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内容摘要：设计手机充电器主要是以恒流源和恒压源为核心，用AT89S52单片机做主控芯片，通过A/D、D/A芯片对采样信号进行数字化处理和转换输出控制信号，利用MOS管的工作特性对电路中电压电流等参数实现精确控制，LCD显示屏实时显示工作状态的智能型数控充电电源是一种功能相当完善的数控充电充电器，达到了可充电电源进行保护性充电等功能。本论文分析了该手机充电器的工作原理，展示了该电源的电路图，并且详细介绍了该电源的硬件软件设计，总体展示了该电源的整体内外设计流程。
关键词：保护性充电 控制 恒流 恒压
1.绪论
1.1设计背景
从18世纪法拉第发现了电磁现象以来，人类社会便进入了电子时代。经过不断发展，电子产品越来越多地呈现在我们面前。由于电能的清洁高效、易于转变成其它形式的能源的特点，电子技术越来越被人们重视。充电器是伴随着充电电池的发展而发展的，早期出现的充电器多为镍镉电池充电器，当今世界消费者和行业环保意识正在不断增强，碱性电池和有毒金属镉等二次电池的市场逐步变小，可充电电池得到了广泛的应用。镍镉电池作为一种便携式电源，具有体积小、容量大、内阻小、输出电压稳定、重复充电等特点，越来越多地应用于计算机、电子测量仪器和各种通信设备中。由于镍镉电池的价格比普通锌锰电池昂贵，因此我们需要科学合理地使用镍镉电池。而选择正确、可靠的充电方式是充分发挥镍镉电池效能和保证其寿命的关键[1]。
1.2设计目的
目前市场上手机充电器种类很多，但产品质量很差。去年，近40%的生产企业未能通过国家产品质量监督部门的检测结果。主要问题有以下几个方面：与交流电源的连接，电源侧的电压干扰，辐射干扰场强和充电电压。另外，有些产品存在质量问题，如低温性能，额定容量和安全性能。这些质量问题不仅会影响手机的正常使用，还会影响手机的使用寿命，严重者还可能造成消费者伤害。市场上有一些便携式充电器用于假冒手机。这些充电器非常便宜且便于携带。许多消费者更喜欢使用这些充电器给手机电池充电。事实上，可怜的充电器是一个没有安全保证的简单变压器。由于缺乏保护电路等内部安全元件，其重量远远低于原产品的重量[2]。由于现在的手机电池大多用作锂电池或镍氢电池的核心，因此对充电器的电压和电流特性以及安全保护有很高的技术要求，这些假冒和伪劣皮带仅为您的骑行而设计。不好的材料质量和粗加工会对我们手机电池的性能和寿命产生很大的影响。
因此，没有保护电路的充电器无法保证手机充电时电流的稳定性，并有电池烧毁甚至爆炸的危险。因此，针对上述各种情况，我们专门设计了一款可靠、便携、价格低廉的手机充电器。
2.设计方案
电路电源由变压器T降压，二极管VD1至VD4整流。三端调节器块A1调节电压并提供C1和C2滤波器。在供电之后，向充电器提供稳定的9V直流电压以供使用。电压比较器由时基电路A2构成。在其控制端，引脚5具有齐纳二极管VS（稳定电压为5.6V），因此电路的复位电平设置为5.6V。发光二极管VL是充电指示器。
1节5号镍镉电池正常工作电压为1.2V，充电终止电压为1.4V左右。G为4节待充的镍镉电池，所以充电终止电压为4×1.4V=5.6V。将电池装入充电支架后，合上电源开关S，便可开始充电。电路工作过程：由于电容C3两端的电压不能突变，当电源接通时，A2引脚2为低电平，A2为触发置位，3引脚输出为高电平，这个高电平由电位器RP，二极管VD5给电池充电G并更改RP值以调整充电电流[1]。此时，A2的7脚悬空，VL灯指示电路正在充电。当充电继续时，G两端的电压逐渐增加。当上升到5.6V时，A2复位，引脚3输出低电平，充电自动终止。同时，A2内放电管导通，7针输出低，VL熄灭，充电结束。
3.系统原理及理论分析
3.1单片机最小系统组成
单片机系统是整个系统的核心部分。它主要用于键盘按键管理、数据处理、实时采样和分析系统参数以及部分反馈环节的整体调整。它主要包括AT89S52单片机、模数转换器和数模转换芯片。
3.2系统性能
系统通过单片机整体控制，简化了电路，避免了使用分立元件的繁琐和相互干扰，提高了系统整体的稳定性，恒流充电部分利用MOS管的高阻特性，很好地控制了回路电流的稳定性，恒压充电部分，集成三端稳压器的使用保证了负载两端电压的稳定，恒压和横流充电的结合实现了负载的安全性充电，实验证明该充电电源结构简单，慢充、快充可选，使用方便，使用PT1000使电路更加安全。
4.统的硬件设计
4.1 系統的总框图
本系统主要通过单片机采样实现负载的保护性充电（当负载电压低于设定电压阈值时为恒流充电状态，等于设定电压阈值时为恒压充电状态），且慢充快充可调，并能实现过热保护。LCD 12864负责显示负载电压、充电电流、充电时间。当负载电压小于10V时信号经ADC和单片机处理后送到功放电路，输出信号对压控恒流元件进行控制，实现负载的恒流充电;当负载电压等于10V时，信号通过处理经过稳压电路对负载进行恒压充电。通过键盘可以实现慢充和快充的切换，PT1000的应用实现了系统的过热保护，并可以自动恢复，进一步保证了安全充电。
4.2 恒流充电原理
当负载电压发生变化，将采样电阻获得的信号经A/D转换变成单片机可以识别的数字信号，送给单片机处理，最后通过D/A转换整理出处理后的信号，送到MOS管，MOS管具有恒压控制恒流的作用，即当Ugs和Uds恒定时可以得到恒定的电流Id，实现了负载的恒流充电[7]。
恒流源采用的是MOS管，它的VGS为20V，ID为33A。截止时，最大漏电流为1μA，导通电阻仅有0.04Ω。
4.3 恒压充电原理
恒压充电和恒流充电信号采样和处理采用同样的方法，只是恒压充电时，信号被处理后反馈到另一条支路，通过三端稳压器组成的恒压源对负载进行恒压充电。
4.4过热保护控制
为了使本数控充电电流源能更好的实现安全性充电，我们使用了PT1000温度传感器对温度进行实时监测，一旦有过热现象，采样电阻会将检测到的信号传给单片机，断开充电回路，当温度下降，又会通过单片机控制，自动恢复。
5.系统的软件设计
分析：电路中被充电电源的状态改变主要表现在其内阻的变化，因此我们采用了电压源串联可调电阻的方式模拟电源在充电的各个时期其内阻的变化状态，经精确测量得上表，满足了负载电阻变化时电流浮动不超过3mA的要求。
参考文献：
[1]小功率超级电容独立电源的研究与设计[D]. 奚勇.昆明理工大学 2014
[2]基于超级电容的双向变换能量存储系统的研究[D]. 佟德军.哈尔滨工业大学 2012
[3]超级电容荷电状态计算方法的研究[D]. 郝国亮.华北电力大学 2012
[4]单片机接口技术.第一版.张道德中国水利水电出版社，2017
[5]系列单片机应用与实践教程.第一版.周向红. 北京航空航天大学出版社，2016
关键词：保护性充电 控制 恒流 恒压
1.绪论
1.1设计背景
从18世纪法拉第发现了电磁现象以来，人类社会便进入了电子时代。经过不断发展，电子产品越来越多地呈现在我们面前。由于电能的清洁高效、易于转变成其它形式的能源的特点，电子技术越来越被人们重视。充电器是伴随着充电电池的发展而发展的，早期出现的充电器多为镍镉电池充电器，当今世界消费者和行业环保意识正在不断增强，碱性电池和有毒金属镉等二次电池的市场逐步变小，可充电电池得到了广泛的应用。镍镉电池作为一种便携式电源，具有体积小、容量大、内阻小、输出电压稳定、重复充电等特点，越来越多地应用于计算机、电子测量仪器和各种通信设备中。由于镍镉电池的价格比普通锌锰电池昂贵，因此我们需要科学合理地使用镍镉电池。而选择正确、可靠的充电方式是充分发挥镍镉电池效能和保证其寿命的关键[1]。
1.2设计目的
目前市场上手机充电器种类很多，但产品质量很差。去年，近40%的生产企业未能通过国家产品质量监督部门的检测结果。主要问题有以下几个方面：与交流电源的连接，电源侧的电压干扰，辐射干扰场强和充电电压。另外，有些产品存在质量问题，如低温性能，额定容量和安全性能。这些质量问题不仅会影响手机的正常使用，还会影响手机的使用寿命，严重者还可能造成消费者伤害。市场上有一些便携式充电器用于假冒手机。这些充电器非常便宜且便于携带。许多消费者更喜欢使用这些充电器给手机电池充电。事实上，可怜的充电器是一个没有安全保证的简单变压器。由于缺乏保护电路等内部安全元件，其重量远远低于原产品的重量[2]。由于现在的手机电池大多用作锂电池或镍氢电池的核心，因此对充电器的电压和电流特性以及安全保护有很高的技术要求，这些假冒和伪劣皮带仅为您的骑行而设计。不好的材料质量和粗加工会对我们手机电池的性能和寿命产生很大的影响。
因此，没有保护电路的充电器无法保证手机充电时电流的稳定性，并有电池烧毁甚至爆炸的危险。因此，针对上述各种情况，我们专门设计了一款可靠、便携、价格低廉的手机充电器。
2.设计方案
电路电源由变压器T降压，二极管VD1至VD4整流。三端调节器块A1调节电压并提供C1和C2滤波器。在供电之后，向充电器提供稳定的9V直流电压以供使用。电压比较器由时基电路A2构成。在其控制端，引脚5具有齐纳二极管VS（稳定电压为5.6V），因此电路的复位电平设置为5.6V。发光二极管VL是充电指示器。
1节5号镍镉电池正常工作电压为1.2V，充电终止电压为1.4V左右。G为4节待充的镍镉电池，所以充电终止电压为4×1.4V=5.6V。将电池装入充电支架后，合上电源开关S，便可开始充电。电路工作过程：由于电容C3两端的电压不能突变，当电源接通时，A2引脚2为低电平，A2为触发置位，3引脚输出为高电平，这个高电平由电位器RP，二极管VD5给电池充电G并更改RP值以调整充电电流[1]。此时，A2的7脚悬空，VL灯指示电路正在充电。当充电继续时，G两端的电压逐渐增加。当上升到5.6V时，A2复位，引脚3输出低电平，充电自动终止。同时，A2内放电管导通，7针输出低，VL熄灭，充电结束。
3.系统原理及理论分析
3.1单片机最小系统组成
单片机系统是整个系统的核心部分。它主要用于键盘按键管理、数据处理、实时采样和分析系统参数以及部分反馈环节的整体调整。它主要包括AT89S52单片机、模数转换器和数模转换芯片。
3.2系统性能
系统通过单片机整体控制，简化了电路，避免了使用分立元件的繁琐和相互干扰，提高了系统整体的稳定性，恒流充电部分利用MOS管的高阻特性，很好地控制了回路电流的稳定性，恒压充电部分，集成三端稳压器的使用保证了负载两端电压的稳定，恒压和横流充电的结合实现了负载的安全性充电，实验证明该充电电源结构简单，慢充、快充可选，使用方便，使用PT1000使电路更加安全。
4.统的硬件设计
4.1 系統的总框图
本系统主要通过单片机采样实现负载的保护性充电（当负载电压低于设定电压阈值时为恒流充电状态，等于设定电压阈值时为恒压充电状态），且慢充快充可调，并能实现过热保护。LCD 12864负责显示负载电压、充电电流、充电时间。当负载电压小于10V时信号经ADC和单片机处理后送到功放电路，输出信号对压控恒流元件进行控制，实现负载的恒流充电;当负载电压等于10V时，信号通过处理经过稳压电路对负载进行恒压充电。通过键盘可以实现慢充和快充的切换，PT1000的应用实现了系统的过热保护，并可以自动恢复，进一步保证了安全充电。
4.2 恒流充电原理
当负载电压发生变化，将采样电阻获得的信号经A/D转换变成单片机可以识别的数字信号，送给单片机处理，最后通过D/A转换整理出处理后的信号，送到MOS管，MOS管具有恒压控制恒流的作用，即当Ugs和Uds恒定时可以得到恒定的电流Id，实现了负载的恒流充电[7]。
恒流源采用的是MOS管，它的VGS为20V，ID为33A。截止时，最大漏电流为1μA，导通电阻仅有0.04Ω。
4.3 恒压充电原理
恒压充电和恒流充电信号采样和处理采用同样的方法，只是恒压充电时，信号被处理后反馈到另一条支路，通过三端稳压器组成的恒压源对负载进行恒压充电。
4.4过热保护控制
为了使本数控充电电流源能更好的实现安全性充电，我们使用了PT1000温度传感器对温度进行实时监测，一旦有过热现象，采样电阻会将检测到的信号传给单片机，断开充电回路，当温度下降，又会通过单片机控制，自动恢复。
5.系统的软件设计
分析：电路中被充电电源的状态改变主要表现在其内阻的变化，因此我们采用了电压源串联可调电阻的方式模拟电源在充电的各个时期其内阻的变化状态，经精确测量得上表，满足了负载电阻变化时电流浮动不超过3mA的要求。
参考文献：
[1]小功率超级电容独立电源的研究与设计[D]. 奚勇.昆明理工大学 2014
[2]基于超级电容的双向变换能量存储系统的研究[D]. 佟德军.哈尔滨工业大学 2012
[3]超级电容荷电状态计算方法的研究[D]. 郝国亮.华北电力大学 2012
[4]单片机接口技术.第一版.张道德中国水利水电出版社，2017
[5]系列单片机应用与实践教程.第一版.周向红. 北京航空航天大学出版社，2016