智能锂电池充电器设计毕业设计.docx

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智能锂电池充电器设计毕业设计

智能锂电池充电器设计——毕业设计

南阳理工学院

本科生毕业设计（论文）

学院：

电子与电气工程学院

专业：

自动化

学生：

张玉坤

指导教师：

尹应鹏

完成日期2014年5月

南阳理工学院本科生毕业设计（论文）

智能锂电池充电器设计

DesignofSmartLi-ionBatteryCharger

总计：

30页

表格：

2个

插图：

14幅

南阳理工学院本科毕业设计（论文）

智能锂电池充电器设计

DesignofSmartli-ionBatteryCharger

学院：

电子与电气工程学院

专业：

自动化

学生姓名：

张玉坤

学号：

1209624034

指导教师（职称）：

尹应鹏（讲师）

评阅教师：

完成日期：

南阳理工学院

NanyangInstituteofTechnology

智能锂电池充电器设计

自动化专业张玉坤

［摘要］充电器已经在我们的日常生活中普遍应用，随着移动设备的发展，可充电电池已经成为移动设备电源的必要器件，相配套的充电器和可对多种电池充电的充电器的市场需求量也逐渐上升。

本次设计采用MAX1898作为智能充电芯片，通过单片机控制可以实现预充，快速充电，恒压充电以及蜂鸣报警等智能化充电过程。

另外还可以监控充电过程中的各个状态。

实现电路电路简单，成本较低，而且充电效果很好，包括安全性高，耗时短，对电池损坏小，满足一般用户的要求。

［关键词］充电器；智能；单片机；MAX1898

DesignofSmartli-ionBatteryCharger

AutomationSpecialtyZHANGYu-kun

Abstract:

Chargershavebeenwidelyappliedinourdailylifeandwiththedevelopmentofmobiledevices,rechargeablebatterieshavebecomemobileequipmentnecessarycomponents,themarketdemandofthechargercorrespondingandchargingtovariousbatteryisrisinggradually.ThedesignusesalithiumbatterysmartchargerMAX1898chip,chipcontrolcanbeachievedbypre-charging,fastcharging,constantvoltagechargingandbuzzeralarmandotherintelligentchargingprocess.Italsocanmonitoreachstateintheprocessofcharging.Realizingcircuitsissimp,lowcost,andchargingeffectisverygood,includinghighsecurity,littletime-consuming,meettherequirementsofgeneralusers.

Keywords：

Thecharger;intelligent；Singlechipmicrocomputer；MAX1898

1引言

随着社会信息化过程的快速发展对电力、信息系统的安全稳定高效运行提出了更高的要求。

在人们的生产及生活当中，对各种电气、电子设备的应用也越来越广泛，而且与人们的工作、生活的关系越来越密切，越来越多的工业生产、控制、信息等重要数据都需要由电子信息系统来处理和存储。

而各种电力设备都离不开可靠的电源，因为假若在工作中间电源中断，人们的生产和生活都会造成无法预估的耽误。

对于由交流供电的用电设备，为了避免出现不可预估的情况，必须出现一种电源系统，它能直接地为人们的生产和生活提供以安全和操作为目的可靠的备用电源。

为此，以安全和操作为目的的备用电源设备上都使用充电电池。

这样，即使电力网停电，也可利用由充电电池构成的安全和操作备用电源，从容地采用其他应急手段，避免重大损失的发生。

而对于采用充电电池供电的用电设备，从生产、信息、供电安全角度来说，充电电池在系统中处于及其重要的地位。

同时，具体到生活当中，随着社会的快速发展，电子产品微型化、便携式也使得充电电池越来越重要，锂离子电池具有较高的比能量，放电曲线平稳，自放电率低，循环寿命长，具有良好的充放电性能，可随充随放、快充深放，无记忆效应，不含镉、铅、汞等有害物质，对环境无污染，被称为绿色电池。

基于这些特性，所以锂电池得到了迅速的发展和广泛的应用。

锂电池充电器是为锂离子充电电池补充能源的静止变流装置，其性能的优劣直接关系到整个用电系统的安全性和可靠性指标。

本文提出一种结合智能充电芯片MAX1898和单片STC89C52的充电器软硬件设计方案。

MAX1898功能十分强大，内部电路包括输入电流调节器、电压检测器、充电电流检测器和主控器。

它与单片机强大的控制功能配合使用，使得手机电池充电器更加智能化，通过改良外围电路可以大大减小手机电池充电器的体积，使之携带更加方便。

因此该设计方法将在高端手机充电器技术领域占领一席之地，并且引导现有手机充电器的发展趋势。

2方案设计和论证

2.1设计任务及要求

要实现智能化充电器，需要从以下两个方面入手。

（1）充电的实现。

它包括两部分：

一是充电的控制过程；二是需要提供基本的充电电压。

（2）智能化的实现。

单片机调入到充电器电路的控制中。

本次智能充电的的设计，包括单片机控制充电电路和检测充电的过程设计两部分，主要要求是：

（1）将电路元件降压和储能的转换信号转变成输出频率送至单片机。

（2）运用STC89C52单片机接收频率信号，将控制信号输出。

（3）通过MAX1898智能芯片采集电池的电压、电流，以便对电池的状态进行监视。

（4）充电过程中需要及时的切换恒压充电和恒流充电。

（5）通过LED指示灯实时的显示出充电状态。

（6）锂离子电池的充电电压必须严格保持在4.2±0.0005V范围内。

（7）充电速率通常限制在1C以下，充电电压不超过4.5V。

2.2方案设计与论证

2.2.1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，单片机正朝着高性能和多品种方向发展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处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片化，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，使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）外部总线增加了IC等串行总线方式，进一步缩小了体积，简化了结构。

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。

所以本设计选用美国Intel公司推出的51系列单片微控制处理器作为控制芯片。

其中STC89C52具有很强的代表性。

2.2.2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，它们可直接用于充电器的设计。

在选择具体的充电芯片时，有以下参考标准：

电池类型：

不同的电池（锂电池、镍氢电池、镍镉电池）需选择不同的充电芯片。

电池数目：

可充电池的数目。

电流值：

充电电流的大小决定了充电时间。

充电方式：

是快充、慢充还是可控充电过程。

本设计主要利用51单片机实现手机单节锂离子（Li+）电池智能充电器，要求充电快速且具有优良的电池保护能力。

通过查阅相关资料了解到智能锂电池充电控制芯片MAX1898的内部电路包括输入电流调节器、电压检测器、充电电流检测器和主控器，输入电流调节器用于限制总输入电流，包括系统负载电流与充电电流，但检测到输入电路大于设定的门限电流时，通过降低充电电流从而控制输入电流，Max1898外接限流型充电电源和PNP功率三级管，可对单节锂电进行有效的快充，它通过外接电容设定充电时间，通过外接电阻设置最大充电电流。

而且由Maxim公司生产的锂离子电池充电芯片MAX1898的外围电路也更加简单，易于焊接，也更适合初学者的学习研究。

综上所述，选择MAX1898作为充电芯片，STC89C52作为充电控制芯片，可共同完成锂电池智能充电器的设计。

3硬件电路介绍

3.1主控制芯片STC89C52介绍

本设计的单片机芯片选用STC89C52。

它是一个低电压，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。

其有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，STC89C52可以按照常规方法进行编程,支持在线编程）。

STC89C52特点如下：

1．增强型6时钟/机器周期，12时钟/机器周期，8051CPU。

2．工作电压5.5V～3.4V（5V单片机）。

3．工作频率范围：

0～40MHZ，相当于8051的0～80MHZ。

实际工作频率可达48MHZ。

4．用户应用程序空间为8K字节。

5．片上集成512字节RAM。

6．通用I/O口（32/36个），复位后为：

P1/P2/P3/P4是准双向口，弱上拉。

P0口是开漏输出，作为总线扩展用时，不用加上拉电阻；作为I/O口用时，需要上拉电阻。

7．ISP（在系统可编程）/IAP（在应用可编程），无需专用编程器/仿真器，可通过串口（P3.0/3.1）直接下载用户程序。

8．具有EEPROM功能。

9．具有看门狗功能。

10．共3个16位定时器/计数器。

定时器T0、T1、T2。

11.外部中断4路，下降沿中断和或低电平触发中断，PowerDown模式可由外部中断低电平触发中断方式唤醒。

12．通用异步串行口（UART）工，还可用定时器软件实现多个UART。

13．工作温度范围：

0～70℃。

14．PDIP封装。

3.1STC89C52单片机引脚及说明

STC89C52单片机内置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。

单片机引脚如图1所示。

图1单片机引脚

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。

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1所示为P3的功能。

表1P3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。

3.2MAX1898特性介绍

MAX1898配合外部PNP或PMOS晶体管可以组成完整的单节电锂离子（Li+）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流指示。

其他功能包括关断控制、可选的充电周期重启无需重新上电、可选的充电终止安全定时器和过放电电池的低电流预充而且将提高产品或设备的性能，缩小产品体积，提高产品的技术含量，提高产品的附加值。

MAX1898的关键特性如下：

简单、安全的线性充电方式。

使用低成本的PNP或PMOS调整元件。

1.输入电压：

4.5V—12V。

2.可以自动检测输入电源。

3.充电电流可以自换编程。

4.内置检流电阻。

7.充电状态有指示灯。

9.较小尺寸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。

11.电压精度±0.75％。

12.简单、安全的线性的充电方式。

充电芯片MAX1898内部电路包括输入电流调节器、电压检测器、充电电流检测器和主控制器。

输入电流调节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是，通过降低充电电流从而控制输入电流。

因为系统工作是电流变化范围较大，所有需要对电流进行智能检测。

MAX1898外接限流型充电电源和P沟道场效应管或PNP三极管，可以对锂电池进行安全有效的快充，器最大的特点是在不使用电感的情况下仍能保持很低的功率耗散，可以实现预充电，具有过压保护和温度保护功能以及为锂电池提供二次保护。

3.2.1MAX1898芯片引脚及说明

MAX1898可以对所有的化学型的Li+电池进行安全充电，它具有高集成度，集成了大量的基本应用电路，只需要少数外部元件。

MAX1898为10引脚、超薄型uMAX封装，芯片引脚分布如图2所示。

图2芯片引脚分布图

引脚功能如下：

IN（1脚）：

传感输入，检测输入的电流或电压。

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，可以通过输入禁止芯片工作；OK输出脚，用于指示输入电源是不是与充电器连接。

ISET（4脚）；充电电流调节引脚。

通过串接一个电阻到地来设置最大充电电流。

CT（5脚）：

安全充电时间设置引脚。

接个时间电容来设置充电时间，电容为100nf,h几乎为3小时，此时引脚直接接地将禁用此功能。

RSTRT（6脚）：

自动重新启动控制引脚。

当此引脚直接接地时，如果电池电压至基准电压阈值以下200mv，将会重新开始一轮充电周期。

此引脚通过电阻接地时，可以降低它的电压阈值，此引脚悬空或者CT引脚接地（充电时间设置功能禁用）时，自动重新启动功能被禁用。

BAIT（7脚）：

电池传感输入脚，接单个Li+电池正极。

此引脚需旁接个大电解电容到地。

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）：

充电电流输入端，接PMOS/PNP的源极/极电极。

MAX1898充电工作原理

MAX1898外接P沟道场效应管和限流型充电电源，可以针对锂离子电池进行快速、有效、安全的充电。

这种连接方式最大的优点在于：

在没有使用电感的情况下，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，即使在教长的充电时间的限制可以对锂离子电池进行二次保护。

MAX1898集成度高是因为内部有很多电路：

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。

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。

因为这是当系统工作的时候，电源的电流变化范围很大，如若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，这就会使电源体积增大、成本有所增加。

正因为有这个功能的存在，就会使充电器降低了对电源的要求，而在此同时，也大大简化了对电源设计的过程。

MAX1898的典型电路如图3所示。

图3MAX1898充电电路

电路的具体说明如下。

1．电源输入：

输入电源范围为4.5~12V。

锂电池要求充电方式恒流恒压方式，电源的输入需要采用恒流恒压源，一般可采用直流电源外加变压器。

2.输出：

通过外接的场效应管提供锂离子电池的充电接口。

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。

这里的充电时间指的是快速充电时的最大充电时间，它和定时电容CcT的关系如下所式示。

CCT=34.33*TCHG

式中，CcT的单位为nF，Tchg的单位小时。

我们平时充电的锂离子电池，快充时最大充电时间一般不超过3小时，因此常取CcT为100nF。

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：

IFSTCHG=1400/RSET

上式中，IFSTCHG的单位为A，RSET的单位为Q。

充电过程可以简单的启动，只要把电池放进充电器就会检测到，将启动一次充电过程。

平均的脉冲充电电流设置快充电流的20%，或者充电时间超出片上预置的最大充电时间，充电周期结束。

MAX1898能够自动检测充电源，如果没有检测到电源时就会自动关断并且红灯亮蜂鸣器蜂鸣提醒，尽量少的减少电池的漏电，启动快充后，打开外接的P型场效应管，当检测到电池电压到达设定的门限时进入脉冲充电方式，P型场效应管打开时间会越来越短。

充电结束时，LED指示灯将会呈现周期性的闪烁提醒充电结束。

4系统软件设计和调试

4.1单元电路设计

智能充电器设计的功能模块如下：

（1）单片机模块：

实现充电器的智能化控制，比如自动断电、充电完成报警提示等。

（2）充电过程控制模块：

采用专用的电池充电芯片实现对充电过程的控制。

（3）充电电压提供模块：

采用电压转换芯片将外部+12V电压转换为需要的+5V电压。

（4）程序模块：

单片机控制电池充电芯片实现充电过程的自动化，并根据充电的状态给出有关的输出LED灯指示。

4.1.1单片机模块电路

单片机模块电路主要是由是以STC89C52为核心的最小系统电路，因为其具有广泛的兼容性和强大的及时控制功能，特别适合于许多较为复杂的控制应用场合。

蜂鸣器为系统进行报警提示，单片机控制电路如图4所示.

图4单片机控制电路

4.1.2充电器充电控制电路设计

MAX1898外接限流型充电电源和P沟道场效应管或PNP三极管，可以对锂电池进行安全有效的快充，其最大的特点是在不使用电感的情况下仍能保持很低的功率耗散，可以实现预充电，具有过压保护和温度保护功能以及为锂电池提供二次保护。

充电器电路充电控制电路如图5所示。

图5充电器电路充电控制电路

4.2总电路设计

基于MAX1898智能充电芯片，加上51系列单片机的强大功能使得智能电池充电器的设计更加模块化，也使得是电池充电器更加智能化。

如：

电池预充、充电保护、自动断电和充电完成报警提示功能。

其智能充电器总电路如下图6所示.

图6智能充电器总电路

5系统程序设计

5.1程序设计概述

充电器的充电过程主要由MAX1898和单片机STC89C52控制，而单片机主要是对电池充电器控制作用。

主要功能介绍如下：

其核心器件是充电芯片MAX1898，其充电状态输出引脚/CHG经过。

LM393AN反相与单片机INTO相连，触发外部中断。

L3为红色发光二极管，红表表示电源接通；L2为绿色发光二极管，绿灯表示处于充电状态。

Q2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,C4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。

在MAX1898和外部单片机的共同作用下，实现了如下的充电过程。

1.预充

当充电器检测到电池时将定时器复位，单片机输入高电平，充电芯片启动，之后就进入了预充过程，在这个过程中充电器以快速充电流的1/10给电池充电，来令电池的电压和温度恢复到正常状态。

2.快充

快充就是以恒定电流对电池进行充电,恒流充电时,电池的电压缓慢上升,当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,充电电流逐渐减小,直到充电速率降到设置值以下，充电器以极小的充电电流为电池补充能量.由于充电器在检测电池电压是否达到终止电压时有充电电流通过电池电阻,尽管在满充和顶端截至充电过程中充电电流逐渐下降,减小了电池内阻和其它串联电阻对电池端电压的影响,但串联在充电回路中的电阻形成的压降仍然对电池终止电压的检测有影响.一般情况下,满充和顶端截止充电可以延长电池5%～10%的使用时间。

4.断电

当电池充满后,Max1898芯片的2脚/Chg发送的脉冲电平会由低变高,这将会被单片机检测到,引起单片机的中断,在中断中,如果判断出充电完毕,则单片机将通过P2.0口控制光耦切断LM向Max1898供电,从而保证芯片和电池的安全,同时也减小功耗。

5.报警

当电池充满后，MAXl898芯片本身会点亮LED绿灯。

同时，单片机在检测到充满状态的脉冲后，或检测到电池故障不仅会自动切断MAX1898芯片的供电，而且会通过蜂鸣器报警，提醒用户及时取出电池。

5.2程序流程图

如图7为单片机控制智能充电器的控制流程图。

图7单片机初始化流程