单片机智能充电器系统设计详解

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

1 绪论

电池若仅定义为能量储存装置，则可包括飞轮和时钟发条等元件。在现代技术中电池的更精确定义为：能够产生电能的便携、独立化学系统。电池是一种化学电源，是通过能量转换而获取电能的装置，化学电源在氧化还原的电化学过程中将化学能转化为电能。一次电池是一次性应用的电池，又叫不可充电电池或原电池，从电池单向化学反应中产生电能。原电池放电导致电池化学成分永久和不可逆的改变。可充电电池又叫二次电池，可在应用中放电，放电后可由充电器对其进行充电。所以二次电池储存能量，而不是产生能量。二次电池是多次反复使用的电池，因此这里的二次实际上是多次的意思。二次电池又称为可充电电池或蓄电池。[1]
锂离子电池自20世纪90年代上市以来，它以能量密度高，使用寿命长的特点倍受重视。基于市场的要求，世界各大电池生产商为了在市场领域里取得优势，无不致力于开发具有能量密度高，小型化，薄型化，轻量化，安全性高，循环寿命长，低成本的新型电池。对此，聚合物锂离子电池具有上述各项优点，是各厂商致力研究的目标。聚合物锂离子电池基于安全、轻薄等特性，广泛应用于便携式设备，所以聚合物锂离子电池是21世纪移动设备最佳的电源解决方案。
与液体锂离子电池相比，聚合物锂离子具有较好的耐充放电特性，因此对外保护电路方面的要求可以适当放宽。在充电方面，聚合物锂离子可以利用IC定电流的方式充电，实现起来也比较容易。
本论文从锂电池技术特性、充电技术、充电器电路结构、充电器典型电路和电池保护等方面，多角度地阐述了充电技术发展和应用。
1.1课题研究的背景
电池是一种化学电源，是通过能量转换而获得电能的器件。二次电池是可多次反复使用的电池，它又称为可充电池或蓄电池。当对二次电池充电时，电能转变为化学能，实现向负荷供电，伴随吸热过程。对于二次电池，其性能参数很多，主要有以下4个指标：工作电压，电池放电曲线上的平台电压；电池容量，常用单位为安时(Ah)和毫安时(mAh)；工作温区，电池正常放电的温度范围；电池正常工作的充、放电次数。
二次电池的性能可由电池特性曲线表示，这些特性曲线包括充电曲线、放电曲线、充放电循环曲线、温度曲线等。二次电池的安全性可用特性的安全检测方式进行评估。二次电池能够反复使用，符合经济使用原则。对于市场上二次电池的种类，大致分为：铅酸(LA)电池、镍镉(NiCd)电池、镍氢(NiMH)电池和锂离子(Li–ion)电池。
1.1.1 二次电池的性能比较
铅酸、镍镉、镍氢和锂离子电池的性能比较见表1.1。
表1.1 铅酸、镍镉、镍氢和锂离子电池的性能比较
电池类型工作电压(V) 重量比能量(Wh/kg) 体积比能量(Wh/L) 循环次数记忆效应自放电率(%/月)
铅酸电池 2.0 — — 400～600 无 3
镍镉电池 1.2 50 150 400～500 有 15～30
镍氢电池 1.2 60～80 240～300 ＞500 无 25～35
锂离子电池 3.6 120～140 300 ＞1000 无 2～5
1.1.2 镍氢电池、镍镉电池与锂离子电池之间的差异
重量方面：以每一个单元电池的电压来看，镍氢电池与镍镉电池都是1.2V，而锂离子电池为3.6V，锂离子电池的电压是镍氢、镍镉电池的3倍。并且，同型电池的重量锂离子电池与镉镍电池几乎相等，而镍氢电池却比较重。但锂离子电池因端电压为3.6V，在输出同电池的情况下，单个电池组合时数目可减少2/3从而使成型后的电池组重量和体积都减小。
记忆效应：镍氢电池与镍镉电池不同，它没有记忆效应。对于镍镉电池来说，定期的放电管理是必需的。这种定期放电管理属于模糊状态下的被动管理，甚至是在镍镉电池荷电量不确切的情况下进行放电(每次放电或者使用几次后进行放电都因生产厂的不同有所差异)，这种烦琐的放电管理在使用镍镉电池时是无法避免的。相对而言，锂离子电池没有记忆效应，在使用时非常方便，完全不用考虑二次电池残余电压的多少，可直接进行充电，充电时间自然可以缩短。
自放电率：镍镉电池为15%～30%月，镍氢电池为25%～35%月，锂离子电池为2%～5%。镍氢电池的自放电率最大，而锂离子电池的自放电率最小。
充电方式：锂离子电池已易受到过充电、深放电以及短路的损害。单体锂离子电池的充电电压必须严格限制。充电速率(蓄电池的充电电流通常用充电速率C表示，C为蓄电池的额定容量，例如用2A的电流对1Ah电池充电，充电速率就是2C；同样地，用2A电流对500mAh电池充电，充电速率就是4C)通常不超过1C，最低放电电压为2.7～3.0V，如再继续放电，则会损害电池。锂离子电池以恒流转恒压方式进行充电。采用1C充电速率充电至4.1V时，充电器应立即转入恒压充电，充电电流逐渐减小；当电池充足电后，进入涓流充电过程。为避免过充电或过放电，锂离子电池不仅在内部设有安全机构，充电器也必须采取安全保护措施，以监测锂离子电池的充放电状态。[2]
1.2课题研究的意义
本课题研究的对象主要是锂离子电池的充电原理和充电控制。锂离子电池的充电设备需要解决的问题有:能进行充电前处理，包括电池充电状态鉴定、预处理；解决充电时间长、充电效率低的问题；改善充电控制不合理，而造成过充、欠充等问题，提高电池的使用性能和使用寿命；通过加强单片机的控制，简化外围电路的复杂性，同时增加自动化管理设置，减轻充电过程的劳动强度和劳动时间，从而使充电器具有更高的可靠性、更大的灵活性，且成本低。
本课题研究的意义在于：充分研究锂离子电池的充放电特性，寻找有效的充电及电池管理途径。使充电设备具有完善的自诊断功能和适时处理功能。实现充电器具备强大的功能扩展性，以便为该充电器的后续功能升级提供平台。
1.3课题研究的主要工作
本文主要研究锂电池的充电方法，在此基础上进行系统设计和电路设计，并通过实验结果对充电控制方法测试验证。具体结构如下:
第一章绪论。首先介绍了课题研究的背景，再介绍了锂电池的特点和在应用中存在的主要问题及课题研究的意义和主要工作，这是该论文的设计基础。
第二章电池的充电方法与充电控制技术。主要介绍了电池的充电方法和锂电池的快速充电终止控制方法，确保在充电控制过程中不过充、不损坏电池。
第三章锂电池充电器电路设计。选择控制芯片进行介绍和比较。在此基础之上，对该电路的充电控制芯片进行选择、介绍与分析。
第四章通过C语言软件编程设计出锂电池快速充电器电路，来实现对锂电池的自动化控制充电。
第五章对锂电池充电器设计的整个过程和结果进行说明,指出该作品的不足和展望等。

2 电池的充电方法与充电控制技术

2.1电池的充电方法和充电器
下面先对电池基本参数进行简单的介绍。
电池的额定电压：额定电压是指电池正常工作时正极与负极之间的的电压，通常锂离子电池的额定电压为3.6V。电池充满电时的电压与电池的阳极材料有关：阳极材料为石墨时，电池电压为4.2V；阳极材料为焦炭，电池电压为4.1V。通常锂离子电池的铭牌上标识的是加阳极材料的压降后的电压。即通常是4.2V或4.1V。
电池容量：电池容量是指电池存储电量的大小。电池容量的单位是mA h，中文名称是毫安时（在衡量大容量电池如铅蓄电池时，为了方便起见，一般用Ah来表示，中文名是安时，1Ah=1000mAh）。定义是以20小时为标准。例如800mAh电池是指连续放电电流为40mA,放电完毕共耗时20小时。另一种是以W/CELL计算,即单位极板消耗功率，定义是以15分钟为标准.例如1221W电池为每一CELL供电21W可供电15分钟。
充放电速率：有时率和倍率两种表示法。时率是以充放电时间表示的充放电速率，数值上等于电池的额定容量(安·小时)除以规定的充放电电流（安）所得的小时数。倍率是充放电速率的另一种表示法，其数值为时率的倒数。原电池的放电速率是以经某一固定电阻放电到终止电压的时间来表示。单位为C。放电速率对电池性能的影响较大。一般地，对于每块电池厂家都有规定的充放电速率，充电速率过大，很可能造成过电流充电，使电池内部消耗较大的能量，产生热能，对电池不利；充电速率过小意味着充电时间较长。充电速率，电池容量，充电时间及充电电流之间的关系为:充电速率=充电电流/电池容量;充电速率=1/充电时间;充电时间=电池容量/充电电流。
2.1.1 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2.1 恒流电源充电电路

电末期实时检测电池电压和电池温度，并且根据检测参数控制充电过程。
(1)电池电压检测：在大电流充电末期，检测电池电压，当电池电压达到设定值时，将大电流充电转成小电流充电。采用小电流充电方式是为了保证电池充电容量。控制电路设置的充电截止电压必须比充电峰值电压低。
(2)－△V检测：电池充电过程的充电电流是通过检测电池充电末期的电压降来进行控制的，－△V控制系统框图如图2.7所示。采用－△V控制系统的充电控制电路，当充电峰值电压确定后，若－△V检测电路检测的电压降达到设定值，控制电路将使大电流充电电路分断。电池的充电电流、电池电压和充电时间的关系如图2.8所示。

图2.7 －△V控制系统框图

图2.8 充电电池、电池电压和充电时间的关系

2.2.1 快速充电器介绍
快速充电器的特点是对充电电池采用大电流充电。常用的充电电流值为0.3～2小时率电流。小时率电流值是由公式C(Ah)/t(h)规定的，其中C代表电池额定容量，t代表时间。例如用1小时率电流对5号锂电池快速充电，根据0.5(Ah)／1(h)＝500(mA)，即采用500mA的充电电流(一般慢速充电，选用10小时率电流)。
性能完善的快速充电器，其原理图如图2.12所示：
其中的主控电路有多种类型：
1、定时型
对电池进行定时充电，主控电路采用定时电路，定时时间可由充电电流决定。定时主控电路常设置不同的时间以控制不同的小时率电流对电池按时间分挡充电，使用很方便。由于定时器制作容易，所以常用它自制定时快速充电器。自制时，为了充电安全，

图2.12 快速充电器原理框图
最好选大于5小时率的电流充电。
2、电压峰值增量△V型
有的可充电电池在充电时端电压随充电时间的增长而上升，但充足电后端电压开始下降。设计主控电路时，利用该特性监测电池电压出现峰值之后的微量下降，以控制充电结束，达到自动充电的目的。这也称为－△V法。由于这种控制电路比较复杂，故不适于自制。

3 锂电池充电器电路设计

3.1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3.1 系统框图
3.2单片机STC89C52
本设计采用STC89C52单片机作为系统的处理器,需要用到单片机的外部中断、定时器中断和普通I/O口等资源。我们可以通过单片机的外部中断端口检测芯片MAX1898发出的信号，通过程序控制MAX1898的供电电源和外围的led亮与灭，来展示给使用者，充电器的工作状态。定时器可以用来作为充电器的计时器，当时间到了，就会切断电源和改变相应的led状态。它是51系列单片机的一个成员，是8051单片机的升级版。它有几个主要组成部分：中央处理器、存储器、并行I/O口、定时器/计数器。内部自带4K字节可编程FLASH存储器的低电压、高性能COMS八位微处理器，与Intel MCS-51系列单片机的指令和输出管脚相兼容。由于将多功能八位CPU和闪速存储器结合在单个芯片中，因此，STC89C52构成的单片机系统是具有结构简单、造价低廉、效率高的微控制系统，节省了成本，提高了系统的性价比。[7]STC89C52芯片的最小单片机系统如下图3.2所示:

图3.2 单片机最小系统

4 锂电池充电器软件设计

4.1程序功能
基于单片机STC89C52和MAX1898的智能电池充电器的程序需要完成以下的功能：系统上电通过6N137向MAX1898提供电源，使能MAX1898，开始充电，同时启动定时器0，允许外部中断和定时器中断，打开总中断。预充电和恒流充电时，定时器每过1秒就会控制1号灯亮/灭（即周期性闪烁）。当进入恒压充电状态时，CHG会发出高电平，外部中断产生，此时，定时器每过5秒就会控制1号灯亮/灭；等到计时器计时到3小时时，单片机就会发出一个信号给6N137用以切断MAX1898的电源，停止充电，此时1号灯就会熄灭，表示充电过程结束，可以取下电池使用。
4.2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4.1 程序流程图
外部中断发生后，单片机的动作流程图如下图4.2所示：当有外部中断信号到来时，表示进入恒压充电阶段或者充电出错了，此时单片机就会执行产生外部中断后的相应程序，让指示灯每过5秒转变一次状态，提醒使用者。

图4.2 外部中断发生后程序流程图
定时器中断流程图如下图4.3所示：进入中断子程序，判断总时间是否到了3小时，如果到了就关中断、关断MAX1898电源和熄灭1号灯，返回主函数；如果没到而且外部中断没有发生，判断时间是否到了1秒，没到就总时间叠加，到了就把Time请0和总时间叠加，返回主函数；如果没到而且外部中断已经发生了，判断Times是否到了5，到了就改变1号灯状态，把Times清0，总时间叠加，返回主函数，如果Times没到5，则总时间叠加，返回主函数。

图4.3 定时器中断程序流程图




附录A 主要源程序
#include "reg51.h"
#include "my_type.h"

sbit GATE = P2^0;
sbit BP = P2^1;


uint16 t_count,int0_count;

//timer init
void initTimer(void)
{
	 TMOD=0x1;
	 TH0=0xee;
	 TL0=0x19;
}

//timer0/counter0 interrupt
void timer0(void) interrupt 1
{
	 TH0=0xee;
	 TL0=0x19;
	 //add your code here.

	 t_count++;
	 if(t_count>600)		 //第一次外部中断0产生后3S
	 {
	 	if(int0_count == 1)		 //还没有出现第二次外部中断
		{						
			GATE = 0;			 //关闭充电电源
			BP = 0;				 //打开蜂鸣器报警
		}
		else					  //否则即是充电出错
		{
			GATE =1; 				//应该为1
			BP = 0;
		}
		ET0 = 0 ;				 //关闭T0中断
		EX0 = 0 ;				 //关闭外部中断0

		int0_count = 0 ; 
		t_count = 0 ;
	 }
	 

 //add your code here.

}

//int0 interrupt
void int0(void) interrupt 0
{
 //add your code here
  	if(int0_count == 0 )
	{
		 TH0=0xee;
		 TL0=0x19;
		 TR0 = 1;		 //启动第时器/计数器0计数
		 t_count = 0 ;	 //产生定时器0中断的计数器清0
	}
	int0_count += 1;



}

//the main fun
void main(void)
{
	IT0=1;     //INT0下降沿中断
	EX0=1;     //允许INT1中断
//	PT0 = 1;   //设置外部中断0为最高优先级
	initTimer();
	ET0=1;
	EA=1;
	
	int0_count = 0 ;
	GATE = 1;
	BP = 1;
	
	
	while(1);
}

5 总结与展望

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。

作者：qq_2083558048

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