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(jī)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(shí)現(xiàn)充電器的智能化。充電器的種類(lèi)繁多，但從嚴(yán)格意義上講，只有單片機(jī)參與處理和控制的充電器才能稱(chēng)為智能充電器。

隨著手機(jī)在世界范圍內(nèi)的普及使用，手機(jī)電池充電器的使用也越來(lái)越廣泛。

本次設(shè)計(jì)將通過(guò)一個(gè)典型的勢(shì)力介紹51單片機(jī)在實(shí)現(xiàn)手機(jī)電池充電器方面的應(yīng)用。設(shè)計(jì)所實(shí)現(xiàn)的充電器是一種智能充電器，它在單片機(jī)的控制下，具有預(yù)充、充電保護(hù)、自動(dòng)斷電和充電完成報(bào)警提示功能。

1.3  本設(shè)計(jì)功能模塊
本設(shè)計(jì)的功能模塊主要如下：

1）單片機(jī)模塊：實(shí)現(xiàn)充電器的智能化控制。比如自動(dòng)斷電、充電完成報(bào)警提示等。

2）充電過(guò)程控制模塊：采用專(zhuān)用的電池充電芯片實(shí)現(xiàn)充電過(guò)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：?jiǎn)纹瑱C(jī)控制電池充電芯片實(shí)現(xiàn)充電過(guò)程的自動(dòng)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(jì)思路分析
充電的實(shí)現(xiàn)，它包括兩部分：一是充電過(guò)程的控制；二是需要提供基本的充電電壓。

2.1 智能化的實(shí)現(xiàn)
在充電器電路中引入單片機(jī)的控制。它為什么需要實(shí)現(xiàn)充電器的智能化呢？

充電器實(shí)現(xiàn)的方式不同會(huì)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(mǎn)后如果不及時(shí)停止會(huì)使電池發(fā)燙，過(guò)度的充電會(huì)嚴(yán)重?fù)p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(guò)充，一般充電到90％就停止大電流快充，而采用小電流涓流補(bǔ)充充電。

手機(jī)電池的使用壽命和單次使用時(shí)間與充電過(guò)程密切相關(guān)。鋰電池是手機(jī)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(zhǎng)，價(jià)格也越來(lái)越低。鋰電池對(duì)于充電器的要求比較苛刻，需要保護(hù)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(guò)壓充電會(huì)造成電池?fù)p壞，這就要求較高的控制精度。另外，對(duì)于電壓過(guò)低的電池需要進(jìn)行預(yù)充，充電器最好帶有熱保護(hù)和時(shí)間保護(hù)，為電池提供附加保護(hù)。

一部好的充電器不但能在短時(shí)間內(nèi)將電量充足，而且還可以對(duì)電池起到一定的維護(hù)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(jì)比較科學(xué)的充電器往往采用專(zhuān)用充電控制芯片配合單片機(jī)控制的方法。專(zhuān)用的充電芯片具備業(yè)界公認(rèn)較好的-△v 檢測(cè)，可以檢測(cè)出電池充電飽和時(shí)發(fā)出的電壓變化信號(hào)，比較精確地結(jié)束充電工作，通過(guò)單片機(jī)對(duì)這些芯片的控制，可以實(shí)現(xiàn)充電過(guò)程的智能化，例如，在充電后增加及時(shí)關(guān)斷電源、蜂鳴報(bào)警和液晶顯示等功能。充電器的智能化可以縮短充電的時(shí)間，同時(shí)能夠維護(hù)電池，延長(zhǎng)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(chǎng)上存在大量的電池充電芯片，它們可直接用于進(jìn)行充電器設(shè)計(jì)。在選擇具體的電池充電芯片時(shí)，需要參考以下標(biāo)準(zhǔn)。

1)電池類(lèi)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?cái)?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(shí)間。

4)充電方式：是快充、慢充還是可控充電過(guò)程。

本設(shè)計(jì)要實(shí)現(xiàn)的是手機(jī)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(hù)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(diǎn)

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(zhǎng)了電池使用壽命。充電電流可由用戶(hù)設(shè)定，采用內(nèi)部檢流，無(wú)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(wú)須重新上電)、可選的充電終止安全定時(shí)器和過(guò)放電電池的低電流預(yù)充。

MAXl898 的關(guān)鍵特性如下：

1)    簡(jiǎn)單、安全的線(xiàn)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(dòng)檢測(cè)。

8)    LED 充電狀態(tài)指示。

9)    可編程安全定時(shí)器。

10)  檢流監(jiān)視輸出。

11)  可選/可調(diào)節(jié)自動(dòng)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(cè)器、充電電流檢測(cè)器、定時(shí)器、溫度檢測(cè)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(fù)載電流與充電電流。當(dāng)檢測(cè)到輸入電流大于設(shè)定的門(mén)限電流時(shí)，通過(guò)降低充電電流從而控制輸入電流。因?yàn)橄到y(tǒng)工作時(shí)電源電流的變化范圍較大，如果充電器沒(méi)有輸入電流檢測(cè)功能，則輸入電源必須能夠提供最大負(fù)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(duì)直流電源的要求，同時(shí)也簡(jiǎn)化了輸入電源的設(shè)計(jì)。 MAXl898 外接限流型充電電源和P 溝道場(chǎng)效應(yīng)管，可以對(duì)單節(jié)鋰電池進(jìn)行安全有效的快充，其最大特點(diǎn)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(shí)現(xiàn)預(yù)充電，具有過(guò)壓保護(hù)和溫度保護(hù)功能，最長(zhǎng)充電時(shí)問(wèn)的限制可為鋰電池提供二次保護(hù)。MAX1898 的浮動(dòng)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(shí)，插入電池將啟動(dòng)一次充電過(guò)程；充電結(jié)束的條件是平均的脈沖充電電流達(dá)到快充電流的 1％，或時(shí)間超出片上預(yù)置的充電時(shí)間。MAXl898 能夠自動(dòng)檢測(cè)充電電源，沒(méi)有電源時(shí)自動(dòng)關(guān)斷以減少電池的漏電。啟動(dòng)快充后打開(kāi)外接的P 型場(chǎng)效應(yīng)管，當(dāng)檢測(cè)到電池電壓達(dá)到設(shè)定的門(mén)限時(shí)進(jìn)入脈沖充電方式，P 型場(chǎng)效應(yīng)管打開(kāi)的時(shí)問(wèn)會(huì)越來(lái)越短。充電結(jié)束時(shí)，指示燈將會(huì)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(shuō)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(guò)外接的場(chǎng)效應(yīng)管提供鋰電池的充電接口。

3)通過(guò)外接的電容 CcT 來(lái)設(shè)置充電時(shí)間 tCHG。這里的充電時(shí)間指的是快充時(shí)的最大充電時(shí)間，它和定時(shí)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(shí)，CcT 的單位為Nf。大多數(shù)情況下，快充時(shí)最大充電時(shí)問(wèn)不超過(guò)3 小時(shí)，因此常取CcT 為100nF。

4)在限制電流的模式下，通過(guò)外接的電阻 RSET 來(lái)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(shí)，插入電池將啟動(dòng)一次充電過(guò)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(shí)間超出片上預(yù)置的最大充電時(shí)問(wèn)時(shí)，充電周期結(jié)束。MAXl898 能夠自動(dòng)檢測(cè)充電電源，沒(méi)有電源時(shí)自動(dòng)關(guān)斷以減少電池的漏電。啟動(dòng)快充后，打開(kāi)外接的P 型場(chǎng)效應(yīng)管，當(dāng)檢測(cè)到電池電壓達(dá)到設(shè)定的門(mén)限時(shí)進(jìn)入脈沖充電方式，P 型場(chǎng)效應(yīng)管打開(kāi)的時(shí)JI 間會(huì)越來(lái)越短。充電結(jié)束時(shí)，LED 指示燈將會(huì)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(shuō)明

充電狀態(tài)
LED指示燈電池或充電器沒(méi)有安裝

預(yù)充或快充

亮

充電結(jié)束

滅

充電出錯(cuò)

頻率閃爍

第3節(jié)  系統(tǒng)主要硬件電路設(shè)計(jì)

   硬件電路設(shè)計(jì)主要圍繞充電芯片MAXl898 展開(kāi)，而單片機(jī)控制部分的電路簡(jiǎn)單。

3.1  主要器件

本設(shè)計(jì)的核心器件是MAXl898。MAXl898 可對(duì)所有化學(xué)類(lèi)型的Li+電池進(jìn)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(cè)輸入的電壓或電流；

CHG(2 腳)：充電狀態(tài)指示腳，同時(shí)驅(qū)動(dòng)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(guò)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(guò)串接一個(gè)電阻到地來(lái)設(shè)置最大充電電流；

CT(5 腳)：安全充電時(shí)間設(shè)置引腳。接一個(gè)時(shí)間電容來(lái)設(shè)置充電時(shí)間，電容為 100nF 時(shí)，幾乎為3 個(gè)小時(shí)，此引腳直接接地將禁用此功能；

RSTRT(6 腳)：自動(dòng)重新啟動(dòng)控制引腳。當(dāng)此引腳直接接地時(shí)，如果電池電壓掉至基準(zhǔn)電壓閾值以下 200mV，將會(huì)重新開(kāi)始一輪充電周期。此引腳通過(guò)電阻接地時(shí)，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(shí)間設(shè)置功能禁用)時(shí)，自動(dòng)重新啟動(dòng)功能被禁用；

BATT(7 腳)：電池傳感輸入腳，接單個(gè) Li+電池的正極。此引腳需旁接一個(gè)大電解電容到地；

GND(8 腳)：接地端；

DRV(9 腳)：外部晶體管驅(qū)動(dòng)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(jì)的單片機(jī)芯片選用Atmel 公司的AT89C52，它完全可以滿(mǎn)足要求。

另外，由于充電器外部為+12V 供電，因此需要通過(guò)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(lái)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(guò)一次光耦模塊 6N137 的處理，通過(guò)單片機(jī)對(duì)光耦模塊的控制，可以及時(shí)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(fù)極；

GND(5 腳)：接地端；

OUTPUT(6 腳)：輸出腳；

EN(7 腳)：使能腳。為低時(shí)，無(wú)論有無(wú)輸入，輸出都為高。

不使用時(shí)，懸空即可；

VCC(8 腳)：電源輸入腳。

3.2  電路原理圖及說(shuō)明

硬件電路由單片機(jī)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(jī)部分的電路原理圖如下圖3-3 所示。

圖3-3  單片機(jī)部分的電路原理圖

圖3-3中，ul 為單片機(jī)AT89C52，工作在11．0592MHz 時(shí)鐘；u2 為蜂鳴器，蜂鳴器由單片機(jī)的P2．1 腳控制發(fā)出報(bào)警聲提示；單片機(jī)的P2．O 腳輸出控制光耦器件，在需要的時(shí)候可以及時(shí)關(guān)斷充電電源；單片機(jī)的外部中斷O 由充電芯片MAXl898 的充電狀態(tài)輸出信號(hào)/ CHG 經(jīng)過(guò)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。