基于單片機的鋰離子電池充電系統(tǒng)設(shè)計方案

1、濟南大學泉城學院畢業(yè)設(shè)計方案題 目 基于單片機的鋰離子電池 充電系統(tǒng)設(shè)計 專 業(yè) 電氣工程及其自動化 班 級 1301班 學 生 姚良潔 學 號 2013010873 指導教師 張興達 魏志軒 二一七年四月十日學院 工學院 專業(yè) 電氣工程及其自動化 學生 姚良潔 學號 2013010873 設(shè)計題目 基于單片機的鋰離子電池充電系統(tǒng)設(shè)計 1、 選題背景與意義1. 國內(nèi)外研究現(xiàn)狀自90年代以來，中國正日趨成為世界上最大的電池生產(chǎn)國和最大的電池消耗國。隨著科技的發(fā)展，人們對身邊電子產(chǎn)品的數(shù)字化、自動化和效率的要求越來越高。便攜式電池成為用戶的首選，隨著各式各樣的電池出現(xiàn)，用戶在選用電池時，在考慮到電

2、池的環(huán)保、性價比的同時，更加注重電池的便攜性。正因為鋰離子電池具有高的體積比能量和環(huán)保性能，符合當前世界電池技術(shù)的發(fā)展趨勢，逐漸成為市場的主流1。我國鋰電池行業(yè)的年增長率已超過20%，2016年電池總體需求量達到50億塊左右?？梢?，在當前和今后相當一段時間，鋰電池將成為我國電池工業(yè)的龍頭。雖然我國已是僅次于日本的鋰離子電池生產(chǎn)大國，市場增長空間巨大，但并非強國，在全球鋰離子電池產(chǎn)業(yè)仍處于低端。隨著手機用戶的日益增多，如何保養(yǎng)手機也成為了眾多手機使用者面臨的一個實際問題，而手機電池作為手機的一個重要組成部分，直接影響了使用壽命和性能。智能手機的屏幕越來越大，功能越來越多，現(xiàn)有的鋰離子電池產(chǎn)品越來

3、越難以滿足需求，選擇合適的充電器，可以延長我們的手機鋰離子電池的使用壽命?，F(xiàn)階段消費者除了通過原廠配備的充電器給便攜式設(shè)備充電之外，普遍采用的是通過移動電源來補充電池的電量。根據(jù)日本矢野經(jīng)濟研究所的預(yù)測，鋰離子電池正以53.33%的年增長率快速取代傳統(tǒng)的鎳鉻鎳氫電池市場。目前國內(nèi)移動電源市場上主要的品牌有小米、愛國者、品勝、華為等，國外市場比較知名的品牌有BOOSTCASE、MALA 等。移動電源市場在近幾年得到了很大的發(fā)展，市場中出現(xiàn)了各式各樣的品牌。與此同時，在移動電源產(chǎn)品中也存在很多需要解決的問題。比如：自身充電所需時間過長，USB輸出電壓不穩(wěn)定，電能轉(zhuǎn)化效率不高，輸出保護較為單一，輸出

4、大電流時散熱性能不好等。相較于國外而言，國內(nèi)的鋰電池智能充電系統(tǒng)性能欠佳，還需要加大研究力度2。2. 選題的目的及意義近幾年來，便攜式電子產(chǎn)品的迅猛發(fā)展促進了電池技術(shù)的更新?lián)Q代。其中鋰離子電池以其重量輕、儲能大、功率大、無記憶效應(yīng)、無污染、自放電系數(shù)小、循環(huán)壽命長等優(yōu)點，脫穎而出，迅速成為市場的主流。鋰電池是20世紀末才出現(xiàn)的綠色高效能可充電電池，目前隨著鋰離子電池的推廣及大量應(yīng)用，鋰離子電池深受社會和用戶的歡迎3。目前已廣泛應(yīng)用于手機、筆記本電腦、數(shù)碼相機及眾多的便攜式設(shè)備，其中筆記本電腦占23%，手機占50%，為最大領(lǐng)域。電子、信息及通訊等3C產(chǎn)品均朝向無線化、可攜帶化方向發(fā)展，對于產(chǎn)品的

5、各項高性能組件也往“輕、薄、短、小”的目標邁進，而鋰離子電池是最佳的電源供應(yīng)來源。鋰電池也被稱之為“最有應(yīng)用前途的化學電源”，甚至被稱為“極限電池”或“最后一代電池”。鋰離子電池作為一種綠色環(huán)保電源，正以其獨特的魅力，影響著我們的世界。同時，其作為新興的能源材料，正處于蓬勃發(fā)展時期，進一步研究和開發(fā)鋰離子電池對發(fā)展與能源密切相關(guān)的各項產(chǎn)業(yè)都具有非常重要的意義。隨著鋰離子電池性能的不斷提高和成本的不斷降低，該系列電池也逐步應(yīng)用于交通工具、航空航天、軍事、醫(yī)療等其它方面的領(lǐng)域，將成為最具發(fā)展前景的可充電電池4。我們相信，未來的鋰離子電池在我們手中將會取得更加豐碩的成果。二、設(shè)計內(nèi)容本文以AT89C

6、51單片機為核心元件，是針對手機鋰離子電池的智能調(diào)節(jié)充電系統(tǒng)設(shè)計5。系統(tǒng)主要包括鋰離子電池充電系統(tǒng)硬件方案設(shè)計、硬件系統(tǒng)所涉及到的元器件參數(shù)計算及型號選擇、鋰離子電池單片機系統(tǒng)軟件流程圖設(shè)計及程序?qū)崿F(xiàn)、整體系統(tǒng)調(diào)試、校驗以及優(yōu)化調(diào)整。設(shè)計內(nèi)容主要分為硬件設(shè)計和軟件設(shè)計，包含AT89C51單片機控制模塊、電路保護模塊、信號采集模塊、LCD液晶顯示模塊和聲光報警模塊6。各模塊功能如下：AT89C51單片機控制模塊：核心控制部分，作為整個設(shè)計的主控制模塊。電路保護模塊：具有輸入過壓保護、輸出過流保護和過充電保護等。充電時保護電路因過流或短路造成的內(nèi)部電路問題。信號采集模塊：對電流、電壓和溫度進行采集

7、，通過傳感器將信號傳遞給單片機。LCD液晶顯示模塊：顯示充電電量百分比以及不同電量時所使用的充電方式。聲光報警模塊：通過硬件電路實現(xiàn)保護，給單片機中斷管腳發(fā)出脈沖信號，引發(fā)中斷程序?qū)崿F(xiàn)保護，并引發(fā)蜂鳴器報警。涉及到的硬件包括：AT89C51，MAX1898芯片，A/D轉(zhuǎn)換器，蜂鳴器，傳感器，熱敏電阻等。單片機負責控制整個系統(tǒng)的運行，包括充電機參考電壓電流值的給定，充電完畢或者保護狀態(tài)時充電機的關(guān)閉，根據(jù)電池電壓、充電電流、溫度等各種參數(shù)來智能監(jiān)測電池充電狀態(tài)和實現(xiàn)對電池的一系列保護功能，針對不同充電電量用不同的充電方式對電池進行充電，延長鋰離子電池的使用壽命，實現(xiàn)對電源系統(tǒng)的能化管理7。本次軟

8、件設(shè)計采用AT89C51單片機結(jié)合MAX1898鋰離子電池充電芯片，C51高級語言編程軟件設(shè)計，AD軟件繪PCB電路原理圖。充電狀態(tài)輸出引腳經(jīng)過74LS04反向后與單片機INT0相連觸發(fā)外部中斷，設(shè)置最大充電時間為3小時。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，則通過P1.2和P1,.3引腳關(guān)斷電源，并引發(fā)蜂鳴器報警8。其軟件設(shè)計實現(xiàn)的功能如下：不同電量時使用不同的充電方式（恒流、恒壓、

9、涓流），延長鋰電池的使用壽命，實現(xiàn)鋰離子電池的充電控制功能；插上電池，綠燈亮，開始進行充電。充滿后充電器自動關(guān)斷，紅燈亮，蜂鳴器報警；LCD液晶顯示，充電時顯示電流、電壓、電量百分比以及充電方式；對電流、電壓及溫度進行檢測，實現(xiàn)鋰離子電池充電控制過溫過壓保護功能，保證安全充電；當系統(tǒng)出現(xiàn)異常情況時，蜂鳴器發(fā)出警報。本文研究了當前國內(nèi)外鋰離子電池充電監(jiān)控系統(tǒng)的現(xiàn)狀，由于是基于單片機的系統(tǒng)設(shè)計，保證了采集、傳輸以及處理過程中的可靠性，設(shè)計了一套鋰離子電池充電監(jiān)控報警系統(tǒng)，完成了軟硬件的設(shè)計9。通過軟硬件測試，該充電系統(tǒng)均衡及保護電路簡捷、靈敏、可靠。通過實驗測試，該系統(tǒng)具備低功耗、高精度、高穩(wěn)定性

10、、反應(yīng)靈敏、操作簡便等優(yōu)點10。單片機負責控制整個系統(tǒng)的運行，包括充電機參考電壓電流值的給定，充電完畢或者保護狀態(tài)時充電機的關(guān)閉，根據(jù)電池電壓、充電電流、溫度等各種參數(shù)來智能監(jiān)測電池充電狀態(tài)和實現(xiàn)對電池的一系列保護功能11。本設(shè)計中所采用的AT89C51單片機和充電集成電路進行充電器的設(shè)計，不但能夠?qū)崿F(xiàn)對鋰電池進行充電，而且還能夠?qū)崿F(xiàn)相應(yīng)的過壓和溫度保護，從而可以充分發(fā)揮鋰電池的性能，并避免了充電器在充電時可能對電池造成損害的情況發(fā)生，具有一定的智能功能。該方案有效地保護了電池、縮短了充電時間并盡量延長鋰電池的使用壽命，符合目前的環(huán)境保護潮流。三、設(shè)計方案本次設(shè)計介紹了基于AT89C51單片機

11、的鋰離子電池智能充電系統(tǒng)。用單片機對充電過程進行智能控制，對于鋰電池的產(chǎn)品質(zhì)量和檢測系統(tǒng)提出了更高的要求，提高了手機電池的使用效率，能夠延長電池的使用壽命。在電池充電過程中，系統(tǒng)采用恒壓恒流的充電狀態(tài)，給過放電的電池使用涓流充電，保證了鋰離子電池安全充電12。該設(shè)計包括硬件電路和單片機軟件模塊。硬件設(shè)計由A/D轉(zhuǎn)換電路、保護電路、復(fù)位電路、信號采集電路和檢測電路等幾部分組成。電路設(shè)計如圖1.1所示：鋰電池充電回路功率電路 電流采樣驅(qū)動電路溫度檢測A/D轉(zhuǎn)換液晶顯示52單片機電壓采樣聲光報警圖3.1 硬件電路設(shè)計圖(1)A/D轉(zhuǎn)換電路ADC0832是8位的逐次逼近型模數(shù)轉(zhuǎn)換器，有兩個可多路選擇的

12、輸入通道，使系統(tǒng)可以同時對電壓、電流以及溫度信號進行采集，而不需要再擴展A/D芯片13。該A/D轉(zhuǎn)換器內(nèi)部包含有采樣保持電路，另外，其內(nèi)部自帶參考電壓。A/D轉(zhuǎn)換器是通過其 AVCC 引腳供電。片內(nèi)自帶 5V 的基準電壓 VREF+，當進行電壓、電流和溫度等信號采集時，可以在 VREF+引腳上加上電容進行解耦，這樣可以對噪聲更好的抑制。(2)保護電路根據(jù)設(shè)計要求，保護電路主要有短路保護電路和過流保護電路。短路保護電路主要由負責端電壓取樣電路、比較電路和1V的基準電壓電路組成，其實質(zhì)是由外部中斷通知單片機電池需要進行短路保護，單片機在中斷程序中啟動短路保護，切斷主回路14。過充保護電路的基本思路

13、是：當通過電壓檢測電路檢測到電池電壓達到4.25V±0.05V時，MCU的控制信號CHARGE輸出低電平使三極管Q18截止，使充電回路關(guān)斷，起到過充電保護作用；相反，當電池電壓低于4.0V時，控制信號CHARGE輸出高電平使三極管Q18導通，使充電回路導通。(3)復(fù)位電路采用STC809R作為復(fù)位芯片，該芯片是專用復(fù)位芯片，具有很多優(yōu)點：在上電時，當時鐘振蕩穩(wěn)定而且電壓值大于用戶設(shè)定值，單片機才開始工作；掉電時，當電壓值低于用戶設(shè)定值，單片機才能復(fù)位；電池電壓下降到一定值，單片機始終處于復(fù)位狀態(tài)，且此時處于超低功耗，避免電池出現(xiàn)過放；具有掉電檢測電路，在掉電過程中有充分的時間保存數(shù)據(jù)

14、15。(4)信號采集電路信號采集電路包括電流采集電路、電壓采集電路和溫度采集電路16。其中電流采集電路選用MAX4081作為檢測芯片。該芯片輸入電壓范圍4.5V至76V，非常適合于需要嚴密監(jiān)視高壓電流的系統(tǒng)，因此可以直接用電池組的最高電壓作為其供電電源。另外，芯片的參考電壓由系統(tǒng)提供，參考電壓值為1.5V。該芯片的引腳OUT輸出電壓與參考電壓、RS-和RS+三個引腳的電壓狀態(tài)有關(guān)。當RS-端電壓高于RS+端電壓，OUT引腳輸出電壓低于參考電壓；當RS-端電壓低于RS+端電壓，OUT引腳輸出電壓高于參考電壓。電壓采集電路包含電池電壓輸入接口電路、高8路電壓取樣網(wǎng)絡(luò)、低8路電壓取樣網(wǎng)絡(luò)、高8路信號

15、多路選通電路、低8路信號多路選通電路、放大電路。溫度檢測確保了安全充電步驟的執(zhí)行。由于本系統(tǒng)對溫度信號的精度要求不高，因此系統(tǒng)采用100K的熱敏電阻和1%精度的電阻分壓進行溫度檢測，共設(shè)計了四路溫度采集電路，每路的電壓信號直接進入單片機的AD通道進行轉(zhuǎn)換。(5)檢測電路在充電過程中，充電系統(tǒng)需要實時檢測電池電壓、溫度、充電電流，根據(jù)檢測到的充電狀態(tài)進行電池充電的實時控制17。狀態(tài)檢測電路直接影響到檢測到的參數(shù)是否準確，充電控制是否得當，是智能充電系統(tǒng)的重要組成部分。充電狀態(tài)檢測電路主要完成的功能有電池電壓的檢測、充電電流的檢測和電池溫度的檢測。它們的檢測機制是通過主芯片內(nèi)部ADC的采樣電路來實

16、時采樣電池狀態(tài)的，再把ADC采樣電路得到的數(shù)據(jù)進行處理得到我們需要檢測的參數(shù)。通過對設(shè)計要求的分析和各元器件的了解，得出分立元件與集成塊的某些連接方法，選擇合適的設(shè)計方案，從而達到設(shè)計功能的要求，并且把這些元器件焊接在一塊電路板上。本次軟件采用AT89C51單片機結(jié)合MA1898鋰離子電池充電芯片進行設(shè)計，C語言進行編程。MAX1898和外部單片機的共同作用下，實現(xiàn)了充電的過程18。通過對硬件電路的分析，通過主要控制MAX1898使能及充電完成和充電出錯時的信號指示控制，用軟件程序來實現(xiàn)電流、電壓、溫度的采樣和保護以及聲光報警的功能。通過對鋰電池狀態(tài)的檢測，使充電轉(zhuǎn)入不同的充電階段。進入不同的

17、充電階段后，通過一定的算法，改變單片機輸出PWM 信號的占空比，實現(xiàn)不同階段充電的控制，并顯示充電的狀態(tài)。圖1.2為正常充電狀態(tài)下單片機軟件程序流程圖。圖1.2 正常充電狀態(tài)下軟件程序流程圖同時，系統(tǒng)軟件設(shè)計對各個充電階段都需要實時監(jiān)測充電過程的異常。當充電器電壓、電池電壓、電池溫度不滿足充電條件時，就進入了異常處理狀態(tài)。當出現(xiàn)異常情況時就會調(diào)用報警子程序發(fā)出報警信號，蜂鳴器會發(fā)出警報。通過對硬件和軟件的設(shè)計，實現(xiàn)了智能充電，充分保證了鋰離子電池充電過程的安全性。四、參考文獻1 程立文. 手機電池的未來發(fā)展方向J. 電源技術(shù), 2008, (1):6-8.2 李凌云, 任斌. 我國鋰離子電池產(chǎn)

18、業(yè)現(xiàn)狀及國內(nèi)外應(yīng)用情況J. 電源技術(shù), 2013, 37(5):883-885.3 屈偉平. 鋰電池的廣泛前景及發(fā)展障礙J. 電源技術(shù)應(yīng)用, 2009, (8):120.4 王海明, 鄭繩楦, 劉興順. 鋰離子電池的特點及應(yīng)用J. 電氣時代, 2004, (3):132-134. 5 徐振. 鋰電池一般特性及管理系統(tǒng)分析J. 廣西輕工業(yè), 2009, (10):35-37.6 周鵬. 動力鋰電池的充電及保護應(yīng)用J. 電源技術(shù), 2012, (5):648-649. 7 陳修強. 鋰電池智能管理系統(tǒng)研究與設(shè)計D. 太原科技大學, 2013.8 林思岐. 電池均衡電路的研究及應(yīng)用D. 北京交通大學, 2013.9 J. Garche, A. Jossen. Battery management systems(BMS) for increasing battery life timeJ. Proc. IEEE, 2000, (5):322-324.10 Jean-Francois Cousseau, Clemence Siret, Fuzzy-Controlled Li-ion Battery Charge System with