摘要
 

 

本文設(shè)計的充電器主要是面向手機鋰電池進行充電的智能充電器。所謂智能充電器是指能根據(jù)用戶的需要自主選擇充電方式，并且在充電過程中能對被充電電池進行保護從而防止過電壓、電流和溫度過高的一種智能充電器。在設(shè)計上我們選擇了簡潔、高效的硬件，設(shè)計穩(wěn)定可靠的軟件，詳細介紹了系統(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充電芯片進行了較詳細的介紹。闡述了系統(tǒng)的軟件設(shè)計，以C語言為開發(fā)工具，進行了詳細設(shè)計和編碼?？傮w目標是實現(xiàn)系統(tǒng)的可靠性、穩(wěn)定性、安全性和經(jīng)濟性。
　　述

1.1 單片機技術(shù)的特點及應(yīng)用

隨著大規(guī)模和超大規(guī)模集成電路技術(shù)的發(fā)展和計算機微型化的需要，將微型計算機的基本部件：中央處理器（CPU）、存儲器、輸入/輸出（I/O）接口、定時器/計數(shù)器等多種資源集成在一個半導(dǎo)體芯片上，使得一塊集成電力芯片就能構(gòu)成一個完整的微型計算機。這種集成電路芯片被稱為單片微型計算機（Single Chip Microcomuper），簡稱單片機。單片機在結(jié)構(gòu)設(shè)計上，他的軟、硬件系統(tǒng)及I/O接口控制能力等方面都有獨到之處，具有較強而有效的功能。從其組成、邏輯功能上來看，單片機具備了微型計算機系統(tǒng)的基本部件。

目前，8位高檔機和16位機在單片機應(yīng)用中占主導(dǎo)地位，產(chǎn)品眾多，已有幾十個系列、幾百個型號，除了通用單片機以外，集成更多資源，如A/D轉(zhuǎn)換器、D/A轉(zhuǎn)換器、“看門狗”（Watchdog）電路、LCD控制器、網(wǎng)路控制模塊等，將單片機嵌入式系統(tǒng)和Intenet連接起來已是一種趨勢。還有專用單片機產(chǎn)品，如專門用于數(shù)據(jù)處理（圖像和語言處理等）的單片機?？傊瑔纹瑱C正在向微型化、低功耗、高速、集成、高集成度、多資源、網(wǎng)絡(luò)化、專用型方向發(fā)展。

1.1.1單片機的特點：

單片機在一塊芯片上集成了一臺微型計算機所需要的基本部件。它在硬件結(jié)構(gòu)、指令功能等方面均有獨到之處，其特點如下：

性價比高。單片機性能穩(wěn)定，功能強大，價格便宜。

體積小，集成度高、可靠性高。單片機將一臺計算機所需要的基本部件集成在一塊芯片上，減少了各部件間的連線，能大大地提高運行速度和抗干擾能力。

控制功能強。為了，滿足工業(yè)控制的需要，單片機有很強的位處理功能。在其他的邏輯控制功能等方面，也都優(yōu)于一般的8位微處理。

單片機系統(tǒng)配置靈活、方便。由于單片機帶有一定數(shù)量的接口電路，容易構(gòu)成各種規(guī)模的應(yīng)用系統(tǒng)。

單片機類型多。單從ROM類型來說，單片機的只讀存儲器有ROM、EPROM、EEPROM、Flash Memory等多種，可以根據(jù)實際需要進行選擇。

1.1.2單片機的應(yīng)用：

由于單片機具有如上所述的特點，因此在工業(yè)生產(chǎn)、日常生活等諸多領(lǐng)域，得到了日益廣泛的應(yīng)用，單片機的主要應(yīng)用領(lǐng)域有：工業(yè)控制，如在工業(yè)生產(chǎn)過程中參數(shù)（如溫度、壓力、流量、液位等）的控制，數(shù)據(jù)處理功能于一體，如轉(zhuǎn)速測試儀、噪聲測試儀、振動測試儀及電子秤等。計算機網(wǎng)絡(luò)與通信，單片機上有并行I/O接口角兒串聯(lián)I/0接口，可用于通信接口，如單片機控制的自動呼叫應(yīng)答系統(tǒng)、列車無線通信系統(tǒng)、遙測遙控系統(tǒng)等。家用電器，由于單片機體積小，控制能力強，且片內(nèi)與定時器/計數(shù)器，所以廣泛應(yīng)用于家用設(shè)備中。如空調(diào)、洗衣機、微波爐及防盜報警等。

本設(shè)計是單片機在智能充電方面的應(yīng)用。

1.2 單片機實現(xiàn)充電器功能的意義

由于充電器多采用大電流的快速充電法，在電池充滿后如果不及時停止會使電池發(fā)燙，過度的充電會嚴重損害電池的壽命。一些低成本的充電器采用電壓比較法，為了防止過充，一般充電到90%就停止大電流快充，而采用小電流涓流補充充電。

手機電池的使用壽命和單次使用時間與充電過程密切相關(guān)。鋰電池是手機最為常用的一種電池，它具有較高的能量重量比、能量體積比，具有記憶效應(yīng)，可重復(fù)充電多次，使用壽命較長，價格也越來越低。鋰電池對于充電器的要求比較苛刻，需要保護電路。為了有效利用電池容量，需將鋰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(yù)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。

一部分的充電器不但能在很短時間內(nèi)將電量充足，而且還可以對電池起到一定的維護作用，修復(fù)由于使用不當造成的記憶效應(yīng)，即容量下降（電池活性衰退）現(xiàn)象。設(shè)計比較科學的充電器往往采用專用充電控制芯片配合單片機控制的方式。專用的充電芯片具有業(yè)界公認較好的-△v檢測，可以檢測出電池充電飽和時發(fā)出的電壓變化信號，比較精確地結(jié)束充電工作，通過單片機對這些芯片的控制，可以實現(xiàn)充電過程的智能化，例如，在充電后增加及時關(guān)段電源、蜂鳴報警和液晶顯示等功能。充電器的智能化可以縮短充電的時間，同時能夠維護電池，延長電池使用壽命。

51系列單片機也是當前使用最為廣泛的8位單片機系列，其豐富的開發(fā)資源和較低的開發(fā)成本，使51系列單片機現(xiàn)在以至將來都仍會有強大的生命力。在眾多的51系列單片機中，AT89系列單片機在我國得到了極其廣泛的應(yīng)用，AT89系列單片機是美國Atmel公司的8位機產(chǎn)品。他的特點是片內(nèi)含有Flash Memory，Flash Memory是一種電可摩除和電寫入的閃速存儲器（記為FPEPROM)，在系列的開發(fā)過程中可以很容易地進行程序修改，使開發(fā)調(diào)試更為方便。

隨著社會的不斷發(fā)展，人們使用各種家電設(shè)備、儀表以及工業(yè)生產(chǎn)中的數(shù)據(jù)采集與控制設(shè)備也在逐步走向智能化，所以充電器有它的巨大發(fā)展空間，同時電子產(chǎn)品的不斷更新，51單片機在實現(xiàn)手機電池充電器方面的應(yīng)用就更有意義。

為了完成智能充電器的設(shè)計，我將進行以下工作：

1.分析充電的實現(xiàn)和智能化的實現(xiàn)方法，選擇合適的充電電池芯片。

2.進行硬件電路的設(shè)計，繪制充電電路原理圖。

3.進行軟件設(shè)計，設(shè)計程序代碼。

4.調(diào)試硬件和軟件電路，驗證整個設(shè)計。

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

第二章充電技術(shù)

2.1 鋰離子電池的特點

鋰離子電池的正極材料通常有鋰的活性化合物組成，負極則是特殊分子結(jié)構(gòu)的碳。常見的正極材料主要成分為LiCo02，充電時，加在電池兩級的電勢迫使正極化合物釋出鋰離子，嵌入負極分子排列呈片層結(jié)構(gòu)的碳中。放電時，鋰離子則從片層結(jié)構(gòu)的碳中析出，重新和正極的化合物結(jié)合。鋰離子的移動產(chǎn)生了電流。

化學反應(yīng)原理雖然很簡單，然而在實際的工業(yè)生產(chǎn)中，需要考慮的實際問題要多得多：正極的材料需要添加劑來保持多次充放的活性，負極的材料需要在分子結(jié)構(gòu)級去設(shè)計以容納更多的鋰離子；填充在正負級之間的電解液，除了保持穩(wěn)定，還需要具有良好導(dǎo)電性，減小電池內(nèi)阻。

雖然鋰離子電池很少有鎳鎘電池的記憶效應(yīng)，記憶效應(yīng)的原理是結(jié)晶化，在鋰電池中幾乎不會產(chǎn)生這種反應(yīng)。但是，鋰離子電池在多次充放后容量仍然會下降，其原因是復(fù)雜多樣的。主要是正負極材料本身的變化，從分子層里來看，正負極上容納鋰離子的空穴結(jié)構(gòu)會逐漸塌陷，堵塞；從化學角度來看，是正負極材料活性鈍化，出現(xiàn)副反應(yīng)生成穩(wěn)定的其他化合物。物理上還會出現(xiàn)正極材料逐漸剝落等情況，總之最終降低了電池中可以自由在充放電過程中移動的鋰離子數(shù)目。

過度充電和過度放電，將對鋰離子電池的正負極造成永久的損壞，從分子層面看，可以直觀的理解，過度放電將導(dǎo)致負極碳過度釋放出鋰離子而使得其片層結(jié)構(gòu)出現(xiàn)塌陷，過度充電將把太多的鋰離子硬塞進負極碳結(jié)構(gòu)里去，而使得其中一些鋰離子再也無法釋放出來。這也是鋰離子電池為什么通常配有充放電的控制電路的原因。

鋰離子電池一般都帶有管理芯片和充電控制芯片。其中管理芯片中有一系列的寄存器，存有容量、溫度、ID、充電狀態(tài)、放電次數(shù)等數(shù)值。這些數(shù)值在使用中會逐漸變化。

充電控制芯片主要控制電池的充電過程。鋰離子電池的充電過程分為兩個階段，恒流快充階段（電池指示燈呈黃色時）和恒壓電流遞減階段（電池指示燈呈綠色閃爍。恒流快充階段，電池電壓逐步升高到電池的標準電壓，隨后在控制芯片下轉(zhuǎn)入恒壓階段，電壓不再升高以確保不會過充，電流則隨著電池電量的上升逐步減弱到0，而最終完成充電。

電量統(tǒng)計芯片通過記錄放電曲線（電壓、電流、時間）可以抽樣計算出電池的電量。而鋰離子電池在多次使用后，放電曲線是會改變的，如果芯片一直沒有機會再次讀出完整的一個放電曲線，其計算出來的電量也就是不準確的。所以我們需要深充放來校準電池的芯片。

而鋰離子電池具有較高的能量重量比和能量體積比、無記憶效應(yīng)、可重復(fù)充電多次、使用壽命較長、價格也越來越低、鋰離子電池的這些特點促進了便攜式產(chǎn)品向更小更輕的方向發(fā)展，使得選用單節(jié)鋰離子電池供電的產(chǎn)品也越來越多。

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。鋰離子電池要求的充電方式是恒流恒壓方式，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(yù)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。由此可見實現(xiàn)安全高效的充電控制成為鋰離子電池推廣應(yīng)用的瓶頸。針對這些應(yīng)用特點，MAX1898，這款充電器具有很高的充電控制特性和較低的成本，性能價格比較高，是一款理想的單節(jié)鋰離子電池充電器。

2.2 智能充電器

在人們?nèi)粘９ぷ骱蜕钪?，充電器的使用越來越廣泛。從隨身聽到數(shù)碼相機，從手機到筆記本電腦，幾乎所有用到電池的電器設(shè)備都需要用到充電器。充電器為人們的外出旅行和出差辦公提供了極大的方便。

單片機在電池充電器領(lǐng)域也有著廣泛的應(yīng)用，利用它的處理控制能力可以實現(xiàn)充電器的智能化。充電器種類繁多，但從嚴格意義上講，只有單片機參與處理和控制的充電器才能稱為智能充電器。

隨著手機在世界范圍內(nèi)的普及使用，手機電池充電器的使用也越來越廣泛。

本次設(shè)計將通過一個典型實例介紹5 1單片機在實現(xiàn)手機電池充電器方面的應(yīng)用。設(shè)計所實現(xiàn)的充電器是一種智能充電器，它在單片機的控制下，具有預(yù)充、充電保護、自動斷電和充電完成報警提示功能。

 

 

2.3 設(shè)計的功能模塊

?單片機模塊：實現(xiàn)充電器的智能化控制，比如自動斷電、充電完成報警提示等。

    ?充電過程控制模塊：采用專用的電池充電芯片實現(xiàn)對充電過程的控制。

    ?充電電壓提供模塊：采用電壓轉(zhuǎn)換芯片將外部+1 2V電壓轉(zhuǎn)換為需要的+5V電壓。該電壓在送給充電控制模塊之前還需經(jīng)過一個光耦模塊。

    ?C51程序：單片機控制電池充電芯片實現(xiàn)充電過程的自動化，并根據(jù)充電的狀態(tài)給出有關(guān)的輸出指示。

 

 

 

第三章設(shè)計思路分析

充電的實現(xiàn)，它包括兩部分：一是充電過程的控制；二是需要提供基本的充電電壓。

3.1智能化的實現(xiàn)

在充電器電路中引入單片機的控制。它為什么需要實現(xiàn)充電器的智能化呢？

充電器實現(xiàn)的方式不同會導(dǎo)致充電效果的不同。由于充電器多采用大電流的快速充電法，在電池充滿后如果不及時停止會使電池發(fā)燙，過度的充電會嚴重損害電池的壽命。一些低成本的充電器采用電壓比較法，為了防止過充，一般充電到90％就停止大電流快充，而采用小電流涓流補充充電。

手機電池的使用壽命和單次使用時間與充電過程密切相關(guān)。鋰電池是手機最為常用的一種電池，它具有較高的能量重量比、能量體積比，具有記憶效應(yīng)，可重復(fù)充電多次，使用壽命較長，價格也越來越低。鋰電池對于充電器的要求比較苛刻，需要保護電路。為了有效利用電池容量，需將鋰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(yù)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。

一部好的充電器不但能在短時間內(nèi)將電量充足，而且還可以對電池起到一定的維護作用，修復(fù)由于使用不當造成的記憶效應(yīng)，即容量下降(電池活性衰退)現(xiàn)象。設(shè)計比較科學的充電器往往采用專用充電控制芯片配合單片機控制的方法。專用的充電芯片具備業(yè)界公認較好的-△v檢測，可以檢測出電池充電飽和時發(fā)出的電壓變化信號，比較精確地結(jié)束充電工作，通過單片機對這些芯片的控制，可以實現(xiàn)充電過程的智能化，例如，在充電后增加及時關(guān)斷電源、蜂鳴報警和液晶顯示等功能。充電器的智能化可以縮短充電的時間，同時能夠維護電池，延長電池使用壽命。

 

 

 

3.2電池充電芯片的選擇

3.2.1如何選擇電池充電芯片

目前市場上存在大量的電池充電芯片，它們可直接用于進行充電器的設(shè)計。在選擇具體的電池充電芯片時，需要參考以下標準。

?電池類型：不同的電池(鋰電池、鎳氫電池、鎳鎘電池等)需選擇不同的充電芯片。

?電池數(shù)目：可充電池的數(shù)目。

?電流值：充電電流的大小決定了充電時間。

?充電方式：是快充、慢充還是可控充電過程。

本設(shè)計要實現(xiàn)的是手機的單節(jié)鋰離子電池充電器，要求充電快速且具有優(yōu)良的電池保護能力，據(jù)此選擇Maxim公司的MAXl898作為電池充電芯片。

3.2.2芯片MAX1898的特點

MAXl898配合外部PNP或PMOS晶體管可以組成完整的單節(jié)鋰電池充電器。

MAXl898提供精確的恒流／恒壓充電，電池電壓調(diào)節(jié)精度為±0.75％，提高了電池性能并延長了電池使用壽命。充電電流可由用戶設(shè)定，采用內(nèi)部檢流，無須外部檢流電阻。MAXl898提供了充電狀態(tài)的輸出指示、輸入電源是否與充電器連接的輸出指示和充電電流指示。MAXl898還具有其他一些功能，包括輸入關(guān)斷控制、可選的充電周期重啟(無須重新上電)、可選的充電終止安全定時器和過放電電池的低電流預(yù)充。

MAXl898的關(guān)鍵特性如下。

?簡單、安全的線性充電方式。

?使用低成本的PNP或PMOS調(diào)整元件。

?輸入電壓：4.5～12V。

?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。

?可編程安全定時器。

?檢流監(jiān)視輸出。

?可選／可調(diào)節(jié)自動重啟。

?小尺寸uMAX封裝。

3.2.3 MAXl 898的充電工作原理

充電芯片MAXl898的內(nèi)部電路包括輸入電流調(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)器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(shè)定的門限電流時，通過降低充電電流從而控制輸入電流。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的設(shè)計。 MAXl898外接限流型充電電源和P溝道場效應(yīng)管，可以對單節(jié)鋰電池進行安全有效的快充，其最大特點是：在不使用電感的情況下，仍能做到很低的功率耗散，可以實現(xiàn)預(yù)充電，具有過壓保護和溫度保護功能，最長充電時問的限制可為鋰電池提供二次保護。MAX1898的浮動方式能夠使電池容量充至最大。

當充電電源和電池在正常的工作溫度范圍內(nèi)時，插入電池將啟動一次充電過程；充電結(jié)束的條件是平均的脈沖充電電流達到快充電流的1％，或時間超出片上預(yù)置的充電時間。MAXl898能夠自動檢測充電電源，沒有電源時自動關(guān)斷以減少電池的漏電。啟動快充后打開外接的P型場效應(yīng)管，當檢測到電池電壓達到設(shè)定的門限時進入脈沖充電方式，P型場效應(yīng)管打開的時問會越來越短。充電結(jié)束時，指示    圖1 MAX1898的典型充電電路

燈將會按12%的周期閃爍，MAX1898的典型充電電路如右圖1所示電路具體說明如下。                 

(1)輸入電壓范圍為4.5～12v。鋰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，一般可采用直流電源外加變壓器。

(2)通過外接的場效應(yīng)管提供鋰電池的充電接口。

(3)通過外接的電容CcT來設(shè)置充電時間tCHG。這里的充電時間指的是快充時的最大充電時間，它和定時電容CcT的關(guān)系如下式所示。

CcT=34.33×tCHG

式中，tCHG的單位為小時，CcT的單位為nF。

大多數(shù)情況下，快充時最大充電時問不超過3小時，因此常取CcT為100nF。

(4)在限制電流的模式下，通過外接的電阻RSET來設(shè)置最大充電電流IFSTCHG，關(guān)系如下式所示：1fstchg=1400/Rset式中，RSEI-的單位為Q，IFsTCHG的單位為A。

當充電電源和電池在正常的工作溫度范圍內(nèi)時，插入電池將啟動一次充電過程。平均的脈沖充電電流低于設(shè)置的快充電流的20％，或者充電時間超出片上預(yù)置的最大充電時問時，充電周期結(jié)束。MAXl898能夠自動檢測充電電源，沒有電源時自動關(guān)斷以減少電池的漏電。啟動快充后，打開外接的P型場效應(yīng)管，當檢測到電池電壓達到設(shè)定的門限時進入脈沖充電方式，P型場效應(yīng)管打開的時JI間會越來越短。充電結(jié)束時，LED指示燈將會呈現(xiàn)周期性的閃爍，具體的閃爍含義如表1所示。

表1 MAX1898典型充電電路的LED指示燈狀態(tài)說明  

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充電狀態(tài)	LED指示燈
電池或充電器沒有安裝	滅
預(yù)充或快充	亮
充電結(jié)束