基于单片机的智能手机充电器的设计

(华东理工大学信息学院信息工程2011级，200237)

基于单片机的智能手机充电器的设计

王 涛,屈高龙,殷蘖均 ,汪 楚,杨富琴

(华东理工大学信息学院信息工程2011级，200237)

随着手机技术的持续快速发展，如何对智能手机电池进行安全有效地充电，已经成为了一个重要的课题。单片机技术在工业控制领域有着广泛的应用，利用它的处理控制能力可以实现充电器的智能化。本设计主要根据手机充电器现状，在传统的手机充电器基础上，使用AT89C58单片机来实现手机锂电池充电器方面的应用，充电控制部分由MAX1898芯片完成。该充电器能够实现电池的预充、快充、定时充电、充电需时提醒、充电后自动断电、充满提醒、LED灯提示、电路安全保护、温度控制、应急发电等功能。

智能充电器;单片机控制;MAX1898;太阳能;机械充电

0 引言

在现代社会中，手机在人们的日常生活工作中担当者越来越重要的角色，人们可以利用手机聊天，通信，炒股，观看视频等等，手机在极大地丰富人们生活的同时，也给人们带来困扰。如果手机不能正常的使用，那将对个人的工作、生活造成巨大的影响，甚至造成经济损失。一般情况下，手机能够得到充足的电源供应，但是外出时由于手机电池电量有限，同时因为不能快速的找到充电的场所，是造成手机无法使用的最常见原因。而且在日常生活中，人们的生活节奏越来越快，而目前手机充电的电池使用时间普遍不是很长，大部分人面临一日一充的困境，这就容易造成手机充电很难做到用尽充足的原则，给手机电池的寿命带来损害。

另外，市场上的手机充电产品良莠不齐，一些产品在额定电容，放电性能，安全性保护性能方面存在质量问题，这些质量问题会影响到手机的正常使用，还会影响手机的使用寿命，严重时还可能给消费者带来人身伤害。基于这样的情况，本文提出了一种结合51单片机和智能充电芯片MAX1898的充电器软硬件设计方案，充分利用单片机的控制能力，对手机进行智能化的充电，同时赋予应急充电方案，在能够圆满完成充电任务的同时，又可以最大限度地去保护电池的寿命，方便人们的生活。

1 课题简介

该充电器主要由单片机控制电路、液晶显示电路、手机充放电电路、机械发电装置、太阳能发电电路和电源电路等组成。其功能：①预充功能 ②充电保护功能 ③自动断电功能 ④充电完成提示功能。充电器原理框图如图1-1所示。

图1-1 基于单片机的手机充电控制框图

2 研究方法与课题设计

该设计中单片机控制模块需要提供5V电压，手机充电电压为4.2V，整个充电过程分为四个过程：

A.预充电。如果充电开始电池板电压低于2.5V，则进行预充电过程，充电电流一般是快速充电电流的10%，直至充电达到2.5V，预充电过程结束。

B.恒流充电。预充电结束后即开始恒流充电，期间电池电压不断上升。

C.恒压充电。当电池上升到4.1V后转入恒压充电，期间充电电流不断减小。

D.充电结束。当充电设置的时间达到或者此时充电电流小于快速充电电流的20%，则表示充电结束。有时会在延迟一段时间结束充电。

2.1手机充放电

充电控制电路的核心器件是MAX1898 EUB42，其充电状态输出引脚/CHG与单片机INT0相连，从而触发外部中断。MAX1898外接限流型充电电源和P沟道场效应管或PNP三极管，可以对锂电池进行安全有效的快充，MAX1898最大的特点就是可以在不使用电感的情况下仍能保持很低的功率耗散，可以实现预充电的功能，具有过压保护和温度保护功能以及为锂电池提供安全保护的功能。

MAX1898芯片不仅能限制总输入电流，还可以通过外接电容和电阻来设定快速充电时间和最大充电电流。

充电时间和定时电容C（nF）的关系满足：

表2.1 MAX1898引脚定义

最大充电电流Imax和限流电阻rset的关系式满足：

系统充电控制电路原理图如图2-1所示。

所用芯片MX1898引脚功能如下：

MAX1898充放电电路的LED指示灯状态说明，如表2-2所示。

表2.2 LED灯指示说明

本设计还提供了放电电路，虽然锂电池没有记忆功能，但最好隔一段时间即应当进行充放电维护，即充满放尽，更好的维护电池，放电电路如图2-2所示。

图2-1 手机充电电路图

图2-2 手机电池放电电路

充电实物如图2-3。

图2-3 手机电池放电实物图

2.2单片机控制电路

2.2.1 单片机控制电路

单片机控制电路主要由电源、A/D转换、 CPU、I/O扩展、显示单元模块等构成。单片机芯片选择的是89c58。

2.2.2 电源模块

电源模块为5V电源，需要进行全波整流，具体原理为系统采用220 V交流电对系统直接供电，先使用交流变压器将220 V的交流电转换为12 V的交流电，通过桥式整流电路进行整流后，接一只1000μF/25 V的电解电容和一个104的陶瓷电容，再将经过滤波后的输出直接接到7805集成稳压电路，为系统提供+5 V的电源。供电电源电路原理图如图2-4所示。

图2-4 整流电路图

图2-5 A/D采集电路

2.2.3 单片机信号采集处理模块

该模块主要由A/D转换模块、AT89C58和液晶显示等模块构成。

AD转换模块原理说明：

TLC1543A/D转换模块的电路原理如图2-5所示。TLC1543的三个控制输入端CS、I/O CLOCK、ADDRESS和一个数据输入端DATA OUT遵循串行外设接口SPI协议，要求微处理器具有SPI接口。由于试验仪的STC89C58RD+单片机没有SPI接口，需通过软件模拟SPI协议以便和TLC1543接口。芯片的三个输入端和一个输出端与单片机的I/O可直接连接。软件设计中，程序编写应注意TLC1543通道地址必须为写入字节的高四位，而CPU读入的数据是芯片上次A/D转换完成的数据。

试验箱采用TL431提供基准电压，TL431是三端可调电压基准芯片，具有很好的精度，输出噪声小，温度稳定性也很好，输出电压为：

根据实验需求，对其进行了修改，TL431提供基准电压原理图2-6所示。

图2-6 基准电压调整电路

TLC1543 SPI接口软件设计流程如图2-7所示。

图2-7 SPI设计流程

图2-8 单片机采集电路

图2-9 机械发电概念图

AT89C58单片机通过片选信号选通8155芯片，然后将传输的数据通过D0～D7送8155芯片，8155芯片把输入的地址进行译码并通过PA、PB、PC口输出。（I0/M端接单片机的P2.0脚，CE端接单片机的P3.1脚）

信号采集来自充电模块的MX1898芯片的2、3引脚CHG、EN/OK引脚，加到A/D转换模块输入端，A/D转换后经DATAOUT进入单片机芯片AT89C58进行处理，送至液晶延时模块进行显示。

2.3机械发电

使用手动发电，经电路进行变化后给充电系统供电。一般情况下，手机都能及时拥有足够的电量，但是偶尔也会有找不到充电插座的尴尬，如果此时有急事要处理，往往是不方便的，因此该充电器具有机械发电的功能，在紧急情况下，能通过手摇的方式给手机电池进行充电。机械发电部分整机采用ABS工程塑料注塑而成，通过手把转动，齿轮转动，使小型发电机发电，空载时输出电压：6.3V，输出电流0.2A，经过适当的改造接入电路，为电池进行充电。

2.4太阳能发电

使用太阳能电池板，经电路进行直流电压变换后给充电系统供电。众所周知，太阳能是为数不多的清洁能源之一，合理的利用太阳能不仅是对资源的合理利用也是对环境保护的具体体现。

目前太阳能电池的发展取得了长足的进步，但是在手机充电方面太阳能还没能得到很好的开发，所以，本设计增加了能够利用太阳能转换成电能对手机电池进行充电的充电器。对于室外活动者在享受阳光的同时能够为自己的手机充电，对于商旅人士或者户外活动者在没有插座充电的情况下能应急。由于单片机控制电路功耗较大，在紧急供电情况下，此模块可以单独给手机供电。基本原理图如2-10。

图2-10 太阳能电池充电模型

太阳能电池在使用时由于太阳光的变化较大，其内阻又比较高，因此输出电压不稳定，输出电流也小，这就需要用一个直流变换电路变换电压后供手机电池充电，再通过单片机控制电路为手机充电。把太阳能输出端接到充电模块的输入端即可完成紧急充电。

3 实验调试及结果

3.1

为实现对手机充电的控制，利用工具进行编程，项目主要程序由AD转换模块，显示模块 组成，主要介绍如下：

3.1.1 主程序：

#include

#include

uint read1543(uchar port);

uchar xdata ad_result[16]={0}; //AD转换结果

uchar bbb1[]={"insert battery "};

uchar bbb2[]={"charging "};

float JiZhun_AD=5.0;

3.1.2 部分接口定义：

#define CLOCK P2_4

#define D_IN P2_3

#define D_OUT P2_5

#define _CS P2_7

#define chg P1_0

#define ok P1_4

#define rs P1_5

#define rw P1_6

#define en P1_7

3.1.3 AD

for (i=0;i<2;i++) //取D9,D8

{ D_OUT=1;

CLOCK=1;

ah<<=1;

if (D_OUT) ah +=0x01;

CLOCK=0; }

for (i=0;i<8;i++) //取D7--D0

{ D_OUT=1;

CLOCK=1;

al <<= 1;

if (D_OUT) al +=0x01; CLOCK=0;}

3.1.4 显示的一些函数

void delay(unsigned char dat);

//延时函数

void lcd1602init(); //LCD

初始化程序

void lcd_clear(); //LCD

清屏程序

void lcd_string(unsigned char *p,unsigned char

flag); //LCD显示函数

3.2下载界面

设计采用STC单片机调试程序进行下载程序，STC89系列单片机具有在系统可编程特性，单片机在用户系统上即可下载/烧写程序，而无须将单片机从已生产好的产品上拆下，再用通用编程器将程序代码烧录进单片机内部。

3.3调试、结果显示

充电过程整体连接后进行调试。实验LCD显示主要包括：insert battery ,charging等状态，观察结果如图3-1所示。

图3-1 实际显示界面

3.4外部电路提示信息

如果电池损坏，充电电路板上的蓝色发光二极管会以1.5Hz的频率闪烁。

4 总结

本设计主要借助所学的单片机知识，研究单片机对手机充电过程的控制，通过硬件构造，编程调试，最后实现对充电过程的控制，包括充电提醒，充电过程监控，充电完成提醒，应急发电，充电保护等功能，综合了现有的手机充电技术，完善了充电器的使用功能。

（1）充电提醒：充电提醒部分是贯穿整个实验的，其中的标志有液晶显示器、LED灯等，当充电开始时，电源如没准备好，则LED灯是灭的，同时显示器屏幕也是暗的；当充电电源准备就绪时，LED灯亮，但此时，电池并没有插入，显示器显示insert battery,提醒使用者插入待充电的电池；插入电池后，电池开始充电，并在显示屏幕上显示此时的电池两端的电压和正在充电字样charging，实时监控；当充电结束后，LED灯会灭掉；如期间发生充电故障，LED灯会以1.5Hz的频率闪烁。可是说这一整个充电过程都是人性的、智能的，当然这里的智能不是传统意义上的自我调节，而是针对使用者而言“智能”。

（2）充电过程监控：充电过程的监控体现在温度保护、断电、报警上。安装好电池后，接通输入的直流电源，当充电器检测到电池时将定时器复位，单片机输入高电平，充电芯片启动。随后就进入了预充过程，在这个过程中充电器以快速充电电流的1/10给电池进行充电，使电池的电压和温度恢复到正常充电的状态。预充时间由外接电容C确定，如果在预充时间内电池电压达到2.5 V，并且电池的温度正常，则充电会进入快充的过程；如果超出预充时间后，电池电压还不能达到2.5 V，则表明此电池不可充电，充电器显示电池故障，LED灯闪烁。可充电的温度2.5--47.5度，超出此温度时，电路会停止充电；同样的，当电池因为短路或断路不可进行充电时，也会由单片机充电控制器停止充电。

太阳能、机械应急充电：对于太阳能充电来说，特别是在亚热带季风地区，光能及热量还是比较充足的，如果人在户外，遇到的状况是手机电池没电，同时又没充电电源，若此时又处于紧急状况时，太阳能充电就派上用场了，同理利用机械能发电也是如此。无论是太阳能还是机械能，此时

目前手机充电器市场产品质量良莠不齐，由于各种因素，手机充电器很难统一标准，但发展方向是一致的。未来手机充电器我们认为能够与移动电源相结合，可以进一步优化移动电源的性能，完成本设计所实现的一些功能，进而保护手机电池。

此外，能源清洁度是手机充电发展的重要标准，在提倡清洁能源的今天，太阳能可以大范围的应用到日常生活中来，在手机充电器方面比如可以利用太阳能给移动电源充电，这样在天气晴朗的时候，就可以把移动电源拿出来晒一晒，既不影响日常生活，又充分利用能源。其次，可以通过智能检测电池的容量，检测到的电池容量通过AD转换，送到单片机里，经过一定的算法流程，计算出合适的充电电流，并输出相应的控制信号，智能调节充电电流的大小，既保护了电路的安全，又延长了电池的寿命。

近年来，走在充电最先进的领域的课题是关于无线充电的研究，利用空间无处不在的电磁波来进行充电，即利用磁能充电。本次设计和研究对研究无线充电奠定了基础，并有着借鉴意义。

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The design of the smartphone charger based on MCU

Wang Tao,Qu Gaolong,Yin Niejun,Wang Chu，Yang Fuqin
(Information Institute,East China University of Technology,Information Engineering 2011，200237)

With the rapid development of mobile technology,how to be safe and effective for smartphone battery charging,has become an important issue.SCM technology has a wide field of industrial control applications.the ability to control the use of its processing can achieve intelligent charger.The design is mainly based on the status quo of mobile phone charger and cell phone charger in the traditional,to implement applications using mobile phone battery charger aspects based on AT89C58 microcontroller,the charge control by the MAX1898 chip.The battery charger is able to achieve a pre-charge,fast charging, regular charging,reminders for charging,automatic power-off and alert after charging,tips of LED lights, safety circuit protection,control for temperature,emergency power and other functions.

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