充電器為人們的外出和出差辦公提供了極大的方便。

單片機在電池充電器領域也有著廣泛的應用，利用它的處理控制能力可以實現(xiàn)充電器的智能化。充電器的種類繁多，但從嚴格意義上講，只有單片機參與處理和控制的充電器才能稱為智能充電器。

隨著手機在世界范圍內(nèi)的普及使用，手機電池充電器的使用也越來越廣泛。

本次設計將通過一個典型的勢力介紹51單片機在實現(xiàn)手機電池充電器方面的應用。設計所實現(xiàn)的充電器是一種智能充電器，它在單片機的控制下，具有預充、充電保護、自動斷電和充電完成報警提示功能。

1.3  本設計功能模塊
本設計的功能模塊主要如下：

1）單片機模塊：實現(xiàn)充電器的智能化控制。比如自動斷電、充電完成報警提示等。

2）充電過程控制模塊：采用專用的電池充電芯片實現(xiàn)充電過程的控制。

3）充電電壓提供模塊：采用電壓轉(zhuǎn)換芯片將外部+12V電壓轉(zhuǎn)換為需要的+5V電壓。

4）C51程序：單片機控制電池充電芯片實現(xiàn)充電過程的自動化，并根據(jù)充電的狀態(tài)給出有關的輸出指示。

第2節(jié)  系統(tǒng)設計思路分析
充電的實現(xiàn)，它包括兩部分：一是充電過程的控制；二是需要提供基本的充電電壓。

2.1 智能化的實現(xiàn)
在充電器電路中引入單片機的控制。它為什么需要實現(xiàn)充電器的智能化呢？

充電器實現(xiàn)的方式不同會導致充電效果的不同。由于充電器多采用大電流的快速充電法，在電池充滿后如果不及時停止會使電池發(fā)燙，過度的充電會嚴重損害電池的壽命。一些低成本的充電器采用電壓比較法，為了防止過充，一般充電到90％就停止大電流快充，而采用小電流涓流補充充電。

手機電池的使用壽命和單次使用時間與充電過程密切相關。鋰電池是手機最為常用的一種電池，它具有較高的能量重量比、能量體積比，具有記憶效應，可重復充電多次，使用壽命較長，價格也越來越低。鋰電池對于充電器的要求比較苛刻，需要保護電路。為了有效利用電池容量，需將鋰電池充電至最大電壓，但是過壓充電會造成電池損壞，這就要求較高的控制精度。另外，對于電壓過低的電池需要進行預充，充電器最好帶有熱保護和時間保護，為電池提供附加保護。

一部好的充電器不但能在短時間內(nèi)將電量充足，而且還可以對電池起到一定的維護作用，修復由于使用不當造成的記憶效應，即容量下降(電池活性衰退)現(xiàn)象。設計比較科學的充電器往往采用專用充電控制芯片配合單片機控制的方法。專用的充電芯片具備業(yè)界公認較好的-△v 檢測，可以檢測出電池充電飽和時發(fā)出的電壓變化信號，比較精確地結(jié)束充電工作，通過單片機對這些芯片的控制，可以實現(xiàn)充電過程的智能化，例如，在充電后增加及時關斷電源、蜂鳴報警和液晶顯示等功能。充電器的智能化可以縮短充電的時間，同時能夠維護電池，延長電池使用壽命。

2.2 電池充電芯片的選擇
2.2.1 如何選擇電池充電芯片

目前市場上存在大量的電池充電芯片，它們可直接用于進行充電器設計。在選擇具體的電池充電芯片時，需要參考以下標準。

1)電池類型：不同的電池(鋰電池、鎳氫電池、鎳鎘電池等)需選擇不同的充電芯片。

2)電池數(shù)目：可充電池的數(shù)目。

3)電流值：充電電流的大小決定了充電時間。

4)充電方式：是快充、慢充還是可控充電過程。

本設計要實現(xiàn)的是手機的單節(jié)鋰離子電池充電器，要求充電快速且具有優(yōu)良的電池保護能力，據(jù)此選擇Maxim 公司的MAXl898 作為電池充電芯片。

2.2.2 芯片MAX1898 的特點

MAXl898 配合外部PNP 或PMOS 晶體管可以組成完整的單節(jié)鋰電池充電器。

MAX1898提供精確的恒流/恒壓充電，電池電壓調(diào)節(jié)精度為±0.75％，提高了電池性能并延長了電池使用壽命。充電電流可由用戶設定，采用內(nèi)部檢流，無須外部檢流電阻。 MAXl898 提供了充電狀態(tài)的輸出指示、輸入電源是否與充電器連接的輸出指示和充電電流指示。MAXl898 還具有其他一些功能，包括輸入關斷控制、可選的充電周期重啟(無須重新上電)、可選的充電終止安全定時器和過放電電池的低電流預充。

MAXl898 的關鍵特性如下：

1)    簡單、安全的線性充電方式。

2)    使用低成本的PNP 或PMOS 調(diào)整元件。

3)    輸入電壓：4.5～12V。

4)    內(nèi)置檢流電阻。

5)    ±0.75％電壓精度。

6)    可編程充電電流。

7)    輸入電源自動檢測。

8)    LED 充電狀態(tài)指示。

9)    可編程安全定時器。

10)  檢流監(jiān)視輸出。

11)  可選/可調(diào)節(jié)自動重啟。

12)  小尺寸uMAX 封裝。

2.2.3 MAX1898 的充電工作原理

充電芯片MAXl898 的內(nèi)部電路包括輸入電流調(diào)節(jié)器、電壓檢測器、充電電流檢測器、定時器、溫度檢測器和主控制器。輸入電流調(diào)節(jié)器用于限制電源的總輸入電流，包括系統(tǒng)負載電流與充電電流。當檢測到輸入電流大于設定的門限電流時，通過降低充電電流從而控制輸入電流。因為系統(tǒng)工作時電源電流的變化范圍較大，如果充電器沒有輸入電流檢測功能，則輸入電源必須能夠提供最大負載電流與最大充電電流之和，這將使電源的成本增高、體積增大，而利用輸入限流功能則能夠降低充電器對直流電源的要求，同時也簡化了輸入電源的設計。 MAXl898 外接限流型充電電源和P 溝道場效應管，可以對單節(jié)鋰電池進行安全有效的快充，其最大特點是：在不使用電感的情況下，仍能做到很低的功率耗散，可以實現(xiàn)預充電，具有過壓保護和溫度保護功能，最長充電時問的限制可為鋰電池提供二次保護。MAX1898 的浮動方式能夠使電池容量充至最大。

當充電電源和電池在正常的工作溫度范圍內(nèi)時，插入電池將啟動一次充電過程；充電結(jié)束的條件是平均的脈沖充電電流達到快充電流的 1％，或時間超出片上預置的充電時間。MAXl898 能夠自動檢測充電電源，沒有電源時自動關斷以減少電池的漏電。啟動快充后打開外接的P 型場效應管，當檢測到電池電壓達到設定的門限時進入脈沖充電方式，P 型場效應管打開的時問會越來越短。充電結(jié)束時，指示燈將會按12%的周期閃爍，MAX1898 的典型充電電路如下圖圖2-1所示電路具體說明如下。

圖2-1  MAX1898的典型充電電路

1）輸入電壓范圍為 4.5～12v。鋰電池要求的充電方式是恒流恒壓方式，電源的輸入需要采用恒流恒壓源，一般可采用直流電源外加變壓器。

2)通過外接的場效應管提供鋰電池的充電接口。

3)通過外接的電容 CcT 來設置充電時間 tCHG。這里的充電時間指的是快充時的最大充電時間，它和定時電容CcT 的關系如下式所示：

CcT=34.33×tCHG                                                  (2-1)

式中，tCHG 的單位為小時，CcT 的單位為Nf。大多數(shù)情況下，快充時最大充電時問不超過3 小時，因此常取CcT 為100nF。

4)在限制電流的模式下，通過外接的電阻 RSET 來設置最大充電電IFSTCHG，關系如下式所示：IFSTCHG=1400/Rset 式中，RSEI-的單位為Q，IFSTCHG 的單位為A。

當充電電源和電池在正常的工作溫度范圍內(nèi)時，插入電池將啟動一次充電過程。平均的脈沖充電電流低于設置的快充電流的20％，或者充電時間超出片上預置的最大充電時問時，充電周期結(jié)束。MAXl898 能夠自動檢測充電電源，沒有電源時自動關斷以減少電池的漏電。啟動快充后，打開外接的P 型場效應管，當檢測到電池電壓達到設定的門限時進入脈沖充電方式，P 型場效應管打開的時JI 間會越來越短。充電結(jié)束時，LED 指示燈將會呈現(xiàn)周期性的閃爍，具體的閃爍含義如表1所示。

表2-

1  MAX1898 典型充電電路的LED 指示燈狀態(tài)說明

充電狀態(tài)
LED指示燈電池或充電器沒有安裝

預充或快充

亮

充電結(jié)束

滅

充電出錯

頻率閃爍

第3節(jié)  系統(tǒng)主要硬件電路設計

   硬件電路設計主要圍繞充電芯片MAXl898 展開，而單片機控制部分的電路簡單。

3.1  主要器件

本設計的核心器件是MAXl898。MAXl898 可對所有化學類型的Li+電池進行安全充電，它具有高集成度，在小尺寸內(nèi)集成了更多功能，盡可能多地覆蓋了基本應用電路，只需要少數(shù)外部元件。MAXl898 為10 引腳、超薄型的MAX 封裝，其引腳分布如圖3-1 所示：

圖3-1 MAXl898引腳分布

其引腳功能如下：

IN(1 腳)：傳感輸入，檢測輸入的電壓或電流；

CHG(2 腳)：充電狀態(tài)指示腳，同時驅(qū)動LED；

EN/OK(3 腳)：使能輸入腳/輸入電源“好”輸出指示腳。EN 為輸入腳，可以通過輸入禁止芯片工作；OK 為輸出腳，用于指示輸入電源是否與充電器連接；

ISET(4 腳)：充電電流調(diào)節(jié)引腳。通過串接一個電阻到地來設置最大充電電流；

CT(5 腳)：安全充電時間設置引腳。接一個時間電容來設置充電時間，電容為 100nF 時，幾乎為3 個小時，此引腳直接接地將禁用此功能；

RSTRT(6 腳)：自動重新啟動控制引腳。當此引腳直接接地時，如果電池電壓掉至基準電壓閾值以下 200mV，將會重新開始一輪充電周期。此引腳通過電阻接地時，可以降低它的電壓閾值。此引腳懸空或者 CT 引腳接地(充電時間設置功能禁用)時，自動重新啟動功能被禁用；

BATT(7 腳)：電池傳感輸入腳，接單個 Li+電池的正極。此引腳需旁接一個大電解電容到地；

GND(8 腳)：接地端；

DRV(9 腳)：外部晶體管驅(qū)動器，接晶體管的基極；

CS(10 腳)：電流傳感輸入，接晶體管的發(fā)射極。

本設計的單片機芯片選用Atmel 公司的AT89C52，它完全可以滿足要求。

另外，由于充電器外部為+12V 供電，因此需要通過電壓轉(zhuǎn)換芯片將+12V 電壓轉(zhuǎn)換為 +5V 電壓，這里選用三端電壓轉(zhuǎn)換芯片LM7805 來完成此功能。

為了降低電源干擾，保持電路的穩(wěn)定，在LM7805 完成電壓轉(zhuǎn)換，將+5v 充電電源送給 MAXl898 之前，先經(jīng)過一次光耦模塊 6N137 的處理，通過單片機對光耦模塊的控制，可以及時關斷充電電源。6N137 的引腳分布如圖3-2 所示：

圖3-2  6N137 的引腳分布

其引腳功能如下：

NC(1 腳、4 腳)：懸空；

+(2 腳)、-(3 腳)：發(fā)光二極管的正、負極；

GND(5 腳)：接地端；

OUTPUT(6 腳)：輸出腳；

EN(7 腳)：使能腳。為低時，無論有無輸入，輸出都為高。

不使用時，懸空即可；

VCC(8 腳)：電源輸入腳。

3.2  電路原理圖及說明

硬件電路由單片機電路、電壓轉(zhuǎn)換及光耦隔離電路、充電控制電路3 部分組成。單片機部分的電路原理圖如下圖3-3 所示。

圖3-3  單片機部分的電路原理圖

圖3-3中，ul 為單片機AT89C52，工作在11．0592MHz 時鐘；u2 為蜂鳴器，蜂鳴器由單片機的P2．1 腳控制發(fā)出報警聲提示；單片機的P2．O 腳輸出控制光耦器件，在需要的時候可以及時關斷充電電源；單片機的外部中斷O 由充電芯片MAXl898 的充電狀態(tài)輸出信號/ CHG 經(jīng)過反相后觸發(fā)。

下圖3-4 所示的為電壓轉(zhuǎn)換及光耦隔離部分電路的原理圖。