一款基于單片機(jī)的多模式蓄電池充電電路設(shè)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(jù)電池的充電特性進(jìn)行不同充電模式的轉(zhuǎn)換。采用AT89C51單片機(jī)芯片作為充電過程的控制芯片進(jìn)行電路設(shè)計，實(shí)現(xiàn)A/D轉(zhuǎn)換和顯示電路，并根據(jù)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(xiàn)在涓流、恒流、恒壓及浮充電模式之間的智能轉(zhuǎn)換。
引言
一個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單、可靠性高和通用性強(qiáng)等優(yōu)點(diǎn)，是充電器家族中的一個重要的組成部分，也是未來充電器發(fā)展的主要方向。所謂智能充電器是指能根據(jù)用戶的需要自主選擇充電方式、對不同類型的充電電池進(jìn)行充電、并且在充電過程中能對被充電電池進(jìn)行保護(hù)從而防止過電壓和溫度過高的一種智能化充電器。
充電控制器需要長時間控制并要進(jìn)行電壓檢測，若用傳統(tǒng)電路實(shí)現(xiàn)則電路復(fù)雜，采用單片機(jī)控制可大大減化電路，降低成本。本充電器用AT89C51單片機(jī)進(jìn)行充電定時控制。在定時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,自動轉(zhuǎn)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(jī)控制，充電效果更佳。
智能充電器硬件設(shè)計
由單片機(jī)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(gòu)成充電器的核心。ADC0809隨時檢測充電電池兩端電壓，當(dāng)放入電池時，ADC0809即通過數(shù)據(jù)口向AT89C51傳送檢測到的電池兩端電壓信息，經(jīng)過數(shù)據(jù)處理后，AT89C51根據(jù)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，說明蓄電池曾經(jīng)過度放電，為避免對蓄電池充電電流過大，造成熱失控，對蓄電池實(shí)行穩(wěn)定小電流涓流充電，激活蓄電池。此時單片機(jī)P1.2口發(fā)出高電平信號，啟動涓流充模式。同樣，當(dāng)電壓在5.2V～6V時，P1.0口置為高電平，同時調(diào)用脈沖控制，控制開關(guān)的閉合，以恒流充電模式對電池進(jìn)行充電。當(dāng)電壓在6V～7.3V 之間時，P1.1口置為高電平，啟動恒壓充電模式。整個充電過程為3個小時，當(dāng)電路工作三小時后，系統(tǒng)自動掉電，終止充電過程。
本設(shè)計利用8155作為AT89C51的I/O擴(kuò)展接口，連接四個數(shù)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(dāng)啟用涓流充電模式時(P1.2置高)，第一位數(shù)碼管顯示;當(dāng)啟用恒流充電模式時(P1.0置高)，位選字右移，第二位數(shù)碼管顯示，當(dāng)啟用恒壓充電模式時(P1.1置高)，位選字右移，第三位數(shù)碼管顯示。當(dāng)停止充電時，P1.0、P1.1、P1.2口均置為低電平，第四位數(shù)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(dāng)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(shè)計與實(shí)現(xiàn)
軟件整體設(shè)計
因?yàn)椴煌N類的電池有不同的充電特性，所以充電器要能根據(jù)具體電池的類型，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，這些通過程序控制實(shí)現(xiàn)。充電總體流程圖如圖2所示。
程序具體實(shí)現(xiàn)過程為：單片機(jī)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)過模糊處理，輸出電流信息，從而適時和正確地控制充電方式和過程。在充電過程中不斷檢測電池是否充滿，當(dāng)檢測己經(jīng)充滿時，提示用戶電池已充足，充電器自動進(jìn)入浮充維護(hù)狀態(tài)。模糊處理和終止條件的判決為整個智能充電器的關(guān)鍵，關(guān)系著充電器性能的好壞。
系統(tǒng)的軟件設(shè)計采用模塊式結(jié)構(gòu)，主要由初始化程序、充電方式設(shè)置模塊、預(yù)處理模塊、A/D轉(zhuǎn)換模塊、定時模塊等部分組成。其中，充電方式設(shè)置模塊用于設(shè)置電池類型和充電方式，A/D轉(zhuǎn)換模塊用于檢測電池的電壓，以確定是否終止充電過程，定時模塊用于確定充電的時間監(jiān)測。
系統(tǒng)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中斷程序中，包括監(jiān)控電壓、測量電流及電池參數(shù)檢測等部分在開始充電時，對系統(tǒng)進(jìn)行初始化，其中包括AT89C51單片機(jī)各個端口初始化、堆棧指針初始化、寄存器初始化、中斷設(shè)定和根據(jù)電池
類型設(shè)定它所能夠承受的最大電壓V，標(biāo)準(zhǔn)的容量值及對電壓、電流采樣的時間間隔△T。為了使測定結(jié)果更精確，采樣頻率要盡量高。系統(tǒng)初始化后開定時器中斷服務(wù)程序，由于程序中利用了定時中斷，使得定時控制很方便。
主程序模塊根據(jù)系統(tǒng)相應(yīng)的狀態(tài)條件控制并調(diào)用相應(yīng)的模塊。同時，其他各模塊之間也根據(jù)系統(tǒng)當(dāng)前狀態(tài)相互調(diào)用。在初始化程序模塊中，設(shè)置了預(yù)處理功能，主要是設(shè)置A/D轉(zhuǎn)換參數(shù)和通道，檢測電池的端電壓。將檢測數(shù)據(jù)同理論經(jīng)驗(yàn)值比較，判斷電池的類別以及是否連接正確。對端電壓低的電池，采用短時間的脈動電流充電，這樣有利于激活電池內(nèi)的化學(xué)反應(yīng)物質(zhì)，部分恢復(fù)受損的電池單元。
電池的端電壓檢測硬件上使用單片機(jī)的片上高精度A/D模塊，軟件控制采用中斷方式，這樣可節(jié)省單片機(jī)在A/D轉(zhuǎn)換期間的等待時間。端電壓檢測的數(shù)據(jù)，比較是否滿足充電終止條件，及時修改單片機(jī)的輸出參數(shù)，控制充電電流的大小。
涓流短時充電及浮充電
充電器開始工作后，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，說明蓄電池曾經(jīng)過度放電，為避免對蓄電池充電電流過大，造成熱失控，對蓄電池實(shí)行穩(wěn)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(xiàn)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(zhuǎn)移到HL
SETB P1.2，將P1.2口置為高位
SETB P1.3，脈沖控制
…
同時，當(dāng)充電時間到兩個半小時時，進(jìn)入浮充電階段。該階段主要用來補(bǔ)充蓄電池自放電所消耗的能量，此時標(biāo)志著充電過程結(jié)束。
恒流充電
在涓流充電階段，電池電壓開始上升，當(dāng)電池電壓上升到能接受大電流充電的閾值時，則轉(zhuǎn)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(xù)時間為T2，在恒流充電狀態(tài)下，不斷檢測電池端電壓，當(dāng)電池電壓達(dá)到飽和電壓時，恒流充電狀態(tài)終止。
本設(shè)計采用外部檢測設(shè)備將數(shù)據(jù)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。在恒流充電過程中，采用脈沖控制充電電流的占空比，以此來控制開關(guān)的開斷，實(shí)現(xiàn)充電電流的恒定。軟件流程圖如下：
具體實(shí)現(xiàn)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(zhuǎn)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(xiàn)涓流充電和恒流充電方法是要使用脈沖充電控制來進(jìn)行充電，有效的調(diào)整電池充電過程當(dāng)中的占空比.其中脈沖控制的實(shí)現(xiàn)程序如下:
…
PWMH DATA 30H，高電平脈沖的個數(shù)
PWM DATA 31H ，PWM周期
COUNTER DATA 32H
TEMP DATA 33H
INTT0 : PUSH PSW ，現(xiàn)場保護(hù)
PUSH ACC
INC COUNTER ，計數(shù)值加1
MOV A，COUNTER
CJNE A ， PWMH，INTT01，如果等于高電平脈沖數(shù) 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(shù)
MOV COUNTER， #01H ，計數(shù)器復(fù)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(jié)數(shù)與蓄電池溫度的函數(shù)，這時充電電流逐漸減小，恒壓充電時，保持充電電壓不變。充電電流不斷下降，當(dāng)充電電流下降到恒流狀態(tài)下充電電流的1/10 時，終止恒壓充電。電路實(shí)現(xiàn)方法為：外部檢測設(shè)備將結(jié)果送入P0口，系統(tǒng)檢測送入的數(shù)據(jù)，若電池電壓在大于6V時采用恒壓充電模式，即P1.1口置高位進(jìn)行恒壓充電模式。具體實(shí)現(xiàn)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(zhuǎn)移到STOP
A/D轉(zhuǎn)換模塊
由于本設(shè)計用到了電壓實(shí)時監(jiān)測，因此需要對其發(fā)出的信號進(jìn)行A/D轉(zhuǎn)換，在電路中采用了ADC0809轉(zhuǎn)換器，對模擬信號進(jìn)行采集與轉(zhuǎn)換。具體實(shí)現(xiàn)程序如下:
START: MOV R0 ，#30H ，RAM緩沖區(qū)地址設(shè)初值
MOV DPTR ， #0FEF8H，通道地址寄存器設(shè)初值 MOVX @DPTR A ，啟動A/D轉(zhuǎn)換
MOV R5，#0AH ，延時等待
DLX: DJNZ R5，DLX
WAIT : JB P3.2 ，WAIT，等待A/D轉(zhuǎn)換結(jié)束
MOVX A ，@DPTR，讀取A/D轉(zhuǎn)換結(jié)果
MOV @R0，A ，保存A/D轉(zhuǎn)換結(jié)果
ACALL DATADSP，數(shù)據(jù)的數(shù)字處理
LJMP START
…
總結(jié)
采用單片機(jī)和充電集成電路進(jìn)行充電器的設(shè)計，不但能夠?qū)崿F(xiàn)對一般的蓄電池進(jìn)行充電，而且還能夠?qū)崿F(xiàn)相應(yīng)的過壓和時間控制，從而可以充分發(fā)揮蓄電池的性能，延長電池的使用壽命，并避免簡易充電器在充電時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(hù)潮流。
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