高能效智能充電器的設(shè)計(jì)

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2015 屆本科畢業(yè)論文（設(shè)計(jì)）1本科畢業(yè)論文（設(shè)計(jì)）(2015 屆)高能效智能充電器的設(shè)計(jì)院 系 電子信息工程學(xué)院 專 業(yè) 電氣工程及其自動(dòng)化 姓 名 指導(dǎo)教師 講師 學(xué)號(hào)：12015 屆本科畢業(yè)論文（設(shè)計(jì)）2摘 要本畢業(yè)設(shè)計(jì)主要目的是應(yīng)用 AT89S51 單片機(jī)及 MAX1898 鋰離子電池充電芯片結(jié)合利用 PNP 晶體管能夠組成電鋰離子實(shí)現(xiàn)高能效智能電池手機(jī)充電器。MAX1898 可以提供精確度很高的恒壓/恒流充電。電池電壓能夠調(diào)節(jié)的精度為±0.5%，電池的使用時(shí)間和壽命得到增長(zhǎng)，性能大大的提高。AT89S51 單片機(jī)可以控制實(shí)現(xiàn)電池預(yù)充、快速充、滿充、慢速充電保護(hù)、自行斷電和慢充完成自動(dòng)警示功能。在軟件設(shè)計(jì)方面，能夠利用 C 語(yǔ)言編碼為開發(fā)工具為系統(tǒng)提供更高的可靠、安全、穩(wěn)定和經(jīng)濟(jì)性。此智能充電器包括能夠自行切換充電模式、檢測(cè)鋰電池充電電池的狀態(tài)、短路保護(hù)充電器功能、檢測(cè)充電狀態(tài)顯示的功能同時(shí)可以更加的維護(hù)電池的性能，使其的使用時(shí)間和壽命延長(zhǎng)。另外，在選擇充電芯片時(shí)，也查閱了相關(guān)的資料，例如 MAX1578、SMC401 都可以作為充電芯片，但是相比較而言，MAX1898 能更好的與 51 單片機(jī)相結(jié)合，功能也很強(qiáng)大，同時(shí)，MAX1578、SMC401 更能適用于高檔儀器，筆記本電腦，更重要的是 MAX1898對(duì)于做畢業(yè)設(shè)計(jì)而言更經(jīng)濟(jì)實(shí)惠，性價(jià)比更高。本畢業(yè)設(shè)計(jì)，在一些現(xiàn)實(shí)的條件下，盡可能的是實(shí)現(xiàn)它快速充電，保護(hù)電池，報(bào)警提示，突出它的智能化高效能，即本畢業(yè)設(shè)計(jì)核心就是實(shí)現(xiàn)智能充電器的高能效的特點(diǎn)。[關(guān)鍵詞]:單片機(jī) AT89S51 MAX1898 芯片 智能充電器2015 屆本科畢業(yè)論文（設(shè)計(jì)）3AbstractThis graduation design is to use AT89S51 applications in mobile phone chargers, using MAX1898 lithium ion battery chip, plus the PNP transistor to form a single electric lithium-ion (Li +) intelligent cell phone charger.MAX1898 can provide high precision of constant voltage/constant current charging.The precision of battery voltage to adjust for plus or minus 0.5%, the use of time and life of battery is growing, greatly improve the performance.AT89S51 can control the battery prefi lled, fast charge, filled, slow charging protection, power outages and slow on its own to complete the automatic warning function.In the aspect of software design, be able to use C language code for development tools for the system to provide higher reliability, security, stability and economy.The intelligent charger includes can switch charging mode, inspect the status of lithium battery rechargeable batteries, short circuit protection charger function, detecting the function of the charging status display can be more to maintain the performance of the battery at the same time, the use of the time and life extension.In addition, when choosing the charging chip, also refer to the related data, such as MAX1578, SMC401 chip can be used as a charge, but in comparison, MAX1898 better combined with 51 single chip microcomputer, is also very powerful, at the same time, MAX1578, SMC401 can apply to more high-end equipment, laptop computers, more important is MAX1898 for doing graduation design more economical, more cost-effective.This graduation design, and in some realistic condition, as far as possible is to realize the quick charge it, protect battery and alarm prompt, highlighting its intelligent high efficiency.MAX1898 achieve rapid charging, intelligence of AT89S51, on this basis to realize efficient design of mobile phone chargers.[Key words]:MCU AT89S51 MAX1898 chip Intelligent Charger2015 屆本科畢業(yè)論文（設(shè)計(jì)）4目 錄要 摘 .2ABSTRACT.31 緒論 .61.1 研究的背景 .61.2 研究的主要內(nèi)容61.3 應(yīng)解決的關(guān)鍵問題 .62 方案設(shè)計(jì)和論證 .62.1 設(shè)計(jì)思路概述 62.2 方案設(shè)計(jì)與論證 .72.2.1 充電控制芯片的選擇 .72.2.2 電池充電芯片的選擇方案 73 主要芯片介紹 .103.1 MCS-51 系列單片機(jī)簡(jiǎn)介.103.1.1 MCS-51 系列單片機(jī)功能概述 .103.1.2 MCS-51 系列單片機(jī)引腳功能說明 113.1.3 AT89S51 單片機(jī)引腳說明與介紹.123.2 MAX1898 簡(jiǎn)介 133.2.1 MAX1898 特性介紹 133.2.2 MAX1898 芯片介紹 133.2.3 MAX1898 芯片引腳說明 .144 系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)和調(diào)試 .144.1 單元電路設(shè)計(jì) 144.1.1 單片機(jī)模塊電路和報(bào)警電路設(shè)計(jì) 144.1.2 充電器電路充電控制電路設(shè)計(jì) .164.2 總電路設(shè)計(jì) 165 系統(tǒng)程序設(shè)計(jì) .175.1 程序設(shè)計(jì)概述 175.2 程序流程圖 176 系統(tǒng)硬件設(shè)計(jì)和調(diào)試 .186.1 電路圖設(shè)計(jì)介紹 .186.2 硬件電路制作 196.3 系統(tǒng)電路軟件和硬件聯(lián)合調(diào)試 .212015 屆本科畢業(yè)論文（設(shè)計(jì)）57 結(jié)束語(yǔ) .22致謝 .24【參考文獻(xiàn)】 .1附錄 A：系統(tǒng)原理圖 1附錄 B：系統(tǒng) PCB 圖 1附錄 C：系統(tǒng)源程序 22015 屆本科畢業(yè)論文（設(shè)計(jì)）61 緒 論1.1 研究的背景隨著科技的發(fā)展，各種各樣的便攜式充電器都遍布市場(chǎng)，同時(shí)對(duì)充電器在輕重量、小尺寸及高性能的要求也更高。各種便攜式充電器大多外觀相似但內(nèi)部的電路結(jié)構(gòu)卻不一樣，性能也不一樣，存在不同的弊端和安全隱患。充電器都能實(shí)現(xiàn)充滿自行停止，但充電的效果是由不同充電方式?jīng)Q定的，大多的快速充電的結(jié)果是充滿不能及時(shí)停止，長(zhǎng)時(shí)間過沖積累導(dǎo)致發(fā)熱嚴(yán)重，同時(shí)會(huì)嚴(yán)重?fù)p害手機(jī)電池的使用時(shí)間和壽命。電壓比較的方式是低劣手機(jī)充電器常采用的方法，其是為了防止過度充電，一般大電流充電到電池電量的 90%左右就停止，繼而采用涓涓細(xì)流來充電而此時(shí)指示燈已不再閃爍，給用戶造成假象電量已充滿，此時(shí)停止充電可能只充到電量的 90%，同時(shí)電壓比較法具有很好地離散性，即使充到 90%也不是完全確定的值。 隨著現(xiàn)在手機(jī)智能化及耗電量的增加，為了提高手機(jī)的續(xù)航能力就需要更復(fù)雜的電路和算法來實(shí)現(xiàn)快速和安全的充電。性能好的手機(jī)充電器不僅僅能在較短的時(shí)間內(nèi)滿充而且能夠保護(hù)電池、修復(fù)電池的記憶效應(yīng)所帶來的活性衰退現(xiàn)象、避免長(zhǎng)時(shí)間充電過熱的不安全的因素。其實(shí)直充是最好的充電的方式，快速和安全，但是最重要的事使用不方便，不利于隨時(shí)隨地的充電，攜帶也是很不方便的，手機(jī)直充的體積也是很大的。1.2 研究的主要內(nèi)容本畢業(yè)設(shè)計(jì)主要的方向是實(shí)現(xiàn)高能效的智能充電器的設(shè)計(jì)，其核心的部件是智能的充電芯片 MAX1898 聯(lián)合 AT89S51 實(shí)現(xiàn)充電器設(shè)計(jì)的智能高效化。方案設(shè)計(jì)的主旨在于智能化主要是通過單片機(jī)的控制實(shí)現(xiàn)的，利用其中斷和定時(shí)的控制功能；高能效是通過充電芯片 MAX1898 內(nèi)部的電流，電壓調(diào)節(jié)及檢測(cè)器，溫度控制及檢測(cè)器加上主控制器實(shí)現(xiàn)。二者的聯(lián)合加上對(duì)外圍電路的改造可以縮小充電器的體積，在日常的生活中具有快捷方便性，所以我認(rèn)為這樣的充電器的設(shè)計(jì)方案將會(huì)領(lǐng)導(dǎo)手機(jī)充電器的發(fā)展趨勢(shì)并且將會(huì)在充電器的領(lǐng)域有一席之地。2015 屆本科畢業(yè)論文（設(shè)計(jì)）71.3 應(yīng)解決的關(guān)鍵問題1、實(shí)現(xiàn)智能化的關(guān)鍵問題是利用 51 單片機(jī)來控制實(shí)現(xiàn)充電器的預(yù)充、快充、滿充和充電保護(hù)，最后自動(dòng)斷電并且報(bào)警提示，都需要 C 語(yǔ)言為工具載體編程實(shí)現(xiàn)。2、實(shí)現(xiàn)高能效就需要 MAX1898 與 AT89S51 功能的結(jié)合，這也是要解決的問題之一，利用 51 單片機(jī)控制 MAX1898 實(shí)現(xiàn)高能效的充電并且保護(hù)電池，延長(zhǎng)壽命。2 方案設(shè)計(jì)和論證2.1 設(shè)計(jì)思路概述從兩個(gè)方面著手實(shí)現(xiàn)高能效智能充電器的設(shè)計(jì)：1. 智能化的實(shí)現(xiàn)：51 單片機(jī)控制整個(gè)充電的過程。2. 充電的實(shí)現(xiàn)：包括兩部分：首先要控制整個(gè)充電的過程；其次保證提供基本的合適的充電電壓。2.2 方案設(shè)計(jì)與論證2.2.1 充電控制芯片的選擇伴隨著 21 世界科技發(fā)展的浪潮，各種各樣高能效的微處理器得到發(fā)展和應(yīng)用。單片機(jī)作為微型計(jì)算機(jī)的一種，應(yīng)用十分廣泛且得到社會(huì)的廣泛地好評(píng)，特點(diǎn)是發(fā)展快、應(yīng)用廣；單片機(jī)出現(xiàn)發(fā)展到現(xiàn)在，種類更是達(dá)到了上千種，功能也各不相同。現(xiàn)在的單片機(jī)正朝著更高的性能，多元化的方向發(fā)展，其大致趨勢(shì)是體積越來越小，容量卻越來越大，COMS 化明顯，功耗更低，集成化程度更高，價(jià)格卻越來越便宜。集成化程度的提高體現(xiàn)在芯片各種外圍的電路器件都被囊括在集成片內(nèi)，故集成化的芯片內(nèi)包括除了微處理器、RAM、ROM、定時(shí)計(jì)數(shù)器外還有各種裝換器件和控制器件，驅(qū)動(dòng)器和鎖相電路。 、聲音發(fā)生器監(jiān)控定時(shí)器，單片化的程度高，能效好。這些單片機(jī)集成化的程度也給日常生活中的家電帶來福音，在家電中得到廣泛的應(yīng)用，這種邏輯數(shù)字控制的高集成化電路使得家電更加的智能，體積更小，生活更舒適方便。單片機(jī)在各個(gè)領(lǐng)域得到了很迅速的發(fā)展，它的半導(dǎo)體的工藝形式和自身的結(jié)構(gòu)形式展現(xiàn)除了很多的優(yōu)異的便捷的特點(diǎn)，例如：? 首先性價(jià)比是非常高的；? 單片機(jī)的可靠性好，小體積化，集成化的程度高；2015 屆本科畢業(yè)論文（設(shè)計(jì)）8? 其控制的能力很強(qiáng)；? 體積小自然便于攜帶，電壓要求低，功耗少；? 為了更進(jìn)一步減小體積，深化結(jié)構(gòu)，外部的結(jié)構(gòu)總線增加了 IC（Inter-Integrated Circuit）及 SPI（Serial Peripheral Interface）等串行總線方式， ；? 單片機(jī)可以應(yīng)用于各種不同的應(yīng)用系統(tǒng)，主要得益于它系統(tǒng)的配置和擴(kuò)展較典型，規(guī)范。故結(jié)合以上的特點(diǎn)，本畢業(yè)設(shè)計(jì)采用的是 AT89S51 單片機(jī)作為控制的芯片，它是Intel 公司 51 系列單片機(jī)中典型的代表，并且很符合本設(shè)計(jì)的需要。2.2.2 電池充電芯片的選擇方案電池充電芯片的選擇還是很重要的，市場(chǎng)上也有很多的智能電池充電芯片都可直接應(yīng)用于智能充電器的設(shè)計(jì)但需符合下面的標(biāo)準(zhǔn)：? 電池類型：不同的芯片所對(duì)應(yīng)的電池的類型也是不同的，電池有鋰電池、鎳氫電池、鎳鎘電池；? 電池?cái)?shù)目：可充電池的數(shù)目；? 電流值：電池充電的時(shí)間是由充電的電流的大小所決定的；? 充電方式：充電的方式有慢充，快速充和可控制的充電過程。本設(shè)計(jì)的理念主要體現(xiàn)在不僅充電要快速而且對(duì)電池具有一定的保護(hù)的功能，故通過利用了 51 單片機(jī)來實(shí)現(xiàn)單節(jié)鋰離子智能高效的充電器的設(shè)計(jì)。在市場(chǎng)上常見的手機(jī)智能充電器芯片主要有 MAX1579，SMC401，MAX1898 等，通過查閱資料其性能都是高效且符合的。由于不同充電芯片在電路的復(fù)雜程度上的差異，直接導(dǎo)致其性能和控制功能不同，價(jià)格差異也較大，故進(jìn)行對(duì)比選擇還是很有必要的，選擇最合適本設(shè)計(jì)的充電芯片。1. SMC401 智能充電控制芯片SMC401一般被用于智能手機(jī)鋰電池的充電器，也有被用于其他的場(chǎng)合的，比如鋰電池和其聚合物的充電控制場(chǎng)合。可以根據(jù)鋰電池的不同的充電的階段進(jìn)行恒壓或是恒流充電，SMC401內(nèi)部嵌入了8位MCU提供全程的智能的檢測(cè)和監(jiān)控，其功能包括：過大的智能電流保護(hù)、電池的實(shí)時(shí)檢測(cè)、涓流慢充、溫度的檢測(cè)、LED指示燈指示。本芯片對(duì)鋰電池的壽命延長(zhǎng)具有專門的效果，通過充分的配合鋰電池不同的充電階段的充電效果進(jìn)行精確無誤的恒壓或是恒流充電而且對(duì)于過放電的現(xiàn)象能進(jìn)行電氣的維護(hù)和充電的補(bǔ)償，從提高電池的充電過程的飽和度來提高電池的使用壽命。此芯片還可以補(bǔ)償鋰電池內(nèi)部的電阻的方法來實(shí)現(xiàn)充電時(shí)間的縮短。2015 屆本科畢業(yè)論文（設(shè)計(jì)）9SMC401充電三個(gè)階段為：預(yù)充電階段、恒流式充電階段、恒壓式充電階段。（1）預(yù)充階段：預(yù)充電一般是10%恒流充電，在此之前首先要檢查電池的溫度是否在允許的范圍之內(nèi)，如果不在就進(jìn)入溫度故障模式，如果在范圍之內(nèi)就要檢測(cè)VTAB是否低于門限電壓VLOW再進(jìn)行預(yù)充。（2）恒流充電階段。對(duì)鋰電池的預(yù)充結(jié)束后就進(jìn)入了恒流充電的階段，在此之前就要檢測(cè)充電電壓VBAT要大于VLOW小于VMAX，充電的電流由外部敏感電阻上的電壓降來監(jiān)控。（3）恒壓充電階段：在電壓和外部條件合適（包括溫度）時(shí)，恒壓的充電的階段精度都是高于±1%。當(dāng)VBAT大于VNAX時(shí)即進(jìn)入了恒壓的充電的狀態(tài)。停止充電的界限是充電電流達(dá)到ILOW，重現(xiàn)啟動(dòng)是電壓降至VMAX已下。2.MAX1898 智能充電控制芯片MAX1898的內(nèi)部電路包括輸入電流調(diào)節(jié)器、電壓檢測(cè)器、充電電流檢測(cè)器、定時(shí)器、溫度檢測(cè)器和主控器，輸入電流調(diào)節(jié)器的作用是用于調(diào)節(jié)和限制總輸入電流的負(fù)載和充電電流，輸入電流的大小可以通過充電電流來控制，一般當(dāng)輸入的電流大于設(shè)定的電流時(shí)可以降低充電電流來改變輸入電流達(dá)到標(biāo)準(zhǔn)，鋰電池的快速充電效率是通過外接電容和外接電阻限制充電的電流、設(shè)定充電的時(shí)間來實(shí)現(xiàn)的，同時(shí)這是MAX1898的外接的限流型電源和PNP三級(jí)功率管的組成。圖 2.2.1 MAX1898典型應(yīng)用電路充電的時(shí)間和電容的關(guān)系式為：C=34.33×Tchg 2015 屆本科畢業(yè)論文（設(shè)計(jì)）10限流的電阻和充電的電流需滿足的一定的關(guān)系式：Imax＝1400/Rset 鋰離子電池的充電的方式要求是恒壓和恒流充電，電源需要采用的是恒壓恒流源，大部分場(chǎng)合采用的是變壓器配合直流電源。(1)鋰電池的充電的接口是由外接的場(chǎng)效應(yīng)管提供的。(2)最大的充電的時(shí)間由外界的電容設(shè)置實(shí)現(xiàn),與定時(shí)電容 CT 存在的關(guān)系式：CT=34.33*Tchg(3)最大充電電流通過外接的電阻在限制電流的模式下實(shí)現(xiàn)的關(guān)系式為：IFST =1400 / RSET3.MAX1758 智能充電控制芯片MAX1758 與 MAX1898 鋰電池充電芯片是由同一家公司生產(chǎn)的，通過調(diào)節(jié)各種參數(shù)實(shí)現(xiàn)智能充電，例如，對(duì)電壓、電流、溫度自動(dòng)檢測(cè)調(diào)節(jié)，它是一種很智能，高效，安全的智能充電芯片。只是其電路相對(duì)來講還是比較的復(fù)雜的，所以一般的應(yīng)用場(chǎng)合是高級(jí)儀器或是筆記本電腦等。綜上所詳述的，SMC401 的方案不作為考慮的對(duì)象，因?yàn)樗且豢詈芨呒?jí)的智能充電芯片，由于集成度高，外圍電路簡(jiǎn)單，在應(yīng)用上很方便，但是這次用到的是單片機(jī)結(jié)合控制芯片，而 SMC401 集成的 8 位 MCU 控制的芯片，所以可以多了解在以后的很多場(chǎng)合還是可以用到的。對(duì)于同一家公司的 MAX1898 和 MAX1758，在功能和效果上差別是不大的，都可以應(yīng)用于本次的畢業(yè)設(shè)計(jì)，但綜合來看，相對(duì)于MAX1758，MAX1898 更顯得簡(jiǎn)單易懂，入手很快，特別的適合現(xiàn)在我們本科的畢業(yè)設(shè)計(jì)學(xué)生，認(rèn)識(shí)和焊接都很快。故，在選用充電芯片的時(shí)候更多的傾向于 MAX1898 智能鋰電子充電芯片來完成我的畢業(yè)硬件設(shè)計(jì)。系統(tǒng)流程圖如下：2015 屆本科畢業(yè)論文（設(shè)計(jì)）11AT89S51 電 源 TLP5621是 否 充 滿 ？MAX1898電 池觸 發(fā) 信 號(hào)充電使能充電圖2.2.3 系統(tǒng)方框圖MAX1898 通過自行檢測(cè)電池的電壓量來判斷電池是否為滿電的狀態(tài)，如果是滿電的狀態(tài)，則把相應(yīng)的滿電信號(hào)傳給單片機(jī)，單片機(jī)觸發(fā)信號(hào)降低，輸出低電平信號(hào)同時(shí) MAX1898 控制停止充電，指示燈閃爍。同樣當(dāng)在充電的過程中，電池的電量充滿的時(shí)候，與以上的判斷方法一樣，來控制充電的進(jìn)程，停止充電。3 主要芯片介紹3.1 MCS-51 系列單片機(jī)簡(jiǎn)介3.1.1 MCS-51 系列單片機(jī)功能概述美國(guó) Atmel 公司生產(chǎn)的具有高性能 COMS8 位及低電壓的AT89S51，AT89S52，AT89S51 擁有 4kB 能在系統(tǒng)編輯的 flash 存儲(chǔ)器。MCS-51 單片機(jī)的功能還是非常強(qiáng)大的，能應(yīng)用于很多的復(fù)雜的場(chǎng)合，其指令系統(tǒng)及引腳兼容性都很強(qiáng)大。 。AT89S51 性能的主要參數(shù)：? 兼容其他的標(biāo)準(zhǔn) MCS-51系列單片機(jī)；? 可在系統(tǒng)編輯 flash 存儲(chǔ)器為 4KB；? 其電壓的工作適宜范圍為4.0到5.5伏；? 全靜態(tài)工作于0到33MHZ；2015 屆本科畢業(yè)論文（設(shè)計(jì)）12? 程序存儲(chǔ)器為三級(jí)加密；? 單片機(jī)片內(nèi)數(shù)據(jù)存儲(chǔ)器128B；? 可編程輸入/輸出（I/O）口線由32根；? 2個(gè)（AT89S52為3個(gè)）16位定時(shí)計(jì)數(shù)器；? 5個(gè)（AT89S52為6個(gè)）中斷源；? 可編程串行 UART 通道；? 掉電模式和低功率消耗；? 看門狗定時(shí)器（WDT） ；3.1.2 MCS-51 系列單片機(jī)引腳功能說明MCS-51 系列單片機(jī)雖然功能和引腳的數(shù)目是不同的，但不同型號(hào)的單片機(jī)是能相互兼容的。AT89S51 封裝的形式有三種：40 腳的雙列直插式 DIP、44 腳的方形 PLCC和 TQFP。DIP 封裝如圖 3.1.2 所示。圖3.1.2 MCS-51單片機(jī)DIP封裝圖3.1.3 AT89S51 單片機(jī)引腳說明與介紹(1)主電源引腳VCC(Pin40)：接＋ 5V 電源電源輸入GND(Pin20)：接地線2015 屆本科畢業(yè)論文（設(shè)計(jì)）13(2)外接晶振引腳XTAL1(Pin19)：輸入端（片內(nèi)振蕩電路）XTAL2(Pin20)：輸出端（片內(nèi)振蕩電路）(3)控制引腳RST/VPP(Pin9)：具有復(fù)位功能的引腳（單片機(jī)復(fù)位的條件是引腳上有兩個(gè)機(jī)械周期的高電平） 。ALE/PROG(Pin30)：地址鎖存允許信號(hào)PSEN(Pin29)：外部存儲(chǔ)器讀選通信號(hào)EA/VPP(Pin31)：ROM 中內(nèi)外部選通，高電平是從內(nèi)部存儲(chǔ)器中讀指令，低電平是從外部讀指令3.2 MAX1898 簡(jiǎn)介3.2.1 MAX1898 特性介紹單節(jié)鋰電子智能充電器可以由 MAX1898 結(jié)合外部的 PNP 或是 PMOS 晶體管構(gòu)成。MAX1898 能夠調(diào)節(jié)的電池的電壓精度為±0.75%并能夠提供準(zhǔn)確的的恒流恒壓充電功能，進(jìn)而延長(zhǎng)其使用的年限和提高性能。檢流的方式都是內(nèi)部檢流無需外部的專門檢流的電阻，充電時(shí)的電流都是根據(jù)實(shí)際自行設(shè)定的。從其他的提高產(chǎn)品的性能，和附加值方面看，還有一些顯著的功能，有充電終止時(shí)的安全定時(shí)器，能夠選擇的每個(gè)充電周期的重新啟動(dòng)的功能，對(duì)一些關(guān)斷的控制，支持過放電電池預(yù)充的性能，提高產(chǎn)品的技術(shù)含量，縮小產(chǎn)品的體積等等。MAX1898 的關(guān)鍵特性如下：? 簡(jiǎn)單，安全的線性充電方式；? PNP 或 PMOS 元件的成本相對(duì)較低；? 輸入電壓4.5到12V；? 內(nèi)置檢流電阻；? ±0.75%電壓精度；? 可變成充電電流；? 能夠自動(dòng)檢測(cè)的輸入電源；? 檢測(cè)電流輸出；2015 屆本科畢業(yè)論文（設(shè)計(jì)）14? 可變成安全定時(shí)器；? LED 指示出充電狀態(tài)；? 自動(dòng)重啟功能可選可調(diào)節(jié)；? uMAX 封裝為小尺寸；3.2.2 MAX1898 芯片介紹在芯片選擇時(shí)已經(jīng)對(duì)此進(jìn)行了詳細(xì)的介紹，這里就略述。MAX1898 輸入電流的大小可以通過充電電流來控制，一般當(dāng)輸入的電流大于設(shè)定的電流時(shí)可以降低充電電流來改變輸入電流達(dá)到標(biāo)準(zhǔn)。因?yàn)橄到y(tǒng)工作是電流變化范圍較大，所有需要對(duì)電流進(jìn)行智能檢測(cè)。MAX1898 實(shí)現(xiàn)對(duì)鋰電池的安全快速的充電要求的方式是，外接 PNP 三極管結(jié)合限流型的充電電源或是使用場(chǎng)效應(yīng)管與電源結(jié)合，其主要的有電壓過度保護(hù)，溫度過度保護(hù)的功能及對(duì)鋰電池充電的二次性能的保護(hù)，最大的特點(diǎn)就是在不使用其他的元件（電感）的前提下保持著很低的功率耗散能力。3.2.3 MAX1898 芯片引腳說明MAX1898 可以利用少數(shù)的外部的元件實(shí)現(xiàn)它的高集成程度，而且集成了大量的基礎(chǔ)應(yīng)用電路進(jìn)而可以對(duì)鋰離子電池進(jìn)行安全有效的充電。MAX1898 封裝為超薄型 uMAX，有 10個(gè)引腳。引腳功能如下：IN：傳感輸入，檢測(cè)輸入的電壓或電流CHG：指示腳（充電進(jìn)行的狀態(tài)） OK/EN：電源輸出指示腳/使能輸入腳ISET：充電時(shí)調(diào)節(jié)電流大小的引腳，通過串聯(lián)電阻來設(shè)置最大的電流 CT：設(shè)置安全充電時(shí)間的引腳（通過連接電容來實(shí)現(xiàn)）RSTRT：能控制自動(dòng)重啟的引腳（電壓掉至一定的下限值將會(huì)重啟新充電的周期）BATT：充電電池傳感輸入腳（接單個(gè)鋰離子電池正極同時(shí)接電解電容接地）DRV：用于接晶體管陰極的晶體管驅(qū)動(dòng)器CS：需接晶體管的發(fā)射極的電流傳感輸入腳4 系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)和調(diào)試4.1 單元電路設(shè)計(jì)智能充電器功能模塊設(shè)計(jì)：2015 屆本科畢業(yè)論文（設(shè)計(jì)）15? 單片機(jī)模塊：實(shí)現(xiàn)智能控制充電器（自行的斷電，充滿報(bào)警指示等） ；? 控制充電過程的模塊：利用高效專門的充電芯片實(shí)現(xiàn)充電過程的控制；? 充電電壓供給模塊： 加入光耦隔離器實(shí)現(xiàn)電氣電路的安全隔離同時(shí)自制5 伏的恒壓電源提供電壓4.1.1 單片機(jī)模塊電路和報(bào)警電路設(shè)計(jì)單片機(jī)模塊可以應(yīng)用于很多的復(fù)雜的控制場(chǎng)合，其具有即時(shí)的控制功能和強(qiáng)大的廣泛兼容性能，適應(yīng)性是非常強(qiáng)的，電路核心是 AT89S51 的最小系統(tǒng)的電路。系統(tǒng)利用蜂鳴器報(bào)警提示，電路如圖 4.1.1.圖 4.1.1 單片機(jī)控制電路4.1.2 充電器電路充電控制電路設(shè)計(jì)MAX1898 實(shí)現(xiàn)對(duì)鋰電池的安全快速的充電要求的方式是，外接 PNP 三極管結(jié)合限流型的充電電源或是使用場(chǎng)效應(yīng)管與電源結(jié)合，其主要的有電壓過度保護(hù)，溫度過度保護(hù)的功能及對(duì)鋰電池充電的二次性能的保護(hù)，最大的特點(diǎn)就是在不使用其他的元件（電感）的前提下保持著很低的功率耗散能力。2015 屆本科畢業(yè)論文（設(shè)計(jì)）16電路如圖 4.1.3.圖 4.1.3 充電器電路充電控制電路4.2 總電路設(shè)計(jì)51 單片機(jī)的強(qiáng)大的控制功能加上 MAX1898 智能充電芯片的充電性能，使得智能充電器的充電性能更加的智能化和更加的模塊化，完美的結(jié)合更加的體現(xiàn)了高能效智能充電器的設(shè)計(jì)理念。智能和模塊化體現(xiàn)在電池預(yù)充、充電保護(hù)、自動(dòng)斷電和充電完成報(bào)警提示功能。其各模塊電路如下圖 4.2.1 所示.2015 屆本科畢業(yè)論文（設(shè)計(jì)）17圖 4.2.1 智能充電器總電路5 系統(tǒng)程序設(shè)計(jì)5.1 程序設(shè)計(jì)概述高能效充電器的充電過程是由 MAX1898 結(jié)合 51 單片機(jī)共同控制完成的，但是主要是單片機(jī)來控制充電器的充電。其主要的控制功能有如下：MAX1898 充電完成的標(biāo)志是其/CHG 引腳的躍變由低電平到高電平，跳變所引起的結(jié)果是單片機(jī) INT0 表現(xiàn)為中斷。三種情況/GHG 輸出高電平：? 沒有充電或是沒有電池；? 充電完畢；? 充電過程出現(xiàn)錯(cuò)誤（實(shí)際上/CHG 以1.5HZ 的頻率不停的跳變） ；可以看出前兩種情況都是可以通過光耦切斷電源的方法實(shí)現(xiàn)，所以主要是對(duì)待第三種情況的判斷和解決。5.2 程序流程圖開 始 初 始 化 充 電 信 號(hào) 檢 測(cè) While（ 1）圖 5.2.1 單片機(jī)初始化流程圖包括中斷服務(wù)子程序和定時(shí)服務(wù)子程序的單片機(jī)控制智能充電器的控制流程如圖5.2.2， INT0初 始 化Int0-count=0？啟 動(dòng) 定 時(shí) 器 T0T-count=0Int0-count++返 回定 時(shí) 器 0初 始 化關(guān) 閉 T0計(jì) 數(shù) 重 賦計(jì) 數(shù) 初 值T-count++T-count600？Int0-count=1？啟 動(dòng) T0計(jì) 數(shù)充 電 完 畢 ， 蜂 鳴 器 報(bào)警 ，關(guān) 閉 充 電 電 源關(guān) 閉 T0計(jì) 數(shù) 器 和 INT0充 電 出 錯(cuò)NN圖 5.2.2 高效智能充電器的控制流程圖6 系統(tǒng)硬件設(shè)計(jì)和調(diào)試6.1 電路圖設(shè)計(jì)介紹高能效智能充電器的硬件整體設(shè)計(jì)的模塊有：?jiǎn)纹瑱C(jī)的最小系統(tǒng)電路，電源供電模2015 屆本科畢業(yè)論文（設(shè)計(jì)）18塊，含智能充電芯片的充電模塊，蜂鳴器指示報(bào)警模塊。系統(tǒng)工作的電路圖在畫圖軟件 Protel99se 中畫出并且完整的封裝 PCB，在 PCB 中導(dǎo)入畫好的 SCH 電路原理圖并且在 PCB 中完成電路的繪制打印 PCB 圖，同時(shí)應(yīng)刷到腐蝕板，腐蝕后然后打孔焊接硬件后最后調(diào)試。（1）PCB 原理圖及打印的圖紙：圖 6.1.1 pcb 原理圖（2）利用 3D 仿真的實(shí)物圖及工業(yè)上的制版：2015 屆本科畢業(yè)論文（設(shè)計(jì)）19圖 6.1.3 元件分布圖6.2 硬件電路制作由于自身及學(xué)校的設(shè)備的條件的限制，我們需要采用的是一種萬通板來替代所提到的腐蝕板，效果是同樣的沒有差別，故硬件的實(shí)現(xiàn)部分與仿真的實(shí)物是無差別完全一樣的，其包括的所有模塊上面已經(jīng)提到，這里就不詳述了，但是是有一點(diǎn)是確定的，單獨(dú)的充電模塊需要獨(dú)立的制作，我們采用的是自制的腐蝕銅板來焊接由于MAX1898 為 uMax 封裝所帶來的體積小的特點(diǎn)。本設(shè)計(jì)整體實(shí)物圖如圖 6.2.1 和圖 6.2.2。2015 屆本科畢業(yè)論文（設(shè)計(jì)）20圖 6.2.1 設(shè)計(jì)實(shí)物正面2015 屆本科畢業(yè)論文（設(shè)計(jì)）21圖 6.2.2 設(shè)計(jì)實(shí)物反面6.3 系統(tǒng)電路軟件和硬件聯(lián)合調(diào)試（1）在軟件方面進(jìn)行調(diào)試，為了提高調(diào)試的效率，首先要對(duì)各個(gè)模塊分別進(jìn)行軟件的調(diào)試，各個(gè)模塊調(diào)試成功然后對(duì)整體進(jìn)行聯(lián)機(jī)的整調(diào)。首先為了確定單片機(jī)的最小系統(tǒng)正常的運(yùn)行，需要對(duì)電路板上單片機(jī)的編程調(diào)試的芯片正常，在通過編程器把程序?qū)懭雽?duì)應(yīng)的芯片之前需仿真調(diào)試成功，最后可以通過觀察 ALE 端口的電平變化確定。（2）聯(lián)合調(diào)試智能化的電池充電模塊，智能的關(guān)斷模塊還有報(bào)警指示模塊。在對(duì)以上的單片機(jī)的測(cè)試完成后，需安裝上電池觀察指示燈在充電時(shí)的指示狀態(tài)，有一點(diǎn)值得注意的是，智能的充電芯片本身可以切斷通電熄滅指示燈，但從安全的角度考慮，2015 屆本科畢業(yè)論文（設(shè)計(jì)）22單片機(jī)智能的檢測(cè)到電脈沖之后不僅僅可以切斷充電芯片的供電還可以發(fā)出報(bào)警聲提示用戶及時(shí)的拔出電池。在充電錯(cuò)誤的情況下，為了提醒用戶充電芯片會(huì)已一定的頻率控制指示燈的閃爍，告訴用戶充電錯(cuò)誤。表 6.3.1 MAX1898 典型充電電路的 LED 指示燈狀態(tài)說明充電狀態(tài) LED 指示燈電池或充電器沒有安裝 滅預(yù)充或快充 亮充電結(jié)束 滅充電出錯(cuò) 閃爍系統(tǒng)聯(lián)調(diào)效果圖：圖 6.3.1 充電過程圖示7 結(jié)束語(yǔ)本課題的設(shè)計(jì)是以充電芯片 MAX1898 為硬件核心并通過單片機(jī)的控制能力實(shí)現(xiàn)高能效智能充電器的基本設(shè)計(jì)。本畢業(yè)設(shè)計(jì)從開始到最后的完成，我也查閱了很多的資料和書籍，特別是對(duì)原來不了解的充電芯片 MAX1898 有了深入的認(rèn)識(shí)包括它的工作的2015 屆本科畢業(yè)論文（設(shè)計(jì)）23方式原理，控制的核心作用及使用的方法，還有就是更實(shí)際的體會(huì)到 51 單片機(jī)在中斷系統(tǒng)，控制功能，定時(shí)計(jì)數(shù)等的應(yīng)用。對(duì)此畢業(yè)設(shè)計(jì)我得到了很多的收獲，認(rèn)識(shí)最深的就是只有理論知識(shí)結(jié)合到實(shí)踐中才能最好的發(fā)揮理論的真知。培養(yǎng)了我三方面的能力，首先就是對(duì)本科所學(xué)的知識(shí)不僅溫習(xí)而且更加的深化了，第二就是，增強(qiáng)了我的自學(xué)和查閱資料并動(dòng)手實(shí)踐的能力，第三，就是我的編程能力有了一定階段性的提高。高能效智能充電器的設(shè)計(jì)也深化了我對(duì)充電器未來發(fā)展的期望，堅(jiān)定了我往這個(gè)方向深學(xué)的信心。在調(diào)試智能充電器的過程中，出現(xiàn)的問題和解決方案：(1)方案論證與選定。對(duì)于智能充電器方面的設(shè)計(jì)，我也是第一次涉及，故還存在著很多不足，查閱的資料不是很多，由于畢業(yè)設(shè)計(jì)的時(shí)間限制我就很快的選擇了MAX1898 作為充電芯片。(2)硬件制作。在硬件方面遇到的問題是最大的，首先對(duì)封裝的了解不是很深，電路板的焊接錯(cuò)誤。 （后續(xù)完成：首先在軟件 Protel99se 上繪制 PCB 板子然后腐蝕銅板完成制作效果是同樣的。 ）(3)系統(tǒng)聯(lián)調(diào)。在硬件的調(diào)試中最重要的問題是，整個(gè)電路通電，但是單片機(jī)、充電模塊就是不工作，不能進(jìn)行充電，后來發(fā)現(xiàn)竟然是復(fù)位電路工作不正常，經(jīng)過修改最后能指示燈亮，充電正常。智能充電器的設(shè)計(jì)有幾個(gè)重點(diǎn)需要把握：從預(yù)備充電到最后的滿充都需要知道其工作的方式及原理:? 熟悉 MAX1898充電芯片的充電狀態(tài)指示輸出信號(hào)/CHG 的工作原理及應(yīng)用；? 熟悉 MAX1898充電芯片外接電路中充電電流和電容對(duì)充電時(shí)間的設(shè)置；? 會(huì)判斷單片機(jī)對(duì)充電完成和充電錯(cuò)誤的處理形式及過程。本畢業(yè)設(shè)計(jì)的失敗之處也有很多，其中整體上就是，在畢業(yè)設(shè)計(jì)之初并沒有對(duì)整體的智能充電器給出制作的方案，都是局部完成，做完一步算一步，對(duì)單片機(jī)和充電芯片的引腳及功能基本不了解，從方案的選擇上講也是局部拼湊，雖然成功了但是沒有準(zhǔn)備充分，設(shè)計(jì)不完美。成功的地方不僅在于取得了設(shè)計(jì)成功的結(jié)果，更重要的是從對(duì)充電器領(lǐng)域的無知到現(xiàn)在的熟知，還有制作的過程，方案最終的選擇，軟硬件的調(diào)試制作，焊接調(diào)試等等，出錯(cuò)修改再出錯(cuò)在修改到最后的成功，畢業(yè)設(shè)計(jì)的成功收獲的是知識(shí)，喜悅與汗水。單從智能手機(jī)充電器的角度來看，提高的地方還是有很多的，比如為了達(dá)到電壓的可視化，可監(jiān)測(cè)的程度，可以加上電壓的檢測(cè)芯片和 LCD 顯示。從市場(chǎng)化的角度看，2015 屆本科畢業(yè)論文（設(shè)計(jì)）24利用 SMC401 智能充電芯片可能更具有廣泛的市場(chǎng)前景。2015 屆本科畢業(yè)論文（設(shè)計(jì)）25致 謝本次畢業(yè)設(shè)計(jì)的整體的制作過程還是挺艱難辛苦的，在這里我表示對(duì)指導(dǎo)老師王老師，還有幫助過我的同學(xué)說聲謝謝。有了你們的幫助我才能順利的完成硬件的制作和論文的完成。包括在硬件上的動(dòng)手操作的指導(dǎo)，電路的搭建，電路板的焊接到最后的運(yùn)行。還有論文思想理論上的指導(dǎo)。其實(shí)本設(shè)計(jì)還有很多的不足之處的，特別是在運(yùn)行的方面，雖然達(dá)到了預(yù)期的效果。但是這只是一個(gè)初步想法的實(shí)現(xiàn)，在攜帶和方便上面還是欠缺的，主要是必須給單片機(jī)供電，所以從成品上看起來并不是很完美，但是在能效和保護(hù)方面已經(jīng)達(dá)到了要求，這都要感謝老師同學(xué)的幫助。畢業(yè)設(shè)計(jì)的完成也表示大學(xué)四年就要結(jié)束了，在制作畢業(yè)設(shè)計(jì)的過程當(dāng)中，體會(huì)到了師生情，同學(xué)之間的友情，更重要的是學(xué)習(xí)了很多的知識(shí)，專業(yè)知識(shí)方面也是更加的扎實(shí)。在以后的道路是是受益終身的，我會(huì)保持著這種精神一直的走下去，更加的努力。作者：華杰2015 年 4 月 8 日2015 屆本科畢業(yè)論文（設(shè)計(jì)）1【參考文獻(xiàn)】[1]MAX1898.Data Sheet.[2]MAX1758.Data Sheet.[3]SMC401.Data Sheet.[4]MAX1898; Linear Charger for Single-Cell Li+Battery; datasheet[5]童詩(shī)白，華成英.模擬電子技術(shù)基礎(chǔ)[M].高等教育出版社，2006.[6]張毅剛，楊智明.基于 Proteus 的單片機(jī)課程實(shí)驗(yàn)與設(shè)計(jì)[M].人民郵電出版社,2012.[7]潘新明，王燕芳.微型計(jì)算機(jī)控制技術(shù)[M].電子工業(yè)出版社,2010[8]鄧奕，韓劍.電子線路 CAD 實(shí)用教程[M].華中科技大學(xué)出版社,2013.[9]何欽銘，顏暉.C 語(yǔ)言設(shè)計(jì)教程[M].高等教育出版社,2008.[10]沈元隆，劉陳.電路分析基礎(chǔ)[M].人民郵電出版社,2007.[11]王敏銀，數(shù)字邏輯電路設(shè)計(jì)[M].高等教育出版社,1991.[12]張毅剛，彭喜元.單片機(jī)原理與應(yīng)用設(shè)計(jì)[M].電子工業(yè)出版社,2007.[13]孫力娟，李愛群，仇玉章.微型計(jì)算機(jī)原理與接口技術(shù)[M].清華大學(xué)出版社,2007.[14]曾耀輝，李慶豐.計(jì)算機(jī)使用教程[M].中國(guó)鐵道出版社,2007.[15]鄭君里，楊為理.信號(hào)與系統(tǒng).高等教育出版社,2011.[16] 趙培正.聚合物鋰離子二次電池[J].河南師范大學(xué)學(xué)報(bào),2002(03):54~55.[17] 王海麟,錢建立,周曉軍.智能快速充電器設(shè)計(jì)與制作[M].北京：科學(xué)出版社，1998.7.2015 屆本科畢業(yè)論文（設(shè)計(jì)）1附錄 A：系統(tǒng)原理圖附錄 B：系統(tǒng) PCB 圖2015 屆本科畢業(yè)論文（設(shè)計(jì)）2附錄 C：系統(tǒng)源程序程序源代碼：#include #define uchar unsigned char#define uint unsigned intsbit GATE = P2^1;sbit BP = P2^0;uint t_count,int0_count;/* 初始化 */void init(){EA = 1; // 打開 CPU 中斷PT0 = 1; // T0 中斷設(shè)為高優(yōu)先級(jí)TMOD = 0x01; // 模式 1，T0 為 16 位定時(shí)/計(jì)數(shù)器TH0 = (65536-5000)/256; // 5ms 定時(shí)TL0 = (65536-5000)%256;ET0 = 1; // 打開 T0 中斷TR0=0;IT0 = 1; // 外部中斷 0 設(shè)為邊沿觸發(fā)EX0 = 1; // 打開外部中斷 0 GATE = 1; // 光耦正常輸出電壓BP = 1; // 關(guān)閉蜂鳴器int0_count = 0; // 產(chǎn)生外部中斷 0 的計(jì)數(shù)器清零}void main(){/* 調(diào)用初始化函數(shù) */init();/* 無限循環(huán) */while(1);}/* 定時(shí)器 0 中斷服務(wù)子程序 */void timer0() interrupt 1 using 1{TR0 = 0; // 停止計(jì)數(shù)TH0 = (65536-5000)/256; // 重設(shè)計(jì)數(shù)初值TL0 = (65536-5000)%256;t_count++;if (t_count600) // 第一次外部中斷 0 產(chǎn)生后 3s{if (int0_count==1) // 還沒有出現(xiàn)第二次外部中斷 0，則認(rèn)為充電完畢{GATE = 0; // 關(guān)閉充電電源BP = 0; // 打開蜂鳴器報(bào)警ET0 = 0; // 關(guān)閉 T0 中斷EX0 = 0; // 關(guān)閉外部中斷 0}else // 否則即是充電出錯(cuò){ GATE = 1;BP = 1;}int0_count = 0;t_count = 0;}elseTR0 = 1; // 啟動(dòng) T0 計(jì)數(shù)}/* 外部中斷 0 服務(wù)子程序 */void int0() interrupt 0 using 1{if (int0_count==0){TH0 = (65536-5000)/256; // 5ms 定時(shí)TL0 = (65536-5000)%256; TR0 = 1; // 啟動(dòng)定時(shí)/計(jì)數(shù)器 0 計(jì)數(shù)t_count = 0; // 產(chǎn)生定時(shí)器 0 中斷的計(jì)數(shù)器清零}int0_count++;}