最后基于AT89C52单片机的简易充电器.docx

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最后基于AT89C52单片机的简易充电器

三峡大学科技学院

毕业设计（论文）

题目基于AT89C52单片机的简易充电器

学生姓名吴子健学号2011600334

专业电气工程及其自动化班级20124091

指导教师吴雅纯

评阅教师

完成日期年月日

学位论文原创性声明

本人郑重声明：

所呈交的论文是本人在导师的指导下独立进行研究所取得的研究成果。

除了文中特别加以标注引用的内容外，本论文不包含任何其他个人或集体已经发表或撰写的成果作品。

本人完全意识到本声明的法律后果由本人承担。

作者签名：

年月日

学位论文版权使用授权书

本学位论文作者完全了解学校有关保障、使用学位论文的规定，同意学校保留并向有关学位论文管理部门或机构送交论文的复印件和电子版，允许论文被查阅和借阅。

本人授权省级优秀学士学位论文评选机构将本学位论文的全部或部分内容编入有关数据库进行检索，可以采用影印、缩印或扫描等复制手段保存和汇编本学位论文。

本学位论文属于

1、保密□，在_________年解密后适用本授权书。

2、不保密□。

（请在以上相应方框内打“√”）

作者签名：

年月日

导师签名：

年月日

目录

前言1

1单片机的介绍1

1.1单片机技术的特点及应用1

1.1.2单片机的应用2

1.2AT89C52单片机简介3

1.3实现智能充电的意义4

2充电方案选择6

2.1恒流充电（CC）6

2.2恒压充电法（CV）7

2.3恒压限流充电7

2.4恒流恒压充电法（CC/CV）8

2.5分级定电流充电法8

2.6脉冲充电方法9

2.7定化学反应状态充电法10

2.8变电流间歇/定电压充电法10

3硬件电路设计11

3.1设计思路分析11

3.1.1脉宽PWM法充电11

3.1.2电源管理IC控制充电12

3.2电路设计14

3.2.1MAX1898电源管理IC14

3.2.2AMT1001温湿度传感器17

3.2.3其他外围设备驱动介绍18

4软件设计22

4.1程序流程设计22

4.2程序功能模块设计22

4.2.1电池状态检测子程序23

4.2.2键盘扫描子程序23

4.2.3倒计时子程序23

4.2.4显示子程序23

4.2.5A/D转换子程序24

5调试25

5.1硬件调试25

5.1.1静态测试25

5.1.2联机调试25

5.2软件调试26

5.3系统调试26

结论27

致谢28

参考文献29

附录30

附录A系统设计源代码30

基于AT89C52单片机的简易充电器

学生：

吴子健

指导老师：

吴雅纯

三峡大学科技学院

摘要：

方便携带的应用的发展提高了对充电电池的要求，锂电池凭借他的优点，如使用时间常、能量的密度高、无记忆效应等，成为了方便携带的电子产品的第一选择电池。

然而，锂电池相对脆弱的缺点，如过度充电和高温能对电池造成非常大的破坏，对电池的充电电路提出了非常高要求，作为方便携带产品的充电器，集成度，效率和精准的控制都是非常重的。

本文主要介绍锂电池的充电问题，充电方法一般是用单片机来控制的，并且配合充电管理IC一起工作，这样锂电池具备了保护充电和保护电路的双项功能，不仅使充电效率得到了大大的提高，而且使电池得使用寿命和节约能源的功能也得到了改善。

关键词：

锂离子电池；智能充电器；单片机；节能

Abstract:

Portableapplicationdevelopmenttoimprovetherequirementsonrechargeablebatteries,lithiumbatteriesbyvirtueofhismerits,suchastheuseoftimeconstant,highenergydensity,nomemoryeffectetc.,becamethefirstchoicebatteriesinportableelectronicproducts.However,disadvantagesoflithiumbatteryisrelativelyfragile,suchasoverchargingandhightemperaturecancauseverybigdamagetothebattery,thebatterychargingcircuitputforwardveryhighrequirements,usedasachargerforportableproducts,integration,efficiencyandprecisionofthecontrolareveryheavy.

Ismainlyintroducedinthispaperproblemoflithiumbatterycharging,chargingmethodisgenerallycontrolledbysinglechipmicrocomputer,andwiththechargemanagementICworktogether,sothelithiumbatterywithprotectioncircuitandchargingofthedoublefunction,notonlythechargingefficiencyhasbeengreatlyimproved,andthebatterytotheservicelifeandsavestheenergyfunctionwasalsoimproved.

Keywords:

Li-Ion；Intelligentcharger；MCU；Energy-saving

前言

锂电池具有较高的无记忆、重量比效应、可以重复充电很多次、使用时间长等优点。

因此，在便携式产品往更轻巧方向发展的当今，选用单节锂电池供电已成为设计者的第一选择。

锂电池因为容易受到过度充电、深度放电和短路的伤害，单独的锂电池的充电时候电压一定要控制。

充电的速率一般不超过1C，最低放电时候的电压为2.7V~3.0V，要是再继续放电就会伤害电池。

锂电池的充电一般有恒流充电（CC）、准备充电和恒压充电三个过程。

准备充电是用比较小的电流对电池进行缓慢充电，当电池的电压上升到预设充电阈值时，用比较大的电流对电池进行恒定电流充电；当电池的电压快到浮充电压阈值（4.2V），充电器慢慢变为恒压模式下充电，充电电流慢慢减小；当电流减小到停止电流

时，充电整个过程结束。

在了解了锂电池的充电原理和控制充电方法之后，我发现锂电池的充电设备要解决这几个重要问题：

（1）进行充电前的检测，包括电池充电前的充电状态。

（2）改善充电的时候时间长、效率低的充电问题。

（3）解决因为充电不合理而酿成的电池过度充电等问题，提高电池的使用时间和使用性能。

本文主要对锂电池充电器的设计，研究了一款单节锂电池的比较智能的充电器，而且可以用USB充电。

这个充电器可以收集电池的电流、电压，还可以在充电时进行控制，可在没有过热的情况下进行电池充电速率最优化，还有系统的管理电路要具备保护系统的功能，可防止电池的过充和过放电对电池造成损坏。

同时，系统采纳了充足电后主动断电措施，有用的预防了多半情况下在充满电后充电器始终连在电源上酿成的电能的浪费。

1单片机的介绍

1.1单片机技术的特点及应用

跟着较大领域和大领域的集成电路技术的成长和计算机微小化的要求，将微型计算机的基本部件：

中心处理器、存储器、输出输入（I/O）端口、计时器/定时器等多个资源集成在一个芯片上，使一块电路芯片就能组成一个小型计算机。

这种电路芯片被称为单片的微型计算机，就是单片机。

单片机在构造设计上，它的硬、软件系统及I/O接口的节制能力等方面都有特别之处，有着强而有用的作用。

1.1.1单片机的特点

（1）安全性高，体积小，集成度高

单片机将各功能部件在一块芯片上集成，集成度非常高，体积也就变小。

芯片自己是按测控环境需求设计的，里面布线很短，它的抗噪音性能比一般通用的CPU好。

单片机的程序命令，ROM中的数据很难毁坏，许多信号得通道均在同个芯片内，所以安全性高。

（2）控制功能强

为了满足对控制的要求，单片机的命令系统均有许多的条件：

分支的转移能力，I/O口的逻辑操作和位解决能力，非常实用于专门的节制功能。

（3）易扩展

片内有计算机运行所需要的硬件。

芯片的外面有很多供扩充用的三总线及并行、输出管脚/串行输入，很轻易组成各种领域的计算机应用系统。

（4）优异的性能价格比

因为单片机的运用广泛，许多公司压低价格，所以单片机的现在的性价比非常高。

1.1.2单片机的应用

（1）单片机在仪器和仪表中的运用

在各种仪器和仪表中运用单片机，使得仪器和仪表智能化，提高检测的自动化高度和精密度，简单化仪器和仪表的硬件构造，提高它的性价比。

（2）单片机在日常生活的应用

从单片机诞生后，它就进入了我们生活，比如电视、电脑等家用电器配上单片机后，提高了智能化程度，增加了许多功能。

单片机使我们的生活更加丰富多彩。

（3）在实时过程控制中的应用

用单片机实时进行数据处理和控制，使系统保持最佳工作状态，提高系统的工作效率和产品的质量，在自动控制系统中有广泛的应用。

（4）办公自动化设备

现代办公室使用的大量通信和办公设备多数嵌入了单片机。

如打印机、复印机、传真机、绘图机、考勤机、电话以及通用计算机中的键盘译码、磁盘驱动等。

1.2AT89C52单片机简介

本文设计中使用的单片机型号为AT89C52（图1.1），AT89C52是一个低电压，高性能CMOS8位单片机，片内含8kbytes的可反复擦写的Flash只读程序存储器和256bytes的随机存取数据存储器（RAM），器件采用ATMEL公司的高密度、非易失性存储技术生产，兼容标准MCS-51指令系统，片内置通用8位中央处理器和Flash存储单元，AT89C52单片机在电子行业中有着广泛的应用。

AT89C52除了有AT89C51所有的定时/计数器0和定时/计数器1外，还增加了一个定时/计数器2。

AT89C52为8位通用微处理器，采用工业标准的C51内核，在内部功能及管脚排布上与通用的8xc52相同，其主要用于会聚调整时的功能控制。

功能包括对会聚主IC内部寄存器、数据RAM及外部接口等功能部件的初始化，会聚调整控制，会聚测试图控制，红外遥控信号IR的接收解码及与主板CPU通信等。

主要管脚有：

XTAL1（19脚）和XTAL2（18脚）为振荡器输入输出端口，外接12MHz晶振。

RST/Vpd（9脚）为复位输入端口，外接电阻电容组成的复位电路。

VCC（40脚）和VSS（20脚）为供电端口，分别接+5V电源的正负端。

P0~P3为可编程通用I/O脚，其功能用途由软件定义，在本设计中，P0端口（32~39脚）被定义为N1功能控制端口，分别与N1的相应功能管脚相连接，13脚定义为IR输入端，10脚和11脚定义为I2C总线控制端口，分别连接N1的SDAS（18脚）和SCLS（19脚）端口，12脚、27脚及28脚定义为握手信号功能端口，连接主板CPU 的相应功能端，用于当前制式的检测及会聚调整状态进入的控制功能。

图1.1AT89C52单片机

AT89C52单片机的特点：

（1）兼容MCS-51指令系统。

（2）8kB可反复擦写（大于1000次）FlashROM。

（3）32个双向I/O口。

（4）256x8bit内部RAM。

（5）3个16位可编程定时/计数器中断。

（6）时钟频率0-24MHz。

（7）2个串行中断，可编程UART串行通道。

（8）2个外部中断源，共8个中断源。

1.3实现智能充电的意义

现在的充电器基本采用大电流的迅速充电法，在电池满电后如果不马上停止会使电池发烫，过分的充电会危害电池的寿命。

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。

锂电池是方便携带设备最为常用的一种电池，锂电池的使用时间和单次使用时间与充电的过程密切相关，对于充电器的要求比较苛刻，需要保护电路。

为了有效的电池容量，需将锂电池充电至最大电压，同时预防过压充电造成电池破坏，这就要求比较高的控制。

另外，对于电压非常低的电池需要进行预充，充电器最好有热保护和时间保护，为电池提供附加保护。

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。

2充电方案选择

管理充电是锂电池系统管理组成部分中最重要的，它对电池的特性及寿命有着至关重要的影响。

随着电源技术的不断发展，充电的手段越来越丰富，充电方式对电池及应用环境的针对性也越来越强。

目前针对各种各样的可充电电池，存在的主要充电方法包括：

恒流充电法、恒压充电法、恒压限流充电法、恒流恒压充电法、分级定流充电法、脉冲式充电法、定化学反应状态充电法、变电流间歇／恒压充电法及变电压间歇充电法等。

这些充电方法根据各自特点，被运用在不同充电管理系统中。

2.1恒流充电（CC）

恒流充电根据其充电电流的大小，又可分为浮充充电（又称涓流充电）、标准充电及快速充电。

该方法在整个充电过程中采用恒定电流对电池进行充电，充电曲线如图2.1所示。

这种方法操作简单，易于做到，特别适合对由多个电池串联的电池组进行充电。

但由于锂离子电池的可接受电流能力是随着充电过程的进行而逐渐下降的，在充电后期，若充电电流仍然不变，充电电流多用于电解质，产生大量气泡，这不仅消耗电能，而且容易造成极板上活性物质脱落，影响锂离子电池的寿命。

图2.1恒流方式电池充电曲线

2.2恒压充电法（CV）

在恒压充电法中，充电电源的电压在全部充电时间里保持恒定的数值，随着锂离子电池端电压的逐渐升高，电流逐渐减少。

充电曲线如图2.2所示。

从图中可以看到，充电初期充电电流过大，这样对锂离子电池的寿命会造成很大影响。

与恒流充电一样，该方法操作简单，易于做到。

但在电池放电深度过深时，充电初期电流过大，容易对电池及电路造成损伤。

图2.2恒压方式电池充电曲线

2.3恒压限流充电

该方法在恒压充电的基础上，通过在充电设备输出电压与电池之间增加限流元件（一般为电阻）来对充电电流进行调整。

充电初期，充电电流大，电阻上的压降也大，充电设备输出的电压损失也大，充电电流被限制在一定范围以内。

充电结束时，电流减小，充电设备输出的电压损失也小，充电曲线如图2.3所示。

该方法克服了恒压模式下电流过大的缺点。

但由于增加了限流电阻，充电效率降低。

图2.3恒压限流方式电池充电曲线

2.4恒流恒压充电法（CC/CV）

在CC/CV充电器中，充电通过恒定电流开始。

在恒流充电CC周期中，为了防止过度充电而不断监视电池端电压。

当电压达到设定的端电压时，电路切换为恒定电压充电，直到把电池充满为止。

在CC充电期间，电池可以以较高电流强度进行充电，这期间电池被充电到大约85％的容量。

在CV充电周期中，电池电压恒定，充电电流逐渐下降，在电流下降到低于电池的1／10C容量时，充电周期完成。

恒流恒压充电曲线如图2.4所示。

图2.4普通恒流恒压方式电池充电曲线

2.5分级定电流充电法

分级定电流充电法与恒流恒压充电方法相似。

它根据电池充电过程中不同充电阶段的特性，将充电过程划分为几个阶段，在不同的阶段采用不同的充电电流或电压，这种充电方法在恒流恒压充电方法的基础上，将充电过程进一步细划，可以达到保护电池和快速充电的目的，是目前运用最广泛的充电方法。

在锂离子电池充电管理中所采用的三阶段充电法，基本上就是这种方法在应用过程中的一种变体。

三阶段充电法将锂电池充电过程分为三个阶段，第一阶段为小电流充电阶段，主要起保护电池的作用；第二阶段为恒流充电阶段，采用固定电流对电池充电以实现快速充电的目的：

第三阶段为恒压阶段，主要是保证电池充满及防止过充电。

该方法充电曲线如图2.5所示。

图2.5电池分级定电流充电曲线

2.6脉冲充电方法

脉冲充电方式是比较新的一种充电方式。

脉冲充电法是从对电池的恒流充电开始的，大部分的能量在恒流充电过程中被转移到电池内部。

当电池电压上升到充电终止电压

后，脉冲充电法由恒流转入真正的脉冲充电阶段。

在这一阶段，脉冲充电方式以与恒流充电阶段相同的电流值间歇性的对电池进行充电。

每次充电时间为

后，然后关闭充电回路。

充电时由于充电电流的存在，电池电压将继续上升并超过充电终止电压

；当充电回路被切断后，电池电压又会慢慢下降。

电池电压恢复到

时，重新打开充电回路，开始下一个脉冲充电周期。

在脉冲充电电流的作用下，电池会渐渐充满，电池端压下降的速度也渐渐减慢，这一过程一直持续到电池电压恢复到

的时间达到某个预设的值

为止，可以认为电池已接近充满，充电曲线如图2.6所示。

图2.6脉冲充电法电池充电曲线图

2.7定化学反应状态充电法

定化学反应状态充电是近几年提出来的充电方法。

采用这种方法充电，充电设备的闭环跟踪系统动态跟踪电池可接受的充电电流。

这样充电电流始终与电池可接受的充电电流保持良好的匹配关系，使充电过程在最佳状态下进行，充电曲线如图2.7所示。

这种充电方式具有充电效率高，充电时间短等优点。

但其电路系统较为复杂，造价高，不易实现。

图2.7定化学状态充电法曲线图

2.8变电流间歇/定电压充电法

变电流间歇／定电压充电法与变电压间歇充电法也是近几年提出来的充电方法。

该方法目前主要用于对铅酸蓄电池进行充电。

它们采用分级电流或电压对电池进行间歇式充电，以提高充电效率和速度。

目前对锂电池仍然以恒流恒压的充电方法为主。

充电初期一般采用小电流对电池进行预处理，防止电池过放电带来的影响；接着用大电流快速充电；在电池电压达到额定充电终止电压时，转为恒压模式确保电池充满。

本文采用目前广泛充电方法分级定电流充电模式，虽然这种方法电路相对复杂，但充电时间短，效率高，因此在锂离子电池充电方案中占主导地位。

3硬件电路设计

3.1设计思路分析

在详细的了解了锂离子电池的充电原理和查阅有关充电方案后，本文提出了两种智能充电控制的方案，并通过比较两种充电方案的优缺点选择最佳的充电方案。

3.1.1脉宽PWM法充电

随着电子技术的发展，出现了多种PWM技术，其中包括：

相电压控制PWM、脉宽PWM法、随机PWM、SPWM法、线电压控制PWM等，而在锂离子电池智能充电器中采用的脉宽PWM法。

它是把每一脉冲宽度均相等的脉冲列作为PWM波形，通过改变脉冲列的周期可以调频，改变脉冲的宽度或占空比可以调压，采用适当控制方法即可使电压与频率协调变化。

脉宽PWM法的基本思想就是利用单片机具有的PWM端口和PWM控制恒压恒流源芯片配合，在不改变PWM方波周期的前提下，通过软件的方法调整单片机的PWM控制寄存器来调整PWM的占空比，从而控制充电电压和电流。

本方法所要求的单片机必须具有ADC端口和PWM端口这两个必须条件。

脉宽PWM法充电具有以下优缺点。

可控制涓流大小。

在PWM控制充电的过程中,单片机可实时检测ADC端口上充电电流的大小，并根据充电电流大小与设定的涓流进行比较，以决定PWM占空比的调整方向。

电池唤醒充电。

单片机利用ADC端口与PWM的寄存器可以任意设定充电电流的大小，所以，对于电池电压比较低的电池，在上电后，可以采取小电流充一段时间的方式进行充电唤醒，并且在小电流的情况下可以近似认为恒流，对电池的冲击破坏也较小。

电流控制精度低。

充电电流的大小的感知是通过电流采样电阻来实现的，采样电阻上的压降传到单片机的ADC输入端口，单片机读取本端口的电压就可以知道充电电流的大小。

若设定采样电阻为R（单位为Ω），采样电阻的压降为V（单位为mV），10位ADC的参考电压为5.0V。

则ADC的1LSB对应的电压值为5000mV/1024≈5mV。

一个5mV的数值转换成电流值就是50mA，所以软件PWM电流控制精度最大为50mA。

若想增加软件PWM的电流控制精度，可以设法降低ADC的参考电压或采用10位以上ADC的单片机。

PWM采用软启动的方式。

在进行大电流快速充电的过程中，充电从停止到重新启动的过程中，由于磁芯上的反电动势的存在，所以在重新充电时必须降低PWM的有效占空比,以克服由于软件调整PWM的速度比较慢而带来的无法控制充电电流的问题。

充电效率不是很高。

在快速充电时，因为采用了充电软启动，再加上单片机的PWM调整速度比较慢，所以实际上停止充电或小电流慢速上升充电的时间是比较大的。

3.1.2电源管理IC控制充电

由于充电管理IC将充电各个阶段的充电电路集成在了芯片内部，实现了功能的模块化，相比较PWM控制的分立恒压源恒流源充电电路，具有电路简单易实现的优点，并且提高了充电效率，降低了软件编程算法难度和设计成本，缺点是无法实现USB模式的智能充电。

但是通过比较两种方法的优缺点，本文选择方案二作为智能充电器的设计的最终方案。

本文设计中采用锂离子电池充电IC是MAX1898（图3.1）。

MAX1898和外部晶体管PNP或PMOS组成一个锂离子充电器，可精确地恒流/恒压充电，电池电压精度可达±0.75%。

MAX1898有两种型号，MAX1898EUB42应用于4.2V的锂离子电池，类似的MAX1898EUB41用于4.1V的锂离子电池。

MAX1898具有以下功能：

（1）电压精度达±0.75%

（2）充电电流可控

（3）带自动输入电源监视器

（4）内部检流电阻

（5）LED充电状态指示器

（6）可控的安全充电时间

（7）电流大小监视输出

（8）可选择的自动重启

图3.1MAX1898

MAX1898充电过程如下：

1.预充

在安装好电池后，接通电源，当充电器检测到电池时将定时器复位，从而进入预充过程，在此期间充电器以快充电流的10%给电池充电，使电压、温度恢复到正常状态。

预充电时间由外接电容C9确定，如果在预充时间内电池电压达到2.5V，且电池温度正常，则进入快充过程；如果超过预充时间后，电池电压低于2.5V，则认为电池不可充电，充电器显示电池故障，由单片机发出故障指令，LED指示灯闪烁。

2.快充

快充就是以恒定电流对电池充电，恒流充电时，电池的电压缓慢上升，一旦电池电压达到所设定的终止电压时，恒流充电终止，充电电流快速递减，充电进入满充过程。

3.满充

在满充过程中，充电电流逐渐递减，直到充电速率降到设置值以下，或满充超时时，转入顶端截止充电。

顶端截止充电时，充电器以极小的充电电流为电池补充能量。

由于充电器