于將多功能八位 CPU 和閃速存儲器 結合在單個芯片中，因此，AT89C2051 構成的單片機系統(tǒng)是具有結構最簡單、造價最 低廉、效率最高的微控制系統(tǒng)，省去了外部的 RAM、ROM 和接口器件，減少了硬件 開銷，節(jié)省了成本，提高了系統(tǒng)的性價比。 AT

24、89C2051 是一個有 20 個引腳的芯片，引腳配置如圖 3 所示。與 8051 相比， AT89C2051 減少了兩個對外端口（即 P0、P2 口），使它最大可能地減少了對外引腳 下，因而芯片尺寸有所減小。 AT89C2051 芯片的 20 個引腳功能為： VCC 電源電壓。 GND 接地。 RST 復位輸入。當 RST 變?yōu)楦唠娖讲⒈３?2 個機器周期時，所有 I/O 引腳復位至 “1”。 XTAL1 反向振蕩放大器的輸入及內(nèi)部時鐘工作電路的輸入。 XTAL2 來自反向振蕩放大器的輸出。 P1 口 8 位雙向 I/O 口。引腳 P1.2P1.7 提供內(nèi)部上拉，當作為輸入并被外部下拉 為低

25、電平時，它們將輸出電流，這是因內(nèi)部上拉的緣故。P1.0 和 P1.1 需要外部上拉， 可用作片內(nèi)精確模擬比較器的正向輸入（AIN0）和反向輸入（AIN1），P1 口輸出緩 沖器能接收 20mA 電流，并能直接驅(qū)動 LED 顯示器；P1 口引腳寫入“1” 后，可用作 輸入。在閃速編程與編程校驗期間，P1 口也可接收編碼數(shù)據(jù)。 P3 口 引腳 P3.0P3.5 與 P3.7 為 7 個帶內(nèi)部上拉的雙向 I/0 引腳。P3.6 在內(nèi)部已 與片內(nèi)比較器輸出相連，不能作為通用 I/O 引腳訪問。P3 口的輸出緩沖器能接收 20mA 的灌電流；P3 口寫入“1”后，內(nèi)部上拉，可用輸入。P3 口也可用作特殊

26、功能 口，其功能見表 1。P3 口同時也可為閃速存儲器編程和編程校驗接收控制信號。 2.2 電壓轉(zhuǎn)換及光耦隔離電路部分 耦合器（optical coupler，英文縮寫為 OC）亦稱光電隔離器，簡稱光耦，是開關電 源電路中常用的器件。 耦合器以光為媒介傳輸電信號。它對輸入、輸出電信號有良好的隔離作用，所以， 它在各種電路中得到廣泛的應用。目前它已成為種類最多、用途最廣的光電器件之一。 光耦合器一般由三部分組成：光的發(fā)射、光的接收及信號放大。輸入的電信號驅(qū)動發(fā) 光二極管（LED） ，使之發(fā)出一定波長的光，被光探測器接收而產(chǎn)生光電流，再經(jīng)過進 一步放大后輸出。這就完成了電光電的轉(zhuǎn)換，從而起到輸入、

27、輸出、隔離的作用。 由于光耦合器輸入輸出間互相隔離，電信號傳輸具有單向性等特點，因而具有良好的 電絕緣能力和抗干擾能力。又由于光耦合器的輸入端屬于電流型工作的低阻元件，因 而具有很強的共模抑制能力。所以，它在長線傳輸信息中作為終端隔離元件可以大大 提高信噪比。在計算機數(shù)字通信及實時控制中作為信號隔離的接口器件，可以大大增 加計算機工作的可靠性。 本次設計選擇了 6N137 光耦合器： 6N137 光耦合器是一款用于單通道的高速光耦合器，其內(nèi)部有一個 850 nm 波長 AlGaAs LED 和一個集成檢測器組成，其檢測器由一個光敏二極管、高增益線性運放及 一個肖特基鉗位的集電極開路的三極管組成

28、。具有溫度、電流和電壓補償功能，高的 輸入輸出隔離，LSTTL/TTL 兼容，高速(典型為 10MBd)，5mA 的極小輸入電流。 特性： 轉(zhuǎn)換速率高達 10MBit/s; 擺率高達 10kV/us; 扇出系數(shù)為 8; 邏輯電平輸出; 集電極開路輸出; 工作參數(shù)： 最大輸入電流，低電平：250uA 最大輸入電流，高電平：15mA 最大允許低電平 電壓(輸出高)：0.8v 最大允許高電平電壓：Vcc 最大電源電壓、輸出：5.5V 扇出(TTL 負載)：8 個(最多) 工作溫度范圍：-40C to +85C 典型應用：高速數(shù)字開關，馬達 控制系統(tǒng)和 A/D 轉(zhuǎn)換等 6N137 光耦合器的內(nèi)部結構、

29、管腳如圖所示。 圖 2-1 6N137 光耦合器 6N137 光耦合器的真值表 需要注意的是，在 6N137 光耦合器的電源管腳旁應有個 0.1uF 的去耦電容。在 選擇電容類型時，應盡量選擇高頻特性好的電容器，如陶瓷電容或鉭電容，并且盡量 靠近 6N137 光耦合器的電源管腳；另外，輸入使能管腳在芯片內(nèi)部已有上拉電阻，無 需再外接上拉電阻。 6N137 光耦合器的使用需要注意兩點：第一是 6N137 光耦合器的第 6 腳 Vo 輸出 電路屬于集電極開路電路，必須上拉一個電阻；第二是 6N137 光耦合器的第 2 腳和第 3 腳之間是一個 LED，必須串接一個限流電阻。 2.3 電源產(chǎn)生電路部

30、分 1 LM7805 介紹 電子產(chǎn)品中，常見的三端穩(wěn)壓集成電路有正電壓輸出的lm78系列和 圖 3-2 lm7805 樣品 負電壓輸出的 lm79系列。顧名思義，三端 IC 是指這種穩(wěn)壓用的集成電路， 只有三條引腳輸出，分別是輸入端、接地端和輸出端。它的樣子象是普通的三極管 ，TO- 220 的標準封裝，也有 lm9013 樣子的 TO-92 封裝。用 lm78/lm79 系列三 6N137 光耦合器的真值表 輸入使能輸出 HHL LHH HLH LLH HNCL LNCH 端穩(wěn)壓 IC 來組成穩(wěn)壓電源所需的外圍元件極少， 且有一定的電壓、電流輸出，能 夠獲得不同的電壓和電流， 電路內(nèi)部還有過

31、流、過熱及調(diào)整管的保護電路，使用起 來可靠、方便，而且價格便宜。該系列集成穩(wěn)壓IC 型號中的 lm78 或 lm79 后面 的數(shù)字代表該三端集成穩(wěn)壓電路的輸出電壓，如lm7806 表示輸出電壓為正 6V，l m7909 表示輸出電壓為負 9V。 因為三端固定集成穩(wěn)壓電路的使用方便，電子制作中經(jīng)常采用。 2.LM7805 主要特點 輸出電流可達 1A 輸出電壓有：5V 過熱保護 短路保護 輸出晶體管 SOA 保護 內(nèi)部結構框圖如圖 3-3 所示： 圖 2-3 LM7805 內(nèi)部結構框圖 功能框圖： 圖 2-4 LM7805 功能框圖 2.4 充電控制電路部分 2.4.1 MAX1898 充電芯片

32、 1.如何選擇電池充電芯片 選擇電池充電芯片時需要結合實際的應用，具體的選擇標準有以下幾點。 封裝：即芯片的大小，對于體積有要求的場合需要選擇合適的封裝。 電流大?。撼潆姷碾娏鞔笮Q定充電時間。 充電方式：即是快充、慢充還是可以控制充電過程。 使用的電池類型：不同的電池需要不同的充電器。 2MAX1898 (1)如何使用 MAX1898 MAX1898 是本次設計充電器中的一個關鍵的器件。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 晶體管可以組成完成的單節(jié)鋰電池充電器。 MAX1898 提供精確的恒流/恒壓充電。電池電壓調(diào)節(jié)精度為0

33、.75%，提高了電池性能 并延長了使用壽命。充電電流由用戶設定，采用內(nèi)部檢流，無需外部檢流電阻。 MAX1898 提供了用于監(jiān)視充電狀態(tài)的輸出、輸入電源是否與充電器連接的輸出指示和 充電電路指示。 MAX1898 可對所有化學類型的鋰離子電池進行安全充電。電池調(diào)節(jié)電壓為 4.2V，采用 10 引腳、超薄型 MAX 封裝，在更小的尺寸內(nèi)集成了更多的功能，只需 少數(shù)外部元件。 MAX1898 的基本特點如下： 4.5V12V 輸入電壓范圍； 內(nèi)置檢流電阻； 0.75%電壓精度； 可編程充電電流； 輸入電源自動檢測； LED 充電狀態(tài)指示； 檢流監(jiān)視輸出。 MAX1898 的引腳如圖 3-5 所示。

34、 IN 1 CHG 2 EN/OK 3 ISET 4 CT 5 RST RT 6 BAT T 7 GND 8 DRV 9 CS 10 MAX1898 圖 2-5 MAX1898 的引腳 MAX1898 的引腳功能如下。 IN：傳感器輸入，檢測輸入電壓和電流。 CHG：LED 驅(qū)動電路。 EN/OK：邏輯電平輸入允許/電源輸入“好” 。 ISET：電流調(diào)節(jié)。 CT：安全的充電時間設置。 RSTRT：自動重新啟動控制引腳。 BATT：接單個 Li+的正極。 GND：地。 DRV：外接電阻驅(qū)動器。 CS：電流傳感器輸入。 MAX1898 外接限流型充電電源和 P 溝道場效應管，可以對單節(jié)鋰離子電池進

35、行安 全有效的快充，其最大特點是在不使用電感的情況下仍能做到很低的功效耗散，可以 實現(xiàn)預充電，具有過壓保護和溫度保護功能，最長充電時間限制為鋰離子電池提供二 次保護。MAX1898 的典型充電電路如圖 3-6 所示。 圖 2-6 中的 MAX1898 內(nèi)部電路包括：輸入調(diào)節(jié)器、電壓檢測器、充電電流檢測器、 定時器、溫度檢測器和主控制器。輸入電流調(diào)節(jié)電路用于限制電源的總輸入電流，包 括系統(tǒng)負載電流與充電電流，當檢測到輸入電流大于設定的限流門限時，通過降低電 池充電電流可達到控制輸入電流的目的。因為系統(tǒng)工作時電源電流的變化范圍較大， 如果充電器沒有輸入電流檢測功能，則輸入電源(墻上適配器或其他直流

36、電源)必須能夠 提供最大負載電流與最大充電電流之和，這將使電源的成本增高、體積增大，而利用 輸入限流功能則能夠降低充電器對直流電源的要求，同時也簡化了輸入電源設計。 IN 1 CHG 2 EN/OK 3 ISET 4 CT 5 RST RT 6 BAT T 7 GND 8 DRV 9 CS 10 MAX1898 充充充充充充 on/off + BAT T ERY 4.5V /12V GND 圖 2-6 MAX1898 的典型充電電路 ()電源輸入：鋰離子電池要求的充電方式是恒流恒壓方式，電源的輸入需要采用 恒流恒壓源，一般的，可以采用直流電源加上變壓器提供。 ()輸出：MAX1898 通過外接

37、的場效應管提供理電池的充電接口。 ()充電時間的選擇：MAX1898 充電時間的選擇是通過外接的電容大小決定的。 標準的充電時間為 1.5 小時，最大不要超過 3 小時，根據(jù)這個標準，可以計算得到外接 的電容的容值，如下所示： 定時電容 C 和充電時間 Tchg 的關系式滿足：CnF=34.33Tchghours ()設置充電電流：MAX1898 充電電流在限制電流的模式下，可以通過選擇外接 的電阻阻值大小決定。 最大充電電流 Imax 和限流電阻 Rset 的關系式滿足：Imax1400/Rset 當充電電源和電池充電電流達到快充電流的 1%，或者是充電時間超出片上預置的 充電時間。MAX1

38、898 能夠自動檢測充電電源，沒有電源時自動關斷以減少電池的漏電。 啟動快充后打開外接的 P 型場效應管，當檢測到電池電壓達到設定的門限時進入脈沖 充電方式，P 溝道場效應管打開時間會越來越短，充電結束時，LED 指示燈將會呈現(xiàn) 出周期性的閃爍。具體的閃爍含義如下表 2-2 所示： 表 2-2 LED 指示燈狀態(tài)說明 充電狀態(tài)LED 指示狀態(tài) 電池或充電器沒有安裝關閉 快充或脈沖浮充亮 快充結束或初始化LED 以 2Hz 頻率閃爍 充電結束LED 閃爍周期為 4s (2)如何在單片機系統(tǒng)中使用 MAX1898 鋰離子電池具有較高的能量重量比、能量體積比，具有記憶效應，可重復充電多 次，使用壽命

39、較長、價格也越來越低。鋰離子電池的這些特點使得選用單節(jié)鋰離子電 池供電的產(chǎn)品也越來越多。然而，鋰離子電池的不足之處在于對充電器要求比較苛刻， 需要保護電路。 為有效利用電池容量，需將鋰離子電池充電至最大電壓，但是過壓充電會造成電 池損壞，這就要求較高的控制精度。另外，對于電壓過低的電池需要進行預充，充電 器最好帶有熱保護和時間保護，為電池提供附加保護。 針對這些應用特點，本設計提出了一種基于單片機 AT89C2051 和 MAX1898 的智 能充電器，其基本的原理和功能如圖 3-7 所示 VPP 1 P3.0/RXD 2 P3.1/TX D 3 XTAL 2 4 XTAL 1 5 P3.2/

40、INT0 6 P3.3/INT1 7 P3.4/T0 8 P3.5/T1 9 GND 10 P3.7 11 P1.0/AIN0 12 P1.1/AIN1 13 P1.2 14 P1.3 15 P1.4 16 P1.5 17 P1.6 18 P1.7 19 VCC 20 U2 AT89C2051 IN 1 CHG 2 EN/OK 3 ISET 4 CT 5 RST RT 6 BATT 7 GND 8 DRV 9 CS 10 MAX1898 U3 MAX1898 INPUT 1 GND 2 OUTPUT 3 U4 LM7805 充充 GND GND U14 BUZZ ER + 充充充充充 GND

41、VCC GND N/C 1 N/C 4 + 2 - 3 GND 5 Vo 6 Ve 7 Vcc 8 6N137 GND 圖 2-7 基于 MAX1989 的智能充電器的原理圖 該充電器有如下的功能： 具有預充電功能。 具有充電保護功能。 具有自動斷電功能。 具有充電完成報警指示功能。 在 MAX1898 內(nèi)置的充電狀態(tài)控制和外圍的單片機控制下，充電過程分為預充、 快充、滿充和報警 5 個部分。以下分別介紹。 預充 在安裝好電池之后，接通輸入直流電源，當充電其檢測到電池時將定時器復位， 從而進入預充過程，在此期間充電器以快充電流的 10%給電池充電，使電壓、溫度恢 復到正常狀體。預充電時間由 C

42、T 口外接電容確定，如果在預充時間內(nèi)電池電壓達到 2.5V，且電池溫度正常，則進入快充過程；如果超過預充時間后，電池電壓低于 2.5V，則認為電池不可充電，充電器顯示電池故障，由單片機發(fā)出故障指令，LED 指 示燈閃爍。 快充 快充過程也稱恒流充電，此時充電器以恒流電流對電池充電。根據(jù)電池廠商推薦 的充電速率，一般鋰離子電池大多選用標準充電速率，充滿電池需要 1 個小時左右的 時間。恒流充電時，電池電壓將緩慢上升，一旦電池電壓達到所設定的終止電壓，恒 流充電終止，充電電池快速遞減，充電進入滿充過程。 滿充 在滿充過程中，充電電流逐漸衰減，直到充電速率降到設置值以下或滿充時間超 時，轉(zhuǎn)入頂端截止

43、充電；頂端截止充電時，充電器以極小的充電電池為電池補充能量。 由于充電器在檢測電池電壓是否達到終止電壓時有充電電流通過電池內(nèi)阻，盡管在滿 充和頂端截止充電過程中充電電流逐漸下降，減少了電池內(nèi)阻和其他串聯(lián)電阻對電流 端電壓的影響，但串聯(lián)在充電回路中的電阻形成的壓降仍然對電池終止電壓的檢測有 影響，一般情況下，滿充和頂端終止充電可以延長電池 5%10%的使用時間。 斷電 當電池充滿后，MAX1898 芯片的 2 引腳發(fā)送的脈沖電平將會被單片機檢測到，引 起單片機的中斷，在中斷中判斷出充電完畢的狀態(tài)。此時，單片機將通過 P1.2 口控制 光耦，切斷 7805 向 MAX1898 芯片的供電，從而保證

44、芯片和電池的安全，同時也減少 功耗。 報警 當電池充滿后，MAX1898 芯片本身會向外接的 LED 燈發(fā)出指令，LED 燈會閃爍。 但是，為了安全起見，單片機在檢測到充滿狀態(tài)的脈沖后，不僅會自動切斷 MAX1898 芯片的供電，而且會通過蜂鳴器報警，提醒用戶及時取出電池。 2.4.2 充電控制電路的實現(xiàn) 1電路原理和器件選擇 在這里列出和本次設計相關的、關鍵部分的器件名稱及其在電路中的主要功能： AT89C2051:充電器的控制器，控制 MAX1898 的充電過程，并在充電完畢后切 斷電源和進行報警。 MAX1898:電池充電芯片,在單片機的控制下實現(xiàn)對鋰離子電池的充電控制。 LM7805:

45、電壓轉(zhuǎn)換芯片，將外部的 12V 電壓轉(zhuǎn)化為 5V 電壓，作為單片機和 MAX1898 的電源。 PNP:P 溝道場效應管或三極管。 LEDR:紅色的表貼發(fā)光二極管，表示電源接通。 LEDG:綠色的表貼發(fā)光二極管，表示充電狀態(tài)。 U14:蜂鳴器。 6N137:光耦，連接 LM7805 和 MAX1898 的電源輸入端。 2地址分配和連接 只列出了和本次設計相關的、關鍵部分單片機與各個功能管腳的連接和相關的地 址分配： CHG:MAX1898 充電狀態(tài)輸出，連接到單片機的 INT0,單片機判斷充電完畢后， 通過 P1.2 引腳切斷 MAX1898 的電源輸入。 GATE:連接單片機的 P1.2 引

46、腳，當單片機判斷充電完畢后，P1.2 管腳輸出低電 平，光耦不導通，從而切斷 MAX1898 的電源輸入。 BEEP:單片機控制蜂鳴器的引腳。 5V:LM7805 的輸出端，為+5V 電壓。 5VIN:光耦輸出到 MAX1898 的電源輸出端，該端口的導通與否是通過單片機的 GATE 信號控制的。 3功能簡介 首先，監(jiān)測 MAX1898 的輸出信號 CHG，當 MAX1898 將要完成充電時，該引腳 會發(fā)出周期為 4s 的脈沖，單片機的 INT0 引腳接收中斷后，產(chǎn)生中斷，并使用單片機 的 T0 計數(shù)器開始計數(shù)，當下一個脈沖到來時，在定時器程序中判斷單片機的計數(shù)值是 否在 4s 左右，如果是，

47、則通過控制 P1.2 和 P1.3 引腳關斷電源，并引發(fā)蜂鳴器報警。 利用 MAX1898、LM7805 和 AT89C2051 單片機共同構成的鋰離子電池充電器電 路，具體的電路如圖 3-8 所示： IN PUT 1 GND 2 OUT PUT 3 U1LM7805 GND V PP 1 P3.0/RX D 2 P3.1/T X D 3 X T AL2 4 X T AL1 5 P3.2/INT 0 6 P3.3/INT 1 7 P3.4/T 0 8 P3.5/T 1 9 GND 10 P3.7 11 P1.0/AIN0 12 P1.1/AIN1 13 P1.2 14 P1.3 15 P1.4

48、 16 P1.5 17 P1.6 18 P1.7 19 V CC 20 U2 AT89C2051 U3 10u R1 10k X 1 X 2 5V X T AL1 12M C1 22p C2 22p IN 1 CHG 2 EN/OK 3 ISET 4 CT 5 RST RT 6 BAT T 7 GND 8 DRV 9 CS 10 MAX1898 BT 1 MAX 1898 N/C 1 N/C 4 + 2 - 3 GND 5 V o 6 V e 7 V cc 8 充充 6N137 GND 5V IN GAT E 5VBEEP GAT E U14 BUZ Z ER V CC R233 BEEP 1

49、 2 充充 CON2 GND 1 2 J2 Li+ GND Li+ C4 cct C3 220n Q1 PNP GND 5V IN D1 LEDG D3 LEDR R3 470 GND R4 RSET GND E1 ELECT RO1 D2 SD GND Li+ V CC GND GND GND +5 GND CGH CGH 圖 2-8 鋰離子電池充電電路 3 鋰電池充電器軟件設計 3.1 程序功能 基于單片機 AT89C2051 和 MAX1898 的智能電池充電器的程序需要完成以下的功 能： 通過 CHG 信號引起 INT0 外中斷。 在兩次中斷中使用 T0 計數(shù)，判斷是否充電完畢。 如果

50、充電完畢，則控制 P1.2 和 P1.3 引腳，輸出低電平。 3.2 主要變量說明 程序中的變量及說明如表 3-1 所示。 表 3-1 變量及說明 變量說明 GATE單片機的 P1.2 口，控制電源的開關 BEEP單片機的 P1.3 口，控制蜂鳴器 t_countT0 的計數(shù)值 int0_count外部中斷脈沖 int0 ()外中斷 0 服務程序 timer0 ()定時器 0 中斷服務程序 3.3 程序流程圖 單片機控制的智能充電器的程序流程圖如圖 3-1 所示 開始 初始化 while(1) 圖 3-1(a) 等待外部 信號輸入 Y 外部中 斷入口 Int0_count=0? 啟動定時器 0

51、： t_count=0 返回 Int0_count+ N 圖 3-1(b) 外部中斷 程序 Y N N N Y Y 定時器 0 服務程序 關閉 T0 計數(shù) 重設計數(shù)初值 3st_count5s? Int0_count 為 1？ 充電完畢，蜂鳴器 報警，切斷電源 關閉 T0 中斷和 外部 0 中斷 返回 啟動 T0 計 時 充電出錯 圖 3-1(c) 定時器程序 Int0_count=0? t_count+ 圖 3-1 智能充電器的程序流程圖 外部中斷 0 設為邊沿觸發(fā)。 程序的簡單介紹：中斷 第一個下降沿 T0 開始計數(shù) 第二次下降沿 停止 T0 計數(shù) 讀取 T0 計數(shù)器 中斷返回 結 論 本

52、論文描述了鋰離子電池快速充電過程的基本原理,設計了對單節(jié) 4.2V 鋰離子電池 充電的充電器，它能夠快速完成鋰離子電池的充電過程。根據(jù)對鋰離子電池的充放電 特性和充電控制方法的分析得出：鋰離子電池充電器常采用三段充電法，即預處理、 恒流充電(快充)和恒壓充電(充滿)。開始以設定的恒流充電，鋰離子電池的電壓以較高 的斜率增長，在充電過程中斜率逐步降低，充到接近 4.2V 時，恒流充電階段結束，接 著以 4.2V 恒壓充電。在恒壓階段充電時，電壓幾乎不變(或稍有增加)，充電電流不斷 下降。當充電速率下降到 0.1C 時，表示電池已充滿，應終止充電。沒有及時終止的話， 此后最明顯的特征是電池溫度升高

53、，發(fā)熱，在整個快充電過程中都應當注意電池的溫 度，尤其是過充電時，鋰離子電池溫度過高，會造成過熱而損壞電池或發(fā)生爆炸。在 鋰離子電池進入恒壓充電狀態(tài)前，必須適時停止快速充電。為此，設計了此種鋰離子 電池快速充電器, 利用快速充電的方法，并在此基礎之上進行電壓、溫度的檢測和控制 來保證該充電器能對鋰離子電池進行安全可靠而又快速的充電。本電路具有溫度保護 功能,當電池溫度過高時, 即刻停止快速充電,這樣就能避免過充電對鋰離子電池造成的 損害. 根據(jù)鋰離子電池的充電特性可知，鋰電池或充電器在電池充滿后應當停止充電， 并不存在鎳電充電器所謂的持續(xù) 10 幾小時的“涓流”充電。也就是說，如果你的鋰電 池

54、在充滿后，放在充電器上也是白充，反而會造成內(nèi)壓升高、電池發(fā)熱等現(xiàn)象，而我 們誰都無法保證電池的充放電保護電路的特性永不變化和質(zhì)量的萬無一失，所以電池 將長期處在危險的邊緣徘徊。這也是本次設計中當充滿電后自動斷開充電的一個理由。 此外，不可忽視的另外一個方面就是鋰電池同樣也不適合過放電，過放電對鋰電池 同樣也很不利。 致 謝 通過努力這次設計順利完成了，并最終定稿，看著自己的勞動結晶，內(nèi)心充滿了 感激，在此我要感謝我的指導老師魏強老師對我的悉心的指導，感謝老師給我的幫助。 在設計過程中，生芳老師在百忙之中還擠出休息時間給我用電子郵件和電話的方式為 我指點迷津，為我耐心講解，給我提供大量的資料和教

55、我查閱資料的便捷方法，還經(jīng) 常為我提供各方面的幫助，為我排憂解難。 在這次畢業(yè)設計中許多同學也為我加油、鼓勁，也使我們的同學關系更進一步， 同學之間互相幫助，有什么不懂的大家在一起商量，聽聽不同的看法對我們更好的理 解知識，所以，在此，我向各位老師及同學們表示我最衷心的感謝！同時，我也感謝 我的所有任課老師，是他們把我?guī)肓穗娮訉W科學殿堂。 在整個設計中我懂得了許多東西，也培養(yǎng)了我獨立工作的能力，樹立了對自己工 作能力的信心，相信會對今后的學習工作生活有非常重要的影響。而且大大提高了動 手能力，使我充分體會到了在創(chuàng)造過程中探索的艱難和成功時的喜悅。雖然這個設計 做的也不很好，但是在設計過程中所

56、學到的東西是這次設計的最大收獲和財富，使我 終身受益。 我會帶著這份求學精神，帶著老師和同學們寄予我的厚望，好好地把握機會，在 以后的生活、工作崗位上發(fā)揮自己最大的優(yōu)勢，實現(xiàn)自己的人生價值。 參考文獻 1周志敏，周紀海，紀愛華.充電器電路設計與應用(第 1 版) M.北京：人民郵電出版社,2005.10 2王德志.蓄電池原理及應用(第 1 版) M.北京：中國鐵道出版社,1991.5 3王海麟,錢建立,周曉軍.智能快速充電器設計與制作M.北京：科學出版社,1998.7 4周志敏，周紀海.開關電源實用技術設計與應用M. 北京：人民郵電出版社,2003.6 5吳宇平，萬春榮等.鋰離子二次電池M.北

57、京：化學工業(yè)出版社，2002 6何立民，MCS-51 系列單片機應用系統(tǒng)設計系統(tǒng)配置與接口技術M.北京：北京航空航天大學出 版社，1990.3 7李建忠，單片機原理及運用M.西安：西安電子科技大學出版社 8張培仁，基于 C 語言編程 MCS-51 單片機原理與應用M.北京：清華大學出版社，2003. 9求是科技.基于 MAX1898 的智能充電器設計M. (人們郵電出版社 ) 10陳景忠，基于芯片 MAX846A 的實用鋰離子電池充電器的設計J . 通信電源技術，2009，26(6)： 54-56. 11劉美俊，基于 AT89C2051 單片機的智能充電器設計J.集成電路與元器件卷，2004，

58、7：78-79. 12林邦懷，周文靈，一種基于單片機的智能充電器設計J. 儀表技術：2007，2：27-29. 13歐陽文.ATMEL89 系列單片機的原理與開發(fā)實踐M.北京：中國電力出版社，2007.6 14鐘偉雄，基于 AT89C51 的智能充電器的設計J. 信息技術，2009，5：31-33. 15趙亮，侯國銳.單片機 C 語言編程與實例M. 北京：人民郵電出版社，2003,9 16高鵬等，Protel99 入門與提高M.人民郵電出版社，2000，2 附錄 1 電路原理圖 IN PUT 1 GND 2 OUT PUT 3 U1LM7805 GND V PP 1 P3.0/RX D 2 P

59、3.1/T X D 3 X T AL2 4 X T AL1 5 P3.2/INT 0 6 P3.3/INT 1 7 P3.4/T 0 8 P3.5/T 1 9 GND 10 P3.7 11 P1.0/AIN0 12 P1.1/AIN1 13 P1.2 14 P1.3 15 P1.4 16 P1.5 17 P1.6 18 P1.7 19 V CC 20 U2 AT89C2051 U3 10u R1 10k X 1 X 2 5V X T AL1 12M C1 22p C2 22p IN 1 CHG 2 EN/OK 3 ISET 4 CT 5 RST RT 6 BAT T 7 GND 8 DRV 9 CS 10 MAX1898 BT 1 MAX 1898 N/C 1 N/C 4 + 2 - 3 GND 5 V o 6 V e 7 V cc 8 充充 6N137 GND 5V IN GAT E 5VBEEP GAT E U14 BUZ Z ER V CC R233 BEEP 1 2 充充 CON2 GND 1 2 J2 Li+ GND Li+ C4 cct C3 220n Q1 PNP GND 5V IN D1 LEDG D3 LEDR R3 470 GND R4 RSET GND E1 ELECT RO1 D2 SD G