电子设备智能充电系统的设计

2020-06-19董燕丽

农业技术与装备 2020年4期

董燕丽，张虎，刘攀

（山西农业大学信息学院，山西太谷 030800）

随着电子时代的到来，越来越多的智能电子设备进入人们的生活和工作中，锂电池因其质量轻、体积小、具有记忆功能、使用寿命长等优点，成为众多电子设备供电首选。在为锂电池选择充电器时，必须要选具有保护电路的充电器。最好的选择是智能充电器，能合理地调节充电电压的大小，避免因充电电压过大对电池造成损伤。

智能充电系统具有诸多优点，如体积小、质量轻便、充电效率高，不同阶段采用不同的充电模式，可以保证充电过程不过流、不欠压，能有效地延长电池的使用寿命。现在性能较好的智能充电器都用单片机来做控制器，将单片机和充电芯片结合使用，使得充电器的性能更好，充电过程也更智能。

1 智能充电系统的工作过程

智能充电系统充电过程包括预充电、恒流充电、恒压充电、断电和报警五个环节，各个环节的具体过程如下所示。

1.1 预充电

电池电量很低时，电池的性能不太稳定，此时先对电池进行小电流预充电，当达到预充电电压阀值时，此时切换成大电流进行充电。这样的充电方式可减小对电池的损伤，若换成大电流后电池不能正常充电，则说明电池已出现故障，不能正常使用了。

1.2 恒流充电

这一环节也称为快速充电环节，这个过程中充电电流值稳定不变。充电电流大小可根据不同型号的电池的额定电压进行小范围调节。恒流充电过程中，当充电的实际功率大于额定功率时，电池会出现发热现象，当温度高于上限值时，自动进入下一环节的充电。

1.3 恒压充电

这一环节也称为满充环节，电池充电时输入电压值保持不变。恒压充电阶段充电电流会逐渐减小，减小到一定程度之后开始采用涓流充电。

1.4 断电

智能充电系统最亮点的功能是能够自动断电。d当电池电压达到额定电压时充电系统会自动断电，不再向电池输送电压和电流，对电池起到保护作用。

1.5 报警

电池充电饱和之后，充电系统自动断电，并发出报警信号，提醒用户移除充电设备，防止过充电。

2 智能充电系统的设计

2.1 总体设计思路

智能充电系统功能完善，性能优越，具有多种充电模式，并根据充电的不同阶段自动切换充电模式，能够实现预充、快充、满充、自动断电和报警提示等功能，还有短路保护功能，能够显示不同的充电状态。

根据系统的功能要求，将智能充电系统的设计划分成如下几个模块：核心控制器模块、充电模块、稳压隔离模块和报警模块。本设计从硬件设计和软件设计两方面出发，按照模块化思路，先完成各个模块的硬件电路设计，再根据功能要求设计系统的流程图，进而完成软件编程，通过Protues软件画出系统总的硬件仿真图，进行系统的仿真与调试。

2.2 智能充电系统的硬件设计

2.2.1 核心控制器

核心控制器是智能充电系统的“心脏”，本设计选取AT89S51单片机作为核心控制器，因其具有广泛的兼容性和强大的实时控制功能，性价比高，应用场合很多。

单片机的最小系统是可以保证单片机正常工作的基本系统，包括电源电路、时钟电路和复位电路。AT89S51的电源电路要提供5 V电源来给单片机供电。时钟电路是为单片机正常工作提供时序信号的电路，由电容和晶振组成稳定的自激振荡器，晶振具有稳定的振荡周期并能持续输出脉冲，振荡频率可选择6 MHz、12 MHz的石英晶体，微调电容通常选择30 pF，除了内部时钟之外，单片机还可以选择外部时钟，由外部振荡器产生时钟脉冲信号，常用于多片单片机之间的同步。复位电路用于初始化单片机，通常在程序跑飞或者单片机陷入死循环时，需要复位电路来恢复单片机的运行秩序。单片机的复位分手动按钮复位和上电自动复位两种。

2.2.2 充电模块

本系统的充电芯片选择的是MAX1898充电芯片。该芯片性价比较高，MAX1898芯片能很好控制充电过程，可以精准地监测充电过程中发生的问题，并且该芯片的恒压充电模式，对电池能起到很好的保护作用，充电性能好；此外MAX1898芯片充电过程相对灵活，只需要通过检测内部电流就可以切换充电模式，且电路集成度比较高，充电过程简单，设计中需要的外围部件很少，结构简单。

MAX1898芯片内部结构完整，集成了电流调节装置、温度检测装置、电压监测装置以及充电控制器等。快充环节通过调节内部电阻，有效地控制充电电流，保证恒流快速充电，满充过程则是根据充电情况对电流进行调节，保证充电电压恒定不变，电流则随着充电过程逐渐减小，以防止充电电流过大会对电池造成损伤，电池电压精度可达±0.75%。此外，MAX1898芯片自带指示灯，可显示电池的充电状态。当未连接电池或充电完成时，指示灯灭，当电池处于预充、快充和满充的充电过程时，指示灯亮，充电出错时，指示灯以1.5 Hz频率闪烁。

2.2.3 稳压隔离模块

智能充电系统对电压稳定性的要求很高，电压不稳会对电池造成不同程度的损伤，因此需要专门的稳压隔离电路。本设计选择LM7805，它具有稳定的变压作用，再加上6N137的光耦隔离，可有效防止外部电源的干扰，这样充电系统就可得到稳定的电压了。

2.2.4 报警模块

报警模块主要是充电异常或者充电完成时提醒用户移除充电器的，报警模块选择声光报警，由蜂鸣器和发光二极管组成，其中蜂鸣器选择无源蜂鸣器，由5 V直流电来供电，内部封装有音频振荡电路。当充电异常或者充电完成时发光二极管闪烁，同时蜂鸣器发出报警提示。

系统各个模块的的硬件设计总图如下图所示。

2.3 智能充电系统的软件设计

系统的软件设计主要是按照模块化的思路，设计系统总的流程图以及各个模块的流程图，再根据设计好的流程图用Keil软件进行编程，编程之前先新建工程，命名为智能充电系统，选定单片机型号Atmel/AT89S51，添加源程序文件，并进行编程，编程完成后将文件保存为.c格式的后缀，编译并调试无误后生成.hex文件备用。系统需要编写主程序、充电模块子程序、保护模块子程序以及报警子程序。

系统主程序的工作流程如下：系统上电之后，充电管理芯片根据电池的电压来判断充电模式，2.5 V是预充和快充的切换基准，电压低于2.5 V，则系统进入预充电模式，高于2.5 V后，自动切换到快充模式，快充模式充电电流恒定，最大电流值不超过500 mA，当充电电流减小到最大电流的20%时，切换到满充模式，该模式下充电电压恒定，当电池电压达到额定电压之后，系统自动断电，并发出蜂鸣器报警提示，同时LED灯闪烁数次后熄灭，标志着充电完成，用户可移除充电系统。