周富相,鄭曉晶,曾 輝

(中國人民解放軍總參通信訓練基地,河北宣化075100)

1 引 言

隨著經濟和科技的發(fā)展,在我們日常生活中蓄電池的應用越來越廣泛,蓄電池的類型、容量以及電壓等級都不盡相同.不同蓄電池有不同的充電要求,因此,一塊蓄電池就帶有一個專用的充電器.這樣就造成了產品成本的提高和資源的浪費.另外,蓄電池的使用壽命與日常的充電維護有很大的關系,蓄電池所帶的專用充電器一般智能化水平不高,加上日常維護不當,導致蓄電池的使用壽命縮短.大量的試驗研究表明[1],若采用合適的充電方式,電池的使用壽命大約可提高30%.針對目前的這種狀況,設計了一種以單片機為控制核心的智能充電系統(tǒng),它不僅能夠滿足電壓在50 V以下,容量在120 A H以下各種類型蓄電池的充電要求,而且能夠實現(xiàn)整個充電過程的自動精確控制和故障診斷,延長電池的使用壽命.這種充電系統(tǒng)的智能性和通用性,必將帶來一定的社會效益和經濟效益.

2 系統(tǒng)總體硬件設計

充電系統(tǒng)采用的主要控制器件為A TM EL公司的Atmega16[2],A Tmega16是基于增強的AVR RISC結構的低功耗8位CMOS微控制器.它主要有以下功能特點：16 K字節(jié)的系統(tǒng)內可編程Flash,512字節(jié)EEPROM,1 K字節(jié)SRAM;32個通用 I/O口線;32個通用工作寄存器;一個16位定時器/計數器(T/C),且具有PWM工作模式;可編程串行USART;8路10位ADC.為嵌入式控制應用提供了靈活而低成本的解決方案._____

系統(tǒng)總體硬件框圖如圖1所示,主要由充電放電電路、保護電路、檢測電路、顯示告警電路和以單片機為控制核心的控制電路組成.單片機首先通過PTC(陶瓷加熱器)放電檢測電路對電池組的容量進行精確測定,得到電池組的容量參數.通過檢測電路獲取充電電壓、電流以及電池溫度參數,然后根據用戶通過菜單選擇的電池類型等參數,調用不同的充電算法程序對電池進行智能優(yōu)化充電.同時保護電路能夠對過壓、過流、溫度過高以及電池的反接、短路等進行有效保護.

圖1 系統(tǒng)總體硬件框圖

2.1 充電放電電路設計

系統(tǒng)的充電電路主要由EMI濾波器,開關電源和保護電路組成.其中開關電源是充電電路中最重要的組成部分,輸出功率為740 W,而且可通過PWM方式對其輸出功率進行精確控制.220 V交流市電經EMI濾波器濾波后,作為開關電源的輸入.單片機根據檢測電路得到電池的充電電壓、電流以及溫度參數,實時地調整PWM輸出占空比,進而對開關電源的輸出功率進行控制.由于PWM控制信號由單片機的16位定時器/計數器在快速PWM模式下產生,所以PWM信號頻率可達幾十 K到幾百 K赫茲,分辨率可達到1∶655 35,相應地,開關電源輸出電壓的調整步長可達到1 mV,從而實現(xiàn)了精確的充電功率控制.另外,保護電路可對過壓、過流、溫度過高以及電池的反接、短路等進行有效保護.

放電電路主要由PTC放電回路、電壓電流和溫度檢測電路構成.采用PTC恒流放電技術對電池組進行精確放電控制.PTC恒流放電技術是依據PTC器件的溫度特性,在單片機對檢測到的電壓電流以及電池溫度參數進行評估的基礎上,精確控制PTC恒流放電來實現(xiàn)的.最后,單片機通過放電電流的大小和相應的放電時間可以計算出電池的準確容量,為下一步的充電工作做好參數準備工作.

2.2 檢測電路設計

系統(tǒng)檢測電路主要由電壓檢測電路、電流檢測電路和電池溫度檢測電路組成.為了使電壓檢測電路簡單而可靠,電壓采樣采用精密電阻分壓的方法,將被測電壓范圍轉換成0～5 V,然后通過單片機的一個ADC通道轉換成數字信號,單片機對測得的電壓值進行評估分析,然后調整PWM占空比完成對充電電壓的控制與調節(jié).

電流檢測也采用了在充電主回路中串聯(lián)采樣電阻的方法[3],系統(tǒng)采用了0.1Ω50 W的高精度采樣電阻.首先將采樣電阻兩端的電壓信號通過運放進行放大,然后再送到單片機的ADC通道進行模數轉換,進而完成了對充、放電電流的檢測.

溫度檢測是通過負溫度系數熱敏電阻來實現(xiàn)的[3].熱敏電阻兩端的電壓信號通過單片機的ADC通道實現(xiàn)模數轉換,根據熱敏電阻電壓與溫度關系曲線,得到電池的溫度參數.如欲獲得更高精度的溫度檢測,可通過軟件寫入校準值的方法來實現(xiàn).

2.3 顯示及告警電路設計

系統(tǒng)顯示采用控制器為ST7920的LCD128＊64液晶顯示器,為了節(jié)約單片機I/O口,采用8位串行接口方式與單片機連接.顯示器能夠顯示用于人機交互的功能菜單,充電電池的狀態(tài)參數以及充電曲線.告警電路由一個三級管放大電路和蜂鳴器組成.當有故障或需要告警情況發(fā)生時,單片機的I/O口直接控制三級管導通工作,驅動蜂鳴器鳴叫,同時與單片機I/O經分壓電阻相接的L ED發(fā)光,實現(xiàn)聲光告警功能.

3 系統(tǒng)軟件設計

圖2 系統(tǒng)軟件流程圖

系統(tǒng)軟件設計采用模塊化設計方法,整個程序主要由初始化程序,人機交互菜單界面程序,四個中斷服務程序,鉛酸電池、鎳基電池和鋰電池的充電算法子程序組成,軟件流程如圖2所示.軟件流程采用中斷工作方式,目的是提高單片機的資源使用效率,同時使應用軟件流程清晰,可讀性強,易于算法改進及功能擴充.各種類型電池的充電算法在文獻[4-7]中有詳細論述,所以,下面只對初始化程序,人機交互界面程序和中斷服務程序加以說明.

3.1 初始化程序

上電或復位后,程序首先對A Tmega16單片機進行初始化操作,包括設置單片機I/O端口的輸入輸出狀態(tài),定時器/計數器初始參數,看門狗初始參數,以及對ADC相關寄存器和LCD液晶顯示器的初始化工作.

3.2 人機交互菜單界面程序

人機交互菜單界面程序為用戶對系統(tǒng)功能的選擇,電池充電參數的設定等提供人機交互接口.在對電池進行充電的過程中,實時顯示充電電壓、電流和溫度等參數,還可以描繪電池的充電曲線.為了方便用戶操作,系統(tǒng)采用菜單的方式來實現(xiàn)用戶對各種功能的選擇.用戶通過鍵盤上的功能鍵和數字鍵可以方便的選擇系統(tǒng)各種功能,或設置充電參數.

3.3 中斷服務程序

中斷服務程序有兩個定時器中斷和兩個外部中斷服務程序.定時中斷1主要根據置滿標志判斷電池的實時充電狀態(tài),如果電池充滿,設置涓流充電參數,下一步轉入涓流充電.如果沒有充滿,則檢測電流大小,依據充電算法修改充電參數,返回中斷繼續(xù)充電.定時中斷2主要根據設定的充電時間、電壓、電流以及電池溫度參數,判斷電池的充電狀態(tài),進而完成置滿標志或暫停充電任務.外部中斷1主要通過檢測充電電流的大小,判斷充電電流是否過大,依據充電電流的大小,做出暫停充電或修改參數以便繼續(xù)充電的處理.外斷中斷2主要完成識別鍵盤鍵值的任務,進而對用戶的選擇做出響應.

4 試驗結果

圖3 充電試驗曲線

本系統(tǒng)在實驗室中進行了大量的試驗,對12 V/16 A H鉛酸蓄電池在室溫下進行了充電試驗.充電初始電壓為11.1 V,每分鐘采集一次電壓和電流樣值,用MA TLAB軟件對采樣數據進行圖形繪制,繪制的充電電壓和電流曲線如圖3所示,充電曲線與理論曲線基本相符.試驗結果表明,該充電系統(tǒng)能夠很好的完成鉛酸蓄電池的充電.實現(xiàn)了根據電池類型、端電壓、容量和環(huán)境溫度自動調整充電算法完成充電.與其它充電器相比,該充電系統(tǒng)具有上電之后自動檢測蓄電池是否反接、短接、電池電壓、容量和環(huán)境溫度的功能,并根據蓄電池的初始狀態(tài)參數自動轉入相應階段充電,優(yōu)化了充電過程,提高了蓄電池的使用壽命和充電效率.

5 結束語

系統(tǒng)采用了單片機來控制整個充電過程,不同蓄電池所要求的不同充電算法可以通過調用相應的軟件模塊來實現(xiàn).因此,本系統(tǒng)具有很高的靈活性和很強的通用性,能夠適用于目前市場上常用的各種電壓和容量等級的鉛酸、鎳基和鋰電池.系統(tǒng)采用了LCD顯示和菜單技術,人機交互界面良好,操作簡單.另外,系統(tǒng)具有體積小,控制精度高,成本低,能夠有效延長電池使用壽命等特點,具有廣闊的市場應用前景.

[1] 傅胤榮,胡義華,潘永雄.大功率智能充電器的研究與設計 [J].電源技術應用,2007,10(04)：24-27

[2] 張軍,宋濤.AVR單片機C語言程序設計實例精粹 [M].北京：電子工業(yè)出版社,2009：1-25

[3] 曾還尤.基于AVR單片機的智能快速充電器的設計與研究 [J].機械工程與自動化,2007,31(10)：122-124

[4] 羅俊,楊林,郭敬愛.基于PIC單片機的智能充電器設計 [J].電力電子技術,2008,42(08)：73-75

[5] 劉關俊.基于單片機的通用智能充電器設計 [J].儀表技術與傳感器,2006,(09)：42-43

[6] 韋鴻任,景占榮,陳彥來,等.數字化智能充電器的設計與實現(xiàn) [J].西安工業(yè)大學學報,2008,28(05)：479-482

[7] 唐元春.基于單片機控制的鉛酸電池充電器 [J].電源世界,2008,(04)：46-48