手机锂电池智能充电器设计

摘要
随着手机的普及，手机充电器已经成为现代家庭中常用的电器之一。

虽然手机的品牌和型号众多，各种手充电器形状和接口不同，但它们的原理和功能基本一样，电路结构大同小异。

所有手机充电器其实都是由一个稳定电源加上必要的恒流、限压、限时等控制电路构成。

本论文将以单片机和充电芯片MAX1898为核心来构建一种智能充电器。

对基于单片机的充电器的智能部分的设计与实现的研究，是本论文研究的主要任务。

本论文的重点有两方面内容:1.充电的实现；2.智能化的实现。

论文共分为五章。

第一章是绪论部分。

综述了电池、充电知识与充电器，提出了本论文的研究内容以及系统设计的目标。

第二章是手机锂电池智能充电器的硬件结构设计部分，该部分是本论文的重点之一。

首先介绍了设计思路和主要器件，然后详细地介绍了手机锂电池智能充电器硬件部分的总体结构设计和各部分电路的设计,并给出了相应原理图。

第三章是手机锂电池智能充电器软件设计部分，该部分是本论文的另一个重点。

这一章详细地介绍了手机锂电池智能充电器软件的总体构架及程序说明；最后介绍了主要功能的具体实现。

第四章是系统实现及调试部分。

这一章主要介绍了软硬件调试环境，调试过程，调试中碰到的问题及其解决方法，并给出了系统部分调试的结果。

最后一章后对本文的研究内容做了总结，并对基于单片机的手机智能充电器的发展作了展望。

关键字：智能充电器；MAX1898；预充；充电保护；充电报警。

Abstract
As the popularization of the mobile phone, the mobile charger becomes the universal electric appliance in family. Although the difference of the brands and models exists, the principle and function of mobile phone and mobile charger are similar, and their circuits are also resemblance. The entire mobile phone charger contains a constant voltage source and some circuits that contains the constant current, limit voltage or limit time. In this thesis, an intelligent charger with the center of MCU and a charge chip MAX1898 is elaborates. The main task of the project is the design and realization of an intelligent phone charger based on the MCU.
The emphasis of this thesis contains two parts: first, realization of charge, second, realization of intelligence. There are five chapters composed this thesis.
The first part is preface. It elaborates the knowledge about battery, charger and how to charge the battery. It also introduces the task of the project and the purpose of this design.
The second part introduces the hardware construction of the designed intelligent mobile telephone charger for Lithium battery. It is one of the emphases of this thesis. It introduces the design’s thought and the main chips, and then, introduces the main construction and all parts of the circuit in detail. It also gives the principle schemes.
The third chapter is another emphasis of this thesis. It is software design of mobile phone battery charger. This part introduces the main construction and procedure of the charger in detail. It introduces how to realize the function at last.
The forth part introduces how to realize and debug this charge system. It contains the environment of debugging hardware/software, debugging procedure, the problem that will be found in debug and how to deal with it and also gives some result of debugging.
The last chapter is to summarize this research and gives the prospect of MCU’s mob ile phone intelligent charger.
Keywords:intelligent charger; MAX1898; pre-charge; charge protect;
charge alarm.
目录
第1章绪论 (1)
1.1 充电电池简介 (1)
1.1.1 电池定义 (1)
1.1.2 电池充电 (1)
1.1.3 常见充电电池 (3)
1.2 充电知识简介 (4)
1.2.1 充电方法 (4)
1.2.2 快速充电的基本原理 (4)
1.3 充电器知识简介 (5)
1.3.1 充电器要求 (5)
1.3.2 充电终点控制方法 (5)
1.4 手机锂电池充电知识简介 (6)
1.4.1 锂电池 (6)
1.4.2 锂电池充电 (7)
1.4.3 现代锂离子电池充电器 (7)
1.5 本课题的设计任务 (8)
第2章手机锂电池智能充电器硬件设计 (9)
2.1 设计思路分析 (9)
2.1.1 充电器的智能化要求 (9)
2.1.2 充电器智能化实现 (9)
2.2 主要器件及其功能 (9)
2.2.1 AT89C51引脚说明 (9)
2.2.2 MAX1898引脚说明 (11)
2.2.3 6N137引脚说明 (13)
2.3 电路原理图及说明 (14)
2.3.1 单片机电路 (14)
2.3.2 电压转换及光藕隔离部分电路 (15)
2.3.3 充电控制电路 (15)
2.4 充电过程 (16)
2.4.1 预充 (16)
2.4.2 快充 (16)
2.4.3 满充 (16)
2.4.4 断电 (17)
2.4.5 报警 (17)
第3章手机锂电池智能充电器软件设计 (18)
3.1 实现功能 (18)
3.2.1 流程图一 (18)
3.2.2 流程图二 (19)
3.2.3 流程图三 (19)
3.3 程序说明 (21)
第4章系统调试 (24)
4.1 硬件调试 (24)
4.2 软件调试 (24)
第5章展望 (25)
5.1 设计总结 (25)
5.2 智能充电器发展展望 (25)
结束语 (26)
致谢词 (27)
参考文献 (28)
附录一：原理图 (29)
附录二：PCB板图 (31)
附录三：程序 (32)
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第1章绪论
1.1充电电池简介
1.1.1 电池定义
电池的应用从来没有像现在这么广泛。

电池正在变得更小、更轻，在单位容积内可容纳更多能量。

电池发展的主要驱动力来自便携装置(移动电话，膝上电脑，摄录像机，MP3播放机)的发展。

电池称之为能量储存系统，这也包括续流和时钟源。

从现代技术的角度看，电池通常是产生电能的自储化学系统的便携装置。

一次性电池(称之为不可充电或初级电池)从恒定变化电池的化学反应产生电能。

一次性电池的放电引起电池化学成分的永久性和不可逆变化。

反之，可充电电池称之为二次电池，二次电池由充电器充电而在应用中放电。

因此，二次电池可以多次产生能量和多次储存能量。

充电或放电电流(安培)通常表示为额定容量的倍数(称之为C率)。

例如，额定为1安培一小时(1Ah)的电池，C/10放电电流为1Ah/10=100mA。

电池的额定容量(Ah或mAh)是在特定条件下完全充电时所能储存(产生)的电量。

因此，电池的总能量是容量乘电压，其量度为瓦特一小时。

电池的化学成分和设计一起限定电池所能提供的电流。

若没有限制性能的实际因素，电池可产生无穷大的电流。

限制电池性能的主要因素是化学成分的反应率、电池设计和发生反应的区域。

某些电池具有产生大电流的能力。

没有一个电池能永久地储存能量。

不可避免地，电池化学反应能力逐渐下降导致电池储存电荷减少。

电池容量和重量(或尺寸)之比称之为电池的存储密度。

在给定尺寸和重量的电池中，高存储密度意味着可储存更多能量。

[1]
1.1.2 电池充电
下面六个图是不同的充电方式的时间与电流、电压关系示意图。

图 1-1 半恒流充电(主要用在电动剃刀，数字无绳电话和玩具等应用中)
手机锂电池智能充电器设计073032-22 吴未
图 1-2 定时器控制的充电(主要用在笔记本电脑、无线设备和蜂窝电话中) 图1-3 -△V 截止电流(用在笔记本电脑、摄录像机、无线设备和蜂窝电话中) 图1-4 -dT/dt 终止充电(应用在电动工具和电气工具中)
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图 1-5 涓流充电(主要用在应急灯、导向灯、存储器、备用设备中)
图 1-6 恒流，恒压充电(用于蜂窝电话、无线设备和笔记本 PC)
一个新的可充电电池或电池组(一个电池组中有几个电池)不能保证完全充满电。

事实上它们很可能几乎被放电。

因此，第一件要做的事情是根据制造商提供的化学成分相关指南，对电池/电池组进行充电。

每次充电操作根据电池的化学成分依序加电压和电流。

因此，充电器和充电算法满足电池化学成分的不同要求。

镍和锂基电池要求不同的充电算法。

Li+电池需要保护电路来监控和保护过流，短路，过压和欠压以及过温。

电池充电经常遇到的术语是：用于NiCl 和NiMH电池的恒流(CC)和用于锂离子和锂聚合物电池的恒流/恒压(CC/CV)。

1.1.3 常见充电电池
现在，常见的充电电池有镍氢NiMH、镍镉NiCd和锂离子LiB电池。

由于各自的电化学反应机理不尽相同，因此也各有其特点和不同的应用领域。

手机锂电池智能充电器设计073032-22 吴未
NiCd电池是依靠OH-离子快速移动，反应比铝酸蓄电池平稳。

因此，他的重要特征是放电容量尽管在大电流放电时也不出现低下现象（可维持1.2V端电压）。

结晶结构基本上不因充放电而变化，使用寿命较长。

NiMH电池的负极材料结构和电化学反应机理不同于NiCd电池，它的能量密度和使用寿命都比NiCd电池优越，从而也能拓出更广阔的应用市场。

正是由于这种缘故，世界个工业发达国家都高度重视NiMH电池的研究和开发。

LIB的主要特点是具有较高的重量能量密度，平稳的放电电压为3.6V，可在-20℃～60℃的温度范围内工作，无存储效应，自放电率低（因而不能大电流放电）。

为了安全地使用LIB，要求具备严防充电和过充电的保护设施。

[2]
1.2 充电知识简介
1.2.1 充电方法
铅酸电池、镉镍电池、氢镍电池、锂离子电池等二次电池，也叫蓄电池或可充电池，充电器对这些电池充电时，可把市售的 EEAF 交流电变成一定电压的直流电，使电能转化为电池内的化学能贮存起来。

[3]
充电有两种不同的方法，即对电池进行大电流充电和小电流充电，也就是快速充电和慢速充电。

充电主要是通过快速充电来完成。

[4]
1.2.2 快速充电的基本原理
1967 年美国人J.A.MAS以最低析气率为前提,找出了蓄电池能够接受的最大充电电流和可以接受的充电电流曲线,如图1-7 所示,方程见式(1)。

i=I
e-at（1）
式中i —任意时刻 t 时蓄电池可接受的充电电流
I
—最大初始可接受充电电流
a—衰减率常数 ,也称充电接受比
图1-7所示是一条自然接受特性曲
线，超过这一充电接受曲线的任何充电
电流，不仅不能提高充电速率，而且会
增加析气，小于此接受曲线的充电电流，
便是蓄电池具有的储存充电电流。

J．A．MAS在实验的基础上提出，蓄
电池在采用任一放电电流后，其充电接
受比和放电放掉的容量的平方根成反
比，即：a=K/C1/2。

其中，K为常数，C为
放电容量。

可见，a值越大，充电接受电
流越大。

MAS还指出，对于任何放电深度，一个电池的充电接受比a是和放电电流Id
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的对数成正比，即a=Klg(KId),它定量地表明随放电率的不同充电接受比的变化。

[5]
可见，充电接受率a取决于其先前放电率以及放电深度。

并且当以小电流长时间放电，a值低；而已大电流短时间放电；a值高。

因此，蓄电池在充电过程中采取电量相对很小，而幅度较大且时间很短的放电措施，将恢复或提高蓄电池的充电接受率，从而增大了充电电流，只要对出气率及温升等现象控制得当，就不会对电池的寿命影响太大，而同时却加快了充电速率，缩短了时间，其程度可因不同的设计而成倍缩短。

正是在这一理论的基础上，产生了不同于常规充电制度的脉冲充电、放电去极化的快速充电技术。

[6]
脉冲充电放电去极化技术发展到现在，因不同的使用对象其分类很多，如定电压、定电流、定周期、定出气率及各种方案的综合等，优劣各不同。

许多优秀的快充电设备采用闭环控制，因而对蓄电池充电程度和是否充满电以及对其他现象的检测技术也非常重要，如温升出气与效率等。

[7]
1.3充电器知识简介
1.3.1 充电器要求
人们对充电器的要求是：在电池充足电、但不过量充电而把电池充坏的前提下，尽量方便使用。

我们用氢镍电池在充电时电池内部发生的变化，如电压、温度和内阻等的变化，来说明什么样的充电器才是合适的。

1.3.2 充电终点控制方法
目前市售的充电器中，控制充电终点的方法大致有5种。

）：这种方法考虑到氢镍电池充电时的最高端电压为1．最高电压法（V
max
1.4～1.6V，从充电开始，充电器就不断自动检测电池端电压，当发现电池端电压达到制造者预先设定的电压值后，认为电池已被充足电，则停止充电。

这种充电方法叫定电压充电法，充电刚开始时电流很大，随着电压差的减小，充电电流逐渐变小，直至停止。

这种方法的缺点是氢镍电池的内阻会随着电池使用循环次数的增加而增加，新电池能够充足，用一段时间后的电池就充不足了，如果把预设定电压定得太高，过大的初始电流又会充坏电池。

而且由于不同厂家的电池内阻不同，充足时的最高电压也不同，制造者不好设定一个都适用的最高电压值。

2．恒流定时法（I×T）：使用这种方法的充电器，预设定充电电流在IC 以下，人工或自动控制充电时间，以充入的电量为电池容量的120%～140%为限。

市售最常见的，早已用在单体镉镍电池上的充电器，预设定电流一般为50～100mA，充电12～14h，由使用者自行终止充电。

因为充电电流不大，稍微过量的充入也不会损坏电池，所以充电终止时间不十分严格。

下班时开始充电，充
手机锂电池智能充电器设计073032-22 吴未
一夜，上班时再拔下充电器插头，不误使用。

这种充电方法的缺点一是耗时，二是不管电池状态怎样（是否还有剩余电量、循环使用过多少次、电池实际容量已降低等），不到设定时间不停止充电。

在这种情形下，若充电量太多，就会把电池充坏。

3．最高温度法（T
）：在充电器上设置一个热敏元件探头，随时检测电
max
池的温度，当电池的温度达到或超过预设定的温度时，减小或中断充电电流。

如果充电器和电池配套制造和销售时，可以采用这种方法。

但在充电器上对不同厂家生产的电池就很难设定一个都适合的温度。

而且充电器检测电池温度还会受到环境温度的影响，导致充电器误动作，所以这种控制方法很有局限性。

4．温升速率法（dT/dt）：与最高温度法一样，在充电器上设置一个热敏元件探头。

随时检测电池的温度，但是这种方法不是设定最高温度限制，而是设定温升速率的允许值，也就是不断把检测值与上次检测值进行比较。

计算出电池在单位时间内温度的变化量，在充电器上预先规定了这个变化量的大小。

温升速率过大，则减小或终止充电电流。

这种方法的局限性，也和最高温度法一样。

5．零电压降或负电压降法（△V=0或-△V≠0）：在定电流充电过程中，充电器不断自动检测电池端电压，当检测到电池的电压不再升高，或是有所下降时，也就是充电电压变化曲线上，出现水平段或出现下降时，认为电池正极上活性物质已全部反应完，即电池已经被充足电了，从而终止充电。

这种方法的根据是：充足电时电池内有较大热量产生，电压会突然下降，而小电流充电时，即使充足电，电池的端电压也没有明显的突变。

而且对于电池组来说，参与组合的单体电池性能不一致，到达充足的时间不同，电压变化此起彼伏，就不容易测到明显的总电压变化。

若预先把-△V值设定得太小，则容易受外电路波动的影响而停止充电，使电池充不足电；若-△V值设定得太大，电池端电压的降低不能控制充电器充电，容易给电池过充电。

再说这种方法实质上是在测定电池温度变化后电池端电压的变化，所以也受充电环境温度的影响。

综上所述，在充电器充电过程中，各种控制充电终点的方法都有一定的局限性。

有的充电器制造商同时采用几种方法，层层设防，以求万无一失。

这里需要指出的是：在一定环境下、对一定电池，充电器上纵然有多种手段，只有一种控制方法在起作用。

所以根据不同环境、不同使用要求实际制造不同的充电器，比起设计制造赤道、极地通用、高速慢速都行、各类电池皆可的“万能“充电器来，可能会降低制造成本，也会增加使用可靠性。

[3]
1.4 手机锂电池充电知识简介
1.4.1 锂电池
锂离子电池实际上是一种锂离子浓度差电池，正负两极有两种不同的锂
离子嵌入化合物组成，正极采用锂化合物Li x CoO2, Li x NiO2或LiMn2O2，负
极采用锂-碳层间化合物Li x C6，电解质为LiPF6和LiAsF2等的有机溶液。

经过Li+在正负电极间的往返嵌入和脱嵌形成电池的充电和放电的过程。

充电时，Li+正极脱嵌经过电解质嵌入负极，负极处于富锂态，正极处于贫锂态。

放电时则相反。

[8]
1.4.2锂电池充电
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。

其中锂离子电池以高能量密度、高内阻、高电池电压、高循环次数、低自放电率等特性，脱颖而出，迅速成为市场的主流。

据统计，在笔记本电脑和移动电话领域，锂离子电池的市场占有率分别为80%和60%。

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和镍氢电池市场。

Li+锂电池因具有体积小、重量轻与能量密度高等优势，所以在GSM/CDMA 和数码相机、摄像机及PDA等高端便携式产品中被广泛应用.它们都需要在内建立一个高性能的锂离子电池充电器, 以保证Li+电池在使用中避免过充电、过放电等损害现象的发生，从而,随之带来的是要求锂电池充电器具有严格与完善的保护电路,才能真正实现各项安全保护特性。

[9]
其实，镍基电池的充电器是限流型的，而锂离子电池充电器是限制电压和电流。

第1代锂离子电池充电电压限制在4.10V/电池。

较高的电压意味着较大的容量，通过增加化学添加剂实现了4.20V电池电压。

现代锂离子电池一般充电到4.20V(容差±0.05V/电池)。

在充电端电压达到电压阀值和充电电流降到0.03C(接近于3%Ich)之后达到满充电。

大多数充电器达到满充电的时间大约为3小时，而一些线性充电器声称大约一小时充电Li+电池。

这种充电器通常在电池端电压达到4.2V时终止充电。

然而，这种规定只充电电池到其容量的70%。

较大的充电电流不能使充电时间缩短太多。

较大的充电电流能较快地达到电压峰值，但浮充需较长时间。

凭经验，浮充是初始充电时间的两倍。

锂离子电池具有工作电压高、能量密度高、无记忆效应、自放电小、循环寿命长等一系列优点。

但是
必须正确使用，特别是保证正确充电，否则电池的使用性能将受到严重影响甚至于被损坏。

设计锂离子
电池充电器要考虑以下几个原则：应充足实际容量，以延长电池的一次充电使用时间，同时又要严格防止过充电。

充电电流要有一定限制，以防止电池过热，发生意外。

为了使新旧电池能够达到“可充”状态，需要一个预充过程。

安全合理地缩短充电时间，方便使用。

[10]
1.4.3现代锂离子电池充电器
第一代的锂离子电池具有电子保护电路，但只是通过被动措施进行电池保护。

而最新一代的保护电路在充电保护程序中就变得较为主动，使电池充电要求更加复杂化。

锂离子充电过程与汽车中的密封铅酸电池充电相似。

两者都只能在一个限制的温度范围内充电，而且必须在一个电流限制的电压下充电，直到达到特定的电压。

他们还需要保持恒定电压，直到电池完全充满。

最后，当充电电流达到零时，两者在恒定电压完全充电。

对锂离子电池而言，充电的规格限制在0℃到50℃温度范围，而且必须不能超过电池最大充电速率“C”的1/10或C/10，直到电池电压高于2.5V。

视其特定的锂离子化学成分，当开路电池电压达到4.1V 或4.2V时电池完全充好。

现在，几乎所有的锂离子电池都是4.2V。

电压必须精确，因为超过最大充电电压会造成电池灾难性的问题。

要了解锂电池充电器，应该了解这些电池的特点、整个充电过程，并把它们分成不同的阶段。

第一是预调整充电阶段。

这个阶段只能在电池容量处于0%容量点以下才会出现。

充电器在C/10或低于C/10充电时回检测电池电压，直到电压恢复到电池2.5V以上。

通常，要求一个时限以检测无法回复到2.5V以上的损坏电池。

第二是恒定电流充电阶段。

需要时限以检测电池无法达到4.2V电压限值的情况，这种情况表明充电过程中可能出现了问题。

第三是恒定电压充电阶段。

特定的电池化学成分决定终止电压。

当电池电压距终止电压只差10%或更小时，充电电流即开始下降。

用一个时限以检测电池不能下降到零电流满充电状态。

第四是结束充电阶段。

这实际第三阶段的延续，仅仅是因为现实的技术问题而存在，这与充电器在真正零电流充电状态下的充电器电流监测精确性有关。

一般情况下，充电电流降至C/10水平时这个阶段开始。

需要一定的时限来表明充电结束并防止连续的浮动充电。

第五也是最后一个阶段是维护。

充电器监控开路电池电压。

当电池电压降至设定的重启点,即3.90V～4.05V之间时，充电器会重新工作，并提供充电电流使电池电压恢复到 4.2V。

[11]
1.5 本课题的设计任务
针对锂电池的充电规律，结合现有锂电池充电器的特点，本课题欲设计
一款智能手机锂电池充电器，要求以单片机为控制核心，选择适当的配套元件，设计硬件电路，并编制相应软件，使所设计的充电器具有智能化特点，
能根据不同手机锂电池的电参数自动确定相应的充电控制规律，自动检测、
充电、断电、报警等，达到理想的充电效果。

第2章手机锂电池智能充电器硬件设计
2.1 设计思路分析
2.1.1充电器的智能化要求：
充电器实现的方式不同会导致充电效果的不同。

由于充电器多采用大电流
的快速充电法，在电池充满后如果不及时停止会使电池发烫，过度的充电会
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，而采用小电流涓流补充充电。

手机电池的使用说明和单次使用时间与充电过程密切相关。

锂电池是手
机最为常用的一种电池，它具有教高的能量重量比、能量体积比，具有记忆
效应，可重复充电多次，使用寿命较长，价格也越来越低。

锂电池对于充电
器的要求比较苛刻，需要保护电路。

为了有效利用电池容量，需将锂电池充
电至作大电压，但是过压充电会造成电池损坏，这就要求较高的控制精度。

另外，对于电压过低的电池需要进行预充，充电器最好带有热保护和时间保护，为电池提供附加保护。

[12]
一部好的充电器不但能在短时间内将电量充足，而且还可以对电池起到一定的维护作用，修复由于使用不当造成的记忆效应，即容量下降（电池活性衰退）现象。

2.1.2充电器智能化的实现
设计比较科学的充电器往往采用专用充电控制芯片配合单片机控制的方法。

专用的充电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，通过单片机对这些芯片的控制，可以实现充电过程的智能化，例如，在充电后增加及时关断电源、蜂鸣报警和液晶显示等功能。

充电器的智能化可以缩短充电的时间，同时能够维护电池，延长电池的使用寿命。

目前市场上存在大量的电池充电芯片，它们可直接用于进行充电器的设计。

在选择具体的电池充电芯片时，需要参考以下标准：电池类型、电池数目、电流值和充电方式。

本设计要实现的是手机的单节锂电池充电器，要求充电快速且具有优良的电池保护能力，因此选择Maxim公司的MAX1898作为电池充电芯片。

2.2 主要器件及其功能
2.2.1 AT89C51引脚说明。