1、能智充电器设计毕业设计智能充电器设计目 录第一章 绪论 11.1 引言 11.2 蓄电池充电理论 11.3 蓄电池种类 31.4 设计要求 4第二章 系统设计思路分析 62.1 智能化的实现 62.2 充电方式分析 62.3 芯片选用及介绍 8第三章 系统硬件设计 123.1 主要器件 123.2 原理图及说明 14第四章 系统软件设计 164.1 程序流程图 164.2 程序设计及说明 17结论与体会 20主要参考材料： 21附录1：系统原理图 22第一章 绪论1.1 引言中国是全球蓄电池的产销大国，蓄电池已有200多年的历史，是一种应用广泛的动力电源。具有原材料易得、价格低廉、可靠性好等优
2、点，目前约有95%的市场占有率。蓄电池作为稳定电源和主要的直流电源，需求广泛，用量巨大，与我们的社会生活息息相关。由于蓄电池维护简单、价格低廉、供电可靠、使用寿命长，广泛作为汽车、飞机、轮船等机动车辆或发电机组的启动电源。随着经济的发展，大容量蓄电池的应用迅速增加，人们希望能快捷、安全的对蓄电池进行充电。因此，为了适应市场需求，我们需要设计一种对于蓄电池的只能充电器。首先，目前市面上的充电器有许多的不足和缺陷，由于充电器多采用大电流的快速充电法，在电池充满后如果不及时停止会使电池发烫，过度的充电会严重损害电池的寿命。而且，流行的铅酸密封蓄电池充电器大多采用三段式充电方法，充电时间长，效率低，对
3、电池保护差，容易发生过充电或者充电不足的现象。过充电，可使蓄电池发热，电解液失水；充电不足，可使蓄电池内化学反应不充分，并且长期充电不足会导致容量下降。以上两种情况都会降低蓄电池的使用寿命。由此可见，充电气性能的好坏都会直接影响到蓄电池的使用效果和使用寿命。1.2 蓄电池充电理论上世纪60年代中期，美国科学家马斯开口对蓄电池的充电过程做了大量的试验研究，并提出了以最低出气率为前提的蓄电池可接受充电曲线，如图所示。实验表明，如果充电电流按这条曲线变化，就可以大大缩短充电时间，并且对电池的容量和寿命也没有影响。原则上把这条曲线成为最佳充电曲线，如图1.1所示，从而奠定了智能充电方法的研究方向。 图
4、1.1 最佳充电曲线由图1.1可以看出：初始充电电流很大，但衰减很快。主要原因是充电过程中产生了极化现象，在密封式蓄电池充电过程中，内部产生氧气和氢气，当氧气不能被及时吸收时，便堆积在正极板（正极板产生氧气），是电池内部压力增大，电池温度上升，同时缩小了正极板的面积，表现为内阻上升，出现了所谓的极化现象。蓄电池是可逆的，其放电及充电的化学反应式如下 Pb+PbO2+2H2SO4=2PbSO4+2H2O 很显然，充电过程和放电过程互为逆反应。可逆过程就是热力学的平衡过程，为保障电池能够始终维持在平衡状态之下充电，必须尽量使通过电池的电流小一些。理想条件是外加电压等于电池本身的电动势。但是实践表明
5、，蓄电池充电时，外加电压必须增大到一定数值才行，这个数值又因为电极材料、溶液浓度等各种因素的差别而在不同程度上超过了蓄电池的平衡电动势值。在化学反应中，这种电动势超过热力学平衡值的现象就是极化现象。一般来说，产生极化现象有3个方面的原因。1）欧姆极化：充电过程中，正负离子向两极迁移，在离子迁移过程中不可避免的受到一定的阻力，成为欧姆内阻。为了克服这个内阻，外加电压必须额外施加一定的电压，以克服阻力推动离子迁移。该电压以热的方式转化给环境，出现所谓的欧姆极化。随着充电电流急剧加大，欧姆极化将造成蓄电池在充电过程中的高温。2）浓度极化：电流流过蓄电池时为维持正常的反应，最亮想的情况是电极表面反应物
6、及时得到补充，生成物能及时离去。实际上，生成物和反应物的扩散速度远远比不上化学反应速度，从而造成极板附近电解质溶液浓度发生变化。也就是说，从电极表面到中部溶液电解液浓度分布不均匀，这种现象称为浓度极化。3）电化学极化：这种极化是由于电极上进行的电化学反应的速度，落后于电极上电子运动的速度造成的。例如：电池的负极放电前，电极表面带有负电荷，其附近溶液带有正电荷，两者处于平衡状态。放电时，立即有电子释放给外电路。电极表面负电荷减少，而金属溶解的氧化反应进行缓慢Me-eMe+，不能及时补充电极表面电子的减少，电极表面带电状态发生变化。这种表面负电荷减少的状态促进金属中电子离开电极，金属表面M+转入溶
7、液，加速Me-eMe+反应进行。总有一个时刻，达到新的动态平衡。但与放电前相比，电极表面所带负电荷数目减少了，于此对应的电极电势变正。也就是电化学极化电压变高，从而严重阻碍了正常的充电电流。同理，电池正极放电时，电极表面所带正电荷数目减少，电极电势变负。这3种极化现象都是随着充电电流的增大而严重。1.3 蓄电池种类目前常用的四种化学电池是铅酸电池(PbSO4)、锂离子电池(Li+)、镍铬电池(NiCd)和镍氢电池(NiMH)。由于环保问题和对电池的要求越来越高等综合因素,推动了新电池技术的发展。镍铬电池的容量比镍氢电池或锂离子电池低,具有低阻抗特性,对于需要短时间大电流的应用场合很具吸引力。但
8、镍铬电池如果未经充分放电又进行充电,或者长时间处于小电流放电状态,就会产生枝状晶体,引起“记忆效应”,从而导致电池内阻变大,容量变小,缩短了电池寿命。如果在充电前进行完全放电,使每节电池的电压降到10V左右,就能消除引起“记忆效应”的枝状晶体,恢复电池的性能。镍氢电池具有较高的容量,但其自放电率也较高,约为镍铬电池的二倍。在初始阶段其放电率尤高(每天放掉1%)。所以镍氢电池不宜用于需要长时间保持电池容量的场合就充电方式而言,两种电池非常相似,都是以恒流的方式进行充电,可采用快速、标准或者涓流的方式进行充电。它们都能以超过2C(C为电池容量,单位为安培)的速率进行充电(但一般采用C/2速率)。由
9、于存在内部损耗,充电效率一般小于100%,所以,在采用C/2的速率充电时,通常需要两个多小时才能把电池充满。充电过程中的损耗随着充电速率和电池的不同而不同。在恒流充电时,电池电压会缓慢达到峰值(V/t变为0),镍氢电池需在这个峰值点终止快速充电,镍铬电池的充电须在峰值点后当电池电压开始下降时(V/t变为负)即终止快速充电,否则会导致电池内压力和温度上升而损坏电池。当充电速率大于C/2时,则要监测电池的电压和温度,因为当电池快充满时,电池的温度会急剧上升。对于镍铬电池和镍氢电池,还可以采用比较简便的涓流充电,这时只会造成极小的温升,不会损坏电池,也就无需终止涓流充电或者监测电池的电压。允许的最大
10、涓流随着电池类型和环境温度的不同而不同,典型条件下C/15较为安全。过去几年中,电池技术领域最突出的创新就是锂离子电池。相对于镍基电池而言,锂离子电池具有更高的容量。从容量/体积比来衡量,锂离子电池比镍氢电池高出10%30%,从容量/质量比来看,锂离子电池比镍氢电池高出近两倍。但锂离子电池对于过充电和欠充电很敏感。要达到最大容量就必须充电到最高电压,而过高的电压和过大的充电或放电电流又会造成电池的永久性损坏。如果多次放电至过低的电压则会造成容量损失,所以,充电和放电时都须限制其电压和电流,以保护电池不受损坏。锂离子电池的充电方式不同于镍基材料的化学电池,充电时需用一个电压电流源来进行充电。为了
11、获得最大的充电量而又不损坏电池,须使电压保持在1%的精度内。快速充电开始时,电池的电压比较低,充电电流即为电流极限。随着充电的进行,电池电压缓慢上升,最终当每节电池达到浮空电压42V时，此时即可终止充电。1.4 设计要求 在人们日常工作和生活中，充电器的使用越来越广泛。从随身听到数码相机，从手机到笔记本电脑，几乎所有用到电池的电器设备都需要用到充电器。充电器为人们的外出和出差办公提供了极大的方便。 单片机在电池充电器领域也有着广泛的应用，利用它的处理控制能力可以实现充电器的智能化。充电器的种类繁多，但从严格意义上讲，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。设计要求如下：1）具有预充
12、、快充和慢充的功能2）具有自动断电的充电保护功能3）具有充电完成报警提示的功能第二章 系统设计思路分析2.1 智能化的实现充电的实现，它包括两部分：一是充电过程的控制；二是需要提供基本的充电电压。在充电器电路中引入单片机的控制。它为什么需要实现充电器的智能化呢？ 充电器实现的方式不同会导致充电效果的不同。由于充电器多采用大电流的快速充电法，在电池充满后如果不及时停止会使电池发烫，过度的充电会严重损害电池的寿命。一些低成本的充电器采用电压比较法，为了防止过充，一般充电到90就停止大电流快充，而采用小电流涓流补充充电。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的一种电
13、池，它具有较高的能量重量比、能量体积比，具有记忆效应，可重复充电多次，使用寿命较长，价格也越来越低。锂电池对于充电器的要求比较苛刻，需要保护电路。为了有效利用电池容量，需将锂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。 一部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法。专用的充电芯片具备业界公认较好的-v 检测，可以检测出
14、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。2.2 充电方式分析 蓄电池的常规充电方式有两种：浮充(又称恒压充电)和循环充电。浮充时要严格掌握充电电压，如额定电压为12V的蓄电池，其充电电压应在13.513.8V之间。浮充电压过低，蓄电池会充不满，过高则会造成过量充电。电压的调定，应以初期充电电流不超过0.3C(C为蓄电池的额定容量)为原则。循环充电，其初期充电电流也不宜超过0.3C，充电的安培小时数要略大于放电安培小时数。也可先以0.1C的充电速率恒流充电数小时，当充电安培小时数达到放电安培小时数的90时，再改用浮充电压充电
15、，直至充满。以上为目前常用的铅酸蓄电池充电方式，但这两种方式存在着一些不足之处。在充电过程中，电池电压逐渐增高，充电电流逐渐降低。由于恒压充电不管电池电压的实际状态，充电电压总是恒定的，充电电流刚开始比较大，然后按指数规律下降；采用快速充电可能使蓄电池过量充电，易导致电池损坏。对于循环充电而言，采用较小电流充电，充电效果较好。但对于大容量的蓄电池，充电时间就会拖得很长，时效低，造成诸多不便。通过对上述两种充电方式的分析比较，综合其优点设计出具有快充和慢充的智能型铅酸蓄电池充电器。该充电器采用单片机控制，充电过程分为快充、慢充及涓流充三个阶段，充电效果更佳。图2.1所示为该充电器的充电电流、电压
16、曲线。 图2.1 充电器的充电电流、电压曲线 从图2.1可以看出：在快充阶段(0t1)，充电器以恒定电流1C对蓄电池充电，由单片机控制快充时间，避免过量充电；在慢充阶段(t1t2)，单片机输出PWM控制信号，控制斩波开关通断，以恒定电压对蓄电池进行充电，此时充电电流按指数规律下降，当电池电压上升到规定值时，结束慢充，进入涓流充阶段；在涓流充阶段(t2t3)，单片机输出的PWM控制信号，使充电器以约0.09C的充电电流对蓄电池充电，在这种状态下，可长时间对蓄电池充电，从而能最大限度地延长蓄电池寿命。2.3 芯片选用及介绍2.3.1 芯片选择目前市场上存在大量的电池充电芯片，它们可直接用于进行充电
17、器的设计。在选择具体的电池充电芯片时，需要参考以下标准。 1)电池类型：不同的电池(锂电池、镍氢电池、镍镉电池等)需选择不同的充电芯片。 2)电池数目：可充电池的数目。3)电流值：充电电流的大小决定了充电时间。4)充电方式：是快充、慢充还是可控充电过程。本设计要求充电快速且具有优良的电池保护能力，据此选择Maxim 公司的MAXl898 作为电池充电芯片。2.3.2 MAX1898芯片的特点 MAXl898 配合外部PNP 或PMOS 晶体管可以组成完整的单节锂电池充电器。MAX1898提供精确的恒流/恒压充电，电池电压调节精度为0.75，提高了电池性能并延长了电池使用寿命。充电电流可由用户设
18、定，采用内部检流，无须外部检流电阻。 MAXl898 提供了充电状态的输出指示、输入电源是否与充电器连接的输出指示和充电电流指示。MAXl898 还具有其他一些功能，包括输入关断控制、可选的充电周期重启(无须重新上电)、可选的充电终止安全定时器和过放电电池的低电流预充。MAXl898 的关键特性如下：1) 简单、安全的线性充电方式。 2) 使用低成本的PNP 或PMOS 调整元件。 3) 输入电压：4.512V。4) 内置检流电阻。5) 0.75电压精度。6) 可编程充电电流。7) 输入电源自动检测。8) LED 充电状态指示。9) 可编程安全定时器。10) 检流监视输出。11) 可选/可调节
19、自动重启。12) 小尺寸uMAX封装。2.3.3 MAX1898芯片的充电工作原理充电芯片MAXl898 的内部电路包括输入电流调节器、电压检测器、充电电流检测器、定时器、温度检测器和主控制器。输入电流调节器用于限制电源的总输入电流，包括系统负载电流与充电电流。当检测到输入电流大于设定的门限电流时，通过降低充电电流从而控制输入电流。因为系统工作时电源电流的变化范围较大，如果充电器没有输入电流检测功能，则输入电源必须能够提供最大负载电流与最大充电电流之和，这将使电源的成本增高、体积增大，而利用输入限流功能则能够降低充电器对直流电源的要求，同时也简化了输入电源的设计。 MAXl898 外接限流型充
20、电电源和P 沟道场效应管，可以对单节锂电池进行安全有效的快充，其最大特点是：在不使用电感的情况下，仍能做到很低的功率耗散，可以实现预充电，具有过压保护和温度保护功能，最长充电时问的限制可为锂电池提供二次保护。MAX1898 的浮动方式能够使电池容量充至最大。当充电电源和电池在正常的工作温度范围内时，插入电池将启动一次充电过程；充电结束的条件是平均的脉冲充电电流达到快充电流的 1，或时间超出片上预置的充电时间。MAXl898 能够自动检测充电电源，没有电源时自动关断以减少电池的漏电。启动快充后打开外接的P 型场效应管，当检测到电池电压达到设定的门限时进入脉冲充电方式，P 型场效应管打开的时问会越
21、来越短。充电结束时，指示灯将会按12%的周期闪烁，MAX1898 的典型充电电路如下图2.2所示电路具体说明如下：图2.2 MAX1898的典型充电电路1) 输入电压范围为 4.512v。锂电池要求的充电方式是恒流恒压方式，电源的输入需要采用恒流恒压源，一般可采用直流电源外加变压器。 2) 通过外接的场效应管提供锂电池的充电接口。3) 通过外接的电容 CcT来设置充电时间 tCHG。这里的充电时间指的是快充时的最大充电时间，它和定时电容CcT 的关系如下式所示：CcT=34.33tCHG (2-1)式中，tCHG 的单位为小时，CcT 的单位为Nf。大多数情况下，快充时最大充电时问不超过3 小
22、时，因此常取CcT 为100nF。4) 在限制电流的模式下，通过外接的电阻 RSET 来设置最大充电电IFSTCHG，关系如下式所示：IFSTCHG=1400/Rset 式中，RSEI-的单位为Q，IFSTCHG 的单位为A。 当充电电源和电池在正常的工作温度范围内时，插入电池将启动一次充电过程。平均的脉冲充电电流低于设置的快充电流的20，或者充电时间超出片上预置的最大充电时问时，充电周期结束。MAXl898 能够自动检测充电电源，没有电源时自动关断以减少电池的漏电。启动快充后，打开外接的P 型场效应管，当检测到电池电压达到设定的门限时进入脉冲充电方式，P 型场效应管打开的时JI 间会越来越短
23、。充电结束时，LED 指示灯将会呈现周期性的闪烁，具体的闪烁含义如表2.1所示。表2.1 MAX1898 典型充电电路的LED 指示灯状态说明充电状态LED 指示灯电池或充电器没有安装灭预充或快充亮充电结束灭充电出错以1.5Hz 频率闪烁第三章 系统硬件设计3.1 主要器件 本设计的核心器件是MAXl898。MAXl898 可对所有化学类型的Li+电池进行安全充电，它具有高集成度，在小尺寸内集成了更多功能，尽可能多地覆盖了基本应用电路，只需要少数外部元件。MAXl898 为10 引脚、超薄型的MAX 封装，其引脚分布如图3.1 所示：图3.1 MAXl898引脚分布其引脚功能如下：IN(1 脚
24、)：传感输入，检测输入的电压或电流； CHG(2 脚)：充电状态指示脚，同时驱动LED；EN/OK(3 脚)：使能输入脚/输入电源“好”输出指示脚。EN 为输入脚，可以通过输入禁止芯片工作；OK 为输出脚，用于指示输入电源是否与充电器连接；ISET(4 脚)：充电电流调节引脚。通过串接一个电阻到地来设置最大充电电流；CT(5 脚)：安全充电时间设置引脚。接一个时间电容来设置充电时间，电容为 100nF 时，几乎为3 个小时，此引脚直接接地将禁用此功能；RSTRT(6 脚)：自动重新启动控制引脚。当此引脚直接接地时，如果电池电压掉至基准电压阈值以下 200mV，将会重新开始一轮充电周期。此引脚通
25、过电阻接地时，可以降低它的电压阈值。此引脚悬空或者 CT 引脚接地(充电时间设置功能禁用)时，自动重新启动功能被禁用；BATT(7 脚)：电池传感输入脚，接单个 Li+电池的正极。此引脚需旁接一个大电解电容到地；GND(8 脚)：接地端；DRV(9 脚)：外部晶体管驱动器，接晶体管的基极； CS(10 脚)：电流传感输入，接晶体管的发射极。 本设计的单片机芯片选用Atmel 公司的AT89C52，它完全可以满足要求。另外，由于充电器外部为+12V 供电，因此需要通过电压转换芯片将+12V 电压转换为 +5V 电压，这里选用三端电压转换芯片LM7805 来完成此功能。为了降低电源干扰，保持电路的
26、稳定，在LM7805 完成电压转换，将+5v 充电电源送给 MAXl898 之前，先经过一次光耦模块 6N137 的处理，通过单片机对光耦模块的控制，可以及时关断充电电源。6N137 的引脚分布如图3.2 所示：图3.2 6N137 的引脚分布其引脚功能如下：NC(1 脚、4 脚)：悬空；+(2 脚)、-(3 脚)：发光二极管的正、负极；GND(5 脚)：接地端；OUTPUT(6 脚)：输出脚；EN(7 脚)：使能脚。为低时，无论有无输入，输出都为高。不使用时，悬空即可； VCC(8 脚)：电源输入脚。3.2 原理图及说明图3.3 单片机部分的电路原理图图3.3 所示的为充电控制部分的电路原理
27、图，其核心器件为充电芯片MAXl898，其充电状态输出引脚/CHG 经过。74LS04反相后与单片机INT0相连，触发外部中断。图中，ul 为单片机AT89C52，工作在110592MHz 时钟；u2 为蜂鸣器；LED_R为红色发光二极管，红灯表示电源接通；LEDG为绿色发光二极管，绿灯表示处于充电状态；Q1为P沟道的场效应管，由MAxl898 提供驱动；R4为设置充电电流的电阻，阻值为2.8kQ，设置最大充电电流500mA，C11为设置充电时间的电容，容值为100nf，设置最大充电时间为3 小时。在MAXl898和外部单片机的共同作用下，实现了如下的充电过程：1）预充在安装好电池之后，接通输
28、入直流电源，当充电器检测到电池时将定时器复位，从而进入预充过程，在此期间充电器以快充电流的10给电池充电，使电池电压、温度恢复到 13 正常状态。预充时间由外接电容CcT 确定(100nF 时为45 分钟)，如果在预充时间内电池电压达到2.5V，且电池温度正常，则充电进入快充过程；如果超过预充时间后，电池电压仍低于2.5V，则认为电池不可充电，充电器显示电池故障，LED 指示灯闪烁。 2）快充快充过程也称为恒流充电，此时充电器以恒定电流对电池充电。恒流充电时，电池电压缓慢上升，一旦电池电压达到所设定的终止电压，恒流充电终止，充电电流快速递减，充电进入满充过程。3）满充在满充过程中，充电电流逐渐
29、衰减，直到充电速率降到设置值以下，或满充时间超时，转入顶端截止充电。顶端截止充电时，充电器以极小的充电电流为电池补充能量。由于充电器在检测电池电压是否达到终止电压时有充电电流通过电池内阻，尽管在满充和顶端截止充电过程中充电电流逐渐下降，减小了电池内阻和其他串联电阻对电池端电压的影响，但串联在充电回路中的电阻形成的压降仍然对电池终止电压的检测有影响。一般情况下，满充和顶端截止充电可以延长电池510的使用时间。 4）断电当电池充满后，MAXl898 芯片的2 号管脚发送的脉冲电平会由低变高，这将会被单片机检测到，引起单片机的中断，在中断中，如果判断出充电完毕，则单片机将通过P2.0 口控制光耦6N
30、137，切断LM7805 向MAXl898 的供电，从而保证芯片和电池的安全，同时也减小功耗。5）报警当电池充满后，MAXl898 芯片本身会熄灭外接的LED 绿灯。但是，为了安全起见，单片机在检测到充满状态的脉冲后，不仅会自动切断MAXl898 芯片的供电，而且会通过蜂鸣器报警，提醒用户及时取出电池。当充电出错时，MAXl898 芯片本身会控制LED 绿灯以15Hz 左右的频率闪烁，此时不要切断芯片的供电，要让用户一直看到此提示。第四章 系统软件设计4.1 程序流程图图4.1 程序流程图4.2 程序设计及说明#define uchar unsigned char#define uint un
31、signed intsbit GATE=P20; sbit BP=P21; uint t_count，int 0_count; /+定时器0 中断服务子程序*/void timer0()interrupt 1 USing 1 TR0=0; /停止计数TH0=-5000/256; /重设5ms 计数初值TL0=-5000256:t_count+; if(it_count600) /第一次外部中断0 产生后3S if(int0_count=1)/还没有出现第二次外部中断0,则认为充电完毕 GATE=0; /关闭充电电源 BP=0; /打开蜂鸣器报警 e1se /否则即是充电出错 GATE =1;BP =1;ET0 =0; /关闭TO 中断EX0 =0; /关闭外部中断0int0_count =0;t_count =0;else TR0=1; /TO 开始计数 /*外部中断0 服务子程序+/ void int0()interrupt 0 USing 1 if(i
