基于51单片机的智能充电器的设计

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1、摘要在我们的日常生活中,手机已经变得越来越重要了。我们经常需要使用手机，打电话、发短信、上网、看电影、听歌、玩游戏等等。随着大屏幕和高主频的手机出现，锂离子电池就变得更加重要了，其锂离子电池充电器也受到广大消费者的重视。该课题主要是设计一种基于单片机的锂离子电池充电器，在设计上，通过AT89S52和MAX1898可以控制实现预充，快速充电，及恒压充电。该设计可以通过LCD1602监控充电过程中的各个状态，实现电路简单，成本较低，而且充电效果很好，包括安全性高，耗时短，对电池损坏小，满足一般用户的要求。本文还对充电器的核心器件MAX1898充电芯片、AT89S52单片机以及LCD1602进行了较

2、详细的介绍。该智能充电器具有检测锂离子电池的状态；自动切换充电模式以满足电池的充电需要；充电电压显示的功能。实现定时切断MAX1898的电源，减少能耗，同时也延长了它的使用寿命。关键词：锂电池，充电器，单片机，AT89S52， MAX1898，LCD1602AbstractInour daily lives, mobile phones havebecome increasingly important. We often need touse the phone, making phone calls, text messaging, Internet, watching movies, l

3、istening to music, play gamesand 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 charger which is designed

4、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 safe, short time consumin

5、g, 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 automatically to meet the requ

6、irement 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目录引言11绪论21.1智能充电器概念以及智能化体现21.2充电器智能化需求21.3智能充电过程32锂离子电池的介绍32.1锂金属电池

7、与锂离子电池42.2锂离子电池工作原理52.3锂离子电池使用注意事项63硬件电路设计63.1设计思路概述 63.2充电管理芯片MAX1898简介73.3 MAX1898应用电路设计113.4 AT89S52单片机简介123.5 LCD1602简介173.6 ADC0832模数转换芯片简介224系统软件设计244.1充电流程设计244.2单片机控制设计255结语28参考文献29致谢30附录1：完整电路原理图31附录2：电路PCB板设计图32附录3：实物照片33附录4：源程序3438引言随着半导体元件、大规模集成电路的飞速发展及人们生活水平的不断提高,各种便携式收录机、电动剃须刀、笔记本电脑、摄像

8、机、电子计算器、移动电话等电器广泛应用，这就使各种干电池的需求量迅速增加。电池是通过能量转化获取电能的原件，电池又分为一次电池和可充电电池，一次性电池只能一次使用，而废旧的一次电池容易造成环境污染。可充电电池可以反复使用，且可充电电池有较高的性价比，放电电流大，寿命长等特点，生产生活中可充电电池应用比较广泛，各种仪器仪表，电气测量装置，通信设备中都有使用可充电电池，但随着社会的发展，人们对电池更讲究方便携带，污染小，性能优良等。综合所有因素，可充电电池比一次电池更能受大众青睐，所以可充电电池拥有广大的市场前景。同时，智能充电器应运而生。锂电池是可充电电池的一种，锂电池自从上市以来，以其效率高，

9、寿命长的优势占领市场。而各大生产厂商，为了迎合市场需求，致力于开发能量密度高、小型化、薄型化、轻量化、安全性高、循环寿命长的高性能锂离子电池。随着时代的发展手机、电脑、家用电器等离不开充电器，而单片机参与处理和控制的充电器被称为智能充电器。锂离子电池有较高的比能量，放电曲线平稳，自放电率低，循环寿命长，具有良好的充放电性能，可随充随放、快充深放，无记忆效应，不含镉、铅、汞等有害物质，对环境无污染，被称为绿色电池。基于这些特性，所以锂电池得到了迅速的发展和广泛的应用。锂电池充电器是为锂离子充电电池补充能源的静止变流装置，其性能的优劣直接关系到整个用电系统的安全性和可靠性指标。本论文从锂电池技术特

10、性、充电技术、充电器电路结构、充电器典型电路和电池保护等方面，多角度地阐述了充电技术发展和应用。1 绪论1.1 智能充电器的概念以及智能化的体现智能充电是采用高频电源技术，运用先进的智能动态调整充电技术。它采用恒流/恒压/小恒流智能三个阶段充电方式，具有充电效率高，操作简单，重量轻，体积小等特点。 智能充电器具有反接、过载、短路、过热等多重保护功能及延时启动，软启动、断电记忆自启动功能等。具有科学的充电电量控制技术，全自动充电机能在蓄电池充足后自动关机，确保蓄电池充足，不过充、不欠充，延长蓄电池使用寿命，全自动充电机可适用的电池类型：镍铬、镍氢、铅酸、锂离子电池等。1.2 充电器的智能化需求充

11、电器实现的方式不同会导致充电效果的不同。由于充电器多采用大电流的快速充电法，在电池充满后，如果不及时停止会使电池发烫，过度的充电会严重损害电池的寿命。一些低成本的充电器采用电压比较法，为了防止过充，一般充电到90%就停止大电流快充，而采用小电流涓流补充充电。手机电池的使用寿命和单次使用时间与充电过程密切相关。锂电池是手机最为常用的一种电池，它具有较高的能量重量比、能量体积比、具有记忆效应，可重复充电多次，使用寿命较长，价格也越来越低。锂电池对于充电器的要求比较苛刻，需要保护电路。为了有效利用电池容量，需将锂电池充电至最大电压，但是过压充电会造成电池损坏，这就要求较高的控制精度。另外，对于电压过

12、低的电池需要进行预充，充电器最好带有热保护和时间保护，为电池提供附加保护。一部好的充电器不但能在短时间内将电量充足，而且还可以对电池起到一定的维护作用，修复由于使用不当造成的记忆效应，即容量下降（电池活性衰退）现象。设计比较科学的充电器往往采用专用充电控制芯片配合单片机控制的方法。专用的充电芯片具备业界公认较好的V 检测，可以检测出电池充电饱和时发出的电压变化信号，比较精确地结束充电工作，通过单片机对这些芯片的控制，可以实现充电过程的智能化，例如，在充电后增加及时关断电源、蜂鸣报警和液晶显示等功能。充电器的智能化可以缩短充电的时间，同时能够维护电池，延长电池使用寿命1。1.3 智能充电过程（1

13、）预充电如果充电开始时，单节电池电压低于2.5v，则用涓流充电方式对电池进行预充电，直到电池电压升至2.5V，在此期间，充电器给电池充电电流是标注电流的十分之一。其目的是让电池电压、温度恢复到正常状态。预充电时间由外接电容确定，若在规定时间内电池电压、温度都恢复正常，就可以进行快速充电；若电池没有恢复正常状态，认为电池故障。（2）恒流充电充电器以恒定电流进行充电的过程叫做恒流充电，又叫快速充电。不同电池，充电速率会有差异，依据电池标注的充电速率进行充电，在充电过程中，电池电压、温度会上升，当达到设定的标准电压时，恒流充电过程结束，充电电流减小。进入下一段充电过程。（3）恒压充电充电时蓄电池两极

14、间的电压维持在恒定的数值，这种充电方式叫做恒压充电，它是一种广泛采用的充电方法。恒压充电又叫满充，恒压充电阶段，电流逐渐减小，直到降到标准值以下，之后进入涓流充电过程，充电器以极小的充电电流进行，因为充电器电压检测电池电压是否达到终止电压时，充电电流经过电池内阻，串联的电阻会形成压降，将影响电压检测，恒压充电和涓流充电可以延长使用时间。（4）断电当检测到电池的电压达到预定值时，认为电池已经充满。此时，充电管理单元会控制充电单元停止给电池继续充电，保证芯片和电池的安全，并且减小了充电功耗。（5）报警电池充满电后，充电管理芯片向外接的LED灯发出指令，LED灯将会闪烁，为保证安全，也同时会自动切断

15、充电芯片的供电，控制蜂鸣器报警，提醒用户取出电池。22 锂离子电池的介绍电池是一种化学电源，可以通过能量转换获得电能。二次电池3是可多次反复使用的电池，它又称为可充电池、蓄电池。当对二次电池充电时，电能转变为化学能，实现向负荷供电，伴随吸热过程。对于二次电池，其性能参数主要有以下4个指标： 1. 工作电压：电池放电曲线上的平台电压2. 电池容量：常用单位为安时(Ah)和毫安时(mAh)3. 工作温区：电池正常放电的温度范围4. 电池正常工作时的充、放电次数二次电池的性能可由电池特性曲线表示，这些特性曲线包括充电曲线、放电曲线、充放电循环曲线、温度曲线等。二次电池能够反复使用，符合经济使用原则。

16、对于市场上二次电池的种类，大致分为：铅酸(LA)电池、镍镉(NiCd)电池、镍氢(NiMH)电池和锂离子(Liion)电池。它们的主要区别见表2-1。表2-1 各种类电池之间的区别电池类型酸性电池镍镉电池镍氢电池液态锂电池聚合物锂电池安全性好好好好优工作电压/V21.21.23.73.7重量比能量/(Wh/kg)35415080120160140180体积比能量/(Wh/L)80120100200200280320循环寿命300300500500500工作温度/206020602060060060记忆效应无有无无无毒性有毒有毒轻毒轻毒无毒形状固定固定固定固定任意形状自放电01030552.1

17、锂金属电池与锂离子电池锂电池大致可分为两类：锂金属电池和锂离子电池；锂金属电池是一类由锂金属或锂合金为负极材料、使用非水电解质溶液的电池。锂离子电池一般是使用锂合金金属氧化物为正极材料、石墨为负极材料、使用非水电解质的电池。锂离子电池不含有金属态的锂，并且是可以充电的。锂离子电池是一种智能电池，它可以与专用原装智能充电器配合，达到最短的充电时间、最大的寿命周期、最大的容量。锂离子电池是目前性能最好的电池，与同样大小的镍镉电池、镍氢电池相比，锂离子电池拥有：电量储备大、重量轻、寿命长、充电时间短、无记忆效应的特点。2.2 锂离子电池工作原理锂离子电池是指以锂离子嵌入化合物为正极材料电池的总称。锂

18、离子电池以碳素材料做为负极，以含锂的化合物作为正极，没有金属锂存在，只有锂离子，这就是锂离子电池。锂离子电池的充放电过程，就是锂离子的嵌入和脱嵌过程。在锂离子的嵌入和脱嵌过程中，同时伴随着与锂离子等量电子的嵌入和脱嵌（习惯上正极用嵌入或脱嵌表示，而负极用插入或脱插表示）。在充放电过程中，锂离子在正、负极之间往返嵌入、脱嵌和插入、脱插，被形象地称为“摇椅电池”,其工作示意图如图2-1所示。图2-1 锂离子电池工作示意图当对锂离子电池进行充电时，锂离子电池的正极上有锂离子生成，生成的锂离子经过电解液运动到负极，作为负极的碳呈现层状结构，它有很多微孔，达到负极的锂离子就嵌入到碳层的微孔中，嵌入的锂离

19、子越多，充电容量就越高。当对电池进行放电时（我们使用电池的过程），嵌在负极碳层中的锂离子脱出，又运动回正极。回正极的锂离子越多，放电容量越高。一般锂电池充电电流越大，充电越快，同时电池发热也越大。过大的电流充电，容量不够满，因为电池内部的电化学反应需要时间。2.3锂离子电池使用注意事项1. 放电电流不能过大，过大的电流导致电池内部发热，有可能会造成永久性的损害。2. 绝对不能过放电，锂电池内部存储电能是靠电化学一种可逆的化学变化实现的，过度的放电会导致这种化学变化有不可逆的反应发生，一旦放电电压低于2.7V，将可能导致电池报废。3. 充电时不能高于最大充电电压。4. 锂离子电池过充时，会导致电

20、池性能受到破坏，甚至爆炸。5. 高温环境下，锂离子电池容易缩短寿命，或者引发爆炸。6. 长期不用的锂离子电池需要保持40%60%电量，否则，电量过低时将会因为自放电导致过放。3 硬件电路设计3.1 设计思路概述要实现智能化充电器，需要从以下两方面着手：1. 充电过程的实现充电过程主要考虑到锂离子电池的充电特点，有针对性的选择相应的充电方案。另外，由于大规模集成电路的高速发展，很多芯片厂商把实现固定功能的电路做成集成IC，更加方便电路功能的实现和搭建。目前市场上常见的智能充电芯片主要包括：MAX1898、MAX1758、SMC4014。本设计采用MAX1898充电芯片来进行相关电路的设计。2.

21、智能化的实现为实现充电的智能化，在充电过程中引入51单片机的控制，配合ADC0832模数转换芯片，不断的检测电池电压并反馈给51单片机，判断电池此时需要的充电模式，从而实现智能化控制。此外，为方便观察整个过程，运用LCD1602显示充电过程中的电池电压和充电电流，能更加生动的看到整个充电过程。在本设计中，整体思路是通过MAX1898给锂电池充电，以AT89S52单片机作为充电过程的智能控制中心，以ADC0832模数转换器作为MAX1898和AT89S52的数据传送桥梁，不断的检测电池的电压，由单片机判断此时应有的充电状态，从而控制充电状态指示灯的点亮与熄灭，并将状态监测结果输出给LCD1602

22、显示以供观察，当充电出现错误，则会使指示灯闪烁，并驱动蜂鸣器报警。3.2 充电管理芯片MAX1898简介MAX1898的内部电路包括输入电流调节器、电压检测器、充电电流检测器、定时器、温度检测器和主控器。输入电流调节器用于限制总输入电流，包括系统负载电流与充电电流，但检测到输入电路大于设定的门限电流时，通过降低充电电流从而控制输入电流，MAX1898外接限流型充电电源和PNP功率三级管，可对单节锂电进行有效的快充，它通过外接电容设定充电时间，通过外接电阻设置最大充电电流，可精确地恒流/恒压充电，电池电压精度可达0.75%5。MAX1898的封装样式如图3-1所示，各个引脚功能如表3-1所示。图

23、3-1 MAX1898的引脚表3-1 MAX1898引脚功能表引脚号引脚名功能1IN电压输入端2漏极开路LED驱动。1.没有电池，LED灭。2.预充电，LED亮。3.快速充电，LED亮。4.充电完成，LED灭。5.电池电压小于2.5V，但预充电时间结束，LED 1.5HZ闪烁。3EN/OK1.输入：高电平使能IC。2.输出：高电平表示输入电压接入正确4ISET1.与电池充电电流成比例的模拟输出,。 2.通过设定ISET与GND之间的电阻可改变充电电流。5CT安全充电时间控制口，电容10uF时，充电时间为3小时。6RSTRT自动重启控制，如果电池降低电池规定的电压下0.2V，一个新的充电周期又开

24、始。接地后自动重启功能有效，充电完成时漏极电流为40uA。如果悬空，充电时间耗尽，只能通过EN/OK来触发重启，充电完成时漏极电流为4uA。7BATT电池输入端。8GND接地9DRV外部晶体管驱动，该脚接外部PMOS/PNP的栅极/基极。10CS充电电流输入端，接PMOS/PNP的源极/集电极。MAX1898开始快充的条件如下，满足任何一个条件即可：1. 外部电源连接上，电池电压大于2.5V。2. 电池电压下降到重启电压，4.0V(MAX1898EUB42)或3.9V(MAX1898EUB41)。3. EN/OK先置低后置高，IC复位。4. 预充电结束，电池电压达到2.5V。快充电流设定：MA

25、X1898充电电流通过线性控制外部晶体管PMOS或PNP，最大的充电电流通过连接ISET与GND的外部电阻来设定，最大充电电流Imax和限流电阻Rset的关系式满足：式中：Rset 单位为，Imax单位为A，一般情况下锂电池的充电电流都为500mA，故限流电阻值取。ISET可用来实时检测实际的充电电流。ISET端有1mA输出的电流就表明充电电流为1A，ISET端的输出电压正比于充电电流，满足关系式：在快速充电阶段通常ISET端的电压为1.4V，电池充满时将随着充电电流下降。充电过程中电压、电流、功耗变化趋势图如下图3-2所示6。图3-2 电压、电流、功耗变化趋势图充电过程监测：是一个漏极开路输

26、出，可以监视电池的充电状态。有5mA的限定电流，LED可以与固定阻值的电阻连接在5伏VCC与之间作为充电状态标志。另外，可以输出逻辑电平，表3-2为的状态与各充电状态的对应关系。表3.2 的状态与各充电状态的对应关系条件没有电池接入或没有充电输入高阻抗（LED灭）预充电阶段电池电压小于2.5V，充电电流为Imax的10%低阻抗（LED亮）快速充电阶段，电池电压大于2.5V低阻抗（LED亮）充电完成，充电电流下降到快速充电电流的20%或者到达预定快充时间高阻抗（LED灭）充电错误，充电电压小于2.5V而且预充电结束（）LED1.5HZ、50%闪烁最大充电时间设定：最大充电时间可以通过外部电容设置

27、，电容接在CT与GND之间，定时电容和充电时间Tchg的关系式满足：式中：Tchg 单位为小时，CT单位为nF，一般情况下快充时间不超过3小时，因此CT一般为100nF。最大充电时间就是安全定时，通常不是充电控制循环中的一部分。以1C的充电速率对锂离子电池充电，通常充电时间将近1.5小时，但是根据温度的变化和电池类型的不同充电时间变化很大。在大多数场合，用1C速率快速充电推荐3小时作为最大充电时间，以使正常充电不会被充电定时器中断。要详细咨询电池厂商推荐的定时设定。CT接GND，充电安全定时功能关闭，同样重启功能和预充电错误提示功能也关闭。充电过程自动重启：当电池电压降到预定水平下时，MAX1

28、898就自动重启开始充电。大多数定时充电器，一旦充电时间结束，就不能对随后的电池充电，充电将不能重新开始，除非充电器被外部信号触发。当有充电电源、电池电压下降时MAX1898自动重启充电，重启功能配置如下：悬空RSTRT引脚，则重启功能关闭。一旦充电完成，充电定时结束，充电只能通过在IN重新输入电源或触发EN/OK。RSTRT接地则可以打开自动重启功能，当电池达到重启阈值（MAX1898EUB42为4V,MAX1898EUB41为3.9V）时，MAX1898将重启充电。也可以通过在RSTRT与GND之间连接电阻可以降低重启阈值电压。对于MAX1898EUB42有如下公式：对于MAX1898EU

29、B41则有如下公式：在本设计中，采用默认的重启电压阈值，故直接把RSTRT和GND相连。3.3 MAX1898应用电路设计图3-3 智能充电器的输入电源接口MAX1898输入电压范围为4.5V12V。锂电池要求充电方式是恒流恒压方式，电源的输入需要采用恒流恒压源，一般采用直流电源外加变压器。本设计中为简化设计方案，没有设计降压和稳压电路，输入采用USB标准电压作为外接电源输入，可以接到电脑上或者普通手机充电器上，通过导线接到J1口上，如图3-3所示。图3-4 MAX1898应用电路设计原理图如图3-4所示，红色LED灯接入IN和之间作为充电状态指示器。在外部PNP晶体管集电极和BATT正极之间

30、接一个肖特基二极管，来避免输入电源短路时电池放电。本系统设计为充电时间3小时，最大充电电流500mA，采用自动重启模式，所以CT外接0.1uF电容，ISET外接2.8K电阻，RSTRT直接接地。充电端通过外接的PNP三极管提供锂电池的充电接口，充电输出可以通过USB接口J3，也可以通过普通针式插接座引到万能充电器的两个触角上使用。3.4 AT89S52单片机简介AT89S52 是一种低功耗、高性能CMOS 8位微控制器，具有8K 在系统可编程Flash存储器。使用Atmel 公司高密度非易失性存储器技术制造，与工业80C51 产品指令和引脚完全兼容。在单芯片上，拥有灵巧的8 位CPU 和在系统

31、可编程Flash，使得AT89S52为众多嵌入式控制应用系统提供高灵活、超有效的解决方案。如图3-5所示，是AT89S52的一种双列直插式封装形式，本设计中也采用这一款单片机作为控制芯片。图3-5 AT89S52 24PU1018AAT89S52具有以下标准功能：1、与MCS-51单片机产品兼容；2、8K字节在系统可编程Flash存储器，程序存储器经三级加密；3、1000次擦写周期；4、可降至0Hz 静态逻辑操作，工作频率0Hz33MHz；5、32个可编程I/O口线，8个中断源，三个16位定时器/计数器，双数据指针；6、全双工UART串行通道；7、支持2种软件可选择节电模式：空闲模式下，CPU

32、 停止工作，允许RAM、定时器/计数器、串口、中断继续工作；掉电保护方式下，RAM内容被保存，振荡器被冻结，单片机一切工作停止，直到下一个中断或硬件复位为止，并有掉电标识符功能；AT89S52 DIP封装的引脚如图3-6所示。图3-6 DIP形式封装的AT89S52AT89S52共有40个引脚，其中有32个可编程的I/O引脚7，分成4个8位I/O口，分别为P0口，P1口，P2口，P3口，此外，还有RST，ALE，PSEN，EA，XTAL1和XTAL2这些功能引脚，以下将对各个引脚做一一介绍。P0 口P0口是一组8 位漏极开路型双向I/O 口， 也即地址/数据总线复用口。作为输出口用时，每位能以

33、吸收电流的方式驱动8个TTL逻辑门电路，对端口P0 写“1”时，可作为高阻抗输入端用。在访问外部数据存储器或程序存储器时，这组口线分时转换地址（低8 位）和数据总线复用，在访问期间激活内部上拉电阻。在Flash编程时，P0 口接收指令字节，而在程序校验时，输出指令字节，校验时，要求外接上拉电阻。P1口P1口是一个带内部上拉电阻的8 位双向I/O 口， P1 的输出缓冲级可驱动（吸收或输出电流）4 个TTL 逻辑门电路。对端口写“1”，通过内部的上拉电阻把端口拉到高电平，此时可作输入口。作输入口使用时，因为内部存在上拉电阻，某个引脚被外部信号拉低时会输出一个电流(IIL)。与AT89C51 不同

34、之处是，P1.0、P1.1、P1.5、P1.6、P1.7都具备第二功能，详情参见表3.3。Flash 编程和程序校验期间，P1 接收低8 位地址。表3.3 P1口部分引脚的第二功能引脚号功能特性P1.0T2（定时器/计数器T2的外部计数输入，或者时钟输出）P1.1T2EX（定时器/计数器T2的捕捉/重载触发信号和方向控制）P1.5MOSI（在系统编程用）P1.6MISO（在系统编程用）P1.7SCK（在系统编程用）P2口P2 是一个带有内部上拉电阻的8 位双向I/O 口，P2 的输出缓冲级可驱动（吸收或输出电流）4 个TTL 逻辑门电路。对端口P2 写“1”，通过内部的上拉电阻把端口拉到高电平

35、，此时可作输入口，作输入口使用时，因为内部存在上拉电阻，某个引脚被外部信号拉低时会输出一个电流(IIL)。在访问外部程序存储器或16 位地数据存储器（例如执行MOVX DPTR 指令）时，P2 口送出高8 位地址数据。在访问8 位地址的外部数据存储器（如执行MOVXRI 指令）时，P2 口输出P2锁存器的内容。Flash编程或校验时，P2亦接收高位地址和一些控制信号。P3口P3 口是一组带有内部上拉电阻的8 位双向I/O 口。P3 口输出缓冲级可驱动（吸收或输出电流）4 个TTL 逻辑门电路。对P3 口写入“1”时，它们被内部上拉电阻拉高并可作为输入端口。此时，被外部拉低的P3 口将用上拉电阻

36、输出电流（IIL）。P3 口除了作为一般的I/O 口线外，更重要的用途是它的第二功能，详情见表3-4。P3口还接收一些用于Flash闪速存储器编程和程序校验的控制信号。表3-4 P3口引脚第二功能引脚号功能特性P3.0RXD(串行输入口)P3.1TXD(串行输出口)P3.2INTO(外部中断0)P3.3INT1(外部中断1)P3.4T0(定时/计数器0)P3.5T1(定时/计数器1)P3.6WR(外部数据存储器写选通)P3.7RD(外部数据存储器读选通)RSTRST代表复位输入。当振荡器工作时，RST引脚出现两个机器周期以上高电平将使单片机复位。复位电路如图3-7所示。图3-7 单片机的外部复

37、位电路ALE/PROG当访问外部程序存储器或数据存储器时，ALE（地址锁存允许）输出脉冲用于锁存地址的低8 位字节。一般情况下，ALE 仍以时钟振荡频率的1/6 输出固定的脉冲信号，因此它可对外输出时钟或用于定时目的。要注意的是：每当访问外部数据存储器时将跳过一个ALE 脉冲。对Flash存储器编程期间，该引脚还用于输入编程脉冲（PROG）。如有必要，可通过对特殊功能寄存器（SFR）区中的8EH 单元的D0 位置位，可禁止ALE 操作。该位置位后，只有一条MOVX 和MOVC指令才能将ALE 激活。此外，该引脚会被微弱拉高，单片机执行外部程序时，应设置ALE 禁止位无效。PSEN程序储存允许（

38、PSEN）输出是外部程序存储器的读选通信号，当AT89S52 由外部程序存储器取指令（或数据）时，每个机器周期两次PSEN 有效，即输出两个脉冲。在此期间，当访问外部数据存储器，将跳过两次PSEN信号。EA/APP外部访问允许。欲使CPU 仅访问外部程序存储器（地址为0000HFFFFH），EA 端必须保持低电平（接地）。需注意的是：如果加密位LB1 被编程，复位时内部会锁存EA端状态。若EA端为高电平（接VCC端），CPU 则执行内部程序存储器中的指令。Flash存储器编程时，该引脚需加上+12V 的编程电压Vpp。XTAL1振荡器反相放大器及内部时钟发生器的输入端。XTAL2振荡器反相放大

39、器的输出端。振荡器电路如图3-8所示，本设计中，晶振的频率为12MHz。图3-8 振荡器电路3.5 LCD1602简介字符型液晶模块是单片机应用设计中最常用的信息显示器件，1602型LCD（如图3-9）显示模块具有体积小，功耗低，显示内容丰富等特点。1602型LCD可以显示2行16个字符，有8位数据总线D0D7和RS，R/W，EN三个控制端口，工作电压为5V，并且具有字符对比度调节和背光功能，基控制器大部分为HD44780。图3-9 LCD1602型液晶字符显示器1602LCD主要技术参数：1. 显示容量:162个字符2. 芯片工作电压:4.55.5V3. 工作电流:2.0mA(5.0V)4.

40、 模块最佳工作电压:5.0V5. 字符尺寸:2.954.35(WH)mmLCD1602(带背光)采用标准的16脚接口，各引脚接口说明如表3-5所示。表3-5 LCD1602引脚接口说明编号符号引脚说明编号符号引脚说明1VSS电源地9D2数据2VDD电源正极10D3数据3VL液晶显示偏压11D4数据4RS数据/命令选择12D5数据5R/W读/写选择13D6数据6E使能信号14D7数据7D0数据15BLA背光源正极8D1数据16BLK背光源负极其中：第3脚VL为液晶显示器对比度调整端，接正电源时对比度最弱，接地时对比度最高，对比度过高时会产生“鬼影”，使用时可以通过一个10K的电位器调整对比度；第

41、4脚RS为寄存器选择，高电平时选择数据寄存器，低电平时选择指令寄存器；第5脚R/W为读写信号线，高电平时进行读操作，低电平时进行写操作。当RS和R/W共同为低电平时可以写入指令或者显示地址，当RS为低电平R/W为高电平时可以读忙信号，当RS为高电平R/W为低电平时可以写入数据；第6脚E端为使能端，当E端由高电平跳变成低电平时，液晶模块执行命令。具体的11条控制指令如表3-6所示。表3-6 LCD1602指令表序号指令RSR/WD7D6D5D4D3D2D1D01清显示00000000012光标返回000000001*3置输入模式00000001I/DS4显示开/关控制0000001DCB5光标或

42、字符移位000001S/CR/L*6置功能00001DLNF*7置字符发生存贮器地址0001字符发生存贮器地址8置数据存贮器地址001显示数据存贮器地址9读忙标志或地址01BF计数器地址10写数到CGRAM或DDRAM）10要写的数据内容11从CGRAM或DDRAM读数11读出的数据内容其中部分指令的相关说明如下： 指令3：光标和显示模式设置 I/D：光标移动方向，高电平右移，低电平左移 S:屏幕上所有文字是否左移或者右移。高电平表示有效，低电平则无效； 指令4：显示开关控制。 D：控制整体显示的开与关，高电平表示开显示，低电平表示关显示 C：控制光标的开与关，高电平表示有光标，低电平表示无光

43、标 B：控制光标是否闪烁，高电平闪烁，低电平不闪烁。 指令5：光标或显示移位 S/C：高电平时移动显示的文字，低电平时移动光标。 指令6：功能设置命令 DL：高电平时为4位总线，低电平时为8位总线 N：低电平时为单行显示，高电平时双行显示 F: 低电平时显示5x7的点阵字符，高电平时显示5x10的点阵字符。 指令9：读忙信号和光标地址 BF：为忙标志位，高电平表示忙，此时模块不能接收命令或者数据，如果为低电平表示不忙。液晶显示模块是一个慢显示器件，所以在执行每条指令之前一定要确认模块的忙标志为低电平，表示不忙，否则此指令失效。要显示字符时要先输入显示字符地址，也就是告诉模块在哪里显示字符，图3

44、-10是1602的内部显示地址。图3-10 1602LCD内部显示地址在对液晶模块的初始化中要先设置其显示模式，在液晶模块显示字符时光标是自动右移的，无需人工干预。1602液晶模块内部的字符发生存储器（CGROM）已经存储了160个不同的点阵字符图形，如图3-11所示。图3-11 1602字符映射表由以上所有信息，可以设计出LCD1602的应用电路，如图3-12所示，并配合单片机进行相关的软件开发。图3-12 LCD1602应用电路设计3.6 ADC0832模数转换芯片简介ADC0832为8位分辨率双通道A/D转换芯片，其最高分辨可达256级，可以适应一般的模拟量转换要求。其内部电源输入与参考

45、电压的复用，使得芯片的模拟电压输入在05V之间，输入输出电平与TTL/CMOS相兼容，芯片转换时间仅为32S，拥有双数据输出可作为数据校验，以减少数据误差，转换速度快且稳定性能强。独立的芯片使能输入，使多器件挂接和处理器控制变的更加方便8。其封装形式与引脚如图3-12所示。图3-12 ADC0832封装引脚图ADC0832引脚说明如下：1. CS片选使能，低电平有效2. CHO模拟输入通道0，差分输入时，作为IN+或IN-使用3. CH1模拟输入通道1，差分输入时，作为IN+或IN-使用4. GND电源地5. DI数据信号输出，选择通道控制6. DO数据信号输出，转换数据输出7. Vcc/Vr

46、ef电源输入及参考电压输入（复用）8. CLK芯片时钟信号根据官方资料，ADC0832的工作原理如下：当要进行A/D转换时，须先将CS使能端置于低电平并且保持低电平直到转换完全结束，此时芯片开始转换工作，同时由处理器向芯片时钟输入端CLK 输入时钟脉冲，使用DI端选择输入通道。在第1 个时钟脉冲的下降沿之前DI端必须是高电平，表示起始信号。在第2、3个脉冲下降沿之前DI端应输入2 位数据用于选择通道功能，当此2 位数据为“1”、“0”时，只对CH0 进行单通道转换。当2位数据为“1”、“1”时，只对CH1进行单通道转换。当2 位数据为“0”、“0”时，将CH0作为正输入端IN+，CH1作为负输

47、入端IN-进行输入。当2 位数据为“0”、“1”时，将CH0作为负输入端IN-，CH1 作为正输入端IN+进行输入。到第3 个脉冲的下沉之后DI端的输入电平就失去输入作用，此后开始利用数据输出端DO进行转换数据的读取。从第4个脉冲下降沿开始由DO端输出转换数据最高位DATA7，随后每一个脉冲下降沿DO端输出下一位数据。直到第11个脉冲时发出最低位数据DATA0，一个字节的数据输出完成。也正是从此位开始输出下一个相反字节的数据，即从第11个脉冲的下降沿输出DATA0，随后输出8位数据，到第19 个脉冲时数据输出完成，也标志着一次A/D转换的结束。最后将CS置高电平禁用芯片，直接将转换后的数据进行

48、处理就可以了。根据芯片引脚以及工作原理，可以设计出ADC0832的应用电路如图3-13所示。时钟信号CLK由单片机P2.1口提供，通道选择与数据输出端DI和DO连接在一起由单片机的P2.0口控制，CS片选信号端由单片机P2.2口控制，只使用CH1端连接电池的正极，用于电池电压信号的转换模拟量输入，CH0端不用，直接接地，参考输入电压接充电板标准供电VCC。图3-13 ADC0832的应用电路设计由此，智能充电器的主要模块电路就搭建完毕，完整的电路原理图及PCB板见附录，接下来就要根据充电器的工作原理，设计相应的充电控制程序，并烧写到AT89S52单片机中去，实现充电器智能化。4 系统软件设计4

49、.1 充电流程设计MAX1898作为充电管理芯片，具有自己独立的一套管理机制，详细的充电过程如下：当电池电压低于2.5V，会以最大充电电流（快速充电电流）Imax的10%进行预充电，最长预充电时间为45min；当电池电压大于2.5V，就会以快速充电电流Imax=500mA进行快速充电过程，在此阶段，随着电压的上升，充电电流也逐渐下降，当电流下降到设定快速充电电流的20%时，则快速充电阶段结束，进入恒压充电，等到设定的充电时间3小时，则停止充电,充电结束。当电池到达预设的充电时间，而电池电压还是低于2.5V，此时是充电出错状态，LED以1.5HZ的频率和50%的占空比闪烁。出错可能是因为电池的损

50、坏或者，也可能是其他原因导致10；在以上两个正常充电阶段，引脚都会表现出低阻抗状态，通过限流电阻和高电平VCC从而驱动红色LED指示灯点亮，从而指示当前为充电状态11。当充电完成之后，引脚会表现出高阻态，从而红色指示灯熄灭表示充电完成，同时，引脚也会触发单片机的外部中断0，触发单片机的定时器T0延时35S时间，如果此外部中断没有继续触发，则认为是充电结束，从而控制单片机把EN/OK端置0，使MAX1898停止工作10；如果外部中断继续触发，（即驱动LED充电指示灯的引脚以1.5Hz频率发出脉冲信号触发外部中断0），则认为是充电出错，单片机控制蜂鸣器报警。整体的充电工作流程图如图4-1所示。图4

51、-1 MAX1898充电流程图4.2 单片机控制设计单片机在整体设计中参与的主要任务就是：1. 控制ADC0832模数转换器测量电池的电压并进行转换数据的解算；2. 把计算好的电压数值通过LCD1602显示出来；3. 接收MAX1898的引脚信号并执行相应的中断程序；由单片机的3个主要任务决定了本设计需要使用的单片机主要功能有：1. 外部中断0；2. 定时器0；3. 普通的数学计算、逻辑判断、以及内存操作；由此设计单片机的总体工作流程如图4-2所示。图4-2 单片机的总体工作流程单片机的初始化阶段主要涉及的初始化对象为中断控制字和定时器控制字的设置，主要的工作就是置位总中断EA、外部中断EX0

52、和定时器中断ET0，选择定时器0的工作方式并设置控制字TMOD，设置定时时间5ms为基本的定时单位，后续的中断程序定时都在5ms基础上完成。采用外部晶振为12MHz，5ms定时的计算如下式所示：详细初始化程序见附录。单片机对MAX1898的控制主要通过引脚产生的充电状态信号来转入相应的中断服务程序，中断服务程序的设计流程如图4-3所示。图中，Int0_count表示产生外部中断0个数的变量，由引脚的在高阻态（充电结束）时触发，即高电平，当此中断触发，中断服务程序转入定时器的3秒延时，如果在延时之后又再次触发高电平，即Int0_count不等于1，则表示输出了1.5Hz的脉冲信号，充电出错；T_

53、count则表示定时器0定时满产生的定时器0中断次数，因为主程序设定的5ms的基础定时单位，故当T_count计满600次，也就是3秒时，重新检测Int0_count的值。由于外部中断0为中断最高优先级，所以此处定时器在计时的时候并不影响信号产生的中断计数，故此处的双中断嵌套设计也是合理的。图4-3 中断服务程序流程图单片机对ADC0832的控制操作主要是CS，DIO，CLK这三个引脚，当要进行A/D转换时，将CS置零直到转换完全结束，此时芯片开始转换工作，CLK时钟信号由单片机P2.1引脚产生，先产生1再产生0，如此成对出现，给ADC0832提供一次脉冲信号，然后根据ADC0832的工作原理

54、，依次产生相应的脉冲，并做相应的操作，直至读出转换好的两个高低位相反的信号为止，在进行数据校验无误之后作为操作数送给单片机系统处理。如此，每隔一定时间，单片机就打开ADC0832进行一次电压测量，并送给LCD1602显示12，具体的处理细节见附录源程序。单片机对LCD1602的控制操作主要是对其写操作指令，由于液晶显示模块是一个慢显示器件，所以在执行每条指令之前一定要确认模块的忙标志为低电平，否则此指令失效。在初始化之后给LCD1602输入特定的初始字符供显示，之后在工作过程中不断的更新从ADC0832读到的电压数据，并将其转换成字符用LCD1602显示出来。LCD1602的11条指令见第3章

55、表3-6。详细的显示程序见附录4。至此，整体的软件部分设计就完成了，根据预先设计的完整电路原理图（见附录1），画出系统的PCB板（见附录2），做出实物电路（见附录3），并通过实际实验和测试，验证了设计的有效性。5 结语本设计以MAX1898为核心，利用单片机为控制元件实现智能手机电池充电器的设计。通过以上智能充电器的设计，使我进一步熟悉了MAX1898的工作原理和使用方法，更深入的了解了AT89S52的定时/计数器、中断系统的应用，熟悉了单片机嵌入式控制系统的设计思路。本设计使得课上所学得到充分的应用，加强了自身摄取新知识的能力，也为不断完善自己奠定了基础。理论来源于实践而高于实践，没有亲力亲

56、为是不能领会其魅力的。这次设计进一步提高了自己的动手制作能力，也使得编程能力得到锻炼，取得不小的收获，同时也发现了自身所存在的不足。在调试智能充电器的过程中，出现的问题和解决方案：(1)方案论证与选定：由于是第一次做这样的选题，所以存在许多不足之处，先期选题方案论证过于单一，结构不严密。通过查阅资料和进行市场调查，最终选定MAX1898作为智能充电芯片。(2)硬件制作：因为对元器件不太熟悉，对各种类型的元器件接触较少，没有实际硬件开发的经验，在选择元器时遇到很多问题，比如不知道电阻选碳膜电阻还是金属膜电阻，电容不知道用电解电容还是陶瓷电容等这类问题，在请教了老师和查阅了大量的参考论文基础上才得

57、到一一解决。在此设计中，需要着重把握以下几点：1. 预充、快充、满充等充电方式的工作原理；2. MAX1898的充电状态指示输出信号在本设计中的应用；3. MAX1898外围电路的设计，其中包括设置充电电流的电阻和充电时间的电容的数值的选取；4. LCD1602软件编程的代码编写；5. ADC0832的转换数据读取流程设计与实现；6. 单片机中断与定时器的应用；此次设计的有成功也有失败，失败之处在于选题之后没有对系统进行整体评估，对元件的各方面特点，比如封装、引脚功能更深入的了解，所以在后期过程中会有许多问题出现。方案的选择与论证也没有进行系统的辩证，比如：没有设计温度保护功能模块。因为电池过

58、充容易使电池发热，严重了会引起爆炸，所以设计相应的温度监测功能模块，当电池温度过高能够自动切断电源，这个功能是有很高需求，而本设计在设计之初没有考虑，本想作为后续改进方案来做，由于时间有限，元器件的购买遇到问题导致该方案暂时搁置。另外，对市场信息也不够了解也是做该设计过程中遇到的很大障碍。成功之处在于完成了一个之前没有接触过的东西，从方案的选定与论证、软件调试制作、硬件焊接到软硬件系统联调，遇到了许多困难，通过不断的查阅资料和修改，完成了课题的制作。总结整个过程充满艰辛和痛苦，但还是挺过来了，收获的是喜悦，是知识。对于本次设计制作，还有很多可以提高的地方，比如：可以设计相关的温度控制保护功能模

59、块；可以设计相应的降压电路，使该充电器可以直接插220V交流电；可以使用SMC401代替MAX1898，因为SMC401的功能更加强大，一般用于笔记本电池充电控制芯片，单从经济性来看MAX1898更加符合大众消费。 参考文献1 周志敏，周纪海，纪爱华. 便携式电子设备充电器实用电路与电源管理M. 北京：中国电力出版社，2009:2-3.2 周志敏，周纪海，纪爱华. 充电器电路设计与应用(第1版) M.北京：人民邮电出版社，2005:35-37. 3 吴宇平，万春荣等. 锂离子二次电池M.北京：化学工业出版社，2002：63-69. 4 王海麟,钱建立,周晓军. 智能快速充电器设计与制作M.北京

60、：科学出版社，1998:132-135.5 强生泽. 现代通信电源系统原理与设计M. 北京：中国电力出版社，2009:178.6 K.Hirakawa，A.Measuring and Analyzing Method for Battery Conditions Using a New Field Data Collection system，evsl17，2000. 7 肖金球. 单片机原理与接口技术M. 北京：清华大学出版社，2004:3-5.8 林邦怀，周文灵. 一种基于单片机的智能充电器设计J. 仪表技术：2007，2：27-29.9 刘美俊. 基于AT89C2051单片机的智能充电器

61、设计J.集成电路与元器件卷，2004，7：78-81.10 沈元隆,刘陈. 电路分析基础(第三版) M. 北京：人民邮电出版社，2008:136-137.11 MAXIM.Datasheet：Stand-Alone.Switch-Mode Li+ Battery Charger，2001.12 康华光. 电子技术基础模拟部分（第五版）M. 北京：高等教育出版社，2006:140-153.附录1：完整电路原理图附录2：电路PCB板设计图附录3：实物照片附录4：源程序#include#include#define uint unsigned int#define uchar unsigned char#define nop _nop_/*端口定义*/sbit GATE = P24;sbit BP = P35;sbit BusyFlag=P07;/LCD1602控制接口sbit E=P27; sbit RW=P26;sbit RS=P25;/ADC0832控制接口sbit CS = P22;sbit CLK = P21;sbi