基于單片機(jī)控制的智能激活電路

【摘 要】本文介紹了一種利用單片機(jī)智能控制特性設(shè)計(jì)的鋰/亞硫酰氯電池的激活放電電路，電路接通后，單片機(jī)系統(tǒng)根據(jù)電池電壓的高低，對(duì)電池適時(shí)進(jìn)行快速激活。

【主題詞】電池 單片機(jī) 激活 電路

鋰/亞硫酰氯電池具有比能量高、放電電壓平穩(wěn)、濕荷電貯存壽命長(zhǎng)（5～10年）、使用溫度范圍寬廣（可在-40℃～+60℃的溫度范圍內(nèi)工作）、使用方便等優(yōu)點(diǎn)。但該電池還存在電壓滯后現(xiàn)象，電壓滯后是指電池放電初期，電壓低于額定值，隨著放電時(shí)間的延長(zhǎng)，電壓漸漸回升，這種現(xiàn)象稱為“電壓滯后”現(xiàn)象。需特別指出的是，目前很多解決鋰/亞硫酰氯電池電壓滯后的辦法都是以減少電池的輸出容量或犧牲鋰/亞硫酰氯電池的比能量為代價(jià)的。有鑒于此，我們認(rèn)為在需要高比能量、尤其是在軍用或空間應(yīng)用場(chǎng)合下更應(yīng)發(fā)揮電池使用方的積極性，通過線路設(shè)計(jì)或元器件的選用來提前啟動(dòng)放電回路，讓鋰/亞硫酰氯電池預(yù)先工作以順利通過低電壓段，待達(dá)到正常工作電壓值后再讓電池接入負(fù)載電路中，實(shí)踐證明這是一個(gè)可行并且實(shí)用的好方法。本文介紹了一種利用單片機(jī)智能控制特性設(shè)計(jì)的鋰/亞硫酰氯電池激活放電電路，電路接通后，單片機(jī)系統(tǒng)根據(jù)電池電壓的高低，對(duì)電池適時(shí)進(jìn)行快速激活。

一、 技術(shù)要求

（1）最大激活電流：15A，（2）激活電壓：1V～12V（電池電壓1～19V），（3）激活電路通過一個(gè)開關(guān)對(duì)電池進(jìn)行控制，即開關(guān)接通后對(duì)電池進(jìn)行激活，當(dāng)電池電壓升至12V時(shí)，激活電路關(guān)閉，停止激活放電，（4）工作溫度：-30℃～+50℃，（5）貯存溫度：-55℃～+70℃

二、 設(shè)計(jì)難點(diǎn)

設(shè)計(jì)難點(diǎn)有兩點(diǎn)：（1）電源供電范圍大，電池電壓變化范圍大（電池電壓1V～19V，采用自行設(shè)計(jì)的恒流源加穩(wěn)壓管方式，避免外協(xié)研制特種DC/DC，降低技術(shù)難度和減少成本）；（2）由于屬于首次研制，電池設(shè)計(jì)人員缺少電池經(jīng)過長(zhǎng)期存儲(chǔ)后準(zhǔn)確的激活參數(shù)，希望在電池成品并長(zhǎng)期存放后（存放十年甚至更長(zhǎng)），電池設(shè)計(jì)人員可以在一定范圍內(nèi)對(duì)激活電流等參數(shù)在電池進(jìn)行不開蓋不破壞物理狀態(tài)下修改，即利用軟件修改激活參數(shù)。

三、技術(shù)原理和實(shí)現(xiàn)途徑

（一） 技術(shù)原理如圖1所示。

圖1 技術(shù)原理圖

（二） 硬件電路設(shè)計(jì)

由于電池電壓在激活前后電壓變化范圍大（1V～19V），設(shè)計(jì)中首先需要解決單片機(jī)的供電，因此怎樣解決單片機(jī)的電源成為電路設(shè)計(jì)的難點(diǎn)，最終結(jié)合電池的特性，選擇 STC12LE5A32AD單片機(jī)，其工作電壓為：2.2V～3.6V（3V單片機(jī)）。同時(shí)STC12LE5A32AD可以在線編程，這樣就彌補(bǔ)了常規(guī)單片機(jī)一個(gè)主要缺點(diǎn)：固化并焊接后不能修改程序，一旦不適宜產(chǎn)品只能破壞性維修或報(bào)廢；而且STC12LE5A32AD內(nèi)部集成AD、EEPROM、Flash程序存儲(chǔ)器、看門狗等功能，節(jié)省了大量的空間。因?yàn)?.2V以下單片機(jī)不能工作，而電池仍需激活放電，因此使用固態(tài)光耦繼電器，設(shè)計(jì)一個(gè)無條件放電，隨著電池電壓的上升，單片機(jī)開始工作，實(shí)現(xiàn)電池的激活放電，電路設(shè)計(jì)如圖2所示。

電路原理介紹：當(dāng)激活電路與電池連接后，如電池電壓過低，穩(wěn)壓限流電源輸出電壓低于2.2V，電池通過電阻Ri、常閉觸點(diǎn)型光藕繼電器K的3、4觸點(diǎn)放電，使電池激活。當(dāng)電池上升使單片機(jī)電源電壓大于或等于2.2V后（電池電壓約3V），單片機(jī)系統(tǒng)開始正常工作，CPU發(fā)出指令，開關(guān)三極管V2導(dǎo)通，功率PMOS管V3接通，電池經(jīng)過電阻Ri、V3支路大電流放電，電池激活加速，同時(shí)CPU高速采集電池電壓，根據(jù)電池電壓情況決定是否關(guān)斷V3和K，激活瞬時(shí)電流大小取決于電池電壓和激活回路電阻（包括R2功率電阻和V3的導(dǎo)通電阻），激活平均電流改變可以由單片機(jī)根據(jù)電池電壓自動(dòng)調(diào)節(jié)V3導(dǎo)通時(shí)間占空比調(diào)節(jié)。

本設(shè)計(jì)激活電流最大達(dá)15A左右。由于大電流放電可能使電池電壓下降，總壓低于所要求的電壓，因此，必須關(guān)斷激活電流，測(cè)量判斷電池電壓是否已經(jīng)滿足要求。如果仍然低于要求的電壓，則CPU發(fā)出指令繼續(xù)激活放電，1S后再次關(guān)斷激活電流進(jìn)行判斷，直至電池電壓合格為止（整個(gè)過程必須在規(guī)定的時(shí)間內(nèi)完成），激活過程完成。

四、 主控芯片

目前市場(chǎng)上單片機(jī)種類繁多，有美國(guó)Intel公司的MCS-51系列，美國(guó)Atmel公司89C51等單片機(jī)，日本松下公司的MN6800系列，荷蘭PHILIPS（菲力浦）公司的8×C552系列，NS公司的NS8070系列，我國(guó)深圳宏晶科技公司的STC12系列等等，在此項(xiàng)目中，我們選擇深圳宏晶科技公司生產(chǎn)的STC12系列型號(hào)為STC12LE5A32AD的單片機(jī)。該芯片具有一系列的優(yōu)點(diǎn)：

（1）工作電壓：2.2V～3.6V（3V單片機(jī)），（2）片上集成1280字節(jié)RAM，（3）用戶FLASH應(yīng)用程序空間32K字節(jié)，（4）ISP（在系統(tǒng)可編程）/IAP（在應(yīng)用可編程），無需專用編程器，無需專用仿真器可通過串口（P3.0/P3.1）直接下載用戶程序，數(shù)秒即可完成一片，（5）硬件看門狗（WDT），（6）有EEPROM功能，（7）內(nèi)部集成MAX810專用復(fù)位電路（外部晶體12M以下時(shí)，復(fù)位腳可直接1K電阻到地），（8）時(shí)鐘源：外部高精度晶體/時(shí)鐘，內(nèi)部R/C振蕩器（溫漂為+/-5%到+/-10%以內(nèi)），用戶在下載用戶程序時(shí)，可選擇是使用內(nèi)部R/C振蕩器還是外部晶體/時(shí)鐘，內(nèi)部R/C振蕩器頻率為：8MHz～12 MHz精度要求不高時(shí)，可選擇使用內(nèi)部時(shí)鐘，（9）共4個(gè)16為定時(shí)器，兩個(gè)與傳統(tǒng)8051兼容的定時(shí)器/計(jì)數(shù)器，16位定時(shí)器T0/T1沒有定時(shí)器2，但有獨(dú)立波特率發(fā)生器做串行通訊的波特率發(fā)生器，再加上2路PCA模塊可再實(shí)現(xiàn)2個(gè)16位定時(shí)器，（11）A/D轉(zhuǎn)換，10位精度ADC，共8路，轉(zhuǎn)換速度可達(dá)250K/S（每秒鐘25萬次），（12）工作溫度范圍：-40°C～+85°C等

五、軟件設(shè)計(jì)

本系統(tǒng)軟件采用C51語言編寫，軟件流程圖如圖3所示。主程序是整個(gè)軟件系統(tǒng)的框架核心部件，主程序主要完成激活放電的流程控制，激活電路上電復(fù)位后即進(jìn)入主程序，首先進(jìn)行系統(tǒng)初始化，包括初始化堆棧指針，RAM單元等，之后調(diào)用各子程序。子程序主要有，延時(shí)程序，A/D轉(zhuǎn)換數(shù)據(jù)及運(yùn)算程序，測(cè)量程序，中斷程序等。

圖3 軟件流程圖

六、 結(jié)束語

本系統(tǒng)采用單片機(jī)技術(shù)實(shí)現(xiàn)了對(duì)鋰/亞硫酰氯電池的自動(dòng)智能激活，有效解決了激活過程中智能判斷和因持續(xù)放電出現(xiàn)的電池電壓爬升緩慢的問題，簡(jiǎn)化了硬件電路。經(jīng)過多次平臺(tái)試驗(yàn)和模擬試驗(yàn)，該電路能較好的實(shí)現(xiàn)所有功能。實(shí)際系統(tǒng)CPU測(cè)量電池電壓誤差不大于20mV；同時(shí)由于可以在線編程，最大限度地滿足了激活電路模塊裝入電池內(nèi)部不可取出維護(hù)修改情況下，由于電池激活參數(shù)需要適當(dāng)變更，可以在電池不開蓋不破壞物理狀態(tài)的情況下，很方便地通過ISP編程適應(yīng)不同的激活模式和電流要求。

參考文獻(xiàn)：

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