基于51单片机的智能充电器.docx

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基于51单片机的智能充电器

基于51单片机的智能充电器设计

自动化专业学生XXX

指导教师XXX

摘要：

介绍一种基于单片机芯片AT89C52的智能充电器的硬件和软件实现。

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。

本产品采用锂离子电池电源管理芯片MAX1898，通过AT89C52控制可以实现预充，快速充电，及恒压充电。

另外可以通过设置可以方便改变快速充电的电流和充电时间，该充电器可以实时采集和计算电池的参数,并进行智能控制,还可以通过串口和上位机进行通讯并进行实时显示,根据不同的电池调整充电策略。

保证了充电器具有很高的精度。

实验证明，所设计的充电器功耗低、成本低、系统工作稳定可靠，智能化程度高。

这是一种实用的设计方法，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，具有较高的推广价值。

关键词：

AT89C52单片机；MAX1898；智能充电器；锂离子电池

IntelligentBatteryChargerDesignBasedon51Single-chipComputer

StudentmajoringinAutomationXXX

TutorXXX

Abstract：

Thisarticleintroducedthehardwareandsoftwarerealizationofintelligentbatterycharger

BasedonAT89C52single-chipcomputer.Basedontheintroductionofthebasicparametersandcharacteristicsoflithiumbattery,thearticlefullyintroducesthehardwarewhichincludesMCUcontrolpart,voltageconversionandcouplerisolationpartandchargesection.Thisproductadoptsheintegrationcircuitofthelinearchargerforsingle-cellLi+battery-MAX1898,throughsinglechipAT89C52controlcanberealizedprecharging,fastchargingandconstant-voltagecharging.Inaddition,MAX1898canbeeasilychangedchargingcurrentandchargingtimebysetting.Thisbatterychargercoulddorealtimecharging,calculatethebatteryparameterandcarryontheintelligentcontrol.Italsocouldcommunicatewiththeupperpositionmachinethroughtheserialport,carryontherealtimedisplayandadjustchargingstrategyaccordingtodifferentbatteries，thedesigncanguaranteehighaccuracy.Experimentsshowthedesignlowpowerconsumption,lowcost,thesystemisreliable,highintelligence.Itisausefuldesignmethod,lowcost,andchargingeffectisverygood,includinghighsecurity,littletime-consuming,satisfyingordinaryusers'demand.Thisdesignhasahighvalueofpromotion.

Keywords:

AT89C52single-chipcomputer；MAX1898；intelligentbatterycharger；lithiumionbattery

引言

随着科学技术的高速发展，信息化正以惊人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。

电池是通过能量转化而获取的电能的器件，化学电源是通过氧化还原反应将化学能转化为电能。

电池可分为一次性电池和可充电电池，一次性电池是一次性应用的电池，可充电电池是可以反复使用的电池。

可充电电池具有较高的性能价格比、放电电流大、寿命长等特点，广泛应用于各种通信设备、仪器仪表、电气测量装置中。

随着便携式设备的发展，无论从节约成本来说，还是从环境保护的角度来说，可充电电池都比一次性电池更有优势，所以可充电电池的市场需求量也越来越大。

智能充电器就在这种环境下应运而生。

锂离子电池也是可充电电池的一种。

锂离子电池自20世纪90年代上市以来，它以能量密度较高，使用寿命长的优势占领市场。

世界各大电池生产商为了在市场领域里取得优势，无不致力于开发具有能量密度高，小型化，薄型化，轻量化，安全性高，循环寿命长的高性能锂离子电池。

在人们日常工作和生活中，人们会用到各种各样的使用可充电电池的产品，各种充电器就应运而生。

从电动刮胡刀到mp4，从手机到平板电脑再到笔记本电脑和家用电器，所有用到这类电池的设备都会用到充电器。

这些充电器都有便携的特点，是人们外出旅游和出差比较愿意且必须携带的。

单片机在电池充电器领域有着广泛而且深远的应用，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，但严格意来讲，只有单片机参与处理和控制的充电器才能够被称为智能充电器。

1绪论

1．1智能充电器的设计背景

自从2010年起，安卓系统悄然兴起，诺基亚时代不复存在，随着手机智能化娱乐性的不断提高，手机的硬件配置与软件要求就越来越高，其中最为显著的是屏幕变得越来越大，主频越来越高，手机不仅仅用来打电话发短信，网络与多媒体功能越来越强大，甚至超过了最早的台式电脑，但同时这种高性能要求也显示出自己的一些弊端，首当其冲的就是电池不够用，诺基亚600mAh的电池可以用一个星期的事实在安卓时代已然成为一个神话，现在1500mAh的电池往往用不到一天，“用安卓的孩子都是好孩子，因为他们每天都要回家充电。

”这句话足以反映电池不够用的事实，这样无形中就会增加电池的充电次数，而电池的循环放电是有限度的，一些同学不注意充电的方式及次数，往往手机电池比较早的损坏，进而影响手机的正常使用。

这就对充电器有很高的要求，如果充电器能够细心的“呵护”我们的电池，可能电池就会长久的保持良好的充放电特性，比如说在你临睡前充上电池，到醒来至少要充个6到7小时，这时电池早已充满，如果继续供电则会导致电池过充，锂离子电池致命的缺点就是过度充放电，如果这样就会损害电池，进一步损害手机。

而如果有一种充电器可以检测电池是否充满并且可以在充满时帮我们自动断电岂不是很好。

这种充电器就是所谓的智能充电器，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。

1．2智能充电器总体设计方案

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具有以下功能：

（1）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指示和充电电流指示。

（2）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。

（3）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。

（4）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）。

再利用AT89C52单片机进行控制这些功能的实现，既维持了充电器的便携性，又保证了充电器的智能化。

1．3智能充电器的概念以及智能化的体现

1.3.1智能充电器的概念

（1）提供基本的电压电流，满足一般充电的需求。

（2）结合单片机可以控制整个充电过程，并且根据锂离子电池（最主要对象）的特性对于电池的不同状态智能采取不同方案充电。

（3）所设计的充电器必须保证安全与便携。

1.3.2智能化体现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。

本设计所设计的充电器迎合锂离子电池的特性可完成以下智能化功能。

（1）预充

安装好电池之后，直接接通直流电源，充电器会自动检测到电池，此时将定时器复位，进入电池预充过程，在此期间充电器给电池充电电流是标注充电流的十分之一，目的是让电池电压、温度恢复到正常状态。

预充时间由外接电容确定，如果在规定的时间内电池电压和电池温度都恢复正常，则转而进入快速过程；如果电池没有恢复正常状态，则认为电池损坏。

（2）恒流充电

恒流充电也叫快速充电，充电器以恒定的电流进行充电。

根据电池标注的充电速率，进行充电，电池需要一个小时左右的时间来充满。

在这个过程中，电池电压和温度上升，直到达到设定的标准电压，恒流充电结束，充电电流减小，进入下一阶段满充过程。

（3）恒压充电

恒压充电又叫做满充，此阶段充电电流慢慢减小，直到降到标准值以下或设定时间，进入涓流充电，此时充电器以极小的充电电流进行。

这是因为充电器在检测电池电压达到或者没达到终止电压时，充电电流通过电池内阻，串联电阻形成的压降对电池电压检测的有影响，恒压充电和涓流充电可以延长5%～10%的使用时间。

（4）断电

当电池充满后，MAX1898电源管理芯片的2引脚会发送的脉冲电平，被单片机检测到后就会引起单片机的中断，单片机判断出充电完毕。

接着单片机将通过P2.0口控制光耦，切断LM7805向MAX1898芯片的供电，既保证芯片和电池的安全，又减小功耗。

（5）报警

当电池充满后，MAX1898芯片本身会向外接的LED灯发出指令，LED灯会闪烁。

为了安全，单片机不仅会自动切断MAX1898芯片的供电，而且会控制蜂鸣器报警，提醒用户取出电池。

2AT89C52单片机

2.1AT89C52单片机简介

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），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，AT89C52单片机属于AT89C51单片机的增强型，与Intel公司的80C52在引脚排列、硬件组成、工作特点和指令系统等方面兼容。

无论从功能和系统兼容性方面均满足本系统的要求。

AT89C52单片机实物图如图2-1所示。

图2-1AT89C52单片机实物图

2.2AT89C52单片机特点

（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。

（9）2个读写中断口线，3级加密位。

（10）低功耗空闲和掉电模式，软件设置睡眠和唤醒功能。

（11）有PDIP、PQFP、TQFP及PLCC等几种封装形式，以适应不同产品的需求。

2.2.1单片机的通用特点单片机芯片作为本次设计的核心部件，不仅仅具备通用微机CPU的功能而且有灵活、强大的控制功能，它可以实时监测系统的输入量和控制系统，以便实现自动控制功能。

单片机通常工作环境比较恶劣，如高温、强电磁干扰，含有腐蚀性气体。

（1）单片机CPU抗干扰性强，工作温度范围因不同类别不同，按工作温度分类，有民用级工业级，军用级。

（2）单片机CPU可靠性高。

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。

2.3单片机应用范围

正因为单片机具有如上所述的特点，几乎所有领域都有单片机的身影。

军事上，导弹的导航装置，电路板，各种仪器仪表，计算机的网络通讯功能；工业上工业自动化过程；民用上广泛使用的各种智能IC卡，民用豪华轿车的安全保障系统，不论是录像机、摄像机、全自动洗衣机的控制，以还是玩具、电子宠物等，这些都有单片机的参与。

更不用说机器人、智能仪表、医疗器械机械了。

因此，单片机的学习、开发与应用有着深远并且长久的意义。

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管脚图如图2-2。

图2-2AT89C52管脚图

2.4AT89C52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）：

此端口是8位开环的双向I/O端口。

（4）P1端口（P1.0~P1.7）：

此端口与P0端口不同的是具有内部上拉电阻。

P1.0和P1.1管脚配置如表2-1所示。

表2-1P1.0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：

此端口也是一组具有内部上拉电阻的双向I/O端口。

。

（6）P3端口：

具有内部上拉电阻的双向I/O端口，并且还有许多系统功能如表2-2所示。

表2-2P3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：

复位输入，振荡器工作时，单片机在RST引脚出现两个机器周期以上高电平时复位。

（8）ALE/PROG管脚：

访问外部程序存储器或数据存储器时，ALE（地址锁存允许）输出脉冲用于锁存地址的低8位字节，单片机执行外部程序时，应设置ALE禁止位无效。

（9）/PSEN管脚：

程序储存允许（PSEN）输出是外部程序存储器的读选通信号，当AT89C52由外部程序存储器取指令（或数据）时，每个机器周期输出两个脉冲。

在此期间，当访问外部数据存储器，PSEN信号被跳过两次。

（10）XTAL1管脚：

振荡器反相放大器的及内部时钟发生器的输入端。

（11）XTAL2管脚：

振荡器反相放大器的输出端。

3锂离子电池介绍

3.1锂离子电池简介极其基本特性

（1）锂离子电池名称简介。

锂离子电池是由锂电池发展来的。

在认识锂离子电池之前，先来介绍一下锂电池。

以前照相机里用的扣式电池就属于锂电池。

锂电池的正极材料是碳材，负极材料是锂金属。

我们称这种电池为锂电池。

锂离子电池的正极材料是氧化钴锂，负极材料是碳材。

电池通过正极产生的锂离子在负极碳材中的嵌入与迁出来实现电池的充放电过程，与锂电池有所区别我们称之为锂离子电池。

（2）锂离子电池的广泛用途。

发展高科技的目的是为了使其更好的服务于人类。

锂离子电池在1990年被发明，卓越的性能使锂离子电池得到了迅猛发展，广泛地应用于社会。

锂离子电池以绝对优势迅速占领了广大市场，比如移动电话、平板电脑，笔记本电脑、摄像机等，许多国家将锂离子电池应用于军事用途。

（3）锂离子电池的主要构成。

●电池盖

●正极----活性物质为氧化钴锂

●隔膜----一种特殊的复合膜

●负极----活性物质为碳

●有机电解液

●电池壳

（4）锂离子电池的安全特性。

锂离子电池已非常广泛的应用于人们的日常生活中，所以它的安全性能绝对应该是锂离子电池的第一项考核指标。

对于锂离子电池安全性能的考核指标，国际上规定了非常严格的标准，一只合格的锂离子电池在安全性能上应该满足以下条件。

●短路：

不起火，不爆炸

●过充电：

不起火，不爆炸

●热箱试验：

不起火，不爆炸（150℃恒温10min）

●针剌：

不爆炸（用Ф3mm钉穿透电池）

●平板冲击：

不起火，不爆炸（10kg重物自1M高处砸向电池）

●焚烧：

不爆炸（煤气火焰烧）

（5）锂离子电池是一种新型绿色环保电池。

“爱护环境，保护地球”是我们每一个人义不容辞的责任。

如何把我们的环境理念在行动上反应出来呢？

作为电池消费者，应该购买、使用新型绿色环保电池；作为电池制造商，应该生产新型绿色环保电池。

只有经过大家的共同努力，才能创建、保护我们美丽和谐的自然环境。

新型绿色环保电池是指近年来已投入使用或正在研制开发的一类高性能、无污染的电池。

目前已经大量使用的锂离子电池、金属氢化物镍电池和正在推广使用的无汞碱性锌锰电池以及正在研制开发的锂或锂离子塑料电池、燃料电池、电化学贮能超级电容器都属于新型绿色环保电池的范畴。

此外，目前已广泛应用的利用太阳能进行光电转换的太阳电池（又称光伏发电），也属于这一范畴。

3.2锂离子电池的优越性能及工作原理介绍

我们经常说的锂离子电池的优越性是针对于传统的镍镉电池（Ni/Cd）和镍氢电池（Ni/MH）来讲的。

那么，锂离子电池究竟好在哪里呢？

●工作电压高。

锂离子电池的工作电压在3.6V，是镍镉和镍氢电池工作电压的三倍。

●比能量高。

锂离子电池比能量达140Wh／kg，是镍镉电池，镍氢电池无法比拟的。

●循环寿命长。

目前锂离子电池循环寿命已超过1000次。

●自放电小。

锂离子电池月自放电率仅为6％－8％，远低于镍镉电池和镍氢电池

●无记忆效应。

根据要求随时充电，而不会记忆电池充电状态。

●对环境无污染。

该电池中不存在有害物质，是名副其实的“绿色电池”。

镍镉、镍氢、锂离子电池性能的对比如表3-1所示。

表3-1镍镉、镍氢、锂离子电池性能的对比

参数

镍镉电池

镍氢电池

锂离子电池

工作电压（V）

1.2

1.2

3.6

重量比能量（Wh/Kg）

50

65

105-140

体积比能量（Wh/l）

150

200

300

充放电寿命（次）

500

500

1000

自放电率（%/月）

25-30

30-35

6-9

记忆效应

有

有

无

污染情况

有

无

无

①（注：

充电速率均为1C）

锂离子电池的工作原理。

大家都已知道，锂离子电池的正极材料是氧化钴锂，负极是碳。

锂离子电池的工作原理就是指其充放电原理。

当对电池进行充电时，电池的正极上释放出锂离子，生成的锂离子经过电解液到负极。

而作为负极的碳有很多微孔，到达负极的锂离子就嵌入到碳层的微孔中，嵌入的锂离子越多，容量越高。

同样道理，当对电池进行放电时，嵌在负极碳层中的锂离子脱出，又回到正极。

回到正极的锂离子越多，放电越多。

不难看出，在锂离子电池的充放电过程中，锂离子处于从正极到负极再到正极的反复运动状态。

4智能充电器硬件电路设计和软件设计

4.1其他芯片介绍

（1）MAX1898介绍

本产品采用锂离子电池充电器ICMAX1898，下面对MAX1898进行简单的介绍。

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。

其实物如图4-1所示。

图4-1MAX1898实物图

如何选择电池充电芯片以及MAX1898的特点

选择电池充电芯片时需要集合实际的应用，具体的选择标准有以下几点

●封装：

即芯片的大小，对于体积有要求的场合需要选择适合的封装

●电流大小：

充电的电流大小决定充电时间

●充电方式：

即是快充、慢充还是可以控制充电过程

●使用的电池类型：

不同的电池需要不同的充电器

MAX1898的特点

●4.5-12V输入电压范围

●内置检流电阻

●±0.75%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

●检流监视输出

MAX1898管脚定义及典型充电原理图

MAX1898的引脚功能说明如下，

●IN（1引脚）：

传感器输入，检测输入电压和电流

●CHG（2引脚）：

LED驱动器

●EN/OK（3引脚）：

逻辑电平输入允许/电源输入“好”

●ISET（4引脚）：

电流调节

●CT（5引脚）：

安全的充电时间设置

●RSTRT（6引脚）：

自动重新启动控制引脚

●BATT（7引脚）：

接单个Li+的正极

●GND（8引脚）：

接地

●DRV（9引脚）：

外接电阻驱动器

●CS（10引脚）：

电流传感器输入

MAX1898外接限流型充电电源和P沟道场效应管，单节锂离子电池就可以经过此设备充电。

它的最大特点是不使用电感的情况下也能够做到很低的功率耗散，可以实现预充电，有过压保护和温度保护多种保护功能，最长充电时间作为二次保护。

MAX1898的典型充电电路图4-2所示。

8

锂电池

输出

10

9

7

4

设置充电电流

充电时间选择

5

6

2

3

1

LED

C

OFF

电源输入

4.5V-12V

ON

图4-2MAX1898的典型充电电路

充电过程的启动很简单，只要把电池放进充电器就会被MAX1898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