基于单片机智能充电器的设计课程设计报告

1《单片机原理及应用》课程设计报告书课题名称基于单片机智能充电器的设计姓名学号专业指导教师机电与控制工程学院年月日2任务书一、设计题目：基于单片机智能充电器的设计二、设计要求：（1）在单片机的控制系，具有充电保护的功能。（2）能够自动断电和充电完成报警提示功能。（3）能够实现充电器的智能化控制。（4）能够方便快捷地答道正常充电的标准。3目录一、绪论…………………………………………………1二、程序系统流程图………………………………………8三、硬件设计………………………………………………9四、单片机选择……………………………………………17五、充电过程………………………………………………28六、总结……………………………………………………29七、附录……………………………………………………304一、绪论1.1概述如今，随着越来越多的手持式电器的出现，对高性能、小尺寸、重量轻的电池充电器的需求也越来越大。电池技术的持续进步也要求更复杂的充电算法以实现快速、安全的充电。因此需要对充电过程进行更精确的监控，以缩短充电时间、达到最大的电池容量，并防止电池损坏。与此同时，对充电电池的性能和工作寿命的要求也不断地提高。电池充电是通过逆向化学反应将能量存储到化学系统里实现的。由于使用的化学物质的不同，电池有自己的特性。设计充电器时要仔细了解这些特性以防止过度充电而损坏电。目前，市场上卖得最多的是旅行充电器，但是严格从充电电路上分析，只有很少部分充电器才能真正意义上被称为智能充电器，随着越来越多的手持式电器的出现，对高性能、小尺寸、轻重量的电池充电器的需求也越来越大。电池技术的持续进步也要求更复杂的充电算法以实现快速、安全地充电，因此，需要对充电过程进行更精确地监控(例如对充、放电电流、充电电压、温度等的监控)，以缩短充电时间，达到最大的电池容量，并防止电池损坏。因此，智能型充电电路通常包括了恒流／恒压控制环路、电池电压监测电路、电池温度检测电路、外部显示电路(LED或LCD显示)等基本单元。其框图如下：561.2常见充电电池特性及充电方式电池充电是通过逆向化学反应将能量存储到化学系统里实现的，由于使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。电池的安全充电：现代的快速充电器(即电池可以在小于3个小时的时间里充满电，通常是一个小时)需要能够对单元电压、充电电流和电池温度进行精确地测量，在充满电的同时避免由于过充电造成的损坏。充电方法：SLA电池和锂电池的充电方法为恒定电压法要限流；NiCd电池和NiMH电池的充电方法为恒定电流法，且具有几个不同的停止充电的判断方法。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，则充电电流为1C(1倍的电池容量)。若涓流充电时电流为C/40，则充电电流即为电池容量除以40。过热：电池充电是将电能传输到电池的过程。能量以化学反应的方式保存了下来。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，若继续充电，则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，若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非常重要的。7二、系统程序流程图本充电器主要包括单片机控制、MAX1898主电路控制，单片机由AT89S52控制工作在12时钟，外接蜂鸣器。由单片机控制发出警报声单片机的P2.0脚输出控制光耦器件，在在需要时可以及时关断充电电源。单片机中断0由充电芯片MAX1898的充电状态输出信号/CHG经过反相后触发。MAX1898是电路的主控制部分，当MAX1898芯片的2引脚/CHG发送的脉冲电平由低变高，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停止MAX1898的供电，从而保证芯片和电池的安全，同时也减小功耗。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。本系统的程序流程图如下所示89三、硬件设计硬件设计主要是根据电路设计要求选择主要电路控制芯片和单片机以及电路所需的元器件并且简单介绍其作用。一个智能化程度较高的充电器，应能在电池充电过程中准确的检测电池的状态，并能在控制过程中及时的作出反应，这就需要完善的硬件设施。根据蓄电池快速充电技术的各项指标和设计原则，分析智能充电器硬件电路的工作原理，计算智能充电器所需的主要参数，选择各部分所需的元器件，并对硬件电路的各部分电路进行详细的设计。3.1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。在选择具体的电池充电芯片时，需要参考以下标准。（1）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。（2）电池数目：可充电池的数目。（3）电流值：充电电流的大小决定了充电时间。（4）充电方式：是快充、慢充还是可控充电过程。10我们实现的是手机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保护能力，据此选择Maxim公司的MAX1898作为电池充电芯片。MAX1898配合外部PNP或PMOS晶体管可以组成完整的单节锂电池充电器。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电池使用寿命。充电电流可由用户设定，采用内部检流，无须外部检流电阻。MAX1898提供了充电状态的输出指示、输入电源是否与充电器的连接的输出指示和充电电流指示。MAX1898还具有其他一些功能，包括输入关断控制、可选的充电周期重启（无须重新上电）、可选的充电终止安全定时器和过放电电池的低电流预充。113．2MAX1898的特性MAX1898的关键特性如下。（1）简单、安全的线性充电方式。（2）使用低成本的PNP或PMOS调整元件。（3）输入电压：4.5～12V。（4）内置检流电阻。（5）±0.75%电压精度。（6）可编程充电电流。（7）输入电源自动检测。（8）LED充电状态指示。（9）可编程安全定时器。（10）检流监视输出。（11）可选/可调节自动重启。（12）小尺寸μMAX封装。充电芯片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、定时器、温度检测器和主控制器。123.3MAX1898的典型充电电路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时，通过降低充电电流从而控制输入电流。因为系统工作时电源电流的变化范围较大，如果充电器没有输入电流检测功能，则输入电源必须能够提供最大负载电流与最大充电电流之和，这将使电源的成本增高、体积增大，而利用输入限流功能则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。MAX1898的典型充电电路如图所示。13RISETFSTCHG1400＝电路具体说明如下。（1）输入电压范围为4.5～12V。锂电池要求的充电方式是恒流恒压方式，电源的输入需要采用恒流恒压源，一般可采用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来设置充电时间tCHG。这里的充电时间指的是快充时的最大充电时间，它和定时电容CcT的关系如下式所示。CCT＝34.33×tCHG式中，tCHG的单位为小时，CcT的单位为nF。大多数情况下，快充时最大充电时间不超过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，关系如下式所示式中，RSET的单位为Ω，IFSTCHG的单位为nF。14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过程。平均的脉冲充电电流低于设置的快充电流的20%，或者充电时间超出片上预置的最大充电时间时，充电周期结束。MAX1989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，具体的闪烁含义如表1所示。表1MAX1898典型充电电路的LED指示状态说明MAX1898的引脚图如下图3所示：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153.4MAX1898引脚功能介绍图3MAX1898引脚图其引脚功能如下：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，可以通过输入禁止芯片工作；OK为输出脚，用于指示输入电源是否与充电器连接。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。接一个时间电容来设置充电时间，电容为100mF时，几乎为3个小时，此引脚直接接地将禁用此功能。RSTRT(6脚）：自动重新启动控制引脚。当此引脚直接接地时，16如果电池电压掉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。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。17四、单片机的选择单片机选择AT89S52，89S52是INTEL公司MCS-52系列单片机中基本的产品，它采用INTEL公司可靠的CHMOS工艺技术制造的高性能8位单片机，属于标准的MCS-52的HCMOS产品。它结合了HMOS的高速和高密度技术及CHMOS的低功耗特征，它基于标准的MCS-51单片机体系结构和指令系统，属于80C51增强型单片机版本，集成了时钟输出和向上或向下计数器等更多的功能，适合于类似马达控制等应用场合。80C52内置8位中央处理单元、256字节内部数据存储器RAM、8k片内程序存储器（ROM）32个双向输入/输出(I/O)口、3个16位定时/计数器和5个两级中断结构，一个全双工串行通信口，片内时钟振荡电路。此外，89C52还可工作于低功耗模式，可通过两种软件选择空闲和掉电模式。在空闲模式下冻结CPU而RAM定时器、串行口和中断系统维持其功能。掉电模式下，保存RAM数据，时钟振荡停止，同时停止芯片内其它功能。89C52有PDIP(40pin)和PLCC(44pin)两种封装形式。184.1主要特点·标准MCS-52内核和指令系统·片内8kROM(可扩充64kB外部存储器)·32个双向I/O口·256x8bit内部RAM(可扩充64kB外部存储器)·3个16位可编程定时/计数器·时钟频率3.5-12/24/33MHz·向上或向下定时计数器·改进型快速编程脉冲算法·6个中断源·5.0V工作电压·全双工串行通信口·布尔处理器—帧错误侦测·4层优先级中断结构—自动地址识别·兼容TTL和CMOS逻辑电平·空闲和掉电节省模式·PDIP(40)和PLCC(44)封装形式194.2震荡起特性外接石英晶体或者陶瓷谐振器以及电容C1、C2接在放大器的反馈回路（AT89C52内部有一个用于构成内部振荡器的高增益反相放大电路，XTAL1、XTAL2分别是该放大器的输入和输出端）中构成并联振荡电路。为了使装置能够被外部时钟信号激活，XATL1应该有效，而XTAL2应该被悬空。由于输入到内部的时钟信号电路通过了一个二分频的信号，外部信号的工作周期比没有别的要求，但是最大值和最小值的大小可以在数据表上观察出来。当正常工作时，外部振荡器可以计算出XTAL1上的电容，最大可达到100pF。这是由于振荡器电容和反馈电容之间的相互作用。当外部信号是标准高电平或者低电平时，电容不会超过20pF.。204.3结构特点1、补高性能金属氧