董燕麗，張 虎，劉 攀

（山西農(nóng)業(yè)大學信息學院，山西 太谷 030800）

隨著電子時代的到來，越來越多的智能電子設(shè)備進入人們的生活和工作中，鋰電池因其質(zhì)量輕、體積小、具有記憶功能、使用壽命長等優(yōu)點，成為眾多電子設(shè)備供電首選。在為鋰電池選擇充電器時，必須要選具有保護電路的充電器。最好的選擇是智能充電器，能合理地調(diào)節(jié)充電電壓的大小，避免因充電電壓過大對電池造成損傷。

智能充電系統(tǒng)具有諸多優(yōu)點，如體積小、質(zhì)量輕便、充電效率高，不同階段采用不同的充電模式，可以保證充電過程不過流、不欠壓，能有效地延長電池的使用壽命?，F(xiàn)在性能較好的智能充電器都用單片機來做控制器，將單片機和充電芯片結(jié)合使用，使得充電器的性能更好，充電過程也更智能。

1 智能充電系統(tǒng)的工作過程

智能充電系統(tǒng)充電過程包括預充電、恒流充電、恒壓充電、斷電和報警五個環(huán)節(jié)，各個環(huán)節(jié)的具體過程如下所示。

1.1 預充電

電池電量很低時，電池的性能不太穩(wěn)定，此時先對電池進行小電流預充電，當達到預充電電壓閥值時，此時切換成大電流進行充電。這樣的充電方式可減小對電池的損傷，若換成大電流后電池不能正常充電，則說明電池已出現(xiàn)故障，不能正常使用了。

1.2 恒流充電

這一環(huán)節(jié)也稱為快速充電環(huán)節(jié)，這個過程中充電電流值穩(wěn)定不變。充電電流大小可根據(jù)不同型號的電池的額定電壓進行小范圍調(diào)節(jié)。恒流充電過程中，當充電的實際功率大于額定功率時，電池會出現(xiàn)發(fā)熱現(xiàn)象，當溫度高于上限值時，自動進入下一環(huán)節(jié)的充電。

1.3 恒壓充電

這一環(huán)節(jié)也稱為滿充環(huán)節(jié)，電池充電時輸入電壓值保持不變。恒壓充電階段充電電流會逐漸減小，減小到一定程度之后開始采用涓流充電。

1.4 斷電

智能充電系統(tǒng)最亮點的功能是能夠自動斷電。d當電池電壓達到額定電壓時充電系統(tǒng)會自動斷電，不再向電池輸送電壓和電流，對電池起到保護作用。

1.5 報警

電池充電飽和之后，充電系統(tǒng)自動斷電，并發(fā)出報警信號，提醒用戶移除充電設(shè)備，防止過充電。

2 智能充電系統(tǒng)的設(shè)計

2.1 總體設(shè)計思路

智能充電系統(tǒng)功能完善，性能優(yōu)越，具有多種充電模式，并根據(jù)充電的不同階段自動切換充電模式，能夠?qū)崿F(xiàn)預充、快充、滿充、自動斷電和報警提示等功能，還有短路保護功能，能夠顯示不同的充電狀態(tài)。

根據(jù)系統(tǒng)的功能要求，將智能充電系統(tǒng)的設(shè)計劃分成如下幾個模塊：核心控制器模塊、充電模塊、穩(wěn)壓隔離模塊和報警模塊。本設(shè)計從硬件設(shè)計和軟件設(shè)計兩方面出發(fā)，按照模塊化思路，先完成各個模塊的硬件電路設(shè)計，再根據(jù)功能要求設(shè)計系統(tǒng)的流程圖，進而完成軟件編程，通過Protues軟件畫出系統(tǒng)總的硬件仿真圖，進行系統(tǒng)的仿真與調(diào)試。

2.2 智能充電系統(tǒng)的硬件設(shè)計

2.2.1 核心控制器

核心控制器是智能充電系統(tǒng)的“心臟”，本設(shè)計選取AT89S51單片機作為核心控制器，因其具有廣泛的兼容性和強大的實時控制功能，性價比高，應(yīng)用場合很多。

單片機的最小系統(tǒng)是可以保證單片機正常工作的基本系統(tǒng)，包括電源電路、時鐘電路和復位電路。AT89S51的電源電路要提供5 V電源來給單片機供電。時鐘電路是為單片機正常工作提供時序信號的電路，由電容和晶振組成穩(wěn)定的自激振蕩器，晶振具有穩(wěn)定的振蕩周期并能持續(xù)輸出脈沖，振蕩頻率可選擇6 MHz、12 MHz的石英晶體，微調(diào)電容通常選擇30 pF，除了內(nèi)部時鐘之外，單片機還可以選擇外部時鐘，由外部振蕩器產(chǎn)生時鐘脈沖信號，常用于多片單片機之間的同步。復位電路用于初始化單片機，通常在程序跑飛或者單片機陷入死循環(huán)時，需要復位電路來恢復單片機的運行秩序。單片機的復位分手動按鈕復位和上電自動復位兩種。

2.2.2 充電模塊

本系統(tǒng)的充電芯片選擇的是MAX1898充電芯片。該芯片性價比較高，MAX1898芯片能很好控制充電過程，可以精準地監(jiān)測充電過程中發(fā)生的問題，并且該芯片的恒壓充電模式，對電池能起到很好的保護作用，充電性能好；此外MAX1898芯片充電過程相對靈活，只需要通過檢測內(nèi)部電流就可以切換充電模式，且電路集成度比較高，充電過程簡單，設(shè)計中需要的外圍部件很少，結(jié)構(gòu)簡單。

MAX1898芯片內(nèi)部結(jié)構(gòu)完整，集成了電流調(diào)節(jié)裝置、溫度檢測裝置、電壓監(jiān)測裝置以及充電控制器等?？斐洵h(huán)節(jié)通過調(diào)節(jié)內(nèi)部電阻，有效地控制充電電流，保證恒流快速充電，滿充過程則是根據(jù)充電情況對電流進行調(diào)節(jié)，保證充電電壓恒定不變，電流則隨著充電過程逐漸減小，以防止充電電流過大會對電池造成損傷，電池電壓精度可達±0.75%。此外，MAX1898芯片自帶指示燈，可顯示電池的充電狀態(tài)。當未連接電池或充電完成時，指示燈滅，當電池處于預充、快充和滿充的充電過程時，指示燈亮，充電出錯時，指示燈以1.5 Hz頻率閃爍。

2.2.3 穩(wěn)壓隔離模塊

智能充電系統(tǒng)對電壓穩(wěn)定性的要求很高，電壓不穩(wěn)會對電池造成不同程度的損傷，因此需要專門的穩(wěn)壓隔離電路。本設(shè)計選擇LM7805，它具有穩(wěn)定的變壓作用，再加上6N137的光耦隔離，可有效防止外部電源的干擾，這樣充電系統(tǒng)就可得到穩(wěn)定的電壓了。

2.2.4 報警模塊

報警模塊主要是充電異?；蛘叱潆娡瓿蓵r提醒用戶移除充電器的，報警模塊選擇聲光報警，由蜂鳴器和發(fā)光二極管組成，其中蜂鳴器選擇無源蜂鳴器，由5 V直流電來供電，內(nèi)部封裝有音頻振蕩電路。當充電異?；蛘叱潆娡瓿蓵r發(fā)光二極管閃爍，同時蜂鳴器發(fā)出報警提示。

系統(tǒng)各個模塊的的硬件設(shè)計總圖如下圖所示。

2.3 智能充電系統(tǒng)的軟件設(shè)計

系統(tǒng)的軟件設(shè)計主要是按照模塊化的思路，設(shè)計系統(tǒng)總的流程圖以及各個模塊的流程圖，再根據(jù)設(shè)計好的流程圖用Keil軟件進行編程，編程之前先新建工程，命名為智能充電系統(tǒng)，選定單片機型號Atmel/AT89S51，添加源程序文件，并進行編程，編程完成后將文件保存為.c格式的后綴，編譯并調(diào)試無誤后生成.hex文件備用。系統(tǒng)需要編寫主程序、充電模塊子程序、保護模塊子程序以及報警子程序。

系統(tǒng)主程序的工作流程如下：系統(tǒng)上電之后，充電管理芯片根據(jù)電池的電壓來判斷充電模式，2.5 V是預充和快充的切換基準，電壓低于2.5 V，則系統(tǒng)進入預充電模式，高于2.5 V后，自動切換到快充模式，快充模式充電電流恒定，最大電流值不超過500 mA，當充電電流減小到最大電流的20%時，切換到滿充模式，該模式下充電電壓恒定，當電池電壓達到額定電壓之后，系統(tǒng)自動斷電，并發(fā)出蜂鳴器報警提示，同時LED燈閃爍數(shù)次后熄滅，標志著充電完成，用戶可移除充電系統(tǒng)。

3 結(jié)語

經(jīng)過Keil軟件和Protues軟件的聯(lián)合調(diào)試，系統(tǒng)能夠?qū)崿F(xiàn)智能充電系統(tǒng)的基本功能，根據(jù)輸入的不同電壓值，能夠?qū)崿F(xiàn)多種模式的充電，充滿電時能自動斷電并發(fā)出聲光報警提示，該設(shè)計具有一定的使用指導價值和實際意義。