基于单片机的智能手机充电系统.doc

1、 学科分类号： 湖南科技大学本科生毕业设计题 目：基于单片机的智能手机充电系统学生姓名：陈子珊 学号 11809254 系 部： 信息科学与工程 专业年级： 电子信息工程 2011级 指导教师： 光良 职 称： 讲师 基于 51 单片机的智能充电器设计摘 要：本设计是选用 Maxim公司的 MAX1898作为电池充电芯片，使用单片机芯片 AT89C51对其进行控制的一款智能充电器的设计。在对锂离子电池的基本参数特性做出介绍的基础上,该充电器的硬件电路包括单片机控制部分、电压转换及光耦隔离部分、充电控制部分。软件设计以 C51语言为工具，实现了预充、快充、慢充、断电、报警等智能化充电过程。关键词

2、：充电器；智能；基于 AT89C51 单片机；MAX1898Intellgent Battery Charger Design Based on 51 Single-chip ComputerXiong Xingzhi(College of Electronic and Electric Engineering，communication engineering,Class1 Grade2006, 062312379)Abstract: I choice MAX1898 which is from Maxim Company as the charging chip and use AT89C

3、52 as the charging part to finish the design of an intelligent battery charger. Based on the introduction of the basic parameters and characteristics of lithium battery, the article fully introduces the hardware which includes MCU control part, voltage conversion and coupler isolation part and charg

4、e section. I select C51 language as the tool of software designing. This battery charger can fulfill the process of precharging, fast charging, slow charging, cutting off power and alarming.Key Words: battery charger;intellegent; based on AT89C52 single-chip computer；MAX1898目录1引言11.1课题背景 11.2指导思想 21

5、.3本设计完成的智能化功能 22单片机的简介 22.1单片机的特点 22.2单片机的应用 32.3单片机应用于充电器实现智能化 32.4 本设计所用单片机芯片. 42.4.1管脚定义说明 43锂离子电池介绍及充电芯片 MAX1898 介绍63.1锂离子电池简介 63.1.1锂离子电池基本参数特性 63.1.2锂离子电池优的缺点 73.2MAX1898 充电芯片 83.2.1MAX1898 的特点及充电芯片的选择理由 83.2.2MAX1898 的引脚构造 93.2.3MAX1898 的充电原理 94硬件电路的设计114.1主要器件 114.2电路电路原理图和说明 124.3智能充电器的充电过程

6、 155软件设计 165.1程序流程图 175.2主要程序说明 186总结 18参考文献 19附录 2011.引言1.1 课题背景随着信息技术的高速的发展，信息化正以令人惊叹的速度渗透到各个领域。电池作为一个传统的产业，正经历着前所未有的变革，特别是在通信，动力等领域，对电池有了新的要求。智能充电器就在这种环境下应运而生。在人们日常工作和生活中，随着各种电子产品的广泛应用，各种充电器就不可或缺。从电动刮胡刀到 mp3，从手机到笔记本电脑，几乎只要用到电池的设备都会用到充电器。这些充电器都有便携的特点，所以充电器为人们外出旅游和出差提供了相当大的方便。单片机在电池充电器领域有着广泛的应用，利用它

7、的处理控制能力可以实现充电器的智能化。充电器种类品种繁多，但严格意义上讲，只有单片机参与处理和控制的充电器才能称为智能充电器。 1.2 指导思想（1）实现充电过程。充电分为两个方面：一是充电过程的控制；二是需要提供基本充电电压。（2）智能化的实现。引入单片机可实现智能化。1.3 本设计完成的智能化功能本设计是基于 51 单片机在实现锂离子电池充电方面的应用。这种智能充电器在单片机的控制下，实现预冲，充电保护，自动断电和充电完成报警提示功能。2单片机简介在通用微机中央处理器（CPU）基础上，将输入输出（IO ）接口电路、时钟电路以及一定容量的存储器等部件集成在同一芯片上，再加上必要的外围器件，如

8、晶体振荡器，就构成了一个较为完整的计算机硬件系统。由于这类计算机系统基本部件集成在同一芯片内，因此被称为单片微控制器（Single-Chip-Micro Controller） 、微控制单元（Microcontroller Unit,MCU）或嵌入式控制器（Embedded Controller ） ，简称单片机。 1目前，8 位高档机和 16 位机在单片机应用中占主导地位，产品众多，已有几十个系列、几百个型号，除了通用单片机以外，集成更多资源，如 A/D 转换器、D /A 转换器、 “看门狗” （Watchdog）电路、LCD 控制器、网路控制模块等，将单片机嵌入式系统和 Intenet 连

9、接起来已是一种趋势。还有专用单片机产品，如专门用于数据处理（图2像和语言处理等）的单片机。总之，单片机正在向微型化、低功耗、高速、集成、高集成度、多资源、网络化、专用型方向发展。 22.1 单片机的特点单片机芯片作为控制系统的核心部件，它除了具备通用微机 CPU 的数值计算功能外，还必须具有灵活、强大的控制功能，以便实时监测系统的输入量，控制系统，从而实现自动控制功能 3。单片机主要面向工业控制，工作环境比较恶劣，如高温、强电磁干扰，甚至含有腐蚀性气体，在太空中工作的按偏激控制系统，还必须具有抗辐射功能，此而决定了单片机 CPU 的技术特征和发展方向：（1）单片机 CPU 抗干扰性强，工作温度

10、范围宽（按工作温度分类，有民用级工业级、汽车级及军用级） 。（2）单片机 CPU 可靠性高。在工业控制中，任何差错都可能造成极其严重的后果，因此在单片机芯片中普遍采用硬件看门狗技术，通过定时“复位”方式唤醒处于“失控”状态下的单片机芯片。（3）单片机 CPU 电磁辐射量小。高可靠性和低电磁辐射指标决定了单片机系统的时钟频率很低。为此，单片机芯片一般采用 HARVARD 双总线结构，即指令和数据存储器空间相互独立，并通过各自的数据总线与 CPU 相连，使取指和读/写数据能同时进行。双总线结构能提高数据的吞吐率，以便在不降低数据吞吐率的条件下使用较低的时钟频率。（4）单片机的控制功能很强。（5）单

11、片机的指令系统比较简单。（6）单片机芯片往往不是单一的数字电路芯片，而是数字、模拟混合电路系统，即单片机芯片内长集成了一定数量的模拟比较器，A/D 及 D/A 转换电路。（7）单片机 CPU 采用嵌入式结构。尽管同一系列的单片机品种、规格繁多，但彼此差异却不大。2.2 单片机的应用由于单片机具有如上所述的特点，因此在工业生产、日常生活等诸多领域，得到了日益广泛的应用，单片机的主要应用领域有：工业控制，如在工业生产过程中参数（如温度、压力、流量、液位等）的控制，数据处理功能于一体，如转速测试仪、噪声测试仪、振动测试仪及电子秤等。计算机网络与通信，单片机上有并行 I/O 接口，串联 I/0接口，可

12、用于通信接口，如单片机控制的自动呼叫应答系统、列车无线通信系统、遥测遥控系统等。家用电器，由于单片机体积小，控制能力强，且片内与定时器/计数器，所以广泛应用于家用设备中。如空调、洗衣机、微波炉及防盗报警等。本设计是单片机在智能充电方面的应用。32.3 单片机应用于充电器实现智能化因为多数充电器一般采用大电流的快速充电法，如果电池充满了，人们不及时断电就会使电池发烫，过度的充电会严重损害电池的寿命 4。像一些成本比较低的充电器一般采用电压比较法，为了防止过度充充，基本上充电到一定的程度就停止大电流快充，转而用小电流涓流补充充电。一部分的充电器不但能在很短时间内将电量充足，而且还可以对电池起到一定

13、的维护作用，修复由于使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式。专用的充电芯片具有业界公认较好的-v 检测，可以检测出电池充电饱和时发出的电压变化信号，比较精确地结束充电工作，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，在充电后增加及时关段电源、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的时间，同时能够维护电池，延长电池使用寿命。51 系列单片机也是当前使用最为广泛的 8 位单片机系列，其丰富的开发资源和较低的开发成本，使 51系列单片机现在以至将来都仍会有强大的生命力。在众多的 51系列单

14、片机中，AT89 系列单片机在我国得到了极其广泛的应用，AT89 系列单片机是美国 Atmel 公司的 8 位机产品。他的特点是片内含有 Flash Memory，Flash Memory 是一种电可摩除和电写入的闪速存储器（记为 FPEPROM)，在系列的开发过程中可以很容易地进行程序修改，使开发调试更为方便。2.4 本设计所用的单片机芯片本设计的单片机芯片选用 Atmel 公司的 AT89C51，它可以完全满足要求。A T89C51 是 一 个 低 电 压 ， 高 性 能 CMOS 8 位 单 片 机 ， 片 内 含 8 KB 的 可 反 复 擦 写 的 Flash只 读 程 序 存 储

15、器 （ ROM） 和 256 B 的 随 机 存 取 数 据 存 储 器 （ RAM） ， 器 件 采 用ATMEL 公 司 的 高 密 度 、 非 易 失 性 存 储 技 术 生 产 ， 兼 容 标 准 MCS-51 指 令 系 统 ，片 内 置 通 用 8 位 中 央 处 理 器 和 Flash 存 储 单 元 .AT89C51 有 40 个 引 脚 ， 32 个 外 部双 向 输 入 /输 出 （ I/O） 端 口 ， 同 时 内 含 2 个 外 中 断 口 ， 3 个 16 位 可 编 程 定 时 计 数器 ,2 个 全 双 工 串 行 通 信 口 ， 2 个 读 写 口 线 ， AT

16、89C51 可 以 按 照 常 规 方 法 进 行 编 程 ,但不 可 以 在 线 编 程 (S 系 列 的 才 支 持 在 线 编 程 )。 其 将 通 用 的 微 处 理 器 和 Flash 存 储 器结 合 在 一 起 ， 特 别 是 可 反 复 擦 写 的 Flash 存 储 器 可 有 效 地 降 低 开 发 成 本 。2.4.1 管 脚 定 义 说 明1.VCC 管 脚 ： 系 统 供 电 电 源2.GND 管 脚 ： 接 地 管 脚3.P0 端 口 （ P0.0P0.7） ： P0 端 口 是 一 组 8 位 开 环 的 双 向 I/O 端 口 。 当 P0 用4作 输 出 口

17、时 ， 没 个 管 脚 能 保 持 8 个 TTL 输 入 。 当 操 作 外 部 程 序 与 数 据 区 时 ， 通 过配 置 ， P0 还 可 用 作 地 位 的 地 址 /数 据 复 用 端 口 。4.P1 端 口 （ P1.0P1.7） ： P1 端 口 是 一 组 具 有 内 部 上 拉 电 阻 的 双 向 I/O 端 口 。由 于 存 在 上 拉 电 阻 ， P1 端 口 的 外 部 电 流 IIL 会 很 低 。 此 外 ,P1.0 和 P1.1 管 脚 可 配置 成 为 定 时 /计 数 器 2 的 外 部 计 数 输 入 （ P1.0/T2） 和 触 发 输 入 （ P1.1

18、/T2EX） ， 具体 配 置 如 表 2.1。 在 刷 新 程 序 代 码 和 验 证 信 息 时 ， P1 端 口 还 可 用 来 接 受 地 位 地 址 字节 。表 1 P1.0 和 P1.1 管 脚 配 置5 P2 端 口 ： P2 端 口 是 一 组 具 有 内 部 上 拉 电 阻 的 双 向 I/O 端 口 。 当 系 统 使 用16 位 地 址 信 息 读 取 外 部 程 序 区 间 或 操 作 外 部 数 据 区 间 时 ， 他 发 送 高 8 位 地 址 字 节 。这 种 操 作 一 般 使 用 MOVXDPTR 语 句 实 现 。6 P3 端 口 ： P3 是 一 组 具

19、有 内 部 上 拉 电 阻 的 双 向 I/O 端 口 ， 同 时 它 还 具 备 许 多系 统 功 能 ， 如 表 2 所 示 。表 2 P3 的 功 能7.RST 管 脚 ： 输 入 用 于 抚 慰 输 入 信 号 。8.ALE/PROG 管 脚 ： ALE 表 示 地 址 所 存 使 能 信 号 ， 当 防 卫 外 部 存 储 区 间 时 ， 用来 锁 存 低 8 位 地 址 字 节 。 /PROG 表 示 在 刷 新 程 序 代 码 时 的 程 序 脉 冲 输 入 信 号 。 在管 脚 配 置 功 能 表 述P1.0 T2（ 定 时 /计 数 器 2 的 外 部 计 数 输 入 ） ，

20、 时 钟 输 出P1.1 T2EX（ 定 时 /计 数 器 2 的 处 罚 和 方 向 选 择 ）管 脚 配 置 功 能P3.0 RXD（ 串 行 输 入 端 口 ）P3.1 TXD（ 串 行 输 出 端 口 ）P3.2 INT0（ 外 部 中 断 0 端 口 ）P3.3 INT1（ 外 部 中 断 1 端 口 ）P3.4 T0（ 定 时 器 0 的 外 部 输 入 ）P3.5 T1（ 定 时 器 1 的 外 部 输 入 ）P3.6 WR（ 外 部 数 据 存 储 区 间 的 写 入 端 口 ）P3.7 RD（ 外 部 数 据 存 储 区 间 的 读 取 端 口 ）5正 常 操 作 时 ， A

21、LE 将 以 系 统 晶 振 频 率 的 1/6 发 送 一 个 固 定 的 频 率 ， 可 用 于 外 部 时 钟或 者 定 时 。9./PSEN 管 脚 ： /PSEN 表 示 程 序 代 码 存 放 使 能 信 号 ， 主 要 用 于 读 取 外 部 的 程 序数 据 区 间 ， 当 AT89C52 执 行 外 部 程 序 数 据 区 间 中 的 代 码 时 ， /PSEN 信 号 在 每 一机 器 始 终 周 期 内 使 能 两 次 ， 但 若 单 片 机 操 作 外 部 数 据 区 间 ， /PSEN 将 无 实 际 意 义 。10.XTAL1 管脚：改管脚点解单片机晶振，作为晶振放

22、大器和内部时钟处理电路的输入。11.XTAL2 管脚：晶振放大器的输出。 5AT89C51 管脚图如图 2.1。图 2.1 AT89C51 管脚图3.锂离子电池介绍及充电芯片 MAX1898 的介绍3.1 锂离子电池简介锂是一种金属元素，化学符号 Li，是一种银白色、十分柔软，化学性能活泼的金属，是金属中最轻的。锂离子电池的正极材料通常有锂的活性化合物组成（主要成分是 LiCo02） ，负极则是特殊分子结构的碳。锂离子电池可以分成两大类：不可充电型和可充电型，最大特点是比能量高。比能量指的是单位重量或单位体积的能量，用 Wh/Kg 或 Wh/L 表示。3.1.1 锂离子电池基本参数特性 61.

23、高能量密度6锂电子电池的能量密度可以达到 360Wh/L,158Wh/Kg,是 NI-CD 及 NI-MH 电池的两倍以上。2.高工作电压一般放电电压为 3.7V。3.高负载特性一般锂电子电池的最大连续放电电流可达 2CmA。4.放电特性稳定即使在电池寿命接近终止时，光宇锂离子电池仍保持着良好的放电稳定性。5.快速充电特性锂离子电池可接受的最大充电电流可达 1CmA，而且恒流充电时间可达 50 分钟以上。6.长循环寿命重复使用次数多，循环充电特性好，可以重复 5001000 次充放电。锂离子电池的这些特点促进了便携式产品向更小更轻的方向发展，使得选用单节锂离子电池供电的产品也越来越多。3.1.

24、2 锂离子电池的优缺点虽然锂离子电池很少发生结晶化的反应，这种反应是产生记忆效应的原理。但是，锂离子电池在多次充放电之后仍会性能下降，原因是非常复杂的。最主要的是正负材料的变化，从分子角度看，正负极能容纳锂离子的空穴会塌陷，这样就会堵塞，影响电流的充放；从化学角度来看，正负极材料的钝化，会产生一些稳定的化合物，这样也会也会影响性能。从物理角度看上，由于充放电过程中难免会有一些摩擦，碰撞，这样会使外部材料慢慢流失，甚至脱落。这三方面的原因都会使锂离子电池在充放电过程中参加导电的锂离子丢失。过度的充放电，都会对造成电池的损害或降低使用寿命，过度放电将导致负极碳过度释放出锂离子而使得其片层结构出现塌

25、陷，过度充电将把太多的锂离子硬塞进负极碳结构里去，而使得其中一些锂离子再也无法释放出来。这也是锂离子电池为什么通常配有充放电的控制电路的原因。锂离子电池一般都带有管理芯片和充电控制芯片。其中管理芯片中有一系列的寄存器，存有容量、温度、ID、充电状态、放电次数等数值。这些数值在使用中都会逐渐变化。充电控制芯片是控制电池的充电过程。锂离子电池的充电过程分为两个阶段，恒流快充阶段（电池指示灯呈黄色时）和恒压电流递减阶段（电池指示灯呈绿色闪烁。开始充电时，电池的电压以较大的斜率升压，当到达电池的标准电压，之后再控制芯片的控制下转入恒压充电状态，此过程中电压变化不大，电流在逐渐减小，当充电电7流几乎降到

26、零时，可认为电池电量已满，停止充电。电量统计芯片通过记录放电曲线（电压、电流、时间）可以抽样计算出电池的电量。而锂离子电池在多次使用后，放电曲线是会改变的，如果芯片一直没有机会再次读出完整的一个放电曲线，其计算出来的电量也就是不准确的。所以我们需要深充放来校准电池的芯片。锂离子电池的不足之处在于对充电器要求比较苛刻，需要保护电路。锂离子电池要求的充电方式是恒流恒压方式，为有效利用电池容量，需将锂离子电池充电至最大电压，但是过压充电会造成电池损坏，这就要求较高的控制精度。另外，对于电压过低的电池需要进行预充，充电器最好带有热保护和时间保护，为电池提供附加保护。由此可见实现安全高效的充电控制成为锂

27、离子电池推广应用的瓶颈。3.2MAX1898 充电芯片MAX1898 是一片 Maxim 公司生产的单锂离子电池的线性充电器电路，是一款性价比比较高的线性充电芯片。MAX1898 配合外部的 PMOS 或 PNP 晶体管可以组成完整的锂离子充电器。MAX1898 提供了充电状态的输出指示、输入电压是否与充电器连接的输出制式和充电电流指示。MAX1898 可以提供精确的恒流/恒压充电，提高了电池性能且延长了电池的使用时间。充电电流可自由设定，原理无需外部检流电阻，只用内部检流。MAX1898 还可以可选过放电电池的低电流预充和充电终止安全定时器、输入关断控制、可选充电周期重启（不用重新给电） 。它具有很高的集成度，在很小的尺寸内集成了很多的功能，基本上覆盖了基本的应用电路，大大简化了设计过程，因为只需少量外部的元件。图 3.1 MAX1898 实物图3.2.1MAX1898 的特点及充电芯片的选择理由MAX1898 特点如下：1. 4.5V12V 的输入电压小，无需变压装置。2. 可以自动检测输入电源。3. 充电电流可以自由编程。4. 内置检流电阻（充电电流可根据自己要求内部检流，不用外部检流电阻） 。5. 检流可监视输出。