電子設(shè)備智能充電系統(tǒng)的設(shè)計(jì)

董燕麗，張 虎，劉 攀

（山西農(nóng)業(yè)大學(xué)信息學(xué)院，山西 太谷 030800）

隨著電子時(shí)代的到來(lái)，越來(lái)越多的智能電子設(shè)備進(jìn)入人們的生活和工作中，鋰電池因其質(zhì)量輕、體積小、具有記憶功能、使用壽命長(zhǎng)等優(yōu)點(diǎn)，成為眾多電子設(shè)備供電首選。在為鋰電池選擇充電器時(shí)，必須要選具有保護(hù)電路的充電器。最好的選擇是智能充電器，能合理地調(diào)節(jié)充電電壓的大小，避免因充電電壓過(guò)大對(duì)電池造成損傷。

智能充電系統(tǒng)具有諸多優(yōu)點(diǎn)，如體積小、質(zhì)量輕便、充電效率高，不同階段采用不同的充電模式，可以保證充電過(guò)程不過(guò)流、不欠壓，能有效地延長(zhǎng)電池的使用壽命。現(xiàn)在性能較好的智能充電器都用單片機(jī)來(lái)做控制器，將單片機(jī)和充電芯片結(jié)合使用，使得充電器的性能更好，充電過(guò)程也更智能。

1 智能充電系統(tǒng)的工作過(guò)程

智能充電系統(tǒng)充電過(guò)程包括預(yù)充電、恒流充電、恒壓充電、斷電和報(bào)警五個(gè)環(huán)節(jié)，各個(gè)環(huán)節(jié)的具體過(guò)程如下所示。

1.1 預(yù)充電

電池電量很低時(shí)，電池的性能不太穩(wěn)定，此時(shí)先對(duì)電池進(jìn)行小電流預(yù)充電，當(dāng)達(dá)到預(yù)充電電壓閥值時(shí)，此時(shí)切換成大電流進(jìn)行充電。這樣的充電方式可減小對(duì)電池的損傷，若換成大電流后電池不能正常充電，則說(shuō)明電池已出現(xiàn)故障，不能正常使用了。

1.2 恒流充電

這一環(huán)節(jié)也稱為快速充電環(huán)節(jié)，這個(gè)過(guò)程中充電電流值穩(wěn)定不變。充電電流大小可根據(jù)不同型號(hào)的電池的額定電壓進(jìn)行小范圍調(diào)節(jié)。恒流充電過(guò)程中，當(dāng)充電的實(shí)際功率大于額定功率時(shí)，電池會(huì)出現(xiàn)發(fā)熱現(xiàn)象，當(dāng)溫度高于上限值時(shí)，自動(dòng)進(jìn)入下一環(huán)節(jié)的充電。

1.3 恒壓充電

這一環(huán)節(jié)也稱為滿充環(huán)節(jié)，電池充電時(shí)輸入電壓值保持不變。恒壓充電階段充電電流會(huì)逐漸減小，減小到一定程度之后開(kāi)始采用涓流充電。

1.4 斷電

智能充電系統(tǒng)最亮點(diǎn)的功能是能夠自動(dòng)斷電。d當(dāng)電池電壓達(dá)到額定電壓時(shí)充電系統(tǒng)會(huì)自動(dòng)斷電，不再向電池輸送電壓和電流，對(duì)電池起到保護(hù)作用。

1.5 報(bào)警

電池充電飽和之后，充電系統(tǒng)自動(dòng)斷電，并發(fā)出報(bào)警信號(hào)，提醒用戶移除充電設(shè)備，防止過(guò)充電。

2 智能充電系統(tǒng)的設(shè)計(jì)

2.1 總體設(shè)計(jì)思路

智能充電系統(tǒng)功能完善，性能優(yōu)越，具有多種充電模式，并根據(jù)充電的不同階段自動(dòng)切換充電模式，能夠?qū)崿F(xiàn)預(yù)充、快充、滿充、自動(dòng)斷電和報(bào)警提示等功能，還有短路保護(hù)功能，能夠顯示不同的充電狀態(tài)。

根據(jù)系統(tǒng)的功能要求，將智能充電系統(tǒng)的設(shè)計(jì)劃分成如下幾個(gè)模塊：核心控制器模塊、充電模塊、穩(wěn)壓隔離模塊和報(bào)警模塊。本設(shè)計(jì)從硬件設(shè)計(jì)和軟件設(shè)計(jì)兩方面出發(fā)，按照模塊化思路，先完成各個(gè)模塊的硬件電路設(shè)計(jì)，再根據(jù)功能要求設(shè)計(jì)系統(tǒng)的流程圖，進(jìn)而完成軟件編程，通過(guò)Protues軟件畫出系統(tǒng)總的硬件仿真圖，進(jìn)行系統(tǒng)的仿真與調(diào)試。

2.2 智能充電系統(tǒng)的硬件設(shè)計(jì)

2.2.1 核心控制器

核心控制器是智能充電系統(tǒng)的“心臟”，本設(shè)計(jì)選取AT89S51單片機(jī)作為核心控制器，因其具有廣泛的兼容性和強(qiáng)大的實(shí)時(shí)控制功能，性價(jià)比高，應(yīng)用場(chǎng)合很多。

單片機(jī)的最小系統(tǒng)是可以保證單片機(jī)正常工作的基本系統(tǒng)，包括電源電路、時(shí)鐘電路和復(fù)位電路。AT89S51的電源電路要提供5 V電源來(lái)給單片機(jī)供電。時(shí)鐘電路是為單片機(jī)正常工作提供時(shí)序信號(hào)的電路，由電容和晶振組成穩(wěn)定的自激振蕩器，晶振具有穩(wěn)定的振蕩周期并能持續(xù)輸出脈沖，振蕩頻率可選擇6 MHz、12 MHz的石英晶體，微調(diào)電容通常選擇30 pF，除了內(nèi)部時(shí)鐘之外，單片機(jī)還可以選擇外部時(shí)鐘，由外部振蕩器產(chǎn)生時(shí)鐘脈沖信號(hào)，常用于多片單片機(jī)之間的同步。復(fù)位電路用于初始化單片機(jī)，通常在程序跑飛或者單片機(jī)陷入死循環(huán)時(shí)，需要復(fù)位電路來(lái)恢復(fù)單片機(jī)的運(yùn)行秩序。單片機(jī)的復(fù)位分手動(dòng)按鈕復(fù)位和上電自動(dòng)復(fù)位兩種。

2.2.2 充電模塊

本系統(tǒng)的充電芯片選擇的是MAX1898充電芯片。該芯片性價(jià)比較高，MAX1898芯片能很好控制充電過(guò)程，可以精準(zhǔn)地監(jiān)測(cè)充電過(guò)程中發(fā)生的問(wèn)題，并且該芯片的恒壓充電模式，對(duì)電池能起到很好的保護(hù)作用，充電性能好；此外MAX1898芯片充電過(guò)程相對(duì)靈活，只需要通過(guò)檢測(cè)內(nèi)部電流就可以切換充電模式，且電路集成度比較高，充電過(guò)程簡(jiǎn)單，設(shè)計(jì)中需要的外圍部件很少，結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單。

MAX1898芯片內(nèi)部結(jié)構(gòu)完整，集成了電流調(diào)節(jié)裝置、溫度檢測(cè)裝置、電壓監(jiān)測(cè)裝置以及充電控制器等?？斐洵h(huán)節(jié)通過(guò)調(diào)節(jié)內(nèi)部電阻，有效地控制充電電流，保證恒流快速充電，滿充過(guò)程則是根據(jù)充電情況對(duì)電流進(jìn)行調(diào)節(jié)，保證充電電壓恒定不變，電流則隨著充電過(guò)程逐漸減小，以防止充電電流過(guò)大會(huì)對(duì)電池造成損傷，電池電壓精度可達(dá)±0.75%。此外，MAX1898芯片自帶指示燈，可顯示電池的充電狀態(tài)。當(dāng)未連接電池或充電完成時(shí)，指示燈滅，當(dāng)電池處于預(yù)充、快充和滿充的充電過(guò)程時(shí)，指示燈亮，充電出錯(cuò)時(shí)，指示燈以1.5 Hz頻率閃爍。

2.2.3 穩(wěn)壓隔離模塊

智能充電系統(tǒng)對(duì)電壓穩(wěn)定性的要求很高，電壓不穩(wěn)會(huì)對(duì)電池造成不同程度的損傷，因此需要專門的穩(wěn)壓隔離電路。本設(shè)計(jì)選擇LM7805，它具有穩(wěn)定的變壓作用，再加上6N137的光耦隔離，可有效防止外部電源的干擾，這樣充電系統(tǒng)就可得到穩(wěn)定的電壓了。

2.2.4 報(bào)警模塊

報(bào)警模塊主要是充電異?；蛘叱潆娡瓿蓵r(shí)提醒用戶移除充電器的，報(bào)警模塊選擇聲光報(bào)警，由蜂鳴器和發(fā)光二極管組成，其中蜂鳴器選擇無(wú)源蜂鳴器，由5 V直流電來(lái)供電，內(nèi)部封裝有音頻振蕩電路。當(dāng)充電異?；蛘叱潆娡瓿蓵r(shí)發(fā)光二極管閃爍，同時(shí)蜂鳴器發(fā)出報(bào)警提示。

系統(tǒng)各個(gè)模塊的的硬件設(shè)計(jì)總圖如下圖所示。

2.3 智能充電系統(tǒng)的軟件設(shè)計(jì)

系統(tǒng)的軟件設(shè)計(jì)主要是按照模塊化的思路，設(shè)計(jì)系統(tǒng)總的流程圖以及各個(gè)模塊的流程圖，再根據(jù)設(shè)計(jì)好的流程圖用Keil軟件進(jìn)行編程，編程之前先新建工程，命名為智能充電系統(tǒng)，選定單片機(jī)型號(hào)Atmel/AT89S51，添加源程序文件，并進(jìn)行編程，編程完成后將文件保存為.c格式的后綴，編譯并調(diào)試無(wú)誤后生成.hex文件備用。系統(tǒng)需要編寫主程序、充電模塊子程序、保護(hù)模塊子程序以及報(bào)警子程序。

系統(tǒng)主程序的工作流程如下：系統(tǒng)上電之后，充電管理芯片根據(jù)電池的電壓來(lái)判斷充電模式，2.5 V是預(yù)充和快充的切換基準(zhǔn)，電壓低于2.5 V，則系統(tǒng)進(jìn)入預(yù)充電模式，高于2.5 V后，自動(dòng)切換到快充模式，快充模式充電電流恒定，最大電流值不超過(guò)500 mA，當(dāng)充電電流減小到最大電流的20%時(shí)，切換到滿充模式，該模式下充電電壓恒定，當(dāng)電池電壓達(dá)到額定電壓之后，系統(tǒng)自動(dòng)斷電，并發(fā)出蜂鳴器報(bào)警提示，同時(shí)LED燈閃爍數(shù)次后熄滅，標(biāo)志著充電完成，用戶可移除充電系統(tǒng)。

3 結(jié)語(yǔ)

經(jīng)過(guò)Keil軟件和Protues軟件的聯(lián)合調(diào)試，系統(tǒng)能夠?qū)崿F(xiàn)智能充電系統(tǒng)的基本功能，根據(jù)輸入的不同電壓值，能夠?qū)崿F(xiàn)多種模式的充電，充滿電時(shí)能自動(dòng)斷電并發(fā)出聲光報(bào)警提示，該設(shè)計(jì)具有一定的使用指導(dǎo)價(jià)值和實(shí)際意義。