基于51单片机的智能充电器的设计.docx
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基于51单片机的智能充电器的设计
1．引言
1
1.1课题背景
1
1.2指导思想
2
1.3本设计完成的智能化功能
2
2．单片机的简介
2
2.1单片机的特点
2
2.2单片机的应用
3
2.3单片机应用于充电器实现智能化
3
2.4本设计所用单片机芯片
4
2.4.1管脚定义说明
4
3．锂离子电池介绍及充电芯片MAX1898介绍
6
3.1锂离子电池简介
6
3.1.1锂离子电池基本参数特性
6
3.1.2锂离子电池优缺点
7
3.2MAX1898充电芯片
8
3.2.1MAX1898的特点及充电芯片的选择理由
8
3.2.2MAX1898的引脚构造
9
3.2.3MAX1898的充电原理
9
4．硬件电路的设计
11
4.1主要器件
11
4.2电路原理图和说明
12
4.3智能充电器的充电过程
15
5．软件设计
16
5.1程序流程图
17
5.2主要程序说明
18
6．总结
18
参考文献
19
附录
29
致谢
21
基于51单片机的智能充电器设计
熊兴智
（电子与电气工程学院通信工程专业2006级1班062312379）
摘要：
本设计是选用Maxim公司的MAX1898作为电池充电芯片，使用单片机芯片AT89C52对其进行控制的一款智能充电器的设计。
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。
关键词：
充电器；智能；基于AT89C52单片机；MAX1898
IntelligentBatteryChargerDesignBasedon51Single-chipComputer
XiongXingzhi
（CollegeofElectronicandElectricEngineering，communicationengineering,
Class1Grade2006,062312379）
Abstract:
IchoiceMAX1898whichisfromMaximCompanyasthechargingchipanduseAT89C52asthechargingparttofinishthedesignofanintelligentbatterycharger.Basedontheintroductionofthebasicparametersandcharacteristicsoflithiumbattery,thearticlefullyintroducesthehardwarewhichincludesMCUcontrolpart,voltageconversionandcouplerisolationpartandchargesection.IselectC51languageasthetoolofsoftwaredesigning.Thisbatterychargercanfulfilltheprocessofprecharging,fastcharging,slowcharging,cuttingoffpowerandalarming.
KeyWords:
batterycharger;intelligent;basedonAT89C52single-chipcomputer；MAX1898
1.引言
1.1课题背景
随着信息技术的高速的发展，信息化正以令人惊叹的速度渗透到各个领域。
电池作为一个传统的产业，正经历着前所未有的变革，特别是在通信，动力等领域，对电池有了新的要求。
智能充电器就在这种环境下应运而生。
在人们日常工作和生活中，随着各种电子产品的广泛应用，各种充电器就不可或缺。
从电动刮胡刀到mp3，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。
这些充电器都有便携的特点，所以充电器为人们外出旅游和出差提供了相当大的方便。
单片机在电池充电器领域有着广泛的应用，利用它的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，但严格意义上讲，只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）实现充电过程。
充电分为两个方面：
一是充电过程的控制；二是需要提供基本充电电压。
（2）智能化的实现。
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。
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。
[1]
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]
2.1单片机的特点
单片机芯片作为控制系统的核心部件，它除了具备通用微机CPU的数值计算功能外，还必须具有灵活、强大的控制功能，以便实时监测系统的输入量，控制系统，从而实现自动控制功能[3]。
单片机主要面向工业控制，工作环境比较恶劣，如高温、强电磁干扰，甚至含有腐蚀性气体，在太空中工作的按偏激控制系统，还必须具有抗辐射功能，此而决定了单片机CPU的技术特征和发展方向：
（1）单片机CPU抗干扰性强，工作温度范围宽（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。
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，如果电池充满了，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[4]。
像一些成本比较低的充电器一般采用电压比较法，为了防止过度充充，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。
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。
2.4本设计所用的单片机芯片
本设计的单片机芯片选用Atmel公司的AT89C52，它可以完全满足要求。
AT89C52是一个低电压，高性能CMOS8位单片机，片内含8KB的可反复擦写的Flash只读程序存储器（ROM）和256B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有40个引脚，32个外部双向输入/输出（I/O）端口，同时内含2个外中断口，3个16位可编程定时计数器,2个全双工串行通信口，2个读写口线，AT89C52可以按照常规方法进行编程,但不可以在线编程（S系列的才支持在线编程）。
其将通用的微处理器和Flash存储器结合在一起，特别是可反复擦写的Flash存储器可有效地降低开发成本。
2.4.1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端口是一组8位开环的双向I/O端口。
当P0用作输出口时，没个管脚能保持8个TTL输入。
当操作外部程序与数据区时，通过配置，P0还可用作地位的地址/数据复用端口。
4.P1端口（P1.0~P1.7）：
P1端口是一组具有内部上拉电阻的双向I/O端口。
由于存在上拉电阻，P1端口的外部电流IIL会很低。
此外,P1.0和P1.1管脚可配置成为定时/计数器2的外部计数输入（P1.0/T2）和触发输入（P1.1/T2EX），具体配置如表2.1。
在刷新程序代码和验证信息时，P1端口还可用来接受地位地址字节。
表1P1.0和P1.1管脚配置
管脚
配置功能表述
P1.0
T2（定时/计数器2的外部计数输入），时钟输出
P1.1
T2EX（定时/计数器2的处罚和方向选择）
5．P2端口：
P2端口是一组具有内部上拉电阻的双向I/O端口。
当系统使用16位地址信息读取外部程序区间或操作外部数据区间时，他发送高8位地址字节。
这种操作一般使用MOVX@DPTR语句实现。
6．P3端口：
P3是一组具有内部上拉电阻的双向I/O端口，同时它还具备许多系统功能，如表2所示。
表2P3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（定时器0的外部输入）
P3.5
T1（定时器1的外部输入）
P3.6
WR（外部数据存储区间的写入端口）
P3.7
RD（外部数据存储区间的读取端口）
7.RST管脚：
输入用于抚慰输入信号。
8.ALE/PROG管脚：
ALE表示地址所存使能信号，当防卫外部存储区间时，用来锁存低8位地址字节。
/PROG表示在刷新程序代码时的程序脉冲输入信号。
在正常操作时，ALE将以系统晶振频率的1/6发送一个固定的频率，可用于外部时钟或者定时。
9./PSEN管脚：
/PSEN表示程序代码存放使能信号，主要用于读取外部的程序数据区间，当AT89C52执行外部程序数据区间中的代码时，/PSEN信号在每一机器始终周期内使能两次，但若单片机操作外部数据区间，/PSEN将无实际意义。
10.XTAL1管脚：
改管脚点解单片机晶振，作为晶振放大器和内部时钟处理电路的输入。
11.XTAL2管脚：
晶振放大器的输出。
[5]
AT89C52管脚图如图2.1。
图2.1AT89C52管脚图
3.锂离子电池介绍及充电芯片MAX1898的介绍
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、十分柔软，化学性能活泼的金属，是金属中最轻的。
锂离子电池的正极材料通常有锂的活性化合物组成（主要成分是LiCo02），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。
3.1.1锂离子电池基本参数特性[6]
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。
3.1.2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，这样也会也会影响性能。
从物理角度看上，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，过度放电将导致负极碳过度释放出锂离子而使得其片层结构出现塌陷，过度充电将把太多的锂离子硬塞进负极碳结构里去，而使得其中一些锂离子再也无法释放出来。
这也是锂离子电池为什么通常配有充放电的控制电路的原因。
锂离子电池一般都带有管理芯片和充电控制芯片。
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。
充电控制芯片是控制电池的充电过程。
锂离子电池的充电过程分为两个阶段，恒流快充阶段（电池指示灯呈黄色时）和恒压电流递减阶段（电池指示灯呈绿色闪烁。
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电曲线，其计算出来的电量也就是不准确的。
所以我们需要深充放来校准电池的芯片。
锂离子电池的不足之处在于对充电器要求比较苛刻，需要保护电路。
锂离子电池要求的充电方式是恒流恒压方式，为有效利用电池容量，需将锂离子电池充电至最大电压，但是过压充电会造成电池损坏，这就要求较高的控制精度。
另外，对于电压过低的电池需要进行预充，充电器最好带有热保护和时间保护，为电池提供附加保护。
由此可见实现安全高效的充电控制成为锂离子电池推广应用的瓶颈。
3.2MAX1898充电芯片
MAX1898是一片Maxim公司生产的单锂离子电池的线性充电器电路，是一款性价比比较高的线性充电芯片。
MAX1898配合外部的PMOS或PNP晶体管可以组成完整的锂离子充电器。
MAX1898提供了充电状态的输出指示、输入电压是否与充电器连接的输出制式和充电电流指示。
MAX1898可以提供精确的恒流/恒压充电，提高了电池性能且延长了电池的使用时间。
充电电流可自由设定，原理无需外部检流电阻，只用内部检流。
MAX1898还可以可选过放电电池的低电流预充和充电终止安全定时器、输入关断控制、可选充电周期重启（不用重新给电）。
它具有很高的集成度，在很小的尺寸内集成了很多的功能，基本上覆盖了基本的应用电路，大大简化了设计过程，因此只需少量外部的元件。
图3.1MAX1898实物图
3.2.1MAX1898的特点及充电芯片的选择理由
MAX1898特点如下：
1.4.5V~12V的输入电压小，无需变压装置。
2.可以自动检测输入电源。
3.充电电流可以自由编程。
4.内置检流电阻（充电电流可根据自己要求内部检流，不用外部检流电阻）。
5.检流可监视输出。
6.安全定时器可以自由编程。
7.充电状态可有LED指示。
8.可选/可调节自动重启。
9.小尺寸uMAX封装的特点很灵巧，简易。
10.调整原件是成本很低的PNP或者PMOS晶体管[7]。
11.电压精度±0.75％，这种精度很高，符合要求。
12.简单、安全的线性的充电方式。
由以上特点可以肯定MAX1898对锂离子电池进行安全充电。
而且它的高集成度，是在很小才尺寸内集成了很多功能，尽量减少外部电路。
所以选用MAX1898作为充电芯片。
3.2.2MAX1898的引脚构造。
MAXl898为10引脚、超薄型的MAX封装，其引脚分布如图3.2所示
图3.2MAX1898引脚图
各引脚的功能：
1.IN（1脚）：
传感输入，能够检测输入电压/电流。
2./CHG（2脚）：
充电状态指示脚，同时驱动LED。
3.EN/OK（3脚）：
使能输入脚/输入电源输出指示脚。
EN为输入脚，可通过输入禁止芯片工作；OK为输出脚，指示输入电源与充电器是否连接。
4.ISET（4脚）：
充电电流调节引脚。
可以串联一个电阻到地来设置最大的充电电流。
5.CT（5脚）：
安全充电时间设置引脚。
接一个时间电容来设置充电时间（当此脚接地时，禁止充电）。
6.RESET（6脚）：
自动重新启动控制脚。
当这个引脚直接接地时，如果电池电压掉至基本电压阈值一下200mV，将会重新开始新的充电周期；如果这个脚串联一个电阻接地，这个阈值会降低。
如果此脚悬空或者CT脚接地，自动重启功能会丧失。
7.BATT（7脚）：
电池传感输入脚，此脚接锂离子电池正极。
这个引脚需要旁接一个大电解电容到地。
8.GND（8脚）：
接地引脚。
9.DRV（9脚）：
外部晶体管驱动器，此脚接晶体管的基极。
10.CS（10脚）：
电流传感输入引脚，此脚接晶体管的发射极。
3.2.3MAX1898的充电原理
MAX1898外接P沟道场效应管和限流型充电电源，可以对锂离子电池进行快速、有效、安全的充电。
这种连接方式有个很大的优点：
如果在没有使用电感的情形下，仍然能使功率耗散降到很低，这样可以进行预充电，同时具有温度、过压保护的功能，最长的充电时间的限制可以对锂离子电池进行二次保护。
MAX1898集成度高，内部有很多电路：
主控制器、定时器、输入电流调节器、电压检测器、充电电流检测器、温度检测器。
输入电流调节器可以限制电源的总输入电流（包括系统充电电流和负载电流）。
充电电流检测器如果检测到输入电流大于设定的阈值电流时，可以进行反馈，使输入电流调节器降低充电电流，这样就会控制输入电流。
这是因为当系统工作的时候，电源的电流变化范围很大，如果充电器没有输入电流检测的功能，则输入电源就必须能够提供最大充电电流和最大负载电流之和，这就会是电源体积增大、成本增加。
正因为有这个功能，就会使充电器降低了对电源要求，与此同时，也大大简化了设计电源的过程。
MAX1898典型充电电路的过程：
图3.3MAX1898典型充电电路
1．电源输入：
输入电源范围为4.5~12V。
我们在上面讨论过，锂电池的充电方式必须为恒流恒压方式，所以电源的输入就采用恒流恒压源，我们可以用直流电源外加一个变压器来实现。
2.输出：
锂离子电池的充电接口可以外接一个场效应管来提供。
3.充电时间的选择：
充电时间tCHG的设置需要外接一个电容CCT（充电时间是快速充电时的最大充电电流）。
充电时间与定时电容的关系：
CCT=34.33×tCHG
CCT单位是nF，tCHG单位为小时。
在大多数情况下，快速充电的最大充电时间一般不超过3个小时，所以CCT常取100nF。
4.设置充电电流：
在限制电流的模式下，最大充电电流IFSTCHG的设置需要外接一个电阻REST，公式如下：
IFSTCHG=1400/REST
此式中，REST单位为Ω，IFSTCHG单位为A。
充电过程的启动很简单，只要把电池放进充电器就会检测到，之后就会开始充电。
一般情况下，平均的脉冲充电电流要低于设置的快速充电电流的20%，当充电时间超过我们设置的最大充电时间时，充电周期就会结束。
MAX1898会自动检测充电电源，如果没有检测到电源时就会自动关断，尽量少的减少电池的漏电。
快速充电启动之后，打开外接的P型场效应管，当检测到电池电压达到的设定的阈值时，就会竟如脉冲充电，P型场效应管打开的时间会越来越短。
充电结束时，LED指示灯就会呈现周期性的闪烁。
闪烁的含义如表：
表3.1MAX1898典型充电电路的LED指示灯状态说明
充电状态
LED指示灯
电池或充电器没有安装
灭
预充或快充
亮
充电结束
灭
充电出错
以1.5Hz频率闪烁
4．硬件电路的设计
硬件电路的设计的核心器件是MAX1898、AT89C52。
电路的设计围绕这两个器件展开的。
4.1主要器件
1.本设计的核心器件为MAX1898，MAX1898的介绍在前面详细介绍过（详见3.2）。
2.本设计的单片机为AT89C52，AT89C52的介绍在前面详细介绍过（详见2.4）。
3.因为充电器外部由+12V来供电，所以就需要一个电压转换芯片将+12V电压转换为+5V电压，在这里可以选用三段电压转换芯片LM7805来完成电压的转换。
LM7805简介：
三端IC是指这种稳压用的集成电路，只有三条引脚输出，分别是输入端、接地端和输出端。
它的样子象是普通的三极管，TO-220的标准封装，也有LM9013样子的TO-92封装。
该系列集成稳压IC型号中的LM78或LM79后面的数字代表该三端集成稳
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