1 重庆交通大学电子信息工程07级3班
综合电路设计报告
标 题： 智能充电器的设计
设 计 者： XXX
学 号： XXX
指导教师： XXX
设计时间： 2010 年 5 月 25 日
2 智能充电器的设计
【摘要】
随着手机在世界范围内的普及，手机电池充电器的使用越来越广泛。充电器种类繁多，但从严格意义上讲，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。
该设计利用51单片机的处理控制能力实现充电器的智能化，在单片机的控制下，具有预充、充电保护、自动断电和充电完成报警提示功能。该设计包括了六个功能模块：
· 单片机模块：实现充电器的智能控制，如自动断电，充电完成报警提示。
· 充电过程控制模块：采用专用的电池充电芯片实现对充电过程的控制。
· 光耦模块：控制通电和断电，在电池充满电后及时关断充电电源。
· 充电电压提供模块： 将一般家用交流电压经过变压器、电压转换芯片等转换为5V直流电压。
· 电压测试模块：利用AD转换把充电电池两端的电压通过数码管显示出来。
· C51程序：单片机控制电池充电芯片实现充电过程的自动化，并根据充电状态给出有关的指示。
【关键字】
单片机、电压转换、MAX1898、智能、充电器
【目录】
一、设计综述 ………………………………………………………………… 1
二、基本方案 ………………………………………………………………… 2
三、软硬件设计 ……………………………………………………………… 4
四、软硬件仿真 ……………………………………………………………… 11
五、测试 ……………………………………………………………………… 12
六、设计体会 ………………………………………………………………… 13
七、参考文献 ………………………………………………………………… 14
一、设计综述
手机电池的使用寿命和单次使用时间预充电过程密切相关，锂电池是手机最为常用的一种电池，它具有较高的能量重量比、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也比较苛刻，需要保护电路，为了有效利用电池容量，须将锂电池充点值最大电压，但是过压充电会导致电池损坏，这就要求较高的充电精度。 3 而大部分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，这样就使充电时间增长了。
一部好的充电器不但能在短时间内将电量充足，而且还可以对锂电池起到一定的维护作用，修复由于记忆造成的记忆效应，即电池容量下降现象。设计比较科学的充电器往往采用专用充电芯片配合单片机控制的方法。专用的充电芯片可以检测出电池充电饱和时发出的电压变化信号，比较精确的结束充电工作，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，以缩短充电时间，同时能够维护电池，延长电池使用寿命。
另外，比起一般充电器，智能充电器还增加了充电电压的显示，让我们能直观的看到电池的由预充、快充、满充充电阶段，从而加强对电池的维护。
二、基本方案
（一）方案分析
该设计采用逐个功能模块分析再组合的方法来实现方案。
1、单片机模块
智能的实现利用单片机控制,经过分析，单片机芯片可以选择Atmel公司的AT89C52，来控制充满电时蜂鸣器报警声，以及通过中断控制光耦器件通电和断电。
2、充电过程控制模块
根据手机锂电池的需求特性，选择采用Maxim公司的MAX1898作为电池充电芯片。充电芯片Max1898的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，输入电流调节器用于限制总输入电流，包括系统负载电流与充电电流，但检测到输入电路大于设定的门限电流时，通过降低充电电流从而控制输入电流，Max1898外接限流型充电电源和PNP功率三级管，可对单节锂电进行有效的快充，它通过外接电容设定充电时间，通过外接电阻设置最大充电电流。
定时电容C和充电时间Tchg的关系式满足：C=34.33×Tchg
最大充电电流Imax和限流电阻Rset的关系式满足：Imax＝1400/Rset
3、光耦模块
为了在充满电后能及时关断充电电源，则需要引入一个光耦模块芯片6N137。
6N137光耦合器是一款用于单通道的高速光耦合器，其内部有一个850 nm波长AlGaAs LED和一个集成检测器组成，其检测器由一个光敏二极管、高增益线性运放及一个肖特基钳位的集电极开路的三极管组成。具有温度、电流和电压 4 补偿功能，高的输入输出隔离，LSTTL/TTL兼容，高速(典型为10MBd)，5mA的极小输入电流。6N137光耦合器的真值表如下：
6N137光耦合器的真值
输入“+” EN OUTPUT 输入“+” EN OUTPUT
1 1 0 0 0 1
0 1 1 1 NC 0
1 0 1 0 NC
1
4、充电电压提供模块：
由于一般家用电压为+220V交流电压，需要设置一个电压转换电路将+220V交流电压转换成+5V直流电。首先用变压器将220V交流电压转换成7V交流电，经过桥式整流变成直流电，再利用电压转换芯片LM7805将7V直流电压转换为5V直流电压。
5、电压测试模块
该部分采用AD转换来实现充电电压的现实。采用中断触发，基本原理是将一段时间内的输入模拟电压 Ui 和参考电压UR 通过两次积分，变换成与输入电压平均值成正比的时间间隔,再变换成正比于输入模拟信号的数字量。
把模拟信号转换成数字信号，转换原理为：
其中，n为准换后的二进制位数，dn-1—d0 为具体二进制位。UR 为参考电压，UA为显示电压。
（二）方案实现功能
方案实现的功能，即充电过程：
· 预充
在安装好电池之后，接通输入直流电源，当充电其检测到电池时将定时器复位，从而进入预充过程，在此期间充电器以快充电流的10％给电池充电，使电压、温度恢复到正常状体，预充电时间由外接电容C9确定，如果在预充时间内电池电压达到2.5V，且电池温度正常，则进入快充过程；如果超过预充时间后，电池电压低于2.5V，则认为电池不可充电，充电器显示电池故障，由单片机发出故障指令，LED指示灯闪烁，
· 快充
快充就是以恒定电流对电池充电，恒流充电时，电池的电压缓慢上升，一旦电池电压达到所设定的终止电压时，恒流充电终止，充电电流快速递减，充电进入满充过程，
· 满充
在满充过程中，充电电流逐渐递减，直到充电速率降到设置值以下，或满充)22...22(200112211RddddUUnnnnnA 5 超时时，转入顶端截止充电，顶端截止充电时，充电器以极小的充电电流为电池补充能量，由于充电器在检测电池电压是否达到终止电压时有充电电流通过电池电阻，尽管在满充和顶端截至充电过程中充电电流逐渐下降，减小了电池内阻和其它串联电阻对电池端电压的影响，但串联在充电回路中的电阻形成的压降仍然对电池终止电压的检测有影响，一般情况下，满充和顶端截止充电可以延长电池5％～10％的使用时间，
· 断电
当电池充满后，Max1898芯片的2脚／Chg发送的脉冲电平会由低变高，这将会被单片机检测到，引起单片机的中断，在中断中，如果判断出充电完毕，则单片机将通过P2.O口控制光耦切断L7805向Max1898供电，从而保证芯片和电池的安全，同时也减小功耗。
· 报警
当电池充满后，MAX1898芯片的2引脚/CHG发送
三、软硬件设计
（一）硬件部分
1、单片机控制设计，电路如下：
电路说明如下：
（1） P3.1脚控制发出报警声提示；
（2） P3.0脚输出控制光耦器件，在需要的时候可以及时关断充电电源。
外部中断0由充电芯片MAX1898的充电状态输出信号经过反向后触发 6 2、充电部分：该部分为设计的主核心部分，利用MAX1898配合外部PNP组成完整的单节锂电池充电器。电路图具体说明：
（1）MAX1898的电压输入脚IN输入电压范围为4.5 V~ 12V，锂电池的充电方式要求是恒流、恒压方式，所以电源输入需要采用恒流恒压源。
（2）PNP场效应管为电压放大型器件,输入阻抗高,耐压高，通过外接的PNP场效应管提供锂电池的充电接口。
（3）引脚CT通过外接的电容CCT 来设置快充时的最大充电时间tCHG 。
100 = 34.33×tmax
（4）引脚ISET通过外接电阻RSET来设置最大充电电流Ifast。关系式如下：
Ifast =1400/2.8×103
电路图如下：
3、光耦控制部分，实现电路如下：
电路说明：即当GATE输入为低电平时，OUTPUT输出为高电平；当GATE输入为高电平时，OUTPUT输出为低，即断电。
4、充电电压转换，实现电路模块如下： 7
5、充电电压显示，该部分其实就是一个AD转换，原理图如下：
电路图中的两组电容，其作用是滤波。
6、总电路（总电路实际上是由第5部分的充电电压和下图构成）
8 （二）软件部分
1、程序流程图
关闭T0中断和外部中断 充电出错 t _count ++ 关闭T0计数
t _count >600? 定时器0服务子程序
int 0_count=1?
充电完毕，蜂鸣器报警，切断电源
返回 Yes No No
Yes 启动T0计数,
同时进行A/D转换，显示电压 启动定时器0？t_count=0 初始化 Int0_count0= 0？
While（1） 外部中断0服务子程序
返回 Int0_count++ No
Yes 开始
