(论文)-基于MAX1898智能充电器的设计.doc

基于MAX1898智能充电器的设计 摘要 本设计是AT89S51单片机在实现手机电池充电器方面的应用，结合MAX1898锂离子电池充电芯片，配合外部PNP或PMOS晶体管可以组成完整的单节电锂离子(Li+)电池智能充电器。MAX1898提供精确的恒流/恒压充电。电池电压调节精度为0.75%，提高了电池性能并延长了使用寿命。AT89S51单片机控制实现电池预充、快充、满充、充电保护、自动断电和充电完成自动报警提示功能。关键词 单片机AT89S51 MAX1898芯片 智能充电器Abstract The design is to achieve AT89S51 in the application of mobile phone battery charger, rechargeable lithium-ion battery combined with MAX1898 chip, with external PNP or PMOS transistors may form a complete single-power-saving lithium-ion (Li+) battery smart charger. MAX1898 provides accurate constant current/constant voltage charging. Battery voltage regulation accuracy of 0.75%, improved performance and extended battery life. AT89S51 MCU to achieve battery pre-charge, fast charge, over charge, charging protection, auto power off, and charge completion automatic alarm function.Key words MCU AT89S51 MAX1898 chip Intelligent Charger1 前 言 随着越来越多的手持式手机充电器的出现，对高性能、小尺寸、轻重量的电池充电器的需求也越来越大。市场上的手机充电器存在诸多弊端，大多数外观相似，但内部线路却大不一样，其性能也大不同。虽然都能实现充满自停，但其实现的方式却大不相同，直接导致充电效果不同，由于采用大电流快速充电，所以电池充满后也不能及时停止，使电池过充发热严重，过度过充会严重损害电池的寿命。低成本的手机电池充电器（万能充）采用电压比较法，为防止过充一般只充到电池电量的90%就停止大电流充电，采用小电流涓流补充充电，此时充电器指示灯不再闪烁，用户此时拔下电池，无疑只充电90%左右，再加上电压比较具有离散性，所谓的90%也只是个理论值，很难精确。手机技术的持续进步也产生了更大容量的手机电池，因此要求更复杂的充电算法以实现快速、安全地充电。一部好的手机充电器不仅能在短时间内将电量充足，而且能对电池起到一定的维护作用，可以修复由于电池的记忆效应引起的电池活性衰退现象，同时避免由于电池发热引起的不安全因素。因此大部分商家极力推荐手机直充，但是这其中存在许多不方便的因素，比如手机直充的携带，以及手机直充体积较大。本文提出一种结合智能充电芯片MAX1898和单片机AT89C51的充电器软硬件设计方案。MAX1898功能十分强大，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。它与单片机强大的控制功能配合使用，使得手机电池充电器更加智能化，通过改良外围电路可以大大减小手机电池充电器的体积，使之携带更加方便。因此该设计方法将在高端手机充电器技术领域占领一席之地，并且引导现有手机充电器的发展趋势。2 方案设计和论证2.1 设计思路 概述要实现智能化充电器，需要从以下两方面着手：1. 智能化的实现。在充电过程中引入51单片机的控制。2. 充电的实现。包括两部分：一是充电过程的控制；二是需要提供基本的充电电压。2.2 方案设计与论证2.2.1 充电控制芯片的选择随着科学技术的飞速发展，市场上出现了大量的微控制芯片。单片机作为微型计算机的一个重要分支，应用面很广，发展很快。自单片机诞生至今，已发展为上百种系列的近千个机种。目前，单片机正朝着高性能和多品种方向发展趋势将是进一步向着CMOS化、低功耗、小体积、大容量、高性能、低价格和外围电路内装化等几个方面发展。随着集成度的不断提高，有可能把众多的各种处围功能器件集成在片内。除了一般必须具有的CPU、ROM、RAM、定时器/计数器等以外，片内集成的部件还有模/数转换器、DMA控制器、声音发生器、监视定时器、液晶显示驱动器、彩色电视机和录像机用的锁相电路等。这些实现了数字逻辑集成电路组成的控制电路单片化，可广泛用于家电产品。由于单片机的这种结构形式及它所采取的半导体工艺，使其具有很多显著的特点，因而在各个领域都得到了迅猛的发展。单片机主要有如下特点： 有优异的性能价格比； 集成度高、体积小、有很高的可靠性； 控制功能强； 低功耗、低电压，便于生产便携式产品； 外部总线增加了IC（Inter-Integrated Circuit）及SPI（Serial Peripheral Interface）等串行总线方式，进一步缩小了体积，简化了结构； 单片机的系统扩展和系统配置较典型、规范，容易构成各种规模的应用系统。所以本设计选用美国Intel公司推出的MCS-51系列单片微控制处理器（简称51单片机）作为控制芯片。其中AT89S51具有很强的代表性。2.2.2 电池充电芯片的选择方案目前市场上存在大量的电池充电芯片，它们可直接用于充电器的设计。在选择具体的充电芯片时，有以下参考标准： 电池类型：不同的电池（锂电池、镍氢电池、镍镉电池）需选择不同的充电芯片； 电池数目：可充电池的数目； 电流值：充电电流的大小决定了充电时间； 充电方式：是快充、慢充还是可控充电过程。本设计主要利用51单片机实现手机单节锂离子（Li+）电池智能充电器，要求充电快速且具有优良的电池保护能力。通过查阅相关资料，目前市场上常见的智能充电主要包括：MAX1898、MAX1758、SMC401。不同的芯片在控制充电过程中能力各不相同，其价格也迥异，控制电路更是错踪复杂，所以进行了以下对比论证。1. 智能锂电池充电控制芯片 SMC401SM401主要用于手机锂电池的充电器，也可以用于其他锂离子或锂聚合物电池的充电控制场合。内嵌8位MCU，提供全程的智能检测和智能控制，根据锂电池充电曲线在不同阶段进行精确恒流或恒压充电，具有电池放置检测、智能过流保护、过放电涓流预充、温度检测及保护、三色LED 状态指示等功能。采用本芯片设计的充电器能够充分贴合锂电池的充电曲线在不同阶段进行精确恒流或恒压充电，并能对过放电的锂电池进行补偿充电和电气性能修护，从而提高锂电池的充电饱和度，延长锂电池使用寿命。此外，芯片还能通过补偿锂电池内阻的方式缩短充电时间。SMC401 的充电分为三个阶段：预充、恒流充电及恒压充电。 （1）预充阶段。在安装好电池并加上电源后，SMC401 首先检查电池温度是否在设定范围，若不正常则进入温度故障模式，否则检测电池电压VBAT，当电池电压VBAT 低于低压门限VLOW 时，SMC401以恒流10的电流对电池预充电。（2）恒流充电阶段。在完成对电池预充或电池电压VBAT 高于VLOW 并低于VMAX 时，SMC401 进入恒流充电状态，此时通过外部的感测电阻上的压降监控充电电流。（3）恒压充电阶段。当电池电压VBAT 达到VMAX 时进入恒压充电状态。在整个工作温度和工作电压范围内，恒压精度高于1%。当充电电流达到终止门限ILOW 时停止充电，当电池电压低于重新充电门限电压VMAX 时自动开始重新恒压充电。2. 智能锂电池充电控制芯片 MAX1898Max1898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。MAX1898 uMAX封装和典型应用电路：图 2.2.1 MAX1898 uMAX封装图 2.2.2 MAX1898典型应用电路定时电容C和充电时间Tchg的关系式满足：C=34.33Tchg 最大充电电流Imax和限流电阻Rset的关系式满足：Imax1400/Rset 输入电压范围为4.5V-12V。锂电池要求充电方式是恒流恒 压方式，电源的输入需要采用恒流恒压源，一般采用直流电源 外加变压器。(1) 通过外接的场效应管提供锂电池的充电接口。(2) 通过外接电容CT设置快充时最大的充电时间Tchg,它和定时电容CT的关系：CT=34.33*Tchg式中：Tchg 单位为小时，CT单位为nF，一般情况下快充时间不超过3小时，因此CT一般为100nF。(3) 在限制电流的模式下，通过外接电阻RSET来设置最大充电电流IFST,关系如下所示：IFST =1400 / RSET式中：RSET 单位为欧姆，IFST单位为安培。2. 智能锂电池充电控制芯片 MAX1758Max1758同MAX1898一样也是Maxim公司生产的锂离子电池充电芯片，可实现智能充电，自动检测调节电流、电压、温度等参数，为锂电池提供了一种新的安全、高效的设计方案。其性能和MAX1898如出一则，只是MAX1758常用于笔记本和一些高档仪器的电源管理芯片，外围电路比较复杂。MAX1758封装图：图 2.2.3 MAX1578封装SMC401是一款更高级的充电控制芯片，它集成了8位MCU控制芯片，使用更加方便简洁，外设电路简单，是商家比较推崇的充电控制芯片，但基于此次设计需要用到单片机作为控制芯片，所以此种方案不作考虑，但其制作原理值得借鉴。Maxim公司生产的锂离子电池充电芯片MAX1898和MAX1758都可以作为智能充电器的充电芯片，但MAX1898的外围电路也更加简单，易于焊接，也更适合初学者的学习研究。综上所述，选择MAX1898作为充电芯片，AT89S51作为充电控制芯片，共同完成锂电池智能充电器的研究。系统流程图如下：图2.2.3 系统方框图加载电源，MAX1898自动检测电池电压，判断电池是否为“满”状态，如果“是”则将此状态传递给单片机，触发信号拉低，TLP5621发出低电平信号，MAX1898“EN”脚电平被拉低，充电停止，蜂鸣器报警。充电过程中，若电池充满，MAX1898发出“满”信号传递给单片机，单片机同样拉低触发信号，TLP5621发出低电平信号，MAX1898“EN”拉低，充电停止，同时发出报警信号。3 主要芯片介绍3.1 MCS-51系列单片机简介3.1.1 MCS-51系列单片机功能概述AT89S51和AT89S52是美国Atmel公司生产的低电压、高性能CMOS 8位单片机，AT89S51片内包含有4KB（AT89S52为8KB）可在系统编辑的Flash存储器（ROM）。MCS-51单片机的指令系统及引脚兼容，功能强大，适合于许多较为复杂的控制应用场合。AT89S51的主要性能参数： 与标准MCS-51系列产品兼容； 4KB（AT89S52为8KB）可在系统编辑的Flash存储器（ROM）； 工作电压范围：4.0-5.5V； 全静态工作：0-33MHz； 三级加密程序存储器； 128B（AT89S52为256B）片内数据存储器（RAM）； 32根可编程输入/输出（I/O）口线； 2个（AT89S52为3个）16位定时计数器； 5个（AT89S52为6个）中断源； 可编程串行UART通道； 低功耗和掉电模式； 看门狗定时器（WDT）；3.1.2 MCS-51系列单片机引脚功能说明MCS-51系列单片机中的各种型号是相互兼容，但引脚的个数和功能是有差异的。AT89S51有3种封装：40脚的双列直插式DIP、44脚的方形PLCC及TQFP。DIP封装如图3.1.2所示。图3.1.2 MCS-51单片机DIP封装图3.1.3 AT89S51单片机引脚说明与介绍(1)主电源引脚VCC(Pin40)：电源输入，接5V电源GND(Pin20)：接地线(2)外接晶振引脚XTAL1(Pin19)：片内振荡电路的输入端XTAL2(Pin20)：片内振荡电路的输出端(3)控制引脚RST/VPP(Pin9)：复位引脚，引脚上出现2个机器周期的高电平将使单片机复位。ALE/PROG(Pin30)：地址锁存允许信号PSEN(Pin29)：外部存储器读选通信号EA/VPP(Pin31)：程序存储器的内外部选通，接低电平从外部程序存储器读指令，如果接高电平则从内部程序存储器读指令。(5)可编程输入/输出引脚AT89S51单片机有4组8位的可编程I/O口，分别位P0、P1、P2、P3口，每个口有8位（8根引脚），共32根。PO口（Pin39Pin32）：8位双向I/O口线，名称为P0.0P0.7P1口（Pin1Pin8）：8位准双向I/O口线，名称为P1.0P1.7P2口（Pin21Pin28）：8位准双向I/O口线，名称为P2.0P2.7P3口（Pin10Pin17）：8位准双向I/O口线，名称为P3.0P3.73.2 MAX1898简介3.2.1 MAX1898特性介绍MAX1898配合外部PNP或PMOS晶体管可以组成完整的单节电锂离子(Li+)电池充电器。MAX1898提供精确的恒流/恒压充电。电池电压调节精度为0.75%，提高了电池性能并延长了使用寿命。充电电流由用户设定，采用内部检流，无需外部检流电阻。MAX1898提供用于监视充电状态的输出、输入电源是否与充电器连接的输出指示和充电电流指示。其他功能包括关断控制、可选的充电周期重启无需重新上电、可选的充电终止安全定时器和过放电电池的低电流预充而且将提高产品或设备的性能，缩小产品体积，提高产品的技术含量，提高产品的附加值。MAX1898的关键特性如下： 简单，安全的线性充电方式； 使用低成本的PNP或PMOS调整元件； 输入电压：4.512V； 内置检流电阻； 0.75%电压精度； 可变成充电电流； 输入电源自动检测； 检测电流输出； 可变成安全定时器； LED充电状态指示； 可选/可调节自动重启； 小尺寸uMAX封装；3.2.2 MAX1898芯片介绍充电芯片MAX1898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、温度检测器和主控制器。输入电流调节器用于限制电源的总输入电流，包括系统负载电流与充电电流。当检测到输入电流大于设定的门限电流是，通过降低充电电流从而控制输入电流。因为系统工作是电流变化范围较大，所有需要对电流进行智能检测。MAX1898外接限流型充电电源和P沟道场效应管或PNP三极管，可以对锂电池进行安全有效的快充，器最大的特点是在不使用电感的情况下仍能保持很低的功率耗散，可以实现预充电，具有过压保护和温度保护功能以及为锂电池提供二次保护。3.2.3 MAX1898芯片引脚说明MAX1898可以对所有的化学型的Li+电池进行安全充电，它具有高集成度，集成了大量的基本应用电路，只需要少数外部元件。MAX1898为10引脚、超薄型uMAX封装，器引脚分布如图。引脚功能如下：IN：传感输入，检测输入的电压或电流CHG：充电状态指示脚EN/OK：使能输入脚/输入电源输出指示叫ISET：充电电流调节引脚，通过串接电阻来设置最大充电电流CT：安全充电时间设置引脚，接一个时间电容来设置充电时间RSTRT：自动重新启动控制引脚，直接接地如果电池电压掉至基准电压阀值以下200MV，将会重新开启一轮充电周期。BATT：电池传感输入脚，接单个Li+电池的+。需旁接一个大的电解电容到地GND：地DRV：外部晶体管驱动器，接晶体管的基极CS：电流传感输入脚，接晶体管的发射极4 系统软件设计和调试4.1 单元电路设计智能充电器设计的功能模块如下： 单片机模块：实现充电器的智能化控制，比如自动断电、充电完成报警提示等； 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； 充电电压提供模块：自制5V恒压电源模块提供电压，为实现电气电路的安全隔离，在送给充电模块前加入了光耦隔离器；4.1.1 单片机模块电路和报警电路设计单片机模块电路主要是由是以AT89S51为核心的最小系统电路，因为其具有广泛的兼容性和强大的及时控制功能，特别适合于许多较为复杂的控制应用场合。蜂鸣器为系统进行报警提示，电路如图4.1.1.图 4.1.1 单片机控制电路4.1.2 电源电路和光耦隔离部分电路设计由于MAX1898输入电压范围为4.5V-12V。锂电池要求充电方式是恒流恒压方式，电源的输入需要采用恒流恒压源，一般采用直流电源外加稳压器实现，这里使用三端稳压7805，因为其外围电路简单且输出功率稳定。另外，要实现51单片机对MAX1898的智能控制，因此加入光耦TLP2422进行电器隔离，方便设计实现。图 4.1.2 电源电路和光耦隔离部分电路4.1.3 充电器电路充电控制电路设计MAX1898外接限流型充电电源和P沟道场效应管或PNP三极管，可以对锂电池进行安全有效的快充，其最大的特点是在不使用电感的情况下仍能保持很低的功率耗散，可以实现预充电，具有过压保护和温度保护功能以及为锂电池提供二次保护。电路如图4.1.3.图 4.1.3 充电器电路充电控制电路4.2 总电路设计基于MAX1898智能充电芯片，加上51系列单片机的强大功能使得智能电池充电器的设计更加模块化，也使得是电池充电器更加智能化。如：电池预充、充电保护、自动断电和充电完成报警提示功能。其各模块电路如下图4.2.1所示.图 4.2.1 智能充电器总电路5系统程序设计5.1 程序设计概述充电器的充电过程主要由MAX1898和单片机AT89S51控制，而单片机主要是对电池充电器控制作用。主要功能介绍如下：当MAX1898完成充电时，其/CHG引脚会产生由低电平到高电平的跳变，该跳变引起单片机INT0中断。/GHG输出为高电平时有以下3种情况： 电池不在位或者无充电输入； 充电完毕； 充电出错（此时实际上/CHG会以1.5HZ的频率反复跳变）；显然前面2种情况都可以直接通过控制光耦切断充电电源，所以程序上着重于第三种情况的判断。5.2 程序流程图 图5.2.1单片机初始化流程图单片机控制智能充电器的控制流程如图5.2.2，其中包括外部中断服务子程序和定时器服务子程序。图5.2.2 单片机控制智能充电器的控制流程系统源程序见附录。6 系统硬件设计和调试 6.1 电路图设计介绍智能充电器的整体电路设计包括以下模块：电源模块、单片机最小系统、MAX1898智能充电模块、蜂鸣器报警模块、TLP2422光电隔离模块。运用Protel99se画出软件电路图，如图4.2.1，标注完整PCB封装，将完成的SCH原理图导入PCB工作域，在完成PCB图绘制后打印输出PCB工程图，再转印到腐蚀板上，腐蚀钻孔，最后焊接硬件加调试。（1）PCB原理图和打印图纸如下：图 6.1.1 pcb原理图（2）3D仿真实物图和工业制板图：图6.1.2 板面覆铜走线图 6.1.3 元件分布图6.2 硬件电路制作由于设备条件制约，因此用万通板代替腐蚀覆铜板制作作品。硬件部分与上述仿真模块完全符合，包括：单片机最小系统、电源电路、智能充电电路、蜂鸣器报警电路。其中智能功能充电模块单独制作，因为MAX1898为uMax封装，体积很小，加上万通板的局限性，所以采用自制腐蚀覆铜板。本设计整体实物图如图6.2.1和图6.2.2。图6.2.1 设计实物正面图 6.2.2 设计实物反面6.3 系统电路软、硬件连调（1）软件测试方法 采用先分别调试各单元模块，调通后再进行整机调试的方法，以提高调试效率。首先测试在带有单片机的电路板上编程调试芯片，利用仿真机调试成功后通过编程器将程序写入芯片中，观察ALE口电平变化，确定单片机最小系统正常运行。（2）智能关断、蜂鸣器报警和智能充电模块联调。测试完成单片机最小系统后，接上电池观察充电指示灯状态，MAX1898芯片本身会熄灭外接的LED灯，但是为了安全起见，单片机在检测到电池脉冲后，不仅会切断MAX1898的供电，还会通过蜂鸣器报警，提醒用户及时取出电池。当充电出错时，MAX1898芯片本身会控制LED以1.5HZ左右的频率闪烁，此时不要切断芯片的供电，提示用户充电错误。表6.3.1 MAX1898典型充电电路的LED指示灯状态说明充电状态 LED指示灯 电池或充电器没有安装 灭 预充或快充 亮 充电结束 灭 充电出错 闪烁系统联调效果图：图 6.3.1 充电过程图示图 6.3.2 充电结束7 结束语本设计以MAX1898为核心，利用单片机为控制元件实现智能手机充电器的设计。通过以上智能充电器的设计，使我进一步熟悉了MAX1898的工作原理和使用方法，更深入的了解了AT89S51的定时/计数器、中断系统的应用，熟悉了单片机嵌入式控制系统的设计思路。本设计使得课上所学得到充分的应用，加强了自身摄取新知识的能力，也为不断完善自己奠定了基础。理论来源于实践而高于实践，没有亲力亲为是不能领会其魅力的。这次设计进一步提高了自己的动手制作能力，也使得编程能力得到锻炼，取得不小的收获，同时也发现了自身所存在的不足。在调试智能充电器的过程中，出现的问题和解决方案：(1)方案论证与选定。由于是第一次做这样的选题，所以存在许多不足之处，先期选题方案论证过于单一，结构不严密。通过查阅资料和进行市场调查，最终选定MAX1898作为智能充电芯片。(2)硬件制作。因为在元器件回来之前就已经完成了电路板的制作，对uMAX封装没有一个明确的概念，直接导致板上电路与芯片不能完全匹配。改进方法：利用Protel99se绘制PCB板，然后腐蚀覆铜板完成制作。但由于条件限制，所以智能手工绘制PCB完成制作，效果一样很好。(3)系统联调。硬件测试时，单片机最下系统不工作，MAX1898模块和TLP2422模块也不工作。通过不断测试发现是复位电路的问题，修改电路后最小系统正常工作。MAX1898是因为第三脚悬空，接地后能够正常工作。在此设计中，需要着重把握以下几点； 预充、快充、满充等充电方式的工作原理； MAX1898的充电状态指示输出信号/CHG在本设计中的应用； MAX1898外围电路的设计，其中包括设置充电电流的电阻和充电时间的电容的数值的选取； 如何在单片机程序中判断出充电完成还是充电出错，并作出相应的处理。此次设计的有成功也有失败，失败之处在于选题之后没有对系统进行整体评估，对元件的各方面特点，比如封装、引脚功能更深入的了解，所以在后期过程中会有许多问题出现。方案的选择与论证也没有进行系统的辩证，对市场信息也不够了解。成功之处在于完成了一个之前没有接触过的东西，从方案的选定与论证、软件调试制作、硬件焊接到软硬件系统联调，遇到了许多困难，通过不断的查阅资料和修改硬件，完成了课题的制作。总结整个过程充满艰辛和痛苦，但还是挺过来了，收获的是喜悦，是知识。对于本次设计制作，还有很多可以提高的地方，比如利用ADC0809对电池电压进行采集，再通过LCD1602显示出来，达到可视化的控制，这样的市场前景也更加广阔，也可以使用SMC401代替MAX1898，因为SMC401的功能更加强大，一般用于笔记本电池充电控制芯片，单从经济性来看MAX1898更加符合大众消费。 【参考文献】1 MAX1898.Data Sheet.2 MAX1758.Data Sheet.3 SMC401.Data Sheet.4 SMC401(1).Data.Sheet.5 MAX1898EVKIT.Data Sheet. 6