基于单片机控制的智能充电器设计

基于单片机控制的智能充电器设计
高晓红;胡泽;李晓明;吕列艳
【摘要】根据锂电池的充电特点,采用MSP430单片机进行充电控制,实现对锂电
池恒流和恒压充电,缩短充电时间.提高充电效率.并通过检测电压电流,能够自动控制对电池的充电方法,防止电池的过放与过充,起到保护充电电池的作用.
【期刊名称】《仪器仪表用户》
【年(卷),期】2011(018)003
【总页数】3页(P33-35)
【关键词】智能;恒压充电;恒流充电;电池
【作者】高晓红;胡泽;李晓明;吕列艳
【作者单位】西南石油大学,电气信息学院,四川,成都,610500;西南石油大学,电气信息学院,四川,成都,610500;西南石油大学,电气信息学院,四川,成都,610500;西南石
油大学,电气信息学院,四川,成都,610500
【正文语种】中文
【中图分类】TP211.5
0 引言
随着人们生活水平的提高，各种各样的电子产品开始被广泛的使用，随之而来的就是这些电子装置的用电问题。

小至手机、MP3、笔记本电脑、随身听等电子产品，大至UPS，都离不开可充电电池。

目前，全国电池的使用量很大，几乎每个人都
使用电池。

而可充电电池由于它的能量质量比、能量体积比和使用成本等指标都比一次电池显现出很多的优越性，所以可充电池的充电管理已成为一个重要问题。

而且出于环保的角度，人们也比较乐于使用充电电池为这些电子设备供电。

可充性二次电池是一种储能原元件，也是一种最稳定的直流电源，它被广泛用作电子产品、设备所需的直流电源。

而随着微处理器的快速发展，现在很多新型的充电器以微处理器为核心，组成了更完善的充电器系统。

本设计采用的是对锂电池恒流和恒压充电。

首先对锂电池的状态进行检测，低于设定电压则进行恒流充电，高于设定电压则进行恒压充电。

检测到的电压和电流满足条件后则判定为充满，则自动停止充电。

1 硬件的设计与计算
1.1 锂电池的充电特性及充电方法
锂电池充电需要限制它的充电电压和充电电流并精确检测电池的电压，充电电路应有一个精度较高的电池电压检测电路，以防止锂电池过充。

一般锂电池的充电过程分为以下几个阶段:
阶段1:预充电先用0.1C的小电流对电池进行预充电。

当电池电压≥2.5V时，转入下一个阶段;
阶段2:恒流充电。

用1C的恒定电流进行快速充电。

当电压≥4.2V(±1%)时转到下个阶段。

阶段3:恒压充电。

逐渐减小充电电流，保证电池电压恒定=4.2V(±1%)时，转到下一个阶段;
阶段4:终止充电。

到此阶段时，电池电量基本满了，可以用小电流(0.1C)或者脉冲方式来维持电压(锂电池自放电率很小，也可以不进行此阶段)［6］。

本设计采用MSP430单片机进行充电控制，MSP430F247的内置 AD转换精度可以达到12bit(212=4096)，可以满足充电器电压/电流检测准确度高的要求。

并且自带PWM输出功能［5］。

1.2 充电控制恒流/恒压电路选择
由PWM控制的BUCK转换器稳压电路(降压型斩波电路):使用PWM周期性控制
开关管的通断，达到恒压恒流的目的。

输出电压可通过调整PWM的占空比来调节。

配合具有PWM输出和AD转换的单片机，通过程序控制，可达到预设的要求。

占空比与输出电压的关系如下［4］:
式中，Ton为开关管导通时间;T为PWM脉冲的周期;Vi为输入电压;Vo为输出电压;Vsat为开关管的饱和压降;Vd为二极管导通压降。

电感L的计算方法如下:
式中，Ipk=2IoMAX;IoMAX为最大输出电流。

1.3 硬件总电路图
本充电器系统实现框图如图所示。

主要包括三个部分，MSP430控制模块，充电
控制模块，LED指示模块。

图1 系统实现框图
系统工作过程如下:使用电源模块为整机供电。

PWM控制BUCK转换器作为充电
控制部分，MSP430F247作为控制部分，通过P6.0和P6.1端口功能复用作为12位AD转换模拟量输入口，检测电压和电流，MSP430F247判断通过转换结果判
断当前充电部分的工作状态，从而调节P1.2输出的PWM波占空比来反馈调节充电电压和电流，从而实现恒压充电和恒流充电的效果。

由MSP430F247产生的PWM波加载到BUCK转换器(斩波电路)上，控制开关管
Q1(8550)的通断，处于导通状态时，电源通过电感L1对电容C6进行充电，L1
开始存储能量，当处于截止状态时，电感L1通过续流二极管D2继续对电容充电，使整个输出处于一个稳定电压值。

通过接口BAT+和BAT-对电池进行充电。

Vbat
为电池电压检测口，通过电阻R5和R7到地，取R7上的分压以保证取出的电压值在单片机A/D口输入范围0～3.3V以内。

通过电阻R10×通过电池的电流转换成电压值间接测得电池电流，通过电流检测口Ibat接到单片机的A/D转换口。

通过测得的电池端口电压和电流值来判断是否有电池接入，并决定当前充电模式(恒压/恒流)［1］。

表1是LED指示灯的状态表。

表1 指示灯状态表充电器状态红灯绿灯待机灭灭充电闪烁(恒流) 亮(恒压)停止(涓流)亮亮
2 软件设计流程
在软件设计方面，采用多工序程序结构，将整个充电过程划分为4个工序(状态)。

每个工序状态满足条件后，迁移到另一个状态(如图2所示)。

图2 程序流程框图
1)待机状态
当充电器上电复位，执行完系统初始化程序后，首先进入待机模式。

在待机模式不进行充电。

此时红灯和绿灯都熄灭。

在检测到电池接入后则转入预充阶段。

根据电池电压检测口电压和电流来判断。

如果端电压为低电平(＜2.7V)电流也很小(＜2mA)，则判定电池没有被接入，继续待机;接入后端电压≥2.7V，电流≥10mA以上，也有一定的电流则转入下一状态:充电状态［3］。

2)充电状态
此状态包含恒流/恒压两个充电阶段。

处于恒流充电状态红灯亮，处于恒压充电状态绿灯亮。

我们采用的是MSP430F247产生PWM来控制充电电流和电压，也就是根据A/D口采样到的电压和电流值，通过调节占空(初始值=0)来达到反馈调节充电电压和电流。

快充状态下的PWM占空调节规则参见表2。

表2 充电状态下的PWM占空调节规则条件占空调节方式当V＜4.0V，且I＜1C 时占空+1.＞最大值时，=最大值当 V ＞4.0V，或 I＞1C 时占空 -1.＜0时，=0当 V=4.0V，或 I=1C时占空不变
一旦判定充满，则不逆转，也不再进行充电判定了。

判定为充满后，LED指示灯发出提示，但充电过程继续，直至充电结束。

3)充电完成状态
电池充电完毕后，进入充电完成状态，等待用户取下电池。

此时红灯绿灯都点亮。

一旦识别到电池被取下，则转入待机状态。

电池取下识别的方法如下:如果A/D连续10次都为低电平(＜2.7V)电流也很小(＜10mA)，则判断电池被取下，转入待机状态。

3 系统功能调试及结果分析
3.1 充电电路恒压/恒流电路调试及结果分析
采用稳压电路进行电路供电，选用一块电池容量基本饱和的电池进充电测试，使用4位显示万用表测试电池两端的电压，并使用数字示波器观察输出PWM波占空比的变化情况。

经测试本充电器能够根据检测到的电压变化及时反馈调节PWM的占空比来维持输出电压，能对充电电压进行较为精确的控制。

3.2 充电性能测试
采用4块不同品牌和容量的手机锂电池进行充电测试，测试结果显示该充电器充电有如下优点:
1)充电时间短，充电效率高;2)对电池的充电更加充分;
3)通过检测电压电流，能够自动控制对电池的充电方法，防止电池的过放与过充，起到保护充电电池的作用。

4 结论
本设计达到的技术指标和功能:
1)利用MSP430单片机设计出一款智能充电器。

2)该充电器能为锂(Li-Ion)充电电池进行充电，中途无需人工干预，充满后可以自停。

整套系统采用可控恒压源对电池充电，充电电压可由程序预置。

3)该充电器具有电路简单、A/D转换精度高、成本低等特点(MSP430自带A/D转换电路和PWM输出等)。

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参考文献
［1］沈建华，杨艳.MSP430系列16位超低功耗单片机原理与实践［M］.北京航空航天大学出版社，2008:44-48.
［2］黄智伟.全国大学生电子设计竞赛系统设计［M］.北京航空航天大学出版社，2006:123-125.
［3］王增福，等.软开关电源原理与应用［M］.北京:电子工业出版社，2006:62-63.
［4］［日］户川治朗，高玉苹等译.实用电源电路设计——从整流电路到开关稳压器［M］.北京:科学出版社，2005:95-97.
［5］谢兴红.MSP430单片机基础与实践［M］.北京:北京航空航天大学出版社，2008:115-119.
［6］肖飞.延长锂电池寿命的充电方法［J］.科技信息，2009，(2):3-4.
［7］沈宝利.用超低功耗MSP430单片机设计数据采集系统［J］.电子产品世界，2002，(18):31-33.。