基于单片机的锂离子电池充电器的硬件设计

摘要: 本文首先分析了锂离子电池的重要特性，并在此基础上提出了一种基于单片机控制的锂离子电池智能充电器的设计方法. 该设计实现了单节锂离子电池的充电，因此AT89C52单片机与MAX1898充电管理芯片和适当的支持组件配合使用，以设计硬件电路，从而使所设计的充电器具有以下特性: 具有智能控制功能，可根据不同的锂离子使用. 电池的电气参数会自动确定相应的充电控制规则，并自动检测，充电，关机和报警.

1简介

随着微电子技术的飞速发展，各种电子产品不断涌现，并朝着便携，小巧，轻便的趋势发展，以便能够更有效地使用这些电子产品，充电电池得到了飞速发展. 常见的可充电电池包括镍氢电池，镍镉电池，锂离子电池和聚合物电池. 其中，锂离子电池以其高能量密度，稳定的放电特性，无记忆效应和长寿命而被广泛使用. 目前，大多数手机和数码相机都使用锂离子电池. 电池的使用寿命和单个循环的时间与充电器的维护过程和使用情况密切相关. 一个好的充电器不仅可以在短时间内给电池充电，而且可以在维护电池，修复因使用不当引起的记忆效应（即电池活性下降）方面起到一定的作用.

锂离子电池的两个重要特征

1）高能量密度，锂离子电池的重量是相同容量的镍镉或镍金属氢化物电池的一半，体积是镍镉的40％至50％，并且镍氢的20％至30％. 因此，锂离子电池具有更高的重能比和体积能比.

2）高电压，单节锂离子电池的平均电压为3.6V，等于三个镍镉或镍氢氢化物充电电池的串联电压.

3）自放电小，可以长时间保存.

4）没有记忆效应. 锂离子电池没有镍镉电池的所谓记忆效应基于51单片机的智能充电器设计，因此无需在充电之前将其放电.

5）寿命长. 在正常工作条件下，锂离子电池的充放电循环次数远大于500.

6）可以随意并联使用多个锂离子电池.

7）无污染，因为锂离子电池不含镉，铅，汞等重金属元素，对环境无污染.

8）使用额定电压为4.2V的恒流和恒压充电器进行快速充电，可使锂离子电池在1-2小时内充满电. 与其他可充电电池相比，锂离子电池相对昂贵. 但是，随着技术的发展，锂离子电池的性价比越来越高，已经广泛应用于各种移动设备中.

3种锂离子电池充电器的硬件设计方法

3.1系统框图

系统硬件电路由三部分组成: 单片机电路，电压转换和光耦合隔离电路以及充电控制电路. 通过单片机的控制，实现了预充电，快速充电，充满电，断电和报警的充电过程.

图1系统结构框图

3.252单片机电路原理图

SCM芯片是Atmel公司的AT89C52 MCU，B1是蜂鸣器，M​​CU的p2.0输出控制光耦合器设备，并可以在需要时及时关闭充电电源.

图252电路原理图

3.3充电电路控制部分

在逆变器74LS04之后，充电状态输出引脚/ CHG连接到微控制器的p3.2端口，从而触发外部中断. pNp是p沟道场效应晶体管或三极管. D1是绿色的发光二极管，通电时会亮； D2是红色发光二极管，在打开电源时会亮起. R1设定充电电流的电阻，电阻值为2.8 kmhms，最大充电电流为500mA； C2是设置充电时间的电容器，电容为100F，最大充电时间为3小时.

图3充电电路控制部分

4节锂离子电池智能充电器的功能实现

在此设计中，应完成预充电，快速充电，完全充电，断电和报警功能. 这些功能主要由智能充电管理芯片MAX1898和单片机AT89C52中内置的充电状态控制来实现. 在下面单独介绍.

4.1预付费

安装电池后，连接输入直流电源. 当充电器检测到电池时，它将重置计时器以进入预充电过程. 在此期间，充电器以快速充电电流的10％为电池充电. 将电池电压和温度恢复到正常状态.

预充电时间由外部电容器控制. 在这里，选择100nF，这意味着预充电时间为45分钟. 如果在指定的充电时间内电池电压达到2.5V或更高且锂离子电池的温度正常，则进入快速充电过程；否则，将进入快速充电过程. 如果在预充电时间内锂离子电池的电压仍低于2.5V，则认为锂离子电池无法充电，连接到/ CHG引脚的LED闪烁，表明充电失败.

4.2快速充电

预充电完成后，锂离子电池的电压升高至2.5V以上，MAX1898使用恒定电路对锂离子电池快速充电. 快速充电也称为横流充电. 在快速充电过程中，锂离子电池的电压逐渐升高，直到锂离子电池的电压达到设置的终止电压.

4.3充满电

在快速充电过程中锂离子电池的电压达到设定的终止电压时，快速充电结束，充电电流迅速减小，并且充电进入完全充电过程. 这时，当充电速率降至设定值以下或满充电时间到期时，将进入高端充电过程.

当在顶部切断电荷时，MAX1898用很小的充电电流为电池充电. 通常，完全充电和高端充电过程可以将锂离子电池的使用时间延长5％-10％.

4.4关闭电源

当电池充满电时，MAX1898的引脚2 / CHG发送的脉冲电平将从低到高检测，并由微控制器检测到，从而引起微控制器的中断，并判断充电状态在中断中完成. 此时，单片机将通过p2.0口控制6N137，切断LM7805至MAX1898的电源，从而保证了芯片和锂离子电池的安全性，同时减少了损耗.

4.5警报

当电池充满电后，MAX1898芯片本身将关闭外部LED绿灯. 但是，为了安全起见，MCU不仅在检测到满脉冲后会自动切断MAX1898的电源，而且还会通过蜂鸣器警告用户，提醒用户及时取出电池. 发生充电错误时，MAX1898本身将控制LED绿灯以约1.5Hz的频率闪烁. 此时，请勿切断MAX1898的电源，而要让用户看到此提示.

5摘要

本设计中使用的AT89C52微控制器和充电集成电路不仅能够为锂离子电池充电，而且还实现了相应的过压和温度保护，从而可以充分利用锂离子电池基于51单片机的智能充电器设计，具有一定的智能性. 功能，并防止充电器在充电时对电池造成损坏. 该方法有效保护了电池，缩短了充电时间，并最大程度地延长了锂离子电池的使用寿命，符合当前的环保趋势.

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