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基于单片机的智能能充电器的设计

长春工业大学人文信息学院毕业设计(论文) 信息工程系

摘要

随着手机的普及，手机充电器已经成为现代家庭中常用的电器之一。虽然手机的品牌和型号众多，各种手机充电器形状和接口不同，但它们的原理和功能基本一样。所有手机充电器其实都是由一个稳定电源加上必要的恒流、限压、限时等控制电路构成。本文给出了基于单片机和充电芯片MAX1898的智能充电器的设计方案。实现充电功能，并具有预充、快充、满冲、断电、报警等功能。充电器的充电过程主要由MAX1898控制，而单片机芯片主要是对电池起保护作用。电池充电时，通过对MAX1898的/CHG引脚产生由高到低的跳变，该跳变引起单片机的INT0中断及/CHG输出为高存在的3种情况：无充电输入、充电完毕、充电出错的判断可灵活实现智能充电功能。

关键词智能充电器 MAX1898 单片机

长春工业大学人文信息学院毕业设计(论文) 信息工程系

Abstract

As the popularization of the mobile phone, the mobile charger becomes the universal electric appliance in family. Although the difference of the brands and models exists, the principle and function of mobile phone and mobile charger are similar, and their circuits are also resemblance. The entire mobile phone charger contains a constant voltage source and some circuits that contains the constant current.In this paper,based on single chip microcomputer intelligent charger and charging chip MAX1898 design scheme.Implement charging function,and has a prefilled, full,and cutting off power and alarm functions.Charger charging process is mainly controlled by MAX1898,and single-chip microcomputer is mainly to battery protection.When the battery is being charged,through to the MAX1898 /CHG pin jump from high to low,the jump cause SCM INT0 and /CHG for high output three kinds of circumstances.NO charging input,finished charging,charging error judgment can be flexible to realize intelligent charging function.

Keywords intelligent charger MAX1898 single chip

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第1章绪论 (1)

1.1 充电电池简介 (1)

1.2 快速充电的基本原理 (1)

1.3 充电注意事项 (2)

1.4 本课题的设计任务 (3)

第2章手机锂电池智能充电器硬件设计 (4)

2.1 设计思路分析 (4)

2.2 主要器件及其功能 (5)

2.3 电路原理图及说明 (10)

2.4 充电过程 (13)

第3章手机锂电池智能充电器软件设计 (15)

3.1 实现功能 (15)

3.2 程序流程图 (15)

第4章总结..................................................................................错误！未定义书签。结束语 (20)

参考文献 (21)

致谢 (22)

附录：原理图··············································································································· - 1 -

长春工业大学人文信息学院毕业设计(论文) 信息工程系

第1章绪论

1.1充电电池简介

电池的应用从来没有像现在这么广泛。电池正在变得更小、更轻，在单位容

积内可容纳更多能量。电池发展的主要驱动力来自便携装置(移动电话，膝上电脑，

摄录像机，MP3播放机)的发展。

电池称之为能量储存系统，这也包括续流和时钟源。从现代技术的角度看，

电池通常是产生电能的自储化学系统的便携装置。

充电或放电电流(安培)通常表示为额定容量的倍数(称之为C 率)。例如，额定

为1安培一小时(1Ah)的电池，C/10放电电流为1Ah/10=100mA 。电池的额定容量(Ah

或mAh)是在特定条件下完全充电时所能储存(产生)的电量。因此，电池的总能量

是容量乘电压，其量度为瓦特一小时[1]。

1.2 快速充电的基本原理

1967 年美国人J.A.MAS 以最低析气率为前提,找出了蓄电池能够接受的最大

充电电流和可以接受的充电电流曲线,如图1-7 所示,方程见式(1)。

i=I 0e -at （1）

式中 i —任意时刻 t 时蓄电池可接受的充电电流

I 0 —最大初始可接受充电电流

a —衰减率常数 ,也称充电接受比

图1-1所示是一条自然接受特性曲

线，超过这一充电接受曲线的任何充电电

流，不仅不能提高充电速率，而且会增加

提高析气，小于此接受曲线的充电电流。

图1-1 充电电流曲线

长春工业大学人文信息学院毕业设计(论文) 信息工程系J．A．MAS在实验的基础上提出，蓄电池在采用任一放电电流后，其充电接受比和放电放掉的容量的平方根成反比，即：a=K/C1/2。其中，K为常数，C为放电容量。可见，a值越大，充电接受电流越大。

MAS还指出，对于任何放电深度，一个电池的充电接受比a是和放电电流Id的对数成正比，即a=Klg(KId),它定量地表明随放电率的不同充电接受比的变化。[5] 可见，充电接受率a取决于其先前放电率以及放电深度。并且当以小电流长时间放电，a值低；而已大电流短时间放电；a值高。

因此，蓄电池在充电过程中采取电量相对很小，而幅度较大且时间很短的放电措施，将恢复或提高蓄电池的充电接受率，从而增大了充电电流，只要对出气率及温升等现象控制得当，就不会对电池的寿命影响太大，而同时却加快了充电速率，缩短了时间，其程度可因不同的设计而成倍缩短。正是在这一理论的基础上，产生了不同于常规充电制度的脉冲充电、放电去极化的快速充电技术。[6] 脉冲充电放电去极化技术发展到现在，因不同的使用对象其分类很多，如定电压、定电流、定周期、定出气率及各种方案的综合等，优劣各不同。许多优秀的快充电设备采用闭环控制，因而对蓄电池充电程度和是否充满电以及对其他现象的检测技术也非常重要，如温升出气与效率等。[7]

1.3充电注意事项

较大的充电电流不能使充电时间缩短太多。较大的充电电流能较快地达到电压峰值，但浮充需较长时间。凭经验，浮充是初始充电时间的两倍。

锂离子电池具有工作电压高、能量密度高、无记忆效应、自放电小、循环寿命长等一系列优点。

但是必须正确使用，特别是保证正确充电，否则电池的使用性能将受到严重影响甚至于被损坏。设计锂离子电池充电器要考虑以下几个原则：应充足实际容量，以延长电池的一次充电使用时间，同时又要严格防止过充电。

充电电流要有一定限制，以防止电池过热，发生意外。

为了使新旧电池能够达到“可充”状态，需要一个预充过程。

安全合理地缩短充电时间，方便使用。[10]

长春工业大学人文信息学院毕业设计(论文) 信息工程系1.4本课题的设计任务

针对锂电池的充电规律，结合现有锂电池充电器的特点，本课题欲设计一款智能手机锂电池充电器，要求以单片机为控制核心，选择适当的配套元件，设计硬件电路，并编制相应软件，使所设计的充电器具有智能化特点，能根据不同手机锂电池的电参数自动确定相应的充电控制规律，自动检测、充电、断电、报警等，达到理想的充电效果。

长春工业大学人文信息学院毕业设计(论文) 信息工程系第2章手机锂电池智能充电器硬件设计

2.1 设计思路分析

2.1.1充电器的智能化要求

充电器实现的方式不同会导致充电效果的不同。由于充电器多采用大电流的快

速充电法，在电池充满后如果不及时停止会使电池发烫，过度的充电会严重损害

电池的寿命。一些低成本的充电器采用电压比较法，为了防止过充，一般充电到90%就停止大电流快充，而采用小电流涓流补充充电。

手机电池的使用说明和单次使用时间与充电过程密切相关。锂电池是手机最

为常用的一种电池，它具有较高的能量重量比、能量体积比，具有记忆效应，可

重复充电多次，使用寿命较长，价格也越来越低。锂电池对于充电器的要求比较

苛刻，需要保护电路。为了有效利用电池容量，需将锂电池充电至最大电压，但

是过压充电会造成电池损坏，这就要求较高的控制精度。另外，对于电压过低的

电池需要进行预充，充电器最好带有热保护和时间保护，这样就可以为电池提供

附加保护。[12]

一部好的充电器不但能在短时间内将电量充足，而且还可以对电池起到一定的维护作用，修复由于使用不当造成的记忆效应，即容量下降（电池活性衰退）现象。

2.1.2充电器智能化的实现

设计比较科学的充电器往往采用专用充电控制芯片配合单片机控制的方法。专用的充电芯片具备业界公认较好的—△V检测，可以检测出电池充电饱和时发出的电压变化信号，比较精确地结束充电工作，通过单片机对这些芯片的控制，可以实现充电过程的智能化，例如，在充电后增加及时关断电源、蜂鸣报警和液晶显示等功能。充电器的智能化可以缩短充电的时间，同时能够维护电池，延长电池的使用寿命。

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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：电池类型、电池数目、电流值和

充电方式。

本设计要实现的是手机的单节锂电池充电器，要求充电快速且具有优良的电池

保护能力，因此选择Maxim 公司的MAX1898作为电池充电芯片。

2.2 主要器件及其功能

2.2.1 AT89C51引脚说明

图2-1 AT89C51引脚分布图

图2-1是AT89C51的引脚分布图。

长春工业大学人文信息学院毕业设计(论文) 信息工程系其引脚说明如下：

VCC：AT89C51电源正极输入，接+5V 电压。

GND：电源接地端。

XTAL1：接外部晶振的一个引脚。在单片机内部，它是一反相放大器输入端，这个放大器构成了片内振荡器。它采用外部振荡器时，些引脚应接地。

XTAL2：接外部晶振的一个引脚。在片内接至振荡器的反相放大器输出端和内部时钟发生器输入端。当采用外部振荡器时，则此引脚接外部振荡信号的输入。

RST：AT89C51的复位信号输入引脚，高电位工作，当要对芯片又时，只要将此引脚电位提升到高电位，并持续两个机器周期以上的时间，AT89C51便能完成系统复位的各项工作，使得内部特殊功能寄存器的内容均被设成已知状态。

ALE/PROG：ALE 是英文"ADDRESS LATCH ENABLE"的缩写，表示允许地址锁存允许信号。当访问外部存储器时，ALE 信号负跳变来触发外部的 8 位锁存器 (如74LS373)，将端口 P0 的地址总线(A0-A7)锁存进入锁存器中。在非访问外部存储器期间，ALE 引脚的输出频率是系统工作频率的 1/16，因此可以用来驱动其他外围芯片的时钟输入。当问外部存储器期间，将以 1/12 振荡频率输出。

EA/VPP：该引脚为低电平时，则读取外部的程序代码 (存于外部EPROM

中)来执行程序。因此在 8031 中，EA 引脚必须接低电位，因为其内部无程序存储器空间。如果是使用 AT89C51或其它内部有程序空间的单片机时，此引脚接成高电平使程序运行时访问内部程序存储器，当程序指针 PC 值超过片内程序存储器地址(如 8051/8751/89C51 的 PC 超过 0FFFH)时，将自动转向外部程序存储器继续运行。此外，在将程序代码烧录至 8751 内部 EPROM、89C51 内部 FALSH 时，可以利用此引脚来输入提供编程电压（8751 为 2lV、AT89C51 为 12V、8051 是由生产厂方一次性加工好)。

PSEN：此为"Program Store Enable"的缩写。访问外部程序存储器选通信号，低电平有效。在访问外部程序存储器读取指令码时，每个机器周期产生二次 PSEN 信号。在执行片内程序存储器指令时，不产生 PSEN 信号，在访问外部数据时，亦不产生 PSEN 信号。

P0：P0 口(P0.0~P0.7)是一个 8 位漏极开路双向输入输出端口，当访问外部数据时，它是地址总线（低 8 位）和数据总线复用。外部不扩展而单片应用时，

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则作一般双向 I／O 口用。P0 口每一个引脚可以推动 8 个 LSTTL 负载。

P1：P1 口(P1.0~P1.7)口是具有内部提升电路的双向 I/0 端口(准双向并行

I/O 口)，其输出可以推动 4 个 LSTTL 负载。仅供用户作为输入输出用的端口。

P2：P2 口(P2.0~P2.7)口是具有内部提升电路的双向 I/0 端口(准双向并行

I/O 口)，当访问外部程序存储器时，它是高 8 位地址。外部不扩展而单片应用时，则作一般双向 I/O口用。每一个引脚可以推动 4 个 LSTL 负载。

P3：P3 口(P3.0~P3.7)口是具有内部提升电路的双向 I/0 端口(准双向并行

I/O 口)，它还提供特殊功能，包括串行通信、外部中断控制、计时计数控制及外部随机存储器内容的读取或写入控制等功能。其特殊功能引脚分配如下：

P3.0 RXD 串行通信输入

P3.1 TXD 串行通信输出

P3.2 INT0 外部中断 0 输入，低电平有效

P3.3 INT1 外部中断 1 输入，低电平有效

P3.4 T0 计数器 0 外部事件计数输入端

P3.5 T1 计数器 1 外部事件计数输入端

P3.6 WR 外部随机存储器的写选通，低电平有效

P3.7 RD 外部随机存储器的读选通，低电平有效[14]

2.2.2 MAX1898引脚说明

图2-2 MAX1898引脚分布图

充电芯片MAX1898有10个引脚，其引脚分布如图2-2所示。

其引脚功能如下：

长春工业大学人文信息学院毕业设计(论文) 信息工程系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。通过串联议和电阻到地来设置最大充电电流。

CT（5脚）：安全充电时间设计引脚。接一个时间电容来设置充电时间，电容为100nF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，如果电池电压掉至基准电压阀值以下200mV，将会重新开始一轮充电周期。此引脚通过电阻接地时，可以降低它的电压阀值。此引脚悬空或者CT引脚接地（充电时间设计功能禁用）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。

CS（10脚）：电流传感输入，接晶体管的发射极。

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。

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外接限流型充电电源和P沟道场效应管，可以对单节锂电池进行安全有效的快充，其最大特点是：在不使用电感的情况下，仍能做到很低的功率耗散，可以实现预充电，具有过压保护和温度保护功能，最长充电时间的限制可为锂电池提供二次保护。

长春工业大学人文信息学院毕业设计(论文) 信息工程系本设计的核心器件是MAX189。MAX1898可对所有化学类型的LI+电池进行安全充电，它具有高集成度，在小尺寸内集成了更多功能，尽可能多地覆盖了基本应用电路，只需要少数外部元件。

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连接的输出指示和充电电流指示。MAX1898还具有一写功能，包括输入关断控制、可选的充电周期重启（无须从新上电）、可选的充电终止安全定时器和过放电电流的低电流预充。

MAX1898的关键特性如下：

（1）简单、安全的线形充电方式。

（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）可编程充电电流。

（6）输入电源自动检测。

（7）LED充电状态指示。

（8）可编程安全定时器。

（9）检流监视输出。

（10）可选/可调节自动重启。

（11）小尺寸μMAX封装。[13]

2.2.3 6N137引脚说明

图2-3 6N137引脚分布图

长春工业大学人文信息学院毕业设计(论文) 信息工程系光藕模块6N137的引脚分布图如图2-3所示。

其引脚功能如下：

NC（1脚、4脚）：悬空。

+（2脚）、-（3脚）：发光二极管的正负极。

GND（5脚）：接地端。

OUTPUT（6脚）：输出脚。

EN（7脚）：使能脚。为低时，无论有无输入，输出都为高。不使用时，悬空即可。

VCC（8脚）：电源输出脚。[15]

2.3 电路原理图及说明

硬件电路由单片机电路、电压转换及光藕隔离电路、充电控制电路3部分组成。单片机部分的电路原理图如下图2-4：

2.3.1 单片机电路

图2-4中，U1为单片机AT89C51，工作在11.0592MHz时钟；U2为蜂鸣器，蜂鸣器由单片机的P1.2脚控制发出报警声提示；单片机的P2.0脚输出控制光藕器件，在需要的时候可以及时关断充电电源；单片机的外部中断0由充电芯片MAX1898的充电状态输出信号/CHG经过反相后触发。

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图2-4 手机锂电池智能充电器电路单片机部分原理图

2.3.2 电压转换及光藕隔离部分电路

图2-5所示的为电压转换及光藕隔离部分电路的原理图。

图2-5 手机锂电池智能充电器电路电压转换及光藕隔离部分原理图

长春工业大学人文信息学院毕业设计(论文) 信息工程系图2-5中，U3为输出+5V的电压转换芯片LM7805，它将12V的输入电压转换为固定的5V输出；U4为光藕隔离芯片6N137，其输入为LM7805产生的5V电压，输出为经过隔离的5V电压，U4的2脚和单片机的P2.0相连，由单片机控制适时地关闭充电电源。

2.3.3 充电控制电路

图2-6所示的为充电控制部分的电路原理图，其核心器件为充电芯片MAX1898，其充电状态输出引脚/CHG经过74LS04反相后与单片机INT0相连，触发外部中断。LED＿R为红色发光二极管，红灯表示电源接通；LED＿G为绿色发光二极管，绿灯表示处于充电状态。Q1为P沟道的场效应管，由MAX1898提供驱动。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;C11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。

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图2-6 手机锂电池智能充电器电路充电控制部分原理图

2.4 充电过程

在MAX1898和外部单片机的共同作用下，实现了如下的充电过程。

2.4.1 预充

在安装好电池之后，接通输入直流电源，当充电器检测到电池时简化定时器复位，从而进入预充过程，使电池电压、温度恢复到正常状态。预充时间由外接电容C11控制（100nF时为45分钟）。如果在预充时间内电池电压达到2.5V，且电池温度正常，则充电进入快充过程；如果超过预充时间后，电池电压仍低于2.5V，则认为电池不可充电，充电器显示电池故障，LED指示灯闪烁。

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2.4.2 快充

快充过程也称为恒流充电，此时充电器以恒定电流对电池充电。恒流充电时，电池电压缓慢上升，一旦电池电压达到所设定的终止电压，恒流充电终止，充电电流快速减缓，充电进入满充过程。

2.4.3 满充

在满充过程中，充电电流逐渐衰减，直到充电速率降到设置值以下，或满充时间超时，转入顶端截止充电。顶端截止充电时，充电器以极小的充电电流为电流补充能量。由于充电器在检测电池电压是否到达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止充电过程中充电电流逐渐下降，减小了电池内阻和其他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。

2.4.4 断电

当电池充满后，MAX1898芯片的2引脚/CHG发送的脉冲电平会由低到高，这将会被单片机检测到，引起单片机的中断，中断后，如果判断出充电完毕，则单片机将通过P2.0口控制光藕6N137，切断LM7805向MAX1898的供电，从而保证芯片和电池的安全，同时也减小损耗。

2.4.5 报警

当电池充满后，MAX1898芯片本身会熄灭外接的LED绿灯。但是，为了安全起见，单片机在检测到充满状态的脉冲后，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。当充电出错时，MAX1898芯片本身会控制LED绿灯以1.5Hz左右的频率闪烁，此时要让用户一直看到此提示。

长春工业大学人文信息学院毕业设计(论文) 信息工程系第3章手机锂电池智能充电器软件设计

3.1 实现功能

充电器的充电过程主要由MAX1898控制，而单片机芯片主要是对电池起保护作用。其主要功能如下：

当MAX1898完成充电时，其/CHG引脚会产生由高到低的跳变，该跳变引起单片机的INT0中断。/CHG输出为高存在3种情况：一是电池不在位或无充电输入，二是充电完毕，三是充电出错（此时，实际上/CHG会以1.5HZ频率反复跳变）。显然前两种情况单片机都可以直接控制光藕切断充电电源，所以，程序中只要区别对待第3种充电出错的情况即可。因此，在此中断中，如果判断出不是充电出错，则控制P2.0脚切断电源，控制P2.1脚启动蜂鸣器报警。

3.2 程序流程图

程序是用C语言编写，通过编译之后自动生成机器语言。单片机控制智能充电器工作的程序流程分为平行执行的三部分，分别如下图3-1、图3-2、图3-3。

3.2.1 流程图一

图3-1所示流程图的子程序的作用是：先初始化，然后通过While(1)语句达到无限循环的目的。

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图3-1 手机锂电池智能充电器程序流程图子图1

3.2.2 流程图二

图3-2所示流程图的子程序的作用是：判断当int0_count为0时则启动定时器0，同时将计数器清零，int0_count自加；否则int0_count直接自加。

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图3-2 手机锂电池智能充电器程序流程图子图2

3.2.3 流程图三

图3-3所示流程图的子程序的作用是：先关闭T0计数，重设计数初值，t_count 自加，如果t_count大于600即第一次外部中断0产生后3s时，当int0_count 为1，充电完毕，蜂鸣器报警，切断充电电源，关闭T0中断和外部中断0，当int0_count不为1，充电出错，直接关闭T0中断和外部中断0；否则，启动T0计数。