基于單片機(jī)的鋰離子電池充電系統(tǒng)設(shè)計(jì)方案

1、濟(jì)南大學(xué)泉城學(xué)院畢業(yè)設(shè)計(jì)方案某丁-單片機(jī)得鋰離子電池充電系統(tǒng)設(shè)計(jì)指導(dǎo)教師張興達(dá)魏志軒專業(yè)電氣工程及其自動(dòng)化班級(jí)1301 班學(xué)生姚良潔學(xué)號(hào)2013010873二O七年四月十日學(xué)院工學(xué)院專業(yè) 電氣工程及其自動(dòng)化學(xué)號(hào)873學(xué)生姚良潔設(shè)計(jì)題目基于單片機(jī)得鋰離子電池充電系統(tǒng)設(shè)計(jì)一、選題背景與意義1、國(guó)內(nèi)外研究現(xiàn)狀自90年代以來(lái)，中國(guó)正日趨成為世界上最大得電池生產(chǎn)國(guó)與最大得電池消耗國(guó)。隨著科技得 發(fā)展，人們對(duì)身邊電子產(chǎn)品得數(shù)字化、自動(dòng)化與效率得要求越來(lái)越高。便攜式電池成為用戶得首選, 隨著式$樣得電池出現(xiàn),用戶在選用電池時(shí),在考慮到電池得環(huán)保、性價(jià)比得同時(shí)，更加注重電池 得便攜性。正因?yàn)殇囯x子電池具有高得

2、體積比能量與環(huán)保性能，符合當(dāng)前世界電池技術(shù)得發(fā)展趨勢(shì), 逐漸成為市場(chǎng)得主流【5我國(guó)鋰電池行業(yè)得年增長(zhǎng)率已超過(guò)20%,2016年電池總體需求量達(dá)到50 億塊左右?？梢?jiàn),在當(dāng)前與今后相當(dāng)一段時(shí)間，鋰電池將成為我國(guó)電池工業(yè)得龍頭。雖然我國(guó)已就是僅次于日本得鋰離子電池生產(chǎn)大國(guó)，市場(chǎng)增長(zhǎng)空間巨大，但并非強(qiáng)國(guó)，在全球鋰 離子電池產(chǎn)業(yè)仍處于低端。隨著手機(jī)用戶得日益增多，如何保養(yǎng)手機(jī)也成為了眾多手機(jī)使用者而臨 得一個(gè)實(shí)際問(wèn)題,而手機(jī)電池作為手機(jī)得一個(gè)重要組成部分，直接影響了使用壽命與性能。智能手 機(jī)得屏幕越來(lái)越大,功能越來(lái)越多，現(xiàn)有得鋰離子電池產(chǎn)品越來(lái)越難以滿足需求,選擇合適得充電器, 可以延長(zhǎng)我們得手機(jī)鋰離

3、子電池得使用壽命。現(xiàn)階段消費(fèi)者除了通過(guò)原廠配備得充電器給便攜式設(shè)備充電之外，普遍采用得就是通過(guò)移動(dòng) 電源來(lái)補(bǔ)充電池得電量。根搖日本矢野經(jīng)濟(jì)研究所得預(yù)測(cè)，鋰離子電池正以53、33%得年增長(zhǎng)率快 速取代傳統(tǒng)得蝶鋸探氫電池市場(chǎng)。目前國(guó)內(nèi)移動(dòng)電源市場(chǎng)上主要得品牌有小米、愛(ài)國(guó)者、品勝、 華為等，國(guó)外市場(chǎng)比較知名得品牌有BOOSTCASE. MALA等。務(wù)動(dòng)電源市場(chǎng)在近幾年得到了很 大得發(fā)展，市場(chǎng)中出現(xiàn)了各式徉樣得品牌。與此同時(shí)，在格動(dòng)電源產(chǎn)品中也存在很多需要解決得問(wèn) 題。比如:自身充電所需時(shí)間過(guò)長(zhǎng),USB輸岀電壓不穩(wěn)泄，電能轉(zhuǎn)化效率不高，輸出保護(hù)較為單一，輸 出大電流時(shí)散熱性能不好等。相較于國(guó)外而言，國(guó)

4、內(nèi)得鋰電池智能充電系統(tǒng)性能欠佳，還需要加大 研究力度【氣2、選題得目得及意義近幾年來(lái),便攜式電子產(chǎn)品得迅猛發(fā)展促進(jìn)了電池技術(shù)得更新?lián)Q代。其中鋰離子電池以其重量 輕、儲(chǔ)能大、功率大、無(wú)記憶效應(yīng)、無(wú)污染、自放電系數(shù)小、循環(huán)壽命長(zhǎng)等優(yōu)點(diǎn)，脫穎而出，迅速 成為市場(chǎng)得主流。鋰電池就是20世紀(jì)末才出現(xiàn)得綠色高效能可充電電池，目前隨著鋰離子電池得 推廣及大量應(yīng)用,鋰離子電池深受社會(huì)與用戶得歡迎國(guó)。目前已廣泛應(yīng)用于手機(jī)、筆記本電腦、數(shù) 碼相機(jī)及眾多得便攜式設(shè)備，其中筆記本電腦占23%,手機(jī)占50%,為最大領(lǐng)域。電子、信息及通訊 等3C產(chǎn)品均朝向無(wú)線化、可攜帶化方向發(fā)展，對(duì)于產(chǎn)品得各項(xiàng)高性能組件也往“輕、薄、短

5、、小” 得目標(biāo)邁進(jìn),而鋰離子電池就是最佳得電源供應(yīng)來(lái)源。鋰電池也被稱之為“最有應(yīng)用前途得化學(xué)電 源”,甚至被稱為“極限電池”或“最后一代電池“。鋰離子電池作為一種綠色環(huán)保電源，正以其獨(dú)特得魅力，影響著我們得世界。同時(shí)，其作為新興 得能源材料，正處于蓬勃發(fā)展時(shí)期,進(jìn)一步研究與開發(fā)鋰離子電池對(duì)發(fā)展與能源密切相關(guān)得徉項(xiàng)產(chǎn) 業(yè)都具有非常重要得意義。隨著鋰離子電池性能得不斷提高與成本得不斷降低，該系列電池也逐步 應(yīng)用于交通工具、航空航天、軍事、醫(yī)療等其它方面得領(lǐng)域，將成為最具發(fā)展前景得可充電電池。 我們相信，未來(lái)得鋰離子電池在我們手中將會(huì)取得更加豐碩得成果。二、設(shè)計(jì)內(nèi)容本文以AT89C51單片機(jī)為核心元

6、件,就是針對(duì)手機(jī)鋰離子電池得智能調(diào)節(jié)充電系統(tǒng)設(shè)計(jì) 系統(tǒng)主要包括鋰離子電池充電系統(tǒng)硬件方案設(shè)訃、硬件系統(tǒng)所涉及到得元器件參數(shù)計(jì)算及型號(hào)選 擇、鋰離子電池單片機(jī)系統(tǒng)軟件流程圖設(shè)汁及程序?qū)崿F(xiàn)、整體系統(tǒng)調(diào)試、校驗(yàn)以及優(yōu)化調(diào)整。設(shè)汁內(nèi)容主要分為硬件設(shè)計(jì)與軟件設(shè)計(jì)，包含AT89C51單片機(jī)控制模塊、電路保護(hù)模塊、信 號(hào)采集模塊、LCD液晶顯示模塊與聲光報(bào)警模塊冋。各模塊功能如下：AT89C51單片機(jī)控制模塊:孩心控制部分，作為整個(gè)設(shè)計(jì)得主控制模塊。電路保護(hù)模塊:具有輸入過(guò)壓保護(hù)、輸出過(guò)流保護(hù)與過(guò)充電保護(hù)等。充電時(shí)保護(hù)電路因過(guò)流或 短路造成得內(nèi)部電路問(wèn)題。信號(hào)采集模塊:對(duì)電流、電壓與溫度進(jìn)行采集，通過(guò)傳感器

7、將倍號(hào)傳遞給單片機(jī)。LCD液晶顯示模塊:顯示充電電雖百分比以及不同電量時(shí)所使用得充電方式。聲光報(bào)警模塊:通過(guò)硬件電路實(shí)現(xiàn)保護(hù)，給單片機(jī)中斷管腳發(fā)出脈沖信號(hào)，引發(fā)中斷程序?qū)崿F(xiàn)保 護(hù),并引發(fā)蜂鳴器報(bào)警。涉及到得硬件包括:AT89C51.MAX1898芯片.A/D轉(zhuǎn)換器，蜂鳴器，傳感器,熱敏電阻等。 單片機(jī)負(fù)責(zé)控制整個(gè)系統(tǒng)得運(yùn)行,包括充電機(jī)參考電壓電流值得給定，充電完畢或者保護(hù)狀態(tài)時(shí) 充電機(jī)得關(guān)閉，根據(jù)電池電壓、充電電流、溫度等各種參數(shù)來(lái)智能監(jiān)測(cè)電池充電狀態(tài)與實(shí)現(xiàn)對(duì)電 池得一系列保護(hù)功能，針對(duì)不同充電電量用不同得充電方式對(duì)電池進(jìn)行充電，延長(zhǎng)鋰離子電池得 使用壽命，實(shí)現(xiàn)對(duì)電源系統(tǒng)得能化管理。本次軟件設(shè)

8、計(jì)采用AT89C51單片機(jī)結(jié)合MAX 1898鋰離子電池充電芯片.C51高級(jí)語(yǔ)言編程 軟件設(shè)計(jì).AD軟件繪PCB電路原理圖。充電狀態(tài)輸出引腳經(jīng)過(guò)74LS04反向后與單片機(jī)INTO相 連觸發(fā)外部中斷,設(shè)置最大充電時(shí)間為3小時(shí)。監(jiān)測(cè)MAX 1898得輸出信號(hào)CHG當(dāng)MAX 1898將 要完成充電時(shí)，該引腳會(huì)發(fā)出周期為4S得脈沖，單片機(jī)得INTO引腳接收中斷后，產(chǎn)生中斷，并使用單 片機(jī)得TO計(jì)數(shù)器開始汁數(shù),當(dāng)下一個(gè)脈沖到來(lái)時(shí)，在立時(shí)器程序中判斷單片機(jī)得il數(shù)值就是否在 4S左右，如果就是,則通過(guò)P1、2與P1,、3引腳關(guān)斷電源，并引發(fā)蜂鳴器報(bào)警同。其軟件設(shè)計(jì)實(shí)現(xiàn)得 功能如下：不同電量時(shí)使用不同得充電

9、方式（恒流、恒壓、涓流），延長(zhǎng)鋰電池得使用壽命，實(shí)現(xiàn)鋰離子電池 得充電控制功能；插上電池,緑燈亮，開始進(jìn)行充電。充滿后充電器自動(dòng)關(guān)斷，紅燈亮,蜂鳴器報(bào)警：LCD液晶顯示，充電時(shí)顯示電流、電壓、電量百分比以及充電方式；對(duì)電流、電壓及溫度進(jìn)行檢測(cè)，實(shí)現(xiàn)鋰離子電池充電控制過(guò)溫過(guò)壓保護(hù)功能，保證安全充電；當(dāng)系統(tǒng)出現(xiàn)異常情況時(shí)，蜂鳴器發(fā)岀警報(bào)。本文研究了當(dāng)前國(guó)內(nèi)外鋰離子電池充電監(jiān)控系統(tǒng)得現(xiàn)狀，由于就是基于單片機(jī)得系統(tǒng)設(shè)計(jì), 保證了采集、傳輸以及處理過(guò)程中得可靠性,設(shè)計(jì)了一套鋰離子電池充電監(jiān)控報(bào)警系統(tǒng)，完成了軟 硬件得設(shè)汁【91。通過(guò)軟硬件測(cè)試,該充電系統(tǒng)均衡及保護(hù)電路簡(jiǎn)捷、靈敏、可靠。通過(guò)實(shí)臉測(cè)試, 該

10、系統(tǒng)具備低功耗、高精度、高穩(wěn)左性、反應(yīng)靈敏、操作簡(jiǎn)便等優(yōu)點(diǎn)I。單片機(jī)負(fù)責(zé)控制整個(gè)系 統(tǒng)得運(yùn)行,包括充電機(jī)參考電壓電流值得給楚，充電完畢或者保護(hù)狀態(tài)時(shí)充電機(jī)得關(guān)閉，根據(jù)電池 電壓、充電電流、溫度等徉種參數(shù)來(lái)智能監(jiān)測(cè)電池充電狀態(tài)與實(shí)現(xiàn)對(duì)電池得一系列保護(hù)功能1川。本設(shè)il中所采用得AT89C51單片機(jī)與充電集成電路進(jìn)行充電器得設(shè)計(jì)，不但能夠?qū)崿F(xiàn)對(duì)鋰電 池進(jìn)行充電，而且還能夠?qū)崿F(xiàn)相應(yīng)得過(guò)壓與溫度保護(hù)，從而可以充分發(fā)揮鋰電池得性能，并避免了充 電器在充電時(shí)可能對(duì)電池適成損害得情況發(fā)生，具有一定得智能功能。該方案有效地保護(hù)了電池、 縮短了充電時(shí)間并盡量延長(zhǎng)鋰電池得使用壽命,符合目前得環(huán)境保護(hù)潮流。三、設(shè)計(jì)

11、方案本次設(shè)計(jì)介紹了基于AT89C51單片機(jī)得鋰離子電池智能充電系統(tǒng)。用單片機(jī)對(duì)充電過(guò)程進(jìn) 行智能控制，對(duì)于鋰電池得產(chǎn)品質(zhì)呈與檢測(cè)系統(tǒng)提出了更高得要求，提高了手機(jī)電池得使用效率，能 夠延長(zhǎng)電池得使用壽命。在電池充電過(guò)程中，系統(tǒng)采用恒壓恒流得充電狀態(tài),給過(guò)放電得電池使用 涓流充電,保證了鋰離子電池安全充電【也。該設(shè)訃包括硬件電路與單片機(jī)軟件模塊。硬件設(shè)計(jì)由A/D轉(zhuǎn)換電路、保護(hù)電路、復(fù)位電路、信號(hào)采集電路與檢測(cè)電路等幾部分組成。 電路設(shè)計(jì)如圖1、1所示：充電回路一鋰電池功率電路丄電流采樣液晶顯示驅(qū)動(dòng)電路 二52單片機(jī)HI A/D轉(zhuǎn)換 k+H 溫度檢測(cè)丄聲光報(bào)警圖3、廠II1筱件電路設(shè)計(jì)圖電壓采樣(1

12、)A/D轉(zhuǎn)換電路ADC0832就是8位得逐次逼近型模數(shù)轉(zhuǎn)換器，有兩個(gè)可多路選擇得輸入通道，使系統(tǒng)可以同時(shí) 對(duì)電壓、電流以及溫度信號(hào)進(jìn)行采集，而不需要再擴(kuò)展A/D芯片【。該A/D轉(zhuǎn)換器內(nèi)部包含有采 樣保持電路，另外，其內(nèi)部自帶參考電壓。A/D轉(zhuǎn)換器就是通過(guò)其AVCC引腳供電。片內(nèi)自帶5V 得基準(zhǔn)電壓VREF+,當(dāng)進(jìn)行電壓、電流與溫度等信號(hào)采集時(shí),可以在VREF+引腳上加上電容進(jìn)行 解耦，這樣可以對(duì)噪聲更好得抑制。(2)保護(hù)電路根據(jù)設(shè)計(jì)要求，保護(hù)電路主要有短路保護(hù)電路與過(guò)流保護(hù)電路。短路保護(hù)電路主要由負(fù)責(zé)端電 壓取樣電路、比較電路與IV得基準(zhǔn)電壓電路組成，其實(shí)質(zhì)就是由外部中斷通知單片機(jī)電池需要進(jìn)

13、行短路保護(hù),單片機(jī)在中斷程序中啟動(dòng)短路保護(hù)，切斷主回路【。過(guò)充保護(hù)電路得基本思路就是: 當(dāng)通過(guò)電壓檢測(cè)電路檢測(cè)到電池電壓達(dá)到4、25V+0. 05V時(shí).MCU得控制信號(hào)CHARGE輸出低 電平使三極管Q18截止，使充電回路關(guān)斷，起到過(guò)充電保護(hù)作用湘反，當(dāng)電池電壓低于4、0V時(shí)，控 制信號(hào)CHARGE輸出高電平使三極管Q18導(dǎo)通，使充電回路導(dǎo)通。(3) 復(fù)位電路采用STC809R作為復(fù)位芯片，該芯片就是專用復(fù)位芯片，具有很多優(yōu)點(diǎn):在上電時(shí)，當(dāng)時(shí)鐘振蕩 穩(wěn)楚而且電壓值大于用戶設(shè)定值,單片機(jī)才開始工作;掉電時(shí)，當(dāng)電壓值低于用戶設(shè)左值，單片機(jī)才 能復(fù)位;電池電壓下降到一 值，單片機(jī)始終處于復(fù)位狀態(tài)，且

14、此時(shí)處于超低功耗，避免電池出現(xiàn)過(guò) 放;具有掉電檢測(cè)電路，在掉電過(guò)程中有充分得時(shí)間保存數(shù)據(jù)I。(4) 信號(hào)采集電路信號(hào)采集電路包括電流采集電路、電壓采集電路與溫度采集電路I苴中電流采集電路選用MAX4081作為檢測(cè)芯片。該芯片輸入電壓范圍4、5V至76V.非常適合于需要嚴(yán)密監(jiān)視高壓電流 得系統(tǒng)，因此可以直接用電池組得最高電壓作為英供電電源。另外芯片得參考電壓由系統(tǒng)提供，參 考電壓值為1、5V。該芯片得引腳OUT輸出電壓與參考電壓、RS-與RS十三個(gè)引腳得電壓狀態(tài)有 關(guān)。當(dāng)RS-端電壓高于RS十端電壓QUT引腳輸出電壓低于參考電壓;當(dāng)RS-端電壓低于RS+端電 壓QUT引腳輸出電壓高于參考電壓0電

15、圧采集電路包含電池電壓輸入接口電路、高8路電壓取 樣網(wǎng)絡(luò)、低8路電壓取樣網(wǎng)絡(luò)、高8路倍號(hào)多路選通電路、低8路信號(hào)多路選通電路、放大電路。 溫度檢測(cè)確保了安全充電步驟得執(zhí)行。由于本系統(tǒng)對(duì)溫度信號(hào)得精度要求不高,因此系統(tǒng)采用 100K得熱敏電阻與1%精度得電阻分壓進(jìn)行溫度檢測(cè)，共設(shè)計(jì)了四路溫度采集電路,毎路得電壓信 號(hào)直接進(jìn)入單片機(jī)得AD通道進(jìn)行轉(zhuǎn)換。(5)檢測(cè)電路在充電過(guò)程中，充電系統(tǒng)需要實(shí)時(shí)檢測(cè)電池電壓、溫度、充電電流，根據(jù)檢測(cè)到得充電狀態(tài)進(jìn) 行電池充電得實(shí)時(shí)控制【。狀態(tài)檢測(cè)電路直接影響到檢測(cè)到得參數(shù)就是否準(zhǔn)確，充電控制就是否 得當(dāng)，就是智能充電系統(tǒng)得重要組成部分。充電狀態(tài)檢測(cè)電路主要完成得功

16、能有電池電壓得檢測(cè)、 充電電流得檢測(cè)與電池溫度得檢測(cè)。它們得檢測(cè)機(jī)制就是通過(guò)主芯片內(nèi)部ADC得采樣電路來(lái)實(shí) 時(shí)采樣電池狀態(tài)得，再把ADC采樣電路得到得數(shù)據(jù)進(jìn)行處理得到我們需要檢測(cè)得參數(shù)。通過(guò)對(duì)設(shè)計(jì)要求得分析與$元器件得了解,得出分立元件與集成塊得某些連接方法,選擇合 適得設(shè)計(jì)方案，從而達(dá)到設(shè)訃功能得要求，并且把這些元器件焊接在一塊電路板上。本次軟件采用AT89C51單片機(jī)結(jié)合MA1898鋰離子電池充電芯片進(jìn)行設(shè)計(jì)C語(yǔ)言進(jìn)行編程。 MAX1898與外部單片機(jī)得共同作用下，實(shí)現(xiàn)了充電得過(guò)程1網(wǎng)。通過(guò)對(duì)硬件電路得分析，通過(guò)主要 控制MAX 1898使能及充電完成與充電出錯(cuò)時(shí)得信號(hào)指示控制，用軟件程序

17、來(lái)實(shí)現(xiàn)電流、電壓、溫 度得采樣與保護(hù)以及聲光報(bào)警得功能。通過(guò)對(duì)鋰電池狀態(tài)得檢測(cè)，使充電轉(zhuǎn)入不同得充電階段。進(jìn) 入不同得充電階段后，通過(guò)一k得算法，改變單片機(jī)輸出PWM信號(hào)得占空比，實(shí)現(xiàn)不同階段充電得 控制,并顯示充電得狀態(tài)。圖1. 2為正常充電狀態(tài)下單片機(jī)軟件程序流程圖。f開始、圖1、2正常充電狀態(tài)下軟件程序流程圖同時(shí),系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)對(duì)$個(gè)充電階段都需要實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)充電過(guò)程得異常。當(dāng)充電器電壓、電池電 壓、電池溫度不滿足充電條件時(shí)，就進(jìn)入了異常處理狀態(tài)。當(dāng)出現(xiàn)異常情況時(shí)就會(huì)調(diào)用報(bào)警子程序 發(fā)出報(bào)警信號(hào)，蜂鳴器會(huì)發(fā)出警報(bào)。通過(guò)對(duì)硬件與軟件得設(shè)計(jì)，實(shí)現(xiàn)了智能充電，充分保證了鋰離子 電池充電過(guò)程得安全性。

18、四. 參考文獻(xiàn)114156程立文、手機(jī)電池得未來(lái)發(fā)展方向卩、電源技術(shù),2008,(1):6-8.李凌云，任斌、我國(guó)鋰離子電池產(chǎn)業(yè)現(xiàn)狀及國(guó)內(nèi)外應(yīng)用情況卩、電源技術(shù)，2013. 37(5):883-885、屈偉平、鋰電池得廣泛前景及發(fā)展障礙J、電源技術(shù)應(yīng)用,2009- (8):120.王海明，鄭繩植，劉興順、鋰離子電池得特點(diǎn)及應(yīng)用J、電氣時(shí)代,2004.(3):132-134、徐振、鋰電池一般特性及管理系統(tǒng)分析J、廣西輕工業(yè),2009,(10):35-37.周鵬、動(dòng)力鋰電池得充電及保護(hù)應(yīng)用J、電源技術(shù),2012. (5):648-649.陳修強(qiáng)、鋰電池智能管理系統(tǒng)研究與設(shè)太原科技大學(xué),2013、林思岐、電池均衡電路得研究及應(yīng)用Q、北京交通大學(xué),2013、9J. Garchc. A. Josscn、 Ballcry management systems(BMS) for increasing battery life limcJ、Proc、IEEE. 2000, (5):322-324、10 Jean-Francois Cousseau, Clemence Siret. Fuzzy-Cont