论文：基于51单片机的智能充电器的设计(2)

1．3．2锂离子电池的工作原理锂离子电池反应的实质是一个li+离子类浓差电池：电池在充电时，锂离子从正极脱嵌，嵌入到负极晶格，正极处于贫锂态。因为杂质的氧化电位一般低于锂离子电池的正极电位，易在正极表面氧化，氧化物又在负极还原，不断消耗正负极活性物质，引起自放电基于单片机的智能充电器，即在非正常使用的情况下改变电池放电。3．新型电池“充电”时阴、阳极的判断首先明确原电池放电时的正、负极，再根据充电时，阳极接正极、阴极接负极的原理进行分析。

当对电池进行放电时（我们使用电池的过程），嵌在负极碳层中的锂离子脱出，又运动回正极。回正极的锂离子越多，放电容量越高。 一般锂电池充电电流越大，充电越快，同时电池发热也越大。过大的电流充电，容量不够满，因为电池内部的电化学反应需要时间。 2.3锂离子电池使用注意事项 1. 放电电流不能过大，过大的电流导致电池内部发热，有可能会造成永久性的损害。 2. 绝对不能过放电，锂电池内部存储电能是靠电化学一种可逆的化学变化实现的，过度的放电会导致这种化学变化有不可逆的反应发生，一旦放电电压低于2.7V，将可能导致电池报废。 3. 充电时不能高于最大充电电压。 4. 锂离子电池过充时，会导致电池性能受到破坏，甚至爆炸。 5. 高温环境下，锂离子电池容易缩短寿命，或者引发爆炸。 6. 长期不用的锂离子电池需要保持40%～60%电量，否则，电量过低时将会因为自放电导致过放。 3 硬件电路设计 3.1 设计思路概述 要实现智能化充电器，需要从以下两方面着手： 1. 充电过程的实现 充电过程主要考虑到锂离子电池的充电特点，有针对性的选择相应的充电方案。另外，由于集成电路的高速发展，很多芯片厂商把实现固定功能的电路做成集成IC，更加方便电路功能的实现和搭建。

目前市场上常见的智能充电芯片主要包括：MAX1898、MAX1758、SM01[4]。本设计采用MAX1898充电芯片来进行相关电路的设计。 2. 智能化的实现 为实现充电的智能化，在充电过程中引入51单片机的控制，配合ADC0832模数转换芯片，不断的检测电池电压并反馈给51单片机，判断电池此时需要的充电模式，从而实现智能化控制。此外，为方便观察整个过程，运用LCD1602显示充电过程中的电池电压和充电电流，能更加生动的看到整个充电过程。 在本设计中，整体思路是通过MAX1898给锂电池充电，以AT89S52单片机作为充电过程的智能控制中心，以ADC0832模数转换器作为MAX1898和AT89S52的数据传送桥梁，不断的检测电池的电压，由单片机判断此时应有的充电状态，从而控制充电状态指示灯的点亮与熄灭，并将状态监测结果输出给LCD1602显示以供观察，当充电出现错误，则会使指示灯闪烁，并驱动蜂鸣器报警。 3.2 充电管理芯片MAX1898简介 MAX1898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、温度检测器和主控器。输入电流调节器用于限制总输入电流，包括系统负载电流与充电电流，但检测到输入电路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，MAX1898外接限流型充电电源和PNP功率三级管，可对单节锂电进行有效的快充，它通过外接电容设定充电时间，通过外接电阻设置最大充电电流，可精确地恒流/恒压充电，电池电压精度可达±0.75%[5]。

MAX1898的封装样式如图3-1所示，各个引脚功能如表3-1所示。 图3-1 MAX1898的引脚 表3-1 MAX1898引脚功能表 引脚号 引脚名 功能 1 IN 电压输入端 2 漏极开路LED驱动。1.没有电池，LED灭。2.预充电，LED亮。3.快速充电，LED亮。4.充电完成，LED灭。5.电池电压小于2.5V，但预充电时间结束，LED 1.5HZ闪烁。 3 EN/OK 1.输入：高电平使能IC。2.输出：高电平表示输入电压接入正确 4 ISET 1.与电池充电电流成比例的模拟输出,。 2.通过设定ISET与GND之间的电阻可改变充电电流。 5 CT 安全充电时间控制口，电容10uF时，充电时间为3小时。 6 RSTRT 自动重启控制，如果电池降低电池规定的电压下0.2V，一个新的充电周期又开始。接地后自动重启功能有效，充电完成时漏极电流为40uA。如果悬空，充电时间耗尽，只能通过EN/OK来触发重启，充电完成时漏极电流为4uA。 7 BATT 电池输入端。 8 GND 接地 9 DRV 外部晶体管驱动，该脚接外部PMOS/PNP的栅极/基极。 10 CS 充电电流输入端，接PMOS/PNP的源极/集电极。

bms 的功能主要包括：● 电池单体电压、电流、温度信号采集 ● 电池组总电压、电流信号采集● 电池荷电状态 soc/ 健康状态 soh 估算 ● 电池单体一致性均衡● 智能充电控制 ● 动力母线预充电控制● 绝缘电阻检测 ● 电池组热管理● 过流、过压、过热保护系统架构 本方案使用主从式的 bms 系统架构，即一个主控模块 + 若干采集模块的方式，主控模块与采集模块之间通过 can 通信，如下图所示。电路设计工作是设置进入快速充电的电压阈值，进入恒压充电的电压阈值，充电超时时间，恒流充电的电流值，恒压充电的电压值，充电结束的电流阈值，中断处理，提供sys接口给上层都充电的状态，包括电池的类型，电池最高电压，电池最低电压，电池当前电压，电池电量的百分比，电池的状态，充电电流和电池温度等等。充电开始电池的接受能力强，可以利用这一特点，大电流充电，使电池很快得到足够的电量，以节省时间和电 能，当充到一定程度，为防止电压超过限值，应自动转入并限定在一恒压值上，限制电压继续升高，防止电压超过充终，使电池极板受损。

另外，可以输出逻辑电平，表3-2为的状态与各充电状态的对应关系。 表3.2 的状态与各充电状态的对应关系 条件 没有电池接入或没有充电输入 高阻抗（LED灭） 预充电阶段电池电压小于2.5V，充电电流为Imax的10% 低阻抗（LED亮） 快速充电阶段，电池电压大于2.5V 低阻抗（LED亮） 充电完成，充电电流下降到快速充电电流的20%或者到达预定快充时间 高阻抗（LED灭） 充电错误，充电电压小于2.5V而且预充电结束（） LED1.5HZ、50%闪烁 最大充电时间设定： 最大充电时间可以通过外部电容设置，电容接在CT与GND之间，定时电容和充电时间Tchg的关系式满足： 式中：Tchg 单位为小时，CT单位为nF，一般情况下快充时间不超过3小时，因此CT一般为100nF。 最大充电时间就是安全定时，通常不是充电控制循环中的一部分。以1C的充电速率对锂离子电池充电，通常充电时间将近1.5小时，但是根据温度的变化和电池类型的不同充电时间变化很大。在大多数场合，用1C速率快速充电推荐3小时作为最大充电时间，以使正常充电不会被充电定时器中断。要详细咨询电池厂商推荐的定时设定。CT接GND，充电安全定时功能关闭，同样重启功能和预充电错误提示功能也关闭。

充电过程自动重启： 当电池电压降到预定水平下时，MAX1898就自动重启开始充电。大多数定时充电器，一旦充电时间结束，就不能对随后的电池充电，充电将不能重新开始，除非充电器被为4.5V~12V。锂电池要求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，一般采用直流电源外加变压器。本设计中为简化设计方案，没有设计降压和稳压电路，输入采用USB标准电压作为外接电源输入，可以接到电脑上或者普通手机充电器上，通过导线接到J1口上，如图3-3所示。

图3-4 MAX1898应用电路设计原理图 如图3-4所示，红色LED灯接入IN和之间作为充电状态指示器。在外部PNP晶体管集电极和BATT正极之间接一个肖特基二极管，来避免输入电源短路时电池放电。本系统设计为充电时间3小时，最大充电电流500mA，采用自动重启模式，所以CT外接0.1uF电容，ISET外接2.8K电阻，RSTRT直接接地。充电端通过外接的PNP三极管提供锂电池的充电接口，充电输出可以通过USB接口J3，也可以通过普通针式插接座引到万能充电器的两个触角上使用。 3.4 AT89S52单片机简介 AT89S52 是一种低功耗、高性能CMOS 8位微控制器，具有8K 在系统可编程Flash存储器。使用Atmel 公司高密度非易失性存储器技术制造，与工业80C51 产品指令和引脚完全兼容。在单芯片上，拥有灵巧的8 位CPU 和在系统可编程Flash，使得AT89S52为众多嵌入式控制应用系统提供高灵活、超有效的解决方案。 如图3-5所示，是AT89S52的一种双列直插式封装形式，本设计中也采用这一款单片机作为控制芯片。 图3-5 AT89S52 24PU1018A AT89S52具有以下标准功能： 1、与MCS-51单片机产品兼容； 2、8K字节在系统可编程Flash存储器，程序存储器经三级加密； 3、1000次擦写周期； 4、可降至0Hz 静态逻辑操作，工作频率0Hz~33MHz； 5、32个可编程I/O口线，8个中断源，三个16位定时器/计数器，双数据指针； 6、全双工UART串行通道； 7、支持2种软件可选择节电模式：空闲模式下，CPU 停止工作，允许RAM、定时器/计数器、串口、中断继续工作；掉电保护方式下，RAM内容被保存，振荡器被冻结，单片机一切工作停止，直到下一个中断或硬件复位为止，并有掉电标识符功能； AT89S52 DIP封装的引脚如图3-6所示。

p1口：p1口是一个内部提供上拉电阻的8位双向i/o口，p1口缓冲器能接收输出4ttl门电流。p3口：p3口管脚是8个带内部上拉电阻的双向i/o口，可接收输出4个ttl门电流。 在验证程序时, 输出指令字节, 并要求外接上拉电阻.p1(p1.7~p1.0)1.p1口是带内部上拉电阻的8位双向i/o口, 它是通用i/o口.2.在eprom编程和程序验证时...。

Flash 编程和程序校验期间，P1 接收低8 位地址。 表3.3 P1口部分引脚的第二功能 引脚号 功能特性 P1.0 T2（定时器/计数器T2的外部计数输入，或者时钟输出） P1.1 T2EX（定时器/计数器T2的捕捉/重载触发信号和方向控制） P1.5 MOSI（在系统编程用） P1.6 MISO（在系统编程用） P1.7 SCK（在系统编程用） P2口 P2 是一个带有内部上拉电阻的8 位双向I/O 口，P2 的输出缓冲级可驱动（吸收或输出电流）4 个TTL 逻辑门电路。对端口P2 写“1”，通过内部的上拉电阻把端口拉到高电平，此时可作输入口，作输入口使用时，因为内部存在上拉电阻，某个引脚被外部信号拉低时会输出一个电流(IIL)。在访问外部程序存储器或16 位地数据存储器（例如执行MOVX @DPTR 指令）时，P2 口送出高8 位地址数据。在访问8 位地址的外部数据存储器（如执行MOVX@RI 指令）时，P2 口输出P2锁存器的内容。Flash编程或校验时，P2亦接收高位地址和一些控制信号。 P3口 P3 口是一组带有内部上拉电阻的8 位双向I/O 口。P3 口输出缓冲级可驱动（吸收或输出电流）4 个TTL 逻辑门电路。

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