基于單片機(jī)的鋰離子電池充電系統(tǒng)設(shè)計(jì)方案

1、畢業(yè)設(shè)計(jì)方案濟(jì)南大學(xué)泉城學(xué)院畢業(yè)設(shè)計(jì)方案題 目 基于單片機(jī)的鋰離子電池 充電系統(tǒng)設(shè)計(jì) 專(zhuān) 業(yè) 電氣工程及其自動(dòng)化 班 級(jí) 1301班 學(xué) 生 姚良潔 學(xué) 號(hào) 2013010873 指導(dǎo)教師 張興達(dá) 魏志軒 二一七年四月十日學(xué)院 工學(xué)院 專(zhuān)業(yè) 電氣工程及其自動(dòng)化 學(xué)生 姚良潔 學(xué)號(hào) 2013010873 設(shè)計(jì)題目 基于單片機(jī)的鋰離子電池充電系統(tǒng)設(shè)計(jì) 1、 選題背景與意義1. 國(guó)內(nèi)外研究現(xiàn)狀自90年代以來(lái)，中國(guó)正日趨成為世界上最大的電池生產(chǎn)國(guó)和最大的電池消耗國(guó)。隨著科技的發(fā)展，人們對(duì)身邊電子產(chǎn)品的數(shù)字化、自動(dòng)化和效率的要求越來(lái)越高。便攜式電池成為用戶(hù)的首選，隨著各式各樣的電池出現(xiàn)，用戶(hù)在選用電池時(shí)

2、，在考慮到電池的環(huán)保、性?xún)r(jià)比的同時(shí)，更加注重電池的便攜性。正因?yàn)殇囯x子電池具有高的體積比能量和環(huán)保性能，符合當(dāng)前世界電池技術(shù)的發(fā)展趨勢(shì)，逐漸成為市場(chǎng)的主流1。我國(guó)鋰電池行業(yè)的年增長(zhǎng)率已超過(guò)20%，2016年電池總體需求量達(dá)到50億塊左右?？梢?jiàn)，在當(dāng)前和今后相當(dāng)一段時(shí)間，鋰電池將成為我國(guó)電池工業(yè)的龍頭。雖然我國(guó)已是僅次于日本的鋰離子電池生產(chǎn)大國(guó)，市場(chǎng)增長(zhǎng)空間巨大，但并非強(qiáng)國(guó)，在全球鋰離子電池產(chǎn)業(yè)仍處于低端。隨著手機(jī)用戶(hù)的日益增多，如何保養(yǎng)手機(jī)也成為了眾多手機(jī)使用者面臨的一個(gè)實(shí)際問(wèn)題，而手機(jī)電池作為手機(jī)的一個(gè)重要組成部分，直接影響了使用壽命和性能。智能手機(jī)的屏幕越來(lái)越大，功能越來(lái)越多，現(xiàn)有的鋰離子

3、電池產(chǎn)品越來(lái)越難以滿(mǎn)足需求，選擇合適的充電器，可以延長(zhǎng)我們的手機(jī)鋰離子電池的使用壽命?，F(xiàn)階段消費(fèi)者除了通過(guò)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(guò)移動(dòng)電源來(lái)補(bǔ)充電池的電量。根據(jù)日本矢野經(jīng)濟(jì)研究所的預(yù)測(cè)，鋰離子電池正以53.33%的年增長(zhǎng)率快速取代傳統(tǒng)的鎳鉻鎳氫電池市場(chǎng)。目前國(guó)內(nèi)移動(dòng)電源市場(chǎng)上主要的品牌有小米、愛(ài)國(guó)者、品勝、華為等，國(guó)外市場(chǎng)比較知名的品牌有BOOSTCASE、MALA 等。移動(dòng)電源市場(chǎng)在近幾年得到了很大的發(fā)展，市場(chǎng)中出現(xiàn)了各式各樣的品牌。與此同時(shí)，在移動(dòng)電源產(chǎn)品中也存在很多需要解決的問(wèn)題。比如：自身充電所需時(shí)間過(guò)長(zhǎng)，USB輸出電壓不穩(wěn)定，電能轉(zhuǎn)化效率不高，輸出保護(hù)較

4、為單一，輸出大電流時(shí)散熱性能不好等。相較于國(guó)外而言，國(guó)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(lái)，便攜式電子產(chǎn)品的迅猛發(fā)展促進(jìn)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(chǔ)能大、功率大、無(wú)記憶效應(yīng)、無(wú)污染、自放電系數(shù)小、循環(huán)壽命長(zhǎng)等優(yōu)點(diǎn)，脫穎而出，迅速成為市場(chǎng)的主流。鋰電池是20世紀(jì)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(huì)和用戶(hù)的歡迎3。目前已廣泛應(yīng)用于手機(jī)、筆記本電腦、數(shù)碼相機(jī)及眾多的便攜式設(shè)備，其中筆記本電腦占23%，手機(jī)占50%，為最大領(lǐng)域。電子、信息及通訊等3C產(chǎn)品均朝向無(wú)線化、可攜帶化方向發(fā)展

5、，對(duì)于產(chǎn)品的各項(xiàng)高性能組件也往“輕、薄、短、小”的目標(biāo)邁進(jìn)，而鋰離子電池是最佳的電源供應(yīng)來(lái)源。鋰電池也被稱(chēng)之為“最有應(yīng)用前途的化學(xué)電源”，甚至被稱(chēng)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(dú)特的魅力，影響著我們的世界。同時(shí)，其作為新興的能源材料，正處于蓬勃發(fā)展時(shí)期，進(jìn)一步研究和開(kāi)發(fā)鋰離子電池對(duì)發(fā)展與能源密切相關(guān)的各項(xiàng)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(lái)的鋰離子電池在我們手中將會(huì)取得更加豐碩的成果。二、設(shè)計(jì)內(nèi)容本文

6、以AT89C51單片機(jī)為核心元件，是針對(duì)手機(jī)鋰離子電池的智能調(diào)節(jié)充電系統(tǒng)設(shè)計(jì)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(jì)、硬件系統(tǒng)所涉及到的元器件參數(shù)計(jì)算及型號(hào)選擇、鋰離子電池單片機(jī)系統(tǒng)軟件流程圖設(shè)計(jì)及程序?qū)崿F(xiàn)、整體系統(tǒng)調(diào)試、校驗(yàn)以及優(yōu)化調(diào)整。設(shè)計(jì)內(nèi)容主要分為硬件設(shè)計(jì)和軟件設(shè)計(jì)，包含AT89C51單片機(jī)控制模塊、電路保護(hù)模塊、信號(hào)采集模塊、LCD液晶顯示模塊和聲光報(bào)警模塊6。各模塊功能如下：AT89C51單片機(jī)控制模塊：核心控制部分，作為整個(gè)設(shè)計(jì)的主控制模塊。電路保護(hù)模塊：具有輸入過(guò)壓保護(hù)、輸出過(guò)流保護(hù)和過(guò)充電保護(hù)等。充電時(shí)保護(hù)電路因過(guò)流或短路造成的內(nèi)部電路問(wèn)題。信號(hào)采集模塊：對(duì)電流、電壓和

7、溫度進(jìn)行采集，通過(guò)傳感器將信號(hào)傳遞給單片機(jī)。LCD液晶顯示模塊：顯示充電電量百分比以及不同電量時(shí)所使用的充電方式。聲光報(bào)警模塊：通過(guò)硬件電路實(shí)現(xiàn)保護(hù)，給單片機(jī)中斷管腳發(fā)出脈沖信號(hào)，引發(fā)中斷程序?qū)崿F(xiàn)保護(hù)，并引發(fā)蜂鳴器報(bào)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(jī)負(fù)責(zé)控制整個(gè)系統(tǒng)的運(yùn)行，包括充電機(jī)參考電壓電流值的給定，充電完畢或者保護(hù)狀態(tài)時(shí)充電機(jī)的關(guān)閉，根據(jù)電池電壓、充電電流、溫度等各種參數(shù)來(lái)智能監(jiān)測(cè)電池充電狀態(tài)和實(shí)現(xiàn)對(duì)電池的一系列保護(hù)功能，針對(duì)不同充電電量用不同的充電方式對(duì)電池進(jìn)行充電，延長(zhǎng)鋰離子電池的使用壽命，實(shí)現(xiàn)對(duì)電源系統(tǒng)的能化管

8、理7。本次軟件設(shè)計(jì)采用AT89C51單片機(jī)結(jié)合MAX1898鋰離子電池充電芯片，C51高級(jí)語(yǔ)言編程軟件設(shè)計(jì)，AD軟件繪PCB電路原理圖。充電狀態(tài)輸出引腳經(jīng)過(guò)74LS04反向后與單片機(jī)INT0相連觸發(fā)外部中斷，設(shè)置最大充電時(shí)間為3小時(shí)。監(jiān)測(cè)MAX1898的輸出信號(hào)CHG，當(dāng)MAX1898將要完成充電時(shí)，該引腳會(huì)發(fā)出周期為4s的脈沖，單片機(jī)的INT0引腳接收中斷后，產(chǎn)生中斷，并使用單片機(jī)的T0計(jì)數(shù)器開(kāi)始計(jì)數(shù)，當(dāng)下一個(gè)脈沖到來(lái)時(shí)，在定時(shí)器程序中判斷單片機(jī)的計(jì)數(shù)值是否在4s左右，如果是，則通過(guò)P1.2和P1,.3引腳關(guān)斷電源，并引發(fā)蜂鳴器報(bào)警8。其軟件設(shè)計(jì)實(shí)現(xiàn)的功能如下：不同電量時(shí)使用不同的充電方式（

9、恒流、恒壓、涓流），延長(zhǎng)鋰電池的使用壽命，實(shí)現(xiàn)鋰離子電池的充電控制功能；插上電池，綠燈亮，開(kāi)始進(jìn)行充電。充滿(mǎn)后充電器自動(dòng)關(guān)斷，紅燈亮，蜂鳴器報(bào)警；LCD液晶顯示，充電時(shí)顯示電流、電壓、電量百分比以及充電方式；對(duì)電流、電壓及溫度進(jìn)行檢測(cè)，實(shí)現(xiàn)鋰離子電池充電控制過(guò)溫過(guò)壓保護(hù)功能，保證安全充電；當(dāng)系統(tǒng)出現(xiàn)異常情況時(shí)，蜂鳴器發(fā)出警報(bào)。本文研究了當(dāng)前國(guó)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(jī)的系統(tǒng)設(shè)計(jì)，保證了采集、傳輸以及處理過(guò)程中的可靠性，設(shè)計(jì)了一套鋰離子電池充電監(jiān)控報(bào)警系統(tǒng)，完成了軟硬件的設(shè)計(jì)9。通過(guò)軟硬件測(cè)試，該充電系統(tǒng)均衡及保護(hù)電路簡(jiǎn)捷、靈敏、可靠。通過(guò)實(shí)驗(yàn)測(cè)試，該系統(tǒng)具備低功耗、高精

10、度、高穩(wěn)定性、反應(yīng)靈敏、操作簡(jiǎn)便等優(yōu)點(diǎn)10。單片機(jī)負(fù)責(zé)控制整個(gè)系統(tǒng)的運(yùn)行，包括充電機(jī)參考電壓電流值的給定，充電完畢或者保護(hù)狀態(tài)時(shí)充電機(jī)的關(guān)閉，根據(jù)電池電壓、充電電流、溫度等各種參數(shù)來(lái)智能監(jiān)測(cè)電池充電狀態(tài)和實(shí)現(xiàn)對(duì)電池的一系列保護(hù)功能11。本設(shè)計(jì)中所采用的AT89C51單片機(jī)和充電集成電路進(jìn)行充電器的設(shè)計(jì)，不但能夠?qū)崿F(xiàn)對(duì)鋰電池進(jìn)行充電，而且還能夠?qū)崿F(xiàn)相應(yīng)的過(guò)壓和溫度保護(hù)，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(shí)可能對(duì)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(hù)了電池、縮短了充電時(shí)間并盡量延長(zhǎng)鋰電池的使用壽命，符合目前的環(huán)境保護(hù)潮流。三、設(shè)計(jì)方案本次設(shè)計(jì)介紹了基于AT89

11、C51單片機(jī)的鋰離子電池智能充電系統(tǒng)。用單片機(jī)對(duì)充電過(guò)程進(jìn)行智能控制，對(duì)于鋰電池的產(chǎn)品質(zhì)量和檢測(cè)系統(tǒng)提出了更高的要求，提高了手機(jī)電池的使用效率，能夠延長(zhǎng)電池的使用壽命。在電池充電過(guò)程中，系統(tǒng)采用恒壓恒流的充電狀態(tài)，給過(guò)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(jì)包括硬件電路和單片機(jī)軟件模塊。硬件設(shè)計(jì)由A/D轉(zhuǎn)換電路、保護(hù)電路、復(fù)位電路、信號(hào)采集電路和檢測(cè)電路等幾部分組成。電路設(shè)計(jì)如圖1.1所示：鋰電池充電回路功率電路 電流采樣驅(qū)動(dòng)電路溫度檢測(cè)A/D轉(zhuǎn)換液晶顯示52單片機(jī)電壓采樣聲光報(bào)警圖3.1 硬件電路設(shè)計(jì)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(gè)

12、可多路選擇的輸入通道，使系統(tǒng)可以同時(shí)對(duì)電壓、電流以及溫度信號(hào)進(jìn)行采集，而不需要再擴(kuò)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(guò)其 AVCC 引腳供電。片內(nèi)自帶 5V 的基準(zhǔn)電壓 VREF+，當(dāng)進(jìn)行電壓、電流和溫度等信號(hào)采集時(shí)，可以在 VREF+引腳上加上電容進(jìn)行解耦，這樣可以對(duì)噪聲更好的抑制。(2)保護(hù)電路根據(jù)設(shè)計(jì)要求，保護(hù)電路主要有短路保護(hù)電路和過(guò)流保護(hù)電路。短路保護(hù)電路主要由負(fù)責(zé)端電壓取樣電路、比較電路和1V的基準(zhǔn)電壓電路組成，其實(shí)質(zhì)是由外部中斷通知單片機(jī)電池需要進(jìn)行短路保護(hù)，單片機(jī)在中斷程序中啟動(dòng)短路保護(hù)，切斷主回路14。過(guò)充保護(hù)電

13、路的基本思路是：當(dāng)通過(guò)電壓檢測(cè)電路檢測(cè)到電池電壓達(dá)到4.25V0.05V時(shí)，MCU的控制信號(hào)CHARGE輸出低電平使三極管Q18截止，使充電回路關(guān)斷，起到過(guò)充電保護(hù)作用；相反，當(dāng)電池電壓低于4.0V時(shí)，控制信號(hào)CHARGE輸出高電平使三極管Q18導(dǎo)通，使充電回路導(dǎo)通。(3)復(fù)位電路采用STC809R作為復(fù)位芯片，該芯片是專(zhuān)用復(fù)位芯片，具有很多優(yōu)點(diǎn)：在上電時(shí)，當(dāng)時(shí)鐘振蕩穩(wěn)定而且電壓值大于用戶(hù)設(shè)定值，單片機(jī)才開(kāi)始工作；掉電時(shí)，當(dāng)電壓值低于用戶(hù)設(shè)定值，單片機(jī)才能復(fù)位；電池電壓下降到一定值，單片機(jī)始終處于復(fù)位狀態(tài)，且此時(shí)處于超低功耗，避免電池出現(xiàn)過(guò)放；具有掉電檢測(cè)電路，在掉電過(guò)程中有充分的時(shí)間保存數(shù)據(jù)

14、15。(4)信號(hào)采集電路信號(hào)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(cè)芯片。該芯片輸入電壓范圍4.5V至76V，非常適合于需要嚴(yán)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(gè)引腳的電壓狀態(tài)有關(guān)。當(dāng)RS-端電壓高于RS+端電壓，OUT引腳輸出電壓低于參考電壓；當(dāng)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(hào)

15、多路選通電路、低8路信號(hào)多路選通電路、放大電路。溫度檢測(cè)確保了安全充電步驟的執(zhí)行。由于本系統(tǒng)對(duì)溫度信號(hào)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(jìn)行溫度檢測(cè)，共設(shè)計(jì)了四路溫度采集電路，每路的電壓信號(hào)直接進(jìn)入單片機(jī)的AD通道進(jìn)行轉(zhuǎn)換。(5)檢測(cè)電路在充電過(guò)程中，充電系統(tǒng)需要實(shí)時(shí)檢測(cè)電池電壓、溫度、充電電流，根據(jù)檢測(cè)到的充電狀態(tài)進(jìn)行電池充電的實(shí)時(shí)控制17。狀態(tài)檢測(cè)電路直接影響到檢測(cè)到的參數(shù)是否準(zhǔn)確，充電控制是否得當(dāng)，是智能充電系統(tǒng)的重要組成部分。充電狀態(tài)檢測(cè)電路主要完成的功能有電池電壓的檢測(cè)、充電電流的檢測(cè)和電池溫度的檢測(cè)。它們的檢測(cè)機(jī)制是通過(guò)主芯片內(nèi)部ADC的采樣電路來(lái)實(shí)

16、時(shí)采樣電池狀態(tài)的，再把ADC采樣電路得到的數(shù)據(jù)進(jìn)行處理得到我們需要檢測(cè)的參數(shù)。通過(guò)對(duì)設(shè)計(jì)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(jì)方案，從而達(dá)到設(shè)計(jì)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(jī)結(jié)合MA1898鋰離子電池充電芯片進(jìn)行設(shè)計(jì)，C語(yǔ)言進(jìn)行編程。MAX1898和外部單片機(jī)的共同作用下，實(shí)現(xiàn)了充電的過(guò)程18。通過(guò)對(duì)硬件電路的分析，通過(guò)主要控制MAX1898使能及充電完成和充電出錯(cuò)時(shí)的信號(hào)指示控制，用軟件程序來(lái)實(shí)現(xiàn)電流、電壓、溫度的采樣和保護(hù)以及聲光報(bào)警的功能。通過(guò)對(duì)鋰電池狀態(tài)的檢測(cè)，使充電轉(zhuǎn)入不同的充電階段。進(jìn)入不同的

17、充電階段后，通過(guò)一定的算法，改變單片機(jī)輸出PWM 信號(hào)的占空比，實(shí)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(jī)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(shí)，系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)對(duì)各個(gè)充電階段都需要實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)充電過(guò)程的異常。當(dāng)充電器電壓、電池電壓、電池溫度不滿(mǎn)足充電條件時(shí)，就進(jìn)入了異常處理狀態(tài)。當(dāng)出現(xiàn)異常情況時(shí)就會(huì)調(diào)用報(bào)警子程序發(fā)出報(bào)警信號(hào)，蜂鳴器會(huì)發(fā)出警報(bào)。通過(guò)對(duì)硬件和軟件的設(shè)計(jì)，實(shí)現(xiàn)了智能充電，充分保證了鋰離子電池充電過(guò)程的安全性。四、參考文獻(xiàn)1 程立文. 手機(jī)電池的未來(lái)發(fā)展方向J. 電源技術(shù), 2008, (1):6-8.2 李凌云, 任斌. 我國(guó)鋰離子電池產(chǎn)

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