基于单片机的智能充电电源设计

基于单片机的智能充电电源设计前言伴随着社会的发展，手机用户的数量在不断增长，相应的对高性能、小尺寸的电池充电电源的需求也越来越大。

但市场上的手机充电器质量参差不齐，有诸多弊端。

很多外观相似，但内部线路不同导致性能大有差异。

虽然都能实现充满自停，但其实现的方式不同就会导致充电效果不同。

由于采用高电流快速充电，充满后不能及时停止，使电池由于过充而发热严重，从而严重缩短电池的寿命。

低成本的手机电池充电电源（万能充）都是采用电压比较法，为防止过充，一般只充到电池电量的90%就停止高电流充电，然后用小电流涓流充电，此时充电器指示灯不再闪烁，如果用户此时拔下电源，无疑电池的电量只充到了90%左右，再加上电压比较具有离散性，这90%的电量也只是个理论值，不精确。

手机技术的进步，如智能手机的出现，也对手机电池提出了更高的要求，容量要求越来越大。

因此要求有更复杂的充电算法以实现快速、安全充电。

一部好的手机充电电源不仅能在短时间内将电量充足，而且能对电池起到一定的保护作用，可以修复由于电池的记忆效应引起的电池活性衰退现象，同时避免由于电池发热引起的不安全因素。

虽然大部分商家极力推荐手机直充，但是这其中存在许多不方便的因素，比如体积大，不便于携带。

本设计提出一种结合智能充电芯片MAX1898和单片机AT89S51的充电电源软硬件设计方案。

MAX1898功能强大，内部电路包含输入电流调节器、充电电流检测器、电压检测器、温度检测器、定时器和主控器。

它与单片机强大的控制功能配合使用，使得手机电池充电电源更加智能化，通过改良外围电路可以大大减小手机电池充电电源的体积，使之便于携带，这样更能满足现代家庭生活的需求[1]。

1 总体方案的设计1.1 实现功能要实现智能化，要从两方面着手：（1）充电的实现。

包括两部分：一是充电过程的控制；二是需要提供基本的充电电压。

（2）智能化的实现[2]。

在充电过程中引入51单片机的控制，从而实现电池预充、快充、满充、充电保护、自动断电和充电完成自动报警提示功能。

1.2 方案设计与论证1.2.1 电池充电芯片的选择目前市场上存在大量的电池充电芯片，它们可直接用于充电器的设计。

在选择具体的充电芯片时，有以下参考标准：•电池类型：不同的电池（锂电池、镍氢电池、镍镉电池）需选择不同的充电芯片；•电池数目：可充电池的数目；•电流值：充电电流的大小决定了充电时间；•充电方式：快充、慢充或者可控充电过程。

本设计主要利用51单片机实现手机单节锂离子（Li+）电池智能充电器，要求充电快速且具有优良的电池保护能力。

通过查阅相关资料，目前市场上常见的智能充电主要包括：MAX1898、MAX1758、SMC401。

不同的芯片在控制充电过程中能力各不相同，其价格也迥异，控制电路更是错踪复杂，所以进行了以下对比论证。

●智能锂电池充电控制芯片SMC401SM401主要用于手机锂电池的充电器，也可以用于其他锂离子或锂聚合物电池的充电控制场合。

内嵌8位MCU，提供全程的智能检测和智能控制，根据锂电池充电曲线在不同阶段进行精确恒流或恒压充电，具有电池放置检测、智能过流保护、过放电涓流预充、温度检测及保护、三色LED 状态指示等功能。

采用本芯片设计的充电器能够充分贴合锂电池的充电曲线在不同阶段进行精确恒流或恒压充电，并能对过放电的锂电池进行补偿充电和电气性能修护，从而提高锂电池的充电饱和度，延长锂电池使用寿命。

此外，芯片还能通过补偿锂电池内阻的方式缩短充电时间。

SMC401的充电分为三个步骤：预充、恒流充电、恒压充电。

（1）预充阶段。

先安装电池再加上电源，SMC401首先检测电池的温度是不是在设定范围，如果不正常就会进入温度故障模式。

否则检测电压VBAT，当电池电压VBAT比低压门限VLOW还低时，SMC401就会以恒流10％的电流对电池进行预充电。

（2）恒流充电阶段。

在完成对电池的预充或电池电压VBAT高于VLOW并低于VMAX时，SMC401进入恒流的充电状态，此时通过外部感测电阻上的压降来监控充电电流。

（3）恒压充电阶段。

当电池电压VBAT达到了VMAX时进入恒压充电的状态。

在整个工作电压和工作温度范围内，恒压精度高于±1%。

如果充电电流达到了终止门限ILOW时就会停止充电，如果电池电压低于充电门限电压VMAX了就会自动重新开始进行恒压充电。

●智能锂电池充电控制芯片MAX1758Max1758同MAX1898一样也是Maxim公司生产的锂离子电池充电芯片，可实现智能充电，自动检测调节电流、电压、温度等参数，为锂电池提供了一种新的安全、高效的设计方案。

其性能和MAX1898如出一辙，只是MAX1758 常用于笔记本和一些高档仪器的电源管理芯片，功耗小,发热量小,性能稳定,但是外围电路比较复杂。

智能锂电池充电控制芯片MAX1898[3]MAX1898的内部电路包含输入电流调节器、充电电流检测器、电压检测器、温度检测器、定时器和主控器。

输入电流调节器是用来限制总输入电流，包括充电电流与系统负载电流，如果检测到输入电流大于了设定的门限电流，就会通过降低充电电流来控制输入电流，MAX1898外接PNP功率三级管和限流型充电电源，可对单节锂电池进行有效的快速充电，充电时间可通过外接电容来设定，最大充电电流可通过外接电阻来设置。

充电时间Tchg和定时电容C的关系式满足：C=34.33×Tchg (1.2.1-1) 最大的充电电流Imax和限流电阻Rset的关系式满足：Imax＝1400/Rset (1.2.1-2) 输入电压范围为4.5V-12V。

锂电池要求充电的方式是恒流|恒压方式，电源的输入需采用恒压恒流源，通常采用直流电源再外加个变压器。

（1) 锂电池的充电接口通过外接的场效应管来提供。

（2) 通过外接电容CT设置快充时最大充电时间Tchg,它和定时电容CT 的关系[4]：CT=34.33*Tchg (1.2.1-3) 式中：Tchg 单位为小时，CT 单位为nF，一般情况下快充时间不超过3 小时，因此CT一般为100nF。

（3) 在限制电流的模式下，通过外接电阻RSET 来设置最大充电电流IFST,关系如下所示[5]：IFST =1400 / RSET (1.2.2-4) 式中：RSET 单位为欧姆，IFST 单位为安培。

SMC401是一款更高级的充电控制芯片，它集成了8位MCU控制芯片，使用更加方便简洁，外设电路简单，是商家比较推崇的充电控制芯片，但基于此次设计需要用到单片机作为控制芯片，所以此种方案不作考虑，但其制作原理值得借鉴。

Maxim 公司生产的锂离子电池充电芯片MAX1898 和MAX1758 都可以作为智能充电器的充电芯片，但MAX1898的外围电路也更加简单，易于焊接，也更适合初学者的学习研究。

综上所述，选择MAX1898作为充电芯片，AT89S51作为充电控制芯片，共同完成锂电池智能充电器的研究。

系统流程图如下：图1.2.1-1 系统方框图加载电源，MAX1898自动检测电池电压，判断电池是否为“满”状态，如果“是”则将此状态传递给单片机，触发信号拉低，TLP5621发出低电平信号，MAX1898“EN ”脚电平被拉低，充电停止，蜂鸣器报警。

充电过程中，若电池充满，MAX1898发出“满”信号传递给单片机，单片机同样拉低触发信号，TLP5621 发出低电平信号，MAX1898“EN ”拉低，充电停止，同时发出报警信号。

1.2.2 充电控制芯片的选择[6]随着科学技术的飞速发展，市场上出现了大量的微控制芯片。

单片机作为微型计算机的一个重要分支，应用面很广，发展很快。

从单片机诞生到现在，已发展到了近千个机种（百种系列）。

目前，单片机正朝着多品种和高性能方向发展，发展方向将是进一步向着CMOS 化、低功耗、大容量、小体积、低价格、高性能和外围电路内装化等几个方面。

随着单片机集成度越来越高，各种处围功能器件集成在片内成为了可能。

除了通常必须具有的CPU 、RAM 、ROM 、定时器/计数器等以外，片内集成的部件还有模/数转换器、声音发生器、DMA 控制器、监视定时器、液晶显示驱动器、录像机和彩电用的锁相电路等。

这些实现了数字逻辑集成电路组成的控制电路单片化，可广泛用于家电产品。

由于单片机的这种结构形式及它所采取的半导体工艺，使其具有很多显著的特点，因而使能在各个领域都得到了迅猛的发展。

单片机主要有如下特点：•有优异的性价比；•体积小、集成度高、有很高的可靠性；•有很强的控制功能；•低电压、低功耗，便于生产的便携产品；•外部总线不仅增加了IC（Inter-Integrated Circuit）还增SPI（SerialPeripheral Interface）等串行总线方式，进一步缩小了体积，简化了结构；•单片机的系统配置和系统扩展比较规范、典型，容易构成各种规模的应用系统。

所以本设计选用美国Intel公司推出的MCS-51系列单片微控制处理器（简称51 单片机）作为控制芯片。

其中AT89S51具有很强的代表性。

1.3 详细设计[7]本文提出一种结合智能充电芯片MAX1898 和单片机AT89S51 的充电器软硬件设计方案。

MAX1898 功能十分强大，内部电路包括输入电流调节器、电压检测器、充电电流检测器、定时器、温度检测器和主控器。

它与单片机强大的控制功能配合使用，使得手机电池充电器更加智能化，通过改良外围电路可以大大减小手机电池充电器的体积，使之携带更加方便。

因此该设计方法将在高端手机充电器技术领域占领一席之地，并且引导现有手机充电器的发展趋势。

2 系统硬件设计2.1 主控芯片介绍2.1.1 MCS-51系列单片机概述及功能说明[8]单片机又叫做微控制器,它是通过一个芯片上把计算机系统所要实现的功能全部集成一体,即一块芯片就可以成为一台计算机，其体积不仅小而且质量轻、价格还便宜、是学习、开发和应用的理想条件，同时，学习使用单片机是我们了解计算机的原理和结构的最佳选择条件。

单片机是最早被用在工业控制领域中，它是由芯片内仅有的CPU 专用处理器发展而来的，最早的设计理念是通过将大量外围设备和CPU集成在一个芯片上，使计算机系统体积更小，更容易集成复杂的而对体积要求严格的控制设备当中,本次设计采用的是AT89S51单片机，它是一款低功耗，价格低，高性能的8位单片机。

AT89S51内部框图如下：图2.1.1-1 AT89S51内部框图由上图可知AT89S51和AT89S52一样，都是美国Atmel公司生产的低电压、高性能CMOS 8位单片机，AT89S51片内包含有4KB（AT89S52 为8KB）可在系统编辑的Flash存储器（ROM）。

MCS-51 单片机的指令系统及引脚兼容，功能强大，适合于许多较为复杂的控制应用场合。