基于51單片機的智能充電器的設計[共42頁]

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1、 摘要 在我們的日常生活中,手機已經變得越來越重要了。我們經常需要使用手機，打電話、發(fā)短信、上網、看電影、聽歌、玩游戲等等。隨著大屏幕和高主頻的手機出現(xiàn)，鋰離子電池就變得更加重要了，其鋰離子電池充電器也受到廣大消費者的重視。 該課題主要是設計一種基于單片機的鋰離子電池充電器，在設計上，通過AT89S52和MAX1898可以控制實現(xiàn)預充，快速充電，及恒壓充電。該設計可以通過LCD1602監(jiān)控充電過程中的各個狀態(tài)，實現(xiàn)電路簡單，成本較低，而且充電效果很好，包括安全性高，耗時短，對電池損壞小，滿足一般用戶的要求。本文還對充電器的核心器件MAX1898充電芯片、AT89S52單片機以及LCD16

2、02進行了較詳細的介紹。 該智能充電器具有檢測鋰離子電池的狀態(tài)；自動切換充電模式以滿足電池的充電需要；充電電壓顯示的功能。實現(xiàn)定時切斷MAX1898的電源，減少能耗，同時也延長了它的使用壽命。 關鍵詞：鋰電池，充電器，單片機，AT89S52， MAX1898，LCD1602 Abstract In?our daily lives, mobile phones have?become increasingly important. We often need to?use the phone, making phone calls, text messaging, Internet

3、, watching movies, listening to music, play games?and so on. With the advent of large screen and high-frequency mobile phone, the Li-on batteries become more important, its Li-on battery charger by the consumers attention. The main topic is to design a micro control unit based on Li-on battery cha

4、rger which is designed by AT89S52 and MAX1898 that can be controlled to achieve the pre-charging, fast charging and constant voltage charging. The design can monitor the charging process in each state and the circuit is very simple, low cost, and a good charging effect, including the character of sa

5、fe, short time consuming, small battery damage and have met the requirements of general using. The article also has a more detailed introduction to the core device MAX1898, AT89S52 and LCD1602. The smart charger has the funtion of the state detection of Li-on battery, switching to charge mode autom

6、atically to meet the requirement of the battery,charging voltage displaying. This design has achieved shuting down the power of MAX1898, reducing energy consumption, and prolonging service life. Key words: Li-on battery, Charger, SCM, AT89S52, MAX1898,LCD1602 目錄 引言 1 1緒論 2 1.1智能充電器概念以及智能化體現(xiàn)

7、2 1.2充電器智能化需求 2 1.3智能充電過程 3 2鋰離子電池的介紹 3 2.1鋰金屬電池與鋰離子電池 4 2.2鋰離子電池工作原理 5 2.3鋰離子電池使用注意事項 6 3硬件電路設計 6 3.1設計思路概述 6 3.2充電管理芯片MAX1898簡介 7 3.3 MAX1898應用電路設計 11 3.4 AT89S52單片機簡介 12 3.5 LCD1602簡介 17 3.6 ADC0832模數轉換芯片簡介 22 4系統(tǒng)軟件設計 24 4.1充電流程設計 24 4.2單片機控制設計 25 5結語 28 參考文獻 29 致謝 30 附錄1：完整電

8、路原理圖 31 附錄2：電路PCB板設計圖 32 附錄3：實物照片 33 附錄4：源程序 34 38 引言 隨著半導體元件、大規(guī)模集成電路的飛速發(fā)展及人們生活水平的不斷提高,各種便攜式收錄機、電動剃須刀、筆記本電腦、攝像機、電子計算器、移動電話等電器廣泛應用，這就使各種干電池的需求量迅速增加。 電池是通過能量轉化獲取電能的原件，電池又分為一次電池和可充電電池，一次性電池只能一次使用，而廢舊的一次電池容易造成環(huán)境污染?？沙潆婋姵乜梢苑磸褪褂茫铱沙潆婋姵赜休^高的性價比，放電電流大，壽命長等特點，生產生活中可充電電池應用比較廣泛，各種儀器儀表，電氣測量裝置，通信設備中都有使用

9、可充電電池，但隨著社會的發(fā)展，人們對電池更講究方便攜帶，污染小，性能優(yōu)良等。綜合所有因素，可充電電池比一次電池更能受大眾青睞，所以可充電電池擁有廣大的市場前景。同時，智能充電器應運而生。鋰電池是可充電電池的一種，鋰電池自從上市以來，以其效率高，壽命長的優(yōu)勢占領市場。而各大生產廠商，為了迎合市場需求，致力于開發(fā)能量密度高、小型化、薄型化、輕量化、安全性高、循環(huán)壽命長的高性能鋰離子電池。隨著時代的發(fā)展手機、電腦、家用電器等離不開充電器，而單片機參與處理和控制的充電器被稱為智能充電器。 鋰離子電池有較高的比能量，放電曲線平穩(wěn)，自放電率低，循環(huán)壽命長，具有良好的充放電性能，可隨充隨放、快充深放，無記

10、憶效應，不含鎘、鉛、汞等有害物質，對環(huán)境無污染，被稱為綠色電池?；谶@些特性，所以鋰電池得到了迅速的發(fā)展和廣泛的應用。鋰電池充電器是為鋰離子充電電池補充能源的靜止變流裝置，其性能的優(yōu)劣直接關系到整個用電系統(tǒng)的安全性和可靠性指標。 本論文從鋰電池技術特性、充電技術、充電器電路結構、充電器典型電路和電池保護等方面，多角度地闡述了充電技術發(fā)展和應用。 1 緒論 1.1 智能充電器的概念以及智能化的體現(xiàn) 智能充電是采用高頻電源技術，運用先進的智能動態(tài)調整充電技術。它采用恒流/恒壓/小恒流智能三個階段充電方式，具有充電效率高，操作簡單，重量輕，體積小等特點。 智能充電器具有反接、過

11、載、短路、過熱等多重保護功能及延時啟動，軟啟動、斷電記憶自啟動功能等。具有科學的充電電量控制技術，全自動充電機能在蓄電池充足后自動關機，確保蓄電池充足，不過充、不欠充，延長蓄電池使用壽命，全自動充電機可適用的電池類型：鎳鉻、鎳氫、鉛酸、鋰離子電池等。 1.2 充電器的智能化需求 充電器實現(xiàn)的方式不同會導致充電效果的不同。由于充電器多采用大電流的快速充電法，在電池充滿后，如果不及時停止會使電池發(fā)燙，過度的充電會嚴重損害電池的壽命。一些低成本的充電器采用電壓比較法，為了防止過充，一般充電到90%就停止大電流快充，而采用小電流涓流補充充電。手機電池的使用壽命和單次使用時間與充電過程密切相關。

12、 鋰電池是手機最為常用的一種電池，它具有較高的能量重量比、能量體積比、具有記憶效應，可重復充電多次，使用壽命較長，價格也越來越低。鋰電池對于充電器的要求比較苛刻，需要保護電路。為了有效利用電池容量，需將鋰電池充電至最大電壓，但是過壓充電會造成電池損壞，這就要求較高的控制精度。另外，對于電壓過低的電池需要進行預充，充電器最好帶有熱保護和時間保護，為電池提供附加保護。一部好的充電器不但能在短時間內將電量充足，而且還可以對電池起到一定的維護作用，修復由于使用不當造成的記憶效應，即容量下降（電池活性衰退）現(xiàn)象。 設計比較科學的充電器往往采用專用充電控制芯片配合單片機控制的方法。專用的充電芯片具備業(yè)

13、界公認較好的－△V 檢測，可以檢測出電池充電飽和時發(fā)出的電壓變化信號，比較精確地結束充電工作，通過單片機對這些芯片的控制，可以實現(xiàn)充電過程的智能化，例如，在充電后增加及時關斷電源、蜂鳴報警和液晶顯示等功能。充電器的智能化可以縮短充電的時間，同時能夠維護電池，延長電池使用壽命[1]。 1.3 智能充電過程 （1）預充電 如果充電開始時，單節(jié)電池電壓低于2.5v，則用涓流充電方式對電池進行預充電，直到電池電壓升至2.5V，在此期間，充電器給電池充電電流是標注電流的十分之一。其目的是讓電池電壓、溫度恢復到正常狀態(tài)。預充電時間由外接電容確定，若在規(guī)定時間內電池電壓、溫度都恢復正常，就可以進行

14、快速充電；若電池沒有恢復正常狀態(tài)，認為電池故障。 （2）恒流充電 充電器以恒定電流進行充電的過程叫做恒流充電，又叫快速充電。不同電池，充電速率會有差異，依據電池標注的充電速率進行充電，在充電過程中，電池電壓、溫度會上升，當達到設定的標準電壓時，恒流充電過程結束，充電電流減小。進入下一段充電過程。 （3）恒壓充電 充電時蓄電池兩極間的電壓維持在恒定的數值，這種充電方式叫做恒壓充電，它是一種廣泛采用的充電方法。恒壓充電又叫滿充，恒壓充電階段，電流逐漸減小，直到降到標準值以下，之后進入涓流充電過程，充電器以極小的充電電流進行，因為充電器電壓檢測電池電壓是否達到終止電壓時，充電電流經過電池內阻

15、，串聯(lián)的電阻會形成壓降，將影響電壓檢測，恒壓充電和涓流充電可以延長使用時間。 （4）斷電 當檢測到電池的電壓達到預定值時，認為電池已經充滿。此時，充電管理單元會控制充電單元停止給電池繼續(xù)充電，保證芯片和電池的安全，并且減小了充電功耗。 （5）報警 電池充滿電后，充電管理芯片向外接的LED燈發(fā)出指令，LED燈將會閃爍，為保證安全，也同時會自動切斷充電芯片的供電，控制蜂鳴器報警，提醒用戶取出電池。[2] 2 鋰離子電池的介紹 電池是一種化學電源，可以通過能量轉換獲得電能。二次電池[3]是可多次反復使用的電池，它又稱為可充電池、蓄電池。當對二次電池充電時，電能轉變?yōu)榛瘜W能，實現(xiàn)向負荷

16、供電，伴隨吸熱過程。對于二次電池，其性能參數主要有以下4個指標： 1. 工作電壓：電池放電曲線上的平臺電壓 2. 電池容量：常用單位為安時(Ah)和毫安時(mAh) 3. 工作溫區(qū)：電池正常放電的溫度范圍 4. 電池正常工作時的充、放電次數 二次電池的性能可由電池特性曲線表示，這些特性曲線包括充電曲線、放電曲線、充放電循環(huán)曲線、溫度曲線等。二次電池能夠反復使用，符合經濟使用原則。對于市場上二次電池的種類，大致分為：鉛酸(LA)電池、鎳鎘(NiCd)電池、鎳氫(NiMH)電池和鋰離子(Li–ion)電池。它們的主要區(qū)別見表2-1。 表2-1 各種類電池之間的區(qū)別 電池類型 酸性

17、電池 鎳鎘電池 鎳氫電池 液態(tài)鋰電池 聚合物鋰電池 安全性 好 好 好 好 優(yōu) 工作電壓/V 2 1.2 1.2 3.7 3.7 重量比能量 /(W·h/kg) 35 41 50~80 120~160 140~180 體積比能量 /(W·h/L) 80 120 100~200 200~280 ＞320 循環(huán)壽命 300 300 500 ＞500 ＞500 工作溫度/℃ 20~60 20~60 20~60 0~60 0~60 記憶效應 無 有 無 無 無 毒性 有毒 有毒 輕毒 輕毒 無毒

18、 形狀 固定 固定 固定 固定 任意形狀 自放電 ＜0 ＜10 ＜30 ＜5 ＜5 2.1 鋰金屬電池與鋰離子電池 鋰電池大致可分為兩類：鋰金屬電池和鋰離子電池；鋰金屬電池是一類由鋰金屬或鋰合金為負極材料、使用非水電解質溶液的電池。鋰離子電池一般是使用鋰合金金屬氧化物為正極材料、石墨為負極材料、使用非水電解質的電池。鋰離子電池不含有金屬態(tài)的鋰，并且是可以充電的。 鋰離子電池是一種智能電池，它可以與專用原裝智能充電器配合，達到最短的充電時間、最大的壽命周期、最大的容量。鋰離子電池是目前性能最好的電池，與同樣大小的鎳鎘電池、鎳氫電池相比，鋰離子電池擁有：電量儲備大

19、、重量輕、壽命長、充電時間短、無記憶效應的特點。 2.2 鋰離子電池工作原理 鋰離子電池是指以鋰離子嵌入化合物為正極材料電池的總稱。鋰離子電池以碳素材料做為負極，以含鋰的化合物作為正極，沒有金屬鋰存在，只有鋰離子，這就是鋰離子電池。鋰離子電池的充放電過程，就是鋰離子的嵌入和脫嵌過程。在鋰離子的嵌入和脫嵌過程中，同時伴隨著與鋰離子等量電子的嵌入和脫嵌（習慣上正極用嵌入或脫嵌表示，而負極用插入或脫插表示）。在充放電過程中，鋰離子在正、負極之間往返嵌入、脫嵌和插入、脫插，被形象地稱為“搖椅電池”,其工作示意圖如圖2-1所示。 圖2-1 鋰離子電池工作示意圖 當對鋰離子電池進行充電時，

20、鋰離子電池的正極上有鋰離子生成，生成的鋰離子經過電解液運動到負極，作為負極的碳呈現(xiàn)層狀結構，它有很多微孔，達到負極的鋰離子就嵌入到碳層的微孔中，嵌入的鋰離子越多，充電容量就越高。當對電池進行放電時（我們使用電池的過程），嵌在負極碳層中的鋰離子脫出，又運動回正極?；卣龢O的鋰離子越多，放電容量越高。 一般鋰電池充電電流越大，充電越快，同時電池發(fā)熱也越大。過大的電流充電，容量不夠滿，因為電池內部的電化學反應需要時間。 2.3鋰離子電池使用注意事項 1. 放電電流不能過大，過大的電流導致電池內部發(fā)熱，有可能會造成永久性的損害。 2. 絕對不能過放電，鋰電池內部存儲電能是靠電化學一種可逆的化

21、學變化實現(xiàn)的，過度的放電會導致這種化學變化有不可逆的反應發(fā)生，一旦放電電壓低于2.7V，將可能導致電池報廢。 3. 充電時不能高于最大充電電壓。 4. 鋰離子電池過充時，會導致電池性能受到破壞，甚至爆炸。 5. 高溫環(huán)境下，鋰離子電池容易縮短壽命，或者引發(fā)爆炸。 6. 長期不用的鋰離子電池需要保持40%～60%電量，否則，電量過低時將會因為自放電導致過放。 3 硬件電路設計 3.1 設計思路概述 要實現(xiàn)智能化充電器，需要從以下兩方面著手： 1. 充電過程的實現(xiàn) 充電過程主要考慮到鋰離子電池的充電特點，有針對性的選擇相應的充電方案。另外，由于大規(guī)模集成電路的高速發(fā)展，很多芯片

22、廠商把實現(xiàn)固定功能的電路做成集成IC，更加方便電路功能的實現(xiàn)和搭建。目前市場上常見的智能充電芯片主要包括：MAX1898、MAX1758、SMC401[4]。本設計采用MAX1898充電芯片來進行相關電路的設計。 2. 智能化的實現(xiàn) 為實現(xiàn)充電的智能化，在充電過程中引入51單片機的控制，配合ADC0832模數轉換芯片，不斷的檢測電池電壓并反饋給51單片機，判斷電池此時需要的充電模式，從而實現(xiàn)智能化控制。此外，為方便觀察整個過程，運用LCD1602顯示充電過程中的電池電壓和充電電流，能更加生動的看到整個充電過程。 在本設計中，整體思路是通過MAX1898給鋰電池充電，以AT89S52單片機

23、作為充電過程的智能控制中心，以ADC0832模數轉換器作為MAX1898和AT89S52的數據傳送橋梁，不斷的檢測電池的電壓，由單片機判斷此時應有的充電狀態(tài)，從而控制充電狀態(tài)指示燈的點亮與熄滅，并將狀態(tài)監(jiān)測結果輸出給LCD1602顯示以供觀察，當充電出現(xiàn)錯誤，則會使指示燈閃爍，并驅動蜂鳴器報警。 3.2 充電管理芯片MAX1898簡介 MAX1898的內部電路包括輸入電流調節(jié)器、電壓檢測器、充電電流檢測器、定時器、溫度檢測器和主控器。輸入電流調節(jié)器用于限制總輸入電流，包括系統(tǒng)負載電流與充電電流，但檢測到輸入電路大于設定的門限電流時，通過降低充電電流從而控制輸入電流，MAX1898外接限

24、流型充電電源和PNP功率三級管，可對單節(jié)鋰電進行有效的快充，它通過外接電容設定充電時間，通過外接電阻設置最大充電電流，可精確地恒流/恒壓充電，電池電壓精度可達±0.75%[5]。MAX1898的封裝樣式如圖3-1所示，各個引腳功能如表3-1所示。 圖3-1 MAX1898的引腳 表3-1 MAX1898引腳功能表 引腳號 引腳名 功能 1 IN 電壓輸入端 2 漏極開路LED驅動。1.沒有電池，LED滅。2.預充電，LED亮。3.快速充電，LED亮。4.充電完成，LED滅。5.電池電壓小于2.5V，但預充電時間結束，LED 1.5HZ閃爍。 3 EN/OK

25、 1.輸入：高電平使能IC。2.輸出：高電平表示輸入電壓接入正確 4 ISET 1.與電池充電電流成比例的模擬輸出,。 2.通過設定ISET與GND之間的電阻可改變充電電流。 5 CT 安全充電時間控制口，電容10uF時，充電時間為3小時。 6 RSTRT 自動重啟控制，如果電池降低電池規(guī)定的電壓下0.2V，一個新的充電周期又開始。接地后自動重啟功能有效，充電完成時漏極電流為40uA。如果懸空，充電時間耗盡，只能通過EN/OK來觸發(fā)重啟，充電完成時漏極電流為4uA。 7 BATT 電池輸入端。 8 GND 接地 9 DRV 外部晶體管驅動，該腳接外部PMOS

26、/PNP的柵極/基極。 10 CS 充電電流輸入端，接PMOS/PNP的源極/集電極。 MAX1898開始快充的條件如下，滿足任何一個條件即可： 1. 外部電源連接上，電池電壓大于2.5V。 2. 電池電壓下降到重啟電壓，4.0V(MAX1898EUB42)或3.9V(MAX1898EUB41)。 3. EN/OK先置低后置高，IC復位。 4. 預充電結束，電池電壓達到2.5V。 快充電流設定： MAX1898充電電流通過線性控制外部晶體管PMOS或PNP，最大的充電電流通過連接ISET與GND的外部電阻來設定，最大充電電流Imax和限流電阻Rset的關系式滿足：

27、 式中：Rset 單位為，Imax單位為A，一般情況下鋰電池的充電電流都為500mA，故限流電阻值取。 ISET可用來實時檢測實際的充電電流。ISET端有1mA輸出的電流就表明充電電流為1A，ISET端的輸出電壓正比于充電電流，滿足關系式： 在快速充電階段通常ISET端的電壓為1.4V，電池充滿時將隨著充電電流下降。充電過程中電壓、電流、功耗變化趨勢圖如下圖3-2所示[6]。 圖3-2 電壓、電流、功耗變化趨勢圖 充電過程監(jiān)測： 是一個漏極開路輸出，可以監(jiān)視電池的充電狀態(tài)。有5mA的限定電流，LED可以與固定阻值的電阻連接在5伏VCC與之間作為充電狀態(tài)標志。另外，可以輸

28、出邏輯電平，表3-2為的狀態(tài)與各充電狀態(tài)的對應關系。 表3.2 的狀態(tài)與各充電狀態(tài)的對應關系 條件 沒有電池接入或沒有充電輸入 高阻抗（LED滅） 預充電階段電池電壓小于2.5V，充電電流為Imax的10% 低阻抗（LED亮） 快速充電階段，電池電壓大于2.5V 低阻抗（LED亮） 充電完成，充電電流下降到快速充電電流的20%或者到達預定快充時間 高阻抗（LED滅） 充電錯誤，充電電壓小于2.5V而且預充電結束（） LED1.5HZ、50%閃爍 最大充電時間設定： 最大充電時間可以通過外部電容設置，電容接在CT與GND之間，定時電容和充電時間Tchg的關系式

29、滿足： 式中：Tchg 單位為小時，CT單位為nF，一般情況下快充時間不超過3小時，因此CT一般為100nF。 最大充電時間就是安全定時，通常不是充電控制循環(huán)中的一部分。以1C的充電速率對鋰離子電池充電，通常充電時間將近1.5小時，但是根據溫度的變化和電池類型的不同充電時間變化很大。在大多數場合，用1C速率快速充電推薦3小時作為最大充電時間，以使正常充電不會被充電定時器中斷。要詳細咨詢電池廠商推薦的定時設定。CT接GND，充電安全定時功能關閉，同樣重啟功能和預充電錯誤提示功能也關閉。 充電過程自動重啟： 當電池電壓降到預定水平下時，MAX1898就自動重啟開始充電。大多數定時充電器

30、，一旦充電時間結束，就不能對隨后的電池充電，充電將不能重新開始，除非充電器被外部信號觸發(fā)。當有充電電源、電池電壓下降時MAX1898自動重啟充電，重啟功能配置如下： 懸空RSTRT引腳，則重啟功能關閉。一旦充電完成，充電定時結束，充電只能通過在IN重新輸入電源或觸發(fā)EN/OK。 RSTRT接地則可以打開自動重啟功能，當電池達到重啟閾值（MAX1898EUB42為4V,MAX1898EUB41為3.9V）時，MAX1898將重啟充電。 也可以通過在RSTRT與GND之間連接電阻可以降低重啟閾值電壓。對于MAX1898EUB42有如下公式： 對于MAX1898EUB41則有如下公式：

31、 在本設計中，采用默認的重啟電壓閾值，故直接把RSTRT和GND相連。 3.3 MAX1898應用電路設計 圖3-3 智能充電器的輸入電源接口 MAX1898輸入電壓范圍為4.5V~12V。鋰電池要求充電方式是恒流恒壓方式，電源的輸入需要采用恒流恒壓源，一般采用直流電源外加變壓器。本設計中為簡化設計方案，沒有設計降壓和穩(wěn)壓電路，輸入采用USB標準電壓作為外接電源輸入，可以接到電腦上或者普通手機充電器上，通過導線接到J1口上，如圖3-3所示。 圖3-4 MAX1898應用電路設計原理圖 如圖3-4所示，紅色LED燈接入IN和之間作為充電狀態(tài)指示器。在外部PNP晶體管集電

32、極和BATT正極之間接一個肖特基二極管，來避免輸入電源短路時電池放電。本系統(tǒng)設計為充電時間3小時，最大充電電流500mA，采用自動重啟模式，所以CT外接0.1uF電容，ISET外接2.8K電阻，RSTRT直接接地。充電端通過外接的PNP三極管提供鋰電池的充電接口，充電輸出可以通過USB接口J3，也可以通過普通針式插接座引到萬能充電器的兩個觸角上使用。 3.4 AT89S52單片機簡介 AT89S52 是一種低功耗、高性能CMOS 8位微控制器，具有8K 在系統(tǒng)可編程Flash存儲器。使用Atmel 公司高密度非易失性存儲器技術制造，與工業(yè)80C51 產品指令和引腳完全兼容。在單芯片上，

33、擁有靈巧的8 位CPU 和在系統(tǒng)可編程Flash，使得AT89S52為眾多嵌入式控制應用系統(tǒng)提供高靈活、超有效的解決方案。 如圖3-5所示，是AT89S52的一種雙列直插式封裝形式，本設計中也采用這一款單片機作為控制芯片。 圖3-5 AT89S52 24PU1018A AT89S52具有以下標準功能： 1、與MCS-51單片機產品兼容； 2、8K字節(jié)在系統(tǒng)可編程Flash存儲器，程序存儲器經三級加密； 3、1000次擦寫周期； 4、可降至0Hz 靜態(tài)邏輯操作，工作頻率0Hz~33MHz； 5、32個可編程I/O口線，8個中斷源，三個16位定時器/計數器，雙數據指針； 6、

34、全雙工UART串行通道； 7、支持2種軟件可選擇節(jié)電模式：空閑模式下，CPU 停止工作，允許RAM、定時器/計數器、串口、中斷繼續(xù)工作；掉電保護方式下，RAM內容被保存，振蕩器被凍結，單片機一切工作停止，直到下一個中斷或硬件復位為止，并有掉電標識符功能； AT89S52 DIP封裝的引腳如圖3-6所示。 圖3-6 DIP形式封裝的AT89S52 AT89S52共有40個引腳，其中有32個可編程的I/O引腳[7]，分成4個8位I/O口，分別為P0口，P1口，P2口，P3口，此外，還有RST，ALE，PSEN，EA，XTAL1和XTAL2這些功能引腳，以下將對各個引腳做一一介紹。 P

35、0 口 P0口是一組8 位漏極開路型雙向I/O 口， 也即地址/數據總線復用口。作為輸出口用時，每位能以吸收電流的方式驅動8個TTL邏輯門電路，對端口P0 寫“1”時，可作為高阻抗輸入端用。在訪問外部數據存儲器或程序存儲器時，這組口線分時轉換地址（低8 位）和數據總線復用，在訪問期間激活內部上拉電阻。在Flash編程時，P0 口接收指令字節(jié)，而在程序校驗時，輸出指令字節(jié)，校驗時，要求外接上拉電阻。 P1口 P1口是一個帶內部上拉電阻的8 位雙向I/O 口， P1 的輸出緩沖級可驅動（吸收或輸出電流）4 個TTL 邏輯門電路。對端口寫“1”，通過內部的上拉電阻把端口拉到高電平，此時可作輸入

36、口。作輸入口使用時，因為內部存在上拉電阻，某個引腳被外部信號拉低時會輸出一個電流(IIL)。與AT89C51 不同之處是，P1.0、P1.1、P1.5、P1.6、P1.7都具備第二功能，詳情參見表3.3。Flash 編程和程序校驗期間，P1 接收低8 位地址。 表3.3 P1口部分引腳的第二功能 引腳號 功能特性 P1.0 T2（定時器/計數器T2的外部計數輸入，或者時鐘輸出） P1.1 T2EX（定時器/計數器T2的捕捉/重載觸發(fā)信號和方向控制） P1.5 MOSI（在系統(tǒng)編程用） P1.6 MISO（在系統(tǒng)編程用） P1.7 SCK（在系統(tǒng)編程用） P2口

37、 P2 是一個帶有內部上拉電阻的8 位雙向I/O 口，P2 的輸出緩沖級可驅動（吸收或輸出電流）4 個TTL 邏輯門電路。對端口P2 寫“1”，通過內部的上拉電阻把端口拉到高電平，此時可作輸入口，作輸入口使用時，因為內部存在上拉電阻，某個引腳被外部信號拉低時會輸出一個電流(IIL)。在訪問外部程序存儲器或16 位地數據存儲器（例如執(zhí)行MOVX @DPTR 指令）時，P2 口送出高8 位地址數據。在訪問8 位地址的外部數據存儲器（如執(zhí)行MOVX@RI 指令）時，P2 口輸出P2鎖存器的內容。Flash編程或校驗時，P2亦接收高位地址和一些控制信號。 P3口 P3 口是一組帶有內部上拉電阻的

38、8 位雙向I/O 口。P3 口輸出緩沖級可驅動（吸收或輸出電流）4 個TTL 邏輯門電路。對P3 口寫入“1”時，它們被內部上拉電阻拉高并可作為輸入端口。此時，被外部拉低的P3 口將用上拉電阻輸出電流（IIL）。P3 口除了作為一般的I/O 口線外，更重要的用途是它的第二功能，詳情見表3-4。P3口還接收一些用于Flash閃速存儲器編程和程序校驗的控制信號。 表3-4 P3口引腳第二功能 引腳號 功能特性 P3.0 RXD(串行輸入口) P3.1 TXD(串行輸出口) P3.2 INTO(外部中斷0) P3.3 INT1(外部中斷1) P3.4 T0(定時/計數器0)

39、 P3.5 T1(定時/計數器1) P3.6 WR(外部數據存儲器寫選通) P3.7 RD(外部數據存儲器讀選通) RST RST代表復位輸入。當振蕩器工作時，RST引腳出現(xiàn)兩個機器周期以上高電平將使單片機復位。復位電路如圖3-7所示。 圖3-7 單片機的外部復位電路 ALE/PROG 當訪問外部程序存儲器或數據存儲器時，ALE（地址鎖存允許）輸出脈沖用于鎖存地址的低8 位字節(jié)。一般情況下，ALE 仍以時鐘振蕩頻率的1/6 輸出固定的脈沖信號，因此它可對外輸出時鐘或用于定時目的。要注意的是：每當訪問外部數據存儲器時將跳過一個ALE 脈沖。 對Flash存儲器

40、編程期間，該引腳還用于輸入編程脈沖（PROG）。 如有必要，可通過對特殊功能寄存器（SFR）區(qū)中的8EH 單元的D0 位置位，可禁止ALE 操作。該位置位后，只有一條MOVX 和MOVC指令才能將ALE 激活。此外，該引腳會被微弱拉高，單片機執(zhí)行外部程序時，應設置ALE 禁止位無效。 PSEN 程序儲存允許（PSEN）輸出是外部程序存儲器的讀選通信號，當AT89S52 由外部程序存儲器取指令（或數據）時，每個機器周期兩次PSEN 有效，即輸出兩個脈沖。在此期間，當訪問外部數據存儲器，將跳過兩次PSEN信號。 EA/APP 外部訪問允許。欲使CPU 僅訪問外部程序存儲器（地址為0000

41、H—FFFFH），EA 端必須保持低電平（接地）。需注意的是：如果加密位LB1 被編程，復位時內部會鎖存EA端狀態(tài)。若EA端為高電平（接VCC端），CPU 則執(zhí)行內部程序存儲器中的指令。 Flash存儲器編程時，該引腳需加上+12V 的編程電壓Vpp。 XTAL1 振蕩器反相放大器及內部時鐘發(fā)生器的輸入端。 XTAL2 振蕩器反相放大器的輸出端。 振蕩器電路如圖3-8所示，本設計中，晶振的頻率為12MHz。 圖3-8 振蕩器電路 3.5 LCD1602簡介 字符型液晶模塊是單片機應用設計中最常用的信息顯示器件，1602型LCD（如圖3-9）顯示模塊具有體積小，功耗低，

42、顯示內容豐富等特點。1602型LCD可以顯示2行16個字符，有8位數據總線D0~D7和RS，R/W，EN三個控制端口，工作電壓為5V，并且具有字符對比度調節(jié)和背光功能，基控制器大部分為HD44780。 圖3-9 LCD1602型液晶字符顯示器 1602LCD主要技術參數： 1. 顯示容量:16×2個字符 2. 芯片工作電壓:4.5—5.5V 3. 工作電流:2.0mA(5.0V) 4. 模塊最佳工作電壓:5.0V 5. 字符尺寸:2.95×4.35(W×H)mm LCD1602(帶背光)采用標準的16腳接口，各引腳接口說明如表3-5所示。 表3-5 LCD1602引腳

43、接口說明 編號 符號 引腳說明 編號 符號 引腳說明 1 VSS 電源地 9 D2 數據 2 VDD 電源正極 10 D3 數據 3 VL 液晶顯示偏壓 11 D4 數據 4 RS 數據/命令選擇 12 D5 數據 5 R/W 讀/寫選擇 13 D6 數據 6 E 使能信號 14 D7 數據 7 D0 數據 15 BLA 背光源正極 8 D1 數據 16 BLK 背光源負極 其中：第3腳VL為液晶顯示器對比度調整端，接正電源時對比度最弱，接地時對比度最高，對比度過高時會產生“鬼影”，使

44、用時可以通過一個10K的電位器調整對比度；第4腳RS為寄存器選擇，高電平時選擇數據寄存器，低電平時選擇指令寄存器；第5腳R/W為讀寫信號線，高電平時進行讀操作，低電平時進行寫操作。當RS和R/W共同為低電平時可以寫入指令或者顯示地址，當RS為低電平R/W為高電平時可以讀忙信號，當RS為高電平R/W為低電平時可以寫入數據；第6腳E端為使能端，當E端由高電平跳變成低電平時，液晶模塊執(zhí)行命令。具體的11條控制指令如表3-6所示。 表3-6 LCD1602指令表 序號 指令 RS R/W D7 D6 D5 D4 D3 D2 D1 D0 1 清顯示 0 0 0 0

45、 0 0 0 0 0 1 2 光標返回 0 0 0 0 0 0 0 0 1 * 3 置輸入模式 0 0 0 0 0 0 0 1 I/D S 4 顯示開/關控制 0 0 0 0 0 0 1 D C B 5 光標或字符移位 0 0 0 0 0 1 S/C R/L * * 6 置功能 0 0 0 0 1 DL N F * * 7 置字符發(fā)生存貯器地址 0 0 0 1 字符發(fā)生存貯器地址 8 置數據存貯器地址 0 0 1 顯示數據存貯器地址 9

46、 讀忙標志或地址 0 1 BF 計數器地址 10 寫數到CGRAM或DDRAM） 1 0 要寫的數據內容 11 從CGRAM或DDRAM讀數 1 1 讀出的數據內容 其中部分指令的相關說明如下： ? 指令3：光標和顯示模式設置 I/D：光標移動方向，高電平右移，低電平左移 S:屏幕上所有文字是否左移或者右移。高電平表示有效，低電平則無效； ? 指令4：顯示開關控制。 D：控制整體顯示的開與關，高電平表示開顯示，低電平表示關顯示 C：控制光標的開與關，高電平表示有光標，低電平表示無光標 B：控制光標是否閃爍，高電平閃爍，低電平不閃爍。 ? 指令5：光標或顯示移

47、位 S/C：高電平時移動顯示的文字，低電平時移動光標。 ? 指令6：功能設置命令 DL：高電平時為4位總線，低電平時為8位總線 N：低電平時為單行顯示，高電平時雙行顯示 F: 低電平時顯示5x7的點陣字符，高電平時顯示5x10的點陣字符。 ? 指令9：讀忙信號和光標地址 BF：為忙標志位，高電平表示忙，此時模塊不能接收命令或者數據，如果為低電平表示不忙。 液晶顯示模塊是一個慢顯示器件，所以在執(zhí)行每條指令之前一定要確認模塊的忙標志為低電平，表示不忙，否則此指令失效。要顯示字符時要先輸入顯示字符地址，也就是告訴模塊在哪里顯示字符，圖3-10是1602的內部顯示地址。 圖3-10 160

48、2LCD內部顯示地址 在對液晶模塊的初始化中要先設置其顯示模式，在液晶模塊顯示字符時光標是自動右移的，無需人工干預。1602液晶模塊內部的字符發(fā)生存儲器（CGROM）已經存儲了160個不同的點陣字符圖形，如圖3-11所示。 圖3-11 1602字符映射表 由以上所有信息，可以設計出LCD1602的應用電路，如圖3-12所示，并配合單片機進行相關的軟件開發(fā)。 圖3-12 LCD1602應用電路設計 3.6 ADC0832模數轉換芯片簡介 ADC0832為8位分辨率雙通道A/D轉換芯片，其最高分辨可達256級，可以適應一般的模擬量轉換要求。其內部電源輸入與參考電壓的復用，

49、使得芯片的模擬電壓輸入在0~5V之間，輸入輸出電平與TTL/CMOS相兼容，芯片轉換時間僅為32μS，擁有雙數據輸出可作為數據校驗，以減少數據誤差，轉換速度快且穩(wěn)定性能強。獨立的芯片使能輸入，使多器件掛接和處理器控制變的更加方便[8]。其封裝形式與引腳如圖3-12所示。 圖3-12 ADC0832封裝引腳圖 ADC0832引腳說明如下：? 1. CS片選使能，低電平有效 2. CHO模擬輸入通道0，差分輸入時，作為IN+或IN-使用 3. CH1模擬輸入通道1，差分輸入時，作為IN+或IN-使用 4. GND?電源地 5. DI數據信號輸出，選擇通道控制 6. DO數據信號

50、輸出，轉換數據輸出 7. Vcc/Vref電源輸入及參考電壓輸入（復用） 8. CLK芯片時鐘信號 根據官方資料，ADC0832的工作原理如下：當要進行A/D轉換時，須先將CS使能端置于低電平并且保持低電平直到轉換完全結束，此時芯片開始轉換工作，同時由處理器向芯片時鐘輸入端CLK 輸入時鐘脈沖，使用DI端選擇輸入通道。在第1 個時鐘脈沖的下降沿之前DI端必須是高電平，表示起始信號。在第2、3個脈沖下降沿之前DI端應輸入2 位數據用于選擇通道功能，當此2 位數據為“1”、“0”時，只對CH0 進行單通道轉換。當2位數據為“1”、“1”時，只對CH1進行單通道轉換。當2 位數據為“0”、“0

51、”時，將CH0作為正輸入端IN+，CH1作為負輸入端IN-進行輸入。當2 位數據為“0”、“1”時，將CH0作為負輸入端IN-，CH1 作為正輸入端IN+進行輸入。到第3 個脈沖的下沉之后DI端的輸入電平就失去輸入作用，此后開始利用數據輸出端DO進行轉換數據的讀取。從第4個脈沖下降沿開始由DO端輸出轉換數據最高位DATA7，隨后每一個脈沖下降沿DO端輸出下一位數據。直到第11個脈沖時發(fā)出最低位數據DATA0，一個字節(jié)的數據輸出完成。也正是從此位開始輸出下一個相反字節(jié)的數據，即從第11個脈沖的下降沿輸出DATA0，隨后輸出8位數據，到第19 個脈沖時數據輸出完成，也標志著一次A/D轉換的結束。最

52、后將CS置高電平禁用芯片，直接將轉換后的數據進行處理就可以了。 根據芯片引腳以及工作原理，可以設計出ADC0832的應用電路如圖3-13所示。時鐘信號CLK由單片機P2.1口提供，通道選擇與數據輸出端DI和DO連接在一起由單片機的P2.0口控制，CS片選信號端由單片機P2.2口控制，只使用CH1端連接電池的正極，用于電池電壓信號的轉換模擬量輸入，CH0端不用，直接接地，參考輸入電壓接充電板標準供電VCC。 圖3-13 ADC0832的應用電路設計 由此，智能充電器的主要模塊電路就搭建完畢，完整的電路原理圖及PCB板見附錄，接下來就要根據充電器的工作原理，設計相應的充電控制程序，并燒寫

53、到AT89S52單片機中去，實現(xiàn)充電器智能化。 4 系統(tǒng)軟件設計 4.1 充電流程設計 MAX1898作為充電管理芯片，具有自己獨立的一套管理機制，詳細的充電過程如下： 當電池電壓低于2.5V，會以最大充電電流（快速充電電流）Imax的10%進行預充電，最長預充電時間為45min； 當電池電壓大于2.5V，就會以快速充電電流Imax=500mA進行快速充電過程，在此階段，隨著電壓的上升，充電電流也逐漸下降，當電流下降到設定快速充電電流的20%時，則快速充電階段結束，進入恒壓充電，等到設定的充電時間3小時，則停止充電,充電結束。 當電池到達預設的充電時間，而電池電壓還是低于2.5

54、V，此時是充電出錯狀態(tài)，LED以1.5HZ的頻率和50%的占空比閃爍。出錯可能是因為電池的損壞或者，也可能是其他原因導致[10]； 在以上兩個正常充電階段，引腳都會表現(xiàn)出低阻抗狀態(tài)，通過限流電阻和高電平VCC從而驅動紅色LED指示燈點亮，從而指示當前為充電狀態(tài)[11]。當充電完成之后，引腳會表現(xiàn)出高阻態(tài)，從而紅色指示燈熄滅表示充電完成，同時，引腳也會觸發(fā)單片機的外部中斷0，觸發(fā)單片機的定時器T0延時3~5S時間，如果此外部中斷沒有繼續(xù)觸發(fā)，則認為是充電結束，從而控制單片機把EN/OK端置0，使MAX1898停止工作[10]；如果外部中斷繼續(xù)觸發(fā)，（即驅動LED充電指示燈的引腳以1.5Hz頻率

55、發(fā)出脈沖信號觸發(fā)外部中斷0），則認為是充電出錯，單片機控制蜂鳴器報警。整體的充電工作流程圖如圖4-1所示。 圖4-1 MAX1898充電流程圖 4.2 單片機控制設計 單片機在整體設計中參與的主要任務就是： 1. 控制ADC0832模數轉換器測量電池的電壓并進行轉換數據的解算； 2. 把計算好的電壓數值通過LCD1602顯示出來； 3. 接收MAX1898的引腳信號并執(zhí)行相應的中斷程序； 由單片機的3個主要任務決定了本設計需要使用的單片機主要功能有： 1. 外部中斷0； 2. 定時器0； 3. 普通的數學計算、邏輯判斷、以及內存操作； 由此設計單片機的總體工作流程

56、如圖4-2所示。 圖4-2 單片機的總體工作流程 單片機的初始化階段主要涉及的初始化對象為中斷控制字和定時器控制字的設置，主要的工作就是置位總中斷EA、外部中斷EX0和定時器中斷ET0，選擇定時器0的工作方式并設置控制字TMOD，設置定時時間5ms為基本的定時單位，后續(xù)的中斷程序定時都在5ms基礎上完成。采用外部晶振為12MHz，5ms定時的計算如下式所示： 詳細初始化程序見附錄。 單片機對MAX1898的控制主要通過引腳產生的充電狀態(tài)信號來轉入相應的中斷服務程序，中斷服務程序的設計流程如圖4-3所示。圖中，Int0_count表示產生外部中斷0個數的變量，由引腳的在高阻態(tài)（充

57、電結束）時觸發(fā)，即高電平，當此中斷觸發(fā)，中斷服務程序轉入定時器的3秒延時，如果在延時之后又再次觸發(fā)高電平，即Int0_count不等于1，則表示輸出了1.5Hz的脈沖信號，充電出錯；T_count則表示定時器0定時滿產生的定時器0中斷次數，因為主程序設定的5ms的基礎定時單位，故當T_count計滿600次，也就是3秒時，重新檢測Int0_count的值。由于外部中斷0為中斷最高優(yōu)先級，所以此處定時器在計時的時候并不影響信號產生的中斷計數，故此處的雙中斷嵌套設計也是合理的。 圖4-3 中斷服務程序流程圖 單片機對ADC0832的控制操作主要是CS，DIO，CLK這三個引腳，當要進行A/

58、D轉換時，將CS置零直到轉換完全結束，此時芯片開始轉換工作，CLK時鐘信號由單片機P2.1引腳產生，先產生1再產生0，如此成對出現(xiàn)，給ADC0832提供一次脈沖信號，然后根據ADC0832的工作原理，依次產生相應的脈沖，并做相應的操作，直至讀出轉換好的兩個高低位相反的信號為止，在進行數據校驗無誤之后作為操作數送給單片機系統(tǒng)處理。如此，每隔一定時間，單片機就打開ADC0832進行一次電壓測量，并送給LCD1602顯示[12]，具體的處理細節(jié)見附錄源程序。 單片機對LCD1602的控制操作主要是對其寫操作指令，由于液晶顯示模塊是一個慢顯示器件，所以在執(zhí)行每條指令之前一定要確認模塊的忙標志為低電平

59、，否則此指令失效。在初始化之后給LCD1602輸入特定的初始字符供顯示，之后在工作過程中不斷的更新從ADC0832讀到的電壓數據，并將其轉換成字符用LCD1602顯示出來。LCD1602的11條指令見第3章表3-6。詳細的顯示程序見附錄4。 至此，整體的軟件部分設計就完成了，根據預先設計的完整電路原理圖（見附錄1），畫出系統(tǒng)的PCB板（見附錄2），做出實物電路（見附錄3），并通過實際實驗和測試，驗證了設計的有效性。 5 結語 本設計以MAX1898為核心，利用單片機為控制元件實現(xiàn)智能手機電池充電器的設計。通過以上智能充電器的設計，使我進一步熟悉了MAX1898的工作原理和使用方法，更深入

60、的了解了AT89S52的定時/計數器、中斷系統(tǒng)的應用，熟悉了單片機嵌入式控制系統(tǒng)的設計思路。本設計使得課上所學得到充分的應用，加強了自身攝取新知識的能力，也為不斷完善自己奠定了基礎。理論來源于實踐而高于實踐，沒有親力親為是不能領會其魅力的。這次設計進一步提高了自己的動手制作能力，也使得編程能力得到鍛煉，取得不小的收獲，同時也發(fā)現(xiàn)了自身所存在的不足。 在調試智能充電器的過程中，出現(xiàn)的問題和解決方案： (1)方案論證與選定：由于是第一次做這樣的選題，所以存在許多不足之處，先期選題方案論證過于單一，結構不嚴密。通過查閱資料和進行市場調查，最終選定MAX1898作為智能充電芯片。 (2)硬件制作

61、：因為對元器件不太熟悉，對各種類型的元器件接觸較少，沒有實際硬件開發(fā)的經驗，在選擇元器時遇到很多問題，比如不知道電阻選碳膜電阻還是金屬膜電阻，電容不知道用電解電容還是陶瓷電容等這類問題，在請教了老師和查閱了大量的參考論文基礎上才得到一一解決。 在此設計中，需要著重把握以下幾點： 1. 預充、快充、滿充等充電方式的工作原理； 2. MAX1898的充電狀態(tài)指示輸出信號在本設計中的應用； 3. MAX1898外圍電路的設計，其中包括設置充電電流的電阻和充電時間的電容的數值的選取； 4. LCD1602軟件編程的代碼編寫； 5. ADC0832的轉換數據讀取流程設計與實現(xiàn)； 6. 單片

62、機中斷與定時器的應用； 此次設計的有成功也有失敗，失敗之處在于選題之后沒有對系統(tǒng)進行整體評估，對元件的各方面特點，比如封裝、引腳功能更深入的了解，所以在后期過程中會有許多問題出現(xiàn)。方案的選擇與論證也沒有進行系統(tǒng)的辯證，比如：沒有設計溫度保護功能模塊。因為電池過充容易使電池發(fā)熱，嚴重了會引起爆炸，所以設計相應的溫度監(jiān)測功能模塊，當電池溫度過高能夠自動切斷電源，這個功能是有很高需求，而本設計在設計之初沒有考慮，本想作為后續(xù)改進方案來做，由于時間有限，元器件的購買遇到問題導致該方案暫時擱置。另外，對市場信息也不夠了解也是做該設計過程中遇到的很大障礙。 成功之處在于完成了一個之前沒有接觸過的東西，

63、從方案的選定與論證、軟件調試制作、硬件焊接到軟硬件系統(tǒng)聯(lián)調，遇到了許多困難，通過不斷的查閱資料和修改，完成了課題的制作?？偨Y整個過程充滿艱辛和痛苦，但還是挺過來了，收獲的是喜悅，是知識。 對于本次設計制作，還有很多可以提高的地方，比如：可以設計相關的溫度控制保護功能模塊；可以設計相應的降壓電路，使該充電器可以直接插220V交流電；可以使用SMC401代替MAX1898，因為SMC401的功能更加強大，一般用于筆記本電池充電控制芯片，單從經濟性來看MAX1898更加符合大眾消費。 參考文獻 [1] 周志敏，周紀海，紀愛華. 便攜式電子設備充電器實用電路與電源管理[M]. 北京：

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