基于单片机的锂离子电池充电专业系统设计.doc

济南大学泉城学院毕 业 设 计题 目 基于单片机锂离子电池 充电系统设计 学 院 工学院 专 业 电气工程及其自动化 班 级 1301班 学 生 姚良洁 学 号 010873 指引教师 张兴达 魏志轩 二一七年五月十六日摘 要近几年来，便携式电子设备日益趋向轻量小型化，其中重要因素之一是锂离子电池广泛应用。随着锂电池在各个市场迅速发展，其充电与保护问题也随之而来。常用锂离子电池充电设备存在充电模式单一、充电过程批示模糊、保护功能缺失等问题。针对上述问题，本设计进行了相应研究与实践。本次课题设计是一种基于AT89C51单片机锂离子电池智能充电和保护系统。选取了高效简洁硬件设计和稳定可靠软件设计。硬件构成涉及单片机模块、充电控制模块、充电保护模块、信号采集模块、声光报警模块等。并结合MAX1898充电芯片，C51高档语言编程软件设计，使系统具备检测锂电池充电状态，依照各个阶段自动切换充电模式，显示充电进度，充电器短路保护，布满电后自动关断等功能。通过Proteus进行仿真，效果良好，提高了手机电池使用效率，延长了电池使用寿命，充分保证了锂离子电池充电过程安全性，实现了智能充电。仿真实物制作为锂电池充电器研发提供了根据。核心词：单片机；传感器；锂离子电池；智能充电ABSTRACTIn recent years，portable electronic devices are becoming lightweight and smaller，and one of the main reasons is the widespread use of lithium-ion batteries. With the rapid development of lithium batteries in various markets，the problems of charging and protection come along. The charging device of common lithium-ion battery has such problems as single charging mode，unclear indication of charging process and lack of protection function. In view of the above problems，this design has carried on the corresponding research and the practice.This topic is based on the design of a single chip AT89C51 lithium-ion battery intelligent charging and protection system. We chose the highly efficient and simple hardware design ，the stable and reliable software design. The hardware includes MCU module，charging control module，charging protection module，signal acquisition module，sound and light alarm module and so on. Combined with the charging chip MAX1898，C51 programming language software design，the system has the detection of lithium battery charging status，automatically switching the charging mode according to the various stage，display charging progress，charger short-circuit protection，automatic shutdown after full charge and other functions. Through the Proteus simulation ，the effect is good，the utility model improves the service efficiency of the mobile phone battery，prolongs the service life of the battery，ensures the safety of the charging process of the lithium ion battery，and realizes the intelligent charging. The production of the simulated object provides the basis for the research and development of lithium battery charger.Key words：SCM；sensor；lithium-ion battery；intelligent charging目 录摘要IABSTRACTII1 前言11.1 研究背景和意义11.2 国内外研究现状11.3 本文研究内容22 锂离子电池充电原理及特性42.1 锂电池构造及特点42.2 锂电池充电原理52.3 锂电池充电特性62.3.1 锂电池工作电压62.3.2 锂电池充电电流72.3.3 锂电池最佳工作温度72.3.4 锂电池循环使用寿命72.4 锂电池充电方式72.4.1 线性充电方式82.4.2 开关充电方式82.4.3 脉冲充电方式82.5 锂电池充电时应注意安全问题93 硬件设计103.1 系统硬件总体设计103.2 单片机最小系统103.3 充电电路113.3.1 MCU选取113.3.2 充电电路设计123.4 A/D采集电路133.5 液晶显示电路133.6 保护电路143.7 报警电路144 软件设计164.1 Keil164.2 主程序设计164.3 子程序设计174.3.1 信号采集模块174.3.2 短路保护模块174.3.3 LCD液晶显示模块184.3.4 定期器中断模块194.3.5 报警模块195 系统仿真与制作215.1 系统仿真215.2 PCB板设计215.3 电路板制作225.4 系统调试236 结论25参照文献26道谢27附录一：电路原理图28附录二：PCB图29附录三：实物图30附录四：元器件清单31附录五：重要源程序321 前言1.1 研究背景和意义近年来，便携式电子产品迅猛发展，加快了电池技术更新换代速度。二次电池发展也经历了诸多阶段，重要有铅酸电池、镍镉电池、镍氢电池以及锂离子电池。其中锂离子电池作为20世纪末浮现可充电电池，凭借其重量轻、能量密度大、功率大、无记忆效应、无污染、自放电系数小、循环寿命长等长处，在各个市场迅速发展，被广泛应用到生产生活中，深受社会欢迎。当前已广泛应用于智能手机、笔记本电脑、数码相机及众多便携式设备，其中笔记本电脑占23%，手机占50%，为最大领域1。电子、信息及通讯等3C产品均朝向无线化、可携带化方向发展，对于产品各项高性能组件也往“轻、薄、短、小”目的迈进，而锂离子电池是最佳电源供应来源。锂电池也被称之为“最有应用前程化学电源”，甚至被称为“极限电池”或“最后一代电池”。当前便携式电子设备功能变得多样化，耗电也越来越快，给设备充电频率也越来越高，运用移动电源来保障户外充分供电受到了广大消费者支持。同步，其作为新兴能源材料，正朝着多元化方向蓬勃发展，进一步研究和开发锂离子电池对发展与能源密切有关各项产业都具备非常重要意义。随着锂离子电池性能不断提高和成本不断减少，该系列电池也逐渐应用于交通工具、航空航天、军事、医疗等其他方面领域，以其独特魅力将成为最具发展前景可充电电池2。1.2 国内外研究现状随着科技不断进步，各式各样充电电池竞相浮现，人们在考虑到电池性价比同步，更但愿可以随时随处给电子设备充电，便携式移动电源越来越受到广大消费者欢迎。锂离子电池具备高性能密度、绿色环保优良特性，在当前世界具备很大发展潜力。市场对于锂离子电池充电芯片安全和功能性能规定越来越高，为了保证锂离子电池在充电时可以安全稳定工作，国内外专家对锂离子电池充电管理系统进行了广泛和进一步研究3。当前针对便携式电源应用，MAX1898充电芯片具备高集成度，超薄型MAX封装，集转换、调节、控制、保护为一体，可以对电池进行精准恒流恒压充电，保证充电过程迅速、安全和智能。虽然国内已是仅次于日本锂离子电池生产大国，年增长率已超过20%，市场增长空间巨大，但并非强国，在全球锂离子电池产业仍处在低端。随着手机顾客日益增多，如何保养手机也成为了众多手机使用者面临一种实际问题，而手机锂离子电池作为手机一种重要构成某些，直接影响了使用寿命和性能。智能手机屏幕越来越大，功能越来越多，既有锂离子电池产品越来越难以满足需求，选取适当充电器，可以延长咱们手机锂离子电池充电循环使用寿命。在20世纪90年代锂离子电池上市以来，便携式设备迅速崛起，使得消费者普遍通过移动电源代替原厂配备充电器给便携式设备充电。在国家重点项目勉励下，锂离子电池向大规模方向发展，在各行各业得到应用。日本生产锂离子电池在21世纪初就达到了5亿，占全球90%，并预测锂离子电池正以飞迅速度取代老式铅酸、镍镉和镍氢电池市场4。当前国内外移动电源市场中都浮现了各种各样知名品牌，国内市场重要有羽博、爱国者、品胜、三洋等品牌，国外市场比较知名有INCIPIO、GOLF、TPOS等品牌。此外，各种移动电源容量也越来越抱负，颜色种类也随着购买量增多而丰富起来，消费者可以依照自己喜好购买自己喜欢移动电源。与此同步，随着移动电源种类越来越多，在移动电源产品中也存在诸多需要解决问题。例如：锂电池充电所需时间过长，USB输出电压不稳定，使电能转化效率较低，输出保护较为单一，输出为大电流时电池散热性能不好等。相较于国外而言，国内锂电池智能充电系统性能欠佳，诸多功能不是很完善，这还需要咱们研究所工作人员加大研究力度。1.3 本文研究内容本文结合MAX1898智能充电芯片设计了基于AT89C51单片机锂离子电池智能充电系统。MAX1898充电芯片内部包括电流电压温度检测器、主控器、电压转换器、定期器，可以实现对电池精准恒流恒压充电，在充电过程中监测每个阶段充电过程，成本较低，电路简朴。它与具备强大控制功能AT89C51单片机协调工作，充电效果变得更好，充电时间短、安全性高，对锂电池损害小，实现了手机锂离子电池预充、迅速充电和恒压充电。本次设计选取了6N137单通道高速光耦合器，可以实现定期切断充电电源，也使锂电池循环使用寿命更长。使用Keil C51单片机软件系统作为开发工具，进行了详细软件程序编写和调试。系统重要涉及锂离子电池充电系统硬件方案设计、硬件系统所涉及到元器件参数计算及型号选取、锂离子电池单片机系统软件流程图设计及程序实现、整体系统调试、校验以及优化调节5。详细研究内容如下：(1)一方面简介了本文选题背景和意义，通过对锂离子电池充电系统国内外研究现状和发展趋势研究，设计了本文研究内容。(2)对锂电池特性进行分析，简介锂电池充电方式和工作原理，以及在锂离子电池在应用过程中遇到重要问题和解决方案。(3)选取适当充电芯片，合理设计系统硬件总体方案，实现锂离子电池智能充电，并对设计各模块硬件电路设计进行详细简介。(4)详细简介了Keil C语言软件编程系统，通过研究硬件电路，对系统进行软件设计，其中涉及主程序和各个子程序软件设计流程，简朴简介了该程序所实现功能。(5)进行系统组装和调试。设计PCB板，进行元器件焊接组装，对电路板通电前、通电时和整机进行参数整定和系统调试。(6)对锂离子电池充电器设计整个过程得出结论，对局限性地方进行改正。2 锂离子电池充电原理及特性2.1 锂电池构造及特点锂电池重要是由正极、负极、电解液、隔膜、外壳和电极引线构成，有圆柱型和方型两种构造。普通采用含锂过渡金属氧化物作为正极材料，如锰酸锂、磷酸钛锂和镍钴锰酸锂。而负极材料普通采用石墨。正负极之间传递锂离子电解液采用是含锂盐有机溶液。在电池材料中，隔膜作为核心内层组件，用来隔离电池正负极，并且隔膜是容许锂离子通过，可以防止电池自放电和短路现象发生6。锂电池构造图如图2.1所示。 图2.1 锂电池构造锂离子电池重要特点如下：(1) 高能量密度。单位质量或单位体积能量比较高。(2) 电压高。单节锂离子电池工作电压为3.6V，可以相比于3只镍氢或镍镉串联充电电压。在可充式化学电池中，相比较来说，锂离子电池工作电压是最高。(3) 自放电率小。锂电池自身放电率不到镍氢电池1/20，自放电率可达到1%/月，因而可以进行长时间存储。(4) 无记忆效应。锂电池在充电前不需要进行放电操作，由于它不存在像镍镉和镍氢等可充式化学电池那样记忆效应。(5) 污染小。锂电池中不具有对环境导致严重污染镉、铅、汞等重金属元素，可以称为是最先进绿色电池。(6) 寿命长。在正常工作状态下，锂电池循环寿命远超过镍镉电池和镍氢电池，高达1200次。(7)成本高。可充电电池价格整体是呈上升趋势，但与其她可充电池相比，锂电池价格是比较昂贵。2.2 锂电池充电原理依照锂电池充电电流和容量大小，拟定出锂电池充电所需时间。将锂离子电池充电过程分为预充电、恒流充电、恒压充电和终结充电四个阶段。采用限压恒流充电方式对电池进行充电，保证了可以给锂电池安全可靠地充电，同步也延长了电池使用寿命7。充电过程曲线如图2.2所示。图2.2 充电过程曲线图(1)涓流充电涓流充电指是在预充电阶段，大电流对于电池来说是无法承受，如果电压低于3V，就要对电池进行小电流充电，咱们称之为浮充。涓流充电时电流为恒流充电电流十分之一，即0.1C。在不发生故障状况下，系统会以涓流充电方式，用工作直流电源对电池进行充电。涓流充电电路如图2.3所示。图2.3 涓流充电电路图(2)恒流充电随着充电过程进行，电池电压会上升，此时就可以提高充电电流，以容许最大电流进行充电。当采用0.2C至1.0C恒流充电时，电池充电效率得到提高，节约了充电时间。这时，充电电压也在逐渐升高。恒流充电电路如图2.4所示。图2.4 恒流充电电路图(3) 恒压充电恒压充电电路如图2.5所示。电压在逐渐上升过程中，当接近或达到满充电压，即电压为4.2V时，就会从恒流充电转入恒压充电阶段。此时，保持满充电压基本不变，在将近布满过程中，为了防止过充危险，就会转入小电流充电，充电速度变慢。这种恒压充电方式充电电流是由电池两端电压来决定，初期采用大电流，末期则采用小电流。在充电末期，需要依照充电电流对电阻值进行调节，从而使充电电流不会超过电池容许值。这种机构简朴、成本较低恒压充电电路，被广泛应用充电器中8。图2.5 恒压充电电路图(4) 终结充电通过恒压充电阶段，随着电流不断下降，充电速率就会下降，当下降到0.1C时，阐明电池已经达到满充状态，此时将电源断开，终结充电。2.3 锂电池充电特性2.3.1 锂电池工作电压当前，锂电池有3.6V和3.7V两种不同额定电压，咱们普遍使用是额定电压为3.7V锂电池。锂电池截止充电电压与阳极材料关于：采用石墨材料为4.2V；采用焦炭材料为4.1V。电池终结放电电压普通为2.75V左右，在使用过程中，要防止过充和过放危险状况。在锂离子电池充电时，电压超过4.3V，就会浮现过充现象。过充时负极石墨嵌入锂离子完全饱和，使得锂在负极沉积下来，导致电池容量减小；同步由于电池继续要正极产生锂离子，导致成正极材料活性下降。当充电电压超过4.5V时，就会使电解液分解，产气愤体，导致电池内部压力上升，电池受到不可逆转破坏。当电池电压低于终结电压后，仍继续放电话会导致电极产生晶枝，最后电池内部浮现短路现象9。2.3.2 锂电池充电电流锂电池在充电时，其电流是动态变化，是分阶段性。普通是容许大电流充电，但在提高充电速率同步，不能超过额定电流。如果工作电流过大，会升高锂电池温度，不但会损害锂离子电池内部构造，甚至也许引起爆炸，大大减少了锂电池循环使用寿命。这就规定在进行大电流充电时，必要要对其进行温度检测，保证安全充电。2.3.3 锂电池最佳工作温度锂离子电池能适应环境温度比较广，普通在-2060，但是当过低或过高时，都会使锂电池性能、放电能力下降。因而，咱们推荐锂电池工作温度在040。通过研究，电池要达到额定放电容量，环境温度应在25，在这个抱负温度下，手机工作状态最佳。当过低时，也许会影响手机护航能力，电池容量下降，浮现自动关机10。2.3.4 锂电池循环使用寿命通过实验表白，镍镉电池、镍氢电池循环使用寿命普通为300-600次，而锂离子电池循环使用寿命可达到600-1200次。尽管如此，锂电池循环使用寿命也会随着使用次数增多而逐渐衰减，也就是电池实际可用容量在不断下降。这重要是由于在循环使用过程中负极材料中锂离子逐渐被电解质氧化，可以使用锂离子数量减少；而正极材料晶状构造也会慢慢遭到破坏，逐渐老化，使可容纳锂离子数量减少。因而，为了减少对电池损害，需要咱们选取适当充电器，以对的充电方式对电池充电，延长手机锂电池使用寿命。2.4 锂电池充电方式能否使用对的充电方式，会影响到电池性能和使用寿命，因而对锂电池进行充电系统管理对研究手机智能充电器来说也是非常重要11。当前，重要有恒流恒压和脉冲电流两种充电模式。对于这两种充电模式，又分为三种充电方式：线性充电、开关充电和脉冲充电三种充电方式。采用恒流恒压充电方式在是线性和开关充电方式。2.4.1 线性充电方式锂电池线性充电方式系统复杂度小，成本较低，在这三种充电方式中其传导和辐射干扰是最小，但是功率损耗较大12。在预充电状态采用小电流，电压升高，进入快充阶段，电压达到4.2V后，进入恒压充电，电流减小。线性充电模块涉及传播电能晶体管、调节充电电流大小电阻和输入和输出电容等。系统中使用晶体管不但提供了充电回路，还把输入电压降到电池两端电压。线性充电方式系统构造如图2.6所示：图2.6 线性充电方式系统构造图2.4.2 开关充电方式开关充电方式相较于线性充电方式，其损耗减少了。开关充电方式普通由PWM控制芯片、MOSFET、电感、电容、肖特基二极管等元件构成类似同步降压（BUCK）变换器电路13。该电路可以将输入电压降至电池端电压。开关充电相比于线性充电最大长处，在于它可以在较宽输入电压和电池电压范畴内保持一种较高转化效率，损耗很低，因而非常适合应用在大功率、散热条件差、环境温度较高场合。但是这种充电方式也是有缺陷，系统复杂度较高，存在干扰问题。开关充电方式系统构造如图2.7所示。图2.7 开关充电方式系统构造图2.4.3 脉冲充电方式脉冲充电方式是对线性充电和开关充电方式综合，充电效率较高，并且不会产生热损耗。充电过程涉及预充电、恒流充电和脉冲充电。这种方式缩短了充电时间，增长了传播功率，有助于消除电池在充电过程中产生“极化”现象，活性材料运用率也提高了，电池使用寿命延长了。但是由于其需要一种限流功能电源，使得系统构造变得复杂，成本变高。2.5 锂电池充电时应注意安全问题锂离子电池已被广泛应用于咱们工作生活中，各种品牌移动电源都可以解决智能手机等某些数码产品容量偏低、续航时间不够长问题。近年来，随着顾客增多，锂电池所带来安全事故也是屡见不鲜。锂离子电池浮现安全事故重要因素有：(1) 锂电池自身因素。当浮现过电压、过电流、过充、温度过高或过低状况时，由于锂电池自身固有特性，也许会导致各种异常状况发生。因而对充电器有比较严格规定，操作稍微不当就也许导致安全性事故。(2) 锂电池材料选取不当。锂电池必要要选取安全正极材料、热关闭性能好隔膜以及设计合理保护电路。如果保护电路失效或材料选取不当，就也许会导致手机发生爆炸危险事故。(3) 顾客操作不当。如果顾客使用劣质充电设备，使用不对的充电办法，将会导致电池受到大电流大电压冲击，导致安全性事故。因而，咱们应当尽量采用有质量保证充电器，注意把握充电时间，采用对的充电方式，这样不但可以延长手机锂离子电池使用寿命，并且避免了安全事故发生。3 硬件设计3.1 系统硬件总体设计本次设计以AT89C51单片机为核心元件，结合MAX1898充电芯片，设计了手机锂离子电池智能调节充电系统。系统总体设计框图如图3.1所示。硬件电路设计包括单片机控制模块、供电模块、信号采集模块、复位电路模块、LCD液晶显示模块和声光报警模块14，电路原理图见附录一。单片机作为系统主控制器，负责系统运营参照电流电压给定，充电完毕或者保护状态时充电机关闭。锂电池充电过程中，会检测电路中电压、电流和温度等参数，将检测到信号送入AD转换器，通过A/D转换，读入数据解决器，将成果与设定参数值进行比较，判断该系统与否浮现故障，从而启动相应办法对电路进行保护。当系统充电出错时，会启动声光报警电路，提示顾客。图3.1 硬件总体设计框图3.2 单片机最小系统本次设计单片机最小系统电路如图3.2所示，重要是由电源系统、晶振电路、复位电路和外部振荡电路等某些模块构成。在正常工作时，单片机系统晶振振荡器结合内部电路来提供单片机所需时钟频率。时钟频率是单片机执行指令保证和前提，单片机晶振振荡器提供时钟频率越高，单片机运营速度就越快。单片机系统在运营过程中，当受到环境干扰时，按下复位按钮，AT89C51单片机RST引脚就会接受到2个周期以上高电平，复位电路就会产生复位信号，使程序从头开始，单片机恢复到初始状态，重新开始工作。图3.2 单片机最小系统3.3 充电电路3.3.1 MCU选取为了满足本次设计规定，对于系统微控制器，咱们选取MAX1898芯片。MAX1898芯片有10个引脚，内部包括调节器、电流电压温度检测器、定期器和主控制器。采用 MAX封装，可以自定义电流，电压调节值为4.2V。该芯片结合外部PNP或PMOS晶体管，可以实现对锂离子电池精准恒流恒压智能充电，对每个充电阶段进行监测15。MAX1898芯片有如下基本特点：(1)4.5V12V输入电压范畴；(2)内置检流电阻；(3)0.75%电压精度；(4)可编程充电电流；(5)输入电源自动检测；(6)LED充电状态批示；(7)检流监视输出。MAX1898引脚图如图3.3所示。图3.3 MAX1898引脚图MAX1898作为智能充电芯片，在现实生活中应用也越来越普遍，被广泛地应用到手机充电系统中。由于其内部电路高集成度，减少了对直流电源规定，也使得整个设计系统电路复杂度减小，减少了成本。MAX1898芯片典型充电电路如图3.4所示。图3.4 MAX1898典型充电电路3.3.2 充电电路设计锂离子电池智能充电过程分为三个阶段：涓流预充电阶段、恒流充电阶段和恒压充电阶段。在单片机控制下，通过MAX1898智能充电芯片与外接充电电源和场效应管配合工作对系统充电状态进行实时反馈，依照主芯片设立电流和特定电压对锂电池进行充电。智能充电电路设计如图3.5所示。普通设立最大充电时间为3小时，保证正常充电过程不会被中断。当充电时间结束时，单片机INT0引脚收到信号，就会产生中断，电源会关断，并且会引起蜂鸣器，发出警报16。图3.5 充电电路3.4 A/D采集电路本次设计选用模数转换器为ADC0832芯片，ADC0832芯片是一种8位逐次逼近型模数转换器，可多路选取输入通道有两个。该模数转换器内部自带5V基准参照电压，尚有采样保持电路，使系统可以不需要扩展A/D芯片，就能同步对电压、电流以及温度信号进行采集。A/D采集电路如图3.6所示。图3.6 A/D采集电路3.5 液晶显示电路本次设计包括液晶显示模块，选用LCD_1602液晶显示屏。1602型LCD具备体积小，功耗低，显示内容丰富等特点，有64个字节自定义字符RAM，可以显示2行16个字符，即32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5V17。1602模块内部设有上电自动复位电路，当外加电压超过4.5V时，自动对模块进行初始化操作，设立为默认显示工作状态。在充电过程中，会在液晶屏上显示充电电压和充电进度，让顾客使用更以便。液晶显示电路如图3.7所示。图3.7 液晶显示电路3.6 保护电路依照规定，本次系统设计采用AT89C51单片机控制，结合MAX1898锂离子电池智能充电芯片，实现了对电路保护功能。短路保护是指由外部中断告知单片机，使其在中断程序中启动短路保护，从而切断主回路，实现对电路保护。过流保护是指当有大电流在负载上流过时，元器件也许会由于超过额定电流而导致损坏，这时会使过放电控制管截止，停止向负载放电，这样保护了锂电池也保护了场效应管。锂离子电池选用精准恒流恒压充电方式，当浮现过充、过流现象时，系统也会及时切断充电回路，实现了锂离子安全充电。MAX1898芯片如图3.8所示。图3.8 MAX1898芯片3.7 报警电路当充电器电压、电池电压、电池温度不满足充电条件时，就进入了异常解决状态，这时，蜂鸣器会报警。当单片机检测到锂电池电量布满之后，就会自动切断对MAX1898芯片供电，MAX1898输出信号CHG引脚会发出周期为4s脉冲，单片机INT0引脚接受中断后，产生中断，并使单片机T0计数器开始计数，当下一种脉冲到来时，在定期器程序中判断单片机计数值与否在4s左右，如果是，则通过控制P1.2和P1.3引脚关断电源，MAX1898芯片外接LED绿灯会熄灭，并引起蜂鸣器报警。报警电路如图3.9所示。图3.9 报警电路4 软件设计4.1 Keil本设计软件程序编写和调试使用是德国Keil Software公司研发Keil C51单片机软件开发系统。该系统支持各种编程语言设计，涉及汇编语言和C语言，Keil C51提供了C编译器、宏汇编、库管理、连接器和仿真调试器等软件开发所需功能，是一种集成开发环境，可用于编辑，编译，仿真等。并提供了丰富库函数，为软件开发提供较好设计平台，为51系列单片机提供了以便简易、功能强大软件开发调试环境。4.2 主程序设计系统主程序设计如图4.1所示。本次设计需要外部AT89C51单片机配合MAX1898充电芯片来完毕工作。程序初始化后，检测电池与否接反，如果接反会直接报警，否则会开始对电池充电对于各充电阶段，使用不同算法，变化单片机输出PWM信号占空比，实现不同阶段充电控制，并显示充电状态。图4.1 主程序设计4.3 子程序设计4.3.1 信号采集模块程序初始化之后，启动看门狗定期器功能，防止了单片机因外界干扰导致程序不正常现象。启动A/D转换，进行电压、电流和温度采集，通过采集信号分析判断电池充电状态与否正常，保证充电正常运营。信号采集程序框图如图4.2所示。图4.2 信号采集程序框图4.3.2 短路保护模块本系统为了提高锂离子电池充电运营过程中安全可靠性，延长锂电池使用寿命，需要实时监控电池充电电压、电流，一旦浮现因大电流等因素导致短路状况时，就会由外部中断发出电路短路信号，规定单片机启动短路保护电路，解决不正常工作状态，从而避免发生爆炸等危险事故，保证充电过程正常运营18。短路保护程序设计框图如图4.3所示。图4.3 短路保护程序框图4.3.3 LCD液晶显示模块系统初始化后，当有按键操作时，在LCD_1602液晶显示屏上会每个充电阶段电压和充电进度。LCD液晶显示程序框图如图4.4所示。图4.4 LCD液晶显示程序框图4.3.4 定期器中断模块定期中断程序框图如图4.5所示。通过一系列外部触发、中断和计数，按照指令一步步完毕操作。当中断发生时，主程序就会暂停，然后跳转到相应中断服务程序，执行完毕之后，返回到主程序位置继续运营。图4.5 定期器中断程序框图4.3.5 报警模块系统开始工作，程序初始化，一方面系统会对充电器电压、电池电压、电池温度进行检测，当系统浮现故障不满足充电条件时，就进入了异常解决状态，表达充电状态LED绿灯就会熄灭，并调用子程序发出信号，蜂鸣器会报警。当检测到没有充电故障时，系统会继续进行充电，直到单片机检测到MAX1898芯片对锂电池完毕充电，CHG引脚会发出周期为4s脉冲，单片机INT0引脚接受中断后，产生中断，并使用单片机T0计数器开始计数，当下一种脉冲到来时，在定期器程序中判断单片机计数值与否在4s左右，如果是，则通过控制P1.2和P1.3引脚关断电源，充电结束，LED绿灯熄灭并引起蜂鸣器报警。报警模块程序框图如图4.6所示。图4.6 报警模块程序框图5 系统仿真与制作5.1 系统仿真本次设计采用Proteus软件系统对电路进行仿真。将电路中所需要元器件从库中选用出来，放到适当位置，依照电路图进行连线，连线完毕后通过Keil程序编辑软件将编写好程序导入到AT89C51单片机中，按下运营按钮进行仿真，仿真电路图如图5.1所示。图5.1 仿真电路图5.2 PCB板设计PCB板设计重要指是版图设计，是依照电路原理图来设计。PCB板设计直接影响着硬件设计成败，必要要保证其对的性。原理图需要进行编译，确认无误之后，对元件和电路进行布局和布线，为了避免元件与电路之间影响，应尽量将版图设计优化，将元器件有规则摆放整洁。在电路原理图绘制完毕之后，一方面要检查每个元器件封装。在此咱们运用Protel设计软件，在它集成库中直接修改原理图每个元器件封装，然后再使用设计项中Update命令，将修改后封装传递到同一项目中PCB中19。建立一种新PCB文献，等到电路原理图成功传递到PCB后，对元器件进行布局，对电路布线连接，需要依照实际状况进行元器件位置调节和PCB走线调节。在布局和布线时应当注意问题如下：(1) 以主控元件为中心进行布局，通过各元器件之间联系，进行摆放；(2) 为以便后来焊接，放置元器件时不要太密集；(3) 尽量使去耦电容和VCC接近布局，电源线和地线恰当加粗；(4) PCB覆铜时，器件管脚用热焊盘方式焊接；(5) 布线时不能浮现不大于90度角，以防尖端放电和腐蚀过度。将DRC选项打开，使用动态布线以完毕手动布线。在元器件布局、布线完毕之后，对各项目进行检查和复查，无误后完毕P