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基于单片机的锂电池充电器设计基于单片机的锂电池充电器设计 摘摘 要要 电子技术的快速发展使得各种各样的电子产品都朝着便携式和小型轻量化的方向 发展，也使得更多的电气化产品采用基于电池的供电系统。目前，较多使用的电池有 镍镉、镍氢、铅蓄电池和锂电池。它们的各自特点决定了它们将在相当长的时期内共 存发展。由于不同类型电池的充电特性不同，通常对不同类型，甚至不同电压、容量 等级的电池使用不同的充电器，但这在实际使用中有诸多不便。 本课题设计是一种基于单片机的锂离子电池充电器，在设计上，选择了简洁、高 效的硬件，设计稳定可靠的软件，详细说明了系统的硬件组成，包括单片机电路、充 电控制电路、电压转换及光耦隔离电路，并对本充电器的核心器件MAX1898 充电芯 片、AT89C2051 单片机进行了较详细的介绍。阐述了系统的软硬件设计。以 C 语言为 开发工具，进行了详细设计和编码。实现了系统的可靠性、稳定性、安全性和经济性。 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；充电器短路保护功能；充电状态显示的功能。在生活中更好的维护了充电 电池，延长了它的使用寿命。 关键词关键词：充电器；单片机；锂电池；MAX1898 Lithium Battery Charger Design Based On Single Chip Abstract Electronic technologys fast development causes various electronic products develops toward portable and the small lightweight direction, It also causes the more electrification products to use based on batterys power supply system. At present, the many uses batteries have the nickel cadmium, the nickel hydrogen, the lead accumulator and the lithium battery. Their respective characteristic had decided they will coexist in a long time develop. Because the different type batterys charge characteristic is different, usually to different type, even different voltage, capacity rank battery use different battery charger, but this has many inconveniences in the actual use. This topic design is one kind lithium ion battery charger which is based on Single Chip, in the design, it has chosen succinctly, the highly effective hardware, the design stable reliable software, explained in detail systems hardware composition, including the monolithic integrated circuit electric circuit, the charge control electric circuit, the voltage transformation and the light pair isolating circuit, and to this battery chargers core component - MAX1898 charge chip, at89C2051 monolithic integrated circuit has carried on the detailed introduction. Elaborated systems software and hardware design. Take the C language as the development kit, has carried on the detailed design and the code. Has realized systems reliability, the stability, the security and the efficiency. The intelligence battery charger has the examination lithium ion batterys condition; The automatic cut over charge pattern meets when rechargeable batterys charge needs; Battery charger has short circuit protection function; The charge condition demonstrations function. The battery charger has made the better maintenance rechargeable battery in the life，and lengthened the rechargeable batterys service life. Key words：Charger; SCM; Lithium battery; MAX1898 目目 录录 引引 言言.1 第第 1 章章 绪论绪论.2 1.1 课题研究的背景2 1.2 课题研究的主要工作3 第第 2 章章 电池的充电方法与充电控制技术电池的充电方法与充电控制技术.5 2.1 电池的充电方法和充电器5 2.1.1 电池的充电方法5 2.1.2 充电器的要求和结构9 2.1.3 单片机控制的充电器的优点.10 2.2 充电控制技术10 2.2.1 快速充电器介绍10 2.2.2 快速充电终止控制方法11 第第 3 章章 锂电池充电器硬件设计锂电池充电器硬件设计.14 3.1 单片机电路14 3.2 电压转换及光耦隔离电路17 3.3 电源电路18 3.4 充电控制电路20 3.4.1 MAX1898 充电芯片20 3.4.2 充电控制电路的实现 24 第第 4 章章 锂电池充电器软件设计锂电池充电器软件设计.26 4.1 程序功能.26 4.2 主要变量说明26 4.3 程序流程图26 结论与展望结论与展望.29 致致 谢谢.30 参考文献参考文献.31 附录附录 A 电路原理图电路原理图.32 附录附录 B 外文文献及其译文外文文献及其译文.33 附录附录 C 主要参考文献的题录及摘要主要参考文献的题录及摘要.40 附录附录 D 主要源程序主要源程序.42 插图清单插图清单 图 2-1 恒流电源充电电路5 图 2-2 准恒流充电电路5 图 2-3 恒压充电电路6 图 2-4 浮充方式充电电路6 图 2-5 涓流方式的简单示意图6 图 2-6 分阶段充电的简单示意图7 图 2-7 V 控制系统框图7 图 2-8 充电电池、电池电压和充电时间的关系8 图 2-9 电池温度检测简图8 图 2-10 电池温度和充电时间的关系9 图 2-11 充电器结构框图10 图 2-12 锂电池的充电特性11 图 2-13 快速充电器原理框图12 图 3-1 6N137 光耦合器18 图 3-2 lm7805 样品.18 图 3-3 LM7805 内部结构框图.19 图 3-4 LM7805 功能框图.20 图 3-5 MAX1898 的引脚21 图 3-6 MAX1898 的典型充电电路22 图 3-7 基于 MAX1989 的智能充电器的原理图.23 图 3-8 锂离子电池充电电路25 图 4-1(a) 等待外部信号输入27 图 4-1(b) 外部中断程序27 图 4-1(c) 定时器程序28 图 4-1 智能充电器的程序流程图28 安徽工程大学毕业设计（论文） - -5 表格清单表格清单 表 1-1 铅酸、镍镉、镍氢和锂离子电池的性能比较2 表 4-1 P3 口.15 表 4-2 LED 指示灯状态说明 .22 表 5-1 变量及说明26 项冲：基于单片机的锂电池充电器设计 6 引引 言言 社会信息化进程的加快对电力、信息系统的安全稳定运行提出了更高的要求。在 人们的生产、生活中，各种电气、电子设备的应用也越来越广泛，与人们的工作、生 活的关系日益密切，越来越多的工业生产、控制、信息等重要数据都要由电子信息系 统来处理和存储。而各种用电设备都离不开可靠的电源，如果在工作中间电源中断， 人们的生产和生活都将受到不可估量的经济损失。 对于由交流供电的用电设备，为了避免出现上述不利情况，必须设计一种电源系 统，它能不间断地为人们的生产和生活提供以安全和操作为目的可靠的备用电源。为 此，以安全和操作为目的的备用电源设备上都使用充电电池。这样，即使电力网停电， 也可利用由充电电池构成的安全和操作备用电源，从容地采用其他应急手段，避免重 大损失的发生。而对于采用充电电池供电的用电设备，从生产、信息、供电安全角度 来说，充电电池在系统中处于及其重要的地位。 同时，具体到生活方面，随着社会的快速发展，电子产品小型化、便携化也使得 充电电池越来越重要，锂离子电池有较高的比能量，放电曲线平稳，自放电率低，循 环寿命长，具有良好的充放电性能，可随充随放、快充深放，无记忆效应，不含镉、 铅、汞等有害物质，对环境无污染，被称为绿色电池。基于这些特性，所以锂电池得 到了迅速的发展和广泛的应用。锂电池充电器是为锂离子充电电池补充能源的静止变 流装置，其性能的优劣直接关系到整个用电系统的安全性和可靠性指标。 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。 安徽工程大学毕业设计（论文） - - 7 - 第第 1 章章 绪论绪论 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(Liion)电池。 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 400600无3 镍镉电池1.250150400500有1530 镍氢电池1.26080240300500无2535 锂离子电 池 3.61201403001000无25 2.镍氢电池、镍镉电池与锂离子电池之间的差异 (1)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。 (2)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 项冲：基于单片机的锂电池充电器设计 - 8 - 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。 记忆效应一般认为是长期不正确的充电导致的，它可以使电池早衰，使电池无法 进行有效的充电，出现一充就满、一放就完的现象。防止电池出现记忆效应的方法是， 严格遵循“充足放光”的原则，即在充电前最好将电池内残余的电量放光，充电时要 一次充足。通常镍镉电池容易出现记忆效应，所以充电时要特别注意；镍氢电池理论 上没有记忆效应，但使用中最好也遵循“充足放光”的原则，这也就是很多充电器提 供放电附加功能的原因。对于由于记忆效应而引起容量下降的电池，可以通过一次充 足再一次性放光的方法反复数次，大部分电池都可以得到修复。 (3)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。 (4)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 2.73.0V，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。 3.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: (1)能进行充电前处理，包括电池充电状态鉴定、预处理。 (2)解决充电时间长、充电效率低的问题。 (3)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。 (4) 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： (1)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。 (2)使充电设备具有完善的自诊断功能和适时处理功能。 (3)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。 1.2 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: 安徽工程大学毕业设计（论文） - - 9 - 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。 项冲：基于单片机的锂电池充电器设计 - 10 - 第第 2 章章 电池的充电方法与充电控制技术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 2.1.1 电池的充电方法电池的充电方法 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。 图2-1 恒流电源充电电路 (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2-2 准恒流充电电路 2.恒压充电 恒压充电电路如图2-3所示。恒压充电是指每只单体电池均以某一恒定电压进行充 电。当对电池进行这一充电时，电池两端的电压决定了充电电流。这种充电方式的充 电初期电流较大，末期电流较小。充电电流会随着电压的波动而变化，因此充电电流 的最大值应设置在充电电压最高时，以免时电池过充电。 另外，这种充电方式的充电末期电压在达到峰值后会下降。电池的充电电流将变 大，会导致电池温度升高。随着电池温度升高，电压下降，将造成电池的热失控，损 安徽工程大学毕业设计（论文） - - 11 - 害电池的性能。 图2-3 恒压充电电路 3.浮充方式 在浮充方式中，电池以很小的电流(C/30C/20)进行充电，以使电池保持在满充状 态。浮充方式广泛应用于电池作为备用电源或应急电源的电气设备中。常规浮充方式 充电电路如图2-4所示。 图2-4 浮充方式充电电路 4.涓充方式 电池与负载并联，同时电池与电源(充电器)相连。正常情况下，直流电源作为负载 的工作电源，并以涓充方式为电池充电，只有当负载变得很大、直流电源端电压低于 电池端电压或直流电源停止供电后，电池才对负载放电。在这种方式下，充电电流由 使用模式决定。它通常使用在紧急电源、备用电源或电子表等不允许断电的场合。下 图2-5为涓充方式的简单示意图。 图2-5 涓流方式的简单示意图 5.分阶段充电方式 在分阶段充电方式中，在电池充电的初始阶段充电电流较大。当电池电压达到控 制点时，电池转为以涓流方式充电。分阶段充电方式是电池最理想的充电方式，但缺 项冲：基于单片机的锂电池充电器设计 - 12 - 点是充电电路复杂和成本较高。另外，需增设控制点的电池电压的监测电路。分阶段 充电方式的简单示意图如图2-6所示。 图2-6 分阶段充电的简单示意图 6.快速充电 在用大电流短时间对电流充电时，需用电池电压检测和控制电路。该电路在电池 充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 安徽工程大学毕业设计（论文） - - 13 - 图2-8 充电电池、电池电压和充电时间的关系 (3)电池温度检测 电池在充电末期，负极发生氧复合反应产生热量，使电池温度升高。由于电池温 度升高将导致充电电流增大，为控制充电电流，可在电池外壳上设置温度传感器或电 阻等温度检测元件。当电池温度达到设定值时，电池充电电路被切断。下面即给出了 电池温度检测简图和电池温度与充电时间的关系图。 图2-9 电池温度检测简图 项冲：基于单片机的锂电池充电器设计 - 14 - 图2-10 电池温度和充电时间的关系 2.1.2 充电器的要求和结构充电器的要求和结构 1.充电器的要求 对充电器的要求是：安全，快速，省电，功能全，使用方便，价格便宜。 快速充电器(1C4C 的充电器)的安全更为重要，终止快速充电的检测方法要可靠、 精确，以防止过充电。另外，一些充电器集成电路还设有充电时间定时器来作为一种 附加的安全措施。 功能全的充电器一般具有电池电压检测功能。若充电电池的电压大于终止放电电 压，为防止“记忆效应”产生，应先放电至终止放电电压，然后自动充电。先进行快 速充电，到终止快速充电时自动转为涓流充电，各个充、放电过程都有 LED 指示。功 能较齐全的充电器还应具有充电率的设定(选择)、充电电池数的设定、涓流电流大小设 定、定时器时间设定、充电前电池状态测定(判断电池好坏及安装是否良好)等功能，并 可根据电池的温度来选择充电参数(电池温度过低时不宜快充)。 当充电电流较小时可采用线性电源，充电电流较大时常采用开关电源，它既省电 又解决发热问题，并有可能由市电直接整流经 ACDC 变换获得低压直流电，可省去 笨重的工频变压器。 2.充电器的结构框图 早期的充电器是没有处理器的,它主要由充电器集成电路及电源部分组成，其内部 结构较复杂，引脚也较多。一般的功能较完善的充电器结构框图如图 2-11 AA 线右边 所示。 安徽工程大学毕业设计（论文） - - 15 - 图2-11 充电器结构框图 2.1.3 单片机控制的充电器的优点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。 这些芯片往往具备了充电过程控制，加上单片机对充电后的功能，如图 2-11 所示。 还可加入关断电源、蜂鸣报警和液晶显示等，就可以完成一个比较实用的充电器。 2.2 充电控制技术 2.2.1 快速充电器介绍快速充电器介绍 项冲：基于单片机的锂电池充电器设计 - 16 - 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 0.32 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： 图2-12 快速充电器原理框图 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，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)其他主控电路 主控电路除上述两种以外，还有温度监测和脉宽调制(PWM)控制电路。温度监测 常用热敏电阻监测电池温度。当电池温度高于设定值时，立即停止快速充电，即使电 池温度下降后，充电器也不会启动工作。只有它复位(人工或自动)后，才能启动再次转 人快速充电。 2.2.2 快速充电快速充电终止控制方法终止控制方法 充电控制技术是充电器系统中软件设计的核心部分。根据充电电池的原理，将锂 电池的电压曲线分为三段，具体见图2-13。 安徽工程大学毕业设计（论文） - - 17 - 图2-13 锂电池的充电特性 由于锂电池的最佳充电过程无法用单一量实现，在这三段应分别采用不同的控制 方式。具体为:进入BC段之前，电池电量己基本用完，此时采用恒定的小电流充电。 当进入BC段时，若采用恒流充电，电流过大会损坏电池，电流过小使充电时间过长， 根据电压变化情况控制充电电流，使电池充电已满，若此时停止充电，电池会自放电。 为防止自放电现象发生，采用浮充维护充电方式，用小电流进行涓流充电。 在恒流充电状态下，不断检测电池端电压，当电池电压达到饱和电压时，恒流充 电状态终止，自动进入恒压充电状态；恒压充电时，保持充电电压不变。由于电池内 阻不断变大，导致充电电流不断下降，当充电电流下降到恒流状态下充电电流的1/10时， 终止恒压充电，进入浮充维护充电阶段。 电池在充满电后，如果不及时停止充电，电池的温度将迅速上升。温度的升高将 加速板栅腐蚀速度及电解液的分解，从而缩短电池寿命、容量下降。为了保证电池充 足电又不过充电，可以采用定时控制、电压控制和温度控制等多种终止充电的方法。 (1)定时控制 该方法适用于恒流充电。采用恒流充电法时，根据电池的容量和充电电流，可以 很容易的确定所需的充电时间。充电的过程中，达到预定的充电时间后，定时器发出 信号，使充电器迅速停止充电或者将充电电流迅速将至浮充维护充电电流，这样可以 避免电池长时间大电流过充电。 这种控制方法较简单，但有其缺点：充电前，电池的容量无法准确知道，而且电 池和一些元器件的发热使充电电能有一定的损失，实际的充电时间很难确定。而该方 法充电时间是固定的，不能根据电池充电前的状态而自动调整，结果使有的电池可能 充不足电，有的电池可能过充电，因此，只有充电速率小于0.3C时，才采用这种方法。 (2)电池电压控制 在电压控制法中，最容易检测的是电池的最高电压。常用的电压控制法有： 最高电压(VMAX)：从充电特性曲线可以看出，电池电压达到最大值时，电池即充 足电。充电过程中，当电池电压达到规定值后，应立即停止快速充电。这种控制方法 的缺点是：电池充足电的最高电压随环境温度、充电速率而变，而且电池组中各单体 电池的最高充电电压也有差别，因此采用这种方法不可能非常准确地判断电池己足充 电。 电压负增量(V)：由于电池电压的负增量与电池组的绝对电压无关，而且不受 环境温度和充电速率等因素影响，因此可以比较准确地判断电池己充足电。这种控制 项冲：基于单片机的锂电池充电器设计 - 18 - 方法的缺点是：从多次快速充电实验中发现，电池充足电之前，也有可能出现局部 电压下降的情况，使电池在未充足电时，由于检测到了负增量而停止快充；镍镉电 池充足电后，电池电压要经过较长时间，才出现负增量，此时过充电较严重，此时电 池的温度较高，对电池有所损害。因此，这种控制方法主要适用于镍镉电池。 电压零增量(V)：锂电池充电器中，为了避免等待出现电压负增量的时间过久而 损坏电池，通常采用0V控制法。这种方法的缺点是：未充足电以前，电池电压在某 一段时间内可能变化很小，若此时误认为0V出现而停止充电，会造成误操作。为此， 目前大多数锂电池快速充电器都采用高灵敏0V检测，当电池电压略有降低时，立即 停止快速充电。 (3)电池温度控制 为了避免损坏电池，电池温度上升到规定数值后，必须立即停止快速充电。常用 的温度控制方法有： 最高温度(TMAX)：充电过程中，通常当电池温度达到40时，应立即停止快速充 电，否则会损害电池。电池的温度可通过与电池装在一起的热敏电阻来检测。这种方 法的缺点是热敏电阻的响应时间较长，温度检测有一定滞后。 温度变化率(T/t)：充电电池在充电的过程中温度都会发生变化，在充足电后， 电池温度迅速上升，而且上升速率T/t基本相同，当电池温度每分钟上升1时，应 当立即终止快速充电。应当说明，由于热敏电阻的阻值与温度关系是非线性的，因此， 为了提高检测精度应设法减小热敏电阻非线性的影响。 采用温度控制法时，由于热敏电阻响应时间较长，再加上环境温度的影响，因此， 不能准确的检测电池的充足电状态。 (4)综合控制法 以上各种控制方法各有其优缺点：由于存在电池个体的差异和个别的特殊电池， 若只采用一种方法，则会很难保证电池较好的充电。为了保证在任何情况下均能可靠 的检测电池的充足电状态，可采用具有定时控制、温度控制和电池电压控制功能的综 合控制法。 鉴于定时控制、温度控制、最高电压控制等单独作为终止条件使用的局限性，有 的系统中锂电池的充电终止也采用综合控制法。锂电池是以零增量检测为主，时间、 温度和电压检测为辅的方式。系统在充电过程检测有无零增量(V)出现，作为判断电 池已充满的正常标准，同时判断充电时间、电池温度及端电压，是否已超过预先设定 的保护值作为辅助检测手段。当电池电压超过检测门限时，系统会检测有无零增量出 现，若出现V，则认为电池正常充满，进入浮充维护状态；在充电过程中，系统会一 直判断充电时间、电池温度及端电压是否己到达或超过了充电保护条件。若其中有一 个条件满足，系统会终止现有充电方式，进入浮充维护状态。 安徽工程大学毕业设计（论文） - - 19 - 第第 3 章章 锂电池充电器硬件设计锂电池充电器硬件设计 3.1 单片机电路部分 1AT89C51 AT89C51 是一种带 4K 字节闪烁可编程可擦除只读存储器（FPEROMFalsh Programmable and Erasable Read Only Memory）的低电压，高性能 CMOS8 位微处理器， 俗称单片机。AT89C2051 是一种带 2K 字节闪烁可编程可擦除只读存储器的单片机。 单片机的可擦除只读存储器可以反复擦除 100 次。该器件采用 ATMEL 高密度非易失存 储器制造技术制造，与工业标准的 MCS-51 指令集和输出管脚相兼容。由于将多功能 8 位 CPU 和闪烁存储器组合在单个芯片中，ATMEL 的 AT89C51 是一种高效微控制器， AT89C2051 是它的一种精简版本。AT89C 系列单片机为很多嵌入式控制系统提供了一 种灵活性高且价廉的方案。 (1)主要特性： 与 MCS-51 兼容 4K 字节可编程闪烁存储器 寿命：1000 写/擦循环 数据保留时间：10 年 全静态工作：0Hz-24Hz 三级程序存储器锁定 128*8 位内部 RAM 32 可编程 I/O 线 两个 16 位定时器/计数器 5 个中断源 可编程串行通道 项冲：基于单片机的锂电池充电器设计 - 20 - 低功耗的闲置和掉电模式 片内振荡器和时钟电路 (2)管脚说明： VCC：供电电压。 GND：接地。 P0 口：P0 口为一个 8 位漏级开路双向 I/O 口，每脚可吸收 8TTL 门电流。当 P1 口的管脚第一次写 1 时，被定义为高阻输入。P0 能够用于外部程序数据存储器，它可 以被定义为数据/地址的第八位。在 FIASH 编程时，P0 口作为原码输入口，当 FIASH 进行校验时，P0 输出原码，此时 P0 外部必须被拉高。 P1 口：P1 口是一个内部提供上拉电阻的 8 位双向 I/O 口，P1 口缓冲器能接收输出 4TTL 门电流。P1 口管脚写入 1 后，被内部上拉为高，可用作输入，P1 口被外部下拉 为低电平时，将输出电流，这是由于内部上拉的缘故。在 FLASH 编程和校验时，P1 口作为第八位地址接收。 P2 口：P2 口为一个内部上拉电阻的 8 位双向 I/O 口，P2 口缓冲器可接收，输出 4 个 TTL 门电流，当 P2 口被写“1”时，其管脚被内部上拉电阻拉高，且作为输入。并 因此作为输入时，P2 口的管脚被外部拉低，将输出电流。这是由于内部上拉的缘故。 P2 口当用于外部程序存储器或 16 位地址外部数据存储器进行存取时，P2 口输出地址 的高八位。在给出地址“1”时，它利用内部上拉优势，当对外部八位地址数据存储器 进行读写时，P2 口输出其特殊功能寄存器的内容。P2 口在 FLASH 编程和校验时接收 高八位地址信号和控制信号。 P3 口：P3 口管脚是 8 个带内部上拉电阻的双向 I/O 口，可接收输出 4 个 TTL 门电 流。当 P3 口写入“1”后，它们被内部上拉为高电平，并用作输入。作为输入，由于 外部下拉为低电平，P3 口将输出电流（ILL）这是由于上拉的缘故。 P3 口也可作为 AT89C51 的一些特殊功能口，如下表 3-1 所示： 表 3-1 P3 口 口管脚备选功能 P3.0/RXD（串行输入口） P3.1/ TXD（串行输出口） P3.2/INT0（外部中断 0） P3.3/INT1（外部中断 1） P3.4 T0（记时器 0 外部输入） P3.5 T1（记时器 1 外部输入） P3.6/WR（外部数据存储器写选通） P3.7/RD（外部数据存储器读选通） P3 口同时为闪烁编程和编程校验接收一些控制信号。 RST：复位输入。当振荡器复位器件时，要保持 RST 脚两个机器周期的高电平时 间。 ALE/PROG：当访问外部存储器时，地址锁存允许的输出电平用于锁存地址的地位字 节。在 FLASH 编程期间，此引脚用于输入编程脉冲。在平时，ALE 端以不变的频率 周期输出正脉冲信号，此频率为振荡器频率的 1/6。因此它可用作对外部输出的脉冲或 用于定时目的。然而要注意的是：每当用作外部数据存储器时，将跳过一个 ALE 脉冲。 安徽工程大学毕业设计（论文） - - 21 - 如想禁止 ALE 的输出可在 SFR8EH 地址上置 0。此时， ALE 只有在执行 MOVX，MOVC 指令是 ALE 才起作用。另外，该引脚被略微拉高。如果微处理器在外 部执行状态 ALE 禁止，置位无效。 PSEN：外部程序存储器的选通信号。在由外部程序存储器取指期间，每个机器周 期两次 PSEN 有效。但在访问外部数据存储器时，这两次有效的 PSEN 信号将不出现。 EA/VPP：当 EA 保持低电平时，则在此期间外部程序存储器（0000H-FFFFH）， 不管是否有内部程序存储器。注意加密方式 1 时，EA 将内部锁定为 RESET；当 EA 端 保持高电平时，此间内部程序存储器。在 FLASH 编程期间，此引脚也用于施加 12V 编程电源（VPP）。 XTAL1：反向振荡放大器的输入及内部时钟工作电路的输入。 XTAL2：来自反向振荡器的输出。 (3)振荡器特性： XTAL1 和 XTAL2 分别为反向放大器的输入和输出。该反向放大器可以配置为片 内振荡器。石晶振荡和陶瓷振荡均可采用。如采用外部时钟源驱动器件，XTAL2 应不 接。有余输入至内部时钟信号要通过一个二分频触发器，因此对外部时钟信号的脉宽 无任何要求，但必须保证脉冲的高低电平要求的宽度。 (4)芯片擦除： 整个 PEROM 阵列和三个锁定位的电擦除可通过正确的控制信号组合，并保持 ALE 管脚处于低电平 10ms 来完成。在芯片擦操作中，代码阵列全被写“1”且在任何非空 存储字节被重复编程以前，该操作必须被执行。 此外，AT89C51 设有稳态逻辑，可以在低到零频率的条件下静态逻辑，支持两种软件 可选的掉电模式。在闲置模式下，CPU 停止工作。但 RAM，定时器，计数器，串口和 中断系统仍在工作。在掉电模式下，保存 RAM 的内容并且冻结振荡器，禁止所用其他 芯片功能，直到下一个硬件复位为止。 2AT89C2051 AT89C2051 单片机是 51 系列单片机的一个成员，是 8051 单片机的简化版。内部 自带 2K 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，AT89C2051 构成的单片机系统是具有结构最简单、造价最 低廉、效率最高的微控制系统，省去了外部的 RAM、ROM 和接口器件，减少了硬件 开销，节省了成本，提高了系统的性价比。 AT89C2051 是一个有 20 个引脚的芯片，引脚配置如图 3 所示。与 8051 相比， AT89C2051 减少了两个对外端口（即 P0、P2 口），使它最大可能地减少了对外引脚 下，因而芯片尺寸有所减小。 AT89C2051 芯片的 20 个引脚功能为： VCC 电源电压。 GND 接地。 RST 复位输入。当 RST 变为高电平并保持 2 个机器周期时，所有 I/O 引脚复位至 “1”。 XTAL1 反向振荡放大器的输入及内部时钟工作电路的输入。 项冲：基于单片机的锂电池充电器设计 - 22 - XTAL2 来自反向振荡放大器的输出。 P1 口 8 位双向 I/O 口。引脚 P1.2P1.7 提供内部上拉，当作为输入并被外部下拉 为低电平时，它们将输出电流，这是因内部上拉的缘故。P1.0 和 P1.1 需要外部上拉， 可用作片内精确模拟比较器的正向输入（AIN0）和反向输入（AIN1），P1 口输出缓 冲器能接收 20mA 电流，并能直接驱动 LED 显示器；P1 口引脚写入“1” 后，可用作 输入。在闪速编程与编程校验期间，P1 口也可接收编码数据。 P3 口 引脚 P3.0P3.5 与 P3.7 为 7 个带内部上拉的双向 I/0 引脚。P3.6 在内部已 与片内比较器输出相连，不能作为通用 I/O 引脚访问。P3 口的输出缓冲器能接收 20mA 的灌电流；P3 口写入“1”后，内部上拉，可用输入。P3 口也可用作特殊功能 口，其功能见表 1。P3 口同时也可为闪速存储器编程和编程校验接收控制信号。 3.2 电压转换及光耦隔离电路部分 耦合器（optical coupler，英文缩写为 OC）亦称光电隔离器，简称光耦，是开关电 源电路中常用的器件。 耦合器以光为媒介传输电信号。它对输入、输出电信号有良好的隔离作用，所以， 它在各种电路中得到广泛的应用。目前它已成为种类最多、用途最广的光电器件之一。 光耦合器一般由三部分组成：光的发射、光的接收及信号放大。输入的电信号驱动发 光二极管（LED） ，使之发出一定波长的光，被光探测器接收而产生光电流，再经过进 一步放大后输出。这就完成了电光电的转换，从而起到输入、输出、隔离的作用。 由于光耦合器输入输出间互相隔离，电信号传输具有单向性等特点，因而具有良好的 电绝缘能力和抗干扰能力。又由于光耦合器的输入端属于电流型工作的低阻元件，因 而具有很强的共模抑制能力。所以，它在长线传输信息中作为终端隔离元件可以大大 提高信噪比。在计算机数字通信及实时控制中作为信号隔离的接口器件，可以大大增 加计算机工作的可靠性。 本次设计选择了 6N137 光耦合器： 6N137 光耦合器是一款用于单通道的高速光耦合器，其内部有一个 850 nm 波长 AlGaAs LED 和一个集成检测器组成，其检测器由一个光敏二极管、高增益线性运放及 一个肖特基钳位的集电极开路的三极管组成。具有温度、电流和电压补偿功能，高的 输入输出隔离，LSTTL/TTL 兼容，高速(典型为 10MBd)，5mA 的极小输入电流。 特性： 转换速率高达 10MBit/s; 摆率高达 10kV/us; 扇出系数为 8; 逻辑电平输出; 集电极开路输出; 工作参数： 最大输入电流，低电平：250uA 最大输入电流，高电平：15mA 最大允许低电平电压 (输出高)：0.8v 最大允许高电平电压：Vcc 最大电源电压、输出：5.5V 扇出(TTL 负 载)：8 个(最多) 工作温度范围：-40C to +85C 典型应用：高速数字开关，马达控 制系统和 A/D 转换等 安徽工程大学毕业设计（论文） - - 23 - 6N137 光耦合器的内部结构、管脚如图所示。 图 3-1 6N137 光耦合器 6N137 光耦合器的真值表 需要注意的是，在 6N137 光耦合器的电源管脚旁应有个 0.1uF 的去耦电容。在 选择电容类型时，应尽量选择高频特性好的电容器，如陶瓷电容或钽电容，并且尽量 靠近 6N137 光耦合器的电源管脚；另外，输入使能管脚在芯片内部已有上拉电阻，无 需再外接上拉电阻。 6N137 光耦合器的使用需要注意两点：第一是 6N137 光耦合器的第 6 脚 Vo 输出 电路属于集电极开路电路，必须上拉一个电阻；第二是 6N137 光耦合器的第 2 脚和第 3 脚之间是一个 LED，必须串接一个限流电阻。 3.3 电源产生电路部分 1. LM7805 介绍 电子产品中，常见的三端稳压集成电路有正电压输出的lm78系列和 6N137 光耦合器的真值表 输入使能输出 HHL LHH HLH LLH HNCL LNCH 项冲：基于单片机的锂电池充电器设计 - 24 - 图 3-2 lm7805 样品 负电压输出的 lm79系列。顾名思义，三端 IC 是指这种稳压用的集成电路，只 有三条引脚输出，分别是输入端、接地端和输出端。它的样子象是普通的三极管， TO- 220 的标准封装，也有 lm9013 样子的 TO-92 封装。用 lm78/lm79 系列三端 稳压 IC 来组成稳压电源所需的外围元件极少， 且有一定的电压、电流输出，能够 获得不同的电压和电流， 电路内部还有过流、过热及调整管的保护电路，使用起来 可靠、方便，而且价格便宜。该系列集成稳压IC 型号中的 lm78 或 lm79 后面的 数字代表该三端集成稳压电路的输出电压，如lm7806 表示输出电压为正 6V，lm 7909 表示输出电压为负 9V。 因为三端固定集成稳压电路的使用方便，电子制作中经常采用。 2.LM7805 主要特点 输出电流可达 1A 输出电压有：5V 过热保护 短路保护 输出晶体管 SOA 保护 内部结构框图如图 3-3 所示： 图 3-3 LM7805 内部结构框图 功能框图： 安徽工程大学毕业设计（论文） - - 25 - 图 3-4 LM7805 功能框图 3.4 充电控制电路部分 3.4.1 MAX1898 充电芯片充电芯片 1.如何选择电池充电芯片 选择电池充电芯片时需要结合实际的应用，具体的选择标准有以下几点。 封装：即芯片的大小，对于体积有要求的场合需要选择合适的封装。 电流大小：充电的电流大小决定充电时间。 充电方式：即是快充、慢充还是可以控制充电过程。 使用的电池类型：不同的电池需要不同的充电器。 2MAX1898 (1)如何使用 MAX1898 MAX1898 是本次设计充电器中的一个关键的器件。首先需要了解 MAX1898 的一 些基本的特性和功能。 MAX1898 配合外部 PNP 或 PMOS 晶体管可以组成完成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 并延长了使用寿命。充电电流由用户设定，采用内部检流，无需外部检流电阻。 MAX1898 提供了用于监视充电状态的输出、输入电源是否与充电器连接的输出指示和 充电电路指示。 MAX1898 可对所有化学类型的锂离子电池进行安全充电。电池调节电压为 4.2V，采用 10 引脚、超薄型 MAX 封装，在更小的尺寸内集成了更多的功能，只需 少数外部元件。 MAX1898 的基本特点如下： 4.5V12V 输入电压范围； 内置检流电阻； 项冲：基于单片机的锂电池充电器设计 - 26 - 0.75%电压精度； 可编程充电电流； 输入电源自动检测； LED 充电状态指示； 检流监视输出。 MAX1898 的引脚如图 3-5 所示。 IN 1 CHG 2 EN/OK 3 ISET 4 CT 5 RST RT 6 BAT T 7 GND 8 DRV 9 CS 10 MAX1898 图 3-5 MAX1898 的引脚 MAX1898 的引脚功能如下。 IN：传感器输入，检测输入电压和电流。 CHG：LED 驱动电路。 EN/OK：逻辑电平输入允许/电源输入“好” 。 ISET：电流调节。 CT：安全的充电时间设置。 RSTRT：自动重新启动控制引脚。 BATT：接单个 Li+的正极。 GND：地。 DRV：外接电阻驱动器。 CS：电流传感器输入。 MAX1898 外接限流型充电电源和 P 沟道场效应管，可以对单节锂离子电池进行安 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效耗散，可以 实现预充电，具有过压保护和温度保护功能，最长充电时间限制为锂离子电池提供二 次保护。MAX1898 的典型充电电路如图 3-6 所示。 图 3-6 中的 MAX1898 内部电路包括：输入调节器、电压检测器、充电电流检测器、 安徽工程大学毕业设计（论文） - - 27 - 定时器、温度检测器和主控制器。输入电流调节电路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限流门限时，通过降低电 池充电电流可达到控制输入电流的目的。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(墙上适配器或其他直流电源)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 输入限流功能则能够降低充电器对直流电源的要求，同时也简化了输入电源设计。 IN 1 CHG 2 EN/OK 3 ISET 4 CT 5 RST RT 6 BAT T 7 GND 8 DRV 9 CS 10 MAX1898 充充充充充充 on/off + BAT T ERY 4.5V /12V GND 图 3-6 MAX1898 的典型充电电路 ()电源输入：锂离子电池要求的充电方式是恒流恒压方式，电源的输入需要采用 恒流恒压源，一般的，可以采用直流电源加上变压器提供。 ()输出：MAX1898 通过外接的场效应管提供理电池的充电接口。 ()充电时间的选择：MAX1898 充电时间的选择是通过外接的电容大小决定的。 标准的充电时间为 1.5 小时，最大不要超过 3 小时，根据这个标准，可以计算得到外接 的电容的容值，如下所示： 定时电容 C 和充电时间 Tchg 的关系式满足：CnF=34.33Tchghours ()设置充电电流：MAX1898 充电电流在限制电流的模式下，可以通过选择外接 的电阻阻值大小决定。 最大充电电流 Imax 和限流电阻 Rset 的关系式满足：Imax1400/Rset 当充电电源和电池充电电流达到快充电流的 1%，或者是充电时间超出片上预置的 充电时间。MAX1898 能够自动检测充电电源，没有电源时自动关断以减少电池的漏电。 启动快充后打开外接的 P 型场效应管，当检测到电池电压达到设定的门限时进入脉冲 充电方式，P 沟道场效应管打开时间会越来越短，充电结束时，LED 指示灯