智能充電器設(shè)計（單片機方案）
充電器為人們的外出和出差辦公提供了極大的方便。
單片機在電池充電器領(lǐng)域也有著廣泛的應(yīng)用，利用它的處理控制能力可以實現(xiàn)充電器的智能化。充電器的種類繁多，但從嚴格意義上講，只有單片機參與處理和控制的充電器才能稱為智能充電器。
隨著手機在世界范圍內(nèi)的普及使用，手機電池充電器的使用也越來越廣泛。
本次設(shè)計將通過一個典型的勢力介紹51單片機在實現(xiàn)手機電池充電器方面的應(yīng)用。設(shè)計所實現(xiàn)的充電器是一種智能充電器，它在單片機的控制下，具有預(yù)充、充電保護、自動斷電和充電完成報警提示功能。
1.3 本設(shè)計功能模塊
本設(shè)計的功能模塊主要如下：
1）單片機模塊：實現(xiàn)充電器的智能化控制。比如自動斷電、充電完成報警提示等。
2）充電過程控制模塊：采用專用的電池充電芯片實現(xiàn)充電過程的控制。
3）充電電壓提供模塊：采用電壓轉(zhuǎn)換芯片將外部+12V電壓轉(zhuǎn)換為需要的+5V電壓。
4）C51程序：單片機控制電池充電芯片實現(xiàn)充電過程的自動化，并根據(jù)充電的狀態(tài)給出有關(guān)的輸出指示。
第2節(jié) 系統(tǒng)設(shè)計思路分析
充電的實現(xiàn)，它包括兩部分：一是充電過程的控制；二是需要提供基本的充電電壓。
2.1 智能化的實現(xiàn)
在充電器電路中引入單片機的控制。它為什么需要實現(xiàn)充電器的智能化呢？
充電器實現(xiàn)的方式不同會導(dǎo)致充電效果的不同。由于充電器多采用大電流的快速充電法，在電池充滿后如果不及時停止會使電池發(fā)燙，過度的充電會嚴重損害電池的壽命。一些低成本的充電器采用電壓比較法，為了防止過充，一般充電到90％就停止大電流快充，而采用小電流涓流補充充電。
手機電池的使用壽命和單次使用時間與充電過程密切相關(guān)。鋰電池是手機最為常用的一種電池，它具有較高的能量重量比、能量體積比，具有記憶效應(yīng)，可重復(fù)充電多次，使用壽命較長，價格也越來越低。鋰電池對于充電器的要求比較苛刻，需要保護電路。為了有效利用電池容量，需將鋰電池充電至最大電壓，但是過壓充電會造成電池損壞，這就要求較高的控制精度。另外，對于電壓過低的電池需要進行預(yù)充，充電器最好帶有熱保護和時間保護，為電池提供附加保護。
一部好的充電器不但能在短時間內(nèi)將電量充足，而且還可以對電池起到一定的維護作用，修復(fù)由于使用不當(dāng)造成的記憶效應(yīng)，即容量下降(電池活性衰退)現(xiàn)象。設(shè)計比較科學(xué)的充電器往往采用專用充電控制芯片配合單片機控制的方法。專用的充電芯片具備業(yè)界公認較好的-△v 檢測，可以檢測出電池充電飽和時發(fā)出的電壓變化信號，比較精確地結(jié)束充電工作，通過單片機對這些芯片的控制，可以實現(xiàn)充電過程的智能化，例如，在充電后增加及時關(guān)斷電源、蜂鳴報警和液晶顯示等功能。充電器的智能化可以縮短充電的時間，同時能夠維護電池，延長電池使用壽命。
2.2 電池充電芯片的選擇
2.2.1 如何選擇電池充電芯片
目前市場上存在大量的電池充電芯片，它們可直接用于進行充電器設(shè)計。在選擇具體的電池充電芯片時，需要參考以下標(biāo)準。
1)電池類型：不同的電池(鋰電池、鎳氫電池、鎳鎘電池等)需選擇不同的充電芯片。
2)電池數(shù)目：可充電池的數(shù)目。
3)電流值：充電電流的大小決定了充電時間。
4)充電方式：是快充、慢充還是可控充電過程。
本設(shè)計要實現(xiàn)的是手機的單節(jié)鋰離子電池充電器，要求充電快速且具有優(yōu)良的電池保護能力，據(jù)此選擇Maxim 公司的MAXl898 作為電池充電芯片。
2.2.2 芯片MAX1898 的特點
MAXl898 配合外部PNP 或PMOS 晶體管可以組成完整的單節(jié)鋰電池充電器。
MAX1898提供精確的恒流/恒壓充電，電池電壓調(diào)節(jié)精度為±0.75％，提高了電池性能并延長了電池使用壽命。充電電流可由用戶設(shè)定，采用內(nèi)部檢流，無須外部檢流電阻。 MAXl898 提供了充電狀態(tài)的輸出指示、輸入電源是否與充電器連接的輸出指示和充電電流指示。MAXl898 還具有其他一些功能，包括輸入關(guān)斷控制、可選的充電周期重啟(無須重新上電)、可選的充電終止安全定時器和過放電電池的低電流預(yù)充。
MAXl898 的關(guān)鍵特性如下：
1) 簡單、安全的線性充電方式。
2) 使用低成本的PNP 或PMOS 調(diào)整元件。
3) 輸入電壓：4.5～12V。
4) 內(nèi)置檢流電阻。
5) ±0.75％電壓精度。
6) 可編程充電電流。
7) 輸入電源自動檢測。
8) LED 充電狀態(tài)指示。
9) 可編程安全定時器。
10) 檢流監(jiān)視輸出。
11) 可選/可調(diào)節(jié)自動重啟。
12) 小尺寸uMAX 封裝。
2.2.3 MAX1898 的充電工作原理
充電芯片MAXl898 的內(nèi)部電路包括輸入電流調(diào)節(jié)器、電壓檢測器、充電電流檢測器、定時器、溫度檢測器和主控制器。輸入電流調(diào)節(jié)器用于限制電源的總輸入電流，包括系統(tǒng)負載電流與充電電流。當(dāng)檢測到輸入電流大于設(shè)定的門限電流時，通過降低充電電流從而控制輸入電流。因為系統(tǒng)工作時電源電流的變化范圍較大，如果充電器沒有輸入電流檢測功能，則輸入電源必須能夠提供最大負載電流與最大充電電流之和，這將使電源的成本增高、體積增大，而利用輸入限流功能則能夠降低充電器對直流電源的要求，同時也簡化了輸入電源的設(shè)計。 MAXl898 外接限流型充電電源和P 溝道場效應(yīng)管，可以對單節(jié)鋰電池進行安全有效的快充，其最大特點是：在不使用電感的情況下，仍能做到很低的功率耗散，可以實現(xiàn)預(yù)充電，具有過壓保護和溫度保護功能，最長充電時問的限制可為鋰電池提供二次保護。MAX1898 的浮動方式能夠使電池容量充至最大。
當(dāng)充電電源和電池在正常的工作溫度范圍內(nèi)時，插入電池將啟動一次充電過程；充電結(jié)束的條件是平均的脈沖充電電流達到快充電流的 1％，或時間超出片上預(yù)置的充電時間。MAXl898 能夠自動檢測充電電源，沒有電源時自動關(guān)斷以減少電池的漏電。啟動快充后打開外接的P 型場效應(yīng)管，當(dāng)檢測到電池電壓達到設(shè)定的門限時進入脈沖充電方式，P 型場效應(yīng)管打開的時問會越來越短。充電結(jié)束時，指示燈將會按12%的周期閃爍，MAX1898 的典型充電電路如下圖圖2-1所示電路具體說明如下。
圖2-1 MAX1898的典型充電電路
1）輸入電壓范圍為 4.5～12v。鋰電池要求的充電方式是恒流恒壓方式，電源的輸入需要采用恒流恒壓源，一般可采用直流電源外加變壓器。
2)通過外接的場效應(yīng)管提供鋰電池的充電接口。
3)通過外接的電容 CcT 來設(shè)置充電時間 tCHG。這里的充電時間指的是快充時的最大充電時間，它和定時電容CcT 的關(guān)系如下式所示：
CcT=34.33×tCHG (2-1)
式中，tCHG 的單位為小時，CcT 的單位為Nf。大多數(shù)情況下，快充時最大充電時問不超過3 小時，因此常取CcT 為100nF。
4)在限制電流的模式下，通過外接的電阻 RSET 來設(shè)置最大充電電IFSTCHG，關(guān)系如下式所示：IFSTCHG=1400/Rset 式中，RSEI-的單位為Q，IFSTCHG 的單位為A。
當(dāng)充電電源和電池在正常的工作溫度范圍內(nèi)時，插入電池將啟動一次充電過程。平均的脈沖充電電流低于設(shè)置的快充電流的20％，或者充電時間超出片上預(yù)置的最大充電時問時，充電周期結(jié)束。MAXl898 能夠自動檢測充電電源，沒有電源時自動關(guān)斷以減少電池的漏電。啟動快充后，打開外接的P 型場效應(yīng)管，當(dāng)檢測到電池電壓達到設(shè)定的門限時進入脈沖充電方式，P 型場效應(yīng)管打開的時JI 間會越來越短。充電結(jié)束時，LED 指示燈將會呈現(xiàn)周期性的閃爍，具體的閃爍含義如表1所示。
表2-
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
預(yù)充或快充
亮
充電結(jié)束
滅
充電出錯
頻率閃爍
第3節(jié) 系統(tǒng)主要硬件電路設(shè)計
硬件電路設(shè)計主要圍繞充電芯片MAXl898 展開，而單片機控制部分的電路簡單。
3.1 主要器件
本設(shè)計的核心器件是MAXl898。MAXl898 可對所有化學(xué)類型的Li+電池進行安全充電，它具有高集成度，在小尺寸內(nèi)集成了更多功能，盡可能多地覆蓋了基本應(yīng)用電路，只需要少數(shù)外部元件。MAXl898 為10 引腳、超薄型的MAX 封裝，其引腳分布如圖3-1 所示：
圖3-1 MAXl898引腳分布
其引腳功能如下：
IN(1 腳)：傳感輸入，檢測輸入的電壓或電流；
CHG(2 腳)：充電狀態(tài)指示腳，同時驅(qū)動LED；
EN/OK(3 腳)：使能輸入腳/輸入電源“好”輸出指示腳。EN 為輸入腳，可以通過輸入禁止芯片工作；OK 為輸出腳，用于指示輸入電源是否與充電器連接；
ISET(4 腳)：充電電流調(diào)節(jié)引腳。通過串接一個電阻到地來設(shè)置最大充電電流；
CT(5 腳)：安全充電時間設(shè)置引腳。接一個時間電容來設(shè)置充電時間，電容為 100nF 時，幾乎為3 個小時，此引腳直接接地將禁用此功能；
RSTRT(6 腳)：自動重新啟動控制引腳。當(dāng)此引腳直接接地時，如果電池電壓掉至基準電壓閾值以下 200mV，將會重新開始一輪充電周期。此引腳通過電阻接地時，可以降低它的電壓閾值。此引腳懸空或者 CT 引腳接地(充電時間設(shè)置功能禁用)時，自動重新啟動功能被禁用；
BATT(7 腳)：電池傳感輸入腳，接單個 Li+電池的正極。此引腳需旁接一個大電解電容到地；
GND(8 腳)：接地端；
DRV(9 腳)：外部晶體管驅(qū)動器，接晶體管的基極；
CS(10 腳)：電流傳感輸入，接晶體管的發(fā)射極。
本設(shè)計的單片機芯片選用Atmel 公司的AT89C52，它完全可以滿足要求。
另外，由于充電器外部為+12V 供電，因此需要通過電壓轉(zhuǎn)換芯片將+12V 電壓轉(zhuǎn)換為 +5V 電壓，這里選用三端電壓轉(zhuǎn)換芯片LM7805 來完成此功能。
為了降低電源干擾，保持電路的穩(wěn)定，在LM7805 完成電壓轉(zhuǎn)換，將+5v 充電電源送給 MAXl898 之前，先經(jīng)過一次光耦模塊 6N137 的處理，通過單片機對光耦模塊的控制，可以及時關(guān)斷充電電源。6N137 的引腳分布如圖3-2 所示：
圖3-2 6N137 的引腳分布
其引腳功能如下：
NC(1 腳、4 腳)：懸空；
+(2 腳)、-(3 腳)：發(fā)光二極管的正、負極；
GND(5 腳)：接地端；
OUTPUT(6 腳)：輸出腳；
EN(7 腳)：使能腳。為低時，無論有無輸入，輸出都為高。
不使用時，懸空即可；
VCC(8 腳)：電源輸入腳。
3.2 電路原理圖及說明
硬件電路由單片機電路、電壓轉(zhuǎn)換及光耦隔離電路、充電控制電路3 部分組成。單片機部分的電路原理圖如下圖3-3 所示。
圖3-3 單片機部分的電路原理圖
圖3-3中，ul 為單片機AT89C52，工作在11．0592MHz 時鐘；u2 為蜂鳴器，蜂鳴器由單片機的P2．1 腳控制發(fā)出報警聲提示；單片機的P2．O 腳輸出控制光耦器件，在需要的時候可以及時關(guān)斷充電電源；單片機的外部中斷O 由充電芯片MAXl898 的充電狀態(tài)輸出信號/ CHG 經(jīng)過反相后觸發(fā)。
下圖3-4 所示的為電壓轉(zhuǎn)換及光耦隔離部分電路的原理圖。