基于单片机的充电器设计.docx

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基于单片机的充电器设计

摘要

电子技术的快速进展使得各类各样的电子产品都朝着便携式和小型轻量化的方向进展，也使得更多的电气化产品采纳基于电池的供电系统。

目前，较多利用的电池有镍镉、镍氢、铅蓄电池和锂电池。

它们的各自特点决定了它们将在相当长的时期内共存进展。

由于不同类型电池的充电特性不同，通常对不同类型，乃至不同电压、容量品级的电池利用不同的充电器，但这在实际利用中有诸多不便。

   本文介绍一种基于单片机的智能充电器的设计方式。

该充电器能够实时搜集电池的电压和电流，并对充电进程进行智能操纵。

它能够自动计算电池的已充电量和剩余的充电时刻，也能够改变参数来适应各类不同电池的充电。

系统中的治理电路还具有爱惜功能，可避免电池的过充和过放对电池造成。

关键词：

单片机，智能，充电器

Abstract

Therapiddevelopmentofelectronictechnologymakesallkindsofelectronicproductsdeveloptowardsthedirectionoflightweightandportable，alsoitmakesmoreelectrifiedproductsbasedonpowersupplysystemofbattery.Atpresent,moreuseofthebatteryarenickel-cadmiumbatteries,nickelmetalhydride,leadacidbatteriesandlithiumbatteries.Determinethecharacteristicsoftheirownwillmakethemcoexistforalongperiodofdevelopment.Duetothedifferenttypesofbatterychargeproperties,usuallyfordifferenttypes,andevendifferentvoltage,differentlevelofthebatterycapacitytouseadifferentcharge,andinpracticetherearealotofinconvenienceinuse.

Thispaperintroducesamicrocomputer-baseddesignofintelligentcharger.Thechargercancollectreal-timebatteryvoltageandcurrentandcontrolthechargingprocessinaintelligentway.Itcanautomaticallycalculatethebatterychargelevelandthechargingtimeremained,youcanchangetheparameterstoadapttoavarietyofbatterymanagementsystemalsohasthefunctionofprotectioncircuit,anditcanpreventbatteryfromoverchargeandoverdischarge.

Keywords:

SCM,intelligent,charger

1绪论

单片机的特点

随着大规模和超大规模集成电路技术的进展和运算机微型化的需要，将微型运算机的大体部件：

中央处置器（CPU）、存储器、输入/输出（I/O）接口、按时器/计数器等多种资源集成在一个半导体芯片上，使得一块集成电力芯片就能够组成一个完整的微型运算机。

这种集成电路芯片被称为单片微型运算机（SingleChipMicrocomuper），简称单片机。

单片机在结构设计上，他的软、硬件系统及I/O接口操纵能力等方面都有独到的地方，具有较强而有效的功能。

从其组成、逻辑功能上来看，单片机具有了微型运算机系统的大体部件。

单片机在一块芯片上集成了一台微型运算机所需要的大体部件。

它在硬件结构、指令功能等方面均有独到的地方，其特点如下：

性价比高。

单片机性能稳固，功能壮大，价钱廉价。

体积小，集成度高、靠得住性高。

单片机将一台运算机所需要的大体部件集成在一块芯片上，减少了各部件间的连线，能大大地提高运行速度和抗干扰能力。

操纵功能强。

为了，知足工业操纵的需要，单片机有很强的位处置功能。

在其他的逻辑操纵功能等方面，也都优于一样的8位微处置。

单片机系统配置灵活、方便。

由于单片机带有必然数量的接口电路，容易组成各类规模的应用系统。

单片机类型多。

单从ROM类型来讲，单片机的只读存储器有ROM、EPROM、EEPROM、FlashMemory等多种，能够依如实际需要进行选择。

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，取得了日趋普遍的应用，单片机的要紧应用领域有：

工业操纵，如在工业生产进程中参数（如温度、压力、流量、液位等）的操纵，数据处置功能于一体，如转速测试仪、噪声测试仪、振动测试仪及电子秤等。

运算机网络与通信，单片机上有并行I/O接口角儿串联I/O接口，可用于通信接口，如单片机操纵的自动呼唤应答系统、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，操纵能力强，且片内与按时器/计数器，因此普遍应用于家用设备中。

如空调、洗衣机、微波炉及防盗报警等。

单片机实现充电器功能的意义

由于充电器多采纳大电流的快速充电法，在电池充满后若是不及时停止会使电池发烫，过度的充电会严峻损害电池的寿命。

一些低本钱的充电器采纳电压比较法，为了避免过充，一样充电到90%就停止大电流快充，而采纳小电流涓流补充充电。

电话电池的利用寿命和单次利历时刻与充电进程紧密相关。

锂电池是电话最为经常使用的一种电池，它具有较高的能量重量比、能量体积比，具有经历效应，可重复充电多次，利用寿命较长，价钱也愈来愈低。

锂电池关于充电器的要求比较苛刻，需要爱惜电路。

为了有效利用电池容量，需将锂电池充电至最大电压，可是过压充电会造成电池损坏，这就要求较高的操纵精度。

另外，关于电压太低的电池需要进行预充，充电器最好带有酷爱惜和时刻爱惜，为电池提供附加爱惜。

一部份的充电器不但能在很短时刻内将电量充沛，而且还能够对电池起到必然的保护作用，修复由于利用不妥造成的经历效应，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纳专用充电操纵芯片配合单片机操纵的方式。

专用的充电芯片具有业界公认较好的-△v检测，能够检测出电池充电饱和时发出的电压转变信号，比较精准地终止充电工作，通过单片机对这些芯片的操纵，能够实现充电进程的智能化，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。

充电器的智能化能够缩短充电的时刻，同时能够保护电池，延长电池利用寿命。

随着社会的不断进展，人们利用各类家电设备、仪表和工业生产中的数据搜集与操纵设备也在慢慢走向智能化，因此充电器有它的庞大进展空间，同时电子产品的不断更新，52单片机在实现电话电池充电器方面的应用就更成心义。

为了完成智能充电器的设计，我将进行以下工作：

一、分析充电的实现和智能化的实现方式，选择适合的充电电池芯片。

二、进行硬件电路的设计，绘制充电电路原理图。

3、进行软件设计，设计程序代码。

4、调试硬件和软件电路，验证整个设计。

2设计思路分析

常见充电电池特性及其充电方式

电池充电是通过逆向化学反映将能量存储到化学系统里实现的，由于利用的化学物质的不同，电池的特性也不同，其充电的方式也不大一样。

一、电池的平安充电

现代的快速充电器（即电池能够在小于3个小时的时刻里充满电，一般是一个小需要能够对单元电压、充电电流和电池温度进行精准地测量，在充满电的同时幸免由于过充电造成的损坏。

二、充电方式

SLA电池和锂电池的充电方式为恒定电压法要限流；NiCd电池和NiMH电池的充电方式为恒定电流法，且具有几个不同的停止充电的判定方式。

3、最大充电电流

最大充电电流与电池容量（C）有关。

最大充电电流往往以电池容量的数值来表示。

例如，电池的容量为750mAh，充电电流为750mA，那么充电电流为1C（1倍的电池容量）。

假设涓流充电时电流为C/40，那么充电电流即为电池容量除以40。

4、过热

电池充电是将电能传输到电池的进程。

能量以化学反映的方式保留了下来。

但不是所有的电能都转化为了电池中的化学能。

一些电能转化成了热能，对电池起了加热的作用。

当电池充满后，假设继续充电，那么所有的电能都将转化为电池的热能。

在快速充电时这将使电池快速升温，假设不及时停止充电就会造成电池的损坏。

因此，在设计电池充电器时，对温度进行监控并及时停止充电是超级重要的。

锂离子电池

现代消费类电器要紧利用如下四种电池：

密封铅酸电池（SLA），镍镉电池（NiCd），镍氢电池（NiMH）和锂电池（Li-Ion）。

在正确选择电池和充电算法时需要了解这些电池的背景知识。

密封铅酸电池（SLA）封铅酸电池要紧用于本钱比空间和重量更重要的场合，如UPS和报警系统的备份电池。

SLA电池以恒定电压进行充电，辅以电流限制以幸免在充电进程的初期电池过热。

只要电池单元电压不超过生产商的规定（典型值为，SLA电池能够无穷制地充电。

镍镉电池（NiCd）iCd电池目前利用得很普遍。

它的优势是相对廉价，易于利用；缺点是自放电率比较高。

典型的NiCd电池能够充电1000次。

失效机理主若是极性反转。

在电池包里第一个被完全放电的单元会发生反转。

为了避免损坏电池包，需要不中断地监控电压。

一旦单元电压下降到就必需停机。

NiCd电池以恒定电流的方式进行充电。

镍氢电池（NiMH）轻重量的手持设备中如电话、手持摄象机，等等镍氢电池是利用最广的。

这种电池的容量比NiCd的大。

由于过充电会造成NiMH电池的失效，在充电进程中进行精准地测量以在适合的时刻停止是超级重要的。

和NiCd电池一样，极性反转时电池也会损坏。

NiMH电池的自放电率可能为20%/月。

和NiCd电池一样，NiMH电池也为恒定电流充电。

锂电池（Li-Ion）本文中所述的其他电池相较，锂电池具有最高的能量/重量比和能量/体积比。

锂电池以恒定电压进行充电，同时要有电流限制以幸免在充电进程的初期电池过热。

当充电电流下降到生产商设定的最小电流时就要停止充电。

过充电将造成电池损坏，乃至爆炸

锂离子电池的正极材料通常有锂的活性化合物组成，负极那么是特殊分子结构的碳。

常见的正极材料要紧成份为LiCo02，充电时，加在电池两级的电势迫使正极化合物释出锂离子，嵌入负极分子排列呈片层结构的碳中。

放电时，锂离子那么从片层结构的碳中析出，从头和正极的化合物结合。

锂离子的移动产生了电流。

化学反映原理尽管很简单，但是在实际的工业生产中，需要考虑的实际问题要多得多：

正极的材料需要添加剂来维持多次充放的活性，负极的材料需要在分子结构级去设计以容纳更多的锂离子；填充在正负级之间的电解液，除维持稳固，还需要具有良好导电性，减小电池内阻。

尽管锂离子电池很少有镍镉电池的经历效应，经历效应的原理是结晶化，在锂电池中几乎可不能产生这种反映。

可是，锂离子电池在多次充放后容量仍然会下降，其缘故是复杂多样的。

主若是正负极材料本身的转变，从分子层里来看，正负极上容纳锂离子的空穴结构会慢慢塌陷，堵塞；从化学角度来看，是正负极材料活性钝化，显现副反映生成稳固的其他化合物。

物理上还会显现正极材料慢慢剥落等情形，总之最终降低了电池中能够自由在充放电进程中移动的锂离子数量。

过度充电和过度放电，将对锂离子电池的正负极造成永久的损坏，从分子层面看，能够直观的明白得，过度放电将致使负极碳过度释放出锂离子而使得其片层结构显现塌陷，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。

这也是锂离子电池什么缘故通常配有充放电的操纵电路的缘故。

锂离子电池一样都带有治理芯片和充电操纵芯片。

其中治理芯片中有一系列的寄放器，存有容量、温度、ID、充电状态、放电次数等数值。

这些数值在利用中会慢慢转变。

充电操纵芯片要紧操纵电池的充电进程。

锂离子电池的充电进程分为两个时期，恒流快充时期（电池指示灯呈黄色时）和恒压电流递减时期（电池指示灯呈绿色闪烁。

恒流快充时期，电池电压慢慢升高到电池的标准电压，随后在操纵芯片下转入恒压时期，电压再也不升高以确保可不能过充，电流那么随着电池电量的上升慢慢减弱到0，而最终完成充电。

电量统计芯片通过记录放电曲线（电压、电流、时刻）能够抽样计算出电池的电量。

而锂离子电池在多次利用后，放电曲线是会改变的，若是芯片一直没有机遇再次读出完整的一个放电曲线，其计算出来的电量也确实是不准确的。

因此咱们需要深充放来校准电池的芯片。

而锂离子电池具有较高的能量重量比和能量体积比、无经历效应、可重复充电多次、利用寿命较长、价钱也愈来愈低、锂离子电池的这些特点增进了便携式产品向更小更轻的方向进展，使得选用单节锂离子电池供电的产品也愈来愈多。

锂离子电池的不足的地方在于对充电器要求比较苛刻，需要爱惜电路。

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，可是过压充电会造成电池损坏，这就要求较高的操纵精度。

另外，关于电压太低的电池需要进行预充，充电器最好带有酷爱惜和时刻爱惜，为电池提供附加爱惜。

由此可见实现平安高效的充电操纵成为锂离子电池推行应用的瓶颈。

针对这些应用特点，MAX1898，这款充电器具有很高的充电操纵特性和较低的本钱，性能价钱比较高，是一款理想的单节锂离子电池充电器。

智能化的实现

在充电器电路中引入单片机的操纵。

它什么缘故需要实现充电器的智能化呢？

充电器实现的方式不同会致使充电成效的不同。

由于充电器多采纳大电流的快速充电法，在电池充满后若是不及时停止会使电池发烫，过度的充电会严峻损害电池的寿命。

一些低本钱的充电器采纳电压比较法，为了避免过充，一样充电到90％就停止大电流快充，而采纳小电流涓流补充充电。

电话电池的利用寿命和单次利历时刻与充电进程紧密相关。

锂电池是电话最为经常使用的一种电池，它具有较高的能量重量比、能量体积比，具有经历效应，可重复充电多次，利用寿命较长，价钱也愈来愈低。

锂电池关于充电器的要求比较苛刻，需要爱惜电路。

为了有效利用电池容量，需将锂电池充电至最大电压，可是过压充电会造成电池损坏，这就要求较高的操纵精度。

另外，关于电压太低的电池需要进行预充，充电器最好带有酷爱惜和时刻爱惜，为电池提供附加爱惜。

一部好的充电器不但能在短时刻内将电量充沛，而且还能够对电池起到必然的保护作用，修复由于利用不妥造成的经历效应，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纳专用充电操纵芯片配合单片机操纵的方式。

专用的充电芯片具有业界公认较好的-△v检测，能够检测出电池充电饱和时发出的电压转变信号，比较精准地终止充电工作，通过单片机对这些芯片的操纵，能够实现充电进程的智能化，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。

充电器的智能化能够缩短充电的时刻，同时能够保护电池，延长电池利用寿命。

电池充电芯片的选择

目前市场上存在大量的电池充电芯片，它们可直接用于进行充电器的设计。

充电芯片的选择标准

在选择具体的电池充电芯片时，需要参考以下标准：

一、电池类型：

不同的电池（锂电池、镍氢电池、镍镉电池等）需选择不同的充电芯片。

二、电池数量：

可充电池的数量。

3、电流值：

充电电流的大小决定了充电时刻。

4、充电方式：

是快充、慢充仍是可控充电进程。

本设计要实现的是电话的单节锂离子电池充电器，要求充电快速且具有优良的电池爱惜能力，据此选择Maxim公司的MAXl898作为电池充电芯片。

MAX1898充电芯片

一、MAX1898的特点

MAXl898配合外部PNP或PMOS晶体管能够组成完整的单节锂电池充电器。

MAXl898提供精准的恒流／恒压充电，电池电压调剂精度为±％，提高了电池性能并延长了电池利用寿命。

充电电流可由用户设定，采纳内部检流，不必外部检流电阻。

MAXl898提供了充电状态的输出指示、输入电源是不是与充电器连接的输出指示和充电电流指示。

MAXl898还具有其他一些功能，包括输入关断操纵、可选的充电周期重启（不必从头上电）、可选的充电终止平安按时器和过放电电池的低电流预充。

MAXl898的关键特性有：

简单平安的线性充电方式、利用低本钱的PNP或PMOS调整元件、输入电压：

～12V、内置检流电阻、±％电压精度、可编程充电电流、输入电源自动检测、LED充电状态指示、可编程平安按时器、检流监视输出、可选／可调剂自动重启及小尺寸uMAX封装。

MAXl898的充电工作原理：

充电芯片MAXl898的内部电路包括输入电流调剂器、电压检测器、充电电流检测器、按时器、温度检测器和主操纵器。

输入电流调剂器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门限电流时，通过降低充电电流从而操纵输入电流。

因为系统工作时电源电流的转变范围较大，若是充电器没有输入电流检测功能，那么输入电源必需能够提供最大负载电流与最大充电电流之和，这将使电源的本钱增高、体积增大，而利用输入限流功能那么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的设计。

MAXl898外接限流型充电电源和P沟道场效应管，能够对单节锂电池进行平安有效的快充，其最大特点是：

在不利用电感的情形下，仍能做到很低的功率耗散，能够实现预充电，具有过压爱惜和温度爱惜功能，最长充电时问的限制可为锂电池提供二次爱惜。

MAX1898的浮动方式能够使电池容量充至最大。

当充电电源和电池在正常的工作温度范围内时，插入电池将启动一次充电进程；充电终止的条件是平均的脉冲充电电流达到快充电流的1％，或时刻超出片上预置的充电时刻。

MAXl898能够自动检测充电电源，没有电源时自动关断以减少电池的漏电。

启动快充后打开外接的P型场效应管，当检测到电池电压达到设定的门限时进入脉冲充电方式，P型场效应管打开的时问会愈来愈短。

充电终止时，指示灯将会按12%的周期闪烁。

MAX1898的典型充电电路如下图所示。

图MAX1898典型充电电路

二、充电电路说明

（1）输入电压范围为～12v。

锂电池要求的充电方式是恒流恒压方式，电源的输入需要采纳恒流恒压源，一样可采纳直流电源外加变压器。

（2）通过外接的场效应管提供锂电池的充电接口。

（3）通过外接的电容CcT来设置充电时刻tCHG。

那个地址的充电时刻指的是快充时的最大充电时刻，它和按时电容CcT的关系如下式所示。

CcT=×tCHG（）

式中，tCHG的单位为小时，CcT的单位为nF。

大多数情形下，快充时最大充电时问不超过3小时，因此常取CcT为100nF。

（4）在限制电流的模式下，通过外接的电阻RSET来设置最大充电电流IFSTCHG，关系如下式所示：

1fstchg=1400/Rset式中，RSEI-的单位为Q，IFsTCHG的单位为A。

当充电电源和电池在正常的工作温度范围内时，插入电池将启动一次充电进程。

平均的脉冲充电电流低于设置的快充电流的20％，或充电时刻超出片上预置的最大充电时问时，充电周期终止。

MAXl898能够自动检测充电电源，没有电源时自动关断以减少电池的漏电。

启动快充后，打开外接的P型场效应管，当检测到电池电压达到设定的门限时进入脉冲充电方式，P型场效应管打开的时JI间会愈来愈短。

充电终止时，LED指示灯将会呈现周期性的闪烁，具体的闪烁含义如表所示。

表MAX1898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

以频率闪烁

3硬件电路设计

硬件电路设计要紧围绕充电芯片MAXl898展开，而单片机操纵部份的电路简单。

要紧器件

一、MAX1898充电芯片

本设计的核心器件是MAXl898。

MAXl898可对所有化学类型的Li+电池进行平安充电，它具有高集成度，在小尺寸内集成了更多功能，尽可能多地覆盖了大体应用电路，只需要少数外部元件。

AXl898为10引脚、超薄型的MAX封装，其引脚散布如下图

图MAX1898引脚散布

其引脚功能如下：

IN（1脚）：

传感输入，检测输入的电压或电流；

CHG（2脚）：

充电状态指示脚，同时驱动LED；

EN/OK（3脚）：

使能输入脚/输入电源“好”输出指示脚。

EN为输入脚，能够通过输入禁止芯片工作；OK为输出脚，用于指示输入电源是不是与充电器连接；

ISET（4脚）：

充电电流调剂引脚。

通过串接一个电阻到地来设置最大充电电流；

CT（5脚）：

平安充电时刻设置引脚。

接一个时刻电容来设置充电时刻，电容为100nF时，几乎为3个小时，此引脚直接接地将禁用此功能；

RSTRT（6脚）：

自动从头启动操纵引脚。

当此引脚直接接地时，若是电池电压掉至基准电压阈值以下200mV，将会从头开始一轮充电周期。

此引脚通过电阻接地时，能够降低它的电压阈值。

此引脚悬空或CT引脚接地（充电时刻设置功能禁用）时，自动从头启动功能被禁用；

BATT（7脚）：

电池传感输入脚，接单个Li+电池的正极。

此引脚需旁接一个大电解电容到地；

GND（8脚）：

接地端；

DRV（9脚）：

外部晶体管驱动器，接晶体管的基极；

CS（10脚）：

电流传感输入，接晶体管的发射极

二、AT89C52单片机

AT89C52是一个低功耗，高性能CMOS8位单片机，片内含8kBytesISP（In-systemprogrammable）的可反复擦写1000次的Flash只读程序存储器，器件采纳ATMEL公司的高密度、非易失性存储技术制造，兼容标准MCS-51指令系统及80C51引脚结构，芯片内集成了通用8位中央处置器和ISPFlash存储单元，功能壮大的微型运算机的AT89C52可为许多嵌入式操纵应用系统提供高性价比的解决方案。

AT89C52具有如下特点：

40个引脚，8kBytesFlash片内程序存储器，256bytes的随机存取数据存储器（RAM），32个外部双向输入/输出（I/O）口，5个中断优先级2层中断嵌套中断，2个16位可编程按时计数器，2个全双工串行通信口，看门狗（WDT）电路，片内时钟振荡器；引脚图如图所示。

图AT89C52单片机

3、三端电压转换芯片LM7805

由于充电器外部为+12V供电，因此需要通过电压转换芯片将+12V电压转换为+5V电压，那个地址选用三端电压转换芯片LM7805来完成此功能。

4、光耦模块6N137

为了降低电源干扰，维持电路的稳固，在LM7805完成电压转换，将+5v充电电源送给MAXl898之前，先通过一次光耦模块6N137的处置，通过单片机对光耦模块的操纵，能够及时关断充电电源。

6N137的引脚散布如下图。

其引脚功能如下

NC（1脚、4脚）：

悬空；

+（2脚）、-（3脚）：

发光二极管的正、负极；

GND（5脚）：

接地端；

OUTPUT（6脚）：

输出脚；

EN（7脚）：

使能脚。

为低时，不管有无输入，输出都为高。

不利历时，悬空即可；

VCC（8脚）：

电源输入脚。

图引脚散布图

电路原理及说明

硬件电路由单片