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100213胶装2
郑州华信学院
本科生毕业设计（论文）
题目：
基于单片机的智能电池充电器设计
指导教师：
瓮嘉民职称：
讲师
学生姓名：
张方然学号：
1002120113
专业：
电气工程及其自动化
院（系）：
机电工程学院
答辩日期：
2014年6月17日
2014年6月12日
摘要
本设计是选择STC89S52型号单片机和MAX1898类型电池充电芯片，以实现手机电池充电器智能功能。
主要介绍单片机在手机的锂离子电池充电器方面的智能化设计，在单片机的控制下，设计具有预设、充电保护、自动断电和充电完成后报警提示功能的智能化充电器。
在对锂离子电池的基本参数特性做出介绍的基础上,该充电器的硬件电路包括单片机控制部分、电压转换及光耦隔离部分、充电控制部分。
软件设计以C51语言为工具，实现了预充、快充、慢充、断电、报警等智能化充电过程。
此充电器具有电路简单、结构紧凑、价格低廉、操作使用方便等优点，可以更好的提高利用率，节约能源。
如今，社会科学技术不断进步，对高性能、小尺寸、重量轻的电池充电器的需求也越来越大。
电池技术的持续进步也要求更复杂的充电算法以实现快速、安全的充电。
因此需要对充电过程进行更精确的监控以缩短充电时间、达到最大的电池容量，并防止电池损坏，智能充电器更能适应社会发展，应运而生。
关键词：
智能充电器单片机MAX1898芯片
Abstract
IchoiceMAX1898whichisfromMaximCompanyasthechargingchipanduseSTC89S52asthechargingparttofinishthedesignofanintelligentbatterycharger.Basedontheintroductionofthebasicparametersandcharacteristicsoflithiumbattery,thearticlefullyintroducesthehardwarewhichincludesMCUcontrolpart,voltageconversionandcouplerisolationpartandchargesection.IselectC51languageasthetoolofsoftwaredesigning.Thisbatterychargercanfulfilltheprocessofprecharging,fastcharging,slowcharging,cuttingoffpowerandalarming.Now,socialscienceandtechnologyprogress,thehighperformance,smallsize,lightweightofthedemandofthebatterychargerisbecomingmoreandmorebig.Batterytechnologycontinuestoprogressalsorequiresmorecomplexalgorithminordertorealizetherapidandsafebattery.Soweneedmoreaccuratemonitoringofthechargingprocesssoastoshortenthechargingtime,maximumbatterycapacity,andtopreventcelldamage,smartchargerismoreabletoadapttosocialdevelopment,arisesatthehistoricmoment.
Keywords:
batterychargerintellegentbasedonSTC89C52single-chipcomputerMAX1898
目录
1绪论1
1.1背景1
1.2指导思想1
1.3本设计完成的智能化功能1
1.4方案设计2
2单片机简介3
2.1单片机的特点3
2.2单片机的应用4
2.3单片机应用于充电器实现智能化4
2.4本设计所用的单片机芯片5
2.4.1简介：
5
2.4.2特性：
5
2.4.3参数:
5
2.4.4管脚定义说明:
6
3锂离子电池介绍9
3.1锂离子电池简介9
3.2锂离子电池基本参数特性9
3.3锂离子电池的优缺点9
4充电芯片MAX1898的介绍11
4.1MAX1898充电芯片11
4.2MAX1898的特点及选择充电芯片的理由11
4.3MAX1898的引脚构造11
4.4MAX1898的充电原理12
5硬件电路的设计15
5.1主要器件15
5.2电路原理图和说明15
5.3智能充电器的充电过程18
6软件设计20
6.1程序流程图20
6.2主要程序说明21
7系统设计仿真与调试22
7.1软件系统的设计22
7.1.1.Keil介绍22
7.1.2Proteus介绍23
7.2利用keil与Proteus进行调试24
7.3硬件测试27
结论28
致谢30
参考文献31
附录32
1绪论
1.1背景
各种各样的电子产品都朝着便携式和小型轻量化的方向发展，依赖于电子技术的快速发展，同样它的发展也使得更多的电气化产品采用基于电池的供电系统。
电池作为一个最传统的产业，正经历着前所未有的变革，尤其是在通信，动力等领域，对电池有了新的发展和要求。
迄今为止，较多使用的电池有镍镉、镍氢、铅蓄电池和锂电池。
不同电池各自特点决定了它们将在相当长的时期内共存发展。
智能充电器为了适应社会发展，就逐渐显示它日益重要的作用。
在人们最平常的工作和生活中，随着各种电子产品的广泛使用，各种充电器作用日益显著，不可或缺。
从收音机到ipad，从手机到笔记本电脑，几乎只要用到电池的设备都会用到充电器。
这些充电器都有便于携带的特点，所以充电器为人们外出旅游和出差提供了非常大的方便。
市场上的手机充电器存在诸多缺点和不足，大多数外表外观相似，但内部线路却大不一样，当然它的性能也大不同。
虽然充电器都能实现充满自停，但其实现的方式却大不相同，这就直接导致充电效果也是不一样的，由于采用大电流快速充电，所以电池充满后也不能及时停止，这样会引起电池过度充电而导致发热严重，过度充电会严重损害电池的寿命。
不能长时间使用，损害电池充电器的质量。
低成本的手机电池充电器我们通常也叫它万能充，它采用电压比较法，为防止过充一般只充到电池电量的90%就停止大电流充电，采用小电流涓流补充充电，此时充电器指示灯不再闪烁，用户此时拔下电池，所以无疑只充电90%左右，再加上电压比较具有离散性，所谓的90%也只是个理论值，很难精确。
手机技术的持续进步也产生了更大容量的手机电池，
因此要求更复杂的充电算法以实现快速、安全地充电。
一部好的手机充电器不仅能在短时间内将电量充足，而且能对电池起到一定的维护作用，可以修复由于电池的记忆效应引起的电池活性衰退现象，同时避免由于电池发热引起的不安全因素。
因此大部分商家极力推荐手机直充，但是这其中存在许多不方便的因素，比如手机直充的携带，以及手机直充体积较大。
单片机在电池充电器领域有着广泛的应用，利用其处理控制能力可以实现充电器的智能化。
充电器种类品种繁多，但严格来说，只有有单片机参与处理和控制的充电器才能称为智能充电器。
1.2指导思想
（1）充电的实现。
包括两部分：
一是充电过程的控制；二是需要提供基本的充电电压。
（2）智能化的实现。
在充电过程中引入单片机可实现智能化。
1.3本设计完成的智能化功能
本设计是基于51单片机在实现锂离子电池充电方面的应用。
这种智能充电器在单片机的控制下，实现预冲，充电保护，自动断电和充电完成报警提示功能。
1.4方案设计
基于单片机的智能手机充电器由STC89C52、LED指示灯、蜂鸣器、MAX1898充电芯片和电源电路等组成。
系统组成框图如图1.4所示。
图1.4系统组成框图
2单片机简介
在通用微机中央处理器（CPU）基础上，将输入／输出（I／O）接口电路、时钟电路以及一定容量的存储器等部件集成在同一芯片上，再加上必要的外围器件，如晶体振荡器，就构成了一个较为完整的计算机硬件系统。
由于这类计算机系统基本部件集成在同一芯片内，因此被称为单片微控制器（Single-Chip-MicroController）、微控制单元（MicrocontrollerUnit,MCU）或嵌入式控制器（EmbeddedController），简称单片机。
目前，8位高档机和16位机在单片机应用中占主导地位，产品种类众多，已有几十个系列、几百个型号，除了通用单片机以外，集成更多资源，如A/D转换器、D/A转换器、“看门狗”（Watchdog）电路、LCD控制器、网路控制模块等，将单片机嵌入式系统和Intenet连接起来已是一种趋势。
还有专用单片机产品，如专门用于数据处理（图像和语言处理等）的单片机。
总之，单片机正在向微型化、低功耗、高速、集成、高集成度、多资源、网络化、专用型方向发展。
2.1单片机的特点
随着科学技术的飞速发展，市场上出现了大量的微控制芯片。
单片机作为微型计算机的一个重要分支，应用面很广，发展很快。
自单片机诞生至今，已发展为上百种系列的近千个机种。
目前，单片机正努力朝着具有高性能和多类型方向发展趋势将会是进一步向着CMOS化、小体积、低功耗、大容量、高性能、低成本和外围电路内装化等方面发展。
随着集成度的不断提高，很多种的各种的处围功能器件有可能被集成在片内。
一般必须具有的CPU、ROM、RAM、定时器/计数器等除外，片内集成的部件另外还有DMA控制器、模/数转换器、监视定时器、声音发生器、录像机内部用的锁相电路、彩色电视机和液晶显示驱动器等。
这些实现了数字逻辑集成电路组成的控制电路单片化，可被家电产品广泛的应用。
单片机芯片作为控制系统的核心部件，具备通用微机CPU的数值计算功能，还具有强大、灵活的控制功能，是为了能够实时监测系统的输入量，控制系统，从而实能够现自动控制功能。
单片机主要应用于工业控制，工作环境相比较而言会很困难，如高温、强电磁干扰，甚至有的含有带有腐蚀性的气体，在太空中工作的按偏激控制系统，还必须具有抗辐射的功能，是单片机CPU的技术特征和发展方向的决定性因素。
（1）单片机CPU的抗干扰性比较强，其工作温度范围也宽（按工作温度分类，有民用级工业级、汽车级及军用级）。
（2）单片机CPU可靠性高。
在工业控制中，任何差错都可能造成极其严重的后果，因此在单片机芯片中普遍采用硬件看门狗技术，通过定时“复位”方式唤醒处于“失控”状态下的单片机芯片。
（3）单片机CPU电磁辐射量小。
高可靠性和低电磁辐射指标决定了单片机系统的时钟频率很低。
为此，单片机芯片一般采用HARVARD双总线结构，即指令和数据存储器空间相互独立，并通过各自的数据总线与CPU相连，使取指和读/写数据能同时进行。
双总线结构能提高数据的吞吐率，以便在不降低数据吞吐率的条件下使用较低的时钟频率。
（4）单片机的控制功能很强。
（5）单片机的指令系统比较简单。
（6）单片机芯片往往不是单一的数字电路芯片，而是数字、模拟混合电路系统，即单片机芯片内长集成了一定数量的模拟比较器，A/D及D/A转换电路。
（7）单片机CPU采用嵌入式结构。
尽管同一系列的单片机品种、规格繁多，但彼此差异却不大。
所以本设计选用STC公司推出的51单片机作为控制芯片。
其中STC89C52具有很强的代表性。
2.2单片机的应用
由于单片机具有如上所述的特点，因此在工业生产、日常生活等诸多领域，得到了日益广泛的应用，单片机的主要应用领域有：
工业控制，如在工业生产过程中参数（如温度、压力、流量、液位等）的控制，数据处理功能于一体，如转速测试仪、噪声测试仪、振动测试仪及电子秤等。
计算机网络与通信，单片机上有并行I/O接口，串联I/0接口，可用于通信接口，如单片机控制的自动呼叫应答系统、列车无线通信系统、遥测遥控系统等。
家用电器，由于单片机体积小，控制能力强，且片内与定时器/计数器，所以广泛应用于家用设备中。
如空调、洗衣机、微波炉及防盗报警等。
本设计是单片机在智能充电方面的应用。
2.3单片机应用于充电器实现智能化
因为多数充电器一般采用大电流的快速充电法，假设电池充满了，人们不及时断电就会使电池发烫，过度的充电会严重损害电池的寿命。
像一些成本比较低的充电器一般采用电压比较法，为了防止过度充电，基本上充电到一定的程度就停止大电流快充，转而用小电流涓流补充充电。
一部分的充电器不但能在很短时间内将电量充足，而且还可以对电池起到一定的维护作用，修复由于使用不当造成的记忆效应，即容量下降（电池活性衰退）现象。
设计比较科学的充电器往往采用专用充电控制芯片配合单片机控制的方式。
专用的充电芯片具有业界公认较好的-△v检测，可以检测出电池充电饱和时发出的电压变化信号，比较精确地结束充电工作，通过单片机对这些芯片的控制，可以实现充电过程的智能化，例如，在充电后增加及时关段电源、蜂鸣报警和液晶显示等功能。
充电器的智能化可以缩短充电的时间，同时能够维护电池，延长电池使用寿命。
51系列单片机也是当前使用最为广泛的8位单片机系列，其丰富的开发资源和较低的开发成本，使51系列单片机现在以至将来都仍会有强大的生命力。
在众多的51系列单片机中，AT89系列单片机在我国得到了极其广泛的应用，AT89系列单片机是美国Atmel公司的8位机产品。
其特点是片内含有FlashMemory，FlashMemory是一种电可摩除和电写入的闪速存储器，在系列的开发过程中可以很轻松地进行程序修改，使开发调试更为方便。
2.4本设计所用的单片机芯片
2.4.1简介
STC89C52是STC公司生产的一种低功耗、高性能CMOS8位微控制器，具有8K在系统内可编程的Flash存储器。
STC89C52使用经典的MCS-51内核，但做了较多的改进这使得芯片具有传统51单片机不具备的功能。
在单片机芯片上，拥有灵活的8位CPU和Flash具有系统可编程功能，使得STC89C52为许许多多嵌入式控制应用系统提供高灵活、非常有效的解决方案。
具有的标准功能例如：
8k字节Flash，512字节RAM，32位I/O口线，看门狗定时器，内置4KBEEPROM，MAX810复位电路，3个16位定时器/计数器，4个外部中断，一个7向量4级中断结构（兼容传统51的5向量2级中断结构），全双工串行口。
另外STC89C52可低降至0Hz静态逻辑操作，可支持2种软件供选择的节电模式。
在空闲模式下，CPU停止工作，RAM可被允许、定时器/计数器、串口、中断继续工作。
掉电保护方式下，RAM内容被保存，振荡器被冻结，单片机一切工作停止，直到下一个中断或硬件复位为止。
最高运作频率35MHz，6T/12T可选。
2.4.2特性
（1）STC89C52RC单片机；
（2）8K字节程序存储空间；
（3）512字节数据存储空间；
（4）内带2K字节EEPROM存储空间；
（5）可直接使用串口下载；
2.4.3参数
（1）增强型8051单片机，6时钟/机器周期和12时钟/机器周期可以任意选择，指令代码完全兼容传统8051；
（2）工作电压：
5.5V～3.3V（5V单片机）/3.8V～2.0V（3V单片机）；
（3）工作频率范围：
0～40MHz，和普通8051的0～80MHz没差别，实际工作频率为48MHz；
（4）用户应用程序所占空间为8K字节；
（5）片上集成512字节RAM；
（6）通用I/O口（32个），复位后为：
P0/P1/P2/P3是准双向口/弱上拉，P0口是漏极开路输出，作为总线扩展用时，不需要加上拉电阻，作为I/O口用时，应该加上拉电阻；
（7）ISP（在系统可编程）/IAP（在应用可编程），不需专用编程器，也不需要专用的仿真器，即可通过串口（RxD/P3.0,TxD/P3.1）直接方便的下载用户程序，数秒即可完成一片；
（8）具有EEPROM功能；
（9）共3个16位定时器/计数器。
也就是定时器T0、T1、T2；
（10）外部中断4路，下降沿中断或低电平触发电路，PowerDown模式可由外部中断低电平触发中断方式唤醒；
（11）通用异步串行口（UART），也可以用定时器软件来实现多个UART；
（12）工作温度范围：
-40～+85℃（工业级）/0～75℃（商业级）；
（13）PDIP封装；
2.4.4管脚定义说明
（1）VCC管脚：
系统供电电源。
（2）GND管脚：
接地管脚。
（3）P0端口（P0.0~P0.7）：
P0口为一个8位漏级开路双向I/O口，每脚可吸收8TTL门电流。
当P0口的管脚第一次写1时，被定义为高阻输入。
P0能够用于外部程序数据存储器，它可以被定义为数据/地址的第八位。
在FLASH编程时，P0口作为原码输入口，当FLASH进行校验时，P0输出原码，此时P0外部必须被拉高。
（4）P1端口（P1.0~P1.7）：
P1口是一个内部提供上拉电阻的8位双向I/O口，P1口缓冲器能接收输出4TTL门电流。
P1口管脚写入1后，被内部上拉为高，可用作输入，P1口被外部下拉为低电平时，将输出电流，这是由于内部上拉的缘故。
在FLASH编程和校验时，P1口作为第八位地址接收。
（5）P2端口：
P2口为一个内部上拉电阻的8位双向I/O口，P2口缓冲器可接收或输出4个TTL门电流，当P2口被写“1”时，其管脚被内部上拉电阻拉高，且作为输入。
并因此作为输入时，P2口的管脚被外部拉低，将输出电流。
这是由于内部上拉的缘故。
P2口当用于外部程序存储器或16位地址外部数据存储器进行存取时，P2口输出地址的高八位。
在给出地址“1”时，它利用内部上拉优势，当对外部八位地址数据存储器进行读写时，P2口输出其特殊功能寄存器的内容。
P2口在FLASH编程和校验时接收高八位地址信号和控制信号。
（6）P3端口：
P3口管脚是8个带有内部上拉电阻的双向I/O口，可接收输出4个TTL门电流。
当P3口写入“1”后，双向I/O口被内部上拉为高电平，并用作输入。
当做输入，因为外部下拉为低电平，P3口将输出电流（ILL）这是
因为上拉的原因。
同时它还具备许多系统功能。
表2.4.4P3的功能
管脚
配置功能
P3.0
RXD（串行输入端口）
P3.1
TXD（串行输出端口）
P3.2
INT0（外部中断0端口）
P3.3
INT1（外部中断1端口）
P3.4
T0（记时器0的外部输入）
P3.5
T1（记时器1的外部输入）
P3.6
WR（外部数据存储器写选通）
P3.7
RD（外部数据存储器读选通）
（7）RST管脚：
复位输入。
振荡器需要复位器件时，应当保持RST脚具有两个机器周期的高电平时间。
（8）ALE/PROG管脚：
是单片机51系列的其中一个针脚，高低电平的输入能使它使用不同的功能。
当访问外部存储器的时候，地址锁存允许的输出电平用于锁存地址的地位字节。
在FLASH编程期间，此引脚用于输入编程脉冲。
在平常的时候，ALE端以不变的频率周期输出正脉冲信号，此频率为振荡器频率的1/6。
因此它可用作对外部输出的脉冲或用于定时目的。
然而要注意的是：
每当用作外部数据存储器时，将跳过一个ALE脉冲。
如想禁止ALE的输出可在SFR8EH地址上置0。
此时，ALE只有在执行MOVX，MOVC指令是ALE时才能够起到作用。
另外，该引脚被略微拉高。
如果微处理器在外部执行状态ALE禁止，置位无效。
（9）/PSEN管脚：
外部程序存储器的选通信号。
在由外部程序存储器取指期间，每个机器周期两次/PSEN有效。
但在访问外部数据存储器时，这两次有效的/PSEN信号将不出现。
（10）XTAL1管脚：
来自反向振荡放大器的输入和来自内部时钟工作电路的输入。
（11）XTAL2管脚：
反向振荡器的输出。
图2.4.4STC89C52管脚图
3锂离子电池介绍
3.1锂离子电池简介
锂是一种金属元素，化学符号Li，是一种银白色、非常柔软，化学性能活泼的最轻的金属。
锂离子电池的正极材料通常由有锂的活性化合物组成，负极则是特殊分子结构的碳。
锂离子电池可以分成两大类：
不可充电型和可充电型，最大特点是比能量高。
比能量指的是单位重量或单位体积的能量，用Wh/Kg或Wh/L表示。
3.2锂离子电池基本参数特性
（1）高能量密度
锂电子电池的能量密度可以达到360Wh/L,158Wh/Kg,是NI-CD及NI-MH电池的两倍以上。
（2）高工作电压
一般放电电压为3.7V。
（3）高负载特性
一般锂电子电池的最大连续放电电流可达2CmA。
（4）放电特性稳定
即使在电池寿命接近终止时，光宇锂离子电池仍保持着良好的放电稳定性。
（5）快速充电特性
锂离子电池可接受的最大充电电流可达1CmA，而且恒流充电时间可达50分钟以上。
（6）长循环寿命
重复使用次数多，循环充电特性好，可以重复500~1000次充放电。
锂离子电池的这些特点促进了便携式产品向更小更轻的方向发展，使得选用单节锂离子电池供电的产品也越来越多。
3.3锂离子电池的优缺点
虽然锂离子电池很少发生结晶化的反应，这种反应是产生记忆效应的原理。
但是，锂离子电池在多次充放电之后仍会性能下降，原因是非常复杂的。
最主要的是正负材料的变化，从分子角度看，正负极能容纳锂离子的空穴会塌陷，这样就会堵塞，影响电流的充放；从化学角度来看，正负极材料的钝化，会产生一些稳定的化合物，这样也会影响性能。
从物理角度看，由于充放电过程中难免会有一些摩擦，碰撞，这样会使外部材料慢慢流失，甚至脱落。
这三方面的原因都会使锂离子电池在充放电过程中参加导电的锂离子丢失。
过度的充放电，都会对造成电池的损害或降低使用寿命，过度放电会使得负极碳释放过多的出锂离子而造成其片层结构出现塌陷，过度充电则会把太多的锂离子强硬的塞进负极碳结构里去，而造成其内部一些锂离子永远不肯被释放出来。
所以锂离子电池通常配有充放电的控制电路。
日常生活用的锂离子电池一般都含有充电控制芯片和管理芯片。
其中管理芯片中有一系列的寄存器，存有容量、温度、ID、充电状态、放电次数等数值。
这些数值在使用中都会逐渐变化。
控制电池的充电过程就是充电控制芯片。
锂离子电池的充电过程分为两个阶段，一是恒流快充阶段（电池指示灯黄色灯亮时）和恒压电流递减阶段（电池指示灯绿色灯闪烁。
开始充电时，电池的电压以较大的斜率升压，当到达电池的标准电压，之后再控制芯片的控制下转入恒压充电状态，此过程中电压变化不大，电流在逐渐减小，当充电电流几乎降到零时，可认为电池电量已满，停止充电。
电量统计芯片通过记录放电曲线（电压、电流、时间）可以抽样计算出电池的电量。
而锂离子电池在多次使用后，放电曲线是会改变的，如果芯片一直没有机会再次读出完整的一个放
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