楊柳

內(nèi)容摘要：設計手機充電器主要是以恒流源和恒壓源為核心，用AT89S52單片機做主控芯片，通過A/D、D/A芯片對采樣信號進行數(shù)字化處理和轉(zhuǎn)換輸出控制信號，利用MOS管的工作特性對電路中電壓電流等參數(shù)實現(xiàn)精確控制，LCD顯示屏實時顯示工作狀態(tài)的智能型數(shù)控充電電源是一種功能相當完善的數(shù)控充電充電器，達到了可充電電源進行保護性充電等功能。本論文分析了該手機充電器的工作原理，展示了該電源的電路圖，并且詳細介紹了該電源的硬件軟件設計，總體展示了該電源的整體內(nèi)外設計流程。

關鍵詞：保護性充電? 控制? 恒流? 恒壓

1.緒論

1.1設計背景

從18世紀法拉第發(fā)現(xiàn)了電磁現(xiàn)象以來，人類社會便進入了電子時代。經(jīng)過不斷發(fā)展，電子產(chǎn)品越來越多地呈現(xiàn)在我們面前。由于電能的清潔高效、易于轉(zhuǎn)變成其它形式的能源的特點，電子技術越來越被人們重視。充電器是伴隨著充電電池的發(fā)展而發(fā)展的，早期出現(xiàn)的充電器多為鎳鎘電池充電器，當今世界消費者和行業(yè)環(huán)保意識正在不斷增強，堿性電池和有毒金屬鎘等二次電池的市場逐步變小，可充電電池得到了廣泛的應用。鎳鎘電池作為一種便攜式電源，具有體積小、容量大、內(nèi)阻小、輸出電壓穩(wěn)定、重復充電等特點，越來越多地應用于計算機、電子測量儀器和各種通信設備中。由于鎳鎘電池的價格比普通鋅錳電池昂貴，因此我們需要科學合理地使用鎳鎘電池。而選擇正確、可靠的充電方式是充分發(fā)揮鎳鎘電池效能和保證其壽命的關鍵[1]。

1.2設計目的

目前市場上手機充電器種類很多，但產(chǎn)品質(zhì)量很差。去年，近40%的生產(chǎn)企業(yè)未能通過國家產(chǎn)品質(zhì)量監(jiān)督部門的檢測結果。主要問題有以下幾個方面：與交流電源的連接，電源側的電壓干擾，輻射干擾場強和充電電壓。另外，有些產(chǎn)品存在質(zhì)量問題，如低溫性能，額定容量和安全性能。這些質(zhì)量問題不僅會影響手機的正常使用，還會影響手機的使用壽命，嚴重者還可能造成消費者傷害。市場上有一些便攜式充電器用于假冒手機。這些充電器非常便宜且便于攜帶。許多消費者更喜歡使用這些充電器給手機電池充電。事實上，可憐的充電器是一個沒有安全保證的簡單變壓器。由于缺乏保護電路等內(nèi)部安全元件，其重量遠遠低于原產(chǎn)品的重量[2]。由于現(xiàn)在的手機電池大多用作鋰電池或鎳氫電池的核心，因此對充電器的電壓和電流特性以及安全保護有很高的技術要求，這些假冒和偽劣皮帶僅為您的騎行而設計。不好的材料質(zhì)量和粗加工會對我們手機電池的性能和壽命產(chǎn)生很大的影響。

因此，沒有保護電路的充電器無法保證手機充電時電流的穩(wěn)定性，并有電池燒毀甚至爆炸的危險。因此，針對上述各種情況，我們專門設計了一款可靠、便攜、價格低廉的手機充電器。

2.設計方案

電路電源由變壓器T降壓，二極管VD1至VD4整流。三端調(diào)節(jié)器塊A1調(diào)節(jié)電壓并提供C1和C2濾波器。在供電之后，向充電器提供穩(wěn)定的9V直流電壓以供使用。電壓比較器由時基電路A2構成。在其控制端，引腳5具有齊納二極管VS（穩(wěn)定電壓為5.6V），因此電路的復位電平設置為5.6V。發(fā)光二極管VL是充電指示器。

1節(jié)5號鎳鎘電池正常工作電壓為1.2V，充電終止電壓為1.4V左右。G為4節(jié)待充的鎳鎘電池，所以充電終止電壓為4×1.4V=5.6V。將電池裝入充電支架后，合上電源開關S，便可開始充電。電路工作過程：由于電容C3兩端的電壓不能突變，當電源接通時，A2引腳2為低電平，A2為觸發(fā)置位，3引腳輸出為高電平，這個高電平由電位器RP，二極管VD5給電池充電G并更改RP值以調(diào)整充電電流[1]。此時，A2的7腳懸空，VL燈指示電路正在充電。當充電繼續(xù)時，G兩端的電壓逐漸增加。當上升到5.6V時，A2復位，引腳3輸出低電平，充電自動終止。同時，A2內(nèi)放電管導通，7針輸出低，VL熄滅，充電結束。

3.系統(tǒng)原理及理論分析

3.1單片機最小系統(tǒng)組成

單片機系統(tǒng)是整個系統(tǒng)的核心部分。它主要用于鍵盤按鍵管理、數(shù)據(jù)處理、實時采樣和分析系統(tǒng)參數(shù)以及部分反饋環(huán)節(jié)的整體調(diào)整。它主要包括AT89S52單片機、模數(shù)轉(zhuǎn)換器和數(shù)模轉(zhuǎn)換芯片。

3.2系統(tǒng)性能

系統(tǒng)通過單片機整體控制，簡化了電路，避免了使用分立元件的繁瑣和相互干擾，提高了系統(tǒng)整體的穩(wěn)定性，恒流充電部分利用MOS管的高阻特性，很好地控制了回路電流的穩(wěn)定性，恒壓充電部分，集成三端穩(wěn)壓器的使用保證了負載兩端電壓的穩(wěn)定，恒壓和橫流充電的結合實現(xiàn)了負載的安全性充電，實驗證明該充電電源結構簡單，慢充、快充可選，使用方便，使用PT1000使電路更加安全。

4.統(tǒng)的硬件設計

4.1 系統(tǒng)的總框圖

本系統(tǒng)主要通過單片機采樣實現(xiàn)負載的保護性充電（當負載電壓低于設定電壓閾值時為恒流充電狀態(tài)，等于設定電壓閾值時為恒壓充電狀態(tài)），且慢充快充可調(diào)，并能實現(xiàn)過熱保護。LCD 12864負責顯示負載電壓、充電電流、充電時間。當負載電壓小于10V時信號經(jīng)ADC和單片機處理后送到功放電路，輸出信號對壓控恒流元件進行控制，實現(xiàn)負載的恒流充電;當負載電壓等于10V時，信號通過處理經(jīng)過穩(wěn)壓電路對負載進行恒壓充電。通過鍵盤可以實現(xiàn)慢充和快充的切換，PT1000的應用實現(xiàn)了系統(tǒng)的過熱保護，并可以自動恢復，進一步保證了安全充電。

4.2 恒流充電原理

當負載電壓發(fā)生變化，將采樣電阻獲得的信號經(jīng)A/D轉(zhuǎn)換變成單片機可以識別的數(shù)字信號，送給單片機處理，最后通過D/A轉(zhuǎn)換整理出處理后的信號，送到MOS管，MOS管具有恒壓控制恒流的作用，即當Ugs和Uds恒定時可以得到恒定的電流Id，實現(xiàn)了負載的恒流充電[7]。

恒流源采用的是MOS管，它的VGS為20V，ID為33A。截止時，最大漏電流為1μA，導通電阻僅有0.04Ω。

4.3 恒壓充電原理

恒壓充電和恒流充電信號采樣和處理采用同樣的方法，只是恒壓充電時，信號被處理后反饋到另一條支路，通過三端穩(wěn)壓器組成的恒壓源對負載進行恒壓充電。

4.4過熱保護控制

為了使本數(shù)控充電電流源能更好的實現(xiàn)安全性充電，我們使用了PT1000溫度傳感器對溫度進行實時監(jiān)測，一旦有過熱現(xiàn)象，采樣電阻會將檢測到的信號傳給單片機，斷開充電回路，當溫度下降，又會通過單片機控制，自動恢復。

5.系統(tǒng)的軟件設計

分析：電路中被充電電源的狀態(tài)改變主要表現(xiàn)在其內(nèi)阻的變化，因此我們采用了電壓源串聯(lián)可調(diào)電阻的方式模擬電源在充電的各個時期其內(nèi)阻的變化狀態(tài)，經(jīng)精確測量得上表，滿足了負載電阻變化時電流浮動不超過3mA的要求。

參考文獻：

[1]小功率超級電容獨立電源的研究與設計[D]. 奚勇.昆明理工大學 2014

[2]基于超級電容的雙向變換能量存儲系統(tǒng)的研究[D]. 佟德軍.哈爾濱工業(yè)大學 2012

[3]超級電容荷電狀態(tài)計算方法的研究[D]. 郝國亮.華北電力大學 2012

[4]單片機接口技術.第一版.張道德中國水利水電出版社，2017

[5]系列單片機應用與實踐教程.第一版.周向紅. 北京航空航天大學出版社，2016