基于单片机的智能充电器

基于单片机的锂电池充电器设计

摘要

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：充电器；单片机；锂电池；MAX1898

Lithium Battery Charger Design Based On Single Chip

Abstract

Electronic technology's 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 battery's power supply system. At present, the many use's 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 battery's 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 system's 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 charger's core component - MAX1898 charge chip, at89C2051 monolithic integrated circuit has carried on the detailed introduction. Elaborated system's software and hardware design. Take the C language as the development kit, has carried on the detailed design and the code. Has realized system's reliability, the stability, the security and the efficiency.

The intelligence battery charger has the examination lithium ion battery's condition; The automatic cut over charge pattern meets when rechargeable battery's charge needs; Battery charger has short circuit protection function; The charge condition demonstration's function. The battery charger has made the better maintenance rechargeable battery in the life，and lengthened the rechargeable battery’s service life.

Key words：Charger; SCM;Lithium battery; MAX1898

目录

引言 (1)

第1章绪论 (2)

1.1课题研究的背景 (2)

1.2课题研究的主要工作 (3)

第2章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3章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)

3.4.1MAX1898充电芯片 (20)

3.4.2充电控制电路的实现 (24)

第4章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 (29)

致谢 (30)

参考文献 (31)

附录A 电路原理图 (32)

附录B 外文文献及其译文 (33)

附录C 主要参考文献的题录及摘要 (40)

附录D 主要源程序 (42)

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3-16N137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)

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5 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

引言

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。

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第1章 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：

①工作电压：电池放电曲线上的平台电压。

②电池容量：常用单位为安时(Ah)和毫安时(mAh)。 ③工作温区：电池正常放电的温度范围。 ④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。

1.二次电池的性能比较

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

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，锂离子电池没

项冲：基于单片机的锂电池充电器设计

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2.7～3.0V，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。

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:

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。

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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。

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第2章 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

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，损害电池