智能手机充电器的设计与实现分析.docx

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智能手机充电器的设计与实现分析

编号

南京航空航天大学金城学院

毕业设计

题目

手机充电器的设计与实现

学生姓名

吕威

学号

2010032309

系部

自动化系

专业

电气工程与自动化

班级

20100313

指导教师

吴玲讲师

二〇一四年五月

南京航空航天大学金城学院

本科毕业设计（论文）诚信承诺书

本人郑重声明：

所呈交的毕业设计（论文）（题目：

。

。

。

。

。

）是本人在导师的指导下独立进行研究所取得的成果。

尽本人所知，除了毕业设计（论文）中特别加以标注引用的内容外，本毕业设计（论文）不包含任何其他个人或集体已经发表或撰写的成果作品。

作者签名：

年月日

（学号）：

手机充电器的设计与实现

摘要

随着当今科学技术的迅猛发展，手机渐渐地进入了人们的日常生活，成为人们不可或缺的一部分，智能手机充电器也就变得越来越重要了。

现在的手机充电器，一方面缺乏智能化，只能完成充电功能，而不具有报警和必要的显示功能；另一方面这种充电器对电池没有相应的保护措施，也使得手机电池的寿命锐减。

本设计针对这种情况提出以STC89C51单片机为控制核心，实现对充电芯片MAX1898的控制，并通过74HC595芯片实现在数码管上显示充电时间。

此外，STC89C51单片机芯片还可以实现对充电状态的控制，并通过LED灯显示出来，红灯点亮表明正在充电，绿灯点亮表明充电完成。

硬件电路包括单片机模块、电源电路、充电电路模块以及显示电路模块等。

单片机程序采用C语言编程，完成对单片机的控制，进而完成一系列的充电过程，实现了手机充电的智能化，并延长了电池的使用寿命。

试验结果表明。

。

。

关键词：

智能充电器，单片机，C语言

Designandimplementationofmobilephonecharger

Abstract

Withtherapiddevelopmentofscienceandtechnologytoday,thephonegraduallymovesintopeople'sdailylivesandbecomesanintegralpart.Sotheintelligentphonechargerwillbecomeincreasinglyimportant.Nowthemobilephonecharger,ontheonehandlackingofintelligentchargingfunction,canonlyaccomplishchargingwithoutnecessaryalarmanddisplay;Ontheotherhandthischargerdoesnothavecorrespondingmeasurestoprotectthebattery.Itmakesthecellphonebattery’slifesharpless.ThisdesignusesTC89C51MCUtoaddressthissituationandcontroltheMAX1898chip,showingchargingtimeonthedigitaltubeby74HC595chip.Inaddition,STC89C51MCUchipcanalsoachievethestateofcharge,anddisplaythroughtheLED.Theredlightindicatescharging,thegreenlightindicateschargingiscomplete.HardwarecircuitmoduleincludesaMCU,apowercircuit,achargingcircuitmoduleandadisplaycircuitmodule.WeuseClanguageprogrammingasSCMprogram,completingthecontrolofMCU,andthencompletingaseriesofchargingprocess,toachievetheintelligentmobilephonechargerandextendbatterylife.

KeyWords:

IntelligentBatteryCharger,MCU,CProgrammingLanguage

第一章绪论

1.1课题研究的背景及意义

1.1.1手机充电器研究的背景

随着社会的不断发展，科学技术的发展速度超乎我们的想象身边，手机也渐渐地成为我们日常生活中不可或缺的一部分。

手机充电器作为手机的一个不可缺少组件，它的性能的好坏，将会直接影响到我们手机的正常使用，所以手机充电器的作用超乎我们的想象。

现在的手机充电器，一方面缺乏智能化，只能完成充电功能，而不具有报警和必要的显示功能；另一方面这种充电器对电池没有相应的保护措施，也使得手机电池的寿命锐减。

为了解决这一系列的问题，我们需要一种智能的手机充电器。

现在市场上的有些充电器的产品质量不能满足人们的要求，质量不能保证，而且还存在安全隐患。

充电器的质量问题、安全问题等一系列问题直接影响手机的正常使用，这还使手机电池的寿命大大降低，最终导致手机的待机时间变得越来越短。

特别是安全问题尤为重要，手机在充电过程中爆炸的报道不计其数，着很大程度上和手机充电器有关，这类问题的解决刻不容缓，一旦出现意外，就会给我们造成难以想象的危害。

现在的手机充电器大都采用两种充电方法，第一就是恒流快速充电法，而另一种就是电压比较充电法。

实际上两种充电方法还是比较成熟的充电方法，但是它们都会在不同的程度上影响到手机电池的寿命。

随着单片机的出现和单片机技术的发展，这也使得手机充电器有了新的发展方向，也就是朝着智能化方向发展。

1.1.2手机充电器研究的意义

信息技术的迅速发展，便携式电子设备和充电电池得到了广泛应用。

各种充电器的使用也渐渐地普及，如万能充电器、车载手机充电器、平板电脑、移动电源等，特别是移动设备需要大量地重复使用电池，这样可充电电池的寿命就显得非常重要了。

在各种可充电电池中，锂离子电池相比于其他普通电池具有明显的优越性，锂电池不仅体积小、重量轻，而且自放电率低、无记忆效应。

由于多种优点，使得锂电池被广泛使用在各种新型移动设备当中。

现在市场上的手机充电器大多采用的充电方法是大电流的快速充电法,这种充电方法最大的坏处就是当电池充满后，如果不及时地停止充电会使得电池发烫，这样很容易损坏电池。

当然也有成本比较低的充电器，它们采用充电方法是电压比较法，这种充电方法能够防止过充，当电池充电到95%满的时候，就会停止大电流快充，转而采用小电流涓流补充充电。

通常为了让电池充满电，很容易造成过度充电。

具体表现为：

一些充电器在电池充满时会持续发烫。

电池经常性的出现过充或欠充时，会严重影响人们的使用，具体表现为：

手机待机时间变得越来越短。

研究表明锂电池的使用寿命、单次使用时间和充电维护过程与使用情况有着密切联系。

衡量一个充电器的好坏的标准就是看该充电器能不能在短时间内将电池充满,而且能够对电池起到相应的保护作用，并且修复由于电池不当使用而造成的记忆效应。

传统的充电器不具备这种保护和修复功能。

智能充电器就是为满足用户的需求而设计的。

智能充电器能够对充电进程进行控制，不仅能在充电过程中能对电池进行保护，而且可以防止过电压和控制充电温度。

这种智能充电器以单片机为控制核心，它能检测到在电池充电饱和时的电压信号变化，然后精确地结束充电过程。

除了单片机，这种智能充电器还有一个重要的部件：

充电芯片，这种充电器芯片可以实现对充电过程的控制，再加上单片机控制功能，比如时间控制、蜂鸣报警、电源关断、温度控制和液晶显示控制等，就能够实现智能化充电。

电力电子技术的迅速发展，使得芯片体积越来越小，电路的集成化，这使得智能充电器大规模生产成为可能。

智能充电器拥有无法超越的优越性，如可靠性高、操作简单，而且更具安全性和通用性,代表着未来充电器发展方向。

由此可见，充电器在智能化的研究方向上具有非常广阔的发展前景和无可比拟的现实意义。

1.2基于单片机的智能手机充电器的应用前景

1.2.1智能手机充电器的发展前景

基于单片机的智能手机充电器的设计与研究，对于当今手机及手机充电器发展和市场前景提供了很好的研究方向。

现在的手机充电器，一方面缺乏智能化，只能完成充电功能，而不具有报警和必要的显示功能；另一方面这种充电器对电池没有相应的保护措施，也使得手机电池的寿命锐减。

不仅如此，其充电效率很低，充电时间长，满足不了快节奏城市生活人们的需求。

由此可见，新型的、智能的手机充电器急需发展，在科学技术研究领域中也就成为了一件非常紧迫的任务。

AT89C51单片机功能齐全，价格适中，是一款性价比很高的芯片，所以AT89C51单片机作为智能手机充电器的控制核心具有突出的优越性。

智能充电器拥有无法超越的优越性主要表现在可靠性高、操作简单，而且更具安全性和通用性,代表着未来充电器发展方向。

由此可见，充电器在智能化的研究方向上具有非常广阔的发展前景和无可比拟的现实意义。

1.2.2手机充电器的发展方向

随着单片机技术和电力电子技术的迅速发展，这也使得手机充电器有了新的发展方向，朝着智能化方向发展。

电池充电的智能化，不仅满足了人们的要求，而且可以延长电池的使用时间。

电力电子技术使得芯片的体积越来越小、集成度越来越高、造价低廉和电路简洁的优点，为智能手机充电器的发展奠定了广阔的发展平台。

信息技术必将使得智能化在充电器发展领域成为可能，必将取代传统充电器，相信基于单片机的智能手机充电器在将来一定会得到普及和迅猛发展。

1.3本论文完成的工作及内容编排

1.3.1论文需完成的工作

在持续供电的情况下，首先将家用的220V交流电经过一个变压器（变比220:

12）将其变成为12V的交流电，然后经过全桥整流，将交流变成直流，这时要经过稳压芯片LM7805，输出电压为直流5V,这个电压就能给充电芯片做输入，也给单片机做电源，单片机就进行相应的分析和处理，检测充电状态，不充电时绿灯亮，数码管显示时间为零，充电时红灯亮，数码管开始计时，充满绿灯亮，数码管锁定充电时间，蜂鸣器滴滴提示充满电。

通过使用模块化、简单化、集成化，最终达到智能充电的效果。

1.3.2论文的组织

论文按如下的方式来组织：

第一章绪论。

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第二章电池的充电方法及充电控制技术。

综述基于单片机的智能手机充电器的基本概念、原理和方法。

第三章手机充电器的硬件设计与实现。

阐述了智能手机充电器硬件的设计和实现的方法。

从原理图设计、电路图的设计一直到最后涉及的技术问题等一一进行了说明和解释。

第四章手机充电器的软件设计与仿真。

详细了应用Protel软件和Proteus软件的总体设计、关键流程的设计和程序的设计思路。

第五章系统调试及运行结果。

详细介绍了系统的调戏和运行结果的分析。

第六章总结与展望。

总结了本文的重点解决的问题以及对后期工作的展望，提出了本系统的有待改进之处和本系统今后应该的研究方向。

第二章电池的充电方法及充电控制技术

2.1充电器与电池的充电方法

2.1.1充电器的介绍

充电器也就是为一些设备充电的装置，它的主要功能主要是将家庭用电220V交流电转化成5V的直流电，从而可以给一些移动设备充电。

安全性、快速性和使用方便性是人们对于充电器的基本要求。

随着科学技术的快速发展，人们对于充电器的功能有了新的需求，比如报警和必要的显示功能。

另外，充电器的充电安全性也一直是人们所讨论的话题。

电池电压检测功能是一个功能齐全的充电器所必有的功能。

当终止放电电压小于充电电池的电压，为了防止电池记忆效应的产生，此时电池应当放电知道终止放电电压，随后完成自动充电。

电池的一般充电过程为预充电、快速充电、涓流充电，在各个充电过程都应该有LED灯的显示。

充电率的设定、定时器时间设定以及充电前电池状态测定同样是一个功能齐全的充电器所必有的功能。

当充电的电流较小时，充电器可选择线性电源；在充电电流较大时，便可以使用开关电源，这样不仅省电，而且也解决了充电器发热的问题。

功能比较齐全的充电器的结构图如图2.1所示。

图2.1充电器结构图

2.1.2电池的充电方法

手机充电器大多采用的充电方法是大电流的快速充电法，这种充电方法最大的坏处就是当电池充满后，如果不及时地停止充电会使得电池发烫，这样很容易损坏电池。

当然也有成本比较低的充电器，它们采用充电方法是电压比较法，这种充电方法能够防止过充，当电池充电到大约95%满的时候，就会停止大电流快充,转而采用小电流涓流补充充电。

以专用的充电芯片，并以单片机为控制核心的智能手机充电器是比较先进的。

充电芯片能够检测到手机电池在充电饱和时所发出的电压信号变化，根据所检测的电压信号就可以非常准确地关闭充电。

使用单片机就可以对充电芯片进行有效的控制，这样的充电过程就会显得比较智能化、系统化。

这种智能化主要表现在充电完成后及时关断电源、并伴随着蜂鸣报警和LED显示等功能。

为了缩短手机充电的充电时间，保护电池并延长电池的使用寿命，充电器朝着智能化发展已成必然趋势。

随着技术的发展，专门用于充电的芯片很多，这些芯片可以直接使用，既方便，效果又好。

这次的毕业设计，选择MAX1898芯片作为充电管理芯片，由于充电器实现的方式不尽相同，从而导致充电效果也就不同了。

大电流的快速充电法最大的弊处就是在电池充满电之后，如果不及时地停止充电，就会使电池发烫，进而缩短电池的使用寿命。

所以使用单片机作为控制核心，采用专门的充电芯片，就可实现在充电完成后，进行电压检测，完成自动断电，并完成相应的保护。

2.2充电控制技术

2.2.1快速充电器介绍

采用大电流充电是快速充电器的一大特点。

充电电流正常要大于500mA。

其基本原理框图如图2.2所示：

图2.2快速充电器原理框图

框图中的主控电路一般有两种类型：

（1）定时型

如果对电池采取定时充电，其主控电路一般选用定时电路，而充电电流决定了充电时间。

为了控制不同的小时率电流，定时主控电路一般会设置不同的时间，对充电电池进行分段充电。

定时器在快速充电器中应用比较广泛。

（2）电压峰值增量△V型

端电压随着充电时间的增长而上升是可充电电池的一大特点，但是在电池充满电后，端电压便会降低。

对主控电路进行设计时，根据这种特性来监测电池的电压，当峰值出现微量的下降时，便会以控制充电结束，从而实现自动充电的目的。

这种方法就称为－△V法。

因为这种控制电路很复杂，电压变化也不太稳定，加之很多数据不好把握和测量，所以这种类型的主控电路不适宜自己制作。

2.2.2充电控制技术

充电控制技术在充电器系统软件设计中处于核心部分。

根据充电电池充电的基本原理，可以将锂电池的电压曲线分为下图的A、B、C三段，具体充电特性如图2.3所示:

图2.3锂电池的充电特性

上图中的A、B、C三段分别采用不同的控制方式主要是因为锂电池在充电过程没法用单一量来实现。

各段的充电过程为:

在进入B—C段之前，电池电量已经基本用完了，这个时候采用的是恒定的小电流充电；当充电进入B—C段时，如果继续使用恒流充电，大电流就会会损坏电池，但是电流如果太小就会延长充电时间。

恒流充电过程中，对电池端电压进行不断检测，在电池的电压达到饱和状态时，恒流充电停止，之后便会自动进入恒压充电状态；在恒压充电时，充电电压保持不变。

电池内阻不断变大的过程中会导致充电电流不断减小，当充电电流减小到恒流状态下充电电流的1/8时，就会终止恒压充电，便会进入维护充电阶段。

在电池在充满电之后，若不及时地终止充电，电池的温度便会持续上升。

温度的升高会直接加速电池中板栅的腐蚀速度和电池中电解液的分解，导致电池寿命锐减、电池容量下降。

所以可以采用电压控制、定时控制以及温度控制等多种停止充电的方法来保证电池充足电又不过充电。

停止充电的控制方法：

（1）定时控制

定时控制法一般比较适用于恒流充电。

在恒流充电法时，可以根据电池的容量和充电电流的大小，准确的确定充电时间。

在充电的过程中，定时器在系统达到预定的充电时间后发出信号，使充电器立刻停止充电或将充电电流减少到浮充维护充电电流左右，这样就可以有效的避免大电流长时间地对电池过充电。

这种控制方法的优点就是比较较简单，但其也有缺点：

在充电之前，没法准确得知电池的容量，加之一些元器件及电池的发热会造成充电电能的损失，因此很难判断实际的充电时间。

由于这种方法充电时间是已经固定好了的，无法根据电池充电前的状态而调整充电时间，这将直接导致有的电池可能已经过充电，有的电池却还没有充足电。

（2）电池电压控制

电压控制法中，电池的最高电压是最容易检测的。

三种电压控制法：

最高电压控制法：

从充电特性曲线上容易得到，当电池电压达到峰值时，电池也就充满电。

在充电过程当中，电池电压达到规定值后，就会立即终止快速充电。

这种控制方法明显的不足就是：

电池充满电时的峰值电压会随着充电速率和环境温度的改变而变，所以这种方法无法非常精确地判断电池是否已经充满电。

电压负增量控制法：

电池电压的负增量与电池组的绝对电压没有关系，所以可以比较准确地判断电池是否已经充满电。

这种控制方法也存在缺点：

在镍镉电池在充满电以后，电池电压要经过很长时间，才会负增量，这个时候过充电很严重，电池的温度也比较高，对电池有一定的损害。

电压零增量控制法：

这种控制法有比较好的控制效果，现在许多锂电池充电器都采用这种高灵敏电压零增量检测，当电池电压略有降低时，立即停止快速充电，保护电池，防止电池过冲，延长电池使用寿命。

（3）电池温度控制

在电池温度升高到规定数值之后，必须停止快速充电，这样可以避免损坏电池，对电池起到保护作用。

经常用的温度控制方法有：

最高温度（TMAX）：

在充电过程中，为了避免损坏电池，所以当充电电池的温度达到42℃以上时，系统应该立即终止快速充电。

在电池边装有一个热敏电阻，这个热敏电阻可以用来检测电池的温度，这种方法可以检测到准确的温度，但是由于热敏电阻响应的时间比较长，所以电池温度的检测有一定滞后性。

温度变化率：

充电电池的温度在充电的过程中会发生相应变化。

在电池温度每分钟升高0.8℃时，这时候就应该立即停止快速充电。

温度控制法有明显的不足，即热敏电阻响应时间长，又受到周围环境温度的影响，所以不能准确的检测电池的温度。

（4）综合控制法

上述介绍的各种控制方法各有利弊：

因为电池个体的差异以及个别特殊的电池，所以如果只选用一种充电方法，就会很难确保电池充分的充电。

针对这种问题，就可以采用具有温度控制、电压控制和计时控制功能于一体的综合控制法。

锂电池主要采用零增量检测的检测方式，以温度、时间和电压检测为辅的方式。

判断电池是否充满的正常标准是系统在充电过程检测有无零增量（△V）出现，与此同时，对电池温度、充电时间以及端电压做出判断，检测其是否已超过预先设定的保护值。

当电池电压超过检测的最大值时，系统就会检测零增量是否出现，零增量如果出现，系统就会认为电池已经正常充满，之后系统便会对电池进行维护；充电过程中，系统会对电池温度、充电时间以及端电压进行一直判断，检测它们是否到达或超过了充电保护的条件。

其中任何一个条件得到满足，系统便立即会终止现有的充电方式，进入浮充维护状态。

2.2.3本次设计充电芯片的选型

电源模块提供基本的充电电压和对充电过程的控制是完成充电所必须的两部分。

（1）充电控制芯片的选择

各种微控制芯片在科学技术迅速发展的带动下应运而生，这些微控制芯片体积小、集成度高、功能强大。

单片机技术的发展使其迅速成为计算机领域的一个重要分支，在应用方面非常广阔。

如今单片机的芯片已经有上千个机种。

而体积小、容量大、耗能低、高度集成化以及价格低是单片机发展的必然趋势。

由于单片机集成度的不断提高，使得各种外围功能器件集成在单片机芯片内部成为可能。

CPU（中央控制器）、定时器、计数器、ROM、RAM等是单片机内部所必有的功能部分，而液晶显示驱动器、、DMA控制器、A/D转换器、声音发生器、监视定时器等功能模块也渐渐地广泛集成于单片机内部，使得单片机的功能日趋成熟，这些功能的高度集成化为控制电路单元化奠定基础。

以半导体工艺作为内部的结构形式的单片机，具有显著的优越性，所以在各个领域中都得到了广泛的应用和发展。

单片机主要有如下特点：

①有优异的性能价格比。

②集成度高，体积小，有很高的可靠性。

③控制功能强大。

④单片机类型多，选择性高。

⑤单片机的系统扩展和系统配置较典型、规范、容易构成各种规模的应用系统。

以专用的充电芯片，并以单片机为控制核心的智能手机充电器是比较先进的。

充电芯片能够检测到手机电池在充电饱和时所发出的电压信号变化，根据所检测的电压信号就可以非常准确地关闭充电。

使用单片机就可以对充电芯片就行有效的控制，这样的充电过程就会显得比较智能化、系统化。

这种智能化主要表现在充电完成后及时关断电源、并伴随着蜂鸣报警和LED显示等功能。

为了缩短手机充电的充电时间，保护电池并延长电池的使用寿命，充电器朝着智能化发展已成必然趋势。

C51单片机具有比较低的研发成本、丰富的开发资源、完善的功能系统，被称为是当前应用最为广泛的8位单片机。

这也使得51系列的单片机无论是现在，还是将来具有强大的发展潜力。

在我国应用最为广泛的单片机机种是由美国Atmel公司研发生产的AT89系列单片机，AT89系列单片机内部最大的特点就是内部有一种电可摩除和电写入的闪速存储器，即FlashMemory（FPEPROM）。

在开发的过程中可以很容易地对程序进行修改，也使得编程和调试变得更为容易。

基于单片机上述的优越性，所以在这次设计中，系统的控制芯片我选择AT89C51芯片作为智能手机充电器的控制核心。

（2）电池充电芯片的选择方案

本次设计要求是完成快速充电的同时系统还应具有良好的电池保护能力。

如今的充电芯片种类繁多，价格也不尽相同，控制电路更是错综复杂。

经过翻阅资料，了解到主要常见的的智能充电芯片有：

SMC401、MAX1758、MAX1898等。

对这三种充电芯片作出以下综合分析之后，选择了MAX1898芯片作为本次设计的充电芯片。

（1）SMC401

SMC401充电控制芯片大多应用于手机锂电池的充电器，当然也可用于其他的锂离子或锂聚合物电池的充电。

在SMC401内部嵌有8位单片机，在SMC401的三个充电过程中（预充、恒流充电、恒压充电），可以为充电系统提供智能控制和智能检测。

此外，SMC401还可以根据锂电池充电在不同阶段的特点，作出精确地恒流或恒压充电，在充电过程中还可以为系统提供智能过流保护和温度检测及保护，并通过三色LED状态完成显示。

SMC401充电芯片的功能非常强大，集单片机于一体，是一款特别高级的集成芯片，是目前最具智能化的充电芯片。

它的优越性具体表现在：

根据锂电池的充电特点完成精确恒流或恒压充电；对锂电池进行电气性能修护，延长电池使用寿命；缩短充电时间。

（2）MAX1758

Max1758充电芯片也可以完成智能化充电，Max1758能够为锂电池提供了更加安全，更加高效的设计方法通过自动检测调节电压，电流和温度等参数。

它和MAX1898充电芯片差不多，具有低功耗、产热小、功能稳定。

由于其外围电路很复杂，