一種基于MAX471芯片的鋰電池充電電量顯示與監(jiān)控電路

1、 一種基于MAX471芯片的鋰電池充電電量監(jiān)測電路的設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)三峽電力職業(yè)學(xué)院劉遠(yuǎn)明摘要：本文提供了一種基于MXA471芯片的鋰電池充電監(jiān)測電路，通過該芯片實(shí)時(shí)檢測電路對鋰電池的充電電流值，配合充電管理芯片，實(shí)現(xiàn)了對充電電流，充電電壓，充電電量，電池溫度等的實(shí)時(shí)檢測和顯示，當(dāng)電池溫度、充電電壓等方式異常時(shí)，電路會(huì)及時(shí)報(bào)警，避免充電事故的發(fā)生，本文對電路原理，方法，相關(guān)器件都做了詳細(xì)介紹。引言：隨著便攜式電器設(shè)備的普及，鋰電池的使用已隨處可見，從手機(jī)到平板，從各種便攜式儀器儀表到學(xué)生的各種科技活動(dòng)，使用的電源基本都選擇了鋰電池。但，使用鋰電池就離不開充電器，一個(gè)好的，功能完備的充電器對正確，安全

2、使用鋰電池及其重要。在對鋰電池充電時(shí)，經(jīng)常因?yàn)殡姵鼗虺潆娖鞯脑?，充電充了很長時(shí)間，取下電池使用時(shí)，電池還是沒電，或一會(huì)又沒電了，有的電池，在充電過程中，電池發(fā)熱甚至發(fā)生爆炸事故，因此，在充電過程中，對電池的充電情況進(jìn)行實(shí)時(shí)監(jiān)測，出現(xiàn)問題時(shí)能及時(shí)發(fā)現(xiàn)，確保充電過程有效，安全得進(jìn)行。這里提供一種基于MAX471芯片的充電監(jiān)測電路，可以較好的實(shí)現(xiàn)鋰電池充電的安全、有效的目標(biāo)。1、MAX471芯片介紹：MAX471芯片性能特點(diǎn)MAX471是美國Maxim公司向市場推出的一種新型的、高精度的電流檢測放大器，主要用于筆記本電腦、手機(jī)、便攜式測量儀、能源管理系統(tǒng)等中的電流監(jiān)測單元在電流測量技術(shù)中。在電流測

3、量中，為了減少測量電路對被測電流的影響，通常采用在被測電路中串聯(lián)一只小阻值的取樣電阻進(jìn)行i-v轉(zhuǎn)換，再經(jīng)過差分放大電路實(shí)現(xiàn)小電壓放大的方法來測得電路中的電流值，測量精度要求越高，線路就越復(fù)雜。MAX471內(nèi)部有一個(gè)35mQ的電流采樣電阻，可以測量土UT圖1MAX471內(nèi)部結(jié)構(gòu)示意圖ILOAD3A的電流。MAX471有一個(gè)電流輸出端，只需外接一個(gè)電阻，將電流轉(zhuǎn)換成對地電壓，就可組成高精度的電流監(jiān)測電路。它的工作電壓和被測電路電流范圍寬，因此得到廣泛的應(yīng)用。MAX471內(nèi)部結(jié)構(gòu)及工作原理圖1是MAX471內(nèi)部結(jié)構(gòu)示意圖，主要包括兩個(gè)運(yùn)算放大器A1，A2，內(nèi)部電流采樣電阻R跨接在兩個(gè)運(yùn)算放大器的輸入

4、腳之間，當(dāng)被測電流SENSE經(jīng)過RS+至RS-流過采樣電阻R時(shí)(實(shí)際可以是任意方向)，放大器A1SENSE工作，輸出電流使VT1導(dǎo)通，此時(shí)，忽略三極管的導(dǎo)通壓降，A1正端的電壓為：V-IR。因A2此時(shí)輸出低電平，VT2不導(dǎo)通，因而A1負(fù)端電壓CCOUTG1為：V-RI，根據(jù)放大器虛短，虛斷的原理，兩輸入端電阻無限大，CCSENSELOAD而電位相等，就有：IR=RIOUTG1SENSELOAD即I/I=R/R這里，I/I稱為電流比，其大小由芯OUTLOADSENSEG1OUTLOAD片內(nèi)部的電阻R、R的大小決定的，MAX471內(nèi)部的電阻已經(jīng)固定，其SENSEG1比值為0.0005。這樣，I=0

5、.0005IOUTLOAD如果在OUT輸出端接入一個(gè)負(fù)載電阻Rout，就可以根據(jù)電阻上的電壓，計(jì)算出被檢測電流的大小來：V=IR=0.0005IROUTOUTOUTLOADOUT即；I=V/0.0005R(A)LOADOUTOUT給定一個(gè)負(fù)載電阻R值，測出電壓V值，電流I的大小就知道了，特別，當(dāng)電阻R的值為2K時(shí),OUTOUTLOADOUT電流：I=1V(A)LOADOUTMAX471管腳功能圖2是MAX471的管腳圖，其管腳功能如下：1，SHDN:休眠端。接地時(shí)處于工作狀態(tài)。接高電平時(shí)，休眠狀態(tài)，耗電電流小于18uA。OUTRS-RS-SING圖2MAX471引腳圖2，3RS+：內(nèi)部取樣電阻

6、的電源端?！?”僅表示SIGN輸出端的電流方向。GND:地或電池負(fù)端。SIGN:OC門輸出端。低電平表示被測電流由RS-流向RS+。當(dāng)SHDN為高電平時(shí)，SIGN端呈高阻抗。不使用SIGN時(shí)，可將該端懸空。6，7RS-內(nèi)部取樣電阻的負(fù)載端?！?”僅表示SIGN輸出端的電流方向。8OUT：電流輸出端，它與經(jīng)過RSENSE的電流大小成比例。該端對地接一個(gè)2k的電阻時(shí)，其轉(zhuǎn)換因子為1V/1A(被測電流)2、電量監(jiān)控電路總體結(jié)構(gòu)圖3是電量檢測電路框圖，由充電電流檢測電路，充電管理電路，溫度檢測電路，報(bào)警電路，顯示電路，單片機(jī)控制電路等幾部分組成。電路中，鋰電池充電沒有進(jìn)行另外的控制設(shè)計(jì)，而是直接采用鋰

7、電池充電管理電路，使整個(gè)電路的軟硬件結(jié)構(gòu)都更為簡潔，可靠，這里，電流檢測電路串接在充電管理電路之前，實(shí)現(xiàn)對鋰電池充電電流的實(shí)時(shí)檢測，同時(shí)，充電管理器也將鋰電池的當(dāng)前電壓送入單片機(jī)，這些數(shù)據(jù)，幫助單片機(jī)實(shí)現(xiàn)對鋰電池充電的電量、電壓監(jiān)控。2.1電壓檢測電壓檢測是這個(gè)電路能夠完成設(shè)計(jì)目標(biāo)的重要基礎(chǔ)，所用檢測的電量信號都是先轉(zhuǎn)換為電壓量后結(jié)過變換得到，在過去的單片機(jī)電壓檢測電路中，需要專用的ADC芯片協(xié)助單片機(jī)完成電壓模擬量的采集和轉(zhuǎn)換，結(jié)構(gòu)復(fù)雜。這里，為了進(jìn)一步簡化電路，我們選用具有模擬量檢測端口的單片機(jī)來完成電壓量的采集。2.2充電電量的檢測檢測的結(jié)果以電壓的形式送入單片機(jī)，由單片機(jī)轉(zhuǎn)成電流量進(jìn)行

8、緩存，同時(shí)，單片機(jī)在開始充電時(shí)，打開定時(shí)器，啟動(dòng)計(jì)時(shí)器工作。工作時(shí)，讓單片機(jī)每隔一段時(shí)間，將檢測得到的電流值不斷累加，這樣就獲得了電池充電電量上的數(shù)據(jù)。理論上來說，累加中間的間隔時(shí)間越短，電量計(jì)算的精度就越高。電量=tXI+txi+txi+tXI1LOAD2LOAD3LOADnLOAD2.3環(huán)境溫度檢測在鋰電池充電時(shí)，電池可能會(huì)發(fā)熱，如果因?yàn)殡姵鼗蚱渌麊栴}讓溫度一直偏高時(shí)，會(huì)直接影響電池的使用壽命，還極易引起電池的鼓包現(xiàn)象，更有甚者，充電的異常還有可能引起電池的爆炸和火災(zāi)的發(fā)生，因此，充電時(shí)，對電池的溫度進(jìn)行檢測是很有必要的。過去溫度的檢測常用溫溫度報(bào)十警I0充電電源電流充電檢測管理圖3電路結(jié)

9、構(gòu)框圖鋰電池度敏感元件來完成，如溫敏電阻，溫敏二極管等，采用這些器件檢測溫度，需要有相應(yīng)放大、調(diào)整的配合，增加了電路的復(fù)雜性，我們選用數(shù)字溫度采集器件DS18B20元件進(jìn)行溫度測量，可以大大簡化電路，并提高溫度檢測的精度。報(bào)警電路5V圖4電路原理圖當(dāng)充電電路出現(xiàn)異常，能夠及時(shí)發(fā)現(xiàn)問題并報(bào)警提示，使問題能及時(shí)發(fā)現(xiàn)及時(shí)處理，這是本充電檢測電路最大的特點(diǎn)所在，目前考慮主要在兩個(gè)方面對電池充電進(jìn)行監(jiān)控：一是溫度監(jiān)控，當(dāng)充電溫度偏離正常范圍時(shí)，斷開充電電源并開始報(bào)警。二是當(dāng)充電電壓超過鋰電池的上限電壓時(shí)，切斷電源開始報(bào)警。一般，鋰電池的充電溫度不能超過65度，我保險(xiǎn)，可以把溫度值控制在50度左右。充電電

10、壓的上限電壓為4.20V，監(jiān)控電壓設(shè)置為這個(gè)值。一般情況下，因?yàn)槲覀儾捎昧藢Ｓ玫某潆姽芾硇酒M(jìn)行充電，該芯片內(nèi)部有很完善的終點(diǎn)電壓檢測電路，當(dāng)電池電壓接近這個(gè)值時(shí)，就自動(dòng)斷開電源，結(jié)束充電。但，很多時(shí)候，這個(gè)電源管理芯片可能被損壞，失去管理功能，讓電壓一直上升，如果沒有及時(shí)發(fā)現(xiàn)，后果是很可怕的。數(shù)據(jù)顯示所用檢測的結(jié)果，通過與單片機(jī)連接的顯示屏顯示出來，顯示屏可采用OLED12864屏，和液晶LCD屏相比較，OLED屏不需要背光，夜晚觀看也很方便。用12864屏，可以一次把所用信息顯示出來，觀看很方便。3、電路原理圖圖4是根據(jù)框圖設(shè)計(jì)完成的電路原理圖。圖中，單片機(jī)選用16腳的STC15W408單

11、片機(jī)，這個(gè)單片機(jī)屬于寬電壓單片機(jī)，對電源電壓適應(yīng)性強(qiáng)，不會(huì)因?yàn)殡娫措妷旱淖兓T工。3.1電路硬件配置單片機(jī)因?yàn)楣苣_較少，只有部分P3口和P1口，還有兩個(gè)P5口，STC單片機(jī)的P1口基本都有ADC功能，可以進(jìn)行最高10位精度的模擬量電壓的檢測。按照設(shè)計(jì)要求，需要檢測電壓的地方有：1.鋰電池充電口，2.充電電源的電壓連接端口，3.MAX471用于電流檢測的OUT口，4對于沒有連接穩(wěn)壓IC的電路，要讓單片機(jī)獲得準(zhǔn)確的電壓值，還需單片機(jī)有一個(gè)腳連接一個(gè)精度較高的基準(zhǔn)電壓源，對其他檢測電源進(jìn)行比較矯正。這樣，單片機(jī)共需要至少4個(gè)ADC端口，STC15W408有6個(gè)這樣的端口，因此沒有問題。單片機(jī)的其他

12、端口分別與OLED，溫度元件DS18B20,報(bào)警電路等更需要7個(gè)腳，因此，采用16腳單片機(jī)可以滿足電路安裝的需要。3.2電路其他元件選用說明3.2.1充電管理芯片這里選用的充電管理芯片為TP4056,這是一片完整的恒流/恒壓線性充電芯片，充電電壓固定為4.20V，充電電流的大小可通過外部的電阻進(jìn)行設(shè)定，適合不同容量的鋰電池進(jìn)行充電，最大可輸出1A的充電電流。圖5是其引腳圖，圖6是其典型的充電電路連接圖。圖中，LED1、LED2分別為充電狀態(tài)指示燈，充電時(shí),7腳為0電平，LED1被點(diǎn)亮,變?yōu)?,LED2被點(diǎn)亮。電路中的R是充電電流設(shè)置電阻，相關(guān)計(jì)算公式：RPROGPROG=1200/1其中，I為

13、設(shè)置的充電電流值。當(dāng)需要中斷充電時(shí)，將電路的8腳接地即可。BATBAT3.2.2OLED的選用這里選用的顯示屏為128x64點(diǎn)陣的OLED屏，使用電壓3.3V寬電壓，在5V時(shí)也能正常使用。該屏與單片機(jī)的?inSymbol1vss2VDD3SCL4SDA5RST#fD/C#7cs#Color:lhite/YB/BLLEDriverIC:SSDBQ6Interface:3/4-wireSPI,GeneralTolerance:0.30通訊接口為4線SPI接口，對單片機(jī)接口資源的占用極少。廠家提供的接口資料如下:3.3電路工作原理3.3.1實(shí)現(xiàn)充電電量的顯示開機(jī)后，單片機(jī)的的幾個(gè)電壓檢測口分別對電路

14、的電壓端口進(jìn)行檢測，檢測到電流量時(shí)，啟動(dòng)計(jì)時(shí)器，然后，單片機(jī)每分鐘為一段時(shí)間，不斷對電流，鋰電池端口的充電電壓進(jìn)行檢測，將檢測到的電壓、電流及時(shí)間值相乘，并同上次的結(jié)果進(jìn)行累加計(jì)算，直到充電管理芯片TP4056電池充電結(jié)束，關(guān)斷了充電電源，這時(shí)顯示的電量，就是充入鋰電池的電量。3.3.2實(shí)現(xiàn)充電異常情況監(jiān)測報(bào)警充電異常的情況主要有，充電溫度異常，充電電壓異常等。當(dāng)監(jiān)測到的溫度值超過設(shè)定的正常溫度范圍時(shí)，讓單片機(jī)的P5.5口輸出0電平，與之連接的三極管導(dǎo)通，蜂鳴器發(fā)出報(bào)警聲音，同樣，當(dāng)監(jiān)測到鋰電池端口的充電電壓超過4.2V時(shí)，也讓P5.5腳輸出0電平，蜂鳴器發(fā)出報(bào)警聲，以此提醒我們及時(shí)發(fā)現(xiàn)問題，

15、排除故障。還有兩種情況也應(yīng)該引起注意，用于充電的5V充電電源，市面上和網(wǎng)絡(luò)上有很多都是偽劣產(chǎn)品，輸出的充電電流很小，甚至因?yàn)榻尤腚娐泛螅潆婋娫吹亩穗妷旱涮?，低于充電器正常的工作電壓，使充電器根本不能啟?dòng)工作，這種情況如果不能及時(shí)發(fā)現(xiàn)，就會(huì)白白浪費(fèi)很多時(shí)間。還有一種情況也很常見，就是鋰電池使用不當(dāng)或在網(wǎng)絡(luò)上購買的鋰電池，其電池內(nèi)阻很大，根本無法充入電流，這種情況也應(yīng)該能夠及時(shí)發(fā)現(xiàn)，及時(shí)剔除損壞的電池，這可以通過觀察顯示屏顯示的數(shù)據(jù)來發(fā)現(xiàn)。4、電路的軟件設(shè)計(jì)根據(jù)電路的工作原理和電路的硬件配置，明確單片機(jī)端口布局，還要對OLED面板的數(shù)據(jù)顯示做適當(dāng)?shù)囊?guī)劃，如文字的點(diǎn)陣大小，排列位置等。4.1單

16、片機(jī)端口布局情況：/單片機(jī)：STC15W408-16/采用OLED作為顯示器件，實(shí)現(xiàn)鋰電池充電的監(jiān)測和數(shù)據(jù)顯示/P3.0CS/P3.1RESTOC o 1-5 h z/P3.2AO/P3.3CLK/P3.6DIN/P3.7DS18B20/P1.0ks/P1.1L431（2.50V基準(zhǔn)電壓）/P1.2E（鋰電池電壓）/P1.3Uout（電流檢測輸出端電壓）/P1.41（電流）/P1.5Vcc（電源電壓）/P5.5蜂鳴器（0電平導(dǎo)通）4.2OLED屏的數(shù)據(jù)顯示規(guī)劃：這里采用的OLED顯示屏，分辨率為128X64個(gè)點(diǎn)陣，X軸的點(diǎn)陣坐標(biāo)為0-127,y軸的點(diǎn)陣坐標(biāo)為64,顯示字符時(shí),縱向的坐標(biāo)可以是一個(gè)字節(jié)，即8個(gè)點(diǎn)陣，顯示漢字，則需要2個(gè)字節(jié)即縱向16個(gè)點(diǎn)陣。所以從縱向來看，一個(gè)屏，最多只能寫上4排漢字。于是，我們這樣規(guī)劃顯示屏的字符布局：第一行，共有14個(gè)字符，如果每個(gè)字符寬12個(gè)點(diǎn)陣，需要占用點(diǎn)陣位:U=5.21VE=4.12V充電溫度T=16.5c充電電流I=0.356A充電電量P=0.154AH14X12=168，大于128,不行，把寬度改為9.則，14X9=126,勉強(qiáng)夠用。后三排有漢字，可以分開來計(jì)算，字符的寬度和前面一樣，為9,最下面一排字?jǐn)?shù)最多，其字?jǐn)?shù)為13,將漢字的寬度也取9，貝V，需要的點(diǎn)陣寬度為13X9=117，只能這樣了，這樣的漢字點(diǎn)陣，字體會(huì)有些失真