基于單片機的智能充電器的設計及報告

重慶交通大學電子信息工程07級3班綜合電路設計報告標題：智能充電器的設計設計者：—XXX學號：XXX指導教師：XXX設計時間：2010年5月25日智能充電器的設計【摘要】隨著手機在世界范圍內(nèi)的普及，手機電池充電器的使用越來越廣泛。充電器種類繁多，但從嚴格意義上講，只有單片機參與處理和控制的充電器才能稱為智能充電器。該設計利用51單片機的處理控制能力實現(xiàn)充電器的智能化，在單片機的控制下，具有預充、充電保護、自動斷電和充電完成報警提示功能。該設計包括了六個功能模塊：單片機模塊：實現(xiàn)充電器的智能控制，如自動斷電，充電完成報警提示。充電過程控制模塊：采用專用的電池充電芯片實現(xiàn)對充電過程的控制。光耦模塊：控制通電和斷電，在電池充滿電后及時關(guān)斷充電電源。充電電壓提供模塊：將一般家用交流電壓經(jīng)過變壓器、電壓轉(zhuǎn)換芯片等轉(zhuǎn)換為5V直流電壓。電壓測試模塊：利用AD轉(zhuǎn)換把充電電池兩端的電壓通過數(shù)碼管顯示出來。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)充電狀態(tài)給出有關(guān)的指示?！娟P(guān)鍵字】單片機、電壓轉(zhuǎn)換、MAX1898智能、充電器【目錄】TOC\o"1-5"\h\z一、設計綜述，,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,，1->基本方案，,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,，2三、軟硬件設計,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,4四、軟硬件仿真,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,11五、測試,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,12六、設計體會，,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,，13七、參考文獻，,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,，14一、設計綜述手機電池的使用壽命和單次使用時間預充電過程密切相關(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，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也比較苛刻，需要保護電路，為了有效利用電池容量，須將鋰電池充點值最大電壓，但是過壓充電會導致電池損壞，這就要求較高的充電精度。而大部分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%ft停止大電流快充，而采用小電流涓流補充充電，這樣就使充電時間增長了。一部好的充電器不但能在短時間內(nèi)將電量充足，而且還可以對鋰電池起到一定的維護作用，修復由于記憶造成的記憶效應，即電池容量下降現(xiàn)象。設計比較科學的充電器往往采用專用充電芯片配合單片機控制的方法。專用的充電芯片可以檢測出電池充電飽和時發(fā)出的電壓變化信號，比較精確的結(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，以縮短充電時間，同時能夠維護電池，延長電池使用壽命。另外，比起一般充電器，智能充電器還增加了充電電壓的顯示，讓我們能直觀的看到電池的由預充、快充、滿充充電階段，從而加強對電池的維護。二、基本方案（一）方案分析該設計采用逐個功能模塊分析再組合的方法來實現(xiàn)方案。1、單片機模塊智能的實現(xiàn)利用單片機控制，經(jīng)過分析，單片機芯片可以選擇Atmel公司的AT89C52來控制充滿電時蜂鳴器報警聲，以及通過中斷控制光耦器件通電和斷電。2、充電過程控制模塊根據(jù)手機鋰電池的需求特性，選擇采用Maxim公司的MAX1898乍為電池充電芯片。充電芯片Max1898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、溫度檢測器和主控器，輸入電流調(diào)節(jié)器用于限制總輸入電流，包括系統(tǒng)負載電流與充電電流，但檢測到輸入電路大于設定的門限電流時，通過降低充電電流從而控制輸入電流，Max1898外接限流型充電電源和PNP功率三級管，可對單節(jié)鋰電進行有效的快充，它通過外接電容設定充電時間，通過外接電阻設置最大充電電流。定時電容C和充電時間Tchg的關(guān)系式滿足：C=34.33XTchg最大充電電流Imax和限流電阻Rset的關(guān)系式滿足：Imax=1400/Rset3、光耦模塊為了在充滿電后能及時關(guān)斷充電電源，則需要引入一個光耦模塊芯片6N137。6N137光耦合器是一款用于單通道的高速光耦合器，其內(nèi)部有一個850nm波長AlGaAsLED和一個集成檢測器組成，具檢測器由一個光敏二極管、高增益線性運放及一個肖特基鉗位的集電極開路的三極管組成。具有溫度、電流和電壓補償功能，高的輸入輸出隔離，LSTTL/TTL兼容，高速（典型為10MBd）5mA的極小輸入電流。6N137光耦合器的真值表如下：6N137光耦合器的真值輸入“+”ENOUTPUT輸入“+”ENOUTPUT1100010111NC01010NC14、充電電壓提供模塊:由于一般家用電壓為+220V交流電壓，需要設置一個電壓轉(zhuǎn)換電路將+220V交流電壓轉(zhuǎn)換成+5V直流電。首先用變壓器將220V交流電壓轉(zhuǎn)換成7V交流電，經(jīng)過橋式整流變成直流電，再利用電壓轉(zhuǎn)換芯片LM7805將7V直流電壓轉(zhuǎn)換為5V直流電壓。5、電壓測試模塊該部分采用AD轉(zhuǎn)換來實現(xiàn)充電電壓的現(xiàn)實。采用中斷觸發(fā)，基本原理是將一段時間內(nèi)的輸入模擬電壓U和參考電壓UR通過兩次積分，變換成與輸入電壓平均值成正比的時間問隔，再變換成正比于輸入模擬信號的數(shù)字量。把模擬信號轉(zhuǎn)換成數(shù)字信號，轉(zhuǎn)換原理為：UA=UR（dn「2n」dnN2n，.…d121d020）其中，2n為準換后的二進制位數(shù)，dn-1-d0為具體二進制位。Ur為參考電壓，Ua為顯示電壓。（二）方案實現(xiàn)功能方案實現(xiàn)的功能，即充電過程：,預充在安裝好電池之后，接通輸入直流電源，當充電其檢測到電池時將定時器復位，從而進入預充過程，在此期間充電器以快充電流的10%給電池充電，使電壓、溫度恢復到正常狀體，預充電時間由外接電容C9確定，如果在預充時間內(nèi)電池電壓達到2.5V,且電池溫度正常，則進入快充過程；如果超過預充時間后，電池電壓低于2.5V,則認為電池不可充電，充電器顯示電池故障，由單片機發(fā)出故障指令，LED旨示燈閃爍，,快充快充就是以恒定電流對電池充電，包流充電時，電池的電壓緩慢上升，一旦電池電壓達到所設定的終止電壓時，恒流充電終止，充電電流快速遞減，充電進入滿充過程，,滿充在滿充過程中，充電電流逐漸遞減，直到充電速率降到設置值以下，或滿充

超時時，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電阻，盡管在滿充和頂端截至充電過程中充電電流逐漸下降，減小了電池內(nèi)阻和其它串聯(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，,斷電當電池充滿后，Max1898芯片的2腳/Chg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.O□控制光耦切斷L7805向Max1898供電，從而保證芯片和電池的安全，同時也減小功耗。?報警當電池充滿后，MAX18985片的2引腳/CHG發(fā)送三、軟硬件設計(一)硬件部分1、單片機控制設計，電路如下:?■■W11ppP更二巨IXTL'：.加4。?■■W11ppP更二巨IXTL'：.加4。)j71)￡A\PPSTALOXT.ALlWEN汪芷T~<2際-一Q?:".ED)電路說明如下：P3.1腳控制發(fā)出報警聲提示；P3.0腳輸出控制光耦器件，在需要的時候可以及時關(guān)斷充電電源外部中斷0由充電芯片MAX1898勺充電狀態(tài)輸出信號經(jīng)過反向后觸發(fā)

2、充電部分：該部分為設計的主核心部分，利用MAX189潼己合外部PNPffl成完整的單節(jié)鋰電池充電器。電路圖具體說明：MAX1898勺電壓/&入腳IN輸入電壓范圍為4.5V~12V,鋰電池的充電方式要求是恒流、恒壓方式，所以電源輸入需要采用恒流包壓源。PNP場效應管為電壓放大型器件，輸入阻抗高，耐壓高，通過外接的PNP場效應管提供鋰電池的充電接口。(3)引腳CT通過外接的電容CCt來設置快充時的最大充電時間tcHG。100=34.33Xtmax(4)引腳ISET通過外接電阻RSET來設置最大充電電流Ifast。關(guān)系式如下：Ifast=1400/2.8X103電路圖如下：3、光耦控制部分，實現(xiàn)電路如下:vccEN0UTPI7TNCGNDS76_5vccEN0UTPI7TNCGNDS76_5；C70.0luf電路說明：即當GATE俞入為低電平時，OUTPU輸出為高電平；當GATE俞入為高電平時，OUTPU輸出為低，即斷電。4、充電電壓轉(zhuǎn)換，實現(xiàn)電路模塊如下：Tl5、充電電壓顯示，該部分其實就是一個AD轉(zhuǎn)換，原理圖如下:電路圖中的兩組電容，具作用是濾波。6、總電路（總電路實際上是由第5部分的充電電壓和下圖構(gòu)成）”I.出而現(xiàn)L力才K3M上鵬翳ITaLlVII的推燈制：a箝迎智N丁中i由山ClJ,nk^JZGE?Lj—!FF0L,j士（二）軟件部分1、程序流程圖開始初始化2、程序代碼及說明〃防止BattCharger.h被重復引用的h文件#ifndefBATTCHARGERH#defineBATTCHARGERH#include<reg51.h>sbitGATE=P3A0;sbitBP=P3A1；uintt_count,int0_count;#endif/*****************************************************************主程序#include"reg52.h"#include"ABSACC.h"#include"intrins.h"#include"BattCharger.h"#defineucharunsignedchar#defineuintunsignedint#definePORTA4XBYTE[0x7F8F]uchartab[]={0xc0,0xC0,0xC0,0xC0,0xC0,0xC0,0xC0};uchartab2[]={0xC7,0xCB,0xD3,0xF3};ucharSEGPT2[]={0xc0,0xf9,0xa4,0xb0,0x99,0x92,0x82,0xf8,0x80,0x90,0x88,0x83,0xc6,0xa1,0x86,0x8e};unsignedintNum;unsignedintgetdata;ucharkeydata;ucharselectkey;unsignedintdate;sbitCLOCK=P3A5;uinttt=0;/*延時子程序*/voiddelay(Num){unsignedintii;for(ii=0;ii<Num;ii++){}

)/*****************************************************************定時器0和中斷0控制充電過程*****************************************************************//*定時器0中斷服務子程序*/voidtimer0()interrupt1using1TR0=0;TH0=-5000/256;TL0=-5000%256;TR0=0;TH0=-5000/256;TL0=-5000%256;t_count++;if(t_count>600)//停止計數(shù)//重設計數(shù)初值//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)else//否則即是充電出錯(GATE=1;BP=1;)ET0=0;//關(guān)閉T0中斷EX0=0;//關(guān)閉外部中斷0int0_count=0;t_count=0;)elseTR0=1;//啟動T0計數(shù))/*外部中斷0服務子程序*/voidint0()interrupt0using1(if(int0_count==0)(

//5ms定時//啟動定//5ms定時//啟動定時/計數(shù)器0計數(shù)//產(chǎn)生定時器0中斷的計數(shù)器清零TL0=-5000%256;TR0=1;t_count=0;)int0_count++;)/*****************************************************************定時器1和中斷1控制AD轉(zhuǎn)換/*定時器1中斷服務子程序*/voidtimel(void)interrupt3(CLOCK=-CLOCK;)/*外部中斷1服務子程序*/voidint1(void)interrupt2(getdata=0;date=0;getdata=PORTA4;date=getdata*100/51;tab[0]=SEGPT2[date/100]-0x80;tab[1]=SEGPT2[date%100/10];tab[2]=SEGPT2[date%10];tab[3]=SEGPT2[0];TR0=0;)/*顯示子程序*/voidDlSP(void)(unsignedinti;for(i=0;i<5;i++)(P2=0;P1=tab[i];P2=tab2[i];delay(255);))/*初始化*/voidinit()(EA=1;//打開CPU斷PT0=1;//T0中斷設為高優(yōu)先級TMOD=0x01;//模式1,T0為16位定時/計委ET0=1;//打開T0中斷BP=1;//關(guān)閉蜂鳴器int0_count=0;//產(chǎn)生外部中斷0的計數(shù)器IT0=1;//外部中斷0設為邊沿觸發(fā)EX0=1;//打開外部中斷0GATE=1;//光耦正常輸出電壓清零)voidmain(void)(TH1=(65536-50000)/256;TL1=(65536-50000)%256;ET1=1;init();while(1)(DISP();PORTA4=0x00;IT1=1;EX1=1;))四、軟硬件仿真該設計中，由于在Protues和Multisim里都找不到元件MAX189舜口6N137,不過好在單片機對充電過程的控制不復雜，可以在protel里畫圖，然后直接在在電路板上焊接測試。因此該設計可以仿真的部分只有用于充電器兩端的電壓顯示部分(即AD轉(zhuǎn)換部分)。仿真調(diào)試步驟如下：

（一）在Keil程序里邊新建項目，名稱為“充電器顯示”，并選擇單片機型號為AT89C52.BUS（二）執(zhí)新建文件，輸入源程序保存為充電器顯示.C,并保存，然后將源程序添加到項目中。（三）執(zhí)行菜單命令"ProjectOptionsforTarget（Target1'"，在彈出的對話框中選擇“Output”選項卡，選中“GreateHEXFile”。（四）編譯源程序，得到HEX文件。（五）在proteus仿真平臺上建立仿真原理圖，并將程序上載到虛擬芯片上調(diào)試及運行。結(jié)果如下：fmwixpfmwixp五、測試（一）測試方法1、線路連接按仿真圖在萬用板上大概排下版，然后開始焊接，并連好每條線，檢查無誤后,進行下■步。2、硬件是否工作測試由于充電器電路實現(xiàn)比較特殊，芯片是否正常工作不好確定，且該設計有一部分不能仿真，只能根據(jù)資料仔細研究分析各芯片的引腳功能及特征，綜合考慮、檢測。一般的測試方法是：（1）先用萬用表歐姆檔逐步測量線路，確保線路都連接正確。（2）然后，編寫一段測試程序進行調(diào)試，即看各端口的工作狀態(tài)是否和預設的一致來檢測芯片是否工作，這個主要是測單片機是否正常工作，從而診斷出電路板是哪一部分出了問題然后再進行調(diào)試。（3）根據(jù)充電芯片特性，預設芯片某個輸入腳的狀態(tài)，檢測芯片輸出是否和預想的一樣，來檢測芯片是否能正常工作。（二）測試條件和測試環(huán)境該設計測試條件要求不高，只需具備一些常見測試工具：電源、萬用表、鋰電池，便可以進行焊接測試。（三）測試結(jié)果充電芯片可以正常充電，實現(xiàn)預充、快充、滿充，數(shù)碼管顯示實時充電電壓。六、設計體會這次設計所以總的來說，不算順利，基本上到最后我們才調(diào)試出來，因此我有很多感觸。一開始的時候，從圖書館借了些資料，參照資料進行原理圖的設計，而我們選擇的題目用到的幾個芯片都是我們以前沒接觸過的，于是就得到網(wǎng)上找相關(guān)芯片的資料，來了解芯片特性，從而實現(xiàn)芯片的控制功能，畫出原理圖，但由于我們所選的MAX189序D6N137芯片和不常見，電路有一部分不能進行仿真，這也決定了我們的調(diào)試會是一個艱巨的過程。完成原理圖的設計，然后是焊板，這是一個需要耐心加細心的過程，哪怕一個小小的錯誤也會使結(jié)果出不來，所以必須要一條線一條線的檢查，確認無誤才能在萬能板上接。還有在焊接的時候也要特別小心，稍不注意就會被電烙鐵燙到，或出錯了把芯片給燙壞了或者不該連接的線路被焊錫連起來了。同時這也需要同組人的配合，三個人交換檢查線路，出錯的可能性就小一些，通