基于單片機的智能手機充電器的設(shè)計

(華東理工大學(xué)信息學(xué)院信息工程2011級，200237)

基于單片機的智能手機充電器的設(shè)計

王 濤,屈高龍,殷蘗均 ,汪 楚,楊富琴

(華東理工大學(xué)信息學(xué)院信息工程2011級，200237)

隨著手機技術(shù)的持續(xù)快速發(fā)展，如何對智能手機電池進行安全有效地充電，已經(jīng)成為了一個重要的課題。單片機技術(shù)在工業(yè)控制領(lǐng)域有著廣泛的應(yīng)用，利用它的處理控制能力可以實現(xiàn)充電器的智能化。本設(shè)計主要根據(jù)手機充電器現(xiàn)狀，在傳統(tǒng)的手機充電器基礎(chǔ)上，使用AT89C58單片機來實現(xiàn)手機鋰電池充電器方面的應(yīng)用，充電控制部分由MAX1898芯片完成。該充電器能夠?qū)崿F(xiàn)電池的預(yù)充、快充、定時充電、充電需時提醒、充電后自動斷電、充滿提醒、LED燈提示、電路安全保護、溫度控制、應(yīng)急發(fā)電等功能。

智能充電器;單片機控制;MAX1898;太陽能;機械充電

0 引言

在現(xiàn)代社會中，手機在人們的日常生活工作中擔(dān)當(dāng)者越來越重要的角色，人們可以利用手機聊天，通信，炒股，觀看視頻等等，手機在極大地豐富人們生活的同時，也給人們帶來困擾。如果手機不能正常的使用，那將對個人的工作、生活造成巨大的影響，甚至造成經(jīng)濟損失。一般情況下，手機能夠得到充足的電源供應(yīng)，但是外出時由于手機電池電量有限，同時因為不能快速的找到充電的場所，是造成手機無法使用的最常見原因。而且在日常生活中，人們的生活節(jié)奏越來越快，而目前手機充電的電池使用時間普遍不是很長，大部分人面臨一日一充的困境，這就容易造成手機充電很難做到用盡充足的原則，給手機電池的壽命帶來損害。

另外，市場上的手機充電產(chǎn)品良莠不齊，一些產(chǎn)品在額定電容，放電性能，安全性保護性能方面存在質(zhì)量問題，這些質(zhì)量問題會影響到手機的正常使用，還會影響手機的使用壽命，嚴(yán)重時還可能給消費者帶來人身傷害?；谶@樣的情況，本文提出了一種結(jié)合51單片機和智能充電芯片MAX1898的充電器軟硬件設(shè)計方案，充分利用單片機的控制能力，對手機進行智能化的充電，同時賦予應(yīng)急充電方案，在能夠圓滿完成充電任務(wù)的同時，又可以最大限度地去保護電池的壽命，方便人們的生活。

1 課題簡介

該充電器主要由單片機控制電路、液晶顯示電路、手機充放電電路、機械發(fā)電裝置、太陽能發(fā)電電路和電源電路等組成。其功能：①預(yù)充功能 ②充電保護功能 ③自動斷電功能 ④充電完成提示功能。充電器原理框圖如圖1-1所示。

圖1-1 基于單片機的手機充電控制框圖

2 研究方法與課題設(shè)計

該設(shè)計中單片機控制模塊需要提供5V電壓，手機充電電壓為4.2V，整個充電過程分為四個過程：

A.預(yù)充電。如果充電開始電池板電壓低于2.5V，則進行預(yù)充電過程，充電電流一般是快速充電電流的10%，直至充電達到2.5V，預(yù)充電過程結(jié)束。

B.恒流充電。預(yù)充電結(jié)束后即開始恒流充電，期間電池電壓不斷上升。

C.恒壓充電。當(dāng)電池上升到4.1V后轉(zhuǎn)入恒壓充電，期間充電電流不斷減小。

D.充電結(jié)束。當(dāng)充電設(shè)置的時間達到或者此時充電電流小于快速充電電流的20%，則表示充電結(jié)束。有時會在延遲一段時間結(jié)束充電。

2.1手機充放電

充電控制電路的核心器件是MAX1898 EUB42，其充電狀態(tài)輸出引腳/CHG與單片機INT0相連，從而觸發(fā)外部中斷。MAX1898外接限流型充電電源和P溝道場效應(yīng)管或PNP三極管，可以對鋰電池進行安全有效的快充，MAX1898最大的特點就是可以在不使用電感的情況下仍能保持很低的功率耗散，可以實現(xiàn)預(yù)充電的功能，具有過壓保護和溫度保護功能以及為鋰電池提供安全保護的功能。

MAX1898芯片不僅能限制總輸入電流，還可以通過外接電容和電阻來設(shè)定快速充電時間和最大充電電流。

充電時間和定時電容C（nF）的關(guān)系滿足：

表2.1 MAX1898引腳定義

最大充電電流Imax和限流電阻rset的關(guān)系式滿足：

系統(tǒng)充電控制電路原理圖如圖2-1所示。

所用芯片MX1898引腳功能如下：

MAX1898充放電電路的LED指示燈狀態(tài)說明，如表2-2所示。

表2.2 LED燈指示說明

本設(shè)計還提供了放電電路，雖然鋰電池沒有記憶功能，但最好隔一段時間即應(yīng)當(dāng)進行充放電維護，即充滿放盡，更好的維護電池，放電電路如圖2-2所示。

圖2-1 手機充電電路圖

圖2-2 手機電池放電電路

充電實物如圖2-3。

圖2-3 手機電池放電實物圖

2.2單片機控制電路

2.2.1 單片機控制電路

單片機控制電路主要由電源、A/D轉(zhuǎn)換、 CPU、I/O擴展、顯示單元模塊等構(gòu)成。單片機芯片選擇的是89c58。

2.2.2 電源模塊

電源模塊為5V電源，需要進行全波整流，具體原理為系統(tǒng)采用220 V交流電對系統(tǒng)直接供電，先使用交流變壓器將220 V的交流電轉(zhuǎn)換為12 V的交流電，通過橋式整流電路進行整流后，接一只1000μF/25 V的電解電容和一個104的陶瓷電容，再將經(jīng)過濾波后的輸出直接接到7805集成穩(wěn)壓電路，為系統(tǒng)提供+5 V的電源。供電電源電路原理圖如圖2-4所示。

圖2-4 整流電路圖

圖2-5 A/D采集電路

2.2.3 單片機信號采集處理模塊

該模塊主要由A/D轉(zhuǎn)換模塊、AT89C58和液晶顯示等模塊構(gòu)成。

AD轉(zhuǎn)換模塊原理說明：

TLC1543A/D轉(zhuǎn)換模塊的電路原理如圖2-5所示。TLC1543的三個控制輸入端CS、I/O CLOCK、ADDRESS和一個數(shù)據(jù)輸入端DATA OUT遵循串行外設(shè)接口SPI協(xié)議，要求微處理器具有SPI接口。由于試驗儀的STC89C58RD+單片機沒有SPI接口，需通過軟件模擬SPI協(xié)議以便和TLC1543接口。芯片的三個輸入端和一個輸出端與單片機的I/O可直接連接。軟件設(shè)計中，程序編寫應(yīng)注意TLC1543通道地址必須為寫入字節(jié)的高四位，而CPU讀入的數(shù)據(jù)是芯片上次A/D轉(zhuǎn)換完成的數(shù)據(jù)。

試驗箱采用TL431提供基準(zhǔn)電壓，TL431是三端可調(diào)電壓基準(zhǔn)芯片，具有很好的精度，輸出噪聲小，溫度穩(wěn)定性也很好，輸出電壓為：

根據(jù)實驗需求，對其進行了修改，TL431提供基準(zhǔn)電壓原理圖2-6所示。

圖2-6 基準(zhǔn)電壓調(diào)整電路

TLC1543 SPI接口軟件設(shè)計流程如圖2-7所示。

圖2-7 SPI設(shè)計流程

圖2-8 單片機采集電路

圖2-9 機械發(fā)電概念圖

AT89C58單片機通過片選信號選通8155芯片，然后將傳輸?shù)臄?shù)據(jù)通過D0～D7送8155芯片，8155芯片把輸入的地址進行譯碼并通過PA、PB、PC口輸出。（I0/M端接單片機的P2.0腳，CE端接單片機的P3.1腳）

信號采集來自充電模塊的MX1898芯片的2、3引腳CHG、EN/OK引腳，加到A/D轉(zhuǎn)換模塊輸入端，A/D轉(zhuǎn)換后經(jīng)DATAOUT進入單片機芯片AT89C58進行處理，送至液晶延時模塊進行顯示。

2.3機械發(fā)電

使用手動發(fā)電，經(jīng)電路進行變化后給充電系統(tǒng)供電。一般情況下，手機都能及時擁有足夠的電量，但是偶爾也會有找不到充電插座的尷尬，如果此時有急事要處理，往往是不方便的，因此該充電器具有機械發(fā)電的功能，在緊急情況下，能通過手搖的方式給手機電池進行充電。機械發(fā)電部分整機采用ABS工程塑料注塑而成，通過手把轉(zhuǎn)動，齒輪轉(zhuǎn)動，使小型發(fā)電機發(fā)電，空載時輸出電壓：6.3V，輸出電流0.2A，經(jīng)過適當(dāng)?shù)母脑旖尤腚娐罚瑸殡姵剡M行充電。

2.4太陽能發(fā)電

使用太陽能電池板，經(jīng)電路進行直流電壓變換后給充電系統(tǒng)供電。眾所周知，太陽能是為數(shù)不多的清潔能源之一，合理的利用太陽能不僅是對資源的合理利用也是對環(huán)境保護的具體體現(xiàn)。

目前太陽能電池的發(fā)展取得了長足的進步，但是在手機充電方面太陽能還沒能得到很好的開發(fā)，所以，本設(shè)計增加了能夠利用太陽能轉(zhuǎn)換成電能對手機電池進行充電的充電器。對于室外活動者在享受陽光的同時能夠為自己的手機充電，對于商旅人士或者戶外活動者在沒有插座充電的情況下能應(yīng)急。由于單片機控制電路功耗較大，在緊急供電情況下，此模塊可以單獨給手機供電?；驹韴D如2-10。

圖2-10 太陽能電池充電模型

太陽能電池在使用時由于太陽光的變化較大，其內(nèi)阻又比較高，因此輸出電壓不穩(wěn)定，輸出電流也小，這就需要用一個直流變換電路變換電壓后供手機電池充電，再通過單片機控制電路為手機充電。把太陽能輸出端接到充電模塊的輸入端即可完成緊急充電。

3 實驗調(diào)試及結(jié)果

3.1

為實現(xiàn)對手機充電的控制，利用工具進行編程，項目主要程序由AD轉(zhuǎn)換模塊，顯示模塊 組成，主要介紹如下：

3.1.1 主程序：

#include

#include

uint read1543(uchar port);

uchar xdata ad_result[16]={0}; //AD轉(zhuǎn)換結(jié)果

uchar bbb1[]={"insert battery "};

uchar bbb2[]={"charging "};

float JiZhun_AD=5.0;

3.1.2 部分接口定義：

#define CLOCK P2_4

#define D_IN P2_3

#define D_OUT P2_5

#define _CS P2_7

#define chg P1_0

#define ok P1_4

#define rs P1_5

#define rw P1_6

#define en P1_7

3.1.3 AD

for (i=0;i<2;i++) //取D9,D8

{ D_OUT=1;

CLOCK=1;

ah<<=1;

if (D_OUT) ah +=0x01;

CLOCK=0; }

for (i=0;i<8;i++) //取D7--D0

{ D_OUT=1;

CLOCK=1;

al <<= 1;

if (D_OUT) al +=0x01; CLOCK=0;}

3.1.4 顯示的一些函數(shù)

void delay(unsigned char dat);

//延時函數(shù)

void lcd1602init(); //LCD

初始化程序

void lcd_clear(); //LCD

清屏程序

void lcd_string(unsigned char *p,unsigned char

flag); //LCD顯示函數(shù)

3.2下載界面

設(shè)計采用STC單片機調(diào)試程序進行下載程序，STC89系列單片機具有在系統(tǒng)可編程特性，單片機在用戶系統(tǒng)上即可下載/燒寫程序，而無須將單片機從已生產(chǎn)好的產(chǎn)品上拆下，再用通用編程器將程序代碼燒錄進單片機內(nèi)部。

3.3調(diào)試、結(jié)果顯示

充電過程整體連接后進行調(diào)試。實驗LCD顯示主要包括：insert battery ,charging等狀態(tài)，觀察結(jié)果如圖3-1所示。

圖3-1 實際顯示界面

3.4外部電路提示信息

如果電池?fù)p壞，充電電路板上的藍色發(fā)光二極管會以1.5Hz的頻率閃爍。

4 總結(jié)

本設(shè)計主要借助所學(xué)的單片機知識，研究單片機對手機充電過程的控制，通過硬件構(gòu)造，編程調(diào)試，最后實現(xiàn)對充電過程的控制，包括充電提醒，充電過程監(jiān)控，充電完成提醒，應(yīng)急發(fā)電，充電保護等功能，綜合了現(xiàn)有的手機充電技術(shù)，完善了充電器的使用功能。

（1）充電提醒：充電提醒部分是貫穿整個實驗的，其中的標(biāo)志有液晶顯示器、LED燈等，當(dāng)充電開始時，電源如沒準(zhǔn)備好，則LED燈是滅的，同時顯示器屏幕也是暗的；當(dāng)充電電源準(zhǔn)備就緒時，LED燈亮，但此時，電池并沒有插入，顯示器顯示insert battery,提醒使用者插入待充電的電池；插入電池后，電池開始充電，并在顯示屏幕上顯示此時的電池兩端的電壓和正在充電字樣charging，實時監(jiān)控；當(dāng)充電結(jié)束后，LED燈會滅掉；如期間發(fā)生充電故障，LED燈會以1.5Hz的頻率閃爍。可是說這一整個充電過程都是人性的、智能的，當(dāng)然這里的智能不是傳統(tǒng)意義上的自我調(diào)節(jié)，而是針對使用者而言“智能”。

（2）充電過程監(jiān)控：充電過程的監(jiān)控體現(xiàn)在溫度保護、斷電、報警上。安裝好電池后，接通輸入的直流電源，當(dāng)充電器檢測到電池時將定時器復(fù)位，單片機輸入高電平，充電芯片啟動。隨后就進入了預(yù)充過程，在這個過程中充電器以快速充電電流的1/10給電池進行充電，使電池的電壓和溫度恢復(fù)到正常充電的狀態(tài)。預(yù)充時間由外接電容C確定，如果在預(yù)充時間內(nèi)電池電壓達到2.5 V，并且電池的溫度正常，則充電會進入快充的過程；如果超出預(yù)充時間后，電池電壓還不能達到2.5 V，則表明此電池不可充電，充電器顯示電池故障，LED燈閃爍?？沙潆姷臏囟?.5--47.5度，超出此溫度時，電路會停止充電；同樣的，當(dāng)電池因為短路或斷路不可進行充電時，也會由單片機充電控制器停止充電。

太陽能、機械應(yīng)急充電：對于太陽能充電來說，特別是在亞熱帶季風(fēng)地區(qū)，光能及熱量還是比較充足的，如果人在戶外，遇到的狀況是手機電池沒電，同時又沒充電電源，若此時又處于緊急狀況時，太陽能充電就派上用場了，同理利用機械能發(fā)電也是如此。無論是太陽能還是機械能，此時

目前手機充電器市場產(chǎn)品質(zhì)量良莠不齊，由于各種因素，手機充電器很難統(tǒng)一標(biāo)準(zhǔn)，但發(fā)展方向是一致的。未來手機充電器我們認(rèn)為能夠與移動電源相結(jié)合，可以進一步優(yōu)化移動電源的性能，完成本設(shè)計所實現(xiàn)的一些功能，進而保護手機電池。

此外，能源清潔度是手機充電發(fā)展的重要標(biāo)準(zhǔn)，在提倡清潔能源的今天，太陽能可以大范圍的應(yīng)用到日常生活中來，在手機充電器方面比如可以利用太陽能給移動電源充電，這樣在天氣晴朗的時候，就可以把移動電源拿出來曬一曬，既不影響日常生活，又充分利用能源。其次，可以通過智能檢測電池的容量，檢測到的電池容量通過AD轉(zhuǎn)換，送到單片機里，經(jīng)過一定的算法流程，計算出合適的充電電流，并輸出相應(yīng)的控制信號，智能調(diào)節(jié)充電電流的大小，既保護了電路的安全，又延長了電池的壽命。

近年來，走在充電最先進的領(lǐng)域的課題是關(guān)于無線充電的研究，利用空間無處不在的電磁波來進行充電，即利用磁能充電。本次設(shè)計和研究對研究無線充電奠定了基礎(chǔ)，并有著借鑒意義。

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The design of the smartphone charger based on MCU

Wang Tao,Qu Gaolong,Yin Niejun,Wang Chu，Yang Fuqin
(Information Institute,East China University of Technology,Information Engineering 2011，200237)

With the rapid development of mobile technology,how to be safe and effective for smartphone battery charging,has become an important issue.SCM technology has a wide field of industrial control applications.the ability to control the use of its processing can achieve intelligent charger.The design is mainly based on the status quo of mobile phone charger and cell phone charger in the traditional,to implement applications using mobile phone battery charger aspects based on AT89C58 microcontroller,the charge control by the MAX1898 chip.The battery charger is able to achieve a pre-charge,fast charging, regular charging,reminders for charging,automatic power-off and alert after charging,tips of LED lights, safety circuit protection,control for temperature,emergency power and other functions.

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