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基于51单片机的智能充电器.doc

发布时间：2022-06-25 发布人：admin 分类：说明书 资料大小：0.24M 资料格式：doc 举报 版权申诉
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    1.2指导思想
    1.3本设计完成的智能化功能
    2.2单片机的应用
    2.3单片机应用于充电器实现智能化
    2.4 本设计所用的单片机芯片
    3.锂离子电池介绍及充电芯片MAX1898的介绍
    3.1锂离子电池简介
    3.1.1锂离子电池基本参数特性[6]
    2.高工作电压
    5.快速充电特性
    6.长循环寿命
    3.2MAX1898充电芯片
    3.2.1MAX1898的特点及充电芯片的选择理由
    3.2.3MAX1898的充电原理
    CCT=34.33×tCHG
    IFSTCHG=1400/REST
    4.2电路原理图和说明[8]
    4.3智能充电器的充电过程
    1．预充
    2．快充
    3．慢充
    4．断电
    5．报警
    5．软件设计
    5.2 主要程序说明
    TL0=-5000%256;
    GATE = 1;
    BP = 1;
    鲁东大学毕业设计 基于 51 单片机的智能充电器设计 摘 要：本设计是选用 Maxim 公司的 MAX1898 作为电池充电芯片，使用单片机芯片 AT89C52 对其进行控制的一款智能充电器的设计。在对锂离子电池的基本参数特性做出介 绍的基础上,该充电器的硬件电路包括单片机控制部分、电压转换及光耦隔离部分、充电控 制部分。软件设计以 C51 语言为工具，实现了预充、快充、慢充、断电、报警等智能化充 电过程。 关键词：充电器；智能；基于 AT89C52 单片机；MAX1898 1. 引言 1.1 课题背景 随着信息技术的高速的发展，信息化正以令人惊叹的速度渗透到各个领域。电池作 为一个传统的产业，正经历着前所未有的变革，特别是在通信，动力等领域，对电池有 了新的要求。智能充电器就在这种环境下应运而生。 在人们日常工作和生活中，随着各种电子产品的广泛应用，各种充电器就不可或缺。 从电动刮胡刀到 mp3，从手机到笔记本电脑，几乎只要用到电池的设备都会用到充电器。 这些充电器都有便携的特点，所以充电器为人们外出旅游和出差提供了相当大的方便。 单片机在电池充电器领域有着广泛的应用，利用它的处理控制能力可以实现充电器 的智能化。充电器种类品种繁多，但严格意义上讲，只有单片机参与处理和控制的充电 器才能称为智能充电器。 1.2 指导思想 （1）实现充电过程。充电分为两个方面：一是充电过程的控制；二是需要提供基本充 电电压。 （2）智能化的实现。引入单片机可实现智能化。 1.3 本设计完成的智能化功能 本设计是基于 51 单片机在实现锂离子电池充电方面的应用。这种智能充电器在单 片机的控制下，实现预冲，充电保护，自动断电和充电完成报警提示功能。 1
    鲁东大学毕业设计 2．单片机简介 在通用微机中央处理器（CPU）基础上，将输入／输出（I／O）接口电路、时钟电 路以及一定容量的存储器等部件集成在同一芯片上，再加上必要的外围器件，如晶体振 荡器，就构成了一个较为完整的计算机硬件系统。由于这类计算机系统基本部件集成在 同一芯片内，因此被称为单片微控制器（Single-Chip-Micro Controller）、微控制单元 （Microcontroller Unit,MCU）或嵌入式控制器（Embedded Controller），简称单片机。[1] 目前，8 位高档机和 16 位机在单片机应用中占主导地位，产品众多，已有几十个 系列、几百个型号，除了通用单片机以外，集成更多资源，如 A/D 转换器、D/A 转换 器、“看门狗”（Watchdog）电路、LCD 控制器、网路控制模块等，将单片机嵌入式系 统和 Intenet 连接起来已是一种趋势。还有专用单片机产品，如专门用于数据处理（图 像和语言处理等）的单片机。总之，单片机正在向微型化、低功耗、高速、集成、高集 成度、多资源、网络化、专用型方向发展。[2] 2.1 单片机的特点 单片机芯片作为控制系统的核心部件，它除了具备通用微机 CPU 的数值计算功能 外，还必须具有灵活、强大的控制功能，以便实时监测系统的输入量，控制系统，从而 实现自动控制功能[3]。单片机主要面向工业控制，工作环境比较恶劣，如高温、强电磁 干扰，甚至含有腐蚀性气体，在太空中工作的按偏激控制系统，还必须具有抗辐射功能， 此而决定了单片机 CPU 的技术特征和发展方向： （1）单片机 CPU 抗干扰性强，工作温度范围宽（按工作温度分类，有民用级工业级、 汽车级及军用级）。 （2）单片机 CPU 可靠性高。在工业控制中，任何差错都可能造成极其严重的后果， 因此在单片机芯片中普遍采用硬件看门狗技术，通过定时“复位”方式唤醒处于“失控” 状态下的单片机芯片。 （3）单片机 CPU 电磁辐射量小。高可靠性和低电磁辐射指标决定了单片机系统的时 钟频率很低。为此，单片机芯片一般采用 HARVARD 双总线结构，即指令和数据存储 器空间相互独立，并通过各自的数据总线与 CPU 相连，使取指和读/写数据能同时进行。 双总线结构能提高数据的吞吐率，以便在不降低数据吞吐率的条件下使用较低的时钟频 率。 （4）单片机的控制功能很强。 （5）单片机的指令系统比较简单。 （6）单片机芯片往往不是单一的数字电路芯片，而是数字、模拟混合电路系统，即 单片机芯片内长集成了一定数量的模拟比较器，A/D 及 D/A 转换电路。 （7）单片机 CPU 采用嵌入式结构。尽管同一系列的单片机品种、规格繁多，但彼此 2
    鲁东大学毕业设计 差异却不大。 2.2 单片机的应用 由于单片机具有如上所述的特点，因此在工业生产、日常生活等诸多领域，得到了 日益广泛的应用，单片机的主要应用领域有：工业控制，如在工业生产过程中参数（如 温度、压力、流量、液位等）的控制，数据处理功能于一体，如转速测试仪、噪声测试 仪、振动测试仪及电子秤等。计算机网络与通信，单片机上有并行 I/O 接口，串联 I/0 接口，可用于通信接口，如单片机控制的自动呼叫应答系统、列车无线通信系统、遥测 遥控系统等。家用电器，由于单片机体积小，控制能力强，且片内与定时器/计数器， 所以广泛应用于家用设备中。如空调、洗衣机、微波炉及防盗报警等。 本设计是单片机在智能充电方面的应用。 2.3 单片机应用于充电器实现智能化 因为多数充电器一般采用大电流的快速充电法，如果电池充满了，人们不及时断电 就会使电池发烫，过度的充电会严重损害电池的寿命[4]。像一些成本比较低的充电器一 般采用电压比较法，为了防止过度充充，基本上充电到一定的程度就停止大电流快充， 转而用小电流涓流补充充电。 一部分的充电器不但能在很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。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式。专用的充电芯片 具有业界公认较好的-△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段电源、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，延长电池使用寿命。 51 系列单片机也是当前使用最为广泛的 8 位单片机系列，其丰富的开发资源和较 低的开发成本，使 51 系列单片机现在以至将来都仍会有强大的生命力。在众多的 51 系 列单片机中，AT89 系列单片机在我国得到了极其广泛的应用，AT89 系列单片机是美国 Atmel 公司的 8 位机产品。他的特点是片内含有 Flash Memory，Flash Memory 是一种 电可摩除和电写入的闪速存储器（记为 FPEPROM)，在系列的开发过程中可以很容易 地进行程序修改，使开发调试更为方便。 2.4 本设计所用的单片机芯片 本设计的单片机芯片选用 Atmel 公司的 AT89C52，它可以完全满足要求。AT89C52 是一个低电压，高性能 CMOS 8 位单片机，片内含 8 KB 的可反复擦写的 Flash 只读程序存储器（ROM）和 256 B 的随机存取数据存储器（RAM），器件采用 A TMEL 公司的高密度、非易失性存储技术生产，兼容标准 MCS-51 指令系统，片 3
    鲁东大学毕业设计 内置通用 8 位中央处理器和 Flash 存储单元.AT89C52 有 40 个引脚，32 个外部双 向输入/输出（I/O）端口，同时内含 2 个外中断口，3 个 16 位可编程定时计数器, 2 个全双工串行通信口，2 个读写口线，AT89C52 可以按照常规方法进行编程,但 不可以在线编程(S 系列的才支持在线编程)。其将通用的微处理器和 Flash 存储器 结合在一起，特别是可反复擦写的 Flash 存储器可有效地降低开发成本。 2.4.1 管脚定义说明 1.VCC 管脚：系统供电电源 2.GND 管脚：接地管脚 3.P0 端口（P0.0~P0.7）：P0 端口是一组 8 位开环的双向 I/O 端口。当 P0 用 作输出口时，没个管脚能保持 8 个 TTL 输入。当操作外部程序与数据区时，通过 配置，P0 还可用作地位的地址/数据复用端口。 4.P1 端口（P1.0~P1.7）：P1 端口是一组具有内部上拉电阻的双向 I/O 端口。 由于存在上拉电阻，P1 端口的外部电流 IIL 会很低。此外,P1.0 和 P1.1 管脚可配 置成为定时/计数器 2 的外部计数输入（P1.0/T2）和触发输入（P1.1/T2EX），具 体配置如表 2.1。在刷新程序代码和验证信息时，P1 端口还可用来接受地位地址 字节。 表 1 P1.0 和 P1.1 管脚配置 管脚 P1.0 P1.1 配置功能表述 T2（定时/计数器 2 的外部计数输入），时钟输出 T2EX（定时/计数器 2 的处罚和方向选择） 5．P2 端口：P2 端口是一组具有内部上拉电阻的双向 I/O 端口。当系统使用 16 位地址信息读取外部程序区间或操作外部数据区间时，他发送高 8 位地址字节。 这种操作一般使用 MOVX@DPTR 语句实现。 6．P3 端口：P3 是一组具有内部上拉电阻的双向 I/O 端口，同时它还具备许多 系统功能，如表 2 所示。 表 2 P3 的功能 4
    管脚 P3.0 P3.1 P3.2 P3.3 P3.4 P3.5 P3.6 P3.7 鲁东大学毕业设计 配置功能 RXD（串行输入端口） TXD（串行输出端口） INT0（外部中断 0 端口） INT1（外部中断 1 端口） T0（定时器 0 的外部输入） T1（定时器 1 的外部输入） WR（外部数据存储区间的写入端口） RD（外部数据存储区间的读取端口） 7.RST 管脚：输入用于抚慰输入信号。 8.ALE/PROG 管脚：ALE 表示地址所存使能信号，当防卫外部存储区间时， 用来锁存低 8 位地址字节。/PROG 表示在刷新程序代码时的程序脉冲输入信号。 在正常操作时，ALE 将以系统晶振频率的 1/6 发送一个固定的频率，可用于外部 时钟或者定时。 9./PSEN 管脚：/PSEN 表示程序代码存放使能信号，主要用于读取外部的程 序数据区间，当 AT89C52 执行外部程序数据区间中的代码时，/PSEN 信号在每一 机器始终周期内使能两次，但若单片机操作外部数据区间，/PSEN 将无实际意义。 10.XTAL1 管脚：改管脚点解单片机晶振，作为晶振放大器和内部时钟处理电路的 输入。 11.XTAL2 管脚：晶振放大器的输出。[5] AT89C52 管脚图如图 2.1。 图 2.1 AT89C52 管脚图 5
    鲁东大学毕业设计 3.锂离子电池介绍及充电芯片 MAX1898 的介绍 3.1 锂离子电池简介 锂是一种金属元素，化学符号 Li，是一种银白色、十分柔软，化学性能活泼的金 属，是金属中最轻的。锂离子电池的正极材料通常有锂的活性化合物组成（主要成分是 LiCo02），负极则是特殊分子结构的碳。 锂离子电池可以分成两大类：不可充电型和可充电型，最大特点是比能量高。比能 量指的是单位重量或单位体积的能量，用 Wh/Kg 或 Wh/L 表示。 3.1.1 锂离子电池基本参数特性[6] 1.高能量密度 锂电子电池的能量密度可以达到 360Wh/L,158Wh/Kg,是 NI-CD 及 NI-MH 电池的 两倍以上。 2.高工作电压 一般放电电压为 3.7V。 3.高负载特性 一般锂电子电池的最大连续放电电流可达 2CmA。 4.放电特性稳定 即使在电池寿命接近终止时，光宇锂离子电池仍保持着良好的放电稳定性。 5.快速充电特性 锂离子电池可接受的最大充电电流可达 1CmA，而且恒流充电时间可达 50 分钟以 上。 6.长循环寿命 重复使用次数多，循环充电特性好，可以重复 500~1000 次充放电。 锂离子电池的这些特点促进了便携式产品向更小更轻的方向发展，使得选用单节锂 离子电池供电的产品也越来越多。 3.1.2 锂离子电池的优缺点 虽然锂离子电池很少发生结晶化的反应，这种反应是产生记忆效应的原理。但是， 锂离子电池在多次充放电之后仍会性能下降，原因是非常复杂的。最主要的是正负材料 的变化，从分子角度看，正负极能容纳锂离子的空穴会塌陷，这样就会堵塞，影响电流 的充放；从化学角度来看，正负极材料的钝化，会产生一些稳定的化合物，这样也会也 会影响性能。从物理角度看上，由于充放电过程中难免会有一些摩擦，碰撞，这样会使 外部材料慢慢流失，甚至脱落。这三方面的原因都会使锂离子电池在充放电过程中参加 导电的锂离子丢失。 6
    鲁东大学毕业设计 过度的充放电，都会对造成电池的损害或降低使用寿命，过度放电将导致负极碳过 度释放出锂离子而使得其片层结构出现塌陷，过度充电将把太多的锂离子硬塞进负极碳 结构里去，而使得其中一些锂离子再也无法释放出来。这也是锂离子电池为什么通常配 有充放电的控制电路的原因。 锂离子电池一般都带有管理芯片和充电控制芯片。其中管理芯片中有一系列的寄存 器，存有容量、温度、ID、充电状态、放电次数等数值。这些数值在使用中都会逐渐变 化。 充电控制芯片是控制电池的充电过程。锂离子电池的充电过程分为两个阶段，恒流 快充阶段（电池指示灯呈黄色时）和恒压电流递减阶段（电池指示灯呈绿色闪烁。开始 充电时，电池的电压以较大的斜率升压，当到达电池的标准电压，之后再控制芯片的控 制下转入恒压充电状态，此过程中电压变化不大，电流在逐渐减小，当充电电流几乎降 到零时，可认为电池电量已满，停止充电。 电量统计芯片通过记录放电曲线（电压、电流、时间）可以抽样计算出电池的电量。 而锂离子电池在多次使用后，放电曲线是会改变的，如果芯片一直没有机会再次读出完 整的一个放电曲线，其计算出来的电量也就是不准确的。所以我们需要深充放来校准电 池的芯片。 锂离子电池的不足之处在于对充电器要求比较苛刻，需要保护电路。锂离子电池要 求的充电方式是恒流恒压方式，为有效利用电池容量，需将锂离子电池充电至最大电压， 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。由此可见实 现安全高效的充电控制成为锂离子电池推广应用的瓶颈。 3.2MAX1898 充电芯片 MAX1898 是一片 Maxim 公司生产的单锂离子电池的线性充电器电路，是一款性价 比比较高的线性充电芯片。MAX1898 配合外部的 PMOS 或 PNP 晶体管可以组成完整 的锂离子充电器。MAX1898 提供了充电状态的输出指示、输入电压是否与充电器连接 的输出制式和充电电流指示。MAX1898 可以提供精确的恒流/恒压充电，提高了电池性 能且延长了电池的使用时间。充电电流可自由设定，原理无需外部检流电阻，只用内部 检流。MAX1898 还可以可选过放电电池的低电流预充和充电终止安全定时器、输入关 断控制、可选充电周期重启（不用重新给电）。它具有很高的集成度，在很小的尺寸内 集成了很多的功能，基本上覆盖了基本的应用电路，大大简化了设计过程，因此只需少 量外部的元件。 7
    鲁东大学毕业设计 图 3.1 MAX1898 实物图 3.2.1MAX1898 的特点及充电芯片的选择理由 MAX1898 特点如下： 1. 4.5V~12V 的输入电压小，无需变压装置。 2. 可以自动检测输入电源。 3. 充电电流可以自由编程。 4. 内置检流电阻（充电电流可根据自己要求内部检流，不用外部检流电阻）。 5. 检流可监视输出。 6. 安全定时器可以自由编程。 7. 充电状态可有 LED 指示。 8. 可选/可调节自动重启。 9. 小尺寸 uMAX 封装的特点很灵巧，简易。 10.调整原件是成本很低的 PNP 或者 PMOS 晶体管[7]。 11.电压精度 ±0.75％，这种精度很高，符合要求。 12.简单、安全的线性的充电方式。 由以上特点可以肯定 MAX1898 对锂离子电池进行安全充电。而且它的高集成度， 是在很小才尺寸内集成了很多功能，尽量减少外部电路。所以选用 MAX1898 作为充电 芯片。 3.2.2MAX1898 的引脚构造。 MAXl898 为 10 引脚、超薄型的 MAX 封装，其引脚分布如图 3.2 所示 各引脚的功能： 图 3.2 MAX1898 引脚图 8
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