基于单片机的锂电池充电器设计

　摘 要：本论文首先分析了锂电池的主要特点，并在此基础上提出了基于单片机控制的锂电池智能充电器设计方案。此设计实现的是单节锂电池充电，因此选用了AT89C52单片机配合MAX1898充电管理芯片及适当的配套元件，进行硬件电路设计，使所设计的充电器具有智能控制的特点，能根据不同锂电池的电参数自动确定相应的充电控制规律，自动检测、充电、断电、报警等。
   　　1 引言
   　　随着微电子技术的快速发展，使得各种各样的电子产品不断的涌现，并朝着便携和小型轻量化的趋势发展，为了能够更加有效地使用这些电子产品，可充电电池得到快速的发展。常见的可充电电池包括镍氢电池、镍镉电池、锂电池和聚合物电池等。其中，锂电池以其高的能量密度、稳定的放电特性、无记忆效应和使用寿命长等优点得到广泛的应用。目前绝大多数的手机、数码相机等均使用锂电池。电池的使用寿命和单次循环使用时间与充电器维护过程和使用情况密切相关。一部好的充电器不但能在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，修复由于使用不当而造成的记忆效应，即电池活性衰退现象。
   　　2 锂电池的主要特点
   　　1）高能量密度，锂离子电池的重量是相同容量的镍镉或镍氢电池的一半，体积是镍镉的40%~50%，镍氢的20%~30%.因此，锂电池具有更高的重量能量比、体积能量比。
   　　2）高电压，单节锂电池电压平均为3.6V，等于三只镍镉或镍氢充电电池的串联电压。
   　　3）自放电小，可长时间存放。
   　　4）无记忆效应，锂电池不存在镍镉电池的所谓记忆效应，所以锂电池充电前无须放电。
   　　5）寿命长，正常工作条件下，锂电池充放电循环次数远大于500次。
   　　6）多个锂电池可以随意并联使用。
   　　7）无污染，由于锂电池中不含镉、铅、汞等重金属元素，对环境无污染。
   　　8）快速充电，使用额定电压为4.2V的恒流恒压充电器，可使锂电池在1-2小时内得到满充。锂电池与其他可充电电池相比，其价格相对较高。但是随着技术的发展，锂电池的性价比越来越高，目前已广泛应用在各类便携式移动设备上。
   
   　　3 锂电池充电器的硬件设计方案
   
   　　3.1 系统结构框图
   　　系统硬件电路由单片机电路、电压转换及光耦合隔离电路、充电控制电路三部分组成。通过单片机的控制实现预充、快充、满充、断电、报警等充电过程。
   
   　　
   　　图1 系统结构框图
   
   　　3.2 52单片机电路原理图
   　　单片机芯片为Atmel公司的AT89C52单片机，B1为蜂鸣器，单片机的P2.0口输出控制光耦器件，可以在需要时及时关断充电电源。
   
   　　
   　　图2 52单片机电路原理图
   
   　　3.3 充电电路控制部分
   　　充电状态输出引脚/CHG经反相器74LS04后与单片机的P3.2口连接，触发外部中断。PNP为P沟道的场效应管或三极管。D1为绿色发光二极管，处于通电状态时亮；D2为红色放光二极管，电源接通时亮。R1设置充电电流的电阻，阻值为2.8千欧，设置最大充电电流为500mA;C2为设置充电时间的电容，容值为100μF，设置最大充电时间为3小时。
   
   　　
   　　图3 充电电路控制部分
   
   　　4 锂电池智能充电器的功能实现
   
   　　本设计中，需要完成预充、快充、满充、断电和报警等功能。这些功能主要依靠智能充电管理芯片MAX1898内置的充电状态控制和外围的单片机AT89C52控制下共同实现。下面分别进行介绍。
   　　4.1 预充
   　　在安装好电池后接通输入直流电源，当充电器检测到电池时则将定时器复位，从而进入预充过程，在此期间，充电器以快充电流的10%给电池充电，使电池电压、温度恢复到正常状态。
   　　预充时间由外接电容控制，这里选择100nF，即预充时间为45分钟。若在规定的充电时间内电池电压达到2.5V以上，且锂电池温度正常，则进入快充过程；若在预充时间内锂电池电压仍低于2.5V，则认为该锂电池不可充电，/CHG引脚连接的发光二极管闪烁，表示充电故障。
   　　4.2 快充
   　　当预充结束后，锂电池电压上升到2.5V以上，MAX1898便以恒定电路对锂电池进行快充。快充也称横流充电。在快充过程中，锂电池电压逐渐上升，直至锂电池电压达到所设定的终止电压。
   　　4.3 满充
   　　当在快充过程中，锂电池电压达到所设定的终止电压，快充结束，充电电流快速递减，充电进入满充过程。此时，当充电速率降到设置值以下或满充时间超时，进入顶端截止充电过程。
   　　在顶端截止充电时，MAX1898以极小的充电电流为电池补充能量。一般情况下，满充和顶端截止充电过程可以延长锂电池5%-10%的使用时间。
   　　4.4 断电
   　　当电池充满后，MAX1898的第2引脚/CHG发送的脉冲电平会由低到高，会被单片机检测到，引起单片机的中断，在中断中判断出充电完毕的状态。此时，单片机将通过P2.0口控制6N137，切断LM7805向MAX1898的供电，从而保证芯片和锂电池的安全，同时也减小损耗。
   　　4.5 报警
   　　当电池充满后，MAX1898芯片本身会熄灭外接的LED绿灯。但是，为了安全起见，单片机在检测到充满状态的脉冲后，不仅会自动切断MAX1898的供电，而且会通过蜂鸣器报警，提醒用户及时取出电池。当充电出错时，MAX1898本身会控制LED绿灯以1.5Hz左右的频率闪烁，此时不要切断MAX1898的供电，要让用户看到此提示。
   
   　　5 总结
   
   　　本设计中所采用的AT89C52单片机和充电集成电路进行充电器的设计，不但能够实现对锂电池进行充电，而且还能够实现相应的过压和温度保护，从而可以充分发挥锂电池的性能，并避免了充电器在充电时可能对电池造成损害的情况发生，具有一定的智能功能。该方案有效地保护了电池、缩短了充电时间并尽量延长锂电池的使用寿命，符合目前的环境保护潮流。