基于单片机的智能手机充电器的设计-王涛

332014.19理论与算法基于单片机的智能手机充电器的设计王涛,屈高龙,殷蘖均,汪楚,杨富琴(华东理工大学信息学院信息工程2011级，200237)摘要：随着手机技术的持续快速发展，如何对智能手机电池进行安全有效地充电，已经成为了一个重要的课题。单片机技术在工业控制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。本设计主要根据手机充电器现状，在传统的手机充电器基础上，使用AT89C58单片机来实现手机锂电池充电器方面的应用，充电控制部分由MAX1898芯片完成。该充电器能够实现电池的预充、快充、定时充电、充电需时提醒、充电后自动断电、充满提醒、LED灯提示、电路安全保护、温度控制、应急发电等功能。关键词：智能充电器;单片机控制;MAX1898;太阳能;机械充电ThedesignofthesmartphonechargerbasedonMCUWangTao,QuGaolong,YinNiejun,WangChu，YangFuqin(InformationInstitute,EastChinaUniversityofTechnology,InformationEngineering2011，200237)Abstract：Withtherapiddevelopmentofmobiletechnology,howtobesafeandeffectiveforsmartphonebatterycharging,hasbecomeanimportantissue.SCMtechnologyhasawidefieldofindustrialcontrolapplications.theabilitytocontroltheuseofitsprocessingcanachieveintelligentcharger.Thedesignismainlybasedonthestatusquoofmobilephonechargerandcellphonechargerinthetraditional,toimplementapplicationsusingmobilephonebatterychargeraspectsbasedonAT89C58microcontroller,thechargecontrolbytheMAX1898chip.Thebatterychargerisabletoachieveapre-charge,fastcharging,regularcharging,remindersforcharging,automaticpower-offandalertaftercharging,tipsofLEDlights,safetycircuitprotection,controlfortemperature,emergencypowerandotherfunctions.Keywords：smartcharger;MCUcontrol;MAX1898;olarenergy;mechanicalcharge0引言在现代社会中，手机在人们的日常生活工作中担当者越来越重要的角色，人们可以利用手机聊天，通信，炒股，观看视频等等，手机在极大地丰富人们生活的同时，也给人们带来困扰。如果手机不能正常的使用，那将对个人的工作、生活造成巨大的影响，甚至造成经济损失。一般情况下，手机能够得到充足的电源供应，但是外出时由于手机电池电量有限，同时因为不能快速的找到充电的场所，是造成手机无法使用的最常见原因。而且在日常生活中，人们的生活节奏越来越快，而目前手机充电的电池使用时间普遍不是很长，大部分人面临一日一充的困境，这就容易造成手机充电很难做到用尽充足的原则，给手机电池的寿命带来损害。另外，市场上的手机充电产品良莠不齐，一些产品在额定电容，放电性能，安全性保护性能方面存在质量问题，这些质量问题会影响到手机的正常使用，还会影响手机的使用寿命，严重时还可能给消费者带来人身伤害。基于这样的情况，本文提出了一种结合51单片机和智能充电芯片MAX1898的充电器软硬件设计方案，充分利用单片机的控制能力，对手机进行智能化的充电，同时赋予应急充电方案，在能够圆满完成充电任务的同时，又可以最大限度地去保护电池的寿命，方便人们的生活。1课题简介该充电器主要由单片机控制电路、液晶显示电路、手机充放电电路、机械发电装置、太阳能发电电路和电源电路等组成。其功能：①预充功能②充电保护功能③自动断电功能④充电完成提示功能。充电器原理框图如图1-1所示。图1-1基于单片机的手机充电控制框图2研究方法与课题设计2014-10-1417:18理论与算法该设计中单片机控制模块需要提供5V电压，手机充电电压为4.2V，整个充电过程分为四个过程：A.预充电。如果充电开始电池板电压低于2.5V，则进行预充电过程，充电电流一般是快速充电电流的10%，直至充电达到2.5V，预充电过程结束。B.恒流充电。预充电结束后即开始恒流充电，期间电池电压不断上升。C.恒压充电。当电池上升到4.1V后转入恒压充电，期间充电电流不断减小。D.充电结束。当充电设置的时间达到或者此时充电电流小于快速充电电流的20%，则表示充电结束。有时会在延迟一段时间结束充电。2.1手机充放电充电控制电路的核心器件是MAX1898EUB42，其充电状态输出引脚/CHG与单片机INT0相连，从而触发外部中断。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，MAX1898最大的特点就是可以在不使用电感的情况下仍能保持很低的功率耗散，可以实现预充电的功能，具有过压保护和温度保护功能以及为锂电池提供安全保护的功能。MAX1898芯片不仅能限制总输入电流，还可以通过外接电容和电阻来设定快速充电时间和最大充电电流。充电时间和定时电容C（nF）的关系满足：（2-1-1）最大充电电流Imax和限流电阻rset的关系式满足：（2-1-2）系统充电控制电路原理图如图2-1所示。所用芯片MX1898引脚功能如下：MAX1898充放电电路的LED指示灯状态说明，如表2-2所示。表2.2LED灯指示说明本设计还提供了放电电路，虽然锂电池没有记忆功能，但最好隔一段时间即应当进行充放电维护，即充满放尽，更好的维护电池，放电电路如图2-2所示。图2-2手机电池放电电路充电实物如图2-3。图2-3手机电池放电实物图2.2单片机控制电路2.2.1单片机控制电路单片机控制电路主要由电源、A/D转换、CPU、I/O扩展、显图2-1手机充电电路图表2.1MAX1898引脚定义352014.19理论与算法示单元模块等构成。单片机芯片选择的是89c58。2.2.2电源模块电源模块为5V电源，需要进行全波整流，具体原理为系统采用220V交流电对系统直接供电，先使用交流变压器将220V的交流电转换为12V的交流电，通过桥式整流电路进行整流后，接一只1000μF/25V的电解电容和一个104的陶瓷电容，再将经过滤波后的输出直接接到7805集成稳压电路，为系统提供+5V的电源。供电电源电路原理图如图2-4所示。图2-4整流电路图2.2.3单片机信号采集处理模块该模块主要由A/D转换模块、AT89C58和液晶显示等模块构成。AD转换模块原理说明：TLC1543A/D转换模块的电路原理如图2-5所示。TLC1543的三个控制输入端CS、I/OCLOCK、ADDRESS和一个数据输入端DATAOUT遵循串行外设接口SPI协议，要求微处理器具有SPI接口。由于试验仪的STC89C58RD+单片机没有SPI接口，需通过软件模拟SPI协议以便和TLC1543接口。芯片的三个输入端和一个输出端与单片机的I/O可直接连接。软件设计中，程序编写应注意TLC1543通道地址必须为写入字节的高四位，而CPU读入的数据是芯片上次A/D转换完成的数据。试验箱采用TL431提供基准电压，TL431是三端可调电压基准芯片，具有很好的精度，输出噪声小，温度稳定性也很好，输出电压为：(2-2-1)根据实验需求，对其进行了修改，TL431提供基准电压原理图2-6所示。图2-6基准电压调整电路TLC1543SPI接口软件设计流程如图2-7所示。图2-7SPI设计流程图2-9机械发电概念图图2-8单片机采集电路图2-5A/D采集电路362014.19理论与算法AT89C58单片机通过片选信号选通8155芯片，然后将传输的数据通过D0~D7送8155芯片，8155芯片把输入的地址进行译码并通过PA、PB、PC口输出。（I0/M端接单片机的P2.0脚，CE端接单片机的P3.1脚）信号采集来自充电模块的MX1898芯片的2、3引脚CHG、EN/OK引脚，加到A/D转换模块输入端，A/D转换后经DATAOUT进入单片机芯片AT89C58进行处理，送至液晶延时模块进行显示。2.3机械发电使用手动发电，经电路进行变化后给充电系统供电。一般情况下，手机都能及时拥有足够的电量，但是偶尔也会有找不到充电插座的尴尬，如果此时有急事要处理，往往是不方便的，因此该充电器具有机械发电的功能，在紧急情况下，能通过手摇的方式给手机电池进行充电。机械发电部分整机采用ABS工程塑料注塑而成，通过手把转动，齿轮转动，使小型发电机发电，空载时输出电压：6.3V，输出电流0.2A，经过适当的改造接入电路，为电池进行充电。2.4太阳能发电使用太阳能电池板，经电路进行直流电压变换后给充电系统供电。众所周知，太阳能是为数不多的清洁能源之一，合理的利用太阳能不仅是对资源的合理利用也是对环境保护的具体体现。目前太阳能电池的发展取得了长足的进步，但是在手机充电方面太阳能还没能得到很好的开发，所以，本设计增加了能够利用太阳能转换成电能对手机电池进行充电的充电器。对于室外活动者在享受阳光的同时能够为自己的手机充电，对于商旅人士或者户外活动者在没有插座充电的情况下能应急。由于单片机控制电路功耗较大，在紧急供电情况下，此模块可以单独给手机供电。基本原理图如2-10。图2-10太阳能电池充电模型太阳能电池在使用时由于太阳光的变化较大，其内阻又比较高，因此输出电压不稳定，输出电流也小，这就需要用一个直流变换电路变换电压后供手机电池充电，再通过单片机控制电路为手机充电。把太阳能输出端接到充电模块的输入端即可完成紧急充电。3实验调试及结果3.1编程工具及部分程序，其C编译工具在产生代码的准确性的效率方面达到了较高水平，对C语言的编译支持几乎达到了完美的程度，作为项目开发时尤为理想。为实现对手机充电的控制，利用工具进行编程，项目主要程序由AD转换模块，显示模块组成，主要介绍如下：3.1.1主程序：#includeINIF.h#includelcd1602.huintread1543(ucharport);ucharxdataad_result[16]={0};//AD转换结果ucharbbb1[]={insertbattery};ucharbbb2[]={charging};floatJiZhun_AD=5.0;3.1.2部分接口定义：#defineCLOCKP2_4#defineD_INP2_3#defineD_OUTP2_5#define_CSP2_7#definechgP1_0#defineokP1_4#definersP1_5#definerwP1_6#defineenP1_73.1.3ADfor(i=0;i2;i++)//取D9,D8{D_OUT=1;CLOCK=1;ah=1;if(D_OUT)ah+=0x01;CLOCK=0;}for(i=0;i8;i++)//取D7--D0{D_OUT=1;CLOCK=1;al=1;if(D_OUT)al+=0x01;CLOCK=0;}3.1.4显示的一些函数voiddelay(unsignedc