張艷紅,張 瑜,祖 靜

(中北大學(xué)電子測(cè)試技術(shù)國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室,太原 030051)

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基于C8051F920的智能充電器設(shè)計(jì)

張艷紅,張 瑜*,祖 靜

(中北大學(xué)電子測(cè)試技術(shù)國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室,太原 030051)

介紹了一種以C8051F920單片機(jī)為核心控制的智能充電器,能夠滿足不同類(lèi)型電池的充放電問(wèn)題,同時(shí)實(shí)時(shí)檢測(cè)電池充電過(guò)程中的電池電流、電壓、溫度,并由上位機(jī)進(jìn)行信息管理和參數(shù)顯示。描述了該智能充電器的工作原理、工作模式。詳細(xì)討論了該設(shè)計(jì)的硬件結(jié)構(gòu)、軟件設(shè)計(jì)及人機(jī)交互軟面板。

智能充電器;充電策略;充電控制技術(shù);人機(jī)交互

隨著電子技術(shù)的發(fā)展,很多儀表電器設(shè)備朝便攜式發(fā)展,而便攜式儀器大都需要用到可充電電池。但是不同類(lèi)型的電池如鎳鎘電池(Nicd)、鎳氫電池(NiMH)、鋰離子電池和鉛酸電池具有不同的充電特性和過(guò)程,因而要采用不同的充電控制技術(shù)[1-2],但是每種電池又不能互相替代,所以充電器也就得準(zhǔn)備各式各樣的。基于此設(shè)計(jì)了基于C8051F920單片機(jī)的智能充電器實(shí)現(xiàn)對(duì)鉛酸、鎳鎘、鎳氫和鋰電池等種類(lèi)的電池進(jìn)行充電和放電,根據(jù)不同的電池調(diào)整充電策略。該充電器可以實(shí)時(shí)采集和計(jì)算電池的參數(shù),并通過(guò)串口和上位機(jī)進(jìn)行通信并實(shí)時(shí)顯示充電狀態(tài)。

1 智能充電器工作原理

1.1 智能充電器結(jié)構(gòu)

該智能充電器共有4種工作模式:常規(guī)充電、快速充電、容量檢測(cè)和啟動(dòng)修復(fù)。其總體設(shè)計(jì)如圖1所示。主要由電源變化電路,電池電壓、電流、溫度檢測(cè)電路,PWM控制電路,工作狀態(tài)指示電路,主控電路及上位機(jī)通信6部分組成。

圖1 智能充電器設(shè)計(jì)框圖

該智能充電器有兩種操作方式,一種是近端操作,即使用按鍵和撥碼開(kāi)關(guān)控制,另一種是遠(yuǎn)程操作,通過(guò)串口發(fā)送命令來(lái)控制充電過(guò)程。表1為撥碼開(kāi)關(guān)的編碼定義。

電源變化電路是將220 V的交流電轉(zhuǎn)換成24 V,12 V,5 V,3.3 V的直流電給電路各部分供電,保證能正常工作。由單片機(jī)通過(guò)撥碼開(kāi)關(guān)的解碼或者上位機(jī)的操作實(shí)現(xiàn)對(duì)電池類(lèi)型,數(shù)量,容量及工作模式進(jìn)行識(shí)別然后控制選擇哪種充電策略,再經(jīng)由PWM控制小電流恒流充電,大電流恒流充電,涓流恒壓充電這幾個(gè)階段,同時(shí)電池電流電壓溫度檢測(cè)電路也開(kāi)始監(jiān)測(cè)電池充放電狀態(tài)并經(jīng)過(guò)單片機(jī)由上位機(jī)顯示。如果過(guò)程中出現(xiàn)電池連接錯(cuò)誤或者溫度電壓電流等異常,將自動(dòng)關(guān)閉充電,并由上位機(jī)顯示異常原因。在整個(gè)充電過(guò)程中,由單片機(jī)控制的指示燈可以很直觀地看到充電器的工作過(guò)程。

表1 撥碼開(kāi)關(guān)定義

注:其中:off=0,on=1;鉛酸電池與鋰電池充電策略相同。

1.2 智能充電器工作模式

該智能充電器共有4種工作模式:常規(guī)充電、快速充電、容量檢測(cè)和啟動(dòng)修復(fù),下面逐一做簡(jiǎn)單介紹。

(1)常規(guī)充電:分成3個(gè)充電階段,第1階段是小電流恒流充電,其充電電流為C/50,其中C為單節(jié)電池的容量,等到電池電壓到達(dá)VOL_LOW2BULK或者小電流充電超時(shí)的時(shí)候,會(huì)自動(dòng)進(jìn)入第2階段。第2階段是大電流恒流充電,充電電流為C/10,當(dāng)電池將近充滿時(shí),會(huì)自動(dòng)進(jìn)入第3階段。第3階段是涓流恒壓充電,保持電池電壓不變,可以維持電池容量。

(2)快速充電:快速充電模式和常規(guī)充電模式的不同在于充電第2階段,快速充電的第2階段充電電流是C/3。

(3)容量檢測(cè):先對(duì)電池進(jìn)行放電,放電完畢后對(duì)電池進(jìn)行快速充電,在充電過(guò)程中檢測(cè)充電容量,然后再對(duì)電池進(jìn)行放電,并在放電過(guò)程中檢測(cè)放電容量,由此可以得到一個(gè)充電容量和一個(gè)放電容量。

(4)啟動(dòng)修復(fù):先對(duì)電池放電,再對(duì)電池充電,如此往復(fù)3次,完成電池的修復(fù)。

圖2 電池電流、電壓、溫度檢測(cè)電路

2 智能充電器硬件設(shè)計(jì)

2.1 主控電路

主控電路以C8051F920單片機(jī)為核心組成,C8051F920是美國(guó)Silicon公司低功耗的微控制器,芯片上有24位數(shù)字I/O端口,32 kbyte程序存儲(chǔ),4352 byte RAM,內(nèi)部集成了10位A/D,PCA,兩個(gè)比較器,4個(gè)定時(shí)器以及溫度傳感器等,最高運(yùn)算速度可達(dá)到25 MInst/s(MIPS),完全能滿足設(shè)計(jì)要求。

單片機(jī)主要任務(wù)就是利用內(nèi)部的AD實(shí)時(shí)采集電池電壓、電流、溫度及充電電壓,并且由內(nèi)部的PCA產(chǎn)生PWM來(lái)控制充電狀態(tài)的轉(zhuǎn)換,然后由上位機(jī)軟面板顯示并進(jìn)行數(shù)據(jù)管理。

2.2 電池溫度、電流、電壓檢測(cè)電路

電池電壓、電流、溫度檢測(cè)電路是通過(guò)MAX471電流傳感器來(lái)完成電流電壓檢測(cè),用LM35溫度傳感器來(lái)檢測(cè)電池溫度。MAX471有一個(gè)電流輸出端,可以用一個(gè)電阻來(lái)簡(jiǎn)單地實(shí)現(xiàn)以地為參考點(diǎn)的電流/電壓的轉(zhuǎn)換,并可工作在較寬電壓內(nèi),具有雙向檢測(cè)指示,可監(jiān)控充電和放電狀態(tài);LM35溫度傳感器生產(chǎn)制作時(shí)已經(jīng)過(guò)校準(zhǔn),靈敏度為10.0 mV/℃,精度在0.4 ℃至0.8 ℃,在-55 ℃至+150 ℃溫度范圍內(nèi)重復(fù)性好。檢測(cè)到的電流值經(jīng)片上的PGA放大后,輸入到片上10 bit ADC,采用過(guò)采樣和均值的方法來(lái)獲得20 bit的分辨率,再通過(guò)斜率和偏置校正系數(shù),計(jì)算出相應(yīng)地參數(shù)值。其原理圖如圖2所示。

2.3 PWM控制電路

由片上PCA產(chǎn)生PWM脈寬調(diào)制控制晶體管開(kāi)關(guān)的占空比,由LM2596ADJ開(kāi)關(guān)電壓調(diào)節(jié)器提供開(kāi)關(guān)電流。PWM信號(hào)通過(guò)光電隔離驅(qū)動(dòng)主回路上的晶體管,當(dāng)晶體管閉合時(shí),電流流入電池和電容C19,同時(shí)也儲(chǔ)存在電感L1中;當(dāng)晶體管打開(kāi)時(shí),存儲(chǔ)在電感中的電流迅速下降,使得電感電流以減速度流入電池電容C19在電感電流衰減后開(kāi)始放電。在較大的范圍內(nèi)如果減小占空比,平均電壓就會(huì)下降,反之亦然。因此可以通過(guò)控制占空比的方法調(diào)節(jié)電壓或電流至所需要的值,從而控制小電流恒流充電,大電流恒流充電,涓流恒壓充電這幾個(gè)過(guò)程。而使用片上PCA產(chǎn)生PWM可以大大降低所需要的CPU帶寬,并可以消除在中斷驅(qū)動(dòng)的基于定時(shí)器的設(shè)計(jì)中因中斷延遲不一致而產(chǎn)生的時(shí)序抖動(dòng)[3]。其原理圖如圖3所示。

圖4 智能充電器軟件設(shè)計(jì)主程序流程圖

圖3 PWM控制電路

2.4 其他外圍電路

電源變化電路是將220 V的交流電轉(zhuǎn)換成24 V、12 V、5 V、3.3 V的直流電給電路各部分供電。工作狀態(tài)指示電路主要用于錯(cuò)誤報(bào)警及工作狀態(tài)指示。包括電源指示燈,串口工作狀態(tài)指示燈,錯(cuò)誤指示燈,控制狀態(tài)指示燈(近端控制或者遠(yuǎn)程控制)以及充放電過(guò)程指示燈,在小電流充電時(shí),以1 Hz的頻率閃爍,在大電流充電時(shí)以5 Hz的頻率閃爍,在涓流方式下為長(zhǎng)亮;在放電模式下為1 Hz的頻率閃爍。上位機(jī)通信通過(guò)串口和VB軟件界面來(lái)實(shí)現(xiàn),可以調(diào)整充放電電池參數(shù),檢測(cè)充放電過(guò)程,完成容量檢測(cè)和啟動(dòng)修復(fù)。

3 智能充電器單片機(jī)程序設(shè)計(jì)

采用C語(yǔ)言編程,在Silabs平臺(tái)下進(jìn)行調(diào)試。程序設(shè)計(jì)時(shí)首先初始化I/O端口、ADC、PWM及相關(guān)變量和指示燈,緊接著清除充放電完成標(biāo)志,避免下次充放電啟動(dòng)不了。接著判斷電池是否接反或者脫落,然后讀取撥碼開(kāi)關(guān)的按鍵值或者上位機(jī)發(fā)送的參數(shù)來(lái)判定電池類(lèi)型,容量,數(shù)量以及工作模式,然后對(duì)應(yīng)到各個(gè)充電策略以及充電方式。主流程圖如圖4所示。

圖5為充電控制過(guò)程子程序,綜合了電池溫度,充電時(shí)間,充電電壓進(jìn)行了控制。

圖5 充電過(guò)程控制子程序

4 智能充電器人機(jī)交互軟面板設(shè)計(jì)及結(jié)果顯示

上位機(jī)程序由Visua Basic編寫(xiě)。程序在初始化時(shí)要把充電電池的型號(hào)參數(shù)發(fā)送給智能充電器,參數(shù)一般包括充電電池的種類(lèi)、充電電池的容量、數(shù)量。根據(jù)不同的電池型號(hào),單片機(jī)可以設(shè)定不同的充電參數(shù)。同時(shí)上位機(jī)每隔1s向串口發(fā)送一個(gè)查詢(xún)命令,并讀取單片機(jī)回送的信息,提取電池溫度電壓電流及充電電壓等工作狀態(tài)等參數(shù)。參數(shù)經(jīng)過(guò)數(shù)制轉(zhuǎn)換和計(jì)算后進(jìn)行顯示。軟件有著良好的用戶界面,可以方便地觀測(cè)電池目前的工作狀態(tài)以及充電時(shí)間參數(shù)曲線。上位機(jī)程序會(huì)同時(shí)把讀到的數(shù)據(jù)存儲(chǔ)到信息管理系統(tǒng)中,便于以后查閱。另外,程序可以直接控制單片機(jī)的運(yùn)行與停止。其界面如圖6所示。

圖6所示的參數(shù)及曲線是該智能充電器的對(duì)一個(gè)容量1300 mAh的鎳氫/鎳鎘電池的充電記錄,由此我們可以很清楚的看到隨著充電時(shí)間的增加電池電壓電流溫度的變化,由曲線可以看出,該設(shè)計(jì)的控制方法很成功。

圖6 智能充電器人機(jī)交互軟面板界面

5 結(jié)束語(yǔ)

該智能電池充電器能有效地解決多種類(lèi)型的電池充放電問(wèn)題,從而避免了因電池化學(xué)特性不同而給電池充電造成的各種麻煩。除了對(duì)電池電壓的檢測(cè)外,為了更好的保護(hù)電池,該充電器充電時(shí)還可對(duì)電池的溫度及充電時(shí)間進(jìn)行監(jiān)測(cè),一有異常立馬終止充電并且顯示異常原因。另外,該充電器還可以進(jìn)行電池保養(yǎng)修復(fù),對(duì)設(shè)備也是很有裨益的。而且軟面板還建有數(shù)據(jù)管理系統(tǒng)可以管理電池的各類(lèi)數(shù)據(jù),便于設(shè)備維護(hù)以及電池性能研究。

[1]林邦懷,周文靈. 一種基于單片機(jī)的智能充電器設(shè)計(jì)[J]. 儀表技術(shù),2007(2):27-29.

[2]劉美俊. 基于單片機(jī)的通用智能充電器設(shè)計(jì)[J]. 儀表技術(shù)與傳感器,2006(9):41-43.

[3]沙占友. 新型單片開(kāi)關(guān)電源的設(shè)計(jì)與應(yīng)用[M]. 北京:電子工業(yè)出版社,2001:267-285.

張艷紅(1990-),女,山西呂梁,漢族,中北大學(xué)碩士研究生,研究方向?yàn)閯?dòng)態(tài)測(cè)試與智能儀器,zhangyanhong0212@126.com;

張瑜(1979-),女,漢族,博士,講師,研究生方向?yàn)閯?dòng)態(tài)測(cè)試與智能儀器,snow-zhang@nuc.edu.cn;

祖靜(1933-),男,漢族,北京人,教授,博士生導(dǎo)師,研究方向?yàn)閮x器科學(xué)與技術(shù),動(dòng)態(tài)測(cè)試與智能儀器等,jingzu@publicty.sx.cn。

DesignofIntelligentBatteryChargerBasedonC8051F920

ZHANGYanhong,ZHANGYu*,ZUJing

(National Key Laboratory for Electronic Measurement Technology,North University of China,Taiyuan 030051,China)

An intelligent charger based on C8051F920 single-chip computer is presented,the reference design is developed for the charge of different kinds of battery. At the same time,the real-time detection of the battery cell current,voltage and temperature in the charging process is maked,and information management,parameters display is presented by the upper computer. The work principle and mode are introduced. Then the hardware structure,the implement of software and the human-computer interaction soft panel are analyzed in detail.

intelligent charger;charging strategy;charging control technology;the human-computer interaction

2013-11-26修改日期:2013-12-11

TM368.1

:A

:1005-9490(2014)06-1251-05

10.3969/j.issn.1005-9490.2014.06.047