基于单片机的锂离子电池充电系统设计方案

济南大学泉城学院

毕业设计方案

题目基于单片机的锂离子电池

充电系统设计

专业电气工程及其自动化

班级1301班

学生姚良洁

学号2013010873

指导教师张兴达魏志轩

二〇一七年四月十日

学院工学院专业电气工程及其自动化

学生姚良洁学号2013010873

设计题目基于单片机的锂离子电池充电系统设计

一、选题背景与意义

1. 国内外研究现状

自90年代以来，中国正日趋成为世界上最大的电池生产国和最大的电池消耗国。随着科技的发展，人们对身边电子产品的数字化、自动化和效率的要求越来越高。便携式电池成为用户的首选，随着各式各样的电池出现，用户在选用电池时，在考虑到电池的环保、性价比的同时，更加注重电池的便携性。正因为锂离子电池具有高的体积比能量和环保性能，符合当前世界电池技术的发展趋势，逐渐成为市场的主流[1]。我国锂电池行业的年增长率已超过20%，2016年电池总体需求量达到50亿块左右。可见，在当前和今后相当一段时间，锂电池将成为我国电池工业的龙头。

虽然我国已是仅次于日本的锂离子电池生产大国，市场增长空间巨大，但并非强国，在全球锂离子电池产业仍处于低端。随着手机用户的日益增多，如何保养手机也成为了众多手机使用者面临的一个实际问题，而手机电池作为手机的一个重要组成部分，直接影响了使用寿命和性能。智能手机的屏幕越来越大，功能越来越多，现有的锂离子电池产品越来越难以满足需求，选择合适的充电器，可以延长我们的手机锂离子电池的使用寿命。

现阶段消费者除了通过原厂配备的充电器给便携式设备充电之外，普遍采用的是通过移动电源来补充电池的电量。根据日本矢野经济研究所的预测，锂离子电池正以53.33%的年增长率快速取代传统的镍铬镍氢电池市场。目前国内移动电源市场上主要的品牌有小米、爱国者、品胜、华为等，国外市场比较知名的品牌有BOOSTCASE、MALA 等。移动电源市场在近几年得到了很大的发展，市场中出现了各式各样的品牌。与此同时，在移动电源产品中也存在很多需要解决的问题。比如：自身充电所需时间过长，USB输出电压不稳定，电能转化效率不高，输出保护较为单一，输出大电流时散热性能不好等。相较于国外而言，国内的锂电池智能充电系统性能欠佳，还需要加大研究力度[2]。

2. 选题的目的及意义

近几年来，便携式电子产品的迅猛发展促进了电池技术的更新换代。其中锂离子电池以其重量轻、储能大、功率大、无记忆效应、无污染、自放电系数小、循环寿命长等优点，脱颖而出，迅速成为市场的主流。锂电池是20世纪末才出现的绿色高效能可充电电池，目前随着锂离子电池的推广及大量应用，锂离子电池深受社会和用户的欢迎[3]。目前已广泛应用于手机、笔记本电脑、数码相机及众多的便携式设备，其中笔记本电脑占23%，手机占50%，为最大领域。电子、信息及通讯等3C产品均朝向无线化、可携带化方向发展，对于产品的各项高性能组件也往“轻、

薄、短、小”的目标迈进，而锂离子电池是最佳的电源供应来源。锂电池也被称之为“最有应用前途的化学电源”，甚至被称为“极限电池”或“最后一代电池”。

锂离子电池作为一种绿色环保电源，正以其独特的魅力，影响着我们的世界。同时，其作为新兴的能源材料，正处于蓬勃发展时期，进一步研究和开发锂离子电池对发展与能源密切相关的各项产业都具有非常重要的意义。随着锂离子电池性能的不断提高和成本的不断降低，该系列电池也逐步应用于交通工具、航空航天、军事、医疗等其它方面的领域，将成为最具发展前景的可充电电池[4]。我们相信，未来的锂离子电池在我们手中将会取得更加丰硕的成果。

二、设计内容

本文以AT89C51单片机为核心元件，是针对手机锂离子电池的智能调节充电系统设计[5]。系统主要包括锂离子电池充电系统硬件方案设计、硬件系统所涉及到的元器件参数计算及型号选择、锂离子电池单片机系统软件流程图设计及程序实现、整体系统调试、校验以及优化调整。

设计内容主要分为硬件设计和软件设计，包含AT89C51单片机控制模块、电路保护模块、信号采集模块、LCD液晶显示模块和声光报警模块[6]。各模块功能如下：

AT89C51单片机控制模块：核心控制部分，作为整个设计的主控制模块。

电路保护模块：具有输入过压保护、输出过流保护和过充电保护等。充电时保护电路因过流或短路造成的内部电路问题。

信号采集模块：对电流、电压和温度进行采集，通过传感器将信号传递给单片机。

LCD液晶显示模块：显示充电电量百分比以及不同电量时所使用的充电方式。

声光报警模块：通过硬件电路实现保护，给单片机中断管脚发出脉冲信号，引发中断程序实现保护，并引发蜂鸣器报警。

涉及到的硬件包括：AT89C51，MAX1898芯片，A/D转换器，蜂鸣器，传感器，热敏电阻等。

单片机负责控制整个系统的运行，包括充电机参考电压电流值的给定，充电完毕或者保护状态时充电机的关闭，根据电池电压、充电电流、温度等各种参数来智能监测电池充电状态和实现对电池的一系列保护功能，针对不同充电电量用不同的充电方式对电池进行充电，延长锂离子电池的使用寿命，实现对电源系统的能化管理[7]。

本次软件设计采用AT89C51单片机结合MAX1898锂离子电池充电芯片，C51高级语言编程软件设计，AD软件绘PCB电路原理图。充电状态输出引脚经过74LS04反向后与单片机INT0相连触发外部中断，设置最大充电时间为3小时。监测MAX1898的输出信号CHG，当MAX1898将要完成充电时，该引脚会发出周期为4s的脉冲，单片机的INT0引脚接收中断后，产生中断，并使用单片机的T0计数器开始计数，当下一个脉冲到来时，在定时器程序中判断单片机的计数值是否在4s左右，如果是，则通过P1.2和P1,.3引脚关断电源，并引发蜂鸣器报警[8]。其软件设计实现的功能如下：

不同电量时使用不同的充电方式（恒流、恒压、涓流），延长锂电池的使用寿命，实现锂离子电池的充电控制功能；

插上电池，绿灯亮，开始进行充电。充满后充电器自动关断，红灯亮，蜂鸣器报警；

LCD液晶显示，充电时显示电流、电压、电量百分比以及充电方式；

对电流、电压及温度进行检测，实现锂离子电池充电控制过温过压保护功能，保证安全充电；

当系统出现异常情况时，蜂鸣器发出警报。

本文研究了当前国内外锂离子电池充电监控系统的现状，由于是基于单片机的系统设计，保证了采集、传输以及处理过程中的可靠性，设计了一套锂离子电池充电监控报警系统，完成了软硬件的设计[9]。通过软硬件测试，该充电系统均衡及保护电路简捷、灵敏、可靠。通过实验测试，该系统具备低功耗、高精度、高稳定性、反应灵敏、操作简便等优点[10]。单片机负责控制整个系统的运行，包括充电机参考电压电流值的给定，充电完毕或者保护状态时充电机的关闭，根据电池电压、充电电流、温度等各种参数来智能监测电池充电状态和实现对电池的一系列保护功能[11]。

本设计中所采用的AT89C51单片机和充电集成电路进行充电器的设计，不但能够实现对锂电池进行充电，而且还能够实现相应的过压和温度保护，从而可以充分发挥锂电池的性能，并避免了充电器在充电时可能对电池造成损害的情况发生，具有一定的智能功能。该方案有效地保护了电池、缩短了充电时间并尽量延长锂电池的使用寿命，符合目前的环境保护潮流。

三、设计方案

本次设计介绍了基于AT89C51单片机的锂离子电池智能充电系统。用单片机对充电过程进