单片机的锂电池充电器设计
目录
一、引言 1
（一）本设计背景与意义 1
（二）常见电池的分类 1
（三）常见电池的特性 2
二、充电电池的常见技术 3
（一）电池充电原理 3
（二）本次设计的基本思路 7
三、充电器硬件设计 9
（一）硬件的组成 9
（二）其它核心元器件选择 11
（三）各单元电路分析 12
四、软件设计 17
（一）程序功能与主要变量说明 17
（二）流程图与程序 17
五、电路仿真与验证 19
（一）部分仿真结果 19
（二）实物制作与功能测试 22
（三）调试实验数据及分析 23
结论 26
附录一：电路图 28
附录二：源程序 29
附录三：仿真图 31
附录四：元器件清单 32
附录五：实物图 33
一、引言
（一）本设计背景与意义
随着电子产品的不断发展，对其配套电池的也提出更高的要求。通常所使用的电池分为不可充电与可充电两种。其中，可充电电池便于携带，小型化、经济使用、便宜，尤其是比一次电池更绿色环保，因而得到了广泛的应用。例如，数码相机、手机、遥控车等大多数都采用的可充电电池。
（二）常见电池的分类
常见的电池分为干电池和蓄电池。所谓的蓄电池也称二次电池，顾名思义，就是反复使用型的电池。二次电池的种类分为四种：①铅酸（LA）电池 ②镍镉（NiCd）电池 ③镍氢（NiMH）电池 ④锂离子（Liion）。这四种电池的特点如下：
1.铅酸电池（LA） *好棒文|www.hbsrm.com +Q: %3^5`1^9`1^6^0`7^2#
r /> LA电池一使用时有较好的安全性,当LA电池的内压超过所在的正常的适用范围后，电池内没有其他气体，泄气系统好，在使用时维护简单并不复杂，使用寿命长。
2. 镍镉电池（Nicd）
电池的充电次数大约1000次左右，其内阻小，与其他的电池相比它的操作简单。使用的温度范围比较大，当对Nicd进行充完电后可以变为原来的特征，Nicd具有长寿命并且存储期较长，Nicd还具有高质量并通过一系列的质量认证，是目前使用较为普遍的一种电池。
3.镍氢电池（Nimh）
Nimh电池正极其实也是由于镍所致成的，而且负极通常也主要是由于一种碱性的二次电池。Nimh的重量相对来说比较轻，使用也比较方面，Nimh的使用寿命更长，而且对周边的环境没有污染情况。因为Nimh电池是由一定数量的氢离子以及金属镍构成的，所以说价格比较贵一些。
4. 锂离子电池（Liion）
基本工作原理由锂离子的正与负极经过来回挪动产生电流。其在充放电过程中，Li+ 在电极中来回，充电时，Li+从正极脱嵌，经过电解质到负极，负极正在富锂状态；放电的时候反而相反。Liion的组成如下图1：
图1 锂离子电池内部结构
（三）常见电池的特性
将上述几种常见电池的额定电压、能量密度、记忆效应等参数整理汇总如下表1：
表1常见电池参数对比
对比表1数据不难发现， 锂离子电池的的额定电压是其它同规格电池的三倍（大约3.6V）。此外，Liion的最大使用循环数优势明显，例如，LA的循环次数大约为500次左右，而重量能量密度在40左右；但锂离子电池的循环次数则大于1000，能量密度也较其他类型的高出许多。锂离子电池的主要特点概括如图2。可见，在常见的二次电池中，锂离子电池体现出明显优势。因此，本设计拟利用单片机完成一款是针对锂离子电池的智能充电器的设计与制作。
图2 锂离子电池特点
（四）主要研究内容
查阅资料可知，锂电池在充电时要注意以下几点，详见表2：
表2 锂电池充电事项
本次设计要求以单片机为核心，结合锂电池的充电特性，完成一款智能锂电池充电器的设计与制作，具体工作内容包括：
1. 确定系统的设计参数
2. 完成锂电池充电器的硬件电路设计；
3. 完成系统软件部分设计；
4. 对设计结果进行仿真并通过实物制作，验证功能。
二、充电电池的常见技术
（一）电池充电原理
1.恒压充电方式
图3 恒压充电电路
当在恒压充电的模式中，刚开始的充电电流比较大，相对于小电流充电将要结束时，此时的充电电流和电压有些波动和变化。所以，充电电流最大值就是充电电压的最高时，从而就可以避免电流过充。另外在所用的这种充电方式中，充电电流会变大，并且在充电快要结束时，电压也会会有所下降。所以会对电池温度有影响，当电池温度增加，此时的电压就会下降导致电池失控，损坏热电池性能。恒压充电如图3所示。
2.涓流方式
图4 涓流充电电路
从图4中可以看出电池组与负载是相并的，而电源是与电池相连接得。假如负载很大而电源电压小于电池电压时，电池将会对负载放电。这种情形下充电电流由模式决定。
3.恒流充电
经过前面的学习与了解，懂得充电器使用交流充电，充电电压会有些波动，若果使用直流充电，就不会有电压波动。而这种操作相对来说比较简单，适用于对串联式的电池组充电。当用恒流充电时，所使用的电池具有高的充电效率，可根据充电的时间大小来决定是否终止充电。如图5恒流源充电所示。
图5恒流源充电电路
4.分阶段充电方式
图6 分阶段充电电路
分阶段充电电路就是刚开始的电流比较大。在使用过程中分阶段充电电路是一种相对比较来说最好的的充电方式，所有的缺点就是充电电路复杂以及成本较高。分阶段充电 如图6所示。
5.浮充方式
图7 浮充充电电路
在浮充电中是以小电流对电池充电，所以总是保持充满状态。用电池作为备用电源的通常是浮充方式，为应急电源设备。其电路如图7所示
6.快速充电
大电流在短时间内对电池进行充电，确保准确要使用电池电压检测、控制电路。该电路可检测电池充电时末期电压、电池温度，有检测的数据可以控制充电的整个过程。
(1)电池电压监测
当它的大电流充电快结束时，检测电池电压达到设定值，那么原来以大电流充电将会到一个小电流充电。其实用小电流充电方法完全是为了保证电池的充电容量。电路的截止电压控制必须小于峰值电压的充电电路提供的充电。
图8－△V控制系统框图
图9 充电电池、电压及时间的关系
目前在市场上有很多电池管理芯片，考虑到充电器设计的充电实现的方式不同将导致充电效果也有所不同，其中核心单片机的选择是关键问题之一。因此，本设计拟采用AT89C52为核心控制器件。其实物如图15，功能特点见表3：
图19 晶振电路图
AT89C52晶振电路，外接电容一般在二十至三十PF之间选择，电容的大小没有固定值，晶振是给单片机提供脉冲信号，晶振的频率一般在一点二至十二兆赫兹之间选择，对电容虽然没有严格要求，但为了电路的稳定性以及方便计算，通常采用12MHZ晶振，电容采用30PF的电容。如图19所示。
一、引言 1
（一）本设计背景与意义 1
（二）常见电池的分类 1
（三）常见电池的特性 2
二、充电电池的常见技术 3
（一）电池充电原理 3
（二）本次设计的基本思路 7
三、充电器硬件设计 9
（一）硬件的组成 9
（二）其它核心元器件选择 11
（三）各单元电路分析 12
四、软件设计 17
（一）程序功能与主要变量说明 17
（二）流程图与程序 17
五、电路仿真与验证 19
（一）部分仿真结果 19
（二）实物制作与功能测试 22
（三）调试实验数据及分析 23
结论 26
附录一：电路图 28
附录二：源程序 29
附录三：仿真图 31
附录四：元器件清单 32
附录五：实物图 33
一、引言
（一）本设计背景与意义
随着电子产品的不断发展，对其配套电池的也提出更高的要求。通常所使用的电池分为不可充电与可充电两种。其中，可充电电池便于携带，小型化、经济使用、便宜，尤其是比一次电池更绿色环保，因而得到了广泛的应用。例如，数码相机、手机、遥控车等大多数都采用的可充电电池。
（二）常见电池的分类
常见的电池分为干电池和蓄电池。所谓的蓄电池也称二次电池，顾名思义，就是反复使用型的电池。二次电池的种类分为四种：①铅酸（LA）电池 ②镍镉（NiCd）电池 ③镍氢（NiMH）电池 ④锂离子（Liion）。这四种电池的特点如下：
1.铅酸电池（LA）
r /> LA电池一使用时有较好的安全性,当LA电池的内压超过所在的正常的适用范围后，电池内没有其他气体，泄气系统好，在使用时维护简单并不复杂，使用寿命长。
2. 镍镉电池（Nicd）
电池的充电次数大约1000次左右，其内阻小，与其他的电池相比它的操作简单。使用的温度范围比较大，当对Nicd进行充完电后可以变为原来的特征，Nicd具有长寿命并且存储期较长，Nicd还具有高质量并通过一系列的质量认证，是目前使用较为普遍的一种电池。
3.镍氢电池（Nimh）
Nimh电池正极其实也是由于镍所致成的，而且负极通常也主要是由于一种碱性的二次电池。Nimh的重量相对来说比较轻，使用也比较方面，Nimh的使用寿命更长，而且对周边的环境没有污染情况。因为Nimh电池是由一定数量的氢离子以及金属镍构成的，所以说价格比较贵一些。
4. 锂离子电池（Liion）
基本工作原理由锂离子的正与负极经过来回挪动产生电流。其在充放电过程中，Li+ 在电极中来回，充电时，Li+从正极脱嵌，经过电解质到负极，负极正在富锂状态；放电的时候反而相反。Liion的组成如下图1：
图1 锂离子电池内部结构
（三）常见电池的特性
将上述几种常见电池的额定电压、能量密度、记忆效应等参数整理汇总如下表1：
表1常见电池参数对比
对比表1数据不难发现， 锂离子电池的的额定电压是其它同规格电池的三倍（大约3.6V）。此外，Liion的最大使用循环数优势明显，例如，LA的循环次数大约为500次左右，而重量能量密度在40左右；但锂离子电池的循环次数则大于1000，能量密度也较其他类型的高出许多。锂离子电池的主要特点概括如图2。可见，在常见的二次电池中，锂离子电池体现出明显优势。因此，本设计拟利用单片机完成一款是针对锂离子电池的智能充电器的设计与制作。
图2 锂离子电池特点
（四）主要研究内容
查阅资料可知，锂电池在充电时要注意以下几点，详见表2：
表2 锂电池充电事项
本次设计要求以单片机为核心，结合锂电池的充电特性，完成一款智能锂电池充电器的设计与制作，具体工作内容包括：
1. 确定系统的设计参数
2. 完成锂电池充电器的硬件电路设计；
3. 完成系统软件部分设计；
4. 对设计结果进行仿真并通过实物制作，验证功能。
二、充电电池的常见技术
（一）电池充电原理
1.恒压充电方式
图3 恒压充电电路
当在恒压充电的模式中，刚开始的充电电流比较大，相对于小电流充电将要结束时，此时的充电电流和电压有些波动和变化。所以，充电电流最大值就是充电电压的最高时，从而就可以避免电流过充。另外在所用的这种充电方式中，充电电流会变大，并且在充电快要结束时，电压也会会有所下降。所以会对电池温度有影响，当电池温度增加，此时的电压就会下降导致电池失控，损坏热电池性能。恒压充电如图3所示。
2.涓流方式
图4 涓流充电电路
从图4中可以看出电池组与负载是相并的，而电源是与电池相连接得。假如负载很大而电源电压小于电池电压时，电池将会对负载放电。这种情形下充电电流由模式决定。
3.恒流充电
经过前面的学习与了解，懂得充电器使用交流充电，充电电压会有些波动，若果使用直流充电，就不会有电压波动。而这种操作相对来说比较简单，适用于对串联式的电池组充电。当用恒流充电时，所使用的电池具有高的充电效率，可根据充电的时间大小来决定是否终止充电。如图5恒流源充电所示。
图5恒流源充电电路
4.分阶段充电方式
图6 分阶段充电电路
分阶段充电电路就是刚开始的电流比较大。在使用过程中分阶段充电电路是一种相对比较来说最好的的充电方式，所有的缺点就是充电电路复杂以及成本较高。分阶段充电 如图6所示。
5.浮充方式
图7 浮充充电电路
在浮充电中是以小电流对电池充电，所以总是保持充满状态。用电池作为备用电源的通常是浮充方式，为应急电源设备。其电路如图7所示
6.快速充电
大电流在短时间内对电池进行充电，确保准确要使用电池电压检测、控制电路。该电路可检测电池充电时末期电压、电池温度，有检测的数据可以控制充电的整个过程。
(1)电池电压监测
当它的大电流充电快结束时，检测电池电压达到设定值，那么原来以大电流充电将会到一个小电流充电。其实用小电流充电方法完全是为了保证电池的充电容量。电路的截止电压控制必须小于峰值电压的充电电路提供的充电。
图8－△V控制系统框图
图9 充电电池、电压及时间的关系
目前在市场上有很多电池管理芯片，考虑到充电器设计的充电实现的方式不同将导致充电效果也有所不同，其中核心单片机的选择是关键问题之一。因此，本设计拟采用AT89C52为核心控制器件。其实物如图15，功能特点见表3：
图19 晶振电路图
AT89C52晶振电路，外接电容一般在二十至三十PF之间选择，电容的大小没有固定值，晶振是给单片机提供脉冲信号，晶振的频率一般在一点二至十二兆赫兹之间选择，对电容虽然没有严格要求，但为了电路的稳定性以及方便计算，通常采用12MHZ晶振，电容采用30PF的电容。如图19所示。
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