一款基于單片機的多模式蓄電池充電電路設計方案
本文介紹了一種通用電池充電器的智能充電軟件控制方法，利用這種充電方法根據電池的充電特性進(jìn)行不同充電模式的轉換。采用AT89C51單片機芯片作為充電過(guò)程的控制芯片進(jìn)行電路設計，實(shí)現A/D轉換和顯示電路，并根據外部電路檢測到的電池電壓信息選擇正確的充電模式，實(shí)現在涓流、恒流、恒壓及浮充電模式之間的智能轉換。
引言
一個(gè)好的充電器對蓄電池的使用壽命具有舉足輕重的作用，智能充電器具有操作簡(jiǎn)單、可靠性高和通用性強等優(yōu)點(diǎn)，是充電器家族中的一個(gè)重要的組成部分，也是未來(lái)充電器發(fā)展的主要方向。所謂智能充電器是指能根據用戶(hù)的需要自主選擇充電方式、對不同類(lèi)型的充電電池進(jìn)行充電、并且在充電過(guò)程中能對被充電電池進(jìn)行保護從而防止過(guò)電壓和溫度過(guò)高的一種智能化充電器。
充電控制器需要長(cháng)時(shí)間控制并要進(jìn)行電壓檢測，若用傳統電路實(shí)現則電路復雜，采用單片機控制可大大減化電路，降低成本。本充電器用AT89C51單片機進(jìn)行充電定時(shí)控制。在定時(shí)充電期間若電池電壓高于另一值則停止充電。采用從涓流充電、恒流充電、恒壓充電到浮充電的方法,充電完成后,自動(dòng)轉為浮充電, 以防止電池放電,并有顯示電路。適合對鎳鎘、鎳氫電池進(jìn)行充電。該充電器采用單片機控制，充電效果更佳。
智能充電器硬件設計
由單片機和充電器芯片組成的通用充電器原理框圖如圖1所示，圖中AT89C51與ADC0809一起構成充電器的核心。ADC0809隨時(shí)檢測充電電池兩端電壓，當放入電池時(shí)，ADC0809即通過(guò)數據口向AT89C51傳送檢測到的電池兩端電壓信息，經(jīng)過(guò)數據處理后，AT89C51根據所接收到的電壓信息選擇合適的充電模式。由于芯片只能接收0V～5V的電壓信息，因此在充電電池的兩端并聯(lián)兩個(gè)串聯(lián)電阻(阻值相等且很大)，這樣檢測到的電壓即為電池電壓的一半，乘以二即可得出電池電壓。若電池電壓低于4.7V，則啟用停止控制，充電器不工作。若電池電壓大于7.3V或小于5.2V，說(shuō)明蓄電池曾經(jīng)過(guò)度放電，為避免對蓄電池充電電流過(guò)大，造成熱失控，對蓄電池實(shí)行穩定小電流涓流充電，激活蓄電池。此時(shí)單片機P1.2口發(fā)出高電平信號，啟動(dòng)涓流充模式。同樣，當電壓在5.2V～6V時(shí)，P1.0口置為高電平，同時(shí)調用脈沖控制，控制開(kāi)關(guān)的閉合，以恒流充電模式對電池進(jìn)行充電。當電壓在6V～7.3V 之間時(shí)，P1.1口置為高電平，啟動(dòng)恒壓充電模式。整個(gè)充電過(guò)程為3個(gè)小時(shí)，當電路工作三小時(shí)后，系統自動(dòng)掉電，終止充電過(guò)程。
本設計利用8155作為AT89C51的I/O擴展接口，連接四個(gè)數碼管顯示電路。LED顯示采用共陰極，段選碼由8155PB口提供，位選碼由 PA口提供，當啟用涓流充電模式時(shí)(P1.2置高)，第一位數碼管顯示;當啟用恒流充電模式時(shí)(P1.0置高)，位選字右移，第二位數碼管顯示，當啟用恒壓充電模式時(shí)(P1.1置高)，位選字右移，第三位數碼管顯示。當停止充電時(shí)，P1.0、P1.1、P1.2口均置為低電平，第四位數碼管顯示。若對程序進(jìn)行稍許修改，也可以讓顯示電路顯示當前充電電壓值，從而更有效的對電池進(jìn)行充電。
智能充電器軟件設計與實(shí)現
軟件整體設計
因為不同種類(lèi)的電池有不同的充電特性，所以充電器要能根據具體電池的類(lèi)型，控制不同的充電狀態(tài)。在充電的關(guān)鍵階段采用了模糊控制方法，這些通過(guò)程序控制實(shí)現。充電總體流程圖如圖2所示。
程序具體實(shí)現過(guò)程為：?jiǎn)纹瑱C首先進(jìn)行初始化，然后對蓄電池的電壓進(jìn)行測量，產(chǎn)生電壓偏差和變化率信號，偏差及變化率信號進(jìn)入模糊控制器后，經(jīng)過(guò)模糊處理，輸出電流信息，從而適時(shí)和正確地控制充電方式和過(guò)程。在充電過(guò)程中不斷檢測電池是否充滿(mǎn)，當檢測己經(jīng)充滿(mǎn)時(shí)，提示用戶(hù)電池已充足，充電器自動(dòng)進(jìn)入浮充維護狀態(tài)。模糊處理和終止條件的判決為整個(gè)智能充電器的關(guān)鍵，關(guān)系著(zhù)充電器性能的好壞。
系統的軟件設計采用模塊式結構，主要由初始化程序、充電方式設置模塊、預處理模塊、A/D轉換模塊、定時(shí)模塊等部分組成。其中，充電方式設置模塊用于設置電池類(lèi)型和充電方式，A/D轉換模塊用于檢測電池的電壓，以確定是否終止充電過(guò)程，定時(shí)模塊用于確定充電的時(shí)間監測。
系統軟件流程采用中斷工作方式, 軟件功能的主要控制步驟均包括在定時(shí)中斷程序中，包括監控電壓、測量電流及電池參數檢測等部分在開(kāi)始充電時(shí)，對系統進(jìn)行初始化，其中包括AT89C51單片機各個(gè)端口初始化、堆棧指針初始化、寄存器初始化、中斷設定和根據電池
類(lèi)型設定它所能夠承受的最大電壓V，標準的容量值及對電壓、電流采樣的時(shí)間間隔△T。為了使測定結果更精確，采樣頻率要盡量高。系統初始化后開(kāi)定時(shí)器中斷服務(wù)程序，由于程序中利用了定時(shí)中斷，使得定時(shí)控制很方便。
主程序模塊根據系統相應的狀態(tài)條件控制并調用相應的模塊。同時(shí)，其他各模塊之間也根據系統當前狀態(tài)相互調用。在初始化程序模塊中，設置了預處理功能，主要是設置A/D轉換參數和通道，檢測電池的端電壓。將檢測數據同理論經(jīng)驗值比較，判斷電池的類(lèi)別以及是否連接正確。對端電壓低的電池，采用短時(shí)間的脈動(dòng)電流充電，這樣有利于激活電池內的化學(xué)反應物質(zhì)，部分恢復受損的電池單元。
電池的端電壓檢測硬件上使用單片機的片上高精度A/D模塊，軟件控制采用中斷方式，這樣可節省單片機在A(yíng)/D轉換期間的等待時(shí)間。端電壓檢測的數據，比較是否滿(mǎn)足充電終止條件，及時(shí)修改單片機的輸出參數，控制充電電流的大小。
涓流短時(shí)充電及浮充電
充電器開(kāi)始工作后，首先檢測蓄電池的電池電壓，若電池電壓低于4.7V，充電器不工作。若電池電壓大于7.3V或小于5.2V，說(shuō)明蓄電池曾經(jīng)過(guò)度放電，為避免對蓄電池充電電流過(guò)大，造成熱失控，對蓄電池實(shí)行穩定小電流涓流充電，激活蓄電池。軟件流程圖如下：
具體實(shí)現程序如下:
…
READ : MOV A、P0，將P0口的值送入累加器A
CJNE A、#84H、REL，若(A)≠5.2V則跳到REL
REL : JNC HL;大于5.2V轉移到HL
SETB P1.2，將P1.2口置為高位
SETB P1.3，脈沖控制
…
同時(shí)，當充電時(shí)間到兩個(gè)半小時(shí)時(shí)，進(jìn)入浮充電階段。該階段主要用來(lái)補充蓄電池自放電所消耗的能量，此時(shí)標志著(zhù)充電過(guò)程結束。
恒流充電
在涓流充電階段，電池電壓開(kāi)始上升，當電池電壓上升到能接受大電流充電的閾值時(shí)，則轉入恒流充電階段。該階段為大電流恒流充電，電流值為I2 ，因蓄電池容量而異，一般I2 約為0.1C(C 為蓄電池組的容量)，持續時(shí)間為T(mén)2，在恒流充電狀態(tài)下，不斷檢測電池端電壓，當電池電壓達到飽和電壓時(shí)，恒流充電狀態(tài)終止。
本設計采用外部檢測設備將數據送入P0口，若電壓在5.2V～6V之間則P1.0口置為高電平，發(fā)送信號進(jìn)行恒流充電模式。在恒流充電過(guò)程中，采用脈沖控制充電電流的占空比，以此來(lái)控制開(kāi)關(guān)的開(kāi)斷，實(shí)現充電電流的恒定。軟件流程圖如下：
具體實(shí)現程序如下：
…
READ : MOV A、P0，將P0口的值送入累加器A
CJNE A 、#99H 、REL，若(A)≠6V則跳到REL
REL : JNC HY，大于6V轉移到HY
SETB P1.0，將P1.0口置為高位
SETB P1.3，脈沖控制
充電電路在實(shí)現涓流充電和恒流充電方法是要使用脈沖充電控制來(lái)進(jìn)行充電，有效的調整電池充電過(guò)程當中的占空比.其中脈沖控制的實(shí)現程序如下:
…
PWMH DATA 30H，高電平脈沖的個(gè)數
PWM DATA 31H ，PWM周期
COUNTER DATA 32H
TEMP DATA 33H
INTT0 : PUSH PSW ，現場(chǎng)保護
PUSH ACC
INC COUNTER ，計數值加1
MOV A，COUNTER
CJNE A ， PWMH，INTT01，如果等于高電平脈沖數 CLR P1.0 ，P1.0變?yōu)榈碗娖?
CLR P1.2
AJMP INTT0
INTT01 : CJNE A，PWM，INTT02，如果等于周期數
MOV COUNTER， #01H ，計數器復位
SETB 08H，P1.0為高電平
SETB P1.2
INTT02 : POP ACC，出棧
POP PSW
RETI
END
…
恒壓充電
該階段為恒壓充電，電壓值為7.3V，它是蓄電池節數與蓄電池溫度的函數，這時(shí)充電電流逐漸減小，恒壓充電時(shí)，保持充電電壓不變。充電電流不斷下降，當充電電流下降到恒流狀態(tài)下充電電流的1/10 時(shí)，終止恒壓充電。電路實(shí)現方法為：外部檢測設備將結果送入P0口，系統檢測送入的數據，若電池電壓在大于6V時(shí)采用恒壓充電模式，即P1.1口置高位進(jìn)行恒壓充電模式。具體實(shí)現程序如下：
…
READ : MOV A，P0，將P0口的值送入累加器A
CJNE A，#0B7H，REL ，若(A)≠7.3V則跳到REL
REL : JNC STOP ，大于7.3V轉移到STOP
A/D轉換模塊
由于本設計用到了電壓實(shí)時(shí)監測，因此需要對其發(fā)出的信號進(jìn)行A/D轉換，在電路中采用了ADC0809轉換器，對模擬信號進(jìn)行采集與轉換。具體實(shí)現程序如下:
START: MOV R0 ，#30H ，RAM緩沖區地址設初值
MOV DPTR ， #0FEF8H，通道地址寄存器設初值 MOVX @DPTR A ，啟動(dòng)A/D轉換
MOV R5，#0AH ，延時(shí)等待
DLX: DJNZ R5，DLX
WAIT : JB P3.2 ，WAIT，等待A/D轉換結束
MOVX A ，@DPTR，讀取A/D轉換結果
MOV @R0，A ，保存A/D轉換結果
ACALL DATADSP，數據的數字處理
LJMP START
…
總結
采用單片機和充電集成電路進(jìn)行充電器的設計，不但能夠實(shí)現對一般的蓄電池進(jìn)行充電，而且還能夠實(shí)現相應的過(guò)壓和時(shí)間控制，從而可以充分發(fā)揮蓄電池的性能，延長(cháng)電池的使用壽命，并避免簡(jiǎn)易充電器在充電時(shí)可能對電池造成損害的情況發(fā)生，具有一定的智能功能，符合目前的環(huán)境保護潮流。
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