智能充電器設計

1、智能充電器設計學校 ： 陜西電子科技學院 專業(yè)： 電子信息科學與技術姓名 ： 趙淑珍 學號： 1407072141 導師： 余建權 3摘要本設計是針對目前大多數充電器只具備充電功能,沒有充電監(jiān)控和智能控制功能而設計的。本設計的智能控制是利用價格比較便宜的51單片機，通過外圍電路的AD轉換，由MCU對充電狀況進行實時監(jiān)控，實現充電器的智能控制、充電進度顯示和充滿提示功能，消除一般充電器充滿后電路繼續(xù)工作的缺點。本設計以集成充電管理芯片MAX1898EBU42為充電控制模塊，實現充電、過壓保護和溫度保護等多種保護功能，確保充電的安全進行，采用AT89C52為控制系統(tǒng)的核心，以ADC0832數模轉化

2、，采集充電電壓的實際狀況，以LCD1602液晶顯示電壓及充電進度，并通過STC89C52對電路進行監(jiān)視和控制。本文針對以上設計，采用軟硬結合的方式，系統(tǒng)闡述設計思想和設計理念。本設計通過模擬仿真實驗證明，理論可靠，效果明顯，具備成為可用產品的條件，是電子產品充電的好幫手。關鍵詞:AT89C51單片機；MAX1898芯片；智能充電器；ADC0832轉換；LCD液晶顯示；Abstract In this paper, it designs of the circuit simple, high efficiency and low power consumption smart charger d

3、esign in system. It is on the basis of integrated charging management chip MAX1898EBU42 to charge control module. It also has some protection functions, for example charging, overvoltage protection and temperature protection. It used AT89C51 as the core of the control system, to achieve full automat

4、ically disconnect and alarm to remind users can extend battery life. ADC0832 analog-to-digital conversion, with the acquisition of voltage, through LCD1602 LCD display voltage and charge process. This paper uses the combination of hard and soft to control to charge intelligently. The experiment prov

5、es that the design of the charger has low power consumption, system stable and reliable work, high intelligent degree, and low cost, low loss, high security, high service life. It will be the ideal product in life.Key words: AT89C51; MAX1898 chips; Intelligent charger, ADC0832 transformation; LCD li

6、quid crystal display;目錄摘要1Abstract11 總體方案設計11.1 設計框圖11.2設計構思22 方案論證與設計22.1 主控電路的設計選擇與論證22.1.1 MCU的可選方案22.1.2 選定方案22.2 電池充電控制芯片的選擇與論證32.2.1智能鋰電池充電控制芯片SMC40132.2.2智能鋰電池充電控制芯片MAX175832.2.3智能鋰電池充電控制芯片MAX1898EBU4242.3 顯示設備的選擇與論證42.3.1數碼管顯示42.3.2液晶顯示43 硬件電路設計63.1 直流電源電路的設計63.1.1電源電路原理圖63.1.2直流電源電路的功能簡介63.

7、2 直流穩(wěn)壓電源電路的設計73.2.1穩(wěn)壓電路原理圖73.2.2穩(wěn)壓電路參數設計73.3 智能充電器控制模塊設計與實現83.4 ADC0832數模轉換模塊設計與實現93.5 自動斷開及報警電路的設計與實現104 軟件流程設計114.1 軟件總流程114.2軟件子流程124.2.1 A/D轉換算法流程124.2.2電壓及充電進度顯示流程134. 3 軟件整機程序設計145 硬件調試與仿真155.1直流穩(wěn)壓電源調試與仿真155.2 ADC0832模數轉換電路的測試與仿真175.3 液晶電路的測試與仿真175.4 自動斷開及報警電路測試與仿真186 測試檢測196.1測量儀器196.2 基本功能19

8、6.3 發(fā)揮功能197 總結20附錄一：元件清單21附錄二：程序說明22智能充電器的設計1 總體方案設計1.1 設計框圖LCD1602顯示進度和狀態(tài)DC5VMAX1898AC220V充電輸出ADC0832輸出電壓采樣充電報警STC89C52智能控制Li+電池輸出狀態(tài)控制圖1 系統(tǒng)框圖1.2設計構思本方案智能充電器通過恒壓充電的方式，將220V市電通過變壓、整流、濾波和穩(wěn)定處理，輸出5V直流電壓，將該電壓輸入電源管理芯片MAX1898進行控制和輸出用于給電池充電。在充電同時，采集電池兩端電壓，通過AD轉換，送單片機進行預設判斷和處理，由單片機通過液晶顯示相關參數和充電進度，在充電完成后，由單片機

9、發(fā)出一定時間的報警，自動斷電終止充電。 2 方案論證與設計2.1 主控電路的設計選擇與論證2.1.1 MCU的可選方案1）AT89C51單片機價格便宜，可降低設計成本，但由于功能單一，內部資源有限，所以市場已經很少這種單片機。2）MSP430單片機，16位單片機，具有低功耗的節(jié)電模式，資源豐富，被廣泛使用，就功能控制和功耗來說是最佳選擇，但價格相對較高，用于本設計不經濟實用。3）STC89C52單片機，兼容MCS-51的全部優(yōu)點，價格低廉，為本設計首選主控MCU。2.1.2 選定方案STC89C52芯片的內核為8051芯片的增強型，除具有51系列單片機的性能外，還具有以下的功能特點 ：1、 工

10、作電壓范圍寬（2.7V6V），全靜態(tài)工作，工作頻率寬在0Hz24MHz之間。2、 片內有4k字節(jié)的在線可重復編程、快速擦除快速寫入程序的存儲器。3、 低損耗、高性能、CMOS八位微處理器，系統(tǒng)工作穩(wěn)定，方便高效的開發(fā)環(huán)境。4、 128×8位內部RAM，32位雙向輸入輸出線，兩個十六位定時器/計數器，五個中斷源,兩級中斷優(yōu)先級。綜合上述，由于STC89C52眾多的優(yōu)良性質，尤其是高速度和多功能引腳的特性，這樣可以減少擴展，提高性價比。因此，本設計最終才用STC89C52單片機作為主控CPU。2.2 電池充電控制芯片的選擇與論證2.2.1智能鋰電池充電控制芯片SMC401SMC401主要

11、是用于鋰電池的充電器芯片，內嵌8位MCU，具有全程智能檢測和智能控制，根據電池充電曲線的不同階段，進行恒流、恒壓充電，具有過流、過放電涓流預充、溫度檢測及保護、LED狀態(tài)指示等功能。采用此芯片可以提高電池充電的飽和度，延長鋰電池的使用壽命，除此之外，芯片還能通過補償電池的內阻縮短充電時間。SMC401芯片的充電方式分為三個階段：預充，恒流充電及恒壓充電。此芯片是一款高級的充電控制芯片，一般用于筆記本電腦的充電控制，性能優(yōu)越但價格偏貴。2.2.2智能鋰電池充電控制芯片MAX1758MAX1758是Maxim公司生產的鋰電池充電控制芯片，可實現智能充電，自動檢測調節(jié)電流、電壓、溫度等參數，為電池提

12、供安全、高效的設計方案。其功能和MAX1898基本相似，只是MAX1758常用于筆記本及高檔儀器的電源管理芯片，外圍電路復雜，引腳多，價格高。SMC401是一款更高級的充電控制芯片， 8位MCU集成芯片控制，使用方便簡潔，外設電路簡單，但是介于此次設計要用單片機為控制芯片，所以此芯片不做考慮。MAX1758和MAX1898可以作為智能充電器的電路控制芯片，考慮到MAX1898的外圍電路簡單，易于焊接，更適合做小型充電器研究的青睞。2.2.3智能鋰電池充電控制芯片MAX1898EBU42MAX1898EBU42芯片是專門的充電控制管理芯片，其內部集成了輸入電流調節(jié)、電壓檢測、電流檢測、定時器及溫

13、度檢測等電路，芯片外圍由PNP或PMOS組成鋰電池充電器，可精確的對充電電池進行恒流、恒壓充電，精度可高達±0.75%。其MAX1898電池控制芯片的特點如下：1，4.5-12V的電壓輸入范圍；2，可編程充電電流；3，片內檢流電阻及監(jiān)視輸出；4，LED充電狀態(tài)指示；5，電源自動檢測；根據以上可選電源管理芯片的性能比較，MAX1898EBU42的功能和特點，符合本設計的電源管理功能，所以作為本設計的電源管理模塊使用，與STC89C52一起作為本設計的電源管理模塊。2.3 顯示設備的選擇與論證2.3.1數碼管顯示在智能顯示部分，數碼管也是一個可選用的參考方案，如果采用數碼管，可以使用一個

14、3/8譯碼器作為位選芯片，一個74LS573作為段選芯片，完成電壓及進度顯示，此方案雖然電路簡單，控制方便，但是，顯示內容簡單，缺乏全面顯示信息缺點，并且其功耗大，只能效果差。2.3.2液晶顯示LCD1602液晶顯示具有功耗低，顯示信息量大，驅動簡單，無輻射危險，顯示直觀、壽命長和抗干擾能力強等優(yōu)點，在低功耗的單片機系統(tǒng)中得到大量使用。在單片機系統(tǒng)開發(fā)中，作為常用的程序和電路模塊進行整體設計。液晶顯示電壓及充電進度，對顯示區(qū)域進行控制。單片機控制顯示部分的液晶模塊作為輸出有一下優(yōu)點： （1） 顯示質量高：每一個點在收到信號后就一直保持那種色彩和亮度，恒定發(fā)光，因此液晶顯示畫質量高無閃爍。（2）

15、 數字式接口：液晶顯示都是數字的，與單片機接口連接簡單。（3） 體積小，重量輕。（4） 功耗?。阂壕э@示的功耗主要消耗在內部電極和驅動IC上，因此耗電量低。綜上所述：此次設計應選擇LCD液晶顯示，可以很直觀清楚地顯示電壓和進度，為人們清楚地知道充電的情況，及時切斷電源，延長電池的使用壽命。3 硬件電路設計3.1 直流電源電路的設計3.1.1電源電路原理圖 3.1.2直流電源電路的功能簡介此電路通過將市電220v通過變壓，整流電路，濾波電路，穩(wěn)壓環(huán)節(jié)得到穩(wěn)定的5v電壓輸出。其各部分的作用如下：（1） 電源變壓器：將220v電網電壓轉換為整流電路所需要的交流電壓，而少部分電路采用電容降壓，如遙控電

16、風扇電路。（2） 整流電路：將交流電壓轉化為直流電壓。常用的整流電路有半波整流電路、全波整流電路和橋式整流電路。（3） 濾波電路：將脈動直流電壓轉化為平滑的直流電壓，常用的濾波電路有電感濾波、電容濾波、阻容濾波，最常用的是電容濾波。（4） 穩(wěn)壓電路：采取三端穩(wěn)壓電路LM7805將直流電源輸出的電壓穩(wěn)定，不受電網電壓或負載的影響。在線性電源中常用的穩(wěn)壓電路有二極管穩(wěn)壓，串聯(lián)穩(wěn)壓。3.2 直流穩(wěn)壓電源電路的設計3.2.1穩(wěn)壓電路原理圖3.2.2穩(wěn)壓電路參數設計（1）Ui是整流濾波的輸出電壓，C1，C2陶瓷電容目的是使穩(wěn)壓器在整個輸入電壓和輸出電流變化范圍內，提高工作穩(wěn)定性和改善瞬變響應。C0是進一

17、步減小輸出電壓的波紋。（2）穩(wěn)壓器輸入電壓值得確定：輸入5v集成穩(wěn)壓器，最小輸入電壓Ui為：當Ui-Uo=210v最有較好的穩(wěn)壓輸出特性，Umin=Uo+(Ui-Uo)min+URIP+Ui =5+2+0.7+0.77 8.5v注：URIP穩(wěn)壓器輸入電壓的紋波電壓一般取Uo、(Ui-Uo)min之和的10%；電網電壓波動引起輸入電壓的變化Ui取Uo、(Ui-Uo)min、URIP之和的10%。3.3 智能充電器控制模塊設計與實現STC89C52單片機最小系統(tǒng)是用最少的元件組成的單片機可以工作的系統(tǒng)。一般包括單片機、晶振電路、復位電路。對于STC89C52由于內部有4k可在線編程的Flash存儲

18、器，不許外部擴展程序存儲，有復位電路和時鐘電路。即單片機組成的最小系統(tǒng)如下： 3-1 單片機最小系統(tǒng)圖 充電芯片MAX1898內部具有電流調節(jié)，電壓檢測、電流檢測，溫度檢測等，包括系統(tǒng)負載電流與充電電流，檢測輸入電路大于設定門限電流時，通過降低充電電流，從而控制充電電流，max1898外接限流型充電電源和PNP功率三極管，可進行有效充電，外接電容設定充電時間，電阻設定最大充電電流。它的最大特點是子啊沒有使用電感的情況下仍能保持很低的功率耗散，可實現預充，具有過壓保護和溫度保護功能以及為電池進行二次保護。電路圖如圖3-2圖所示： 3-2充電芯片MAX1898控制圖 3.4 ADC0832數模轉換

19、模塊設計與實現ADC0832模數轉換器電路，是將采集的模擬電壓，轉換成數字信息送到單片機，與單片機進行顯示處理，并與內部設定的充電參數進行比較，根據運算和比較結構，驅動充電控制電路。ADC0832可對兩路模擬信號進行A/D轉換，本設計只需一個通道，選擇通道CH0作為A/D轉化的輸入通道。在采集充電電壓時，為了不影響充電輸出從的電壓電流參數，本設計在輸出模擬電壓采集點與A/D轉換的輸入端加接了輸入阻抗很大的集成運算放大器LM358，利用集成運放的跟隨器特性，采集輸出電壓的模擬量，這樣的設計，其優(yōu)點是：1）不影響原充電電路的輸出。2）采集的輸出電壓比較準確，為準確控制創(chuàng)造條件。設計圖中的電位器是仿

20、真軟件仿真時，為驗證充電電壓的變化，MCU的控制效果而加上去的，實際的設計電路應該去掉。 3.5 自動斷開及報警電路的設計與實現自動斷開電路設計原理：智能充電器設計的智能之處在于，當電源給電池充電充滿時，為避免損害電池及延長電池的使用壽命，用單片機智能控制，使其自動斷開，自動斷開電路由繼電器和二極管完成。 當電池充滿電后，通過繼電器斷開電源，由于繼電器線圈的電流不能突變，在電源切斷后，線圈中原有的電流需要一個回路慢慢釋放的回路。盡管在斷電后，繼電器線圈中的電流很小，但如果沒有回路則相當于小電流串接了一個無窮大的電阻，兩者相乘得到線圈兩端的電壓很高，有可能燒壞線圈，因此，本設計在繼電器旁加接了一

21、個電流泄放二極管，其作用是給切斷電源后繼電器線圈電流一個泄放回路，來避免線圈被燒壞。 蜂鳴器電路設計：蜂鳴器電路比較簡單，通過單片機的編程控制，可直接啟動蜂鳴器工作，所不同的是，如果報警沒完沒了，那么充電完成后長時間的蜂鳴也會增加噪音，尤其是晚上，可能影響休息，所以，蜂鳴器在充滿自動報警后，設計了報警一段時間自動停止報警。初始化LCD1602液晶顯示器電壓采樣ADC0832轉換數據轉換讀取ADC08采樣電池數據顯示電池數據1.關閉充電模式2.啟動充滿提示3.報警一定時間自動停止開始電量充足與否？啟動充電模式否結束是4 軟件流程設計4.1 軟件總流程從充電電池端采集電壓，用集成運算放大器放大組成

22、的電壓跟隨器進行，然后將ADC0832進行模/數（A/D）轉換，送到單片機處理，以顯示電池電量及充電進度，判斷電量充足與否，如果電量不足啟動充電模式繼續(xù)充電，若充滿則關閉充電模式，啟動充滿提示，啟動報警，并報警一段時間自動關閉，在LCD1602液晶上顯示出電壓和充電進度。4.2軟件子流程4.2.1 A/D轉換算法流程采集電壓取A/D轉換值將算子左移1位并保存YN讀取ADC0832一位返回讀取值8次否ADC0832是8位AD轉換器，采用的是串行輸出以節(jié)省MCU的I/O資源。對于ADC0832的讀取，按照ADC0832的通信協(xié)議，從高位依此讀取，程序將取得的數字首先存入輔助運算器的最低位B.0位，

23、然后每讀取一位，則將B左移一位，直到第八次為止，這樣，就可將ADC轉換的模擬量的數字量讀出。用右移的辦法來代替，再將各部分的移位結果進行加（減）運算，即可獲得轉化后的結果，軟件流程如圖所示，其中N,Y是分支轉移的判斷，表示YES和NO。基于上述思想避免常規(guī)浮點法占用大量CPU時間，又避免查表法需擴展大量的程序存儲器，用于存放查表數據的不足。4.2.2電壓及充電進度顯示流程液晶初始化讀入數據調整輸出U=date*196/10000數據處理ADC0832的參考電源選擇5V標準電壓，轉換為8為二進制數，則數字量1代表5/2550.0196V，這樣，從ADC0832讀到單片機中的值轉化為實際電壓為Vo

24、lt= 196 * data/10000液晶顯示就是針對這個數值進行顯示和處理。對于手機電池標準3.7V的電壓，一般在3V的時候就不能啟動手機，所以，一般吧3V作為無電狀態(tài)，這個值對應的二進制數為153，這個值作為MCU判斷無電或低電量的標準，當data153時，顯示LCD顯示0%或者低電壓狀態(tài)。3.7V標準電壓對應的二進制數為189，這個值作為充電完成的標準，當data189時作為電壓充滿的標準，LCD顯示100%。這兩個參考電壓對應點ADC0832的值，兩者相差189 153 =36.所以，充電過程也是單片機讀取的ADC0832的值從153到189之間的變化過程，進度百分比為 Percen

25、t = 100 *（Data-153）/36 當ADC0832的值超越189為充滿，MCU切斷充電電路并發(fā)出一段時間報警。這就是軟件的設計思路。4. 3 軟件整機程序設計通過keil仿真軟件，結合單片機的智能控制實現模擬到數字的轉化，以及控制驅動LCD1602液晶實現電壓及充電進度的測量與現實，實時顯示充電進度及充電電壓。當充電器給電池充電為100%時，智能斷開電源充電并且自動啟動蜂鳴器報警并且能智能控制報警時間，自動停止報警，以避免夜間充電報警時，打擾休息。當然，即便如此還是會對生活帶來不便的地方，因此，將智能控制蜂鳴器的啟動作為可預留處理問題：假設設計一種能辨別夜間和白天的電路或程序，通過

26、單片機控制其在晚間充電充滿時，不會報警，只會自動切斷電源，避免過充，即便電路中有過充控制，但是還是對電池有一定損害，影響電池的使用壽命。而當在白天充電充滿時，則自動切斷電源并發(fā)出一定時間的報警，提醒及時切斷充電，延長了電池的使用壽命，不僅可增加電池的重復使用次數，減少電池的生產量，而且可以保護環(huán)境。5 硬件調試與仿真5.1直流穩(wěn)壓電源調試與仿真經過計算調試與仿真，使電路能完成5v穩(wěn)壓，1A電流穩(wěn)壓的功能。5.2 ADC0832模數轉換電路的測試與仿真在電池輸入端采集電壓，通過ADC0832的數模轉換，經LM358集成運放放大，送到單片機進行智能控制，經過對程序的調試與仿真，達到電壓采集并輸出成

27、功。充電電壓可達3.7v的容量電壓。5.3 液晶電路的測試與仿真通過protues對單片機進行編程與仿真，首先將采集的數字電壓通過單片機編程控制，經電壓值分成255份，一份則代表1%的電壓。再初始化液晶，將電壓值及電壓進度通過LCD1602的液晶，清楚地呈現充電的進度及電壓情況。5.4 自動斷開及報警電路測試與仿真經過對單片機程序的編寫與調試，仿真結果實現了繼電器控制電池充滿時自動斷開，及蜂鳴器的一定時間報警。6 測試檢測6.1測量儀器1.數字萬用表；2.示波器；3.頻率計6.2 基本功能要實現的功能測試結果輸出電壓為5V、電流為1A的直流電源實現了此功能當直流輸入電壓在5.525V變化時，輸

28、出電壓為5±0.05V電壓實現了此功能實時顯示充電電壓及充電進度達到要求6.3 發(fā)揮功能功能測試結果電池充滿時自動切斷電源實現電池充滿時自動報警實現過壓保護和溫度保護實現7 總結通過這次課程設計的實踐中，通過自己對資料的查詢及知識的學習，讓我受益匪淺，終身難忘。我不僅完成了一件作品，而且大大提高了我們的創(chuàng)新精神，動手能力，獨立工作的能力，相信會對今后的學習、工作和生活中有非常重要的影響。本次設計為軟硬結合，又以軟件智能控制為主，在硬件的電路設計中，不斷找尋最合適的元器件及參數，通過Multisim測試軟件，對電路進行仿真，實現最終目標。在調試的過程中遇到了不少錯誤，通過不斷檢測細心地

29、檢查電路的連線，測量電路的參數，單步運行可能出問題的程序段，直至找到錯誤的根源。在實踐中不斷改進自己的電路以及程序代碼。 實踐證明，只要細心，耐心，用心，對于不會的問題多請教以及查閱資料，自我充電，不斷用知識武裝頭腦才可以完成我們所期待的目標。參考文獻【1】 胡宴如 耿蘇燕 模擬電子技術 高等教育出版社【2】 楊志忠 衛(wèi)樺林 數字電子技術 高等教育出版社【3】 胡宴如 高頻電子線路 高等教育出版社【4】 李全利 單片機原理及應用技術 高等教育出版社【5】 姜志海 單片機的C語言 電子工業(yè)出版社【6】 譚浩強 C語言程序設計 清華大學出版社【7】 葛中海 開關電源實例電路測試分析與設計附錄一：元

30、件清單元件規(guī)格數量個單片機AT89C511max18981AD轉換ADC08321LCD液晶顯示LM016L(1602)<14腳>1繼電器5v/RTE24005F1集成運放LM358(U3:A)5v1排阻RESPACK-81喇叭BUZZER/SPEAKER1晶振11.0592HZ1變壓器220v/50hz 9v-5v1電阻2.7k150110k118212001301149.9122012.8k1電容33pf220uf10.1uf2220uf1100nf110uf1三極管PNP/DB1382PNP1極性電容470uf2二極管DIODE2IN40015穩(wěn)壓管02DZ4.7102DZ2

31、.22發(fā)光二極管LED紅，綠紅2綠1三端穩(wěn)壓LM7805CT/5V1按鍵SW-PB1PCB印刷板10cm*10cm（大的）1插頭1導線3mUSB接口1附錄二：程序說明/ LCD_DATA=P0 / rs=P2.4,e=P2.5 / ADC0832:DI=P2.2,DO=P3.3/#include"reg51.h"#include"intrins.h"#define uchar unsigned charsbit cs=P20;sbit clk=P21;sbit di=P22;sbit DO=P23;sbit B0=B0;sbit rs=P24;sbit

32、e=P25;sbit OFFON=P26;sbit beep=P27;unsigned int dat;uchar tab1=" Percent:"uchar tab2=" Power:"/ delay time /void delay(uchar ms)char k; while(ms-) for(k=0;k<100;k+);/ readADC0830 /uchar rADC() char i;cs=1;_nop_();cs=0; clk=0;_nop_(); di=1; /di=1 clk=1; _nop_(); clk=0; _nop_();

33、 clk=1; /di=1_nop_(); clk=0; _nop_(); di=0; /di=0 clk=1; _nop_(); clk=0; clk=1; _nop_(); /set 8bit no set 7bit clk=0; for(i=0;i<8;i+) B=B<<1; clk=1; B0=DO; _nop_(); clk=0; return B; /LCD1602 write command /void w1602c(uchar datt)char m; rs=0;e=0;P0=datt;m=4;while(m-);e=1;m=8;while(m-);e=0;/ LCD1602 write data /void w1602d(uchar datt)char m; rs=1;e=0;P0=datt;m=4;while(m-);e=1;m=8;while(m-);e=0;/ init LCD1602 /void ini