基于单片机的智能充电器毕业设计论文

基于单片机的智能充电器

毕业设计论文

This model paper was revised by the Standardization Office on December 10, 2020

长江学院毕业论文（设计）

题目基于单片机的智能充电器

院（系）机械与电子工程系

专业自动化

学生姓名王海

成绩

指导教师张胜群老师

2015年06月

摘要

便携式应用的发展与普及提高了对充电电池性能的要求，而锂离子电池凭借其独特的有点，如能量密度高、使用寿命长、放电电压高和无记忆效应等，成为了便携式电子产品的首选电池。然而，锂离子电池相对脆弱的特性，如过充电和高温可能对电池造成极大的破坏，对其充电电路提出了严格的要求，作为便携式产品的充电器，高集成度，高效率和准确的控制都是必须的特点。

针对锂离子电池的充电管理问题，本文采取了一种基于单片机控制的智能充电方法，通过单片机与充电管理IC的配合，设计并实现了锂离子电池充电保护电路，从而达到了提高充电效率，延长电池寿命和节能的效果。

关键词：锂离子电池；智能充电器；单片机；节能

Abstract

The development and prevalence of portable applications require better performance of rechargeable batteries, while the Li-Ion battery becomes the best choice of portable electronic products because of its unique advantages, such as high energy density, long circle life, high voltage and absence of memory effects. However, the comparative fragility of Li-Ion battery, for example, to overcharging and high temperature, imposes stringent charge requirements on chargers. As portable applications, the chargers should be compact, high efficient and accurate.

In order to manage the charge process of Li-Ion battery, the design and implementation of a Li-Ion battery charge protection integrated circuit based on intelligent control approach was presented by MCU assort with

charge management IC. So as to achieve improved charging efficiency and prolong battery life and energy-saving effect.

Keywords：Li-Ion；Intelligent charger；MCU；Energy-saving

目录

第一章绪论

锂离子电池具有较高的重量比、无记忆效应、可重复充电多次、使用寿命长、价格低等优点。因此，在便携式产品向更小更轻方向发展的今天，选用单节锂离子电池供电已成为产品设计者的首要选择。

锂离子电池因易受到过充电、深放电以及短路的危害，单体的锂离子电池的充电电压必须严格控制。充电速率（蓄电池的充电电流通常用充电速率C表示，C为蓄电池的额定容量，例如用1A的电流对500mAh的电池充电，充电速率就是2C；同样地，用1A的电流对1Ah的电池充电，充电速率就是1C）通常不超过1C，最低放电电压为~，如果再继续放电则会损害电池。

锂电池的充电过程一般包括预充电、恒流充电（CC）和恒压充电（CV）三个过程。预充电以小电流对电池进行涓流充电，当电池电压上升到预充电阈值以上时，以大电流对电池进行恒流充电；当电池电压接近浮充电压阈值（），充电器逐渐转变为恒压模式充电，充电电流逐渐减小；当电流减小到终止电流时，充电过程结束。

在深入了解了锂离子电池的充电原理和充电控制方法后，我发现锂离子电池的充电设备需要解决一下几个问题：

（1）能进行充点前处理，包括电池充电状态鉴定、预处理。

（2）解决充电时间长、充电效率低的问题。

（3）改善因充电控制不合理而造成电池过充、欠充等问题，提高电池的使用性能和使用寿命。

（4）通过加强单片机控制，简化外围电路的复杂性，同时增加自动化管理设置，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、更大的灵活性，并且达到节能的效果。

本论文主要针对锂离子电池充电器的研究，设计了一款单节锂离子电池智能充电器，并且可以从USB接口充电。该充电器可以实时采集电池的电压和电流，并对充电过程进行智能控制，可在无过热危险的情况下实现电池充电速率的最大化，并且系统中的管理电路还具有保护功能，可防止电池的过充和过放电对电池造成损

坏。同时，系统采用了充满电后自动断电措施，有效的防止了多数情况下在充满电后充电器始终连在电源上造成的电能浪费。

1.1单片机技术的特点及应用

随着大规模和超大规模集成电路技术的发展和计算机微型化的需要，将微型计算机的基本部件：中央处理器（CPU）、存储器、输入输出（I/O）接口、定时器/计时器等多种资源集成在一个半导体芯片上，使得一块集成电路芯片就能构成一个完整的微型计算机。这种集成电路芯片被称为单片微型计算机（Single Chip Microcomputer），简称单片机。单片机在结构设计上，它的软、硬件系统及I/O 接口控制能力等方面都有独到之处，具有强而有效的功能。从其组成、逻辑功能上来看，单片机具备了微型计算机系统的基本部件。

目前，各种类型单片机在应用产品中占主导地位，产品众多，已有几十个系列、几百种型号，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好Internet连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（图像和语言处理等）的单片机（DSP）。总之，单片机正在向微型化、低功耗、高速、高集成度、多资源、网络化、专用型方向发展。

1.1.1单片机的特点

（1）高集成度，体积小，高可靠性

单片机将各功能部件集成在一块晶体芯片上，集成度很高，体积自然也是最小的。芯片本身是按工业测控环境要求设计的，内部布线很短，其抗工业噪音性能优于一般通用的CPU。单片机程序指令，常数及表格等固化在ROM中不易破坏，许多信号通道均在一个芯片内，故可靠性高。

（2）控制功能强

为了满足对对象的控制要求，单片机的指令系统均有极丰富的条件：分支转移能力，I/O口的逻辑操作和位处理能力，非常适用于专门的控制功能。

（3）低电压，低功耗，便于生产便携式产品

为了满足广泛使用于便携式系统，许多单片机内的工作电压仅为～，而工作电流仅为数百微安。

（4）易扩展

片内具有计算机正常运行所必需的部件。芯片外部有许多供扩展用的三总线及并行、串行输入/输出管脚，很容易构成各种规模的计算机应用系统。

（5）优异的性能价格比

单片机的性能极高。为了提高速度和运行效率，单片机已开始使用RISC流水线和DSP等技术。单片机的寻址能力也已突破64KB的限制，有的已可达到1MB和16MB，片内的ROM容量可达62MB，RAM容量则可达2MB。由于单片机的广泛使用，因而销量极大，各大公司的商业竞争更使其价格十分低廉，其性能价格比极高。

1.1.2单片机的应用

（1）单片机在智能仪器仪表中的应用

在各类仪器仪表中引入单片机，使仪器仪表智能化，提高测试的自动化程度和精度，简化仪器仪表的硬件结构，提高其性能价格比。

（2）单片机在机电一体化中的应用

机电一体化是机械工业发展的方向。机电一体化产品是指集成机械技术、微电子技术、计算机技术于一体，具有智能化特征的机电产品，例如微机控制的车床、钻床等。单片机作为产品中的控制器，能充分发挥它的体积小、可靠性高、功能强等优点，可大大提高机器的自动化、智能化程度。

（3）单片机在日常生活及家用电器领域的应用

自从单片机诞生以后，它就步入了人类生活，如洗衣机、电冰箱、空调器、电子玩具、电饭煲、视听音响设备等家用电器配上单片机后，提高了智能化程度，增加了功能，倍受人们喜爱。单片机将使人类生活更加方便、舒适、丰富多彩。（4）在实时过程控制中的应用

用单片机实时进行数据处理和控制，使系统保持最佳工作状态，提高系统的工作效率和产品的质量，在自动控制系统中有广泛的应用。

（5）办公自动化设备

现代办公室使用的大量通信和办公设备多数嵌入了单片机。如打印机、复印机、传真机、绘图机、考勤机、电话以及通用计算机中的键盘译码、磁盘驱动等。（6）商业营销设备

在商业营销系统中已广泛使用的电子称、收款机、条形码阅读器、IC卡刷卡机、出租车计价器以及仓储安全监测系统、商场保安系统、空气调节系统、冷冻保险系统等都采用了单片机控制。

（7）在计算机网络和通信领域中的应用

现代的单片机普遍具备通信接口，可以很方便地与计算机进行数据通信，为在计算机网络和通信设备间的应用提供了极好的物质条件，现在的通信设备基本上都实现了单片机智能控制，从手机，电话机、小型程控交换机、楼宇自动通信呼叫系统、列车无线通信、再到日常工作中随处可见的移动电话，集群移动通信，无线电对讲机、路由器等。

（8）单片机在医用设备领域中的应用

单片机在医用设备中的用途亦相当广泛，例如医用呼吸机，各种分析仪，监护仪，超声诊断设备及病床呼叫系统等等。

（9）汽车电子产品

现代汽车的集中显示系统、动力监测控制系统、自动驾驶系统、通信系统和运行监视器（黑匣子）等都离不开单片机，并且在汽车技术日益发达的今天，单片机更是在汽车系统中起到了举足轻重的作用。

（10）航空航天系统和国防军事、尖端武器等领域

单片机的应用更是不言而喻。例如导弹跟踪系统，智能机器人等，正是因为单片机的应用，使得武器设备变得越来越智能，减少了人工的干预，增强了稳定性和安全性。

综合所述，单片机已成为计算机发展和应用的一个重要方面。另一方面，单片机应用的重要意义还在于，它从根本上改变了传统的控制系统设计思想和设计方法。从前必须由模拟电路或数字电路实现的大部分功能，现在已能用单片机通过软件方法来实现了。这种软件代替硬件的控制技术也称为微控制技术，是传统控制技术的一次革命。

1.2飞思卡尔MC9S12XS128单片机简介

本文设计中使用的单片机型号为MC9S12XS128MAL（图），为了解和方便使用，在此做简单介绍。MC9S12XS128（以下简称XS128）是Freescale公司推出的S12XS 系列单片机中的一款增强型16位单片机，S12XS系列单片机是在S12XE系列的基础上去掉XGate协处理器的单片机，该系列单片机采用CPU12X V2内核，可运行在40MHz总线频率上。不仅在汽车电子、工业控制、中高档机电产品等应用领域具有广泛的用途，而且在FLASH存储控制机加密方面也有很强的功能。

图 MC9S12XS128MAL单片机

MC9S12XS128单片机的特点：

存储器：128KB FLASH；2KB EEPROM；8KB RAM；

A/D：16通道模数转换器（本设计中用到），可选8位、10位和12位精度；

PWM：8位8通道或16位4通道PWM；

串行口：2个异步串行通讯SCI和2个同步串行设备接口SPI；

CRG时钟和复位发生器：锁相环、看门狗、实时中断；

增强型捕捉定时器；

总线；

CAN总线：3个1Mbps的CAN总线，兼容CAN A/B；

背景调试模式（BDM）；

封装：LQFP-112。

1.3实现智能充电的意义

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，采用小电流涓流补充充电。

锂离子电池是便携设备最为常用的一种电池，锂离子电池的使用寿命和单次使用时间与充电过程密切相关，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，需将锂离子电池充电至最大电压，同时防止过压充电造成电池损坏，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。

第二章充电方案选择

充电管理是锂离子电池管理系统的重要组成部分，它对电池的特性及寿命有着至关重要的影响。随着电源技术的不断发展，充电的手段越来越丰富，充电方式对电池及应用环境的针对性也越来越强。目前针对各种各样的可充电电池，存在的主要充电方法包括：恒流充电法、恒压充电法、恒压限流充电法、恒流恒压充电法、分级定流充电法、脉冲式充电法、定化学反应状态充电法、变电流间歇／恒压充电法及变电压间歇充电法等。这些充电方法根据各自特点，被运用在不同充电管理系统中。

2.1恒流充电(CC)

恒流充电根据其充电电流的大小，又可分为浮充充电(又称涓流充电)、标准充电及快速充电。该方法在整个充电过程中采用恒定电流对电池进行充电，充电曲线如图所示。这种方法操作简单，易于做到，特别适合对由多个电池串联的电池组进行充电。但由于锂离子电池的可接受电流能力是随着充电过程的进行而逐渐下降的，在充电后期，若充电电流仍然不变，充电电流多用于电解质，产生大量气泡，这不仅消耗电能，而且容易造成极板上活性物质脱落，影响锂离子电池的寿命。

图恒流方式电池充电曲线

2.2恒压充电法(CV)

在恒压充电法中，充电电源的电压在全部充电时间里保持恒定的数值，随着锂离子电池端电压的逐渐升高，电流逐渐减少。充电曲线如图所示。从图中可以看到，充电初期充电电流过大，这样对锂离子电池的寿命会造成很大影响。与恒流充电一样，该方法操作简单，易于做到。但在电池放电深度过深时，充电初期电流过大，容易对电池及电路造成损伤。

图恒压方式电池充电曲线

2.3恒压限流充电

该方法在恒压充电的基础上，通过在充电设备输出电压与电池之间增加限流元件(一般为电阻)来对充电电流进行调整。充电初期，充电电流大，电阻上的压降也大，充电设备输出的电压损失也大，充电电流被限制在一定范围以内。充电结束时，电流减小，充电设备输出的电压损失也小，充电曲线如图所示。该方法克服了恒压模式下电流过大的缺点。但由于增加了限流电阻，充电效率降低。

图恒压限流方式电池充电曲线

2.4恒流恒压充电法(CC/CV)

在CC/CV充电器中，充电通过恒定电流开始。在恒流充电CC周期中，为了防止过度充电而不断监视电池端电压。当电压达到设定的端电压时，电路切换为恒定电压充电，直到把电池充满为止。在CC充电期间，电池可以以较高电流强度进行充电，这期间电池被充电到大约85％的容量。在CV充电周期中，电池电压恒定，充电电流逐渐下降，在电流下降到低于电池的1／10C容量时，充电周期完成。恒流恒压充电曲线如图所示。

图普通恒流恒压方式电池充电曲线

2.5分级定电流充电法

分级定电流充电法与恒流恒压充电方法相似。它根据电池充电过程中不同充电阶段的特性，将充电过程划分为几个阶段，在不同的阶段采用不同的充电电流或电压，这种充电方法在恒流恒压充电方法的基础上，将充电过程进一步细划，可以达到保护电池和快速充电的目的，是目前运用最广泛的充电方法。在锂离子电池充电管理中所采用的三阶段充电法，基本上就是这种方法在应用过程中的一种变体。三阶段充电法将锂电池充电过程分为三个阶段，第一阶段为小电流充电阶段，主要起保护电池的作用；第二阶段为恒流充电阶段，采用固定电流对电池充电以实现快速充电的目的：第三阶段为恒压阶段，主要是保证电池充满及防止过充电。该方法充电曲线如图所示。

图电池分级定电流充电曲线

2.6脉冲充电方法

脉冲充电方式是比较新的一种充电方式。脉冲充电法是从对电池的恒流充电开始的，大部分的能量在恒流充电过程中被转移到电池内部。当电池电压上升到充电终止电压后，脉冲充电法由恒流转入真正的脉冲充电阶段。在这一阶段，脉冲充电方式以与恒流充电阶段相同的电流值间歇性的对电池进行充电。每次充电时间为后，然后关闭充电回路。充电时由于充电电流的存在，电池电压将继续上升并超过充电终止电压；当充电回路被切断后，电池电压又会慢慢下降。电池电压恢复到时，重新打开充电回路，开始下一个脉冲充电周期。在脉冲充电电流的作用下，电池会渐渐充满，电池端压下降的速度也渐渐减慢，这一过程一直持续到电池电压恢复到的时间达到某个预设的值为止，可以认为电池已接近充满，充电曲线如图所示。

图脉冲充电法电池充电曲线图

2.7定化学反应状态充电法

定化学反应状态充电是近几年提出来的充电方法。采用这种方法充电，充电设备的闭环跟踪系统动态跟踪电池可接受的充电电流。这样充电电流始终与电池可接受的充电电流保持良好的匹配关系，使充电过程在最佳状态下进行，充电曲线如图所示。这种充电方式具有充电效率高，充电时间短等优点。但其电路系统较为复杂，造价高，不易实现。

图定化学状态充电法曲线图

2.8变电流间歇/定电压充电法

变电流间歇／定电压充电法与变电压间歇充电法也是近几年提出来的充电方法。该方法目前主要用于对铅酸蓄电池进行充电。它们采用分级电流或电压对电池进行间歇式充电，以提高充电效率和速度。目前对锂电池仍然以恒流恒压的充电方法为主。充电初期一般采用小电流对电池进行预处理，防止电池过放电带来的影响；接着用大电流快速充电；在电池电压达到额定充电终止电压时，转为恒压模式确保电池充满。本文采用目前广泛充电方法分级定电流充电模式，虽然这种方法电路相对复杂，但充电时间短，效率高，因此在锂离子电池充电方案中占主导地位。

第三章硬件电路设计

3.1设计思路分析

在详细的了解了锂离子电池的充电原理和查阅有关充电方案后，本文提出了两种智能充电控制的方案，并通过比较两种充电方案的优缺点选择最佳的充电方案。

3.1.1脉宽PWM法充电

随着电子技术的发展，出现了多种PWM技术，其中包括：相电压控制PWM、脉宽PWM法、随机PWM、SPWM法、线电压控制PWM等，而在锂离子电池智能充电器中采用的脉宽PWM法。它是把每一脉冲宽度均相等的脉冲列作为PWM波形，通过改变脉冲列的周期可以调频，改变脉冲的宽度或占空比可以调压，采用适当控制方法即可使电压与频率协调变化。脉宽PWM法的基本思想就是利用单片机具有的PWM端口和PWM控制恒压恒流源芯片配合，在不改变PWM方波周期的前提下，通过软件的方法调整单片机的PWM控制寄存器来调整PWM的占空比，从而控制充电电压和电流。本方法所要求的单片机必须具有ADC端口和PWM端口这两个必须条件。

脉宽PWM法充电具有以下优缺点。

可控制涓流大小。在PWM控制充电的过程中,单片机可实时检测ADC端口上充电电流的大小，并根据充电电流大小与设定的涓流进行比较，以决定PWM占空比的调整方向。

电池唤醒充电。单片机利用ADC端口与PWM的寄存器可以任意设定充电电流的大小，所以，对于电池电压比较低的电池，在上电后，可以采取小电流充一段时间的方式进行充电唤醒，并且在小电流的情况下可以近似认为恒流，对电池的冲击破坏也较小。

电流控制精度低。充电电流的大小的感知是通过电流采样电阻来实现的，采样电阻上的压降传到单片机的ADC输入端口，单片机读取本端口的电压就可以知道充电电流的大小。若设定采样电阻为R（单位为Ω），采样电阻的压降为V（单位为mV）， 10位ADC的参考电压为。则ADC的1 LSB对应的电压值为

5000mV/1024≈5mV。一个5mV的数值转换成电流值就是50mA，所以软件PWM电流

控制精度最大为50mA。若想增加软件PWM的电流控制精度，可以设法降低ADC的参考电压或采用10位以上ADC的单片机。

PWM采用软启动的方式。在进行大电流快速充电的过程中，充电从停止到重新启动的过程中，由于磁芯上的反电动势的存在，所以在重新充电时必须降低PWM的有效占空比,以克服由于软件调整PWM的速度比较慢而带来的无法控制充电电流的问题。

充电效率不是很高。在快速充电时，因为采用了充电软启动，再加上单片机的PWM调整速度比较慢，所以实际上停止充电或小电流慢速上升充电的时间是比较大的。

3.1.2电源管理IC控制充电

由于充电管理IC将充电各个阶段的充电电路集成在了芯片内部，实现了功能的模块化，相比较PWM控制的分立恒压源恒流源充电电路，具有电路简单易实现的优点，并且提高了充电效率，降低了软件编程算法难度和设计成本，缺点是无法实现USB模式的智能充电。但是通过比较两种方法的优缺点，本文选择方案二作为智能充电器的设计的最终方案。

本文设计中采用锂离子电池充电IC是MAX1898（图）。MAX1898和外部晶体管PNP或PMOS组成一个锂离子充电器，可精确地恒流/恒压充电，电池电压精度可达±%。MAX1898有两种型号，MAX1898EUB42应用于的锂离子电池，类似的

MAX1898EUB41用于的锂离子电池。MAX1898具有以下功能：

（1）电压精度达±%

（2）充电电流可控

（3）带自动输入电源监视器

（4）内部检流电阻

（5）LED充电状态指示器

（6）可控的安全充电时间

（7）电流大小监视输出