智能手机充电器设计Word文件下载.docx
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若没有限制性能的实际因素，电池可产生无穷大的电流。
限制电池性能的主要因素是化学成分的反应率、电池设计和发生反应的区域。
某些电池具有产生大电流的能力。
一个新的可充电电池或电池组（一个电池组中有几个电池）不能保证完全充满电。
事实上它们很可能几乎被放电。
因此，第一件要做的事情是根据制造商提供的化学成分相关指南，对电池/电池组进行充电。
近几年来，便携式电子产品的迅猛发展促进了电池技术的更新换代。
其中锂离子电池以高能量密度、高内阻、高电池电压、高循环次数、低自放电率等特性，脱颖而出，迅速成为市场的主流。
据统计，在笔记本电脑和移动电话领域，锂离子电池的市场占有率分别为80%和60%。
根据日本矢野经济研究所的预测，锂离子电池正以53.33%的年增长率快速取代传统的镍铬和镍氢电池市场。
1.2课题研究的内容
针对锂电池的充电规律，结合现有锂电池充电器的特点，本课题欲设计一款智能手机锂电池充电器，要求以单片机为控制核心，选择适当的配套元件，设计硬件电路，并编制相应软件，使所设计的充电器具有智能化特点，能根据不同手机锂电池的电参数自动确定相应的充电控制规律，自动检测、充电、断电、报警等，达到理想的充电效果。
第2章电池的充电方法与充电控制技术
铅酸电池、镉镍电池、氢镍电池、锂离子电池等二次电池，也叫蓄电池或可充电池，充电器对这些电池充电时，可把市售的EEAF交流电变成一定电压的直流电，使电能转化为电池内的化学能贮存起来。
充电有两种不同的方法，即对电池进行大电流充电和小电流充电，也就是快速充电和慢速充电。
充电主要是通过快速充电来完成。
2.1电池的充电方法和充电器
本小节主要分别说明智能充电器的要求与结构，以及被单片机控制的充电器的优点。
2.1.1充电器
对充电器的要求是：
安全，快速，省电，功能全，使用方便，价格便宜。
快速充电器（1C～4C的充电器）的安全更为重要，终止快速充电的检测方法要可靠、精确，以防止过充电。
另外，一些充电器集成电路还设有充电时间定时器来作为一种附加的安全措施。
功能全的充电器一般具有电池电压检测功能。
若充电电池的电压大于终止放电电压，为防止“记忆效应”产生，应先放电至终止放电电压，然后自动充电。
先进行快速充电，到终止快速充电时自动转为涓流充电，各个充、放电过程都有LED指示。
功能较齐全的充电器还应具有充电率的设定（选择）、充电电池数的设定、涓流电流大小设定、定时器时间设定、充电前电池状态测定（判断电池好坏及安装是否良好）等功能，并可根据电池的温度来选择充电参数（电池温度过低时不宜快充）。
当充电电流较小时可采用线性电源，充电电流较大时常采用开关电源，它既省电又解决发热问题，并有可能由市电直接整流经AC／DC变换获得低压直流电，可省去笨重的工频变压器。
早期的充电器是没有处理器的,它主要由充电器集成电路及电源部分组成，其内部结构较复杂，引脚也较多。
一般的功能较完善的充电器结构框图如图2.1所示。
图2.1充电器结构框图
2.1.2电池的充电方法
充电器实现的方式不同会导致充电效果的不同。
由于充电器多采用大电流的快速充电法，在电池充满后如果不及时停止会使电池发烫，过度的充电会严重损害电池的寿命。
一些低成本的充电器采用电压比较法，为了防止过充，一般充电到90%就停止大电流快充，而采用小电流涓流补充充电。
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法。
专用的充电芯片具备业界公认较好的—△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断电源、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，延长电池的使用寿命。
本设计要实现的是手机的单节锂电池充电器，要求充电快速且具有优良的电池保护能力，因此选择Maxim公司的MAX1898作为电池充电芯片。
针对充电器开发的电池充电管理芯片业很多，可以直接使用这些芯片进行充电器的设计。
但是，充电器实现的方式不同导致其充电效果不同。
由于采用大电流的快速充电法，所以在电池充满后如不及时停止会使电池发烫，过度的过充会严重损害电池的寿命。
一些低成本的充电器采用电压比较法，为了防止过充一般充电到90%就停止大电流快充，采用小电流涓流补充充电。
一般的，为了使得电池充电充分，容易造成过充，表现为有些充电器在充电终了时电池经常发烫，电池在充电后期明显发烫一般说明电池已过充。
设计比较科学的充电器采用专业充电控制芯片，具备业界公认较好的―ΔV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。
些芯片往往具备了充电过程控制，加上单片机对充电后的功能，还可加入关断电源、蜂鸣报警和液晶显示等，就可以完成一个比较实用的充电器。
2.2充电控制技术
充电有两种不同的方法，即对电池进行大电流充电和小电流充电，也就是快速充电和慢速充电。
本节主要说明快速充电控制技术选型和快速充电控制器件选型。
2.2.1快速充电器介绍
快速充电器的特点是对充电电池采用大电流充电。
常用的充电电流值为0.3～2小时率电流。
小时率电流值是由公式C（Ah）/t（h）规定的，其中C代表电池额定容量，t代表时间。
例如用1小时率电流对5号锂电池快速充电，根据0.5（Ah）／1（h）＝500（mA），即采用500mA的充电电流（一般慢速充电，选用10小时率电流）。
性能完善的快速充电器，其原理图如图2.2所示：
图2.2快速充电器原理框图
其中的主控电路有多种类型：
1．定时型
对电池进行定时充电，主控电路采用定时电路，定时时间可由充电电流决定。
定时主控电路常设置不同的时间以控制不同的小时率电流对电池按时间分挡充电。
由于定时器制作容易，所以常用它自制定时快速充电器。
自制时，为了充电安全，最好选大于5小时率的电流充电。
2．电压峰值增量△V型
有的可充电电池在充电时端电压随充电时间的增长而上升，但充足电后端电压开始下降。
设计主控电路时，利用该特性监测电池电压出现峰值之后的微量下降，以控制充电结束，达到自动充电的目的。
这也称为－△V法。
由于这种控制电路比较复杂，故不适于自制。
3．其他主控电路
主控电路除上述两种以外，还有温度监测和脉宽调制（PWM）控制电路。
温度监测常用热敏电阻监测电池温度。
当电池温度高于设定值时，立即停止快速充电，即使电池温度下降后，充电器也不会启动工作。
只有它复位（人工或自动）后，才能启动再次转人快速充电。
2.2.2快速充电控制技术选型
充电控制技术是充电器系统中软件设计的核心部分。
根据充电电池的原理，将锂电池的电压曲线分为三段，具体见图2.3。
图2.3锂电池的充电特性
由于锂电池的最佳充电过程无法用单一量实现，在这三段应分别采用不同的控制方式。
具体为:
进入B—C段之前，电池电量己基本用完，此时采用恒定的小电流充电。
当进入B—C段时，若采用恒流充电，电流过大会损坏电池，电流过小使充电时间过长，根据电压变化情况控制充电电流，使电池充电已满，若此时停止充电，电池会自放电。
为防止自放电现象发生，采用浮充维护充电方式，用小电流进行涓流充电。
在恒流充电状态下，不断检测电池端电压，当电池电压达到饱和电压时，恒流充电状态终止，自动进入恒压充电状态；
恒压充电时，保持充电电压不变。
由于电池内阻不断变大，导致充电电流不断下降，当充电电流下降到恒流状态下充电电流的1/10时，终止恒压充电，进入浮充维护充电阶段。
电池在充满电后，如果不及时停止充电，电池的温度将迅速上升。
温度的升高将加速板栅腐蚀速度及电解液的分解，从而缩短电池寿命、容量下降。
为了保证电池充足电又不过充电，可以采用定时控制、电压控制和温度控制等多种终止充电的方法。
1．定时控制
该方法适用于恒流充电。
采用恒流充电法时，根据电池的容量和充电电流，可以很容易的确定所需的充电时间。
充电的过程中，达到预定的充电时间后，定时器发出信号，使充电器迅速停止充电或者将充电电流迅速将至浮充维护充电电流，这样可以避免电池长时间大电流过充电。
这种控制方法较简单，但有其缺点：
充电前，电池的容量无法准确知道，而且电池和一些元器件的发热使充电电能有一定的损失，实际的充电时间很难确定。
而该方法充电时间是固定的，不能根据电池充电前的状态而自动调整，结果使有的电池可能充不足电，有的电池可能过充电，因此，只有充电速率小于0.3C时，才采用这种方法。
2．电池电压控制
在电压控制法中，最容易检测的是电池的最高电压。
常用的电压控制法有：
最高电压（VMAX）：
从充电特性曲线可以看出，电池电压达到最大值时，电池即充足电。
充电过程中，当电池电压达到规定值后，应立即停止快速充电。
这种控制方法的缺点是：
电池充足电的最高电压随环境温度、充电速率而变，而且电池组中各单体电池的最高充电电压也有差别，因此采用这种方法不可能非常准确地判断电池己足充电。
电压负增量（－△V）：
由于电池电压的负增量与电池组的绝对电压无关，因此可以比较准确地判断电池己充足电。
①从多次快速充电实验中发现，电池充足电之前，使电池在未充足电时，由于检测到了负增量而停止快充；
②镍镉电池充足电后，电池电压要经过较长时间，才出现负增量，此时过充电较严重，此时电池的温度较高，对电池有所损害。
因此，这种控制方法主要适用于镍镉电池。
电压零增量（△V）：
锂电池充电器中，为了避免等待出现电压负增量的时间过久而损坏电池，通常采用0△V控制法。
这种方法的缺点是：
未充足电以前，电池电压在某一段时间内可能变化很小，若此时误认为0△V出现而停止充电，会造成误操作。
为此，目前大多数锂电池快速充电器都采用高灵敏0△V检测，当电池电压略有降低时，立即停止快速充电。
3．电池温度控制
为了避免损坏电池，电池温度上升到规定数值后，必须立即停止快速充电。
常用的温度控制方法有：
最高温度（TMAX）：
充电过程中，通常当电池温度达到40℃时，应立即停止快速充电，否则会损害电池。
电池的温度可通过与电池装在一起的热敏电阻来检测。
这种方法的缺点是热敏电阻的响应时间较长，温度检测有一定滞后。
温度变化率（△T/△t）：
充电电池在充电的过程中温度都会发生变化，当电池温度每分钟上升1℃时，应当立即终止快速充电。
采用温度控制法时，由于热敏电阻响应时间较长，再加上环境温度的影响，不能准确的检测电池的充足电状态。
4．综合控制法
以上各种控制方法各有其优缺点：
由于存在电池个体的差异和个别的特殊电池，若只采用一种方法，则会很难保证电池较好的充电，可采用具有定时控制、温度控制和电池电压控制功能的综合控制法。
锂电池是以零增量检测为主，时间、温度和电压检测为辅的方式。
系统在充电过程检测有无零增量（△V）出现，作为判断电池已充满的正常标准，同时判断充电时间、电池温度及端电压，是否已超过预先设定的保护值作为辅助检测手段。
当电池电压超过检测门限时，系统会检测有无零增量出现，若出现△V，则认为电池正常充满，进入浮充维护状态；
在充电过程中，系统会一直判断充电时间、电池温度及端电压是否己到达或超过了充电保护条件。
若其中有一个条件满足，系统会终止现有充电方式，进入浮充维护状态。
2.2.3充电芯片选型
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。
1．充电控制芯片的选择
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。
单片机作为很广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，单片机趋势将是进一步向着CMOS化，低功耗，小体积，大容量，高性能，低价格和外围电路内装化等几个方面发展。
随着集成度的不断提高，有可能把众多的各种外围功能器件集成在片内。
除了一般必须具有的CPU、ROM、RAM、定时器、计数器等以外，片内集成的部件还有模数转换器、DMA控制器、声音发生器、监视定时器、液晶显示驱动器、彩色电视机和录像机用的锁相电路等。
这些实现了数字逻辑集成电路组成的控制电路单元化，可广泛用于家电产品。
由于单片机的这种结构形式及它所采取的半导体工艺，其具有很多显著的特点，因而在各个领域都得到了迅猛的发展。
单片机主要有如下特点：
（1）有优异的性能价格比
（2）集成度高，体积小，有很高的可靠性
（3）控制功能强
（4）低功耗，低电压，便于生产便携式产品
（5）单片机类型多。
单从ROM类型来说，单片机的只读存储器有ROM、EPROM、EEPROM、FlashMemory等多种，可以根据实际需要进行选择。
（6）单片机的系统扩展和系统配置较典型、规范、容易构成各种规模的应用系统。
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。
他的特点是片内含有FlashMemory，FlashMemory是一种电可摩除和电写入的闪速存储器（记为FPEPROM），在系列的开发过程中可以很容易地进行程序修改，使开发调试更为方便。
随着社会的不断发展，人们使用各种家电设备、仪表以及工业生产中的数据采集与控制设备也在逐步走向智能化，所以充电器有它的巨大发展空间，同时电子产品的不断更新，51单片机在实现手机电池充电器方面的应用就更有意义，其中AT89S51具有很强的代表性。
2．电池充电芯片的选择方案
本设计主要利用51单片机实现手机单节锂离子电池只能充电器，要求充电快速且具有优良的电池保护能力。
通过查阅相关资料，目前市场上常见的智能充电主要包括：
MAX1898,MAX1758,SMC401.不同的芯片在控制充电过程中能力个不相同，其价格也不同，控制电路更是错综复杂，所以进行了以下对比论证对比哪种芯片更适合充电器的设计
（1）智能锂电池充电控制芯片SMC401
SMC401主要用于手机锂电池的充电器，也可以用于其他锂离子或锂聚合物电池的充电控制场合。
内嵌8位MCU，提供全程的智能检测和智能控制，根据锂电池充电曲线在不同阶段进行精确恒流或恒压充电，具有电池放置检测，智能过流保护，过放电涓流预充，温度检测及保护，三色LED状态指示等功能。
采用本芯片设计的充电器能够充分贴合锂电池的充电曲线在不同阶段进行精确恒流或恒压充电，并能对过放电的锂电池进行补偿充电和电气性能修护，从而提高锂电池的充电饱和度，延长锂电池使用寿命。
此外，芯片还能通过补偿锂电池内阻的方式缩短充电时间。
SMC401的充电分为三个阶段：
预充，恒流充电及恒压充电。
（2）智能锂电池充电控制芯片MAX1758
Max1758同MAX1898一样也是Maxim公司生产的锂离子电池充电芯片，可实现智能充电，自动检测调节电流，电压，温度等参数，为锂电池提供了一种新的安全，高效的设计方案。
其性能和MAX1898如出一撤，只是MAX1758用于笔记本和一些高档仪器的电源管理芯片，功耗小，发热量小，性能稳定，但是外围电路比较复杂。
（3）智能锂电池充电控制芯片MAX1898
MAX1898配合外部PNP或PMOS晶体管可以组成完成的单节锂电池充电器。
MAX1898提供精确的恒流/恒压充电。
电池电压调节精度为±
0.75%，提高了电池性能并延长了使用寿命。
充电电流由用户设定，采用内部检流，无需外部检流电阻。
MAX1898提供了用于监视充电状态的输出、输入电源是否与充电器连接的输出指示和充电电路指示。
MAX1898可对所有化学类型的锂离子电池进行安全充电。
电池调节电压为4.2V，采用10引脚、超薄型μMAX封装，在更小的尺寸内集成了更多的功能，只需少数外部元件。
MAX1898的基本特点如下：
①4.5V~12V输入电压范围；
②内置检流电阻；
③±
0.75%电压精度；
④可编程充电电流；
⑤输入电源自动检测；
⑥LED充电状态指示；
⑦检流监视输出。
MAX1898的引脚如图2.4所示。
图2.4MAX1898的引脚
MAX1898的引脚功能如下。
①IN：
传感器输入，检测输入电压和电流。
②CHG：
LED驱动电路。
③EN/OK：
逻辑电平输入允许/电源输入“好”。
④ISET：
电流调节。
⑤CT：
安全的充电时间设置。
⑥RSTRT：
自动重新启动控制引脚。
⑦BATT：
接单个Li+的正极。
⑧GND：
地。
⑨DRV：
外接电阻驱动器。
⑩CS：
电流传感器输入。
图2.5中的MAX1898外部电路包括：
输入调节器、电压检测器、充电电流检测器、定时器、温度检测器和主控制器。
输入电流调节电路用于限制电源的总输入电流，包括系统负载电流与充电电流，当检测到输入电流大于设定的限流门限时，通过降低电池充电电流可达到控制输入电流的目的。
因为系统工作时电源电流的变化范围较大，如果充电器没有输入电流检测功能，则输入电源必须能够提供最大负载电流与最大充电电流之和，这将使电源的成本增高、体积增大，而利用输入限流功能则能够降低充电器对直流电源的要求，同时也简化了输入电源设计。
MAX1898外接限流型充电电源和P沟道场效应管，可以对单节锂离子电池进行安全有效的快充，其最大特点是在不使用电感的情况下仍能做到很低的功效耗散，可以实现预充电，具有过压保护和温度保护功能，最长充电时间限制为锂离子电池提供二次保护。
图2.5MAX1898外部电路
综上所述，SMC401是一款更高级的充电控制芯片，它集成了8位MCU控制芯片，使用更加方便简洁，外设电路简单，是商家比较推崇的充电控制芯片，但基于此次需要用到单片机作为控制芯片，所以此种方案不考虑，但其制作原理值得借鉴。
Maxim公司生产的锂离子电池充电芯片MAX1898和MAX1758都可以作为智能充电器的充电芯片，但MAX1898的外围电路也更简单，易于焊接，也更适合初学者的学习研究，所以，选择MAX1898作为充电芯片，AT89S51作为充电控制芯片，共同完成锂电池智能充电器的研究。
第3章锂电池智能手机充电器硬件设计
电池充电器电路设计包括单片机电路的设计、电压转换及光耦隔离电路的设计、充电控制电路的设计和电源电路的设计。
3.1单片机电路
智能充电器电路单片机部分如图3.2，U1为单片机AT89C51，工作在11.0592MHz时钟；
U2为蜂鸣器，蜂鸣器由单片机的P1.2脚控制发出报警声提示；
单片机的P2.0脚输出控制光藕器件，在需要的时候可以及时关断充电电源；
单片机的外部中断0由充电芯片MAX1898的充电状态输出信号/CHG经过反相后触发。
图3.1手机锂电池智能充电器电路单片机部分原理图
3.2电压转换及光耦隔离电路
耦合器（opticalcoupler，英文缩写为OC）亦称光电隔离器，简称光耦，是开关电源电路中常用的器件。
耦合器以光为媒介传输电信号。
光耦合器一般由三部分组成：
光的发射、光的接收及信号放大。
由于光耦合器输入输出间互相隔离，电信号传输具有单向性等特点，因而具有良好的电绝缘能力和抗干扰能力。
又由于光耦合器的输入端属于电流型工作的低阻元件，它在长线传输信息中作为终端隔离元件可以大大提高信噪比。
在计算机数字通信及实时控制中作为信号隔离的接口器件，可以大大增加计算机工作的可靠性。
本次设计选择了6N137光耦合器。
6N137光耦合器是一款用于单通道的高速光耦合器，其内部有一个850nm波长AlGaAsLED和一个集成检测器组成，其检测器由一个光敏二极管、高增益线性运放及一个肖特基钳位的集电极开路的三极管组成。
具有温度、电流和电压补偿功能，高的输入输出隔离，LSTTL/TTL兼容，高速，5mA的极小输入电流。
工作参数：
最大输入电流，低电平：
250uA最大输入电流，高电平：
15mA最大允许低电平电压（输出高）：
0.8v最大允许高电平电压：
Vcc最大电源电压、输出：
5.5V扇出（TTL负载）：
8个（最多）工作温度范围：
-40°
Cto+85°
C典型应用：
高速数字开关，马达控制系统和A/D转换等6N137光耦合器的内部结构、管脚如图3.2所示。
图3.26N137光耦合器
需要注意的是，在6N137光耦合器的电源管脚旁应有—个0.1uF的去耦电容。
在选择电容类型时，应尽量选择高频特性好的电容器，如陶瓷电容或钽电容，并且尽量靠近6N137光耦合器的电源管脚；
另外，输入使能管脚在芯片内部已有上拉电阻，无需再外接上拉电阻。
6N137光耦合器的使用需要注意两点：
第一是6N137光耦合器的第6脚Vo输出电路属于集电极开路电路，必须上拉一个电阻；
第二是6N137光耦合器的第2脚和第3脚之间是一个LED，必须串接一个限流电阻。
图3.3是电压转换及光耦隔离部分电路的原理图。
U3为输出+5V的电压转换芯片M7805，它将12V的输入电压转换为固定的5v输出；
u4为光耦隔离芯片6N137，其输入为LM7805产生的5V电压，输出为经过隔离的5V电压，U4的2脚和单片机的P2．0相连，由单片机控制适时地关闭充电电源。
图3.3电压转换及光耦隔离部分电路的原理图
3.3充电控制电路
图3.4所示的为充电控制部分的电路原理图，其核心器件为充电芯片MAX1898，其充电状态输出引脚/CHG经过74LS04反相后与单片机INT0相连，触发外部中断。
LED＿R为红色发光二极管，红灯表示电源接通；
LED＿G为绿色发光二极管，绿灯表示处于充电状态。
Q1为P沟道的场效应管，由MAX1898提供驱动。
图中，R4为设置充电电流的电阻，阻值为2.8kΩ，设置最大充电电流为500mA;
C11为设置充电时间的电容，容值为100nF，设置最大充电时间为3小时。
图3.4手机锂电池智能充电器电路充电控制部分原理图
首先，监测MA
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