1、 一種基于MAX471芯片的鋰電池充電電量監測電路的設計與實現三峽電力職業學院劉遠明摘要：本文提供了一種基于MXA471芯片的鋰電池充電監測電路，通過該芯片實時檢測電路對鋰電池的充電電流值，配合充電管理芯片，實現了對充電電流，充電電壓，充電電量，電池溫度等的實時檢測和顯示，當電池溫度、充電電壓等方式異常時，電路會及時報警，避免充電事故的發生，本文對電路原理，方法，相關器件都做了詳細介紹。引言：隨著便攜式電器設備的普及，鋰電池的使用已隨處可見，從手機到平板，從各種便攜式儀器儀表到學生的各種科技活動，使用的電源基本都選擇了鋰電池。但，使用鋰電池就離不開充電器，一個好的，功能完備的充電器對正確，安全

2、使用鋰電池及其重要。在對鋰電池充電時，經常因為電池或充電器的原因，充電充了很長時間，取下電池使用時，電池還是沒電，或一會又沒電了，有的電池，在充電過程中，電池發熱甚至發生爆炸事故，因此，在充電過程中，對電池的充電情況進行實時監測，出現問題時能及時發現，確保充電過程有效，安全得進行。這里提供一種基于MAX471芯片的充電監測電路，可以較好的實現鋰電池充電的安全、有效的目標。1、MAX471芯片介紹：MAX471芯片性能特點MAX471是美國Maxim公司向市場推出的一種新型的、高精度的電流檢測放大器，主要用于筆記本電腦、手機、便攜式測量儀、能源管理系統等中的電流監測單元在電流測量技術中。在電流測

3、量中，為了減少測量電路對被測電流的影響，通常采用在被測電路中串聯一只小阻值的取樣電阻進行i-v轉換，再經過差分放大電路實現小電壓放大的方法來測得電路中的電流值，測量精度要求越高，線路就越復雜。MAX471內部有一個35mQ的電流采樣電阻，可以測量土UT圖1MAX471內部結構示意圖ILOAD3A的電流。MAX471有一個電流輸出端，只需外接一個電阻，將電流轉換成對地電壓，就可組成高精度的電流監測電路。它的工作電壓和被測電路電流范圍寬，因此得到廣泛的應用。MAX471內部結構及工作原理圖1是MAX471內部結構示意圖，主要包括兩個運算放大器A1，A2，內部電流采樣電阻R跨接在兩個運算放大器的輸入

4、腳之間，當被測電流SENSE經過RS+至RS-流過采樣電阻R時(實際可以是任意方向)，放大器A1SENSE工作，輸出電流使VT1導通，此時，忽略三極管的導通壓降，A1正端的電壓為：V-IR。因A2此時輸出低電平，VT2不導通，因而A1負端電壓CCOUTG1為：V-RI，根據放大器虛短，虛斷的原理，兩輸入端電阻無限大，CCSENSELOAD而電位相等，就有：IR=RIOUTG1SENSELOAD即I/I=R/R這里，I/I稱為電流比，其大小由芯OUTLOADSENSEG1OUTLOAD片內部的電阻R、R的大小決定的，MAX471內部的電阻已經固定，其SENSEG1比值為0.0005。這樣，I=0

5、.0005IOUTLOAD如果在OUT輸出端接入一個負載電阻Rout，就可以根據電阻上的電壓，計算出被檢測電流的大小來：V=IR=0.0005IROUTOUTOUTLOADOUT即；I=V/0.0005R(A)LOADOUTOUT給定一個負載電阻R值，測出電壓V值，電流I的大小就知道了，特別，當電阻R的值為2K時,OUTOUTLOADOUT電流：I=1V(A)LOADOUTMAX471管腳功能圖2是MAX471的管腳圖，其管腳功能如下：1，SHDN:休眠端。接地時處于工作狀態。接高電平時，休眠狀態，耗電電流小于18uA。OUTRS-RS-SING圖2MAX471引腳圖2，3RS+：內部取樣電阻

6、的電源端。“+”僅表示SIGN輸出端的電流方向。GND:地或電池負端。SIGN:OC門輸出端。低電平表示被測電流由RS-流向RS+。當SHDN為高電平時，SIGN端呈高阻抗。不使用SIGN時，可將該端懸空。6，7RS-內部取樣電阻的負載端。“-”僅表示SIGN輸出端的電流方向。8OUT：電流輸出端，它與經過RSENSE的電流大小成比例。該端對地接一個2k的電阻時，其轉換因子為1V/1A(被測電流)2、電量監控電路總體結構圖3是電量檢測電路框圖，由充電電流檢測電路，充電管理電路，溫度檢測電路，報警電路，顯示電路，單片機控制電路等幾部分組成。電路中，鋰電池充電沒有進行另外的控制設計，而是直接采用鋰

7、電池充電管理電路，使整個電路的軟硬件結構都更為簡潔，可靠，這里，電流檢測電路串接在充電管理電路之前，實現對鋰電池充電電流的實時檢測，同時，充電管理器也將鋰電池的當前電壓送入單片機，這些數據，幫助單片機實現對鋰電池充電的電量、電壓監控。2.1電壓檢測電壓檢測是這個電路能夠完成設計目標的重要基礎，所用檢測的電量信號都是先轉換為電壓量后結過變換得到，在過去的單片機電壓檢測電路中，需要專用的ADC芯片協助單片機完成電壓模擬量的采集和轉換，結構復雜。這里，為了進一步簡化電路，我們選用具有模擬量檢測端口的單片機來完成電壓量的采集。2.2充電電量的檢測檢測的結果以電壓的形式送入單片機，由單片機轉成電流量進行

8、緩存，同時，單片機在開始充電時，打開定時器，啟動計時器工作。工作時，讓單片機每隔一段時間，將檢測得到的電流值不斷累加，這樣就獲得了電池充電電量上的數據。理論上來說，累加中間的間隔時間越短，電量計算的精度就越高。電量=tXI+txi+txi+tXI1LOAD2LOAD3LOADnLOAD2.3環境溫度檢測在鋰電池充電時，電池可能會發熱，如果因為電池或其他問題讓溫度一直偏高時，會直接影響電池的使用壽命，還極易引起電池的鼓包現象，更有甚者，充電的異常還有可能引起電池的爆炸和火災的發生，因此，充電時，對電池的溫度進行檢測是很有必要的。過去溫度的檢測常用溫溫度報十警I0充電電源電流充電檢測管理圖3電路結

9、構框圖鋰電池度敏感元件來完成，如溫敏電阻，溫敏二極管等，采用這些器件檢測溫度，需要有相應放大、調整的配合，增加了電路的復雜性，我們選用數字溫度采集器件DS18B20元件進行溫度測量，可以大大簡化電路，并提高溫度檢測的精度。報警電路5V圖4電路原理圖當充電電路出現異常，能夠及時發現問題并報警提示，使問題能及時發現及時處理，這是本充電檢測電路最大的特點所在，目前考慮主要在兩個方面對電池充電進行監控：一是溫度監控，當充電溫度偏離正常范圍時，斷開充電電源并開始報警。二是當充電電壓超過鋰電池的上限電壓時，切斷電源開始報警。一般，鋰電池的充電溫度不能超過65度，我保險，可以把溫度值控制在50度左右。充電電

10、壓的上限電壓為4.20V，監控電壓設置為這個值。一般情況下，因為我們采用了專用的充電管理芯片進行充電，該芯片內部有很完善的終點電壓檢測電路，當電池電壓接近這個值時，就自動斷開電源，結束充電。但，很多時候，這個電源管理芯片可能被損壞，失去管理功能，讓電壓一直上升，如果沒有及時發現，后果是很可怕的。數據顯示所用檢測的結果，通過與單片機連接的顯示屏顯示出來，顯示屏可采用OLED12864屏，和液晶LCD屏相比較，OLED屏不需要背光，夜晚觀看也很方便。用12864屏，可以一次把所用信息顯示出來，觀看很方便。3、電路原理圖圖4是根據框圖設計完成的電路原理圖。圖中，單片機選用16腳的STC15W408單

11、片機，這個單片機屬于寬電壓單片機，對電源電壓適應性強，不會因為電源電壓的變化而罷工。3.1電路硬件配置單片機因為管腳較少，只有部分P3口和P1口，還有兩個P5口，STC單片機的P1口基本都有ADC功能，可以進行最高10位精度的模擬量電壓的檢測。按照設計要求，需要檢測電壓的地方有：1.鋰電池充電口，2.充電電源的電壓連接端口，3.MAX471用于電流檢測的OUT口，4對于沒有連接穩壓IC的電路，要讓單片機獲得準確的電壓值，還需單片機有一個腳連接一個精度較高的基準電壓源，對其他檢測電源進行比較矯正。這樣，單片機共需要至少4個ADC端口，STC15W408有6個這樣的端口，因此沒有問題。單片機的其他

12、端口分別與OLED，溫度元件DS18B20,報警電路等更需要7個腳，因此，采用16腳單片機可以滿足電路安裝的需要。3.2電路其他元件選用說明3.2.1充電管理芯片這里選用的充電管理芯片為TP4056,這是一片完整的恒流/恒壓線性充電芯片，充電電壓固定為4.20V，充電電流的大小可通過外部的電阻進行設定，適合不同容量的鋰電池進行充電，最大可輸出1A的充電電流。圖5是其引腳圖，圖6是其典型的充電電路連接圖。圖中，LED1、LED2分別為充電狀態指示燈，充電時,7腳為0電平，LED1被點亮,變為0,LED2被點亮。電路中的R是充電電流設置電阻，相關計算公式：RPROGPROG=1200/1其中，I為

13、設置的充電電流值。當需要中斷充電時，將電路的8腳接地即可。BATBAT3.2.2OLED的選用這里選用的顯示屏為128x64點陣的OLED屏，使用電壓3.3V寬電壓，在5V時也能正常使用。該屏與單片機的?inSymbol1vss2VDD3SCL4SDA5RST#fD/C#7cs#Color:lhite/YB/BLLEDriverIC:SSDBQ6Interface:3/4-wireSPI,GeneralTolerance:0.30通訊接口為4線SPI接口，對單片機接口資源的占用極少。廠家提供的接口資料如下:3.3電路工作原理3.3.1實現充電電量的顯示開機后，單片機的的幾個電壓檢測口分別對電路

14、的電壓端口進行檢測，檢測到電流量時，啟動計時器，然后，單片機每分鐘為一段時間，不斷對電流，鋰電池端口的充電電壓進行檢測，將檢測到的電壓、電流及時間值相乘，并同上次的結果進行累加計算，直到充電管理芯片TP4056電池充電結束，關斷了充電電源，這時顯示的電量，就是充入鋰電池的電量。3.3.2實現充電異常情況監測報警充電異常的情況主要有，充電溫度異常，充電電壓異常等。當監測到的溫度值超過設定的正常溫度范圍時，讓單片機的P5.5口輸出0電平，與之連接的三極管導通，蜂鳴器發出報警聲音，同樣，當監測到鋰電池端口的充電電壓超過4.2V時，也讓P5.5腳輸出0電平，蜂鳴器發出報警聲，以此提醒我們及時發現問題，

15、排除故障。還有兩種情況也應該引起注意，用于充電的5V充電電源，市面上和網絡上有很多都是偽劣產品，輸出的充電電流很小，甚至因為接入電路后，充電電源的端電壓跌落太大，低于充電器正常的工作電壓，使充電器根本不能啟動工作，這種情況如果不能及時發現，就會白白浪費很多時間。還有一種情況也很常見，就是鋰電池使用不當或在網絡上購買的鋰電池，其電池內阻很大，根本無法充入電流，這種情況也應該能夠及時發現，及時剔除損壞的電池，這可以通過觀察顯示屏顯示的數據來發現。4、電路的軟件設計根據電路的工作原理和電路的硬件配置，明確單片機端口布局，還要對OLED面板的數據顯示做適當的規劃，如文字的點陣大小，排列位置等。4.1單

16、片機端口布局情況：/單片機：STC15W408-16/采用OLED作為顯示器件，實現鋰電池充電的監測和數據顯示/P3.0CS/P3.1RESTOC o 1-5 h z/P3.2AO/P3.3CLK/P3.6DIN/P3.7DS18B20/P1.0ks/P1.1L431（2.50V基準電壓）/P1.2E（鋰電池電壓）/P1.3Uout（電流檢測輸出端電壓）/P1.41（電流）/P1.5Vcc（電源電壓）/P5.5蜂鳴器（0電平導通）4.2OLED屏的數據顯示規劃：這里采用的OLED顯示屏，分辨率為128X64個點陣，X軸的點陣坐標為0-127,y軸的點陣坐標為64,顯示字符時,縱向的坐標可以是一個字節，即8個點陣，顯示漢字，則需要2個字節即縱向16個點陣。所以從縱向來看，一個屏，最多只能寫上4排漢字。于是，我們這樣規劃顯示屏的字符布局：第一行，共有14個字符，如果每個字符寬12個點陣，需要占用點陣位:U=5.21VE=4.12V充電溫度T=16.5c充電電流I=0.356A充電電量P=0.154AH14X12=168，大于128,不行，把寬度改為9.則，14X9=126,勉強夠用。后三排有漢字，可以分開來計算，字符的寬度和前面一樣，為9,最下面一排字數最多，其字數為13,將漢字的寬度也取9，貝V，需要的點陣寬度為13X9=117，只能這樣了，這樣的漢字點陣，字體會有些失真