基于单片机的锂离子电池充电专业系统设计专项方案.doc

济南大学泉城学院
毕业设计方案

题 目 基于单片机锂离子电池
充电系统设计
专 业 电气工程及其自动化
班 级 1301班
学 生 姚良洁
学 号 010873
指引教师 张兴达 魏志轩

二〇一七年四月十日

学院 工学院 专业 电气工程及其自动化
学生 姚良洁 学号 010873
设计题目 基于单片机锂离子电池充电系统设计
一、 选题背景与意义
1. 国内外研究现状
自90年代以来，中华人民共和国正日趋成为世界上最大电池生产国和最大电池消耗国。随着科技发展，人们对身边电子产品数字化、自动化和效率规定越来越高。便携式电池成为顾客首选，随着各式各样电池浮现，顾客在选用电池时，在考虑到电池环保、性价比同步，更加注重电池便携性。正由于锂离子电池具备高体积比能量和环保性能，符合当前世界电池技术发展趋势，逐渐成为市场主流[1]。国内锂电池行业年增长率已超过20%，电池总体需求量达到50亿块左右。可见，在当前和此后相称一段时间，锂电池将成为国内电池工业龙头。
虽然国内已是仅次于日本锂离子电池生产大国，市场增长空间巨大，但并非强国，在全球锂离子电池产业仍处在低端。随着手机顾客日益增多，如何保养手机也成为了众多手机使用者面临一种实际问题，而手机电池作为手机一种重要构成某些，直接影响了使用寿命和性能。智能手机屏幕越来越大，功能越来越多，既有锂离子电池产品越来越难以满足需求，选取适当充电器，可以延长咱们手机锂离子电池使用寿命。
现阶段消费者除了通过原厂配备充电器给便携式设备充电之外，普遍采用是通过移动电源来补充电池电量。依照日本矢野经济研究所预测，锂离子电池正以53.33%年增长率迅速取代老式镍铬镍氢电池市场。当前国内移动电源市场上重要品牌有小米、爱国者、品胜、华为等，国外市场比较知名品牌有BOOSTCASE、MALA 等。移动电源市场在近几年得到了很大发展，市场中浮现了各式各样品牌。与此同步，在移动电源产品中也存在诸多需要解决问题。例如：自身充电所需时间过长，USB输出电压不稳定，电能转化效率不高，输出保护较为单一，输出大电流时散热性能不好等。相较于国外而言，国内锂电池智能充电系统性能欠佳，还需要加大研究力度[2]。
2. 选题目及意义
近几年来，便携式电子产品迅猛发展增进了电池技术更新换代。其中锂离子电池以其重量轻、储能大、功率大、无记忆效应、无污染、自放电系数小、循环寿命长等长处，脱颖而出，迅速成为市场主流。锂电池是20世纪末才浮现绿色高效能可充电电池，当前随着锂离子电池推广及大量应用，锂离子电池深受社会和顾客欢迎[3]。当前已广泛应用于手机、笔记本电脑、数码相机及众多便携式设备，其中笔记本电脑占23%，手机占50%，为最大领域。电子、信息及通讯等3C产品均朝向无线化、可携带化方向发展，对于产品各项高性能组件也往“轻、薄、短、小”目的迈进，而锂离子电池是最佳电源供应来源。锂电池也被称之为“最有应用前程化学电源”，甚至被称为“极限电池”或“最后一代电池”。
锂离子电池作为一种绿色环保电源，正以其独特魅力，影响着咱们世界。同步，其作为新兴能源材料，正处在蓬勃发展时期，进一步研究和开发锂离子电池对发展与能源密切有关各项产业都具备非常重要意义。随着锂离子电池性能不断提高和成本不断减少，该系列电池也逐渐应用于交通工具、航空航天、军事、医疗等其他方面领域，将成为最具发展前景可充电电池[4]。咱们相信，将来锂离子电池在咱们手中将会获得更加丰硕成果。
二、设计内容
本文以AT89C51单片机为核心元件，是针对手机锂离子电池智能调节充电系统设计[5]。系统重要涉及锂离子电池充电系统硬件方案设计、硬件系统所涉及到元器件参数计算及型号选取、锂离子电池单片机系统软件流程图设计及程序实现、整体系统调试、校验以及优化调节。
设计内容重要分为硬件设计和软件设计，包括AT89C51单片机控制模块、电路保护模块、信号采集模块、LCD液晶显示模块和声光报警模块[6]。各模块功能如下：
AT89C51单片机控制模块：核心控制某些，作为整个设计主控制模块。
电路保护模块：具备输入过压保护、输出过流保护和过充电保护等。充电时保护电路因过流或短路导致内部电路问题。
信号采集模块：对电流、电压和温度进行采集，通过传感器将信号传递给单片机。
LCD液晶显示模块：显示充电电量比例以及不同电量时所使用充电方式。
声光报警模块：通过硬件电路实现保护，给单片机中断管脚发出脉冲信号，引起中断程序实现保护，并引起蜂鸣器报警。
涉及到硬件涉及：AT89C51，MAX1898芯片，A/D转换器，蜂鸣器，传感器，热敏电阻等。
单片机负责控制整个系统运营，涉及充电机参照电压电流值给定，充电完毕或者保护状态时充电机关闭，依照电池电压、充电电流、温度等各种参数来智能监测电池充电状态和实现对电池一系列保护功能，针对不同充电电量用不同充电方式对电池进行充电，延长锂离子电池使用寿命，实现对电源系统能化管理[7]。
本次软件设计采用AT89C51单片机结合MAX1898锂离子电池充电芯片，C51高档语言编程软件设计，AD软件绘PCB电路原理图。充电状态输出引脚通过74LS04反向后与单片机INT0相连触发外部中断，设立最大充电时间为3小时。监测MAX1898输出信号CHG，当MAX1898将要完毕充电时，该引脚会发出周期为4s脉冲，单片机INT0引脚接受中断后，产生中断，并使用单片机T0计数器开始计数，当下一种脉冲到来时，在定期器程序中判断单片机计数值与否在4s左右，如果是，则通过P1.2和P1,.3引脚关断电源，并引起蜂鸣器报警[8]。其软件设计实现功能如下：
不同电量时使用不同充电方式（恒流、恒压、涓流），延长锂电池使用寿命，实现锂离子电池充电控制功能；
插上电池，绿灯亮，开始进行充电。布满后充电器自动关断，红灯亮，蜂鸣器报警；
LCD液晶显示，充电时显示电流、电压、电量比例以及充电方式；
对电流、电压及温度进行检测，实现锂离子电池充电控制过温过压保护功能，保证安全充电；
当系统浮现异常状况时，蜂鸣器发出警报。
本文研究了当前国内外锂离子电池充电监控系统现状，由于是基于单片机系统设计，保证了采集、传播以及解决过程中可靠性，设计了一套锂离子电池充电监控报警系统，完毕了软硬件设计[9]。通过软硬件测试，该充电系统均衡及保护电路简捷、敏捷、可靠。通过实验测试，该系统具备低功耗、高精度、高稳定性、反映敏捷、操作简便等长处[10]。单片机负责控制整个系统运营，涉及充电机参照电压电流值给定，充电完毕或者保护状态时充电机关闭，依照电池电压、充电电流、温度等各种参数来智能监测电池充电状态和实现对电池一系列保护功能[11]。
本设计中所采用AT89C51单片机和充电集成电路进行充电器设计，不但可以实现对锂电池进行充电，并且还可以实现相应过压和温度保护，从而可以充分发挥锂电池性能，并避免了充电器在充电时也许对电池导致损害状况发生，具备一定智能功能。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使用寿命，符合当前环保潮流。
三、设计方案
本次设计简介了基于AT89C51单片机锂离子电池智能充电系统。用单片机对充电过程进行智能控制，对于锂电池产品质量和检测系统提出了更高规定，提高了手机电池使用效率，可以延长电池使用寿命。在电池充电过程中，系统采用恒压恒流充电状态，给过放电电池使用涓流充电，保证了锂离子电池安全充电[12]。该设计涉及硬件电路和单片机软件模块。
硬件设计由A/D转换电路、保护电路、复位电路、信号采集电路和检测电路等几某些构成。电路设计如图1.1所示：
锂电池
充电回路
功率电路

电流采样
驱动电路

温度检测
A/D转换
液晶显示
52单片机

电压采样
声光报警

图3.1 硬件电路设计图
(1)A/D转换电路
ADC0832是8位逐次逼近型模数转换器，有两个可多路选取输入通道，使系统可以同步对电压、电流以及温度信号进行采集，而不需要再扩展A/D芯片[13]。该A/D转换器内部包具有采样保持电路，此外，其内部自带参照电压。A/D转换器是通过其 AVCC 引脚供电。片内自带 5V 基准电压 VREF+，当进行电压、电流和温度等信号采集时，可以在 VREF+引脚上加上电容进行解耦，这样可以对噪声更好抑制。
(2)保护电路
依照设计规定，保护电路重要有短路保护电路和过流保护电路。短路保护电路重要由负责端电压取样电路、比较电路和1V基准电压电路构成，其实质是由外部中断告知单片机电池需要进行短路保护，单片机在中断程序中启动短路保护，切断主回路[14]。过充保护电路基本思路是：当通过电压检测电路检测到电池电压达到4.25V±0.05V时，MCU控制信号CHARGE输出低电平使三极管Q18截止，使充电回路关断，起到过充电保护作用；相反，当电池电压低于4.0V时，控制信号CHARGE输出高电平使三极管Q18导通，使充电回路导通。
(3)复位电路
采用STC809R作为复位芯片，该芯片是专用复位芯片，具备诸多长处：在上电时，当时钟振荡稳定并且电压值不不大于顾客设定值，单片机才开始工作；掉电时，当电压值低于顾客设定值，单片机才干复位；电池电压下降到一定值，单片机始终处在复位状态，且此时处在超低功耗，避免电池浮现过放；具备掉电检测电路，在掉电过程中有充分时间保存数据[15]。
(4)信号采集电路
信号采集电路涉及电流采集电路、电压采集电路和温度采集电路[16]。其中电流采集电路选用MAX4081作为检测芯片。该芯片输入电压范畴4.5V至76V，非常适合于需要严密监视高压电流系统，因而可以直接用电池组最高电压作为其供电电源。此外，芯片参照电压由系统提供，参照电压值为1.5V。该芯片引脚OUT输出电压与参照电压、RS-和RS+三个引脚电压状态关于。当RS-端电压高于RS+端电压，OUT引脚输出电压低于参照电压；当RS-端电压低于RS+端电压，OUT引脚输出电压高于参照电压。电压采集电路包括电池电压输入接口电路、高8路电压取样网络、低8路电压取样网络、高8路信号多路选通电路、低8路信号多路选通电路、放大电路。温度检测保证了安全充电环节执行。由于本系统对温度信号精度规定不高，因而系统采用100K热敏电阻和1%精度电阻分压进行温度检测，共设计了四路温度采集电路，每路电压信号直接进入单片机AD通道进行转换。
(5)检测电路
在充电过程中，充电系统需要实时检测电池电压、温度、充电电流，依照检测到充电状态进行电池充电实时控制[17]。状态检测电路直接影响到检测到参数与否精确，充电控制与否得当，是智能充电系统重要构成某些。充电状态检测电路重要完毕功能有电池电压检测、充电电流检测和电池温度检测。它们检测机制是通过主芯片内部ADC采样电路来实时采样电池状态，再把ADC采样电路得到数据进行解决得到咱们需要检测参数。
通过对设计规定分析和各元器件理解，得出分立元件与集成块某些连接办法，选取适当设计方案，从而达到设计功能规定，并且把这些元器件焊接在一块电路板上。
本次软件采用AT89C51单片机结合MA1898锂离子电池充电芯片进行设计，C语言进行编程。MAX1898和外部单片机共同作用下，实现了充电过程[18]。通过对硬件电路分析，通过重要控制MAX1898使能及充电完毕和充电出错时信号批示控制，用软件程序来实现电流、电压、温度采样和保护以及声光报警功能。通过对锂电池状态检测，使充电转入不同充电阶段。进入不同充电阶段后，通过一定算法，变化单片机输出PWM 信号占空比，实现不同阶段充电控制，并显示充电状态。图1.2为正常充电状态下单片机软件程序流程图。

图1.2 正常充电状态下软件程序流程图
同步，系统软件设计对各个充电阶段都需要实时监测充电过程异常。当充电器电压、电池电压、电池温度不满足充电条件时，就进入了异常解决状态。当浮现异常状况时就会调用报警子程序发出报警信号，蜂鸣器会发出警报。通过对硬件和软件设计，实现了智能充电，充分保证了锂离子电池充电过程安全性。
四、参照文献
[1] 程立文. 手机电池将来发展方向[J]. 电源技术，，(1):6-8.
[2] 李凌云，任斌. 国内锂离子电池产业现状及国内外应用状况[J]. 电源技术，，37(5):883-885.
[3] 屈伟平. 锂电池广泛前景及发展障碍[J]. 电源技术应用，，(8):120.
[4] 王海明，郑绳楦，刘兴顺. 锂离子电池特点及应用[J]. 电气时代，，(3):132-134.
[5] 徐振. 锂电池普通特性及管理系统分析[J]. 广西轻工业，，(10):35-37.
[6] 周鹏. 动力锂电池充电及保护应用[J]. 电源技术，，(5):648-649.
[7] 陈修强. 锂电池智能管理系统研究与设计[D]. 太原科技大学，.
[8] 林思岐. 电池均衡电路研究及应用[D]. 北京交通大学，.
[9] J. Garche，A. Jossen. Battery management systems(BMS) for increasing battery life time[J]. Proc. IEEE，，(5):322-324.
[10] Jean-Francois Cousseau，Clemence Siret，Fuzzy-Controlled Li-ion Battery Charge System with Aetive State-of-Charge Controller[J] IEEE Transactions on Industrial Electronics，，48(3):585-593.
[11] 邓绍刚，汪艳，李秀清，黄合宝. 锂电池保护电路设计[J]. 电子科技，，(10):68-72.
[12] Hossein Maleki，Jason N.Howard. Internal short circuit in Li-ion cells[J]. Journal of Power Sources，，(5):422-424.
[13] 沈俊. 智能手机迅速充电[D]. 上海交通大学，.
[14] 李洪，戴永军，李向锋. 基于单片机控制锂电池充电和保护系统[J]. 电工技术，，(9):57-58.
[15] 野泽哲生，蓬田宏树. 伟大电能无线传播技术[J]. 电子设计应用，，(6):42-54.
[16] 黄春耀. 基于单片机智能充电控制器设计与应用[J]. 龙岩学院学报，，25(3):235-237.
[17] 王涛，屈高龙. 基于单片机智能手机充电器设计[J]. 电子测试，，(6):58-59.
[18] 陈朝阳. 低功耗锂离子电池保护电路设计[D]. 华中科技大学，.

五、指引教师评语

指引教师（签字）

201 年 月 日
六、审核意见

二级学院（签字）

201 年 月 日