基于单片机的智能充电系统的设计

2022-08-28胡真汪盼

现代信息科技 2022年10期

胡真，汪盼

（1.佛山职业技术学院，广东佛山 528137；2.中国工商银行股份有限公司佛山分行，广东佛山 528010）

0 引言

随着信息技术的高速发展，智能手机、平板和笔记本电脑等便携式智能电子产品随处可见。电子产品的普及给消费者带来了许多便利，但电子产品充电慢、充电难的问题日益凸显，人们对电源系统的要求也日益提高，而锂电池因其能量比高，自然放电率低，无记忆效应等优点，成为便携式电子产品的理想电源。

目前，针对便携式电子产品的充电设备种类繁多，粗制滥造的产品充斥着整个市场，不仅价格昂贵，质量参差不齐，且只能对单一产品进行充电，难以进行统一的管理。因此，研发出适用于大部分便携式电子产品，且性能稳定、安全可靠的锂电池智能充电系统成了一项研究热点。

针对以上问题，本文设计了一种由充电芯片MAX1898和单片机PIC16F716 为硬件核心的智能充电系统，辅之以较少的外围电路，通过合理的硬件和软件模块设计，实现对多种便携式电子设备的智能充电。

1 总体设计

在设计充电系统时，一般要求充电系统成本低廉，充电过程安全高效，充电设计节能环保。同时，为实现能对多种类型的便携式电子产品充电，在兼容多种充电接口的同时，还需要实现充电过程的智能化，以保护不同规格电池的充电安全，延长电池的使用寿命。

单片机体型较小，售价便宜，且易于开发和拓展，成为实现充电过程智能控制的首选目标。基于此，本文考虑利用单片机作为核心控制，辅之以少量的外围电路，通过充电芯片对充电电流、充电电压，充电温度和充电故障进行实时监测与控制，实现充电过程中的全智能化。智能充电系统的总体框架如图1所示。

图1 智能充电系统的总体框架

2 硬件设计

根据智能充电系统的总体框架，以及对系统安全、成本和可靠性等方面的要求，本文选取了单片机PIC16F716 作为核心控制元件，同时，选用了充电芯片MAX1898 作为核心充电元件，两种元件一起构成硬件电路的核心器件。

单片机PIC16F716 是由Microchip 公司所研制的芯片处理器，指令集少，运行效率高，它拥有Flash program 程序内存的作用，能够反复烧录代码，而且它内建的ICD 模块，支持操作者直接在芯片上停止处理器工作，观看缓存器中的内容等功能，具有非常明显的优势。

而充电芯片MAX1898 价格便宜，结构简单，能自动进行内部的检流，充电的最大电流可由用户自行设置，能够比较精准地对电池进行恒流恒压状态充电，同时它可以让电池电压的调节精度达到±0.75%左右，性价较高。

下面分别对充电系统的主要硬件电路进行详细的说明。

2.1 充电系统电源电路的设计

为了适用大部分电子产品，本充电系统采用了5 V 的电源模块，具体设计如图2所示。首先，通过变压器将220 V交流电压降压至12 V；其次，用桥式电路对电流整流，然后进行电流滤波；最后将电流送入三端稳压电路LM7805，输出5 V 的电压，作为充电电源。

图2 智能充电系统的电源电路

2.2 单片机最小系统的设计

复位电路是单片机最小系统中必不可少的部分，合理的复位电路能保证硬件电路的正常运行。复位电路的设计方法较多，本文采用了稳定门槛电压复位电路，该电路具有驱动能力强，负载影响小的优点，具体电路如图3所示。

图3 单片机复位电路

时钟电路是单片机的重要组成部分，本文中单片机PIC16F716 为12 MHz 晶振，采用了晶体振荡电路，其振荡电容为22 pF。单片机PIC16F716 的时钟电路如图4所示。

图4 单片机时钟电路

2.3 充电芯片控制电路的设计

图5为充电芯片控制部分电路原理图，其核心器件为充电芯片MAX1898。LEDG 表示发绿光的二极管，当电池处于充电状态时，它将被一直点亮，而充电故障时该二极管将会不停闪烁，以示警告。电路图中R5 阻值为4.7 kΩ，为了限制充电时的最大电流，充电电流的上限为500 mA。电容C5 值取100 nF，充电时间的上限设为3 小时，防止过度充电，损坏电池。

图5 充电芯片控制电路

在充电过程中，单片机对CHG 引脚输出信号进行监测，当CHG 发出的脉冲周期是4 秒时，则表示充电过程即将结束，这时，脉冲触发单片机产生外部中断，使PIC 单片机的T0 定时器进行计数，脉冲周期信号再一次到来时，定时器中程序会自行进行判断，看计数值是否为4 秒，若是，便通过控制相关的引脚来关断电池电源，如若不是，则表示充电过程出现故障。

智能充电系统的整个充电过程由单片机PIC16F716 与充电芯片MAXl898 共同完成，具体分为以下五个环节：

（1）预充。充电系统接入电源，连接充电设备后，即开始预充阶段。在此阶段，充电系统以10%的快充电流向电池充电，电池的温度和电压逐步升高。充电系统存在一个预充时间，该时间由电容C5 决定，若在此时间内电池的温度保持稳定，并且电压达到预定值，则充电系统马上转入快充阶段。若超过此预充时间段，且电压没有满足预定值，则认为充电过程发生故障，充电过程将立即结束。

（2）快充。以恒定电流对电池进行充电的过程，在此过程充电系统采用大小恒定的电流对电池进行充电，随着时间推移，电池电压稍微变大，当电压升至预定值时，表示快充过程结束，此时电流迅速降低，充电过程进入满充阶段。

（3）满充。在此阶段，充电的电流逐渐下降，当降至预定值以下后，充电系统开始以微弱的电流进行充电，电池进入慢速充电状态。同时，当电池充电时间过长时，为保护电池，也会进入满充阶段。由于充电电流较小，满充充电能有效延长电池的使用时长。

（4）断电。如果充电芯片MAXl898 检测到电池已经充满，或检测到充电故障，将会通过2 号引脚发送高电平给PIC 单片机，触发单片机产生中断，单片机通过定时器程序进一步确认充电过程是否顺利完成，若完成或发生充电故障，则通过控制相应引脚来切断充电电源，以保护充电电池和充电芯片。

（5）报警。充电满后，绿色的LED 会自动熄灭，用户可直接取走充电设备。而若充电过程中发生错误，绿色的LED 将会不停闪烁，用来提醒用户充电过程出错。

智能充电系统的运行状态与指示灯的状态对比如表1所示。

表1 指示灯状态表

3 软件设计

对于本充电系统而言，由于在充电的过程中需要经过预充、快充、满充，最后再断电的四个步骤，此种充电法在一定程度上减少了充电的出气量，使充电过程完成的比较彻底。

因此，在软件模块设计时，需考虑到每个充电步骤成功与否，再进行相应的流程处理，特别是指示灯的状态显示及断电处理。

3.1 软件主流程的设计

根据充电流程和充电指示灯状态表，设计如图6所示的智能充电系统软件流程图。

图6 软件主流程图

首先，对充电系统进行初始化处理。在初始化时，必须先清除缓存，设定初始参数和看门狗，保证系统的正常运行。同时，由于需要实时检测充电芯片的充电状态，如充电电流、充电电压、充电故障和充电温度等，需要使用单片机的外部中断和定时器，因此，需将对应外部中断和定时器初始化。

其次，在初始化完成后，检测充电系统是否准备就绪，包括电源状态，电池状态和充电芯片的状态等，确保就绪后进入下一状态，否则，返回上一流程。

接着，在检测系统就绪后，开始进入充电流程，对预充、快充和满充每一阶段进行实时监控，根据结果让系统执行对应操作，如改变指示灯的运行状态。

最后，无论充电是否成功，只要检测到充电完成信号，均使整个充电流程结束，并立即断开充电电源。若出现故障，则指示灯闪烁，若充电成功，则指示灯熄灭。

3.2 外部中断服务子程序的设计

由于在充电过程中，系统需要根据充电状态，对预充、快充和满充进行实时的监测与控制，在编写中断程序时，需注意以下问题：

（1）智能充电系统需要同时监测电压、电流和温度等，为保证充电系统运行效率，在编程时，可根据PIC18F716 的指令集少、多通道的特点，定时更换寄存器的监测通道，采取多通道切换运行的模式。

（2）智能充电系统需要实时监测充电状态，以便及时处理不同的充电流程。若采取多线程运行，会大大占用单片机的运行内存，导致系统运行缓慢。因此，本系统可通过单片机的外部中断和定时计数器来实施监测系统的状态，并通过设置中断优先级来处理不同优先级的事件，优先响应高优先级中断服务子程序，保证充电系统及时处理问题。

在软件设计时，采用了外部中断0 和定时器0 来对充电芯片的引脚进行实时监测，外部中断子程序流程图如图7所示。

图7 外部中断子程序流程图

通过启动外部中断0，监测充电芯片的对应引脚。当对应引脚发出的脉冲信号时，引起PIC 单片机触发外部中断，此时，软件重新设定定时器0 的初值，并启动定时器0，单片机T0 开始计数。脉冲周期信号再一次到来时，定时器累计计数，并通过子程序判断脉冲周期是否为4秒，若不为4秒，表示充电过程出现故障，通过单片机引脚控制指示灯闪烁，闪烁频率由定时器0 决定。若为4 秒，则表示充电顺利完成，通过单片机引脚直接熄灭指示灯。同时，不管充电成功与否，均通过单片机控制电路来使电池电源断电，结束整个充电的流程。