基于單片機(jī)的多路充電器的設(shè)計(jì)

摘 要：用AVR MEGA16L單片機(jī)對(duì)8組電池系統(tǒng)進(jìn)行有序的實(shí)現(xiàn)大功率充電設(shè)計(jì)方案，該充電器通過(guò)芯片有先后順序的控制，可對(duì)8組一定參考定量的免維護(hù)鉛蓄電池進(jìn)行充電，與傳統(tǒng)的充電器結(jié)構(gòu)區(qū)別開來(lái)。引入AVR mega16l單片機(jī)作為中心的控制芯片，以脈沖的占空比大小調(diào)節(jié)的方式來(lái)控制蓄電池充電時(shí)間，并從充電溫度、充電時(shí)間和充電的電壓電流等方面對(duì)蓄電池在進(jìn)行充電過(guò)程中各個(gè)狀態(tài)加以控制，以體現(xiàn)充電器充電過(guò)程中的的先進(jìn)性。

關(guān)鍵詞：充電器； AVR； 單片機(jī)

DOI：10.16640/j.cnki.37-1222/t.2015.22.150

1 引言

隨著智能電池樣機(jī)的研發(fā)出來(lái)，人們對(duì)智能充電器的要求也越來(lái)越高。因此，一些研究者對(duì)市場(chǎng)的要求作出相應(yīng)的研究，其充電器充電方式由傳統(tǒng)的限壓限流式轉(zhuǎn)變?yōu)楹懔飨迚菏?。而且由單片機(jī)控制的小型化和智能化的改良充電器方便了人們的出門攜帶和減輕了充電時(shí)對(duì)電池的損耗，并且以智能脈沖式的充電器在其優(yōu)點(diǎn)方面更為突出。

2 系統(tǒng)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

本充電器結(jié)構(gòu)主要包括恒流源驅(qū)動(dòng)模塊、AVR單片機(jī)、溫度監(jiān)控模塊、狀態(tài)顯示模塊、快/慢充充電方式選擇開關(guān)、電壓采樣檢測(cè)等六個(gè)部分。該充電器在設(shè)計(jì)上采用了多個(gè)電流源結(jié)構(gòu)，通過(guò)單片機(jī)控制對(duì)多條線路的電池充電、對(duì)充電參數(shù)的檢測(cè)環(huán)節(jié)和控制環(huán)節(jié)和充電過(guò)程不同的狀態(tài)顯示的控制。并且在以AVR單片機(jī)做控制器的基礎(chǔ)上，引入了恒流源驅(qū)動(dòng)模塊、AVR單片機(jī)、溫度監(jiān)控模塊三者之間的閉環(huán)控制的思想.使各個(gè)模塊在單片機(jī)的處理下有機(jī)的結(jié)合起來(lái)，從而達(dá)到較好的充電監(jiān)控控制效果，如圖1。

3 恒流源驅(qū)動(dòng)模塊

根據(jù)類如電源的充電電壓24V，充電電流2.6A鉛酸免維護(hù)蓄電池的充放電特點(diǎn)。恒流源采用LM317構(gòu)成的驅(qū)動(dòng)部分方案（圖2）。

變壓器輸出端（即2、4兩端）的50V電壓再經(jīng)一個(gè)橋式整流電路后，再經(jīng)過(guò)一系列濾波、整流形成直流。其橋式整流電路是利用四個(gè)二極管，兩兩對(duì)接的。輸入交流電壓（如正弦波）的正半軸部分是兩只管導(dǎo)通，得到正的輸出；輸入交流電壓（如正弦波）的負(fù)半部分時(shí)，另兩只管導(dǎo)通，由于這兩只管是反接的，所以輸出的還是得到正弦波的正半軸部分。后經(jīng)過(guò)一個(gè)大功率電容，此電容進(jìn)行濾波。上圖5中的環(huán)形變壓器、橋式整流電路和與其并聯(lián)的電容分別完成了降壓--整流--濾波--穩(wěn)壓是電壓從交流變成直流的四個(gè)步驟。濾波后的直流電壓進(jìn)入穩(wěn)壓器件的1端口（即輸入端），進(jìn)過(guò)穩(wěn)壓器件LM317作用后，從輸出端口（即2端口）輸出，在后經(jīng)過(guò)一個(gè)電阻值為1KΩ的電阻限流作用后，經(jīng)過(guò)NPN晶體管接地，該晶體管的作用是利用AVR單片機(jī)給的HIGH電平傳送給其基極.通過(guò)控制晶體管的基極和發(fā)射機(jī)之間的類似二極管聯(lián)通/斷開情況來(lái)控制穩(wěn)壓器件的輸出電壓，再通過(guò)波形的脈沖寬度調(diào)制，調(diào)制它在單個(gè)周期內(nèi)的占空比的曲線圖形，從而控制電池的充電周期。采用頻率比較高的脈沖可以提高電池的充電效率，并且能有效地減少電池在充電過(guò)程中的發(fā)熱損失即發(fā)熱速率△T/△t。

PORTB端口是充電控制技術(shù)的檢測(cè)端口，是作為單片機(jī)對(duì)電池電壓各種狀態(tài)的檢測(cè)端口。充電中各種的控制技術(shù)是充電器設(shè)計(jì)的智能性中的最重要部分。根據(jù)智能電池的充電方式和原理，將其可繪制的電壓V曲線分為如圖3所示，其為：未進(jìn)入電池用電量差不多用完段曲線，此時(shí)始終保持電流值較小充電。當(dāng)進(jìn)入電池用電量差不多用完段時(shí)，若還用用電流值小且始終不變的充電方式，電池會(huì)損壞，所以采用PID模糊控制方法。已知電壓曲線， 根據(jù)電壓變化來(lái)控制充電電流，易于用未知的電流來(lái)控制電壓的操作，從而是控制的電流反饋后再作用的電壓，使輸出的電壓按理論上無(wú)外界影響的充電模式調(diào)整，以達(dá)到最好充電效果。當(dāng)進(jìn)入電池的充電程序掃尾端時(shí)，此時(shí)停止，電池充滿，電池會(huì)自動(dòng)放電。

4 控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)

本文采用AVR ATmega161單片機(jī)做控制模塊的主控芯片。AVR ATmegal61內(nèi)有大量的指令和32個(gè)工作寄存器，兩者并且是聯(lián)合起來(lái)結(jié)合運(yùn)用的.所有的工作寄存器都與ALU算術(shù)邏輯單元直接相連。AVR ATmega161是一個(gè)在AVR 精簡(jiǎn)指令集計(jì)算機(jī)基礎(chǔ)上改進(jìn)的較低功率的消耗的8位單片機(jī)，ATmegal61在單個(gè)時(shí)鐘周期內(nèi)執(zhí)行單條指令的速率相當(dāng)于可以取得接近1MIPS/MHz的性能，使我們從功耗和執(zhí)行速度兩者之間找到我們所需要的平衡，允許在一個(gè)時(shí)鐘周期內(nèi)執(zhí)行的單條指令同時(shí)訪問(wèn)兩個(gè)獨(dú)立的寄存器，這種結(jié)構(gòu)提高了AVR代碼效率，使其比CMS-51系列單片機(jī)高很多倍的運(yùn)作的能力。

圖3中I/O（PORTA）做PWM波形輸出，I/O（PORTD）做LED顯示，模/數(shù)轉(zhuǎn)換通道（PORTB）做電壓采樣檢測(cè).MEGA16L具有從PA0到PA7工8個(gè)這樣的模/數(shù)轉(zhuǎn)換通道，其他的的I/O（PORTC）用作快/慢充電的控制選擇開關(guān)檢測(cè)，快/慢充電開關(guān)選擇則是由單片機(jī)發(fā)出指令對(duì)外觀硬件手動(dòng)選擇開關(guān)電路的檢測(cè)，得到結(jié)果后回到CPU判斷程序應(yīng)該執(zhí)行為十分之六的占空比（快充狀態(tài)）還是十分之三的占空比（慢充狀態(tài)），再由中央處理器發(fā)出相對(duì)應(yīng)的命令執(zhí)行為十分之六的占空比（快充狀態(tài)）還是十分之三的占空比（慢充狀態(tài)）。

另外，溫度問(wèn)題是充電電壓24V，充電電流2.6A鉛酸免維護(hù)蓄電池充電時(shí)的可避免的所需要考慮的問(wèn)題，蓄電池充電過(guò)程中，溫度過(guò)高或者過(guò)低都是不合理的，其會(huì)造成電解液減少，這就會(huì)使我們面臨電池壽命的縮短和在充電過(guò)程中的安全問(wèn)題和能否及時(shí)的停充電操作。

溫度檢測(cè)電路包含的原器件有LM339電壓比較器，兩個(gè)8050NPN晶體管和三個(gè)定值電阻，一個(gè)滑動(dòng)變阻器和一個(gè)熱敏電阻T。其中熱敏電阻T作為傳感器，熱敏電阻T剛開始隨著溫度的增加而增加，當(dāng)溫度達(dá)到一定的數(shù)值后，熱敏電阻的阻值快速降低.精密電位器在溫度為四十?dāng)z氏度時(shí)，設(shè)定好其阻值。利用8路電壓比較器進(jìn)行比較，當(dāng)充電器的充電溫度低于40攝氏度時(shí)，電壓比較器的輸出與上圖所標(biāo)示的正負(fù)極推出的結(jié)果一致，POPTA端為高電平；驅(qū)動(dòng)其再進(jìn)行充電；當(dāng)被充電池溫度大于四十?dāng)z氏度時(shí)，LM339跳轉(zhuǎn)，PORTA端為零電平，穩(wěn)壓器件停止驅(qū)動(dòng)，如此的循環(huán)下去，實(shí)現(xiàn)充電。當(dāng)蓄電池滿充時(shí)，溫度變化很快，為了防止這一現(xiàn)象導(dǎo)致電池使用壽命的減少，在本設(shè)計(jì)中添加了溫度檢測(cè)電路，用指示燈的顏色變化，判斷出當(dāng)前的溫度值，從而控制充電的狀態(tài)。這樣就對(duì)溫度、充滿和電池的損耗等方面進(jìn)行了有效的控制。

5 結(jié)論

本文設(shè)計(jì)出的8路大功率充電器，即同時(shí)對(duì)8組24V/2.6AH鉛蓄免維護(hù)電池以一定的充電速率進(jìn)行快速的充電。分別從系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)、硬件設(shè)計(jì)、進(jìn)行了闡述，并且具有PWM波形高/低兩檔進(jìn)行操作充電的快速和慢速的方式，現(xiàn)插上去即可就可用，其各種的控制系統(tǒng)如溫度的監(jiān)控，電壓的監(jiān)控，定時(shí)控制；浮充維護(hù)充電方式，LED對(duì)充電器全程充電狀態(tài)用不同的LED顏色進(jìn)行表示和LED綠燈，表充電已滿，自動(dòng)結(jié)束充電等功能。

本論文設(shè)計(jì)的充電器用AVR控制，實(shí)現(xiàn)充電器的智能性，是電路結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，降低了電路的占據(jù)空間，減少了成本。

參考文獻(xiàn)：

[1]揚(yáng)帆，姜燕.基于LLC的大功率智能充電器研究.武漢工程大學(xué)學(xué)報(bào)，2009，31（05）：80-83.

[2]陳穎，張鐵軍，賀正蕓.大功率蓄電池組充電器主電路設(shè)計(jì)[J].大功率變流技術(shù)，2009（02）：30-37.

[3]黃正佳.智能電池模塊[J].電源技術(shù)，2002，26（05）：379-382.

作者簡(jiǎn)介：齊英鑫（1973-），男，延邊大學(xué)，副教授。