信 息 技 术 2009 NO.05 SCIENCE & TECHNOLOGY INFORMATION 科技资讯 基于 A T 8 9 C 5 1 的智能充电器的设计 ( 福建师范大学协和学院 福建福州 3 5 0 1 0 8 ) 钟 伟 雄 摘 要:现代的社会手机数量的迅速增多,而各个手机厂商所出的手机充电接口又各不相同,与此同时,市场上手机充电器种类繁多,但其 中也有很多质量低劣的不合格产品。其主要问题出现在: 与交流电网电源的连接, 电源端子骚扰电压, 辐射骚扰场强和充电电压几个方 面。本充电器的设计调整充电策略, 进行智能控制, 从而实现数字化、智能化、通用化和低功耗的特点。 关键词:充电器 手机 智能 中图分类号: T N 9 1 文章编号:1672-3791(2009)02(b)-0031-03 文献标识码:A 1 选题的背景 现 代 社 会 , 人 们 使 用 便 携 式 设 备 包 括 手机、M P 3 、数码相机等的机会越来越多, 而 这 些 设 备 大 部 分 都 使 用 充 电 电 池 , 不同 设备的充电电压、电流不同使得我们要对 不 同 的 设 备 电 池 购 买 不 同 的 充 电 器 , 造成 不 便 和 浪 费 。 通 过 该 题 目 的 实 施 , 可 以 实 时 采 集 和 计 算 电 池 的 参 数 , 根 据 不 同 的 电 池 调 整 充 电策略, 进 行 智 能 控 制, 从而实现数字化、 智 能 化 、 通 用 化 和 低 功 耗 的 特 点 。 1 . 1 本课题在国内外的发展概况及存在的 问 题 目前, 市场上手机充电器种类繁多, 但 其中也有很多质量低劣的不合格产品。其 主要问题出现在: 与交流电网电源的连接, 电 源 端 子 骚 扰 电 压 , 辐 射 骚 扰 场 强 和 充 电 电 压 几 个 方 面 。 另 外 , 一 些 产 品 的 低 温 性 能、额定容量、放电性能、安全保护性能 等方面存在质量问题。这些质量问题会影 响 到 手 机 的 正 常 使 用 , 还 会 影 响 手 机 的 使 用寿命, 严重时还可能伤害消费者。 2 智能充电器的硬件设计 智能充电器如图 1 所示。主要包括电源 变换、采样电路、处理器、脉宽调制解调 器和电池组等, 形成了一个闭环系统。 2 . 1 处理器 ● 1000 次擦写周期 ●全静态操作: 0 H Z ～2 4 M H Z ● 三 级 加 密 程 序 存 储 器 ● 1 2 8 * 8 字节内部 RAM ● 3 2 个可编程 I / O 口线 ● 2 个 1 6 位定时 / 计数器 ● 6 个中断源 ●可编程串行 U A R T 通道 ● 低 功 耗 空 闲 和 掉 电 模 式 ( 2 ) 管脚功能( 引脚图见图 2 ) 。 V C C : 供电电压; G N D : 接地 P 0 口: P 0 口为一个 8 位漏级开路双向 I / O 口, 每脚可吸收 8 T T L 门电流。 P 1 口: P 1 口是一个内部提供上拉电阻 的 8 位双向 I / O 口。 P 2 口: P 2 口为一个内部上拉电阻的 8 位双向 I / O 口。 P 3 口: P 3 口即可以作通用 I / O 口使用, 又 可 以 作 第 二 功 能 使 用 。 R S T : 复位输入。 A L E / P R O G : 当访问外部存储器时, 地 址锁存允许的输出电平用于锁存地址的地 位 字 节 。 / P S E N : 外部程序存储器的选通信号。 / E A / V P P : 当 / E A 保持低电平时, 则 在此期间外部程序存储器(0000H-FFFFH), 不管是否有内部程序存储器。 X T A L 1 : 反向振荡放大器的输入及内 处理器采用 51 系列单片机 AT89C51 。 部 时 钟 工 作 电 路 的 输 入 。 单片机内部有两个定时器、两个中断和一 个串口终端、三个八路的 I / O 口, 采用 1 1 . 0592HZ 的晶振。 单片机的任务是通过采样电路实时采 集 电 池 的 充 电 状 态 , 通 过 计 算 决 定 下 一 阶 段 的 充 电 电 流 , 然 后 发 送 命 令 给 控 制 器 控 制电流的大小。单片机通过串口 R S 2 3 2 和 上位机相连, 用于存储数据和虚拟显示。 2 . 1 . 1 单片机 A T 8 9 C 5 1 ( 1 ) 主要性能参数。 ●与 M C S - 5 1 产品指令系统完全兼容 ● 4K 字节可重复擦写 Flash 闪速存储 器 X T A L 2 : 来自反向振荡器的输出。 2 . 2 电源变换电路 电源变换电路图见图 3。220V 交流输入, 一端经过一个 1N4007 半波整流,另一端经过 一个 1 0 欧的电阻后, 由 1 0μ F 电容滤波。这 个 1 0 欧的电阻用来做保护的, 如果后面出现 故障等导致过流, 那么这个电阻将被烧断, 从而避免引起更大的故障。右边的 1N4007 、 图 1 智能充电器电路模块图 图 2 AT89C51 引脚图 ①作者简介: 福州大学 2 0 0 8 级电子与通信工程专业研究生。 4700pF 电容、82K Ω电阻,构成一个高压吸 收电路, 当开关管 1 3 0 0 3 关断时, 负责吸收线 圈上的感应电压, 从而防止高压加到开关管 13003 上而导致击穿。13003 为开关管(完整 的名应该是 MJE13003),耐压 400V,集电极最 大电流 1 . 5 A , 最大集电极功耗为 1 4 W , 用来 控制原边绕组与电源之间的通、断。当原边 绕组不停的通断时, 就会在开关变压器中形 成变化的磁场, 从而在次级绕组中产生感应 电 压 。 左端的 5 1 0 K Ω为启动电阻, 给开关管提 供启动用的基极电流。13003 下方的 10 Ω电 阻为电流取样电阻, 电流经取样后变成电压 (其值为 10 × I),这电压经二极管 4 1 4 8 后,加 至三极管 C 9 4 5 的基极上。当取样电压大约 大于 1.4V,即开关管电流大于 0.14A 时,三极 管 C945 导通,从而将开关管 13003 的基极电 压拉低, 从而集电极电流减小, 这样就限制了 开关的电流, 防止电流过大而烧毁( 其实这是 一个恒流结构, 将开关管的最大电流限制在 140mA 左右)。变压器左下方的绕组(取样绕 组)的感应电压经整流二极管 4148 整流,22uF 电容滤波后形成取样电压。 为了分析方便, 我们取三极管 C 9 4 5 发 射极一端为地。那么这取样电压就是负的 ( - 4 V 左右) , 并且输出电压越高时, 采样电 压越负。取样电压经过 6 . 2 V 稳压二极管 后, 加至开关管 1 3 0 0 3 的基极。当负到一定 程度后, 6 . 2 V 稳压二极管被击穿, 从而将 开关 1 3 0 0 3 的基极电位拉低, 这将导致开关 管 断 开 或 者 推 迟 开 关 的 导 通 , 从 而 控 制 了 能 量 输 入 到 变 压 器 中 , 也 就 控 制 了 输 出 电 压 的 升 高 , 实 现 了 稳 压 输 出 的 功 能 。而 下 方的 1K Ω电阻跟串联的 2700pF 电容,则是 正反馈支路, 从取样绕组中取出感应电压, 加到开关管的基极上, 以维持振荡。 右边的次级绕组, 经二极管 R F 9 3 整流, 220uF 电容滤波后输出 6V 的电压。RF93 是 一个快速回复管, 例如肖特基二极管等, 因 为开关电源的工作频率较高, 所以需要工作 频 率 的 二 极 管 。 这 里 可 以 用 常 见 的 1N5816、1N5817 等肖特基二极管代替。同 样因为频率高的原因, 变压器也必须使用高 频 开 关 变 压 器 , 铁 心 一 般 为 高 频 铁 氧 体 磁 芯, 具有高的电阻率, 以减小涡流。 2 . 3 采样部分 采样电路连接图 4 所示。电压和电流 采样采用模 / 数换器 AD574 为± 15V 双电 源供电, 1 2 位输出, 最大误差为± 4 b i t , 合 计电压 0 . 0 1 V。 充电电流通过电流传感器 MAX471 转换 为电压值。电流采样的电压值和电池组的 端电压值两者经过模拟开关 CD4051,再经过 电压跟随器输入到 A D 5 7 4 , 分别进行转换, 科技资讯 S C I E N C E & T E C H N O L O G Y I N F O R M A T I O N 31 

科技资讯 2009 NO.05 SCIENCE & TECHNOLOGY INFORMATION 图 3 电源变换电路 图 4 采样电路 图 5 AD574 引脚图 图 6 MAX471 引脚图 图 7 MAX471 功能图 其结果由单片机读取, 并进行存储和处理。 +5V 或 0V 连接 2 . 3 . 1 模 / 数转换器 A D 5 7 4 其 主 要 功 能 特 性 如 下 : ●分辨率: 1 2 位 ●非线性误差: 小于± 1 / 2 L B S 或± P i n 5 ( ) 为读转换数据控制端 Pin6(CE)为使能端 P i n 7 ( V + )为正电源输入端, 输入 + 1 5 V Pin8(REF OUT) 为 10V 基准电源电压 1LBS 输 出 端 ●转换速率: 2 5 u s ●模拟电压输入范围: 0 ～1 0 V 和 0 ～ 20V,0～± 5V 和 0～± 10V 两档四种 ●电源电压: ± 1 5 V 和 5 V ●数据输出格式: 1 2 位 / 8 位 ● 芯 片 工 作 模 式 : 全 速 工 作 模 式 和 单 Pin9(AGND)为模拟地端 Pin10(REF IN)为基准电源电压输入端 Pin(V-)为负电源输入端,输入 -15V 电 源 P i n 1 ( V + )为正电源输入端, 输入 + 1 5 V 电 源 一 工 作 模 式 Pin13(10V IN) 为 10V 量程模拟电压输 A D 5 7 4 A 的引脚说明( 引脚图见图 5 ) : Pin1(+V)为 +5V 电源输入端 P i n 2 ( ) 为数据模式选择端, 通过此引脚 可选择数据纵线是 1 2 位或 8 位输出 Pin3()为片选端 P i n 4 ( A 0 ) 为字节地址短周期控制端。 与 端 用 来 控 制 启 动 转 换 的 方 式 和 输 出 格 式。须注意的是, 端 T T L 电平不能直接 入 端 Pin14(20V IN) 为 20V 量程模拟电压输 入 端 Pin15(DGND)为数字地端 Pin16-Pin27(DB0-DB11)为 12 条数据 总 线 Pin28(STS)为工作状态指示信号端, 当 S T S = 1 时, 表示转换器正处于转换状态, 当 32 科技资讯 S C I E N C E & T E C H N O L O G Y I N F O R M A T I O N 信 息 技 术 S T S = 0 时, 声明 A / D 转换结束 当 A D 5 7 4 工作在单极性输入电路。当 输入电压为 VIN=0V--+10V 时, 应从引脚 “1 0 V I N ”输入。输入数字量 D 为无符号二 进制码, 计算公式为 D=4096VIN/VFS 或 VIN=DVFS/4096 式中 V I N 为输入模拟量( V ) , V F S 为满 量 程 , 如 果 从 “ 1 0 V I N ” 引 脚 输 入 , VFS=10V。 2 . 3 . 2 电流传感器 M A X 4 7 1 MAX471 采用 8 脚 DIP 封装,具有如下 特点(MAX471 的引脚排列如图 6 所示)。 ● 内 含 精 密 的 内 部 检 测 电 阻 (MAX471)。 ● 具 有 完 美 的 高 端 电 流 检 测 功 能 。 ●在工作温度范围内, 其精度为 2 % 。 ● 具 有 双 向 检 测 指 示 , 可 监 控 充 电 和 放 电 状 态 。 ●内部检测电阻和检测能力为 3 A , 并 联 使 用 时 还 可 扩 大 检 测 电 流 范 围 。 ●电压范围为 3 V ～3 6 V ;最大电源电流 为 100 μ A;关闭方式时的电流仅为 5 μ A 。 M A X 4 7 1 的电流增益比已预设为 5 0 0 μ A / A , 由于 2 k Ω的输出电阻( R O U T ) 可 产生 1 V / A 的转换, 因此± 3 A 时的满度值 为 3V。用不同的 ROUT 电阻可设置不同的 满 度 电 压 。 M A X 4 7 1 电流传感放大器的独特布局 大大简化了电流监控的设计。M A X 4 7 1 包 含两个放大器,如图 7所示。传感电流 Isense 通过传感电阻 Rsense 从 RS+ 流向 RS-(反 之亦然)。输出电流 Iout 流过 RG1 和 Q1 还 是 R G 2 和 Q 2 取决于传感电阻中电流的方 向。内部电路( 图中没有画出来) 不允许 Q 1 和 Q 2 同时打开。 以图 7 为例, 若传感电流 I s e n s e 从 R S + 经精密传感电阻 R s e n s e 流向 R S - , 输出端 OUT 通过输出电阻 ROUT 接地(GND)。此 时, Q 2 断开, 放大器Ａ 1 工作, 输出电流 I o u t 从 Q 1 的发射极流出。由于没有电流流过 RG2,A1 的反向输入端的电位就等于 Rsense 和 R G 2 交点的电位;因 A1 的开环增益很大, 其正向输入端与反向输入端基本上保持同 一电位。所以, A 1 的正向输入端的电位也 近似等于 Rsense 和 RG2 交点的电位。因此, 传感电流 Isense 流过 Rsense 所产生的压降就 等于输出电流 Iout 流过 RG1 所产生的压降, 即 Iout × RG1=Isense × R;Iout=(Isense × Rsense)/RG1;Vout=(Iout × Rout)=(Isense × Rsense × Rout)/RG1。 同理, 若传感电流 I s e n s e 从 R S －经传 感电阻 R s n s e 流向 R S ＋, 则可得 Vout=(Isense × Rsense × Rout)/RG2 综合上述两种情况, 可得 M A X 4 7 1 输 出电压方程 V o u t = ( I s e n s e × R s e n s e × Rout)/RG。 其中 V o u t 为期望的实际输出电压; Isense 为所传感的实际电流;Rsense 为精密 传感电阻; R o u t 为输出调压电阻; R G 为增 益电阻(RG ＝ RG1 ＝ RG2)。 对于 M A X 4 7 1 , 所设定的电流增益为: Rsense ／ RG=500 × 106,Vout ＝ 500 × 106 × Isense × Rout 当输出电阻 R o u t = 2 k Ω时, 在传感电 流 Isense 允许变化范围(－ 3A ≤ Isense ≤ 3A)内, 输出电压 Vout 的变化范围为:－ 3 V ≤ V o u t ≤ 3 V , 即满标电压值为 3 V 。 

信 息 技 术 2009 NO.05 SCIENCE & TECHNOLOGY INFORMATION 科技资讯 图 8 PWM 控制电路 图 1 0 充电终止判别流程框图 图 9 单片机控制程序流程图 特定的满标范围所对应的输出调压电 阻 Rout 为 Rout=(Vout × RG)/(Isense × Rsense) 对于 MAX471,Rout=Vout/Isense × 500 × 10-6。 但 要 注 意 , 变 化 R o u t 时 , 须 保 证 M A X 4 7 1 输出电压的上限值不能超过 V R S + 1 . 5 V ; 对于 M A X 4 7 2 , 其输出电压的 的上限值不超过 V c c - 1 . 5 V 。 2 . 3 . 3 控制器 控制器采用脉宽调制( P W M ) 方式控制 供电电流的大小, P W M 控制电路如图 8 所 示。P W M 发生器由 2 0 H Z 的单片机构成, 主 控 制 器 和 它 采 用 中 断 的 方 式 进 行 通 讯 , 控制其增大或减小脉宽。P W M 信号通过 光电隔离驱动主回路的 M O S F E T 。开关 管、二极管、L C 电路构成开关稳压电源。 用 P W M 方式控制的开关电源可以减小功 耗, 同时便于进行数字化控制, 但母线的波 纹 系 数 相 对 较 大 。 本方法的基本思想就是利用单片机具 有的 P W M 端口, 在不改变 P W M 方波周期 的 前 提 下 , 通 过 软 件 的 方 法 调 整 单 片 机 的 P W M 控制寄存器来调整 P W M 的占空比, 从 而 控 制 充 电 电 流 。 在调整充电电流前, 单片机先快速读取 充电电流的大小, 然后把设定的充电电流与 实际读取到的充电电流进行比较, 若实际电 流偏小则向增加充电电流的方向调整 P W M 的占空比; 若实际电流偏大则向减小充电电 流的方向调整 P W M 的占空比。在软件 P W M 的调整过程中要注意 A D C 的读数偏 差和电源工作电压等引入的纹波干扰, 合理 采用算术平均法等数字滤波技术。 3 智能充电器的软件设计 3 . 1 程序功能 ( 1 ) 检测电池的电压, 如果低于一个阈 值电压, 就要进行涓流充电。 ( 2 ) 电池充到一定电压( 一般设置为 2 . 9 V ) 时, 进行全电流充电。 ( 3 ) 当电池电压达到预置电压( 锂离子 电池一般为 4 . 2 V ) 时, 开始恒压充电, 同时 充 电 电 流 降 低 。 ( 4 ) 当电流逐渐减小到规定的值时, 充 电 过 程 结 束 。 3 . 2 单片机控制程序设计 对 于 不 同 的 电 池 , 单 片 机 需 要 设 定 不 同 的 充 电 参 数 , 选 择 不 同 的 充 电 策 略 。 另 外, 程 序 需 要 在 电 池 过 电 流 、 过 电 压 等 异 常情况下强制终止充电。其充电控制程序 流程图如图 9 所示。 3 . 3 充电终止综合控制法 3 . 3 . 1 L I 电池 在恒压充电状态下不断检测充电电流。 由于 L I 电池会随着充电的进行内阻不断上 升, 所以在恒压充电阶段, 电流会随着充电 的进行而不断下降。当检测到充电电流下 降到恒流充电时, 认为电池已经充满, 进入 浮充维护状态。同时在充电过程中, 用单片 机的定时器设定定时, 时间为 5 小时。充电 开始时启动定时器, 当计时 5 小时到达后电 池还在恒流或恒压充电阶段, 充电器转入浮 充维护状态; 同样在充电过程中当电池温度 超过 4 0 ℃, 充电器也转入浮充维护状态。充 电终止判别流程框图见图 1 0 。 3.3.2 GH/NH 电池 GN/NH 电池是以负(零)增量检测为主, 时间、温度和电压检测为辅的方式。单片机 在充电过程检测有无负( 零) 增量出现, 作为 判断电池已充满的正常标准, 同时判断充电 时间、电池温度及端电压, 是否超过预先设 定的保护值作为辅助检测手段。当电池电 压 超 过 检 测 门 限 时, 单 片 机 会 检 测 有 无 负 ( 零) 增量出现, 若出现△ V , 则认为电池正常 充满, 进入浮充维护状态; 在充电过程中, 单 片机会一直判断充电时间、电池温度及端 电 压 是 否 己 到 达 或 超 过 了 充 电 保 护 条 件 。 若其中有一个条件满足, 单片机会终止现有 充电方式, 进入浮充维护状态。 3 . 4 系统软件抗干扰措施的设计 3 . 4 . 1 利用冗余指令 当 前 所 用 单 片 机 指 令 均 不 超 过 3 个字 节, 且 多 为 单 字 节 指 令 。 单 字 节 指 令 仅 有 操作码, 隐含操作数; 双字节指令第一个字 节是操作码, 第二个字节是操作数; 三字节 指 令 第 一 个 字 节 是 操 作 码 , 后 两 个 字 节 为 操作数。C P U 取指令过程是先取操作码, 后取操作数。C P U 复位后, 首先取指令的 操作码, 而后顺序取出操作数, 这些操作时 序完全由程序计数器 P C 控制, 因此, 一旦 P C 因干扰而出现错误, 程序便脱离正常运 行轨道, 出现“乱飞”。 为了使“乱飞”程序在程序区迅速纳入 正轨, 应该多用单字节指令, 并在关键地方 人为地插入一些单字节指令 N O P , 或将有 效单字节指令重写, 称之为指令冗余。 3 . 4 . 2 设置软件陷阱 所谓软件陷阱, 就是一条引导指令, 将 强行捕获的程序引向一个指定的地址, 在那 里有一段专门对程序出错进行处理的程序。 若该程序段入口标一号为 E R R , 则软件陷阱 即为一条“LJMP ERR ”指令。软件陷阱一 般 安 排 在 下 列 地 方: ① 未 使 用 的 中 断 向 量 区。当干扰使未使用的中断开放, 并激活这 些中断时, 会引起系统程序的混乱, 如果在 这些地方布上陷阱, 就能及时捕捉到错误中 断。②未使用的大片程序 R O M 区。对于剩 余的大片未编程的 R O M 空间, 一般都维持 原状。程序飞到这一区域后, 将顺流而下, 不再跳跃( 除非受到新的干扰) 。这时只要每 隔一段设置一个陷阱, 就能捕捉到弹飞的程 序。③程序区。程序区是由一系列执行指令 构成, 不能在其间任意安排陷阱, 否则, 正常 执行的程序也可能被抓走。 3 . 4 . 3 设置运行监视系统( W D T ) 利用 CPU 内部的 WDT(看门狗)可以实 现系统的定时复位。在程序正常运行时, 每 隔一段时间对 W D T 清零, 一旦程序运行不 正常, 没有及时给 W D T 送清零信号, 则在 W D T 计数溢出时系统自动复位。 4 结语 在 智 能 充 电 器 控 制 系 统 设 计 过 程 中 , 主要侧重点是保证充电器对充电电池电压 的 精 确 控 制 , 设 计 中 元 器 件 的 选 型 也 都 是 围绕着这个重点来完成的经过实验电路的 实际测试, 由电源变压器、整流电路、滤波 电路及稳压电路构成 A C / D C 变换电路。 在 AT89C51 与 MAX471 的配合控制下可 实 现 很 高 的 系 统 精 度 。 科技资讯 S C I E N C E & T E C H N O L O G Y I N F O R M A T I O N 33