1、 本科 毕业设计 电池充电管理器设计 所在学院 专业班级 电气工程及其自动化 学生姓名 学号 指导教师 职称 完成日期 年 月 II 摘要 电子技术快速的发展使得不同的电子产品都朝着便携式和小型轻量化的方向发展，与此同时，跟它有关的电子产品采用电池供电系统。目前，使用较多的的电池有镍镉、 镍氢、铅蓄电池和锂电池。针对不同类型的电池，所需的充电器种类也有不同。 随着单片机技术的发展，单片机应用已经渗透到各个领域。从家用电器、测量控制仪表、机电一体化产品到人工智能、航空航天等领域都大量应用单片机技术。 单片机是一块集成电路芯片，片上集中了控制器、存储器、运算器和输入输出端口。利用单片机强大的处理控
2、制功能，在最大限度节约硬件资源的同时，还实现充电器的智能化、多功能化。 本课题是设计一种基于单片机的锂离子电池充电器，在设计上，选择了简洁、高效的硬件，设计稳定可靠的软件，详细说明了硬件电路组成：单片机控制 电路、充电控制电路、电压转换及光耦隔离电路。并对充电器的核心器件 MAX1898 充电芯片、 AT89C51 单片机进行了深入研究。利用 C 语言进行设计和编码。实现了系统的可靠性、稳定性、安全性和经济性。该智能充电器具有自动切换充电模式以满足充电电池的充电需要；充电器短路保护功能；充电状态显示的功能。在生活中能更好的维护充电电池，延长它的使用寿命。 关键词 ： 充电器；单片机；锂电池；
3、MAX1898 III Abstract The fast development of electronic technology makes fast various electronic products develop toward the portable and the small lightweight direction. At the same time, the batterys power supply system is used in the related electronic products. At present, the batteries which us
4、ed more are the nickel cadmium, the nickel hydrogen, the lead accumulator and the lithium batteries. Because the different types of batteries need different kinds of chargers. With SCM technology, SCM has penetrated into all fields. From household appliances, measuring control instruments, mechanica
5、l and electrical integration products to artificial intelligence, aerospace and other fields are large monolithic computer. SCM is a chip with integrated circuit, controllers, memorizers, arithmetic unit and input and output ports are centralized in the chip. With the powerful processing control abi
6、lity of the SCM, not only the hardware resources are maximized saved, it can also realize the intellectualization and the multi- function of the charge. A kind of lithium ion battery charger which is based on microcomputer is designed in the paper. It has chosen succinct, highly effective hardware,
7、the design stable reliable software, the hardware composition of the system is explained in details, including the SCM control circuit, the charge control circuit, the voltage transformation and the light pair isolating circuit, and have specific introduction on chargers core component - MAX1898 cha
8、rge chip, AT89C51 SCM. C language is used in the design and the coding. The reliability, the stability, the security and the efficiency of the system is realized. The intellectual charger has the automatic switching charging mode to satisfy the charging need of the charge. The charger has short circ
9、uit protection function. The charge condition demonstrations function. The charger can be maintained better in daily life, and extend the working life of the charger. Key words： Charger; SCM; Lithium battery; MAX1898 IV 目录 前言 . 1 第 1 章 绪论 . 2 1.1 研究内容 . 2 1.2 研究的主要工作 . 2 第 2 章 电池充电方案实现 . 4 2.1.电池的充电
10、方法和充电器 . 4 2.1.1 电池充电的方法 . 4 2.1.2 充电器的要求与结构 . 7 第 3 章 锂电池充电器硬件设计 . 9 3.1 单片机电路部分 . 9 3.2 电压转换及光耦隔离 电路部分 . 12 3.3 充电控制电路部分 . 14 3.3.1 MAX1898 充电芯片 . 14 3.3.2 在单片机系统中使用 MAX1898 . 16 3.3.3 充电控制电路的实现 . 17 第 4 章 锂电池充电器软件设计 . 19 4.1 主要程序设计 . 19 4.2 系统程序流程 . 19 4.3 中断与定时 . 20 小结 . 22 致谢 . 错误 !未定义书签。 参考文献
11、. 23 附录 . 24 1 前言 电池的发展具有悠久的历史。早在 1800 年意大利科学家伏打研制成了伏打电池，这也成为世界上第一个可以在生活中应用电池。一位有名的科学家普兰特发明了铅 酸蓄电池，成为世界上首个可重复利用的充电电池。随着科学技术不断进步和人们的生活水平不断的提高。推动各种各样化学电源的改进。同时也产生了新型的化学电能。碱性锌 -锰于电池在 50 年代问世， 60 年代燃料电池研制成功，锂电池在 70 年代被开发成功。 80 年代氢 -镍蓄电池的问世以及 90 年代的锂离子电池在生活生产中的广泛应用。 Li+电池是目前世界上广泛使用的一种化学电源 ，由于锂电池具有高压、高容量的
12、重要优点，且循环寿命长、安全性能好，使其在便携式电子设备、电动汽车、空间技术、国防工业等多方面具有广阔的应用前景， 是社会生产经营 活动中不可缺少的产品。但是，若使用不当，其寿命将大大缩短。影响 Li+电池寿命的因素很多，而采用正确的充电方式，能有效延长 Li+电池的使用寿命。 手机电池的使用寿命和单次使用时间与充电过程密切相关。锂电池是手机最为常用一种电池，锂电池对于充电器的要求比较苛刻，需要保护电路。为了有效的利用电池容量，需要锂电池充电至最大电压，但是过压充电会造成电池损坏，这对控制精度有较高要求。另外，对电池需要预充是为了防止电池电压过低，针对充电器要求带有热保护和时间保护，从而为电池
13、提供附加保护。 一个好的充电器不但能在短时间内将 电量充足，而且还可以对电池起到一定的维护作用，修复由于只用不当造成的记忆效应，即容量下降（电池活性衰退）现象设计比较科学的充电器往往采用专用充电控制芯片配合单片机控制的方法。通过单片机对这些芯片的控制，可以实现充电过程的智能化，例如在充电后增加几十断开电源、蜂鸣报警和液晶显示等功能。充电器的智能化可以缩短充电时间，同时能过维护电池，延长电池使用寿命。 2 第 1 章 绪论 1.1 研究内容 1.电池充电芯片在现代社会大量存在，用它们可以直接用在充电器的设计上。在选择不同的充电器 芯片时需要考虑以下标准： 电池类型：不同种类的电池（镍氢电池、锂电
14、池、镍镉电池等）需要不同的充电芯片； 电池数目：充电电池的数目； 电流值：充电时间由充电电流决定； 充电方式：是快充、慢充还是可控充电过程。 二次电池的性能可由电池特性曲线表示，这些特性曲线包括充电曲线、放电曲线、充放电循环曲线、温度曲线等。二次电池的安全性可用特性的安全检测方式进行评估。二次电池能够反复使用，符合经济使用原则。对于市场上二次电池的种类，大致分为：铅酸 (LA)电池、镍镉 (NiCd)电池、镍氢 (NiMH)电池和锂离子 (Li ion)电池 ,二次电池的性能比较见表 1.1。 表 1.1 铅酸、镍镉、镍氢和锂离子电池的性能比较 电池类型 工作电压(V) 重量比能量(Wh/kg
15、) 体积比能量(Wh/L) 循环次数 记忆效应 自放电率 (%/月 ) 铅酸电池 2.0 400 600 无 3 镍镉电池 1.2 50 150 400 500 有 15 30 镍氢电池 1.2 60 80 240 300 500 无 25 35 锂电池 3.6 120 140 300 1000 无 2 5 2.课题研究的意义 本课题是通过对锂 电池特性的分析与研究，以及对锂电池充电特性的研究，制定相应的方案，以实现充电器的智能化。对于充电器具体要解决的问题有： (1)充电前的处理，包括电池充电状态鉴定和预处理。 (2)改善充电控制部分的不合理性，从而造成对电池过充、欠充的问题，是电池使用的更
16、加长久。 (3)关于充电时间长、充电效率低的问题 (4)利用单片机的控制，可以通过简化外围电路的复杂性， 减轻充电过程的劳动强度和劳动时间，从而使充电器具有更高的可靠性、灵活性， 而且还可以大大的降低 成本 。 1.2 研究的主要工作 本课题针对锂电池而制定 充电器，并通过单片机实现充电器的智能化。具体的过程有： （ 1）首先，由于锂电池与其他可充电电池与其他电池不同，以及它的充电要求不同，制定相应的充电控制方法，考虑到充电的时间、充电的精度、充电过程的智能化方面来设计充电器的硬件电路。 （ 2）通过参考一些优秀的充电器，取其精华，总结出一套完整的设计方案。 （ 3）从总体上完成充电器的结构、
17、功能、做出完整的结构框图。 3 （ 4）针对锂电池充电器的要求，选择相应的控制芯片，并对主要的控制芯片进行做具体的介绍与分析。 （ 5）制定流程图，通过 C 语言软件编程设计出锂电池充电器的 智能化控制。 4 第 2 章 电池充电方案实现 2.1.电池的充电方法和充电器 2.1.1 电池充电的方法 （ 1）恒流充电 由于充电器的交流电源电压通常会波动， 为了使充电电流的强度不变，在电路中调整电源输出电压或者蓄电池串连一个电阻 ，控制方法简单， 可以使电池具有较高的充电效率，更具充电时间来决定充电是否终止。恒流电源充电电路如图 2.1 所示。 图 2.1 恒流充电电路 （ 2）准恒流充电 如图
18、2.2 所示，在准恒流电路中通过直流电源和电池之间串联上一个电位器，以增加电路内阻来产生恒流电源，通过调节电阻值，使电流不会超过电池的允许值。 图 2.2 准恒流充电电路 （ 3）恒压充电 充电电源的电压在提供充电的过程中是恒定的一个数值，这种充电方式的充电初期电流比较大，在末期会相对减小，电池两端的电压决定了充电电流的大小。充电电流会随着电压电池组 交流输入 交流输入 电池组 5 的波动而波动，恒压充电电路如图 2.3 所示 图 2.3 恒压充电电路 （ 4）阶段充电方式 这种 方法包 含了 二阶段充电法 与 三阶段充电法。 1)二阶段法 这种方法 采用 了 恒电流 与 恒电压相结合的充电方
19、法。首先， 是 以恒 定的电流充电 到设置好的 的电压值， 接着 ，改 成 恒 定 电压 来 完成 剩下来 的充电。一般 情况下 两阶段之间的转换电压就是第二阶段的恒电压。 2)三阶段充电法 在充电 的 开始 与 结束采用恒电流充电， 此外采 用恒 定 电压充电。当电流减 小 到 一 定 的 值时， 就会从 二阶段转 变 到第三阶段 来充电 。这 样的充电 方法可以 把 出气量 减到最少，但 如果要实现快速充电 ， 还是 受到 了许多 的限制。 分阶段充电方式 是电池最理想的充电方式，可它的缺点使得充电电路变得复杂，从而提高了成本。此外，需要对充电电路实施检测。分阶段充电方式的简单示意图如图
20、2.4 所示。 图 2.4 分阶段充电的简单示意图 （ 5）快速充电 在短时间里，用较大电流对电池进行充电，需用电池电压检测电路以及控制电路来保证充电过程的安全。在电池快充满的时候需要检测电池电压和电池温度，并且根据检测出来的参数控制充电过程。 1)电池电压检测 在大电流充电末期，检测电池电压，当电池电压达到设定值时，将大电流充 电转成小电流充电。采用小电流充电方式是为了保证电池充电容量。控制电路设置的充电截止电压必须比充电峰值电压低。 交流输入 电池组 R2 R1 电池组 交流输入 负载 + 直流电源 - 6 2) V检测 电池充电过程的充电电流是通过检测电池充电末期的电压降来进行控制的，
21、V控制系统框图如图 2.5所示。采用 V控制系统的充电控制电路，当充电峰值电压确定后，若 V检测电路检测的电压降达到设定值，控制电路将使大电流充电电路分断。电池的充电电流、电池电压和充电时间的关系如图 2.6所示。 图 2.5 V控制系统框图 图 2.6 充电电池、电池电压和充电时间的关系 3)电池温度检测 电池在充电快结束的时候，负极就会发生氧复合反应从而产许多的热量，使的电池温度不断的升高。电池温度的升高会使得充电电流的不断上升，为了控制充电电流，在电池外部安装了温度传感器或电阻等温度检测器件。当电池温度上升到一定值时，电池的充电电路就会被自动切断。下面即给出了电池温度检测简图 2.7和电池温度与充电时间的关系图 2.8。 电池电压 - V 充电电流 电池电压 充电电流 充电时间 电池组 恒流源 开关电源 比较电路 电压检测电路 - V 检测电路
