智能手机充电器的设计与实现

编号

南京航空航天大学金城学院

毕

题 目

学生姓名

学 号 系 部

专 业

班 级 指导教师 业设计 手机充电器的设计与实现 吕威 2010032309 自动化系 电气工程与自动化 20100313 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）：

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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

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Design and implementation of mobile phone

charger

Abstract

With the rapid development of science and technology today , the phone gradually moves into people 's daily lives and becomes an integral part. So the intelligent phone charger will become increasingly important. Now the mobile phone charger , on the one hand lacking of intelligent charging function, can only accomplish charging without necessary alarm and display ; On the other hand this charger does not have corresponding measures to protect the battery .It makes the cell phone battery’s life sharp less.This design uses TC89C51 MCU to address this situation and control the MAX1898 chip , showing charging time on the digital tube by 74HC595 chip. In addition , STC89C51 MCU chip can also achieve the state of charge , and display through the LED .The red light indicates charging , the green light indicates charging is complete. Hardware circuit module includes a MCU , a power circuit , a charging circuit module and a display circuit module . We use

C language programming as SCM program , completing the control of MCU , and then completing a series of charging process , to achieve the intelligent mobile phone charger and extend battery life. Key Words: Intelligent Battery Charger, MCU, C Programming Language

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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。

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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，

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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。。。。

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

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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。

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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。

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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。

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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

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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

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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，

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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。

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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Flash Memory （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、

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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，所以不适合本次设计。 （3）MAX1898

MAX1898充电芯片也可以精确的提供恒压/恒流充电。是一款10引脚、超薄型的芯片，可以对多种锂电池进行充电。充电电流可以自己设定，并采用内部检流，不再需要检流电阻, 而且外部电路非常简单。MAX1898充电芯片对充电电池的电压调节精度很高，约±0.60%，这样不仅缩短了充电时间，而且还延长了电池的使用寿命。

MAX1898的电气特性如下： ① 4.5V-12V输入电压范围； 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充电状态指示； ⑦ 检流监视输出。

MAX1898管脚图如图2.4所示：

图2.4 MAX1898管脚图

MAX1898各管脚特性如下：

① IN：传感器输入，检测输入电压和电流。 ② CHG：LED 驱动电路。

③ EN/OK：使能输入/电源输入“OK ”。 ④ ISET：电流调节。 ⑤ CT：安全的充电时间设置。 ⑥ RSTRT：复位引脚。 ⑦ BATT：接电池正极。 ⑧ GND：地。

⑨ DRV：外接电阻驱动器。 ⑩ CS：电流传感器输入。

MAX1898的外部电路原理图主要包括：电压检测器、输入电流调节器、温度检测器、定时器、充电电流检测器以及主控制器，具体电路如图2.5所示：

输入电流调节电路的主要功能是限制电源总输入电流，电源总输入电流包括负载电流与充电电流。系统检测到输入电流超过所设定的限流门限时，就会减小充电电流，以此实现控制输入电流。如果在充电器中没有输入电流检测功能，则在系统在充电时，由于电源电流的变化比较大，所以要求电源可以产生最大充电电流与最大负载电流之和的电流。然而这样势必会造成电源的生产成本升高、电源体积变大，所以采用输入限流功能就可以降低充电器对电源的要求，输入电源的设计也得到了简化。

如下图2.5所示，MAX1898芯片外接P 沟道场效应管和限流型充电电源，可以实现安全有效的快充。该电路不仅可以做到功效耗散低，而且可以实现完成预充电，在充电过程中有

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过压保护和温度保护功能。

图2.5 MAX1898外部电路原理图

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第三章 手机充电器的硬件设计及实现

3.1单片机电路设计

3.1.1单片机AT89C51简介

AT89C51是一种带4K 字节闪烁可编程可擦除只读存储器的高性能CMOS 、低电压的8位微处理器，通常叫做单片机。AT89C51为许多嵌入式控制系统提供了一种低廉的设计方案，灵活性和实用性特别高。AT89C2051是在AT89C51基础上发展而成的一款比较精简版本，它具有AT89C51绝大部分的功能，体积更加小巧，特别受到电子设计者的青睐。

AT89C51和AT89C2051管脚图如图3.1所示：

图3.1AT89C51和AT89C2051管脚图

51单片机中包含中央处理器（CPU ）、数据存储器(RAM)、程序存储器(ROM)、中断系统、串行接口、并行接口和计数/定时器等几大单元。

单片机中用三大总线，即控制总线、地址总线和数据总线，将各个单元连接在一起，成为一个整体，共同完成控制过程。 单片机主要功能特性：

3.1.2单片机最小系统原理图

单片机最小系统有两部分电路组成：振荡电路和复位电路。

具体原理图如图3.2所示：

图3.2 单片机最小系统原理图

3.2电源电路设计

本次设计中电源模块的功能主要是将家用的220V 交流电转换+5V的直流电压，这就需要一个稳压芯片来实现。

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3.2.1稳压芯片LM7805介绍

LM78系列是常见三端稳压集成电路，输出正电压；而LM79系列输出的是负电压。LM78或LM79后面的数字表示该三端集成稳压电路的输出电压的大小。例如：

LM7806表示输出+6V电压；

LM7909表示输出-9V 电压；

LM7805是最常见的稳压芯片，输出+5V的电压。其内部有过载和过流保护电路，功能齐全，稳压效果好，所以被广泛使用。 LM7805主要特点如下：

① 输出电流可达 1A

② 输出电压有：5V

③ 过热保护

④ 短路保护

3.2.2电源模块主要工作原理

如图3.3所示电路原理图的输出电流1.5A 、输出电压为+5V的稳压电源。该电源模块由变压器T1（变比为220:12）、桥式整流电路BR1、防止自激电容C2、C4、滤波电容C1、C3和稳压芯片LM7805组成。

在本次设计中电源模块的主要作用是将输入的220V 交流电压变压器变压为12V 交流，然后经过整流桥，再经过稳压芯片LM7805稳压后最终得到的5V 直流电压，这个5V 电压可以为AT89C51单片机和MAX1898充电芯片进行供电，还可以为其它电路供电。

图3.3电源模块电路原理图

3.3充电控制电路设计

3.3.1充电芯片MAX1898介绍

MAX1898充电芯片也可以精确的提供恒压/恒流充电。 MAX1898是一款10引脚、超薄型的芯片，可以对多种锂电池进行充电。充电电流可以自己设定，并采用内部检流，不再需要

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检流电阻, 而且外部电路非常简单。

MAX1898芯片的实物图和引脚图如图3.4所示：

图3.4 MAX1898实物图和引脚图

3.3.2 MAX1898的充电原理

MAX1898充电芯片也可以精确的提供恒压/恒流充电。是一款10引脚、超薄型的芯片，可以对多种锂电池进行充电。充电电流可以自己设定，并采用内部检流，不再需要检流电阻, 而且外部电路非常简单。MAX1898充电芯片对充电电池的电压调节精度很高，约±0.60%，这样不仅缩短了充电时间，而且还延长了电池的使用寿命。

MAX1898的外部电路原理图主要包括：电压检测器、输入电流调节器、温度检测器、定时器、充电电流检测器以及主控制器。

输入电流调节电路的主要功能是限制电源总输入电流，电源总输入电流包括负载电流与充电电流。系统检测到输入电流超过所设定的限流门限时，就会减小充电电流，以此实现控制输入电流。如果在充电器中没有输入电流检测功能，则在系统在充电时，由于电源电流的变化比较大，所以要求电源可以产生最大充电电流与最大负载电流之和的电流。然而这样势必会造成电源的生产成本升高、电源体积变大，所以采用输入限流功能就可以降低充电器对电源的要求，输入电源的设计也得到了简化。

MAX1898芯片外接P 沟道场效应管和限流型充电电源，可以实现安全有效的快充。该电路不仅可以做到功效耗散低，而且可以实现完成预充电，在充电过程中有过压保护和温度保护功能。

3.3.3充电控制电路部分原理图

MAX1898芯片作为充电控制部分的核心器件，充电状态引出脚/CHG与74LS04取反后和单片机外部中断/INT0相连。图3.5为充电控制部分的电路原理图：

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图3.5 充电控制部分

3.4显示部分电路设计

3.4.1移位寄存器74HC595芯片介绍

74HC595芯片具有三态输出功能，拥有8位移位寄存器和一个存储器。数据由SH_CP的上升沿输入，在ST_CP的上升沿进入的存储器。若将两个时钟连在一起，那么移位寄存器比存储寄存器早一个脉冲。 移位寄存器有一个DS 串行输出Q7’、一个串行移位输入、一个异步的低电平复位。

存储器有一个三态的总线输出，是并行8位的。当使能信号端OE 出现低电平，存储器便会将数据输出到总线上。

74HC595芯片的功能管脚图如图3.6所示：

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图3.6 74HC595芯片的功能管脚图

3.4.2显示部分电路原理图

电路原理图中的三极管为共阳极数码管提供驱动电压。当三极管导通时，5V 电压就送到数码管共阳极，这样就能驱动数码管点亮。三极管在这个模块中还是开关作用。

74HC595芯片将51单片机传输过来的8位串行数据转换成8位并行数据，驱动数码管显示。

DS 为串行数据输入口；SH_CP为串行时钟输入口。

SH_CP在每次上升沿来临时，芯片内部的移位寄存器就会将数据左移一位，DS 决定最低位，而最高位数据移出丢失，次高位便成为最高位；

ST_CP在每次上升沿来临时，移位寄存器中的数据输出到存储器, 存储器直接和引脚Q0-Q7相连，存储器中的数据会在OE 为低电平时输出到Q0-Q7上，这样就完成了串行转并行的功能；

OE 是使能输出，低电平时，Q0-Q7输出存储器的值；高电平时，Q0-Q7呈高阻态；

MR 低电平有效，当出现低电平时移位寄存器被清零。

显示部分电路原理图如图3.4所示：

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图3.4显示部分电路原理图

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第四章 手机充电器的软件设计及仿真

4.1软件设计概括及程序流程图

4.1.1软件设计概括

软件设计主要是应用一些软件完成虚拟设计，以达到对硬件仿真的效果，在本次设计中主要用到的软件有protel 、proteus 和keil 软件。其中protel 软件用于绘制硬件的电路原理图，在绘制完成后，进而可以绘制PCB 图，这样便可完成印刷电路板；proteus 软件一方面可以绘制电路原理图，另一方面可以向51单片机中加载程序（hex 文件），从而实现仿真。Keil 软件的主要功能就是完成程序的编译和调试，在本次设计中，软件方面的程序编写，我选用的是C 语言。C 语言是一种非常实用的计算机的程序语言，它的编写相对而言比较容易， 比汇编语言简单并且具有汇编语言的优点，因此在软件设计中被广泛的应用。

4.1.2系统程序流程图

4.2 Protel软件绘制电路原理图和PCB 图

4.2.1Protel 软件介绍与电路图绘制

Protel 软件是一款非常实用的软件，它是由Protel Technology公司研制开发的电子电路设计软件，它拥有全方位的电路设计系统。这些设计系统主要包括六大组件：原理图设计系统、印制电路板设计系统、自动布线系统、可编程逻辑器件设计系统、电路仿真系统及PCB 信号完整性分析。它采用设计库管理模式，具有Client/Server（客户/服务器）体系结构，可以进行联网设计，同时还兼容其他一些设计软件的文件格式。

电路原理图设计就是使用电气图形符号来代表电子元器件，并把电路原理图中的元器件连接所需的导线、总线等用绘图工具来描述，以此来表示电路系统中各元器件的连接关系，这样既方便又形象的描述了电路系统。由此可见，我们用的是一种形象化、图形化的语言便可清楚的表示一个电路系统，给我们分析电路提供了方便。

Protel 软件绘制电路原理图的基本步骤：

（1）启动Protel 软件，执行File/New菜单命令，建立设计数据库文件。

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（2）再次执行File/New菜单命令，点击New Document对话框中Schematic Document图标，建立电路原理图文件。

（3）从元器件库中查找元器件，进行电路原理图绘制。

4.2.2 PCB图的生成

PCB 的英文全称是Print Circuit Board，即印制电路板。

PCB 制作的一般步骤是：

（1）启动Protel 软件，新建PCB 文件。

（2）对电路板进行定义（Design/Option）。

（3）加载PCB 元器件库，以备元器件选择。

（4）在工作区域放置元器件，做好元器件的布局。

（5）对PCB 板进行布线。

（6）PCB 的3D 效果预览

根据以上步骤，完成了手机充电器的PCB 图的设计，具体如图4.1所示：

图4.1 PCB原理图

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4.3 Proteus设计与仿真的开发过程

Proteus 仿真软件是一款非常实用的软件，Proteus 软件通常和Keil 软件搭配使用，给我们d 的电子电路设计提供了很大的帮助。特别是Proteus 软件的仿真功能，可以实现实物电路的模拟效果，而且不缺饭真实性。仿真过程不仅方便，而且很快捷，可以检测出实物设计过程中一些不必要的错误，是电路设计过程中不可缺少的一步。

Proteus 仿真过程大致如下：

第一步，根据程序流程图，在Keil 软件中编写电路设计所需要的源程序，编译完成后，找到Keil 软件自动生成的hex 目标文件；

第二步，在Proteus 软件的元器件库里找到所需要用到的元器件，画出仿真电路原理图；第三步，将在第一步中生成的hex 目标文件下载到单片机系统中（双击单片机加载hex 文件），点击开始，即可看到仿真效果。这样就可以将单片机系统中现实的工作状态完整而有效的显示出来，为后面实物的设计提供参考和反馈。

Proteus 软件的功能强大，方便使用，学习起来也十分方便，是电子电路设计者必须要掌握的电子设计软件。它和我们之前学习的软件基本上差不多，只要认认真真的学习再加上实际的动手操作，很快就可以熟练使用。

Proteus 软件具体的操作过程如下：

首先，运行Proteus 软件，进入到软件界面后，在左侧的工具栏中有一个英文字母P ，点击P ，就可以在其对应窗口的左侧输入所需芯片的关键字，这样就可以找到我们所需要的元器件；选中元器件并摆放在画图窗口，进而可以对元器件的参数进行修改设置；元器件选择完毕就可以进行下一步了，就是连接电路原图。

4.4智能充电器的仿真

本次设计的智能手机充电器的仿真采用的是检测充电电池端口的电压的方法，来模拟充电过程，检测电压用的是ADC0804AD 转换芯片。

当充电开始时，充电电池电压低于4.15V 时，单片机计时充电，数码管显示充电的时间。随着充电的继续，充电电池电压慢慢升高。当电压升到4.15V 时，充电完成，红灯熄灭，绿灯点亮，数码管显示时间即为充电所用的时间，完成充电时间锁存。当充电完成后，蜂鸣器也会响起，以提醒用户充电完成。

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用调节电位器的方法作为电压改变的手段，随着电位器电阻的变化，ADC0804采集的电压信号也就随之改变，以此来模仿充电过程。

仿真效果如图4.2所示：

图4.2仿真图

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第五章 系统调试及运行结果

5.1电源模块调试

电源模块调试的主要目标是将家用的220V 交流电转化成5V 的直流电，完成给单片机、各芯片和手机充电。

将焊接好的电源模块，做一个整体的检查，首先把每一个元器件检查一遍，看看是否出现漏焊和虚焊，看看元器件的值是否正确。之后，用万用变检查焊接线路的通断。

下面一步比较危险，就是将电路上电，之所以说这一步比较危险，是因为如果元器件焊接错误，或电路出现短路，会直接导致电容的爆炸，所以前期的检查是必不可少的，也是非常关键的。电源模块主要作用是将输入的220V/50HZ的交流电压通过变压、整流、LM7805芯片稳压后得到的5V 直流电压为AT89C51单片机和MAX1898锂离子电池充电芯片进行供电，同时也为其它电路提供合适的电压。所以这一步检查的是电源模块输出端的电压是否为5V ，这将直接决定整个电路设计的成功与否。

经过上电以后测量，发现电压在5.2V ，因为手机充电的电压一般为5V ，所以差别不大，应该不会有多大影响。

就这样电源模块调试完毕

5.2显示模块调试

这一部分的调试主要还是检查线路的焊接情况，看看是否出现漏焊和虚焊，看看元器件的值是否正确及各个管脚对应的是否正确。

最容易出错的地方，主要是电路中三极管的焊接，因为三极管的管脚比较难分辨，所以焊接时容易出错。本设计中的数码管为共阳极数码管，三极管是提供驱动电压的。当三极管导通时，5V 电压就送到数码管共阳极，这样就能驱动数码管点亮。三极管在这个模块中还是开关作用。

5.3系统整体调试及运行结果

将各个模块调试完毕后，最重要的事就是将各个模块连接在一起，使其能够构成一个完整的系统，之后再进行最后的、总的调试。

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将编好的程序加载在51单片机中，然后将单片机安装在电路板中的插槽上，之后便可以就行系统调试。

接通电源，电源指示灯变亮，说明电源部分没有问题，但是蓝灯不亮，蓝灯是没有连接手机时，也就是没有充电时的只是灯，P1.0口接的是蓝灯，断电之后检查发现由于自己的粗心大意将发光二极管接反了，于是断电就行修改，经过改正再次通电这次一切正常了，在没有充电时，蓝灯亮，连接上手机之后，单片机P1.0，P1.1，P1.2，检测充电状态，不充电时, 蓝灯亮，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。

系统运行结果实物图如图所示：

充电器处于没有充电状态，蓝灯亮，数码管显示时间为零，如图5.1所示：

图5.1 充电效果图（未充电）

充电器处于充电状态，红灯亮，数码管显示开始计时，如图5.2所示：

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图5.2充电效果图（充电中）

充电完成，绿灯亮，数码管锁定充电时间，蜂鸣器滴滴提示充满电，如图5.3所示：

图5.3 充电效果图（充电完成）

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第六章 工作总结与展望

6.1工作总结

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；用MAX1898芯片作为充电管理芯片，能够实现报警、保护和智能显示等各种功能；因此，这种研究方法在手机充电器智能化的研究过程中突颖而出。满足大众需求的智能手机充电器的设计中主要控制器件是51单片机，其中51单片机在此设计中的控制中枢，起到的是控制充电过程的作用。AT89C51单片机的控制过程是系统的、全面的，并不是简单得控制充电器给手机充电、断电，而是具有高效率、安全可靠性、更加精确的充电过程。设计应该完成的充电过程是：预充电、快速充电、充电完成、自动断电、报警、智能显示等过程，这样就可以实现高效率地充电，并且确保在充电过程中没有过度充电的情况，这样也就可以延长了电池的寿命。此外，认真研究锂电池的本质特点，是本次设计必不可少的环节。本设计采用了MAX1898充电管理芯片来作为充电器的充电芯片，完成预充电、快速充电、充电完成、自动断电、报警、智能显示等过程，从而实现智能充电。 这也是根据锂电池的充电特点提出的设计方案。

本次毕业设计中，必须重点把握以下几个关键点：

（1）在电源模块中，如何精确地实现将220V 家用交流电变成5V 直流电，这是本次设计的第一步，这一步的好坏直接影响到本次设计的成功与否。

（2）MAX1898充电管理芯片的正确使用，熟悉各个引脚的功能和各个引脚实际电路中起到的作用，这是设计的重中之重。。

（3）用Keil 软件编写设计程序，程序是一个设计的灵魂，编写程序最重要的是有一个完

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整的系统构架，不要放过任何一个细节。

（4）各个模块之间的连接，信号在整个系统中的走向，需要整体把握。

（5）整个系统的调试，并在调试过程中完成错误修改。

6.2后期工作展望

对于本次设计而言，本文是基于单片机的智能手机充电器的设计，这种研究方法是一种效率较高且比较有前景的而方法，但是还存在不足。首先就是在技术方面还不太成熟，而且传统的充电器的功能也能满足大众的需求，其大小比较小，容易携带，比较方便；而基于单片机的智能手机充电器，需要用到单片机和各种芯片，在体积方面偏大，携带不方便，还有待发展。但是这种智能手机充电器的充电效率更高，而且在保护方面更具有安全性，我们坚信在不久的将来必能在消费市场中赢得信赖。

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致 谢

本次设计是我大学期间最后一次设计，是对我们大学所学知识的总结，也是对我们大学四年以来所学知识的一个总体考验。这次设计为期三个月，在这么长的的时间里有很多帮助过我的人，我要谢谢他们，没有他们，我可能没有能力将我的毕设顺利的完成。

首先，最该感谢我的导师吴玲老师，她之前就有教过我EDA 技术，而且和蔼可亲，所以我选择了她做我的导师。在毕业设计研究和实践过程中，吴老师每个星期都会对我们的实践进行指导和帮助。由于对最初对课题各方面的知识不太熟悉，她耐心地向我介绍了手机充电器的详细知识。吴老师在我心中，首先是一位非常值得尊敬的老师，其次她还是一位博览群书的老师，她是我们真正的朋友，在我们求学道路上，给我们指明了方向。吴老师为我们辛勤的付出我们都历历在目，以我为例，之前我上过EDA 技术的课程时，我有许多不懂的问题，只要我问了老师她多会一一给我解答，不管问题有多么简单或复杂她多会不厌其烦的给我解答。这次毕设也一样，问题很多，但只要我问了她多会耐心的帮我解答，不管是以前还是现在，我真的很想说一句：吴老师，谢谢您。

其次我要感谢的就是我的同学，他们也给了我许多帮助，遇到难的问题我会跟他们讨论，他们会给我一些意见，我也能够及时的做出参考和反馈。不仅如此，在无聊的研究和实践过程中，我们互相鼓励并没有放弃，是你们的帮助，让我有勇气坚持下去，完成设计任务。为此也深深的向我的同学们致谢。

最后，也要感谢学校为我们提供了优越的设备环境，大大提高了我们的工作效率，运用自如的将理论与实践结合。

后面还有附录吧，把程序作为附录附上。