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1、目錄 摘 要 3 第一章 課題的意義 4 1.1 單片機實現(xiàn)充電器功能的意義 4 第二章 設(shè)計思路分析 5 2.1設(shè)計的功能模塊 5 2.2電池充電芯片的選擇 5 2.2.1如何選擇電池充電芯片 5 2.2.2芯片MAX1898的特點 5 2.2.3 MAX1898的充電工作原理 6 第三章 硬件電路設(shè)計 9 3.1 主要器件 9 3.2電路原理圖及說明 10 第四章 軟件設(shè)計 14 4.1程序流程 14 4.2程序設(shè)計 16 總結(jié)與展望 18 參考文獻 19 附錄：手機電池充電器工作原理圖 21 摘 要 本文設(shè)

2、計的充電器主要是面向手機鋰電池進行充電的智能充電器。所謂智能充電器是指能根據(jù)用戶的需要自主選擇充電方式，并且在充電過程中能對被充電電池進行保護從而防止過電壓、電流和溫度過高的一種智能化充電器。在設(shè)計上我們選擇了簡潔、高效的硬件，設(shè)計穩(wěn)定可靠的軟件，詳細介紹了系統(tǒng)的硬件組成，包括單片機電路、充電控制電路、電壓轉(zhuǎn)換及光耦隔離電路，并對本充電器的核心器件—MAX1898充電芯片進行了較詳細的介紹。闡述了系統(tǒng)的軟件設(shè)計，以C語言為開發(fā)工具，進行了詳細設(shè)計和編碼。總體目標是實現(xiàn)系統(tǒng)的可靠性、穩(wěn)定性、安全性和經(jīng)濟性。 　　 關(guān)鍵詞：充電器；單片機；6N137；MAX1898

3、 第一章 課題的意義 1.1 單片機實現(xiàn)充電器功能的意義 由于充電器多采用大電流的快速充電法，在電池充滿后如果不及時停止會使電池發(fā)燙，過度的充電會嚴重損害電池的壽命。一些低成本的充電器采用電壓比較法，為了防止過充，一般充電到90%就停止大電流快充，而采用小電流涓流補充充電。 手機電池的使用壽命和單次使用時間與充電過程密切相關(guān)。鋰電池是手機最為常用的一種電池，它具有較高的能量重量比、能量體積比，具有記憶效應(yīng)，可重復充電多次，使用壽命較長，價格也越來越低。鋰電池對于充電器的要求比較苛刻，需要保護電路。為了有效利用電池容量，需將鋰電池充電至最大電壓，

4、但是過壓充電會造成電池損壞，這就要求較高的控制精度。 因而這就要求設(shè)計出比較科學的充電器，較好的方法是采用專用充電控制芯片配合單片機控制的方式。專用的充電芯片具有業(yè)界公認較好的-△v檢測，可以檢測出電池充電飽和時發(fā)出的電壓變化信號，比較精確地結(jié)束充電工作，通過單片機對這些芯片的控制，可以實現(xiàn)充電過程的智能化。而充電器的智能化可以縮短充電的時間，同時能夠維護電池，延長電池使用壽命。 第二章 設(shè)計思路分析 2.1設(shè)計的功能模塊 1. 單片機模塊：實現(xiàn)充電器的智能化控制，比如自動斷電、充電完成報警提示等。 2. 充電過程控

5、制模塊：采用專用的電池充電芯片實現(xiàn)對充電過程的控制。 3. 充電電壓提供模塊：采用電壓轉(zhuǎn)換芯片將外部+1 2V電壓轉(zhuǎn)換為需要的+5V電壓。該電壓在送給充電控制模塊之前還需經(jīng)過一個光耦模塊。 4. C51程序：單片機控制電池充電芯片實現(xiàn)充電過程的自動化，并根據(jù)充電的狀態(tài)給出有關(guān)的輸出指示。 2.2電池充電芯片的選擇 2.2.1如何選擇電池充電芯片 目前市場上存在大量的電池充電芯片，它們可直接用于進行充電器的設(shè)計。在選擇具體的電池充電芯片時，需要參考以下標準。 電池類型：不同的電池(鋰電池、鎳氫電池、鎳鎘電池等)需選擇不同的充電芯片。 電池數(shù)目：可充電池的數(shù)目。 電流值：充電電流的

6、大小決定了充電時間。 充電方式：是快充、慢充還是可控充電過程。 本設(shè)計要實現(xiàn)的是手機的單節(jié)鋰離子電池充電器，要求充電快速且具有優(yōu)良的電池保護能力，據(jù)此選擇Maxim公司的MAXl898作為電池充電芯片。 2.2.2芯片MAX1898的特點 MAXl898配合外部PNP或PMOS晶體管可以組成完整的單節(jié)鋰電池充電器。 MAXl898提供精確的恒流／恒壓充電，電池電壓調(diào)節(jié)精度為0.75％，提高了電池性能并延長了電池使用壽命。充電電流可由用戶設(shè)定，采用內(nèi)部檢流，無須外部檢流電阻。MAXl898提供了充電狀態(tài)的輸出指示、輸入電源是否與充電器連接的輸出指示和充電電流指示。MAXl898還具有其

7、他一些功能，包括輸入關(guān)斷控制、可選的充電周期重啟(無須重新上電)、可選的充電終止安全定時器和過放電電池的低電流預(yù)充。 MAXl898的關(guān)鍵特性如下。 簡單、安全的線性充電方式。 使用低成本的PNP或PMOS調(diào)整元件。 輸入電壓：4.5～12V。 內(nèi)置檢流電阻。 0.75％電壓精度。 可編程充電電流。 輸入電源自動檢測。 LED充電狀態(tài)指示。 可編程安全定時器。 檢流監(jiān)視輸出。 可選／可調(diào)節(jié)自動重啟。 小尺寸uMAX封裝。 2.2.3 MAX1898的充電工作原理 充電芯片MAXl898的內(nèi)部電路包括輸入電流調(diào)節(jié)器、電壓檢測器、充電電流檢測器、定時器、溫度檢測器和主

8、控制器。輸入電流調(diào)節(jié)器用于限制電源的總輸入電流，包括系統(tǒng)負載電流與充電電流。當檢測到輸入電流大于設(shè)定的門限電流時，通過降低充電電流從而控制輸入電流。因為系統(tǒng)工作時電源電流的變化范圍較大，如果充電器沒有輸入電流檢測功能，則輸入電源必須能夠提供最大負載電流與最大充電電流之和，這將使電源的成本增高、體積增大，而利用輸入限流功能則能夠降低充電器對直流電源的要求，同時也簡化了輸入電源的設(shè)計。 MAXl898外接限流型充電電源和P溝道場效應(yīng)管，可以對單節(jié)鋰電池進行安全有效的快充，其最大特點是：在不使用電感的情況下，仍能做到很低的功率耗散，可以實現(xiàn)預(yù)充電，具有過壓保護和溫度保護功能，最長充電時問的限制可為鋰

9、電池提供二次保護。MAX1898的浮動方式能夠使電池容量充至最大。 圖1充電芯片MAXl898的內(nèi)部電路 當充電電源和電池在正常的工作溫度范圍內(nèi)時，插入電池將啟動一次充電過程；充電結(jié)束的條件是平均的脈沖充電電流達到快充電流的1％，或時間超出片上預(yù)置的充電時間。 MAXl898能夠自動檢測充電電源，沒有電源時自動關(guān)斷以減少電池的漏電。啟動快充后打開外接的P型場效應(yīng)管，當檢測到電池電壓達到設(shè)定的門限時進入脈沖充電方式，P型場效應(yīng)管打開的時間會越來越短。充電結(jié)束時，指示燈將會按12%的周期閃爍，所示電路具體說明如下。

10、 (1)輸入電壓范圍為4.5～12v。鋰電池要求的充電方式是恒流恒壓方式，電源的輸入需要采用恒流恒壓源，一般可采用直流電源外加變壓器。 (2)通過外接的場效應(yīng)管提供鋰電池的充電接口。 (3)通過外接的電容CCT來設(shè)置充電時間TCHG。這里的充電時間指的是快充時的最大充電時間，它和定時電容CCT的關(guān)系如下式所示。 CCT=34.33TCHG 式中，TCHG的單位為H小時，CCT的單位為nF。 大多數(shù)情況下，快充時最大充電時問不超過3小時，因此常取CCT為100nF。 (4)在限制電流的模式下，通過外接的電阻RSET來設(shè)置最大充電電流IFSTCHG

11、，關(guān)系如下式所示：1fstchg=1400/Rset式中，RSEI-的單位為Q，IFSTCHG的單位為A。 當充電電源和電池在正常的工作溫度范圍內(nèi)時，插入電池將啟動一次充電過程。平均的脈沖充電電流低于設(shè)置的快充電流的20％，或者充電時間超出片上預(yù)置的最大充電時問時，充電周期結(jié)束。MAXl898能夠自動檢測充電電源，沒有電源時自動關(guān)斷以減少電池的漏電。啟動快充后，打開外接的P型場效應(yīng)管，當檢測到電池電壓達到設(shè)定的門限時進入脈沖充電方式，P型場效應(yīng)管打開的時JI間會越來越短。充電結(jié)束時，LED指示燈將會呈現(xiàn)周期性的閃爍，具體的閃爍含義如表1所示。 充電狀態(tài) LED指示燈 電池或充電器沒有安

12、裝 滅 預(yù)充或快充 亮 充電結(jié)束 滅 表1 MAX1898典型充電電路的LED指示燈狀態(tài)說明 第三章 硬件電路設(shè)計 硬件電路設(shè)計主要圍繞充電芯片MAXl898展開，而單片機控制部分的電路簡單。 3.1 主要器件 本設(shè)計的核心器件是MAXl898。MAXl898可對所有化學類型的Li+電池進行安全充電，它具有高集成度，在小尺寸內(nèi)集成了更多功能，盡可能多地覆蓋了基本應(yīng)用電路，只需要少數(shù)外部元件。AXl898為10引腳、超薄型的MAX封裝，其

13、引腳分布如圖2所示 圖2 MAX1898引腳分布 其引腳功能如下： IN(1腳)：傳感輸入，檢測輸入的電壓或電流； CHG(2腳)：充電狀態(tài)指示腳，同時驅(qū)動LED； EN／OK(3腳)：使能輸入腳／輸入電源“好”輸出指示腳。EN為輸入腳，可以通過輸入禁止芯片工作；OK為輸出腳，用于指示輸入電源是否與充電器連接； ISET(4腳)：充電電流調(diào)節(jié)引腳。通過串接一個電阻到地來設(shè)置最大充電電流； CT(5腳)：安全充電時間設(shè)置引腳。接一個時間電容來設(shè)置充電時間，電容為100nF時，幾乎為

14、3個小時，此引腳直接接地將禁用此功能； RSTRT(6腳)：自動重新啟動控制引腳。當此引腳直接接地時，如果電池電壓掉至基準電壓閾值以下200mV，將會重新開始一輪充電周期。此引腳通過電阻接地時，可以降低它的電壓閾值。此引腳懸空或者CT引腳接地(充電時間設(shè)置功能禁用)時，自動重新啟動功能被禁用； BATT(7腳)：電池傳感輸入腳，接單個Li+電池的正極。此引腳需旁接一個大電解電容到地； GND(8腳)：接地端； DRV(9腳)：外部晶體管驅(qū)動器，接晶體管的基極； CS(10腳)：電流傳感輸入，接晶體管的發(fā)射極。 本設(shè)計的單片機芯片選用Atmel公司的AT89C52，它完全可以滿足要求

15、。 另外，由于充電器外部為+12V供電，因此需要通過電壓轉(zhuǎn)換芯片將+12V電壓轉(zhuǎn)換為+5V電壓，這里選用三端電壓轉(zhuǎn)換芯片LM7805來完成此功能。 為了降低電源干擾，保持電路的穩(wěn)定，在LM7805完成電壓轉(zhuǎn)換，將+5v充電電源送給MAXl898之前，先經(jīng)過一次光耦模塊6N137的處理，通過單片機對光耦模塊的控制，可以及時關(guān)斷充電電源。6N137的引腳分布如圖3所示。 圖3 6N137引腳分布圖 其引腳功能如下 NC(1腳、4腳)：懸空； +(2腳)、-(3腳)：發(fā)光二極管的正、負極； GND(5腳)：接地端； OUTPUT(6腳)：輸出腳； EN(7腳)：使能腳。為低時

16、，無論有無輸入，輸出都為高。不使用時，懸空即可； VCC(8腳)：電源輸入腳。 3.2電路原理圖及說明 硬件電路由單片機電路、電壓轉(zhuǎn)換及光耦隔離電路、充電控制電路3部分組成。單片機部分的電路原理圖如下圖4所示。 圖圖4單片機最小系統(tǒng) 圖中，單片機為AT89C52，工作在11．0592MHz時鐘；BUZZER為蜂鳴器，蜂鳴器由單片機的P2．1腳控制發(fā)出報警聲提示；單片機的P2．O腳輸出控制光耦器件，在需要的時候可以及時關(guān)斷充電電源；單片機的外部中斷O由充電芯片MAXl898的充電狀態(tài)輸出信號／CHG經(jīng)過反相后觸發(fā)。 下圖5所示的為電壓轉(zhuǎn)換及光耦隔離部分電路的原理圖。 圖5

17、 電壓轉(zhuǎn)換及光耦隔離電路 U3為輸出+5V的電壓轉(zhuǎn)換芯片M7805，它將12V的輸入電壓轉(zhuǎn)換為固定的5v輸出；u4為光耦隔離芯片6N137，其輸入為LM7805產(chǎn)生的5V電壓，輸出為經(jīng)過隔離的5V電壓，U4的2腳和單片機的P2．0相連，由單片機控制適時地關(guān)閉充電電源。 充電控制部分電路如圖6所示。 圖6 充電控制電路 其核心器件為充電芯片MAXl898，其充電狀態(tài)輸出引腳／CHG經(jīng)過。74LS04反相后與單片機INT0相連，觸發(fā)外部中斷。LED_R為紅色發(fā)光二極管，紅燈表示電源接通；LED—G為綠色發(fā)光二極管，綠燈表示處于充電狀態(tài)。Q1為P溝道的場效應(yīng)管，由MAxl898提供驅(qū)動。圖中

18、，R4為設(shè)置充電電流的電阻，阻值為2.8kQ，設(shè)置最大充電電流為500mA，C11為設(shè)置充電 時間的電容，容值為100nf，設(shè)置最大充電時間為3小時。在MAXl898和外部單片機的共同作用下，實現(xiàn)了如下的充電過程。 1. 預(yù)充 在安裝好電池之后，接通輸入直流電源，當充電器檢測到電池時將定時器復位，從而進入預(yù)充過程，在此期間充電器以快充電流的10％給電池充電，使電池電壓、溫度恢復到正常狀態(tài)。預(yù)充時間由外接電容CcT確定(100nF時為45分鐘)，如果在預(yù)充時間內(nèi)電池電壓達到2.5V，且電池溫度正常，則充電進入快充過程；如果超過預(yù)充時間后，電池電壓仍低于2.5V，則認為電池不

19、可充電，充電器顯示電池故障，LED指示燈閃爍。 2. 快充 快充過程也稱為恒流充電，此時充電器以恒定電流對電池充電。恒流充電時，電池電壓緩慢上升，一旦電池電壓達到所設(shè)定的終止電壓，恒流充電終止，充電電流快速遞減，充電進入滿充過程。 3. 滿充 在滿充過程中，充電電流逐漸衰減，直到充電速率降到設(shè)置值以下，或滿充時間超時，轉(zhuǎn)入頂端截止充電。頂端截止充電時，充電器以極小的充電電流為電池補充能量。由于充電器在檢測電池電壓是否達到終止電壓時有充電電流通過電池內(nèi)阻，盡管在滿充和頂端截止充電過程中充電電流逐漸下降，減小了電池內(nèi)阻和其他串聯(lián)電阻對電池端電壓的影響，但串聯(lián)在充電回路中的電阻形成的壓降仍然

20、對電池終止電壓的檢測有影響。一般情況下，滿充和頂端截止充電可以延長電池5％～10％的使用時間。 4. 斷電 當電池充滿后，MAXl898芯片的2號管腳發(fā)送的脈沖電平會由低變高，這將會被單片機檢測到，引起單片機的中斷，在中斷中，如果判斷出充電完畢，則單片機將通過P2.0口控制光耦6N137，切斷LM7805向MAXl898的供電，從而保證芯片和電池的安全，同時也減小功耗。 5. 報警 當電池充滿后，MAXl898芯片本身會熄滅外接的LED綠燈。但是，為了安全起見，單片機在檢測到充滿狀態(tài)的脈沖后，不僅會自動切斷MAXl898芯片的供電，而且會通過蜂鳴器報警，提醒用戶及時取出電池。當充電出錯

21、時，MAXl898芯片本身會控制LED綠燈以1．5Hz左右的頻率閃爍，此時不要切斷芯片的供電，要讓用戶一直看到此提示。 充電器的充電過程主要由MAXl898控制，而單片機芯片主要是對電池起保護作用。本課題的軟件設(shè)計較為簡單，其主要功能如下。 當MAXl898完成充電時，其／CHG引腳會產(chǎn)生由低到高的跳變，該跳變引起單片機的INTO中斷。／CHG輸出為高存在3種情況：一是電池不在位或無充電輸入，二是充電完畢，三是充電出錯(此時，實際上／CHG會以1．5Hz頻率反復跳變)。顯然前兩種情況單片機都可以直接控制光耦切斷充電電源，所以，程序中只要區(qū)別對待第3種充電出錯的情況即可。因此，在此中斷中，如

22、果判斷出不是充電出錯，則控制P2.0腳切斷電源，控制P2.1腳啟動蜂鳴器報警。 第四章 軟件設(shè)計 4.1程序流程 單片機控制智能充電器工作的程序流程如圖7所示： 初始化 While(1) Int0 count為0 啟動定時器D t_count=0 Int0_count++ 返回 關(guān)閉T0計數(shù)重設(shè)主數(shù)初值 Int0_count++ t_count>6 Int0 count為1 充電完畢，蜂鳴器報警，切斷充電電源 關(guān)閉T0中斷和外部中斷0 返回 啟動TO計數(shù) 充電出錯

23、 開始 外部中斷D 服務(wù)子程序 啟動定時器D服務(wù)子程序 圖7 單片機控制智能充電器工作的程序流程圖 4.2程序設(shè)計 主要程序代碼及其說明(見注釋語句)如下： #define uchar unsigned char #define uint unsigned int sbit GATE=P2＾0； sbit BP=P2＾1； uint t_count，int 0_count； ／+定時器0中斷服務(wù)子程序*／ void timer0()interrupt 1 USing 1 ( TR0=0； ／／停止計數(shù)

24、 TH0=一5000／256； ／／重設(shè)5ms計數(shù)初值 TL0=一5000％256： t_count++； if(it_count>600) ／／第一次外部中斷0產(chǎn)生后3S ( if(int0_count==1) ／／還沒有出現(xiàn)第二次外部中斷0，則認為充電完畢 ( GATE=0； ／／關(guān)閉充電電源 BP=0； ／／打開蜂鳴器報警 ) e1se ／／否則即是充電出錯 (GATE =1； BP =1；) ET0 =0；

25、 ／／關(guān)閉TO中斷 EX0 =0； ／／關(guān)閉外部中斷0 int0_count =0； t_count =0； ) else TR0=1； ／／TO開始計數(shù) ) ／*外部中斷0服務(wù)子程序+／ void int0()interrupt 0 USing 1 ( if(int0_count==0) ( TH0=一5000f256； / /5ms定時 TL0=一5000％256; TRO=1： ／／啟動定時／計數(shù)器O計數(shù) t_co

26、unt=0； ／／產(chǎn)生定時器0中斷的計數(shù)器清零 ) intO—count++；) ／*初始化*／ void init() ( EA =1; ／／打開cpu中斷 PTO =1 ／／T0中斷設(shè)為高優(yōu)先級 TMOD=0X01; ／／模式1，TO為16位定時／計數(shù)器 ETO =1; ／／打開TO中斷 ITO =1; ／／外部中斷O設(shè)為邊沿觸發(fā) EXO =l; ／／打開外部中斷O GATE =1;

27、 ／／光耦正常輸出電壓 Bp =1; ／／關(guān)閉蜂鳴器 Int0_count =O ／／產(chǎn)生外部中斷O的計數(shù)器清零 ) void main() ( ／*調(diào)用初始化函數(shù)*／ init();／*無限循環(huán)*／ while(1)；) 總結(jié)與展望 本次設(shè)計以充電芯片MAXl898的使用為主體，利用單片機實現(xiàn)智能化的手機充電器。目前，充電電池的種類繁多，因此在充電器的方案創(chuàng)建時需要針對不同的電池選擇不同的充電芯片。次設(shè)計實現(xiàn)的是單節(jié)鋰離子電池充電器，因此選用了芯片MAXl898作為充電

28、芯片。設(shè)計在選擇芯片后進行硬件和軟件設(shè)計。 在本次設(shè)計過程中，需著重把握的是：預(yù)充、快充、滿充等充電方式的工作原理；MAXl898的充電狀態(tài)指示輸出信號CH6在本實訓中的應(yīng)用；MAXl898在外圍電路的設(shè)計中，其中包括設(shè)置充電電流的電阻和充電時間的電容數(shù)值的選取以及如何在單片機程序中判斷出充電完成還是充電出錯，并做出相應(yīng)的處理。采用C51語言設(shè)計單片機應(yīng)用系統(tǒng)程序時，首先是要盡可能地采用結(jié)構(gòu)化的程序設(shè)計方法，這樣就使整個應(yīng)用系統(tǒng)程序結(jié)構(gòu)清晰，易于調(diào)試和維護。 參考文獻 [1]徐任貴廖哲智編 單片機微型計算機應(yīng)用技術(shù)．機械工業(yè)出版社，2001 [2]張迎

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