基于单片机的多功能智能充电器

王宇轩 高凤阳 王庆华 杨帆 柳振宝 颜雪岭 封良舟

摘 要：本作品是以CN305A作为充电控制芯片，使用AT89S52单片机芯片进行控制的智能充电器，理想地解决锂离子电池和镍镉电池的充电问题。本文介绍了智能充电器的工作原理、设计特点，充分讨论了该充电器的硬件结构及软件实现方案与它优异的抗干扰能力。

关键词：充电控制技术;智能化;电池检测

二次电池具有广阔的经济价值、容量大、供电稳定、循环性能好等特点，广泛应用于飞机、汽车和各种通信设备以及充当发电机组的电源，也是各类需要持续供电的电子检测仪器仪表和电气设备不可缺少的组成部分。

本设计选取行业内公认较好的-△U控制方式，能对镍镉电池和锂离子电池进行平滑充电，通过微控制器对充电控制芯片的管控，使二次电池实现充电过程以及断电的智能化管理，精确监控并捕捉充电完成后产生的电压信号迅速自动切断供电、充电过程中温度超出设定值系统开启报警、LCD液晶显示过程信息等功能。智能化的充电器能够检测充电电压变化、收缩充电过程，延长二次电池的工作寿命，具有重要意义。

1 智能充电器的结构性能

本设计基于AT89S52微控制器，包含开关电源电路、温度监测电路、恒流恒压电路、液晶显示电路、光耦隔离电路。

1.1 单片机部分原理图设计

充电器核心采用AT89S52充当控制核心，根据中断端口INTO接收到的充电状态特性选择不同充电模式，传递信号控制光耦芯片LP632，全程启动或切断供，单片机通过P2.1端口控制蜂鸣器发出报警提示声。

1.2 电源电路设计

电源是各种电子设备不可或缺的组成部分，目前常用的直流稳压电源分线性电源和开关电源两大类，开关电源从出现到现在能够迅速占领市场得益于它优异的性能。开关电源内部元器件不停地切换工作状态，内部元器件消耗微乎其微的能量，从而开关电源效率可达80%以上，远远超过普通线性电源的工作效率。因此本设计选用开关电源作为核心，然则开关电源无法忽略其电磁干扰、输出波纹大、发热厉害等问题，设计电路时采用屏蔽、接地等措施抑制电磁干扰，采用温度传感器LM35监控电池温度，较好的解决了充电问题。

1.3 充电电路的设计

恒流恒压电路是智能充电器的核心组成部分。图1是其电路原理图。传统的锂离子电池充电器都以先恒流，后恒压方式充电，由于锂电完全放电后只可以较小的电流充电，所以充电器需先检测电池电压，若偏低则需以较大的电流充电，当电流回升至一定水平后才以正常电流充电。当以恒流充电时，电池电压会随之上升，直到电压达至4.2V时，充电器需转以恒电压方式充电，因为电压高过4.2V的话就会导致电池损坏。

基本采用恒流方式充电对镍镉电池、镍氢电池进行充电，因为这种充电方式相对容易检测电池的充电状态，特别是检测电池是否充满。检测充满的方法有很多种，包括-ΔV、ΔT等。市场上的镍氢电池充电器也有采用脉冲方式冲电。由于大部份的镍镉、镍氢电池的外观尺寸都是AA或AAA等，与碱性电池多是相同，所以使用者有可能误把不可以充电的碱性电池放进充电器充电，这就会造成充电电池的损坏，本设计设有识别程序，能以电子方式分辨出电池是碱性电池或是镍镉、镍氢电池，迅速准确的计算出相对应的充电方式并应用。承诺在最短的时间内充电50%，（超过50%的电量后充电速度在减缓，以防止电池承受过大的压力）。

1.4 LM35温检及控制电路

所有电池的充放电都会产生内热，而产生的热量与所涉及的电流大致成正比（电池的充电电流状态、状态/历史等也是因素）。因为锂离子电池充电速度更快，在使用中产生更高的电流输出。因此终端需要检测电压和温度，以防止充电过度（或可能过热或着火，有些电池甚至会爆炸）。可以充分利用温度变化率随充电过程而变化的特性，迅速准确地检测电池的温度。本设计选用集成电路温度传感器LM35检测电池温度，有一个冷却风扇，以帮助将电池的温度保持在安全水平。

2 智能充电器的充电模式分析

2.1 快速充电模式

为了加快充电时间，提供连续充电，智能充电器尝试检测电池的充电状态和状态，采用三级充电方案。第一个阶段称为“体吸收”;充电电流将保持高和恒定，并受到充电器容量的限制。当电池上的电压达到它的设定电压，充电器切换到第二阶段，电压保持不变。当电流小于0.005C时，充电器进入第三阶段，充电器输出保持在每个电池2.25V不变。在第三阶段，充电电流非常小，0.005C，在这个电压下，电池可以保持完全充电，并补偿自放电。

2.3 涓流充电模式

快速充电结束后，系统自动转入涓流充电模式，涓流充电器提供相对少量的电流，仅足以抵消长时间闲置的电池的自放电。有些电池类型不能容忍任何类型的涓流充电，试图这样做可能会导致损坏。锂离子电池使用化学系统，不允许无限涓流充电，本设计可以使电流只足够提供维持电池满状态，通常是大多数电池充电器的最后一个充电阶段。进入涓流充电模式，它可以无限期地与电池连接。可以与电池保持连接而不会造成电池损坏。

3 测试

使用智能充电器对不同类型的二次电池进行充电实验测试得到的测试曲线如图2所示。

4 结论

单片机在蓄电池充电器领域有着比较广泛的应用，利用它的可编程及处理控制能力可以实现充电器的智能化设计。经过实际电路的实验测试，在各个单元电路的配合下，可实现高系统精度，保证锂离子电池充电电压的精度达到1%，镍镉电池的精度达到2%。

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指导老师：高飞燕，副教授。