胡真，汪盼

（1.佛山職業(yè)技術(shù)學(xué)院，廣東 佛山 528137；2.中國工商銀行股份有限公司佛山分行，廣東 佛山 528010）

0 引 言

隨著信息技術(shù)的高速發(fā)展，智能手機(jī)、平板和筆記本電腦等便攜式智能電子產(chǎn)品隨處可見。電子產(chǎn)品的普及給消費(fèi)者帶來了許多便利，但電子產(chǎn)品充電慢、充電難的問題日益凸顯，人們對電源系統(tǒng)的要求也日益提高，而鋰電池因其能量比高，自然放電率低，無記憶效應(yīng)等優(yōu)點(diǎn)，成為便攜式電子產(chǎn)品的理想電源。

目前，針對便攜式電子產(chǎn)品的充電設(shè)備種類繁多，粗制濫造的產(chǎn)品充斥著整個(gè)市場，不僅價(jià)格昂貴，質(zhì)量參差不齊，且只能對單一產(chǎn)品進(jìn)行充電，難以進(jìn)行統(tǒng)一的管理。因此，研發(fā)出適用于大部分便攜式電子產(chǎn)品，且性能穩(wěn)定、安全可靠的鋰電池智能充電系統(tǒng)成了一項(xiàng)研究熱點(diǎn)。

針對以上問題，本文設(shè)計(jì)了一種由充電芯片MAX1898和單片機(jī)PIC16F716 為硬件核心的智能充電系統(tǒng)，輔之以較少的外圍電路，通過合理的硬件和軟件模塊設(shè)計(jì)，實(shí)現(xiàn)對多種便攜式電子設(shè)備的智能充電。

1 總體設(shè)計(jì)

在設(shè)計(jì)充電系統(tǒng)時(shí)，一般要求充電系統(tǒng)成本低廉，充電過程安全高效，充電設(shè)計(jì)節(jié)能環(huán)保。同時(shí)，為實(shí)現(xiàn)能對多種類型的便攜式電子產(chǎn)品充電，在兼容多種充電接口的同時(shí)，還需要實(shí)現(xiàn)充電過程的智能化，以保護(hù)不同規(guī)格電池的充電安全，延長電池的使用壽命。

單片機(jī)體型較小，售價(jià)便宜，且易于開發(fā)和拓展，成為實(shí)現(xiàn)充電過程智能控制的首選目標(biāo)?；诖耍疚目紤]利用單片機(jī)作為核心控制，輔之以少量的外圍電路，通過充電芯片對充電電流、充電電壓，充電溫度和充電故障進(jìn)行實(shí)時(shí)監(jiān)測與控制，實(shí)現(xiàn)充電過程中的全智能化。智能充電系統(tǒng)的總體框架如圖1所示。

圖1 智能充電系統(tǒng)的總體框架

2 硬件設(shè)計(jì)

根據(jù)智能充電系統(tǒng)的總體框架，以及對系統(tǒng)安全、成本和可靠性等方面的要求，本文選取了單片機(jī)PIC16F716 作為核心控制元件，同時(shí)，選用了充電芯片MAX1898 作為核心充電元件，兩種元件一起構(gòu)成硬件電路的核心器件。

單片機(jī)PIC16F716 是由Microchip 公司所研制的芯片處理器，指令集少，運(yùn)行效率高，它擁有Flash program 程序內(nèi)存的作用，能夠反復(fù)燒錄代碼，而且它內(nèi)建的ICD 模塊，支持操作者直接在芯片上停止處理器工作，觀看緩存器中的內(nèi)容等功能，具有非常明顯的優(yōu)勢。

而充電芯片MAX1898 價(jià)格便宜，結(jié)構(gòu)簡單，能自動(dòng)進(jìn)行內(nèi)部的檢流，充電的最大電流可由用戶自行設(shè)置，能夠比較精準(zhǔn)地對電池進(jìn)行恒流恒壓狀態(tài)充電，同時(shí)它可以讓電池電壓的調(diào)節(jié)精度達(dá)到±0.75%左右，性價(jià)較高。

下面分別對充電系統(tǒng)的主要硬件電路進(jìn)行詳細(xì)的說明。

2.1 充電系統(tǒng)電源電路的設(shè)計(jì)

為了適用大部分電子產(chǎn)品，本充電系統(tǒng)采用了5 V 的電源模塊，具體設(shè)計(jì)如圖2所示。首先，通過變壓器將220 V交流電壓降壓至12 V；其次，用橋式電路對電流整流，然后進(jìn)行電流濾波；最后將電流送入三端穩(wěn)壓電路LM7805，輸出5 V 的電壓，作為充電電源。

圖2 智能充電系統(tǒng)的電源電路

2.2 單片機(jī)最小系統(tǒng)的設(shè)計(jì)

復(fù)位電路是單片機(jī)最小系統(tǒng)中必不可少的部分，合理的復(fù)位電路能保證硬件電路的正常運(yùn)行。復(fù)位電路的設(shè)計(jì)方法較多，本文采用了穩(wěn)定門檻電壓復(fù)位電路，該電路具有驅(qū)動(dòng)能力強(qiáng)，負(fù)載影響小的優(yōu)點(diǎn)，具體電路如圖3所示。

圖3 單片機(jī)復(fù)位電路

時(shí)鐘電路是單片機(jī)的重要組成部分，本文中單片機(jī)PIC16F716 為12 MHz 晶振，采用了晶體振蕩電路，其振蕩電容為22 pF。單片機(jī)PIC16F716 的時(shí)鐘電路如圖4所示。

圖4 單片機(jī)時(shí)鐘電路

2.3 充電芯片控制電路的設(shè)計(jì)

圖5為充電芯片控制部分電路原理圖，其核心器件為充電芯片MAX1898。LEDG 表示發(fā)綠光的二極管，當(dāng)電池處于充電狀態(tài)時(shí)，它將被一直點(diǎn)亮，而充電故障時(shí)該二極管將會(huì)不停閃爍，以示警告。電路圖中R5 阻值為4.7 kΩ，為了限制充電時(shí)的最大電流，充電電流的上限為500 mA。電容C5 值取100 nF，充電時(shí)間的上限設(shè)為3 小時(shí)，防止過度充電，損壞電池。

圖5 充電芯片控制電路

在充電過程中，單片機(jī)對CHG 引腳輸出信號進(jìn)行監(jiān)測，當(dāng)CHG 發(fā)出的脈沖周期是4 秒時(shí)，則表示充電過程即將結(jié)束，這時(shí)，脈沖觸發(fā)單片機(jī)產(chǎn)生外部中斷，使PIC 單片機(jī)的T0 定時(shí)器進(jìn)行計(jì)數(shù)，脈沖周期信號再一次到來時(shí)，定時(shí)器中程序會(huì)自行進(jìn)行判斷，看計(jì)數(shù)值是否為4 秒，若是，便通過控制相關(guān)的引腳來關(guān)斷電池電源，如若不是，則表示充電過程出現(xiàn)故障。

智能充電系統(tǒng)的整個(gè)充電過程由單片機(jī)PIC16F716 與充電芯片MAXl898 共同完成，具體分為以下五個(gè)環(huán)節(jié)：

（1）預(yù)充。充電系統(tǒng)接入電源，連接充電設(shè)備后，即開始預(yù)充階段。在此階段，充電系統(tǒng)以10%的快充電流向電池充電，電池的溫度和電壓逐步升高。充電系統(tǒng)存在一個(gè)預(yù)充時(shí)間，該時(shí)間由電容C5 決定，若在此時(shí)間內(nèi)電池的溫度保持穩(wěn)定，并且電壓達(dá)到預(yù)定值，則充電系統(tǒng)馬上轉(zhuǎn)入快充階段。若超過此預(yù)充時(shí)間段，且電壓沒有滿足預(yù)定值，則認(rèn)為充電過程發(fā)生故障，充電過程將立即結(jié)束。

（2）快充。以恒定電流對電池進(jìn)行充電的過程，在此過程充電系統(tǒng)采用大小恒定的電流對電池進(jìn)行充電，隨著時(shí)間推移，電池電壓稍微變大，當(dāng)電壓升至預(yù)定值時(shí)，表示快充過程結(jié)束，此時(shí)電流迅速降低，充電過程進(jìn)入滿充階段。

（3）滿充。在此階段，充電的電流逐漸下降，當(dāng)降至預(yù)定值以下后，充電系統(tǒng)開始以微弱的電流進(jìn)行充電，電池進(jìn)入慢速充電狀態(tài)。同時(shí)，當(dāng)電池充電時(shí)間過長時(shí)，為保護(hù)電池，也會(huì)進(jìn)入滿充階段。由于充電電流較小，滿充充電能有效延長電池的使用時(shí)長。

（4）斷電。如果充電芯片MAXl898 檢測到電池已經(jīng)充滿，或檢測到充電故障，將會(huì)通過2 號引腳發(fā)送高電平給PIC 單片機(jī)，觸發(fā)單片機(jī)產(chǎn)生中斷，單片機(jī)通過定時(shí)器程序進(jìn)一步確認(rèn)充電過程是否順利完成，若完成或發(fā)生充電故障，則通過控制相應(yīng)引腳來切斷充電電源，以保護(hù)充電電池和充電芯片。

（5）報(bào)警。充電滿后，綠色的LED 會(huì)自動(dòng)熄滅，用戶可直接取走充電設(shè)備。而若充電過程中發(fā)生錯(cuò)誤，綠色的LED 將會(huì)不停閃爍，用來提醒用戶充電過程出錯(cuò)。

智能充電系統(tǒng)的運(yùn)行狀態(tài)與指示燈的狀態(tài)對比如表1所示。

表1 指示燈狀態(tài)表

3 軟件設(shè)計(jì)

對于本充電系統(tǒng)而言，由于在充電的過程中需要經(jīng)過預(yù)充、快充、滿充，最后再斷電的四個(gè)步驟，此種充電法在一定程度上減少了充電的出氣量，使充電過程完成的比較徹底。

因此，在軟件模塊設(shè)計(jì)時(shí)，需考慮到每個(gè)充電步驟成功與否，再進(jìn)行相應(yīng)的流程處理，特別是指示燈的狀態(tài)顯示及斷電處理。

3.1 軟件主流程的設(shè)計(jì)

根據(jù)充電流程和充電指示燈狀態(tài)表，設(shè)計(jì)如圖6所示的智能充電系統(tǒng)軟件流程圖。

圖6 軟件主流程圖

首先，對充電系統(tǒng)進(jìn)行初始化處理。在初始化時(shí)，必須先清除緩存，設(shè)定初始參數(shù)和看門狗，保證系統(tǒng)的正常運(yùn)行。同時(shí)，由于需要實(shí)時(shí)檢測充電芯片的充電狀態(tài)，如充電電流、充電電壓、充電故障和充電溫度等，需要使用單片機(jī)的外部中斷和定時(shí)器，因此，需將對應(yīng)外部中斷和定時(shí)器初始化。

其次，在初始化完成后，檢測充電系統(tǒng)是否準(zhǔn)備就緒，包括電源狀態(tài)，電池狀態(tài)和充電芯片的狀態(tài)等，確保就緒后進(jìn)入下一狀態(tài)，否則，返回上一流程。

接著，在檢測系統(tǒng)就緒后，開始進(jìn)入充電流程，對預(yù)充、快充和滿充每一階段進(jìn)行實(shí)時(shí)監(jiān)控，根據(jù)結(jié)果讓系統(tǒng)執(zhí)行對應(yīng)操作，如改變指示燈的運(yùn)行狀態(tài)。

最后，無論充電是否成功，只要檢測到充電完成信號，均使整個(gè)充電流程結(jié)束，并立即斷開充電電源。若出現(xiàn)故障，則指示燈閃爍，若充電成功，則指示燈熄滅。

3.2 外部中斷服務(wù)子程序的設(shè)計(jì)

由于在充電過程中，系統(tǒng)需要根據(jù)充電狀態(tài)，對預(yù)充、快充和滿充進(jìn)行實(shí)時(shí)的監(jiān)測與控制，在編寫中斷程序時(shí)，需注意以下問題：

（1）智能充電系統(tǒng)需要同時(shí)監(jiān)測電壓、電流和溫度等，為保證充電系統(tǒng)運(yùn)行效率，在編程時(shí)，可根據(jù)PIC18F716 的指令集少、多通道的特點(diǎn)，定時(shí)更換寄存器的監(jiān)測通道，采取多通道切換運(yùn)行的模式。

（2）智能充電系統(tǒng)需要實(shí)時(shí)監(jiān)測充電狀態(tài)，以便及時(shí)處理不同的充電流程。若采取多線程運(yùn)行，會(huì)大大占用單片機(jī)的運(yùn)行內(nèi)存，導(dǎo)致系統(tǒng)運(yùn)行緩慢。因此，本系統(tǒng)可通過單片機(jī)的外部中斷和定時(shí)計(jì)數(shù)器來實(shí)施監(jiān)測系統(tǒng)的狀態(tài)，并通過設(shè)置中斷優(yōu)先級來處理不同優(yōu)先級的事件，優(yōu)先響應(yīng)高優(yōu)先級中斷服務(wù)子程序，保證充電系統(tǒng)及時(shí)處理問題。

在軟件設(shè)計(jì)時(shí)，采用了外部中斷0 和定時(shí)器0 來對充電芯片的引腳進(jìn)行實(shí)時(shí)監(jiān)測，外部中斷子程序流程圖如圖7所示。

圖7 外部中斷子程序流程圖

通過啟動(dòng)外部中斷0，監(jiān)測充電芯片的對應(yīng)引腳。當(dāng)對應(yīng)引腳發(fā)出的脈沖信號時(shí)，引起PIC 單片機(jī)觸發(fā)外部中斷，此時(shí)，軟件重新設(shè)定定時(shí)器0 的初值，并啟動(dòng)定時(shí)器0，單片機(jī)T0 開始計(jì)數(shù)。脈沖周期信號再一次到來時(shí)，定時(shí)器累計(jì)計(jì)數(shù)，并通過子程序判斷脈沖周期是否為4秒，若不為4秒，表示充電過程出現(xiàn)故障，通過單片機(jī)引腳控制指示燈閃爍，閃爍頻率由定時(shí)器0 決定。若為4 秒，則表示充電順利完成，通過單片機(jī)引腳直接熄滅指示燈。同時(shí)，不管充電成功與否，均通過單片機(jī)控制電路來使電池電源斷電，結(jié)束整個(gè)充電的流程。

4 結(jié) 論

本文對鋰電池的智能充電技術(shù)展開了深入的研究，設(shè)計(jì)了一種由充電芯片MAX1898 和單片機(jī)PIC16F716 為硬件核心的智能充電系統(tǒng)，可以滿足對大部分便攜式電子產(chǎn)品進(jìn)行智能充電，解決了電子產(chǎn)品充電慢、充電難，且難以統(tǒng)一管理的問題。

一方面，該智能充電系統(tǒng)僅需要較少的外圍電路，可通過單片機(jī)和充電芯片對充電過程進(jìn)行智能監(jiān)測和控制，既減少了充電系統(tǒng)的設(shè)計(jì)成本，又達(dá)到保護(hù)充電電池的目的。另一方面，由于PIC 單片機(jī)具有強(qiáng)大的擴(kuò)展空間，為后續(xù)智能充電系統(tǒng)的進(jìn)一步升級提供了廣闊的平臺(tái)，來滿足市場的不斷需求。