基于单片机的锂离子电池充电系统设计毕业设计.doc

济南大学泉城学院毕业设计济南大学泉城学院毕 业 设 计题 目 基于单片机的锂离子电池 充电系统设计 学 院 工学院 专 业 电气工程及其自动化 班 级 1301班 二一七年五月十六日济南大学泉城学院毕业设计摘 要近几年来，便携式电子设备日益趋向轻量小型化，其中主要原因之一是锂离子电池的广泛应用。随着锂电池在各个市场的迅速发展，其充电与保护的问题也随之而来。常见的锂离子电池充电设备存在充电模式单一、充电过程指示模糊、保护功能缺失等问题。针对上述问题，本设计进行了相应研究与实践。本次课题设计的是一种基于AT89C51单片机的锂离子电池智能充电和保护系统。选择了高效简洁的硬件设计和稳定可靠的软件设计。硬件组成包括单片机模块、充电控制模块、充电保护模块、信号采集模块、声光报警模块等。并结合MAX1898充电芯片，C51高级语言编程软件设计，使系统具有检测锂电池充电状态，根据各个阶段自动切换充电模式，显示充电进度，充电器短路保护，充满电后自动关断等功能。通过Proteus进行仿真，效果良好，提高了手机电池的使用效率，延长了电池的使用寿命，充分保证了锂离子电池充电过程的安全性，实现了智能充电。仿真实物制作为锂电池充电器的研发提供了依据。关键词：单片机；传感器；锂离子电池；智能充电- I -ABSTRACTIn recent years, portable electronic devices are becoming lightweight and smaller, and one of the main reasons is the widespread use of lithium-ion batteries. With the rapid development of lithium batteries in various markets, the problems of charging and protection come along. The charging device of common lithium-ion battery has such problems as single charging mode, unclear indication of charging process and lack of protection function. In view of the above problems, this design has carried on the corresponding research and the practice.This topic is based on the design of a single chip AT89C51 lithium-ion battery intelligent charging and protection system. We chose the highly efficient and simple hardware design , the stable and reliable software design. The hardware includes MCU module, charging control module, charging protection module, signal acquisition module, sound and light alarm module and so on. Combined with the charging chip MAX1898, C51 programming language software design, the system has the detection of lithium battery charging status, automatically switching the charging mode according to the various stage, display charging progress, charger short-circuit protection, automatic shutdown after full charge and other functions. Through the Proteus simulation , the effect is good, the utility model improves the service efficiency of the mobile phone battery, prolongs the service life of the battery, ensures the safety of the charging process of the lithium ion battery, and realizes the intelligent charging. The production of the simulated object provides the basis for the research and development of lithium battery charger.Key words: SCM；sensor；lithium-ion battery；intelligent charging- II -目 录摘要IABSTRACTII1 前言11.1 研究背景和意义11.2 国内外研究现状11.3 本文研究内容22 锂离子电池充电原理及特性42.1 锂电池的结构及特点42.2 锂电池的充电原理52.3 锂电池的充电特性62.3.1 锂电池的工作电压62.3.2 锂电池的充电电流72.3.3 锂电池的最佳工作温度72.3.4 锂电池的循环使用寿命72.4 锂电池的充电方式72.4.1 线性充电方式82.4.2 开关充电方式82.4.3 脉冲充电方式82.5 锂电池充电时应注意的安全问题93 硬件设计103.1 系统硬件总体设计103.2 单片机最小系统103.3 充电电路113.3.1 MCU的选择113.3.2 充电电路设计123.4 A/D采集电路133.5 液晶显示电路133.6 保护电路143.7 报警电路144 软件设计164.1 Keil164.2 主程序设计16- III -4.3 子程序设计174.3.1 信号采集模块174.3.2 短路保护模块174.3.3 LCD液晶显示模块184.3.4 定时器中断模块194.3.5 报警模块195 系统的仿真与制作215.1 系统仿真215.2 PCB板的设计215.3 电路板制作225.4 系统的调试236 结论25参考文献26致谢27附录一：电路原理图28附录二：PCB图29附录三：实物图30附录四：元器件清单31附录五：主要源程序32- IV -1 前言1.1 研究背景和意义近年来，便携式电子产品的迅猛发展，加快了电池技术更新换代的速度。二次电池的发展也经历了很多阶段，主要有铅酸电池、镍镉电池、镍氢电池以及锂离子电池。其中锂离子电池作为20世纪末出现的可充电电池，凭借其重量轻、能量密度大、功率大、无记忆效应、无污染、自放电系数小、循环寿命长等优点，在各个市场迅速发展，被广泛的应用到生产生活中，深受社会的欢迎。目前已广泛应用于智能手机、笔记本电脑、数码相机及众多的便携式设备，其中笔记本电脑占23%，手机占50%，为最大领域1。电子、信息及通讯等3C产品均朝向无线化、可携带化方向发展，对于产品的各项高性能组件也往“轻、薄、短、小”的目标迈进，而锂离子电池是最佳的电源供应来源。锂电池也被称之为“最有应用前途的化学电源”，甚至被称为“极限电池”或“最后一代电池”。现在便携式电子设备的功能变得多样化，耗电也越来越快，给设备充电的频率也越来越高，利用移动电源来保障户外充足的供电受到了广大消费者的支持。同时，其作为新兴的能源材料，正朝着多元化的方向蓬勃发展，进一步研究和开发锂离子电池对发展与能源密切相关的各项产业都具有非常重要的意义。随着锂离子电池性能的不断提高和成本的不断降低，该系列电池也逐步应用于交通工具、航空航天、军事、医疗等其它方面的领域，以其独特的魅力将成为最具发展前景的可充电电池2。1.2 国内外研究现状随着科技的不断进步，各式各样的充电电池竞相出现，人们在考虑到电池性价比的同时，更希望可以随时随地给电子设备充电，便携式移动电源越来越受到广大消费者的欢迎。锂离子电池具有高性能密度、绿色环保的优良特性，在当前世界具有很大的发展潜力。市场对于锂离子电池充电芯片安全和功效性能的要求越来越高，为了保证锂离子电池在充电时能够安全稳定的工作，国内外专家对锂离子电池充电管理系统进行了广泛和深入的研究3。目前针对便携式电源的应用，MAX1898充电芯片具有高集成度，超薄型的MAX封装，集转换、调节、控制、保护为一体，可以对电池进行精确的恒流恒压充电，保证充电过程的快速、安全和智能。虽然我国已是仅次于日本的锂离子电池生产大国，年增长率已超过20%，市场增长空间巨大，但并非强国，在全球锂离子电池产业仍处于低端。随着手机用户的日益增多，如何保养手机也成为了众多手机使用者面临的一个实际问题，而手机锂离子电池作为手机的一个重要组成部分，直接影响了使用寿命和性能。智能手机的屏幕越来越大，功能越来越多，现有的锂离子电池产品越来越难以满足需求，选择合适的充电器，可以延长我们的手机锂离子电池的充电循环使用寿命。在20世纪90年代锂离子电池上市以来，便携式设备的迅速崛起，使得消费者普遍通过移动电源替代原厂配备的充电器给便携式设备充电。在国家重点项目的鼓励下，锂离子电池向大规模方向发展，在各行各业得到应用。日本生产的锂离子电池在21世纪初就达到了5亿，占全球的90%，并预测锂离子电池正以飞快的速度取代传统的铅酸、镍镉和镍氢电池市场4。目前国内外移动电源市场中都出现了各种各样的知名品牌，国内市场主要有羽博、爱国者、品胜、三洋等品牌，国外市场比较知名的有INCIPIO、GOLF、TPOS等品牌。另外，各种移动电源的容量也越来越理想，颜色的种类也随着购买量的增多而丰富起来，消费者可以根据自己的喜好购买自己喜欢的移动电源。与此同时，随着移动电源种类越来越多，在移动电源产品中也存在很多需要解决的问题。比如：锂电池充电所需时间过长，USB输出的电压不稳定，使电能转化效率较低，输出保护较为单一，输出为大电流时电池散热性能不好等。相较于国外而言，国内的锂电池智能充电系统性能欠佳，很多功能不是很完善，这还需要我们的研究所工作人员加大研究力度。1.3 本文研究内容本文结合MAX1898智能充电芯片设计了基于AT89C51单片机的锂离子电池智能充电系统。MAX1898充电芯片内部包含电流电压温度检测器、主控器、电压转换器、定时器，可以实现对电池精确的恒流恒压充电，在充电的过程中监测每个阶段的充电过程，成本较低，电路简单。它与具有强大控制功能的AT89C51单片机协调工作，充电效果变得更好，充电时间短、安全性高，对锂电池的损害小，实现了手机锂离子电池的预充、快速充电和恒压充电。本次设计选择了6N137单通道高速光耦合器，可以实现定时的切断充电电源，也使锂电池的循环使用寿命更长。使用Keil C51单片机软件系统作为开发工具，进行了详细的软件程序编写和调试。系统主要包括锂离子电池充电系统硬件方案设计、硬件系统所涉及到的元器件参数计算及型号选择、锂离子电池单片机系统软件流程图设计及程序实现、整体系统调试、校验以及优化调整5。具体研究内容如下：(1)首先介绍了本文的选题背景和意义，通过对锂离子电池充电系统的国内外研究现状和发展趋势的研究，设计了本文的研究内容。(2)对锂电池的特性进行分析，介绍锂电池的充电方式和工作原理，以及在锂离子电池在应用过程中遇到的主要问题和解决方案。(3)选择合适的充电芯片，合理的设计系统的硬件总体方案，实现锂离子电池智能充电，并对设计的各模块硬件电路设计进行详细的介绍。(4)详细介绍了Keil C语言软件编程系统，通过研究硬件电路，对系统进行软件设计，其中包括主程序和各个子程序的软件设计流程，简单的介绍了该程序所实现的功能。(5)进行系统的组装和调试。设计PCB板，进行元器件的焊接组装，对电路板通电前、通电时和整机进行参数的整定和系统的调试。(6)对锂离子电池充电器设计的整个过程得出结论，对不足的地方进行改正。2 锂离子电池充电原理及特性2.1 锂电池的结构及特点锂电池主要是由正极、负极、电解液、隔膜、外壳和电极引线组成，有圆柱型和方型两种结构。一般采用含锂的过渡金属氧化物作为正极材料，如锰酸锂、磷酸钛锂和镍钴锰酸锂。而负极材料一般采用石墨。正负极之间传递锂离子的电解液采用的是含锂盐的有机溶液。在电池材料中，隔膜作为关键的内层组件，用来隔离电池的正负极，并且隔膜是允许锂离子通过的，可以防止电池自放电和短路现象的发生6。锂电池结构图如图2.1所示。 图2.1 锂电池结构锂离子电池主要特点如下：(1) 高能量密度。单位质量或单位体积的能量比较高。(2) 电压高。单节锂离子电池的工作电压为3.6V，可以相比于3只镍氢或镍镉的串联充电电压。在可充式化学电池中，相比较来说，锂离子电池的工作电压是最高的。(3) 自放电率小。锂电池自身的放电率不到镍氢电池的1/20，自放电率可达到1%/月，因此可以进行长时间存放。(4) 无记忆效应。锂电池在充电前不需要进行放电操作，因为它不存在像镍镉和镍氢等可充式化学电池那样的记忆效应。(5) 污染小。锂电池中不含有对环境造成严重污染的镉、铅、汞等重金属元素，可以称为是最先进的绿色电池。(6) 寿命长。在正常的工作状态下，锂电池的循环寿命远超过镍镉电池和镍氢电池，高达1200次。(7)成本高。可充电电池的价格整体是呈上升趋势的，但与其他可充电池相比，锂电池的价格是比较昂贵的。2.2 锂电池的充电原理根据锂电池充电电流和容量的大小，确定出锂电池充电所需的时间。将锂离子电池的充电过程分为预充电、恒流充电、恒压充电和终止充电四个阶段。采用限压恒流的充电方式对电池进行充电，保证了能够给锂电池安全可靠地充电，同时也延长了电池的使用寿命7。充电过程曲线如图2.2所示。图2.2 充电过程曲线图(1)涓流充电涓流充电指的是在预充电阶段，大电流对于电池来说是无法承受的，如果电压低于3V，就要对电池进行小电流充电，我们称之为浮充。涓流充电时的电流为恒流充电电流的十分之一，即0.1C。在不发生故障的情况下，系统会以涓流充电的方式，用工作的直流电源对电池进行充电。涓流充电电路如图2.3所示。图2.3 涓流充电电路图(2)恒流充电随着充电过程的进行，电池的电压会上升，此时就可以提高充电电流，以允许的最大电流进行充电。当采用0.2C至1.0C恒流充电时，电池的充电效率得到提高，节省了充电的时间。这时，充电电压也在逐渐升高。恒流充电电路如图2.4所示。图2.4 恒流充电电路图(3) 恒压充电恒压充电电路如图2.5所示。电压在逐渐上升的过程中，当接近或达到满充电压，即电压为4.2V时，就会从恒流充电转入恒压充电阶段。此时，保持满充电压基本不变，在快要充满的过程中，为了防止过充的危险，就会转入小电流充电，充电速度变慢。这种恒压充电方式的充电电流是由电池两端的电压来决定的，初期采用大电流，末期则采用小电流。在充电末期，需要根据充电电流对电阻值进行调整，从而使充电电流不会超过电池的允许值。这种机构简单、成本较低的恒压充电电路，被广泛应用充电器中8。图2.5 恒压充电电路图(4) 终止充电经过恒压充电阶段，随着电流不断的下降，充电速率就会下降，当下降到0.1C时，说明电池已经达到满充的状态，此时将电源断开，终止充电。2.3 锂电池的充电特性2.3.1 锂电池的工作电压目前，锂电池有3.6V和3.7V两种不同的额定电压，我们普遍使用的是额定电压为3.7V的锂电池。锂电池的截止充电电压与阳极材料有关：采用石墨材料的为4.2V；采用焦炭材料的为4.1V。电池的终止放电电压通常为2.75V左右，在使用的过程中，要防止过充和过放的危险情况。在锂离子电池充电时，电压超过4.3V，就会出现过充的现象。过充时负极石墨嵌入的锂离子完全饱和，使得锂在负极沉积下来，导致电池的容量减小；同时由于电池继续要正极产生锂离子，导致成正极材料活性下降。当充电电压超过4.5V时，就会使电解液分解，产生气体，导致电池内部压力上升，电池受到不可逆转的破坏。当电池的电压低于终止电压后，仍继续放电的话会导致电极产生晶枝，最终电池内部出现短路现象9。2.3.2 锂电池的充电电流锂电池在充电时，其电流是动态变化的，是分阶段性的。一般是允许大电流充电的，但在提高充电速率的同时，不能超过额定电流。如果工作电流过大，会升高锂电池的温度，不仅会损害锂离子电池内部结构，甚至可能引发爆炸，大大的降低了锂电池的循环使用寿命。这就要求在进行大电流充电时，必须要对其进行温度的检测，确保安全充电。2.3.3 锂电池的最佳工作温度锂离子电池能适应的环境温度比较广，一般在-2060，但是当过低或过高时，都会使锂电池的性能、放电能力下降。因此，我们推荐锂电池工作温度在040。经过研究，电池要达到额定的放电容量，环境温度应在25，在这个理想的温度下，手机的工作状态最佳。当过低时，可能会影响手机的护航能力，电池的容量下降，出现自动关机10。2.3.4 锂电池的循环使用寿命通过实验表明，镍镉电池、镍氢电池的循环使用寿命一般为300-600次，而锂离子电池循环使用寿命可达到600-1200次。尽管如此，锂电池的循环使用寿命也会随着使用次数的增多而逐渐衰减，也就是电池的实际可用容量在不断的下降。这主要是因为在循环使用的过程中负极材料中的锂离子逐渐被电解质氧化，可以使用的锂离子数量减少；而正极材料的晶状结构也会慢慢遭到破坏，逐渐的老化，使可容纳的锂离子数量减少。因此，为了减少对电池的损害，需要我们选择合适的充电器，以正确的充电方式对电池充电，延长手机锂电池的使用寿命。2.4 锂电池的充电方式能否使用正确的充电方式，会影响到电池的性能和使用寿命，因此对锂电池进行充电系统的管理对研究手机智能充电器来说也是非常重要的11。目前，主要有恒流恒压和脉冲电流两种充电模式。对于这两种充电模式，又分为三种充电方式：线性充电、开关充电和脉冲充电三种充电的方式。采用恒流恒压充电方式在的是线性和开关充电方式。2.4.1 线性充电方式锂电池线性充电方式系统复杂度小，成本较低，在这三种充电方式中其传导和辐射干扰是最小的，但是功率损耗较大12。在预充电状态采用小电流，电压的升高，进入快充阶段，电压达到4.2V后，进入恒压充电，电流减小。线性充电模块包括传输电能的晶体管、调节充电电流大小的电阻和输入和输出电容等。系统中使用的晶体管不仅提供了充电回路，还把输入电压降到电池两端的电压。线性充电方式系统结构如图2.6所示：图2.6 线性充电方式系统结构图2.4.2 开关充电方式开关充电方式相较于线性充电方式，其损耗降低了。开关充电方式一般由PWM控制芯片、MOSFET、电感、电容、肖特基二极管等元件构成类似同步降压（BUCK）变换器的电路13。该电路可以将输入电压降至电池端电压。开关充电相比于线性充电最大的优点，在于它能够在较宽的输入电压和电池电压范围内保持一个较高的转化效率，损耗很低，因此非常适合应用在大功率、散热条件差、环境温度较高的场合。但是这种充电方式也是有缺点的，系统的复杂度较高，存在干扰问题。开关充电方式的系统结构如图2.7所示。图2.7 开关充电方式系统结构图2.4.3 脉冲充电方式脉冲充电方式是对线性充电和开关充电方式的综合，充电效率较高，并且不会产生热损耗。充电过程包括预充电、恒流充电和脉冲充电。这种方式缩短了充电时间，增加了传输功率，有利于消除电池在充电过程中产生的“极化”现象，活性材料的利用率也提高了，电池的使用寿命延长了。但是由于其需要一个限流功能的电源，使得系统结构变得复杂，成本变高。2.5 锂电池充电时应注意的安全问题锂离子电池已被广泛应用于我们的工作生活中，各种品牌的移动电源都可以解决智能手机等一些数码产品容量偏低、续航时间不够长的问题。近年来，随着用户的增多，锂电池所带来的安全事故也是屡见不鲜。锂离子电池出现安全事故主要原因有：(1) 锂电池自身的原因。当出现过电压、过电流、过充、温度过高或过低的情况时，由于锂电池本身固有的特性，可能会导致各种异常的情况发生。因此对充电器有比较严格的要求，操作稍微不当就可能造成安全性事故。(2) 锂电池材料选择不当。锂电池必须要选择安全的正极材料、热关闭性能好的隔膜以及设计合理的保护电路。如果保护电路失效或材料选择不当，就可能会导致手机发生爆炸的危险事故。(3) 用户操作不当。如果用户使用劣质的充电设备，使用不正确的充电方法，将会导致电池受到大电流大电压的冲击，造成安全性事故。因此，我们应该尽量采用有质量保证的充电器，注意把握充电的时间，采用正确的充电方式，这样不仅可以延长手机锂离子电池的使用寿命，而且避免了安全事故的发生。3 硬件设计3.1 系统硬件总体设计本次设计以AT89C51单片机为核心元件，结合MAX1898充电芯片，设计了手机锂离子电池的智能调节充电系统。系统总体设计框图如图3.1所示。硬件电路设计包含单片机控制模块、供电模块、信号采集模块、复位电路模块、LCD液晶显示模块和声光报警模块14，电路原理图见附录一。单片机作为系统的主控制器，负责系统运行参考电流电压的给定，充电完毕或者保护状态时充电机的关闭。锂电池充电过程中，会检测电路中电压、电流和温度等参数，将检测到的信号送入AD转换器，通过A/D转换，读入数据处理器，将结果与设定的参数值进行比较，判断该系统是否出现故障，从而启动相应的措施对电路进行保护。当系统充电出错时，会启动声光报警电路，提示用户。图3.1 硬件总体设计框图3.2 单片机最小系统本次设计的单片机最小系统电路如图3.2所示，主要是由电源系统、晶振电路、复位电路和外部振荡电路等一些模块组成。在正常工作时，单片机系统的晶振振荡器结合内部的电路来提供单片机所需的时钟频率。时钟频率是单片机执行指令的保证和前提，单片机晶振振荡器提供的时钟频率越高，单片机的运行速度就越快。单片机系统在运行的过程中，当受到环境的干扰时，按下复位按钮，AT89C51单片机的RST引脚就会接收到2个周期以上的高电平，复位电路就会产生复位信号，使程序从头开始，单片机恢复到初始状态，重新开始工作。图3.2 单片机最小系统3.3 充电电路3.3.1 MCU的选择为了满足本次设计的要求，对于系统的微控制器，我们选择MAX1898芯片。MAX1898芯片有10个引脚，内部包含调节器、电流电压温度检测器、定时器和主控制器。采用 MAX封装，可以自定义电流，电压的调节值为4.2V。该芯片结合外部PNP或PMOS晶体管，可以实现对锂离子电池精确的恒流恒压智能充电，对每个充电阶段进行监测15。MAX1898芯片有以下基本特点：(1)4.5V12V输入电压范围；(2)内置检流电阻；(3)0.75%电压精度；(4)可编程充电电流；(5)输入电源自动检测；(6)LED充电状态指示；(7)检流监视输出。MAX1898的引脚图如图3.3所示。图3.3 MAX1898引脚图MAX1898作为智能充电芯片，在现实生活中的应用也越来越普遍，被广泛地应用到手机充电系统中。因为其内部电路的高集成度，降低了对直流电源的要求，也使得整个设计系统的电路复杂度减小，降低了成本。MAX1898芯片的典型充电电路如图3.4所示。图3.4 MAX1898典型充电电路3.3.2 充电电路设计锂离子电池智能充电过程分为三个阶段：涓流预充电阶段、恒流充电阶段和恒压充电阶段。在单片机的控制下，通过MAX1898智能充电芯片与外接的充电电源和场效应管配合工作对系统的充电状态进行实时的反馈，根据主芯片设置的电流和特定的电压对锂电池进行充电。智能充电电路设计如图3.5所示。通常设置最大的充电时间为3小时，保证正常充电过程不会被中断。当充电时间结束时，单片机的INT0引脚收到信号，就会产生中断，电源会关断，并且会引发蜂鸣器，发出警报16。图3.5 充电电路3.4 A/D采集电路本次设计选用的模数转换器为ADC0832芯片，ADC0832芯片是一个8位的逐次逼近型模数转换器，可多路选择的输入通道有两个。该模数转换器内部自带5V的基准参考电压，还有采样保持电路，使系统可以不需要扩展A/D芯片，就能同时对电压、电流以及温度信号进行采集。A/D采集电路如图3.6所示。图3.6 A/D采集电路3.5 液晶显示电路本次设计包含液晶显示模块，选用LCD_1602液晶显示器。1602型LCD具有体积小，功耗低，显示内容丰富等特点，有64个字节的自定义字符RAM，可以显示2行16个字符，即32个字符，有8位数据总线D0D7和RS，R/W，EN三个控制端口，工作电压为5V17。1602模块内部设有上电自动复位电路，当外加电压超过4.5V时，自动对模块进行初始化操作，设置为默认的显示工作状态。在充电的过程中，会在液晶屏上显示充电电压和充电的进度，让用户使用更方便。液晶显示电路如图3.7所示。图3.7 液晶显示电路3.6 保护电路根据要求，本次系统设计采用AT89C51单片机控制，结合MAX1898锂离子电池智能充电芯片，实现了对电路的保护功能。短路保护是指由外部中断通知单片机，使其在中断程序中启动短路保护，从而切断主回路，实现对电路的保护。过流保护是指当有大电流在负载上流过时，元器件可能会因为超过额定电流而造成损坏，这时会使过放电控制管截止，停止向负载放电，这样保护了锂电池也保护了场效应管。锂离子电池选用精确的恒流恒压充电方式，当出现过充、过流现象时，系统也会及时切断充电回路，实现了锂离子的安全充电。MAX1898芯片如图3.8所示。图3.8 MAX1898芯片3.7 报警电路当充电器电压、电池电压、电池温度不满足充电条件时，就进入了异常处理状态，这时，蜂鸣器会报警。当单片机检测到锂电池电量充满之后，就会自动切断对MAX1898芯片的供电，MAX1898的输出信号CHG引脚会发出周期为4s的脉冲，单片机的INT0引脚接收中断后，产生中断，并使单片机的T0计数器开始计数，当下一个脉冲到来时，在定时器程序中判断单片机的计数值是否在4s左右，如果是，则通过控制P1.2和P1.3引脚关断电源，MAX1898芯片外接的LED绿灯会熄灭，并引发蜂鸣器报警。报警电路如图3.9所示。图3.9 报警电路4 软件设计4.1 Keil本设计的软件程序编写和调试使用的是德国Keil Software公司研发的Keil C51单片机软件开发系统。该系统支持多种编程语言设计，包括汇编语言和C语言，Keil C51提供了C编译器、宏汇编、库管理、连接器和仿真调试器等软件开发所需的功能，是一个集成开发环境，可用于编辑，编译，仿真等。并提供了丰富的库函数，为软件的开发提供较好的设计平台，为51系列单片机提供了方便简易、功能强大的软件开发调试环境。4.2 主程序设计系统的主程序设计如图4.1所示。本次设计需要外部AT89C51单片机配合MAX1898充电芯片来完成工作。程序初始化后，检测电池是否接反，如果接反会直接报警，否则会开始对电池充电对于各充电阶段，使用不同的算法，改变单片机输出PWM信号的占空比，实现不同阶段充电的控制，并显示充电的状态。图4.1 主程序设计4.3 子程序设计4.3.1 信号采集模块程序初始化之后，开启看门狗定时器功能，防止了单片机因外界的干扰造成的程序不正常现象。启动A/D转换，进行电压、电流和温度的采集，通过采集的信号分析判断电池充电状态是否正常，保证充电的正常运行。信号采集程序框图如图4.2所示。图4.2 信号采集程序框图4.3.2 短路保护模块本系统为了提高锂离子电池充电运行过程中的安全可靠性，延长锂电池的使用寿命，需要实时的监控电池的充电电压、电流，一旦出现因大电流等原因造成的短路情况时，就会由外部中断发出电路短路信号，要求单片机启动短路保护电路，处理不正常的工作状态，从而避免发生爆炸等危险事故，保证充电过程的正常运行18。短路保护程序设计框图如图4.3所示。图4.3 短路保护程序框图4.3.3 LCD液晶显示模块系统初始化后，当有按键操作时，在LCD_1602液晶显示屏上会每个充电阶段的电压和充电的进度。LCD液晶显示程序框图如图4.4所示。图4.4 LCD液晶显示程序框图4.3.4 定时器中断模块定时中断程序框图如图4.5所示。通过一系列的外部触发、中断和计数，按照指令一步步的完成操作。当中断发生时，主程序就会暂停，然后跳转到相应的中断服务程序，执行完毕之后，返回到主程序的位置继续运行。图4.5 定时器中断程序框图4.3.5 报警模块系统开始工作，程序初始化，首先系统会对充电器电压、电池电压、电池温度进行检测，当系统出现故障不满足充电条件时，就进入了异常处理状态，表示充电状态的LED绿灯就会熄灭，并调用子程序发出信号，蜂鸣器会报警。当检测到没有充电故障时，系统会继续进行充电，直到单片机检测到MAX1898芯片对锂电池完成充电，CHG引脚会发出周期为4s的脉冲，单片机的INT0引脚接收中断后，产生中断，并使用单片机的T0计数器开始计数，当下一个脉冲到来时，在定时器程序中判断单片机的计数值是否在4s左右，如果是，则通过控制P1.2和P1.3引脚关断电源，充电结束，LED绿灯熄灭并引发蜂鸣器报警。报警模块程序框图如图4.6所示。图4.6 报警模块程序框图5 系统的仿真与制作5.1 系统仿真本次设计采用Proteus软件系统对电路进行仿真。将电路中所需要的元器件从库中选取出来，放到合适的位置，根据电路图进行连线，连线完成后通过Keil程序编辑软件将编写好的程序导入到AT89C51单片机中，按下运行按钮进行仿真，仿真电路图如图5.1所示。图5.1 仿真电路图5.2 PCB板的设计PCB板的设计主要指的是版图设计，是根据电路原理图来设计的。PCB板的设计直接影响着硬件设计的成败，必要要确保其正确性。原理图需要进行编译，确认无误之后，对元件和电路进行布局和布线，为了避免元件与电路之间的影响，应尽可能将版图设计优化，将元器件有规则的摆放整齐。在电路原理图绘制完成之后，首先要检查每个元器件的封装。在此我们利用Protel设计软件，在它的集成库中直接修改原理图每个元器件的封装，然后再使用设计项中的Update命令，将修改后的封装传递到同一项目中的PCB中19。建立一个新的PCB文件，等到电路原理图成功传递到PCB后，对元器件进行布局，对电路布线连接，需要根据实际情况进行元器件的位置调整和PCB的走线调整。在布局和布线时应该注意的问题如下：(1) 以主控元件为中心进行布局，通过各元器件之间的联系，进行摆放；(2) 为方便以后的焊接，放置元器件时不要太密集；(3) 尽量使去耦电容和VCC靠近布局，电源线和地线适当加粗；(4) PCB覆铜时，器件的管脚用热焊盘方式焊接；(5) 布线时不能出现小于90度的角，以防尖端放电和腐蚀过度。将DRC选项打开，使用动态布线以完成手动布线。在元器件布局、布线完成之后，对各项目进行检查和复查，无误后完成PCB的转印、腐蚀、钻孔等操作。PCB图的设计如图5.2所示。图5.2 PCB设计图5.3 电路板制作为了保证焊接的质量，使制作符合要求，在焊接前先要检查各元器件的极性、字标的方向以及导线的安装是否正确。焊料和被焊件表面必须清洁，选择对电路板无腐蚀、无污染的清洗剂。在焊接时，掌握好电烙铁的烙铁头温度，把握好焊接的时间，使焊点能够大小适中、光滑圆润并且没有毛刺，避免漏、虚、假、连焊的现象出现20。在焊锡的过程中应该尽量避免重复施焊。首先准备焊接工具，右手持电烙铁，要保持电烙铁头的清洁，左手持焊丝，准备焊锡。当烙铁头正常加热之后，送入焊丝。不可以施加压力，不能将焊丝送到烙铁头上。当焊丝以一定量熔化后，立即向左上45度角的方向移开焊丝，待焊锡浸润施焊部位后，向右上45度角的方向移开电烙铁，结束焊锡。焊接完成后的电路板实物图如图5.3所示。图5.3 焊接实物图5.4 系统的调试由于离散的元器件参数分布，使得电路板在完成焊接之后，在性能方面可能存在很大的差异，达不到预期设定的性能指标，因此要进行系统的调试，以便发现设计错误时及时修正，确保设计满足要求。调试的过程分为通电前的检查、通电调试和整机调试三个阶段21。首先在安装完电路板后，要在通电之前要对电路进行仔细的检查。检查电路是否存在短路的现象，要使用万用表来测量正、反向电阻，通过电源正、负极的电阻值来判断。然后要查看各元器件的型号、极性是否正确，并检查电路板连线是否有漏接、错接的现象。给电路通电，完成系统的静态和动态调试。设定等待充电时的状态为100%，如图5.4所示。图5.4 等待充电示意图进行整机调试观察充电器接入电源后是否出现异常情况，比如有异常声响、电路冒烟或发出气味等，这是要立即切断电源，重新检查电路。在正常情况下，测量不同充电状态下的电压，调节可调变阻器，使输出电压满足要求。同时观察LCD液晶显示屏是否能够显示充电的电压和充电进度。当充满电后，LED灯是否闪烁，蜂鸣器能否报警。充电时的状态示意图如图5.5所示。图5.5 充电时示意图6 结论本论文通过对锂离子电池内部结构和工作特性的研究，针对锂电池充电和保护过程中出现的问题，选择了合适的芯片和充电方式，设计了一种基于AT89C51单片机的锂离子电池智能充电和保护系统。MAX1898充电芯片，解决了锂离子电池充电模式单一、电路保护功能缺失的问题，采用精确的恒流恒压充电方式，实现了锂离子电池快速充电和电池保护的功能。LCD液晶显示充电的进度，更方便了用户的使用。另外，为了避免充电时锂电池因温度过高而引起爆炸的危险，本设计选择了6N137单通道高速光耦合器，达到设定的充电时间后，由单片机向其发送信号，定时的切断MAX1898充电电源，同时指示灯也会发出信号，保护了锂电池，也使锂电池的循环使用寿命更长。锂离子电池的发展越来越多样化，竞争力也越来越大。本次设计经过软硬件的设计以及系统的调试，达到了预期的目的，能够实现基于单片机的锂离子电池智能快速充电功能。但也存在不足之处，有很多可以提高的地方，比如利用ADC0832芯片对电压采集之后，只是通过LCD显示出充电电压和进度，没有显示不同电量时的充电方式。但是，随着社会的不断进步，很多问题已经被解决，便携式锂电池充电的方法逐渐多样化，相信移动电源在今后的发展中会更加安全，能够满足更多产品的充电要求，应用更加广泛。参 考 文 献1 王海明, 郑绳楦, 刘兴顺. 锂离子电池的特点及应用J. 电气时代, 2004, (3):132-134.2 屈伟平. 锂电池的广泛前景及发展障碍J. 电源技术应用, 2009, (8):120.3 程立文. 手机电池的未来发展方向J. 电源技术, 2008, (1):6-8.4 李凌云, 任斌. 我国锂离子电池产业现状及国内外应用情况J. 电源技术, 2013, 37(5):883-885.5 黄春耀. 基于单片机的智能充电控制器的设计与应用J. 龙岩学院学报, 2007, 25(3):235-237.6 徐振. 锂电池一般特性及管理系统分析J. 广西轻工业, 2009, (10):35-37.7 周鹏. 动力锂电池的充电及保护应用J. 电源技术, 2012, (5):648-649.8 陈修强. 锂电池智能管理系统研究与设计D. 太原科技大学, 2013.9 J. 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