基于單片機的智能手機充電器的設計

(華東理工大學信息學院信息工程2011級，200237)

基于單片機的智能手機充電器的設計

王 濤,屈高龍,殷蘗均 ,汪 楚,楊富琴

(華東理工大學信息學院信息工程2011級，200237)

隨著手機技術的持續快速發展，如何對智能手機電池進行安全有效地充電，已經成為了一個重要的課題。單片機技術在工業控制領域有著廣泛的應用，利用它的處理控制能力可以實現充電器的智能化。本設計主要根據手機充電器現狀，在傳統的手機充電器基礎上，使用AT89C58單片機來實現手機鋰電池充電器方面的應用，充電控制部分由MAX1898芯片完成。該充電器能夠實現電池的預充、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、應急發電等功能。

智能充電器;單片機控制;MAX1898;太陽能;機械充電

0 引言

在現代社會中，手機在人們的日常生活工作中擔當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，甚至造成經濟損失。一般情況下，手機能夠得到充足的電源供應，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品良莠不齊，一些產品在額定電容，放電性能，安全性保護性能方面存在質量問題，這些質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，嚴重時還可能給消費者帶來人身傷害。基于這樣的情況，本文提出了一種結合51單片機和智能充電芯片MAX1898的充電器軟硬件設計方案，充分利用單片機的控制能力，對手機進行智能化的充電，同時賦予應急充電方案，在能夠圓滿完成充電任務的同時，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、機械發電裝置、太陽能發電電路和電源電路等組成。其功能：①預充功能 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 研究方法與課題設計

該設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.預充電。如果充電開始電池板電壓低于2.5V，則進行預充電過程，充電電流一般是快速充電電流的10%，直至充電達到2.5V，預充電過程結束。

B.恒流充電。預充電結束后即開始恒流充電，期間電池電壓不斷上升。

C.恒壓充電。當電池上升到4.1V后轉入恒壓充電，期間充電電流不斷減小。

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

2.1手機充放電

充電控制電路的核心器件是MAX1898 EUB42，其充電狀態輸出引腳/CHG與單片機INT0相連，從而觸發外部中斷。MAX1898外接限流型充電電源和P溝道場效應管或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，可以實現預充電的功能，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的關系式滿足：

系統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指示燈狀態說明，如表2-2所示。

表2.2 LED燈指示說明

本設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當進行充放電維護，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轉換、 CPU、I/O擴展、顯示單元模塊等構成。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，具體原理為系統采用220 V交流電對系統直接供電，先使用交流變壓器將220 V的交流電轉換為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，再將經過濾波后的輸出直接接到7805集成穩壓電路，為系統提供+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轉換模塊、AT89C58和液晶顯示等模塊構成。

AD轉換模塊原理說明：

TLC1543A/D轉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和一個數據輸入端DATA OUT遵循串行外設接口SPI協議，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。軟件設計中，程序編寫應注意TLC1543通道地址必須為寫入字節的高四位，而CPU讀入的數據是芯片上次A/D轉換完成的數據。

試驗箱采用TL431提供基準電壓，TL431是三端可調電壓基準芯片，具有很好的精度，輸出噪聲小，溫度穩定性也很好，輸出電壓為：

根據實驗需求，對其進行了修改，TL431提供基準電壓原理圖2-6所示。

圖2-6 基準電壓調整電路

TLC1543 SPI接口軟件設計流程如圖2-7所示。

圖2-7 SPI設計流程

圖2-8 單片機采集電路

圖2-9 機械發電概念圖

AT89C58單片機通過片選信號選通8155芯片，然后將傳輸的數據通過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轉換模塊輸入端，A/D轉換后經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機械發電

使用手動發電，經電路進行變化后給充電系統供電。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。機械發電部分整機采用ABS工程塑料注塑而成，通過手把轉動，齒輪轉動，使小型發電機發電，空載時輸出電壓：6.3V，輸出電流0.2A，經過適當的改造接入電路，為電池進行充電。

2.4太陽能發電

使用太陽能電池板，經電路進行直流電壓變換后給充電系統供電。眾所周知，太陽能是為數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境保護的具體體現。

目前太陽能電池的發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，所以，本設計增加了能夠利用太陽能轉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。基本原理圖如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，其內阻又比較高，因此輸出電壓不穩定，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 實驗調試及結果

3.1

為實現對手機充電的控制，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轉換結果

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

void delay(unsigned char dat);

//延時函數

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

3.2下載界面

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

3.3調試、結果顯示

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

圖3-1 實際顯示界面

3.4外部電路提示信息

如果電池損壞，充電電路板上的藍色發光二極管會以1.5Hz的頻率閃爍。

4 總結

本設計主要借助所學的單片機知識，研究單片機對手機充電過程的控制，通過硬件構造，編程調試，最后實現對充電過程的控制，包括充電提醒，充電過程監控，充電完成提醒，應急發電，充電保護等功能，綜合了現有的手機充電技術，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，其中的標志有液晶顯示器、LED燈等，當充電開始時，電源如沒準備好，則LED燈是滅的，同時顯示器屏幕也是暗的；當充電電源準備就緒時，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，實時監控；當充電結束后，LED燈會滅掉；如期間發生充電故障，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，當然這里的智能不是傳統意義上的自我調節，而是針對使用者而言“智能”。

（2）充電過程監控：充電過程的監控體現在溫度保護、斷電、報警上。安裝好電池后，接通輸入的直流電源，當充電器檢測到電池時將定時器復位，單片機輸入高電平，充電芯片啟動。隨后就進入了預充過程，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到正常充電的狀態。預充時間由外接電容C確定，如果在預充時間內電池電壓達到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。可充電的溫度2.5--47.5度，超出此溫度時，電路會停止充電；同樣的，當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、機械應急充電：對于太陽能充電來說，特別是在亞熱帶季風地區，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品質量良莠不齊，由于各種因素，手機充電器很難統一標準，但發展方向是一致的。未來手機充電器我們認為能夠與移動電源相結合，可以進一步優化移動電源的性能，完成本設計所實現的一些功能，進而保護手機電池。

此外，能源清潔度是手機充電發展的重要標準，在提倡清潔能源的今天，太陽能可以大范圍的應用到日常生活中來，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轉換，送到單片機里，經過一定的算法流程，計算出合適的充電電流，并輸出相應的控制信號，智能調節充電電流的大小，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域的課題是關于無線充電的研究，利用空間無處不在的電磁波來進行充電，即利用磁能充電。本次設計和研究對研究無線充電奠定了基礎，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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