畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文）基于91單片機(jī)的智能手機(jī)電池充電器的設(shè)計(jì)

重慶理工大學(xué)畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文）題 目智能手機(jī)充電器（硬件設(shè)計(jì)）二級(jí)學(xué)院 應(yīng)用技術(shù)學(xué)院 專 業(yè) 電氣工程及其自動(dòng)化 班 級(jí) 姓 名 學(xué) 號(hào) 指導(dǎo)教師 系 主 任 時(shí) 間 智能手機(jī)充電器的設(shè)計(jì)第一章 緒論 一、目的和意義隨著科技的發(fā)展，人們對(duì)身邊電子產(chǎn)品的數(shù)字化、自動(dòng)化，效率要求越來(lái)越高，本項(xiàng)目旨在解決日常生活中人們對(duì)電池充電的煩惱，該產(chǎn)品是基于單片機(jī)的硬件和軟件來(lái)實(shí)現(xiàn)的，它在很大程度上為解決電器充電有不可忽視的作用。為現(xiàn)代越來(lái)越快的生活節(jié)奏提供保障，而在戶外情況下對(duì)太陽(yáng)能的利用，也是一種環(huán)保、節(jié)能的選擇，這使我們步入了新能源開發(fā)利用的行列。從而充電工人只擔(dān)任輔助性工作，更加人道化，也為充電技術(shù)和充電設(shè)備的智能化闖出了一條新路。目的：如今，隨著越來(lái)越多的手持式電器的出現(xiàn)，對(duì)高性能、小尺寸、重量輕的電池充電器的需求也越來(lái)越大。電池技術(shù)的持續(xù)進(jìn)步也要求更復(fù)雜的充電算法以實(shí)現(xiàn)快速、安全的充電。因此需要對(duì)充電過程進(jìn)行更精確的監(jiān)控，以縮短充電時(shí)間、達(dá)到最大的電池容量，并防止電池?fù)p壞。與此同時(shí)，對(duì)充電電池的性能和工作壽命的要求也不斷地提高。從20世紀(jì)60年代的商用鎳鎘和密封鉛酸電池到近幾年的鎳氫和鋰離子技術(shù)，可充電電池容量和性能得到了飛速的發(fā)展。目前各種電器使用的充電電池主要有鎳鎘電池（NiCd）、鎳氫電池（NiMH）、鋰電池（Li-Ion）和密封鉛酸電池（SLA）四種類型。電池充電是通過逆向化學(xué)反應(yīng)將能量存儲(chǔ)到化學(xué)系統(tǒng)里實(shí)現(xiàn)的。由于使用的化學(xué)物質(zhì)的不同，電池有自己的特性。設(shè)計(jì)充電器時(shí)要仔細(xì)了解這些特性以防止過度充電而損壞電。目前，市場(chǎng)上賣得最多的是旅行充電器，但是嚴(yán)格從充電電路上分析，只有很少部分充電器才能真正意義上被稱為智能充電器，隨著越來(lái)越多的手持式電器的出現(xiàn)，對(duì)高性能、小尺寸、輕重量的電池充電器的需求也越來(lái)越大。電池技術(shù)的持續(xù)進(jìn)步也要求更復(fù)雜的充電算法以實(shí)現(xiàn)快速、安全地充電，因此，需要對(duì)充電過程進(jìn)行更精確地監(jiān)控(例如對(duì)充、放電電流、充電電壓、溫度等的監(jiān)控)，以縮短充電時(shí)間，達(dá)到最大的電池容量，并防止電池?fù)p壞。二、國(guó)內(nèi)外現(xiàn)狀電池的化學(xué)成分和設(shè)計(jì)一起限定電池所能提供的電流。若沒有限制性能的實(shí)際因素，電池可產(chǎn)生無(wú)窮大的電流。限制電池性能的主要因素是化學(xué)成分的反應(yīng)率、電池設(shè)計(jì)和發(fā)生反應(yīng)的區(qū)域。某些電池具有產(chǎn)生大電流的能力。一個(gè)新的可充電電池或電池組(一個(gè)電池組中有幾個(gè)電池)不能保證完全充滿電。事實(shí)上它們很可能幾乎被放電。因此，第一件要做的事情是根據(jù)制造商提供的化學(xué)成分相關(guān)指南，對(duì)電池/電池組進(jìn)行充電。近幾年來(lái)，便攜式電子產(chǎn)品的迅猛發(fā)展促進(jìn)了電池技術(shù)的更新?lián)Q代。其中鋰離子電池以高能量密度、高內(nèi)阻、高電池電壓、高循環(huán)次數(shù)、低自放電率等特性，脫穎而出，迅速成為市場(chǎng)的主流。據(jù)統(tǒng)計(jì)，在筆記本電腦和移動(dòng)電話領(lǐng)域，鋰離子電池的市場(chǎng)占有率分別為80%和60%。根據(jù)日本矢野經(jīng)濟(jì)研究所的預(yù)測(cè)，鋰離子電池正以53.33%的年增長(zhǎng)率快速取代傳統(tǒng)的鎳鉻和鎳氫電池市場(chǎng)。充電器,英文名稱Charger,通常指的是一種為蓄電裝置提供能量的設(shè)備。充電器在各個(gè)領(lǐng)域用途廣泛，特別是在生活領(lǐng)域被廣泛用于手機(jī)、相機(jī)等等常見電器。充電器是采用電力電子半導(dǎo)體器件，將電壓和頻率固定不變的交流電變換為直流電的一種靜止變流裝置。在以蓄電池為工作電源或備用電源的用電場(chǎng)合，充電器具有廣泛的應(yīng)用前景。充電器有很多，如鉛酸蓄電池充電器、閥控密封鉛酸蓄電池的測(cè)試與監(jiān)測(cè)、鎘鎳電池充電器、鎳氫電池充電器、鋰離子電池充電器、便攜式電子設(shè)備鋰離子電池充電器、鋰離子電池保護(hù)電路多功能充電器、電動(dòng)車蓄電池充電器、車充等。充電器是一種將高壓交流電轉(zhuǎn)化為低壓直流電的設(shè)備。充電器的用途十分廣泛，許多數(shù)碼產(chǎn)品如手機(jī)、數(shù)碼相機(jī)、數(shù)碼攝像機(jī)、筆記本電腦、MP3、MP4等都配有充電器，除了數(shù)碼產(chǎn)品以外，在我國(guó)普遍使用的電動(dòng)自行車也配有充電器。根據(jù)調(diào)查研究，在我國(guó)的充電器市場(chǎng)上手機(jī)、數(shù)碼相機(jī)、筆記本電腦、電動(dòng)自行車這四種產(chǎn)品的充電器已經(jīng)占據(jù)了整個(gè)充電器市場(chǎng)份額的90%以上。最近幾年，伴隨著手機(jī)、筆記本電腦、數(shù)碼相機(jī)等電子產(chǎn)品在我國(guó)市場(chǎng)的熱銷，我國(guó)充電器行業(yè)得到了迅速的發(fā)展。在整個(gè)充電器市場(chǎng)中，不同產(chǎn)品的充電器占據(jù)不同的份額。就中國(guó)而言，在整個(gè)充電器市場(chǎng)中，手機(jī)充電器所占份額居第一位，占據(jù)了絕大部分的充電器市場(chǎng)的份額；排第二位的是筆記本電腦充電器；數(shù)碼相機(jī)充電器所占份額排在第三位；電動(dòng)自行車充電器排第四位。這四種產(chǎn)品的充電器占據(jù)了整個(gè)充電器市場(chǎng)的94%，剩下的為其它產(chǎn)品充電器所占的份額。我國(guó)手機(jī)充電技術(shù)主要分布在如下領(lǐng)域：第一，太陽(yáng)能充電器。例如，2004200400025號(hào)文獻(xiàn)涉及一種折疊式太陽(yáng)能手機(jī)電池充電器。032026404號(hào)文獻(xiàn)涉及一種智能型太陽(yáng)能交流兩用手機(jī)充電器，包括太陽(yáng)能硅光電池、220V電子穩(wěn)壓開關(guān)電路、電池組CD、連接手機(jī)電池的輸出插孔等。02115872X號(hào)文獻(xiàn)涉及一種增光式太陽(yáng)能萬(wàn)用充電器及電源。該充電器能增光和吸收一切光能和太陽(yáng)能，轉(zhuǎn)換的電能可增加手機(jī)通話量2至5倍。2005200779708號(hào)文獻(xiàn)涉及一種與手機(jī)一體的太陽(yáng)能充電器。把太陽(yáng)能電池板置于陽(yáng)光下就能隨時(shí)對(duì)手機(jī)電池進(jìn)行充電，突破了使用交流電源或者汽車電瓶給手機(jī)電池充電的局限。第二，手動(dòng)充電器。例如，022300503號(hào)文獻(xiàn)涉及一種掌上型手動(dòng)移動(dòng)電話充電器，它用手動(dòng)壓桿的一端連接齒條，壓桿另一端連接復(fù)位彈簧，齒條連接齒輪機(jī)構(gòu)，齒輪機(jī)構(gòu)連接電機(jī)。充電器通過一對(duì)棘爪換向組件使電機(jī)被連續(xù)帶動(dòng)而供給36V至72V電壓的直流電。982496001號(hào)文獻(xiàn)涉及一種移動(dòng)電話的自充電裝置，可采用外接充電器方式充電，也可通過發(fā)條式微型發(fā)電機(jī)給電池充電。2004200530368號(hào)文獻(xiàn)涉及一種萬(wàn)能充電器，包括手動(dòng)充電裝置，可在任何場(chǎng)所對(duì)手機(jī)充電。第三，車動(dòng)充電器。例如，2005100608111號(hào)文獻(xiàn)涉及一種依靠自行車車輪轉(zhuǎn)動(dòng)力發(fā)電對(duì)小型充電電池進(jìn)行充電的方法。它在自行車車架的前叉上設(shè)置微型發(fā)電機(jī)，在車架把手上設(shè)置直流電池充電器。人們?cè)隍T車行駛時(shí)，車輪的轉(zhuǎn)動(dòng)帶動(dòng)微型發(fā)電機(jī)發(fā)電，提供給為充電電池使用。第四，無(wú)線充電器。例如，2004200066284號(hào)文獻(xiàn)涉及一種無(wú)線充電裝置，它設(shè)有充電感應(yīng)器和接收感應(yīng)器，充電感應(yīng)器由充電感應(yīng)線圈和電源電路構(gòu)成，接收感應(yīng)器由接收感應(yīng)線圈和充電電路構(gòu)成。它能實(shí)現(xiàn)手機(jī)、電腦的無(wú)線充電。2006200131460號(hào)文獻(xiàn)涉及一種非接觸式充電器，它利用電磁耦合方式實(shí)現(xiàn)電能傳輸，不需要任何機(jī)械金屬點(diǎn)的連接。012708291號(hào)文獻(xiàn)涉及一種無(wú)接觸式充電器裝置。第五，折疊充電器。例如，2006200282386號(hào)文獻(xiàn)涉及一種折疊型手機(jī)充電器，其中，電源盒由電池組、帶有發(fā)光二極管的功能電路、殼體及其外層的連接膜組成，電池組與功能電路相連。972157255號(hào)文獻(xiàn)涉及一種折疊式無(wú)線電話電池充電器，它的外殼里有變壓電路、充電電路，外殼上有內(nèi)藏式電源插頭。外殼由主殼和副殼組成，主殼與副殼連接在一起，形成無(wú)線電話電池插座。充電器折疊后，所有電源插頭和觸頭均為內(nèi)藏。第六，干電池充電器。例如，012327654號(hào)文獻(xiàn)涉及一種移動(dòng)電話應(yīng)急充電器，它可用普通干電池給移動(dòng)電話充電。它包括電池盒、電池盒蓋、卡簧、卡簧盒、卡簧按鍵和充電插頭，電池盒、卡簧盒和充電插頭為一體結(jié)構(gòu)，組成充電器的本體，電池盒內(nèi)設(shè)有平行排列的三個(gè)電池艙；卡簧盒內(nèi)設(shè)有兩個(gè)卡簧，卡簧盒的上蓋設(shè)有一個(gè)卡簧按鍵，卡簧按鍵的下端與上述兩個(gè)卡簧接觸。2004200478994號(hào)文獻(xiàn)涉及一種移動(dòng)電話簡(jiǎn)易充電器，它可把其他電池組裝到充電器的導(dǎo)電側(cè)進(jìn)行充電。第七，重力充電器。例如，2005200435122號(hào)文獻(xiàn)涉及一種人體行走重力發(fā)電手機(jī)充電器。它把人體行走的重力能轉(zhuǎn)化成機(jī)械能，再由機(jī)械能轉(zhuǎn)化成電能并給手機(jī)充電。它包括鞋后跟鎖接機(jī)構(gòu)、踩頂桿機(jī)構(gòu)、儲(chǔ)存機(jī)械能機(jī)構(gòu)、超微型磁鋼式交流發(fā)電機(jī)、變壓整流穩(wěn)壓電路等。踩頂桿機(jī)構(gòu)中還裝有卸荷壓簧保險(xiǎn)機(jī)構(gòu)等。第八，照明充電器。例如，2005200738587號(hào)文獻(xiàn)涉及一種照明式車載充電器。2005200738604號(hào)文獻(xiàn)涉及一種照明式手機(jī)充電器，包括內(nèi)裝電池的充電器本體，充電器本體上設(shè)有連接器公座，連接器公座可與手機(jī)連接并對(duì)手機(jī)充電。充電器本體上還設(shè)有蓋體，蓋體內(nèi)設(shè)有與連接器公座插接的連接器母座，連接器母座連接PCB基板，PCB基板連接LED燈。032611013號(hào)文獻(xiàn)涉及一種具有照明功能的手機(jī)用車輛充電器以及照明裝置。第九，應(yīng)急充電器。例如，032196539號(hào)文獻(xiàn)涉及一種自充便攜式無(wú)線手機(jī)應(yīng)急充電器。它包括接交流電源的插頭、接手機(jī)的充電接口、微型電池等。插頭通過整流、變壓電路接電池，構(gòu)成充電電路，電池兩端引接到充電接口構(gòu)成放電電路。手機(jī)缺電時(shí)，將應(yīng)急充電器的充電接口與手機(jī)插接，即可隨時(shí)隨地通過放電電路對(duì)手機(jī)電池充電。第十，智能充電器。例如，2003101022480號(hào)文獻(xiàn)涉及一種智能移動(dòng)電源，包括智能電池組、智能充電器、輸出調(diào)節(jié)器等。智能充電器包括充電管理器、交流適配器、電量顯示器；輸出調(diào)節(jié)器包括控制器、液晶顯示器、輸出調(diào)節(jié)按鈕、功率輸出單元、控制信息存儲(chǔ)單元；智能電池組包括鋰電池管理器、鋰電池保護(hù)器、電池信息存儲(chǔ)單元、充電電量顯示器、電池組接口。它適合筆記本電腦、DVD播放機(jī)、移動(dòng)電話、數(shù)碼相機(jī)、PDA以及其他便攜式電子設(shè)備使用。952293838號(hào)文獻(xiàn)涉及一種智能多功能快速充電器。此外，2006201171592號(hào)文獻(xiàn)涉及一種智能手機(jī)充電器，它在手機(jī)充電器線路板電源輸入端和插頭之間串連一個(gè)開關(guān)和一個(gè)時(shí)間繼電器，在手機(jī)充電器線路板另一個(gè)電源輸入端與另一個(gè)電源插頭通過導(dǎo)線相連接，在手機(jī)充電器線路板的兩個(gè)電源輸入端和兩個(gè)電源插頭連接處，并聯(lián)一個(gè)指示燈，手機(jī)充電器線路板電源輸出端通過導(dǎo)線和手機(jī)充電接線插口相連接。第十一，直流充電器。例如，2006200889670號(hào)文獻(xiàn)涉及一種包括變壓電路的直流充電器。002364905號(hào)文獻(xiàn)涉及一種移動(dòng)電話直流電源連接器，包括絕緣膠心、內(nèi)端子及外套管；絕緣膠心上具有側(cè)邊設(shè)有通至絕緣膠心底端的T形槽的矩形插桿；外套管為呈矩形斷面的金屬管體；內(nèi)端子插裝在絕緣膠心的T形槽內(nèi)，其外端顯露在絕緣膠心短形插桿的前端側(cè)邊；外套管系套裝在矩形插桿外。第十二，內(nèi)置式充電器。例如，2005200289855號(hào)文獻(xiàn)涉及一種自帶充電功能的手機(jī)，它的內(nèi)部安裝了一個(gè)微型充電器，在需要時(shí)可按動(dòng)按鈕，將充電器彈出進(jìn)行充電。032187572號(hào)文獻(xiàn)涉及一種手機(jī)直接充電技術(shù)。其中，手機(jī)機(jī)殼外的上端設(shè)有天線，機(jī)殼外的前側(cè)面上設(shè)有顯示屏，顯示屏的下面設(shè)有按鍵，機(jī)殼內(nèi)設(shè)有機(jī)芯、電池，機(jī)殼內(nèi)還設(shè)有充電器，充電器通過導(dǎo)線與電池相連，機(jī)殼上設(shè)有電極板，電極板通過導(dǎo)線與充電器相連，機(jī)殼的側(cè)面設(shè)有一端與電極板相聯(lián)、另一端與滑動(dòng)開關(guān)相聯(lián)的連動(dòng)機(jī)構(gòu)。第十三，戶外供電技術(shù)。例如，032734867號(hào)文獻(xiàn)涉及一種組合移動(dòng)電源的戶外供電技術(shù)及其充電器。它包括能提供直流電源的移動(dòng)供電器、與負(fù)載相適配的輸出插頭，供電器輸出端與兼容穩(wěn)壓系統(tǒng)的輸入端相連，兼容穩(wěn)壓系統(tǒng)能自動(dòng)調(diào)節(jié)輸出功率，并設(shè)有兩個(gè)輸出端，第一輸出端的輸出電壓與手機(jī)的工作電壓相匹配，第二輸出端的輸出電壓與手提電腦的工作電壓相匹配。常備可充電電源經(jīng)選擇開關(guān)的接線端與移動(dòng)供電器的輸出端并接，它的另一個(gè)接線端與兼容穩(wěn)壓系統(tǒng)的第二輸出端相連。第十四，數(shù)據(jù)線或者存儲(chǔ)器式充電器。例如，2005200677526號(hào)文獻(xiàn)涉及一種集成數(shù)據(jù)傳輸功能的手機(jī)充電器。2004200602489號(hào)文獻(xiàn)涉及一種與充電器合為一體的手機(jī)信息備份存儲(chǔ)器。018030866號(hào)文獻(xiàn)涉及一種通訊裝置控制設(shè)備和方法。其手機(jī)裝置帶有從物理數(shù)據(jù)載體讀取數(shù)據(jù)的讀取器。物理數(shù)據(jù)載體置入手機(jī)附件，如充電器中。2005100373811號(hào)文獻(xiàn)涉及一種在手機(jī)充電器內(nèi)備份手機(jī)內(nèi)信息的方法和裝置，包括電源轉(zhuǎn)換模塊、充電管理模塊、控制模塊、與手機(jī)的數(shù)據(jù)接口相適配的手機(jī)接口、半導(dǎo)體存儲(chǔ)介質(zhì)模塊等。充電管理模塊控制著電源轉(zhuǎn)換模塊流入正在充電手機(jī)內(nèi)的電流大小；控制模塊經(jīng)手機(jī)接口讀取手機(jī)中所存儲(chǔ)的信息并寫入半導(dǎo)體存儲(chǔ)介質(zhì)模塊。常見充電電池特性及其充電方式電池充電是通過逆向化學(xué)反應(yīng)將能量存儲(chǔ)到化學(xué)系統(tǒng)里實(shí)現(xiàn)的，由于使用的化學(xué)物質(zhì)的不同，電池的特性也不同，其充電的方式也不大一樣。電池的安全充電 現(xiàn)代的快速充電器( 即電池可以在小于3 個(gè)小時(shí)的時(shí)間里充滿電，通常是一個(gè)小時(shí)) 需要能夠?qū)卧妷?、充電電流和電池溫度進(jìn)行精確地測(cè)量，在充滿電的同時(shí)避免由于過充電造成的損壞。充電方法 SLA 電池和鋰電池的充電方法為恒定電壓法要限流； NiCd 電池和NiMH 電池的充電方法為恒定電流法，且具有幾個(gè)不同的停止充電的判斷方法。最大充電電流 最大充電電流與電池容量(C) 有關(guān)。最大充電電流往往以電池容量的數(shù)值來(lái)表示。例如，電池的容量為750 mAh，充電電流為750 mA，則充電電流為1C (1 倍的電池容量)。若涓流充電時(shí)電流為C/40，則充電電流即為電池容量除以40。過熱 電池充電是將電能傳輸?shù)诫姵氐倪^程。能量以化學(xué)反應(yīng)的方式保存了下來(lái)。但不是所有的電能都轉(zhuǎn)化為了電池中的化學(xué)能。一些電能轉(zhuǎn)化成了熱能，對(duì)電池起了加熱的作用。當(dāng)電池充滿后，若繼續(xù)充電，則所有的電能都將轉(zhuǎn)化為電池的熱能。在快速充電時(shí)這將使電池快速升溫，若不及時(shí)停止充電就會(huì)造成電池的損壞。因此，在設(shè)計(jì)電池充電器時(shí)，對(duì)溫度進(jìn)行監(jiān)控并及時(shí)停止充電是非常重要的?，F(xiàn)代消費(fèi)類電器主要使用如下四種電池： 密封鉛酸電池 (SLA) 鎳鎘電池 (NiCd) 鎳氫電池(NiMH) 鋰電池(Li-Ion)在正確選擇電池和充電算法時(shí)需要了解這些電池的背景知識(shí)。密封鉛酸電池(SLA) 密封鉛酸電池主要用于成本比空間和重量更重要的場(chǎng)合，如UPS和報(bào)警系統(tǒng)的備份電池。SLA 電池以恒定電壓進(jìn)行充電，輔以電流限制以避免在充電過程的初期電池過熱。只要電池單元電壓不超過生產(chǎn)商的規(guī)定( 典型值為2.2V)， SLA 電池可以無(wú)限制地充電。鎳鎘電池(NiCd) NiCd 電池目前使用得很普遍。它的優(yōu)點(diǎn)是相對(duì)便宜，易于使用；缺點(diǎn)是自放電率比較高。典型的NiCd 電池可以充電1000 次。失效機(jī)理主要是極性反轉(zhuǎn)。在電池包里第一個(gè)被完全放電的單元會(huì)發(fā)生反轉(zhuǎn)。為了防止損壞電池包，需要不間斷地監(jiān)控電壓。一旦單元電壓下降到1.0V 就必須停機(jī)。NiCd 電池以恒定電流的方式進(jìn)行充電。鎳氫電池(NiMH) 在輕重量的手持設(shè)備中如手機(jī)、手持?jǐn)z象機(jī)，等等鎳氫電池是使用最廣的。這種電池的容量比NiCd 的大。由于過充電會(huì)造成NiMH 電池的失效，在充電過程中進(jìn)行精確地測(cè)量以在合適的時(shí)間停止是非常重要的。和NiCd 電池一樣，極性反轉(zhuǎn)時(shí)電池也會(huì)損壞。NiMH 電池的自放電率大概為20%/ 月。和NiCd 電池一樣，NiMH 電池也為恒定電流充電。鋰電池 (Li-Ion) 和本文中所述的其他電池相比，鋰電池具有最高的能量/ 重量比和能量/ 體積比。鋰電池以恒定電壓進(jìn)行充電，同時(shí)要有電流限制以避免在充電過程的初期電池過熱。當(dāng)充電電流下降到生產(chǎn)商設(shè)定的最小電流時(shí)就要停止充電。過充電將造成電池?fù)p壞，甚至爆炸。三、論文內(nèi)容針對(duì)鋰電池的充電規(guī)律，結(jié)合現(xiàn)有鋰電池充電器的特點(diǎn)，本課題欲設(shè)計(jì)一款智能手機(jī)鋰電池充電器，要求以單片機(jī)為控制核心，選擇適當(dāng)?shù)呐涮自O(shè)計(jì)硬件電路，并編制相應(yīng)軟件，使所設(shè)計(jì)的充電器具有智能化特點(diǎn)，能根據(jù)不同手機(jī)鋰電池的電參數(shù)自動(dòng)確定相應(yīng)的充電控制規(guī)律，自動(dòng)檢測(cè)、充電、斷電、報(bào)警等，達(dá)到理想的充電效果。該論文描述了智能手機(jī)充電池的一些基本情況及國(guó)內(nèi)為現(xiàn)狀和分類，簡(jiǎn)述了本設(shè)計(jì)的原理與方案，并詳細(xì)說(shuō)明了硬件設(shè)計(jì)及仿真結(jié)果。第二章 系統(tǒng)原理與方案設(shè)計(jì)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，在電池充滿后如果不及時(shí)停止會(huì)使電池發(fā)燙，過度的充電會(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)電池的使用說(shuō)明和單次使用時(shí)間與充電過程密切相關(guān)。鋰電池是手機(jī)最為常用的一種電池，它具有教高的能量重量比、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，需將鋰電池充電至作大電壓，但是過壓充電會(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)。12一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。要求設(shè)計(jì)一個(gè)智能手機(jī)充電器，能夠?qū)崿F(xiàn)電池預(yù)充、快充、恒壓充電；監(jiān)控充電狀態(tài)；太陽(yáng)能供電以及充電保護(hù)。為實(shí)現(xiàn)對(duì)鋰電池的安全充電，我們采用AT89C51 單片機(jī)結(jié)合MAX1898鋰離子電池充電芯片，配合外部PNP 或PMOS 晶體管可以組成完整的單節(jié)電鋰離子(Li+)電池智能充電器。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)了使用壽命。總體電路包括：電源模塊；AT89C51單片機(jī)模塊；充電模塊；充電過程監(jiān)測(cè)模塊；電路保護(hù)模塊；外部太陽(yáng)能電源模塊。主要器件及其功能AT89C51引腳說(shuō)明圖2-1 AT89C51引腳分布圖圖2-1是AT89C51的引腳分布圖。其引腳說(shuō)明如下：VCC：AT89C51電源正極輸入，接+5V 電壓。GND：電源接地端。XTAL1：接外部晶振的一個(gè)引腳。在單片機(jī)內(nèi)部，它是一反相放大器輸入端，這個(gè)放大器構(gòu)成了片內(nèi)振蕩器。它采用外部振蕩器時(shí)，些引腳應(yīng)接地。XTAL2：接外部晶振的一個(gè)引腳。在片內(nèi)接至振蕩器的反相放大器輸出端和內(nèi)部時(shí)鐘發(fā)生器輸入端。當(dāng)采用外部振蕩器時(shí)，則此引腳接外部振蕩信號(hào)的輸入。RST：AT89C51的復(fù)位信號(hào)輸入引腳，高電位工作，當(dāng)要對(duì)芯片又時(shí)，只要將此引腳電位提升到高電位，并持續(xù)兩個(gè)機(jī)器周期以上的時(shí)間，AT89C51便能完成系統(tǒng)復(fù)位的各項(xiàng)工作，使得內(nèi)部特殊功能寄存器的內(nèi)容均被設(shè)成已知狀態(tài)。ALE/PROG：ALE 是英文"ADDRESS LATCH ENABLE"的縮寫，表示允許地址鎖存允許信號(hào)。當(dāng)訪問外部存儲(chǔ)器時(shí)，ALE 信號(hào)負(fù)跳變來(lái)觸發(fā)外部的 8 位鎖存器 (如 74LS373)，將端口 P0 的地址總線(A0-A7)鎖存進(jìn)入鎖存器中。在非訪問外部存儲(chǔ)器期間，ALE 引腳的輸出頻率是系統(tǒng)工作頻率的 1/16，因此可以用來(lái)驅(qū)動(dòng)其他外圍芯片的時(shí)鐘輸入。當(dāng)問外部存儲(chǔ)器期間，將以 1/12 振蕩頻率輸出。EA/VPP：該引腳為低電平時(shí)，則讀取外部的程序代碼 (存于外部EPROM中)來(lái)執(zhí)行程序。因此在 8031 中，EA 引腳必須接低電位，因?yàn)槠鋬?nèi)部無(wú)程序存儲(chǔ)器空間。如果是使用 AT89C51或其它內(nèi)部有程序空間的單片機(jī)時(shí)，此引腳接成高電平使程序運(yùn)行時(shí)訪問內(nèi)部程序存儲(chǔ)器，當(dāng)程序指針 PC 值超過片內(nèi)程序存儲(chǔ)器地址(如 8051/8751/89C51 的 PC 超過 0FFFH)時(shí)，將自動(dòng)轉(zhuǎn)向外部程序存儲(chǔ)器繼續(xù)運(yùn)行。此外，在將程序代碼燒錄至 8751 內(nèi)部 EPROM、89C51 內(nèi)部 FALSH 時(shí)，可以利用此引腳來(lái)輸入提供編程電壓（8751 為 2lV、AT89C51 為 12V、8051 是由生產(chǎn)廠方一次性加工好)。PSEN：此為"Program Store Enable"的縮寫。訪問外部程序存儲(chǔ)器選通信號(hào)，低電平有效。在訪問外部程序存儲(chǔ)器讀取指令碼時(shí)，每個(gè)機(jī)器周期產(chǎn)生二次 PSEN 信號(hào)。在執(zhí)行片內(nèi)程序存儲(chǔ)器指令時(shí)，不產(chǎn)生 PSEN 信號(hào)，在訪問外部數(shù)據(jù)時(shí)，亦不產(chǎn)生 PSEN 信號(hào)。P0：P0 口(P0.0P0.7)是一個(gè) 8 位漏極開路雙向輸入輸出端口，當(dāng)訪問外部數(shù)據(jù)時(shí)，它是地址總線（低 8 位）和數(shù)據(jù)總線復(fù)用。外部不擴(kuò)展而單片應(yīng)用時(shí)，則作一般雙向 IO 口用。P0 口每一個(gè)引腳可以推動(dòng) 8 個(gè) LSTTL 負(fù)載。P1：P1 口(P1.0P1.7)口是具有內(nèi)部提升電路的雙向 I/0 端口(準(zhǔn)雙向并行 I/O 口)，其輸出可以推動(dòng) 4 個(gè) LSTTL 負(fù)載。僅供用戶作為輸入輸出用的端口。P2：P2 口(P2.0P2.7)口是具有內(nèi)部提升電路的雙向 I/0 端口(準(zhǔn)雙向并行 I/O 口)，當(dāng)訪問外部程序存儲(chǔ)器時(shí)，它是高 8 位地址。外部不擴(kuò)展而單片應(yīng)用時(shí)，則作一般雙向 I/O口用。每一個(gè)引腳可以推動(dòng) 4 個(gè) LSTL 負(fù)載。P3：P3 口(P3.0P3.7)口是具有內(nèi)部提升電路的雙向 I/0 端口(準(zhǔn)雙向并行 I/O 口)，它還提供特殊功能，包括串行通信、外部中斷控制、計(jì)時(shí)計(jì)數(shù)控制及外部隨機(jī)存儲(chǔ)器內(nèi)容的讀取或?qū)懭肟刂频裙δ?。其特殊功能引腳分配如下：P3.0RXD 串行通信輸入P3.1TXD 串行通信輸出P3.2INT0 外部中斷 0 輸入，低電平有效P3.3INT1 外部中斷 1 輸入，低電平有效P3.4T0 計(jì)數(shù)器 0 外部事件計(jì)數(shù)輸入端P3.5T1 計(jì)數(shù)器 1 外部事件計(jì)數(shù)輸入端P3.6WR 外部隨機(jī)存儲(chǔ)器的寫選通，低電平有效P3.7RD 外部隨機(jī)存儲(chǔ)器的讀選通，低電平有效14MAX1898引腳說(shuō)明 圖2-2 MAX1898引腳分布圖充電芯片MAX1898有10個(gè)引腳，其引腳分布如圖2-2所示。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。通過串聯(lián)議和電阻到地來(lái)設(shè)置最大充電電流。CT（5腳）：安全充電時(shí)間設(shè)計(jì)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)電壓閥值以下200mV，將會(huì)重新開始一輪充電周期。此引腳通過電阻接地時(shí)，可以降低他的電壓閥值。此引腳懸空或者CT引腳接地（充電時(shí)間設(shè)計(jì)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。充電芯片MAX1898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)定的門限電流時(shí)，通過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)。MAX1898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，具有過壓保護(hù)和溫度保護(hù)功能，最長(zhǎng)充電時(shí)間的限制可為鋰電池提供二次保護(hù)。本設(shè)計(jì)的核心器件是MAX189。MAX1898可對(duì)所有化學(xué)類型的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。MAX1898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。充電電流可由用戶設(shè)定，采用內(nèi)部檢流，無(wú)須外部檢流電阻。MAX1898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。MAX1898還具有一寫功能，包括輸入關(guān)斷控制、可選的充電周期重啟（無(wú)須從新上電）、可選的充電終止安全定時(shí)器和過放電電流的低電流預(yù)充。MAX1898的關(guān)鍵特性如下：l 簡(jiǎn)單、安全的線形充電方式。l 使用低成本的PNP或PMOS調(diào)整元件。l 輸入電壓：4.512V。l 內(nèi)置檢流電阻。l 0.75%電壓精度。l 可編程充電電流。l 輸入電源自動(dòng)檢測(cè)。l LED充電狀態(tài)指示。l 可編程安全定時(shí)器。l 檢流監(jiān)視輸出。l 可選/可調(diào)節(jié)自動(dòng)重啟。l 小尺寸MAX封裝。136N137引腳說(shuō)明 圖2-3 6N137引腳分布圖光藕模塊6N137的引腳分布圖如圖2-3所示。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）：電源輸出腳。15第3章 智能手機(jī)充電器硬件設(shè)計(jì)電池充電器電路設(shè)計(jì)包括單片機(jī)電路的設(shè)計(jì)、電壓轉(zhuǎn)換及光耦隔離電路的設(shè)計(jì)、充電控制電路的設(shè)計(jì)和電源電路的設(shè)計(jì)。3.1 單片機(jī)電路智能充電器電路單片機(jī)部分如圖3.2，U1為單片機(jī)AT89C51，工作在11.0592MHz時(shí)鐘；U2為蜂鳴器，蜂鳴器由單片機(jī)的P1.2腳控制發(fā)出報(bào)警聲提示；單片機(jī)的P2.0腳輸出控制光藕器件，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0由充電芯片MAX1898的充電狀態(tài)輸出信號(hào)/CHG經(jīng)過反相后觸發(fā)。圖3.1 手機(jī)鋰電池智能充電器電路單片機(jī)部分原理圖3.2 電壓轉(zhuǎn)換及光耦隔離電路 耦合器（optical coupler，英文縮寫為OC）亦稱光電隔離器，簡(jiǎn)稱光耦，是開關(guān)電源電路中常用的器件。耦合器以光為媒介傳輸電信號(hào)。光耦合器一般由三部分組成：光的發(fā)射、光的接收及信號(hào)放大。由于光耦合器輸入輸出間互相隔離，電信號(hào)傳輸具有單向性等特點(diǎn)，因而具有良好的電絕緣能力和抗干擾能力。又由于光耦合器的輸入端屬于電流型工作的低阻元件，它在長(zhǎng)線傳輸信息中作為終端隔離元件可以大大提高信噪比。在計(jì)算機(jī)數(shù)字通信及實(shí)時(shí)控制中作為信號(hào)隔離的接口器件，可以大大增加計(jì)算機(jī)工作的可靠性。本次設(shè)計(jì)選擇了6N137光耦合器。6N137光耦合器是一款用于單通道的高速光耦合器，其內(nèi)部有一個(gè)850 nm波長(zhǎng)AlGaAs LED和一個(gè)集成檢測(cè)器組成，其檢測(cè)器由一個(gè)光敏二極管、高增益線性運(yùn)放及一個(gè)肖特基鉗位的集電極開路的三極管組成。具有溫度、電流和電壓補(bǔ)償功能，高的輸入輸出隔離，LSTTL/TTL兼容，高速，5mA的極小輸入電流。工作參數(shù)：最大輸入電流，低電平：250uA 最大輸入電流，高電平：15mA 最大允許低電平電壓(輸出高)：0.8v 最大允許高電平電壓：Vcc 最大電源電壓、輸出：5.5V 扇出(TTL負(fù)載)：8個(gè)(最多) 工作溫度范圍：-40C to +85C 典型應(yīng)用：高速數(shù)字開關(guān)，馬達(dá)控制系統(tǒng)和A/D轉(zhuǎn)換等 6N137光耦合器的內(nèi)部結(jié)構(gòu)、管腳如圖3.2所示。圖3.2 6N137光耦合器 需要注意的是，在6N137光耦合器的電源管腳旁應(yīng)有個(gè)0.1uF的去耦電容。在選擇電容類型時(shí)，應(yīng)盡量選擇高頻特性好的電容器，如陶瓷電容或鉭電容，并且盡量靠近6N137光耦合器的電源管腳；另外，輸入使能管腳在芯片內(nèi)部已有上拉電阻，無(wú)需再外接上拉電阻。6N137光耦合器的使用需要注意兩點(diǎn)：第一是6N137光耦合器的第6腳Vo輸出電路屬于集電極開路電路，必須上拉一個(gè)電阻；第二是6N137光耦合器的第2腳和第3腳之間是一個(gè)LED，必須串接一個(gè)限流電阻。圖3.3是電壓轉(zhuǎn)換及光耦隔離部分電路的原理圖。U3為輸出+5V的電壓轉(zhuǎn)換芯片M7805，它將12V的輸入電壓轉(zhuǎn)換為固定的5v輸出；u4為光耦隔離芯片6N137，其輸入為L(zhǎng)M7805產(chǎn)生的5V電壓，輸出為經(jīng)過隔離的5V電壓，U4的2腳和單片機(jī)的P20相連，由單片機(jī)控制適時(shí)地關(guān)閉充電電源。圖3.3 電壓轉(zhuǎn)換及光耦隔離部分電路的原理圖3.3 充電控制電路圖3.4所示的為充電控制部分的電路原理圖，其核心器件為充電芯片MAX1898，其充電狀態(tài)輸出引腳/CHG經(jīng)過74LS04反相后與單片機(jī)INT0相連，觸發(fā)外部中斷。LEDR為紅色發(fā)光二極管，紅燈表示電源接通；LEDG為綠色發(fā)光二極管，綠燈表示處于充電狀態(tài)。Q1為P溝道的場(chǎng)效應(yīng)管，由MAX1898提供驅(qū)動(dòng)。圖中，R4為設(shè)置充電電流的電阻，阻值為2.8k，設(shè)置最大充電電流為500mA;C11為設(shè)置充電時(shí)間的電容，容值為100nF，設(shè)置最大充電時(shí)間為3小時(shí)。圖3.4 手機(jī)鋰電池智能充電器電路充電控制部分原理圖首先，監(jiān)測(cè)MAX1898的輸出信號(hào)CHG，當(dāng)MAX1898將要完成充電時(shí)，該引腳會(huì)發(fā)出周期為4s的脈沖，單片機(jī)的INT0引腳接收中斷后，產(chǎn)生中斷，并使用單片機(jī)的T0計(jì)數(shù)器開始計(jì)數(shù)，當(dāng)下一個(gè)脈沖到來(lái)時(shí)，在定時(shí)器程序中判斷單片機(jī)的計(jì)數(shù)值是否在4s左右，如果是，則通過控制P1.2和P1.3引腳關(guān)斷電源，并引發(fā)蜂鳴器報(bào)警。在MAXl898和外部單片機(jī)的共同作用下，實(shí)現(xiàn)了如下的充電過程。1 預(yù)充在安裝好電池之后，接通輸入直流電源，當(dāng)充電器檢測(cè)到電池時(shí)將定時(shí)器復(fù)位，從而進(jìn)入預(yù)充過程，在此期間充電器以快充電流的10給電池充電，使電池電壓、溫度恢復(fù)到正常狀態(tài)。預(yù)充時(shí)間由外接電容CcT確定(100nF時(shí)為45分鐘)，如果在預(yù)充時(shí)間內(nèi)電池電壓達(dá)到2.5V，且電池溫度正常，則充電進(jìn)入快充過程；如果超過預(yù)充時(shí)間后，電池電壓仍低于2.5V，則認(rèn)為電池不可充電，充電器顯示電池故障，LED指示燈閃爍。2 快充快充過程也稱為恒流充電，此時(shí)充電器以恒定電流對(duì)電池充電。恒流充電時(shí)，電池電壓緩慢上升，一旦電池電壓達(dá)到所設(shè)定的終止電壓，恒流充電終止，充電電流快速遞減，充電進(jìn)入滿充過程。3 滿充在滿充過程中，充電電流逐漸衰減，直到充電速率降到設(shè)置值以下，或滿充時(shí)間超時(shí)，轉(zhuǎn)入頂端截止充電。頂端截止充電時(shí)，充電器以極小的充電電流為電池補(bǔ)充能量。由于充電器在檢測(cè)電池電壓是否達(dá)到終止電壓時(shí)有充電電流通過電池內(nèi)阻，盡管在滿充和頂端截止充電過程中充電電流逐漸下降，減小了電池內(nèi)阻和其他串聯(lián)電阻對(duì)電池端電壓的影響，但串聯(lián)在充電回路中的電阻形成的壓降仍然對(duì)電池終止電壓的檢測(cè)有影響。一般情況下，滿充和頂端截止充電可以延長(zhǎng)電池510的使用時(shí)間。4 斷電當(dāng)電池充滿后，MAXl898芯片的2號(hào)管腳發(fā)送的脈沖電平會(huì)由低變高，這將會(huì)被單片機(jī)檢測(cè)到，引起單片機(jī)的中斷，在中斷中，如果判斷出充電完畢，則單片機(jī)將通過P2.0口控制光耦6N137，切斷LM7805向MAXl898的供電，從而保證芯片和電池的安全，同時(shí)也減小功耗。5 報(bào)警當(dāng)電池充滿后，MAXl898芯片本身會(huì)熄滅外接的LED綠燈。但是，為了安全起見，單片機(jī)在檢測(cè)到充滿狀態(tài)的脈沖后，不僅會(huì)自動(dòng)切斷MAXl898芯片的供電，而且會(huì)通過蜂鳴器報(bào)警，提醒用戶及時(shí)取出電池。當(dāng)充電出錯(cuò)時(shí)，MAXl898芯片本身會(huì)控制LED綠燈以15Hz左右的頻率閃爍，此時(shí)不要切斷芯片的供電，要讓用戶一直看到此提示。3.4 電源電路設(shè)計(jì)電子產(chǎn)品中，常見的三端穩(wěn)壓集成電路有正電壓輸出的lm78系列和負(fù)電壓輸出的lm79系列。該系列集成穩(wěn)壓IC型號(hào)中的lm78或lm79后面的數(shù)字代表該三端集成穩(wěn)壓電路的輸出電壓，如lm7806表示輸出電壓為正6V，lm7909表示輸出電壓為負(fù)9V。因?yàn)槿斯潭煞€(wěn)壓電路的使用方便，電子制作中經(jīng)常采用。1 LM7805 主要特點(diǎn) 輸出電流可達(dá) 1A 輸出電壓有：5V 過熱保護(hù) 短路保護(hù) 輸出晶體管 SOA 保護(hù)如圖3.5所示電路為輸出電壓+5V、輸出電流1.5A的穩(wěn)壓電源。它由電源變壓器B，橋式整流電路D1D4，濾波電容C1、C3，防止自激電容C2、C3和一只固定式三端穩(wěn)壓器(7805)極為簡(jiǎn)捷方便地搭成的。 圖3.5 LM7805構(gòu)成的5V穩(wěn)壓電源電路輸出電阻輸入電壓為Ube，輸出電壓為Uo，Auo為放大倍數(shù) Auo=Uo/Ube=-p1p2Yfe/G （3.1） G=C1p1p1+C2+C3p3p3 （3.2）