基于单片机智能充电器系统设计

摘 要

在我们的日常生活中,手机已经变得越来越重要了。我们经常需要使用手机，打电话、发短信、上网、看电影、听歌、玩游戏等等。随着大屏幕和高主频的手机出现，锂离子电池就变得更加重要了，其锂离子电池充电器也受到广大消费者的重视。
该课题主要是设计一种基于单片机的锂离子电池充电器，在设计上，通过AT89C52和MAX1898可以控制实现预充，快速充电，及恒压充电。该设计可以监控充电过程中的各个状态，实现电路简单，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。本文还对充电器的核心器件MAX1898充电芯片、AT89C2051单片机进行了较详细的介绍。
该智能充电器具有检测锂离子电池的状态；自动切换充电模式以满足充电电池的充电需要；充电状态显示的功能。通过光耦6N137可以实现定时切断MAX1898的电源，减少能耗，同时也延长了它的使用寿命。

关键词: 锂电池，充电器，单片机，AT89C52, MAX1898

电池的充电方法

1、恒流充电
(1)恒流充电：充电器的交流电源电压通常会波动，充电时需采用一个直流恒流电源(充电器)。当采用恒流充电时，可使电池具有较高的充电效率，可方便地根据充电时间来决定充电是否终止，也可改变电池的数目。恒流电源充电电路如图2.1所示。
(2)准恒流充电：准恒流充电电路如图2.2所示。在此种电路中，通过直流电源和电

图1 恒流电源充电电路
池之间串联上一个电位器，以增加电路内阻来产生恒定电流。电阻值根据充电末期的电流进行调整，使电流不会超过电池的允许值。由于结构简单、成本低廉，此种充电电路被广泛应用充电器中。

图2 准恒流充电电路

单片机控制的充电器的优点

目前，市场上有大量的电池管理芯片，针对充电器开发的电池充电管理芯片业很多，可以直接使用这些芯片进行充电器的设计。
但是，充电器实现的方式不同导致其充电效果不同。由于采用大电流的快速充电法，所以在电池充满后如不及时停止会使电池发烫，过度的过充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，采用小电流涓流补充充电。一般的，为了使得电池充电充分，容易造成过充，表现为有些充电器在充电终了时电池经常发烫，电池在充电后期明显发烫一般说明电池已过充。设计比较科学的充电器采用专业充电控制芯片，具备业界公认较好的―ΔV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。

图1 充电器结构框图

锂电池充电器电路设计

1系统整体框架
系统主要由STC89C52单片机、MAX1898锂电池充电芯片和光耦6N137这三部分和一些相关的器件组成，如图3.1所示。系统连接好锂电池,上电开始工作。单片机就会给6N137一个信号，通过它给MAX1898供电开始工作。MAX1898芯片会检测锂电池的电压，判断是否需要充电，如果需要充电，则向其充电，同时单片机计算时间、相关指示灯会亮和闪烁。当电池进入恒压充电阶段或者充电出错时，MAX1898会发出一个信号，信号经过反相器反转后，输入到单片机的外部中断端，单片机就会做出相应的动作，让指示灯发出相应信号提示使用者。等到系统设定的3个小时后，单片机又会向6N137发出控制信号，此时就会切断MAX1898的电源，停止对锂电池充电，同时指示灯也会发出信号提醒使用者电池已经充满电。

图1 系统框图

程序流程图

单片机控制的智能充电器的程序流程图如图4.1所示：其中初始化包括了接通MAX1898的电源、打开总中断、开启外部中断、启动定时器，控制指示灯亮灭等。进入While循环，等待定时器和外部中断。

图1 程序流程图

总结

本论文描述了锂离子电池快速充电过程的基本原理,设计了对单节4.2V锂离子电池充电的充电器，它能够快速完成锂离子电池的充电过程。根据对锂离子电池的充放电特性和充电控制方法的分析得出：锂离子电池充电器常采用三段充电法，即预处理、恒流充电(快充)和恒压充电(充满)。开始以设定的恒流充电，锂离子电池的电压以较高的斜率增长，在充电过程中斜率逐步降低，充到接近4.2V时，恒流充电阶段结束，接着以4.2V恒压充电。在恒压阶段充电时，电压几乎不变(或稍有增加)，充电电流不断下降。当充电速率下降到0.1C时，表示电池已充满，应终止充电。没有及时终止的话，此后最明显的特征是电池温度升高，发热，在整个快充电过程中都应当注意电池的温度，尤其是过充电时，锂离子电池温度过高，会造成过热而损坏电池或发生爆炸。在锂离子电池进入恒压充电状态前，必须适时停止快速充电。为此，设计了此种锂离子电池快速充电器, 利用快速充电的方法，并在此基础之上进行电压、温度的检测和控制来保证该充电器能对锂离子电池进行安全可靠而又快速的充电。本电路具有温度保护功能,当电池温度过高时, 即刻停止快速充电,这样就能避免过充电对锂离子电池造成的损害.
根据锂离子电池的充电特性可知，锂电池或充电器在电池充满后应当停止充电，并不存在镍电充电器所谓的持续10几小时的“涓流”充电。也就是说，如果你的锂电池在充满后，放在充电器上也是白充，反而会造成内压升高、电池发热等现象，而我们谁都无法保证电池的充放电保护电路的特性永不变化和质量的万无一失，所以电池将长期处在危险的边缘徘徊。这也是本次设计中当充满电后自动断开充电的一个理由。
此外，不可忽视的另外一个方面就是锂电池同样也不适合过放电，过放电对锂电池同样也很不利。
目前一些大的厂家生产的手机充电器都具有以下特点：宽范围AC输入或多个电压可选；具备限流保护，电流短路与反充保护线路设计；体积小、重量轻；自动、快速充电，充满电后自动关断等等。另外，有的充电器还有自动识别锂离子、镍氢、镍镉电池组；自动计算电池的已充电量和剩余的充电时间，也可以改变参数来适应各种不同电池的充电；具有放电功能；LED 或LCD充电状态显示；低噪声；模拟微电脑控制系统等特点。因此，设计一款真正由微电脑控制单片机控制，且价格低廉的智能控制充电器，成为各厂家努力的方向。

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作者：2401_86147581