【基于單片機(jī)的智能充電器設(shè)計(jì)6200字（論文）】

總體方案設(shè)計(jì)據(jù)了解大部分的充電器只具有充電功能，而沒(méi)有充電保護(hù)、充電顯示及進(jìn)度監(jiān)控的功能，因此會(huì)大大影響充電器的使用壽命。為了提高電池的使用及對(duì)環(huán)境的保護(hù)，本設(shè)計(jì)采用線(xiàn)性電源穩(wěn)定充電，運(yùn)用STC89C52單片機(jī)智能控制其充電時(shí)間、充電進(jìn)度、報(bào)警自動(dòng)斷開(kāi)及電壓顯示等。既克服了傳統(tǒng)充電器的缺點(diǎn)，又達(dá)到了充電的最佳效果。1.1設(shè)計(jì)框圖LCDLCD1602顯示進(jìn)度和狀態(tài)DC5VMAX1898AC220V充電輸出ADC0832輸出電壓采樣充電報(bào)警STC89C52智能控制電池輸出狀態(tài)控制圖1系統(tǒng)框圖1.2設(shè)計(jì)構(gòu)思本方案智能充電器通過(guò)恒壓充電的方式，將220V市電通過(guò)變壓、整流、濾波和穩(wěn)壓處理，輸出5V直流電壓，將該電壓輸入電源管理芯片MAX1898進(jìn)行控制和輸出送給電池充電。在充電同時(shí)，采集電池兩端電壓，通過(guò)A/D轉(zhuǎn)換，送給單片機(jī)進(jìn)行預(yù)設(shè)判斷和處理，由單片機(jī)通過(guò)液晶顯示相關(guān)參數(shù)和充電進(jìn)度，在充電完成后，由單片機(jī)發(fā)出一定時(shí)間的報(bào)警，自動(dòng)斷電終止充電。2方案論證與設(shè)計(jì)為滿(mǎn)足充電器的經(jīng)濟(jì)實(shí)用性及達(dá)到充電的預(yù)期目標(biāo)，芯片的選擇尤為重要，故應(yīng)選擇合適的主控核心芯片及液晶顯示設(shè)備，已達(dá)到充電的最佳效果。2.1主控電路的設(shè)計(jì)選擇與論證2.1.1MCU的可選方案1）AT89C51單片機(jī)價(jià)格便宜，可降低設(shè)計(jì)成本，但由于功能單一，內(nèi)部資源有限，所以市場(chǎng)已經(jīng)很少有這種單片機(jī)。2）MSP430單片機(jī)，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(lái)說(shuō)是最佳選擇，但價(jià)格相對(duì)較高，用于本設(shè)計(jì)不經(jīng)濟(jì)實(shí)用。3）STC89C52單片機(jī)，兼容MCS-51的全部?jī)?yōu)點(diǎn)，價(jià)格低廉，為本設(shè)計(jì)首選主控MCU。2.1.2選定方案STC89C52芯片的內(nèi)核為8051芯片的增強(qiáng)型，除具有51系列單片機(jī)的性能外，還具有以下的功能特點(diǎn)：（1）工作電壓范圍寬，在2.7V~6V；全靜態(tài)工作，工作頻率寬為0Hz～24MHz之間。（2）片內(nèi)有4k字節(jié)的在線(xiàn)可重復(fù)編程、快速擦除、快速寫(xiě)入程序的存儲(chǔ)器。（3）低損耗、高性能、CMOS八位微處理器，系統(tǒng)工作穩(wěn)定，具有方便高效的開(kāi)發(fā)環(huán)境。（4）128×8位內(nèi)部RAM，32位雙向輸入輸出線(xiàn)，兩個(gè)十六位定時(shí)器/計(jì)數(shù)器，五個(gè)中斷源,兩級(jí)中斷優(yōu)先級(jí)。綜上所述，由于STC89C52眾多的優(yōu)良性能，尤其是高速度和多功能引腳的特性，這樣可以減少擴(kuò)展，提高性?xún)r(jià)比。因此，本設(shè)計(jì)最終才用STC89C52單片機(jī)作為主控CPU。2.2電池充電控制芯片的選擇與論證2.2.1電池充電控制芯片的可選方案1）SMC401是一款更高級(jí)的充電控制芯片，內(nèi)嵌8位MCU，具有全程智能檢測(cè)及控制，使用方便簡(jiǎn)潔，外設(shè)電路簡(jiǎn)單，但從本設(shè)計(jì)考慮，不適合采用此芯片。2）MAX1758可實(shí)現(xiàn)智能充電，常用于筆記本及高檔儀器的電源管理芯片，外圍電路復(fù)雜，引腳多，價(jià)格高，不經(jīng)濟(jì)實(shí)用。3）MAX1898專(zhuān)門(mén)的充電控制芯片，外圍電路簡(jiǎn)單，易于焊接，更適合做小型充電器的研究，因此，選擇此芯片為本設(shè)計(jì)的充電控制芯片。2.2.2選定方案MAX1898EBU42芯片是專(zhuān)門(mén)的充電控制管理芯片，其內(nèi)部集成了輸入電流調(diào)節(jié)、電壓檢測(cè)、電流檢測(cè)、定時(shí)器及溫度檢測(cè)等電路，芯片外圍由PNP或PMOS組成鋰電池充電器，可精確的對(duì)充電電池進(jìn)行恒流、恒壓充電，精度可高達(dá)±0.75%。其MAX1898電池控制芯片的特點(diǎn)如下：（1）4.5-12V的電壓輸入范圍；（2）可編程充電電流；（3）片內(nèi)檢流電阻及監(jiān)視輸出；（4）LED充電狀態(tài)指示；（5）電源自動(dòng)檢測(cè)；根據(jù)以上可選電源管理芯片的性能比較，MAX1898EBU42的功能和特點(diǎn)，符合本設(shè)計(jì)的電源管理功能，所以作為本設(shè)計(jì)的電源管理模塊使用，并與STC89C52單片機(jī)有機(jī)結(jié)合，實(shí)現(xiàn)智能充電。2.3顯示設(shè)備的選擇與論證2.3.1數(shù)碼管顯示在智能顯示部分，數(shù)碼管也是一個(gè)可選用的參考方案，如果采用數(shù)碼管，可以使用一個(gè)3/8譯碼器作為位選芯片，一個(gè)74LS573作為段選芯片，完成電壓及進(jìn)度顯示，此方案雖然電路簡(jiǎn)單，控制方便，但是，顯示內(nèi)容簡(jiǎn)單，缺乏全面顯示信息缺點(diǎn)，并且其功耗大，顯示效果差。2.3.2液晶顯示LCD1602液晶顯示具有功耗低，體積小，重量輕，顯示信息量大，驅(qū)動(dòng)簡(jiǎn)單，無(wú)輻射危險(xiǎn)，顯示直觀、壽命長(zhǎng)和抗干擾能力強(qiáng)等優(yōu)點(diǎn)，在低功耗的單片機(jī)系統(tǒng)中得到大量使用。綜上所述：此次設(shè)計(jì)應(yīng)選擇LCD液晶顯示，可以很直觀清楚地顯示電壓和進(jìn)度，使人們清楚地知道充電的情況，及時(shí)切斷電源，延長(zhǎng)電池的使用壽命。3硬件電路設(shè)計(jì)該充電器電路設(shè)計(jì)主要包括直流電源電路、單片機(jī)控制、電池充電控制、A/D轉(zhuǎn)換、顯示和自動(dòng)斷開(kāi)等六部分。3.1直流電源電路的設(shè)計(jì)3.1.1電源電路原理圖圖2充電器電路原理圖本設(shè)計(jì)的電池充電電路采用恒壓方式，這樣只需控制充電電壓即可完成對(duì)電池的充電。降壓變壓器，功率在10W左右，次級(jí)繞組的電壓在12~15V之間；7805三端5v穩(wěn)壓集成電路；4個(gè)IN4007二極管組成整流橋，對(duì)其進(jìn)行整流，470UF電解電容和0.1UF無(wú)極性電容組成濾波電路。使輸出穩(wěn)定平滑的5v電壓。3.1.2直流電源電路的功能簡(jiǎn)介此電路將220v市電通過(guò)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(wǎng)電壓轉(zhuǎn)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，如遙控電風(fēng)扇電路。（2）整流電路：將交流電壓轉(zhuǎn)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(dòng)直流電壓轉(zhuǎn)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(wǎng)電壓或負(fù)載的影響。在線(xiàn)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(shè)計(jì)3.2.1穩(wěn)壓電路原理圖圖3穩(wěn)壓電路圖3.2.2穩(wěn)壓電路參數(shù)設(shè)計(jì)為了獲取良好的直流充電電壓，本設(shè)計(jì)采用普遍使用的性?xún)r(jià)比優(yōu)越的7805三端集成穩(wěn)壓器。（1）根據(jù)7805的技術(shù)參數(shù)，Ui的選定范圍在9V—15V之間。陶瓷電容C1和C3的作用是有效隔除穩(wěn)壓后的交流成分，進(jìn)一步減小輸出電壓的波紋。在電路設(shè)計(jì)上，這兩個(gè)電容要緊靠7805，不能太遠(yuǎn)，太遠(yuǎn)則波紋效果較差。（2）穩(wěn)壓器輸入電壓值的確定：根據(jù)充電電路的要求，選定7805獲得5V穩(wěn)定性能良好，波紋系數(shù)小的直流電，經(jīng)充電電源管理模塊進(jìn)行處理，能夠獲得理想的4.2V充電電源，提高充電電路的性能指標(biāo)。3.3智能充電器控制模塊設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)3.3.1單片機(jī)模塊控制電路STC89C52單片機(jī)工作的最小系統(tǒng)（如圖4所示），18號(hào)和19號(hào)引腳接12MHZ的石英晶體振蕩器和瓷片電容，構(gòu)成穩(wěn)定的自激振蕩器。9號(hào)引腳復(fù)位是通過(guò)RST端經(jīng)電阻與電源VCC的接通來(lái)實(shí)現(xiàn)的。通過(guò)單片機(jī)最小系統(tǒng)的完成，啟用單片機(jī)智能控制。圖4單片機(jī)最小系統(tǒng)控制電路圖3.3.2MAX1898充電控制模塊電路設(shè)計(jì)MAX1898是MAXIM公司生產(chǎn)的鋰電池充電器，可用于手機(jī)，收音機(jī)等鋰電池供電的便攜式系統(tǒng)中。MAX1898內(nèi)部具有電流調(diào)節(jié)，電壓檢測(cè)、電流檢測(cè)，溫度檢測(cè)等功能。MAX1898外接限流型充電電源和PNP功率三極管，為用戶(hù)提供的充電狀態(tài)，構(gòu)成一個(gè)相對(duì)完整的充電電路。充電電路如圖5所示：圖5充電芯片MAX1898控制圖芯片電路圖的5號(hào)引腳CT外接C電容控制充電時(shí)間，最大充電時(shí)間t和定時(shí)電容的關(guān)系如下：t=c/34.33（3.2.1）4號(hào)引腳ISET外接電阻R來(lái)設(shè)置最大充電電流I,關(guān)系如下：I=1400/R（3.2.2）MAX1898芯片的最大特點(diǎn)是沒(méi)有使用電感的情況下仍能保持很低的功耗，可實(shí)現(xiàn)預(yù)充，具有過(guò)壓和溫度保護(hù)功能。3.3.3ADC0832數(shù)模轉(zhuǎn)換模塊設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)圖6模數(shù)轉(zhuǎn)換電路圖ADC0832模數(shù)轉(zhuǎn)換器電路，是將采集的模擬電壓，轉(zhuǎn)換成數(shù)字信息送到單片機(jī)，與單片機(jī)進(jìn)行顯示處理，并與內(nèi)部設(shè)定的充電參數(shù)進(jìn)行比較，根據(jù)運(yùn)算和比較結(jié)構(gòu)，驅(qū)動(dòng)充電控制電路(如圖6所示)。ADC0832可對(duì)兩路模擬信號(hào)進(jìn)行A/D轉(zhuǎn)換，本設(shè)計(jì)只需一個(gè)通道，選擇通道CH0作為A/D轉(zhuǎn)化的輸入通道。在采集充電電壓時(shí)，為了不影響充電輸出端的電壓參數(shù)，本設(shè)計(jì)在輸出模擬電壓采集點(diǎn)與A/D轉(zhuǎn)換的輸入端，接輸入阻抗很大的集成運(yùn)算放大器LM358，利用集成運(yùn)放的跟隨器特性，采集輸出電壓的模擬量，這樣設(shè)計(jì)的優(yōu)點(diǎn)是：（1）不影響原充電電路的輸出。（2）采集的輸出電壓比較準(zhǔn)確，為準(zhǔn)確控制創(chuàng)造條件。設(shè)計(jì)圖中的電位器是模擬演示仿真時(shí)，為驗(yàn)證充電電壓的動(dòng)態(tài)變化效果而加上去的，實(shí)際的設(shè)計(jì)電路中可以不接電位器。3.3.4自動(dòng)斷開(kāi)及報(bào)警電路的設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)自動(dòng)斷開(kāi)電路設(shè)計(jì)原理：智能充電器設(shè)計(jì)的智能之處在于當(dāng)電源給電池充電充滿(mǎn)時(shí)，為避免損害電池，影響使用壽命。用單片機(jī)智能控制，使其自動(dòng)斷開(kāi)。自動(dòng)斷開(kāi)電路由繼電器和二極管完成。當(dāng)電池充滿(mǎn)電后，通過(guò)繼電器斷開(kāi)電源，由于繼電器線(xiàn)圈的電流不能突變，在電源切斷后，線(xiàn)圈中原有的電流需要一個(gè)回路慢慢釋放的回路。盡管在斷電后，繼電器線(xiàn)圈中的電流很小，但如果沒(méi)有回路則相當(dāng)于小電流串接了一個(gè)無(wú)窮大的電阻，兩者相乘得到線(xiàn)圈兩端的電壓很高，有可能燒壞線(xiàn)圈，因此，本設(shè)計(jì)在繼電器旁加了一個(gè)電流泄放二極管，其作用是給切斷電源后繼電器線(xiàn)圈電流一個(gè)泄放回路，來(lái)避免線(xiàn)圈被燒壞。圖7自動(dòng)斷開(kāi)電路圖蜂鳴器電路設(shè)計(jì)：蜂鳴器電路比較簡(jiǎn)單，通過(guò)單片機(jī)的編程控制，可直接啟動(dòng)蜂鳴器工作，所不同的是，如果報(bào)警沒(méi)完沒(méi)了，那么充電完成后長(zhǎng)時(shí)間的蜂鳴也會(huì)增加噪音，尤其是晚上，可能影響休息，所以，蜂鳴器在充滿(mǎn)自動(dòng)報(bào)警后，設(shè)計(jì)了報(bào)警一段時(shí)間自動(dòng)停止報(bào)警。3.4總電路設(shè)計(jì)本設(shè)計(jì)通過(guò)恒壓充電方式，將220v市電，通過(guò)變壓器降壓，然后通過(guò)整流，濾波和穩(wěn)壓處理，輸出5V直流電壓，然后通過(guò)STC89C52單片機(jī)對(duì)MAX1898充電控制芯片的控制，高效、安全、穩(wěn)定的輸出電壓給電池充電。并且為達(dá)到智能控制、充電進(jìn)度的可視化及延長(zhǎng)電池壽命的要求，在電路中采用LCD1602液晶顯示相關(guān)參數(shù)和充電進(jìn)度，在充電完成后，由單片機(jī)發(fā)出一定時(shí)間的報(bào)警，自動(dòng)斷電終止充電，以保護(hù)電池。智能充電器總設(shè)計(jì)電路如圖8所示：（a）（b）圖8整機(jī)電路圖4軟件流程設(shè)計(jì)充電器的充電過(guò)程主要是通過(guò)STC89C52單片機(jī)控制MAX1898實(shí)現(xiàn)智能充電器的充電管理。將采集電壓通ADC0832轉(zhuǎn)換，將電壓分成255份，3.7v時(shí)為189，當(dāng)數(shù)值超越189為充滿(mǎn)，MCU切斷充電電路并發(fā)出一段時(shí)間報(bào)警。4.1軟件總流程初始化初始化LCD1602液晶顯示器電壓采樣ADC0832轉(zhuǎn)換數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換讀取ADC08采樣電池?cái)?shù)據(jù)顯示電池?cái)?shù)據(jù)1.關(guān)閉充電模式2.啟動(dòng)充滿(mǎn)提示3.報(bào)警一定時(shí)間自動(dòng)停止開(kāi)始電量充足與否？啟動(dòng)充電模式否結(jié)束是圖9軟件總流程圖從電池端采集電壓，用集成運(yùn)算放大器跟隨及放大采集的電壓，然后將ADC0832進(jìn)行模/數(shù)（A/D）轉(zhuǎn)換，送到單片機(jī)處理，以顯示電池電量及充電進(jìn)度，判斷電量充足與否，如果電量不足啟動(dòng)充電模式繼續(xù)充電，若充滿(mǎn)則關(guān)閉充電模式，啟動(dòng)充滿(mǎn)提示，啟動(dòng)報(bào)警，并報(bào)警一段時(shí)間自動(dòng)關(guān)閉，在LCD1602液晶上顯示出電壓和充電進(jìn)度。4.2軟件子流程4.2.1A/D轉(zhuǎn)換算法流程采集電壓取A/D轉(zhuǎn)換值將算子左移1位并保存采集電壓取A/D轉(zhuǎn)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(zhuǎn)換器，采用的是串行輸出以節(jié)省MCU的I/O資源。對(duì)于ADC0832的讀取，按照ADC0832的通信協(xié)議，從高位依此讀取，程序?qū)⑷〉玫臄?shù)字首先存入輔助運(yùn)算器的最低位B.0位，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(zhuǎn)換的模擬數(shù)字量讀出。用右移的辦法來(lái)代替，再將各部分的移位結(jié)果進(jìn)行加（減）運(yùn)算，即可獲得轉(zhuǎn)化后的結(jié)果，軟件流程如圖所示，其中N,Y是分支轉(zhuǎn)移的判斷，表示YES和NO?；谏鲜鏊枷氡苊獬Ｒ?guī)浮點(diǎn)法占用大量CPU時(shí)間，又避免查表法需擴(kuò)展大量的程序存儲(chǔ)器，用于存放查表數(shù)據(jù)的不足。4.2.2電壓及充電進(jìn)度顯示流程液晶初始化液晶初始化讀入數(shù)據(jù)調(diào)整輸出U=date*196/10000數(shù)據(jù)處理圖11電壓及充電進(jìn)度流程圖ADC0832的參考電源選擇5V標(biāo)準(zhǔn)電壓，轉(zhuǎn)換為8位二進(jìn)制數(shù)，則數(shù)字量1代表5/255≈0.0196V，這樣，從ADC0832讀到單片機(jī)中的值轉(zhuǎn)化為實(shí)際電壓為Volt=196*data/10000（4.2.1）液晶顯示就是針對(duì)這個(gè)數(shù)值進(jìn)行顯示和處理。對(duì)于手機(jī)電池標(biāo)準(zhǔn)3.7V的電壓，一般在3V的時(shí)候就不能啟動(dòng)手機(jī)，所以，一般吧3V作為無(wú)電狀態(tài)，這個(gè)值對(duì)應(yīng)的二進(jìn)制數(shù)為153，這個(gè)值作為MCU判斷無(wú)電或低電量的標(biāo)準(zhǔn)，當(dāng)data≤153時(shí)，LCD顯示0%或者低電壓狀態(tài)。3.7V標(biāo)準(zhǔn)電壓對(duì)應(yīng)的二進(jìn)制數(shù)為189，這個(gè)值作為充電完成的標(biāo)準(zhǔn)，當(dāng)data≥189時(shí)作為電壓充滿(mǎn)的標(biāo)準(zhǔn)，LCD顯示100%。這兩個(gè)參考電壓對(duì)應(yīng)點(diǎn)ADC0832的值，兩者相差189-153=36所以充電過(guò)程也是單片機(jī)讀取ADC0832的值從153到189之間的變化過(guò)程，進(jìn)度百分比為Percent=100*（Data-153）/36（4.2.2）當(dāng)ADC0832的值超過(guò)189為充滿(mǎn)，MCU切斷充電電路并發(fā)出一段時(shí)間報(bào)警。5硬件調(diào)試與仿真本設(shè)計(jì)選用最常用的手機(jī)充電器進(jìn)行充電，仿真結(jié)果從4.9~5.0v,之后基本穩(wěn)定在5v輸出，然后在通過(guò)protues對(duì)單片機(jī)的智能控制進(jìn)行仿真，達(dá)到充滿(mǎn)3.7v報(bào)警并切斷電源。5.1直流電源電路調(diào)試與仿真經(jīng)過(guò)計(jì)算調(diào)試與仿真，使電路能完成5v穩(wěn)壓，1A電流穩(wěn)壓的功能（如圖12所示）。圖12直流電源電壓測(cè)試圖5.2智能控制電路的測(cè)試與仿真圖13智能控制實(shí)現(xiàn)電路測(cè)試通過(guò)protues對(duì)單片機(jī)進(jìn)行編程仿真與調(diào)試，實(shí)現(xiàn)了智能充電，并將電壓值及充電進(jìn)度通過(guò)液晶顯示出來(lái)，當(dāng)電池充滿(mǎn)時(shí)，電壓值為3.7v,進(jìn)度為100%，此時(shí)，觸發(fā)報(bào)警一段時(shí)間后自動(dòng)切斷電源。6總結(jié)本設(shè)計(jì)通過(guò)軟硬結(jié)合，以STC89C52單片機(jī)為核心控制元件，利用MAX1898實(shí)現(xiàn)智能手機(jī)充電，并且能實(shí)時(shí)監(jiān)控充電情況并顯示出來(lái)，充滿(mǎn)時(shí)自動(dòng)斷開(kāi)同時(shí)發(fā)出一段時(shí)間的報(bào)警。這種設(shè)計(jì)彌補(bǔ)了傳統(tǒng)上設(shè)計(jì)的不足，同時(shí)大大提高了充電效率。從結(jié)果可以看出，通過(guò)線(xiàn)性直流穩(wěn)壓電源供電，由單片機(jī)和充電管理芯片MAX1898控制，對(duì)電池進(jìn)行穩(wěn)定充電，當(dāng)紅燈亮?xí)r，表示正在充電，綠燈表示充電結(jié)束，蜂鳴器發(fā)出一定時(shí)間的報(bào)警。若提示后還沒(méi)取出電池則系統(tǒng)自動(dòng)斷開(kāi)。防止電池放電的同時(shí)也可以保護(hù)電池不被損壞。本設(shè)計(jì)不僅可以實(shí)現(xiàn)充電，而且還有過(guò)壓保護(hù)，延長(zhǎng)電池壽命，減少生產(chǎn)量繼而可以保護(hù)環(huán)境。參考文獻(xiàn)[1]陶躍,張平華,張進(jìn)等.基于52單片機(jī)智能手機(jī)充電器的應(yīng)用研究[J].電腦知識(shí)與技術(shù),2015（09）.[2]王振天.智能充電器的設(shè)計(jì)方案[J].信息與電腦,2015（23）.[3]邵欣.基于單片機(jī)的智能充電器設(shè)計(jì)[J].電氣電子應(yīng)用技術(shù),2014（02）.[4]楊鎮(zhèn)遙,胡越黎,楊文榮.一種鋰電池充電電路設(shè)計(j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