基于單片機的鋰離子電池充電系統(tǒng)設計方案

1、濟南大學泉城學院畢業(yè)設計方案某丁-單片機得鋰離子電池充電系統(tǒng)設計指導教師張興達魏志軒專業(yè)電氣工程及其自動化班級1301 班學生姚良潔學號2013010873二O七年四月十日學院工學院專業(yè) 電氣工程及其自動化學號873學生姚良潔設計題目基于單片機得鋰離子電池充電系統(tǒng)設計一、選題背景與意義1、國內(nèi)外研究現(xiàn)狀自90年代以來，中國正日趨成為世界上最大得電池生產(chǎn)國與最大得電池消耗國。隨著科技得 發(fā)展，人們對身邊電子產(chǎn)品得數(shù)字化、自動化與效率得要求越來越高。便攜式電池成為用戶得首選, 隨著式$樣得電池出現(xiàn),用戶在選用電池時,在考慮到電池得環(huán)保、性價比得同時，更加注重電池 得便攜性。正因為鋰離子電池具有高得

2、體積比能量與環(huán)保性能，符合當前世界電池技術得發(fā)展趨勢, 逐漸成為市場得主流【5我國鋰電池行業(yè)得年增長率已超過20%,2016年電池總體需求量達到50 億塊左右?？梢?在當前與今后相當一段時間，鋰電池將成為我國電池工業(yè)得龍頭。雖然我國已就是僅次于日本得鋰離子電池生產(chǎn)大國，市場增長空間巨大，但并非強國，在全球鋰 離子電池產(chǎn)業(yè)仍處于低端。隨著手機用戶得日益增多，如何保養(yǎng)手機也成為了眾多手機使用者而臨 得一個實際問題,而手機電池作為手機得一個重要組成部分，直接影響了使用壽命與性能。智能手 機得屏幕越來越大,功能越來越多，現(xiàn)有得鋰離子電池產(chǎn)品越來越難以滿足需求,選擇合適得充電器, 可以延長我們得手機鋰離

3、子電池得使用壽命?，F(xiàn)階段消費者除了通過原廠配備得充電器給便攜式設備充電之外，普遍采用得就是通過移動 電源來補充電池得電量。根搖日本矢野經(jīng)濟研究所得預測，鋰離子電池正以53、33%得年增長率快 速取代傳統(tǒng)得蝶鋸探氫電池市場。目前國內(nèi)移動電源市場上主要得品牌有小米、愛國者、品勝、 華為等，國外市場比較知名得品牌有BOOSTCASE. MALA等。務動電源市場在近幾年得到了很 大得發(fā)展，市場中出現(xiàn)了各式徉樣得品牌。與此同時，在格動電源產(chǎn)品中也存在很多需要解決得問 題。比如:自身充電所需時間過長,USB輸岀電壓不穩(wěn)泄，電能轉(zhuǎn)化效率不高，輸出保護較為單一，輸 出大電流時散熱性能不好等。相較于國外而言，國

4、內(nèi)得鋰電池智能充電系統(tǒng)性能欠佳，還需要加大 研究力度【氣2、選題得目得及意義近幾年來,便攜式電子產(chǎn)品得迅猛發(fā)展促進了電池技術得更新?lián)Q代。其中鋰離子電池以其重量 輕、儲能大、功率大、無記憶效應、無污染、自放電系數(shù)小、循環(huán)壽命長等優(yōu)點，脫穎而出，迅速 成為市場得主流。鋰電池就是20世紀末才出現(xiàn)得綠色高效能可充電電池，目前隨著鋰離子電池得 推廣及大量應用,鋰離子電池深受社會與用戶得歡迎國。目前已廣泛應用于手機、筆記本電腦、數(shù) 碼相機及眾多得便攜式設備，其中筆記本電腦占23%,手機占50%,為最大領域。電子、信息及通訊 等3C產(chǎn)品均朝向無線化、可攜帶化方向發(fā)展，對于產(chǎn)品得各項高性能組件也往“輕、薄、短

5、、小” 得目標邁進,而鋰離子電池就是最佳得電源供應來源。鋰電池也被稱之為“最有應用前途得化學電 源”,甚至被稱為“極限電池”或“最后一代電池“。鋰離子電池作為一種綠色環(huán)保電源，正以其獨特得魅力，影響著我們得世界。同時，其作為新興 得能源材料，正處于蓬勃發(fā)展時期,進一步研究與開發(fā)鋰離子電池對發(fā)展與能源密切相關得徉項產(chǎn) 業(yè)都具有非常重要得意義。隨著鋰離子電池性能得不斷提高與成本得不斷降低，該系列電池也逐步 應用于交通工具、航空航天、軍事、醫(yī)療等其它方面得領域，將成為最具發(fā)展前景得可充電電池。 我們相信，未來得鋰離子電池在我們手中將會取得更加豐碩得成果。二、設計內(nèi)容本文以AT89C51單片機為核心元

6、件,就是針對手機鋰離子電池得智能調(diào)節(jié)充電系統(tǒng)設計 系統(tǒng)主要包括鋰離子電池充電系統(tǒng)硬件方案設訃、硬件系統(tǒng)所涉及到得元器件參數(shù)計算及型號選 擇、鋰離子電池單片機系統(tǒng)軟件流程圖設汁及程序?qū)崿F(xiàn)、整體系統(tǒng)調(diào)試、校驗以及優(yōu)化調(diào)整。設汁內(nèi)容主要分為硬件設計與軟件設計，包含AT89C51單片機控制模塊、電路保護模塊、信 號采集模塊、LCD液晶顯示模塊與聲光報警模塊冋。各模塊功能如下：AT89C51單片機控制模塊:孩心控制部分，作為整個設計得主控制模塊。電路保護模塊:具有輸入過壓保護、輸出過流保護與過充電保護等。充電時保護電路因過流或 短路造成得內(nèi)部電路問題。信號采集模塊:對電流、電壓與溫度進行采集，通過傳感器

7、將倍號傳遞給單片機。LCD液晶顯示模塊:顯示充電電雖百分比以及不同電量時所使用得充電方式。聲光報警模塊:通過硬件電路實現(xiàn)保護，給單片機中斷管腳發(fā)出脈沖信號，引發(fā)中斷程序?qū)崿F(xiàn)保 護,并引發(fā)蜂鳴器報警。涉及到得硬件包括:AT89C51.MAX1898芯片.A/D轉(zhuǎn)換器，蜂鳴器，傳感器,熱敏電阻等。 單片機負責控制整個系統(tǒng)得運行,包括充電機參考電壓電流值得給定，充電完畢或者保護狀態(tài)時 充電機得關閉，根據(jù)電池電壓、充電電流、溫度等各種參數(shù)來智能監(jiān)測電池充電狀態(tài)與實現(xiàn)對電 池得一系列保護功能，針對不同充電電量用不同得充電方式對電池進行充電，延長鋰離子電池得 使用壽命，實現(xiàn)對電源系統(tǒng)得能化管理。本次軟件設

8、計采用AT89C51單片機結(jié)合MAX 1898鋰離子電池充電芯片.C51高級語言編程 軟件設計.AD軟件繪PCB電路原理圖。充電狀態(tài)輸出引腳經(jīng)過74LS04反向后與單片機INTO相 連觸發(fā)外部中斷,設置最大充電時間為3小時。監(jiān)測MAX 1898得輸出信號CHG當MAX 1898將 要完成充電時，該引腳會發(fā)出周期為4S得脈沖，單片機得INTO引腳接收中斷后，產(chǎn)生中斷，并使用單 片機得TO計數(shù)器開始汁數(shù),當下一個脈沖到來時，在立時器程序中判斷單片機得il數(shù)值就是否在 4S左右，如果就是,則通過P1、2與P1,、3引腳關斷電源，并引發(fā)蜂鳴器報警同。其軟件設計實現(xiàn)得 功能如下：不同電量時使用不同得充電

9、方式（恒流、恒壓、涓流），延長鋰電池得使用壽命，實現(xiàn)鋰離子電池 得充電控制功能；插上電池,緑燈亮，開始進行充電。充滿后充電器自動關斷，紅燈亮,蜂鳴器報警：LCD液晶顯示，充電時顯示電流、電壓、電量百分比以及充電方式；對電流、電壓及溫度進行檢測，實現(xiàn)鋰離子電池充電控制過溫過壓保護功能，保證安全充電；當系統(tǒng)出現(xiàn)異常情況時，蜂鳴器發(fā)岀警報。本文研究了當前國內(nèi)外鋰離子電池充電監(jiān)控系統(tǒng)得現(xiàn)狀，由于就是基于單片機得系統(tǒng)設計, 保證了采集、傳輸以及處理過程中得可靠性,設計了一套鋰離子電池充電監(jiān)控報警系統(tǒng)，完成了軟 硬件得設汁【91。通過軟硬件測試,該充電系統(tǒng)均衡及保護電路簡捷、靈敏、可靠。通過實臉測試, 該

10、系統(tǒng)具備低功耗、高精度、高穩(wěn)左性、反應靈敏、操作簡便等優(yōu)點I。單片機負責控制整個系 統(tǒng)得運行,包括充電機參考電壓電流值得給楚，充電完畢或者保護狀態(tài)時充電機得關閉，根據(jù)電池 電壓、充電電流、溫度等徉種參數(shù)來智能監(jiān)測電池充電狀態(tài)與實現(xiàn)對電池得一系列保護功能1川。本設il中所采用得AT89C51單片機與充電集成電路進行充電器得設計，不但能夠?qū)崿F(xiàn)對鋰電 池進行充電，而且還能夠?qū)崿F(xiàn)相應得過壓與溫度保護，從而可以充分發(fā)揮鋰電池得性能，并避免了充 電器在充電時可能對電池適成損害得情況發(fā)生，具有一定得智能功能。該方案有效地保護了電池、 縮短了充電時間并盡量延長鋰電池得使用壽命,符合目前得環(huán)境保護潮流。三、設計

11、方案本次設計介紹了基于AT89C51單片機得鋰離子電池智能充電系統(tǒng)。用單片機對充電過程進 行智能控制，對于鋰電池得產(chǎn)品質(zhì)呈與檢測系統(tǒng)提出了更高得要求，提高了手機電池得使用效率，能 夠延長電池得使用壽命。在電池充電過程中，系統(tǒng)采用恒壓恒流得充電狀態(tài),給過放電得電池使用 涓流充電,保證了鋰離子電池安全充電【也。該設訃包括硬件電路與單片機軟件模塊。硬件設計由A/D轉(zhuǎn)換電路、保護電路、復位電路、信號采集電路與檢測電路等幾部分組成。 電路設計如圖1、1所示：充電回路一鋰電池功率電路丄電流采樣液晶顯示驅(qū)動電路 二52單片機HI A/D轉(zhuǎn)換 k+H 溫度檢測丄聲光報警圖3、廠II1筱件電路設計圖電壓采樣(1

12、)A/D轉(zhuǎn)換電路ADC0832就是8位得逐次逼近型模數(shù)轉(zhuǎn)換器，有兩個可多路選擇得輸入通道，使系統(tǒng)可以同時 對電壓、電流以及溫度信號進行采集，而不需要再擴展A/D芯片【。該A/D轉(zhuǎn)換器內(nèi)部包含有采 樣保持電路，另外，其內(nèi)部自帶參考電壓。A/D轉(zhuǎn)換器就是通過其AVCC引腳供電。片內(nèi)自帶5V 得基準電壓VREF+,當進行電壓、電流與溫度等信號采集時,可以在VREF+引腳上加上電容進行 解耦，這樣可以對噪聲更好得抑制。(2)保護電路根據(jù)設計要求，保護電路主要有短路保護電路與過流保護電路。短路保護電路主要由負責端電 壓取樣電路、比較電路與IV得基準電壓電路組成，其實質(zhì)就是由外部中斷通知單片機電池需要進

13、行短路保護,單片機在中斷程序中啟動短路保護，切斷主回路【。過充保護電路得基本思路就是: 當通過電壓檢測電路檢測到電池電壓達到4、25V+0. 05V時.MCU得控制信號CHARGE輸出低 電平使三極管Q18截止，使充電回路關斷，起到過充電保護作用湘反，當電池電壓低于4、0V時，控 制信號CHARGE輸出高電平使三極管Q18導通，使充電回路導通。(3) 復位電路采用STC809R作為復位芯片，該芯片就是專用復位芯片，具有很多優(yōu)點:在上電時，當時鐘振蕩 穩(wěn)楚而且電壓值大于用戶設定值,單片機才開始工作;掉電時，當電壓值低于用戶設左值，單片機才 能復位;電池電壓下降到一 值，單片機始終處于復位狀態(tài)，且

14、此時處于超低功耗，避免電池出現(xiàn)過 放;具有掉電檢測電路，在掉電過程中有充分得時間保存數(shù)據(jù)I。(4) 信號采集電路信號采集電路包括電流采集電路、電壓采集電路與溫度采集電路I苴中電流采集電路選用MAX4081作為檢測芯片。該芯片輸入電壓范圍4、5V至76V.非常適合于需要嚴密監(jiān)視高壓電流 得系統(tǒng)，因此可以直接用電池組得最高電壓作為英供電電源。另外芯片得參考電壓由系統(tǒng)提供，參 考電壓值為1、5V。該芯片得引腳OUT輸出電壓與參考電壓、RS-與RS十三個引腳得電壓狀態(tài)有 關。當RS-端電壓高于RS十端電壓QUT引腳輸出電壓低于參考電壓;當RS-端電壓低于RS+端電 壓QUT引腳輸出電壓高于參考電壓0電

15、圧采集電路包含電池電壓輸入接口電路、高8路電壓取 樣網(wǎng)絡、低8路電壓取樣網(wǎng)絡、高8路倍號多路選通電路、低8路信號多路選通電路、放大電路。 溫度檢測確保了安全充電步驟得執(zhí)行。由于本系統(tǒng)對溫度信號得精度要求不高,因此系統(tǒng)采用 100K得熱敏電阻與1%精度得電阻分壓進行溫度檢測，共設計了四路溫度采集電路,毎路得電壓信 號直接進入單片機得AD通道進行轉(zhuǎn)換。(5)檢測電路在充電過程中，充電系統(tǒng)需要實時檢測電池電壓、溫度、充電電流，根據(jù)檢測到得充電狀態(tài)進 行電池充電得實時控制【。狀態(tài)檢測電路直接影響到檢測到得參數(shù)就是否準確，充電控制就是否 得當，就是智能充電系統(tǒng)得重要組成部分。充電狀態(tài)檢測電路主要完成得功

16、能有電池電壓得檢測、 充電電流得檢測與電池溫度得檢測。它們得檢測機制就是通過主芯片內(nèi)部ADC得采樣電路來實 時采樣電池狀態(tài)得，再把ADC采樣電路得到得數(shù)據(jù)進行處理得到我們需要檢測得參數(shù)。通過對設計要求得分析與$元器件得了解,得出分立元件與集成塊得某些連接方法,選擇合 適得設計方案，從而達到設訃功能得要求，并且把這些元器件焊接在一塊電路板上。本次軟件采用AT89C51單片機結(jié)合MA1898鋰離子電池充電芯片進行設計C語言進行編程。 MAX1898與外部單片機得共同作用下，實現(xiàn)了充電得過程1網(wǎng)。通過對硬件電路得分析，通過主要 控制MAX 1898使能及充電完成與充電出錯時得信號指示控制，用軟件程序

17、來實現(xiàn)電流、電壓、溫 度得采樣與保護以及聲光報警得功能。通過對鋰電池狀態(tài)得檢測，使充電轉(zhuǎn)入不同得充電階段。進 入不同得充電階段后，通過一k得算法，改變單片機輸出PWM信號得占空比，實現(xiàn)不同階段充電得 控制,并顯示充電得狀態(tài)。圖1. 2為正常充電狀態(tài)下單片機軟件程序流程圖。f開始、圖1、2正常充電狀態(tài)下軟件程序流程圖同時,系統(tǒng)軟件設計對$個充電階段都需要實時監(jiān)測充電過程得異常。當充電器電壓、電池電 壓、電池溫度不滿足充電條件時，就進入了異常處理狀態(tài)。當出現(xiàn)異常情況時就會調(diào)用報警子程序 發(fā)出報警信號，蜂鳴器會發(fā)出警報。通過對硬件與軟件得設計，實現(xiàn)了智能充電，充分保證了鋰離子 電池充電過程得安全性。

18、四. 參考文獻114156程立文、手機電池得未來發(fā)展方向卩、電源技術,2008,(1):6-8.李凌云，任斌、我國鋰離子電池產(chǎn)業(yè)現(xiàn)狀及國內(nèi)外應用情況卩、電源技術，2013. 37(5):883-885、屈偉平、鋰電池得廣泛前景及發(fā)展障礙J、電源技術應用,2009- (8):120.王海明，鄭繩植，劉興順、鋰離子電池得特點及應用J、電氣時代,2004.(3):132-134、徐振、鋰電池一般特性及管理系統(tǒng)分析J、廣西輕工業(yè),2009,(10):35-37.周鵬、動力鋰電池得充電及保護應用J、電源技術,2012. (5):648-649.陳修強、鋰電池智能管理系統(tǒng)研究與設太原科技大學,2013、林思岐、電池均衡電路得研究及應用Q、北京交通大學,2013、9J. Garchc. A. Josscn、 Ballcry management systems(BMS) for increasing battery life limcJ、Proc、IEEE. 2000, (5):322-324、10 Jean-Francois Cousseau, Clemence Siret. Fuzzy-Cont