基于ATmega16單片機(jī)的智能快速充電機(jī)設(shè)計(jì)與研究

黨武松，范寒柏，胡楊

(華北電力大學(xué)電氣與電子工程學(xué)院，河北保定071003)

基于ATmega16單片機(jī)的智能快速充電機(jī)設(shè)計(jì)與研究

黨武松，范寒柏，胡楊

(華北電力大學(xué)電氣與電子工程學(xué)院，河北保定071003)

介紹了利用產(chǎn)生定頻PWM脈沖的集成芯片SG3525AN作為電源核心驅(qū)動(dòng)芯片，外加ATmega16單片機(jī)擴(kuò)展外設(shè)的智能快速充電機(jī)。該充電機(jī)采用國(guó)內(nèi)先進(jìn)的高頻開(kāi)關(guān)電源技術(shù)及智能充電技術(shù)，彌補(bǔ)了工頻充電機(jī)的缺點(diǎn)，主電路采用進(jìn)口功率MOSFET管，保證了整機(jī)的可靠性和穩(wěn)定性，大大延長(zhǎng)了蓄電池的壽命，并且完全做到了免人值守的自動(dòng)工作狀態(tài)。

SG3525AN；單片機(jī)；智能快速充電機(jī)；開(kāi)關(guān)電源

蓄電池的使用已長(zhǎng)達(dá)一百多年，電池性能的好壞直接影響到電子產(chǎn)品的使用壽命和安全，而充電機(jī)的性能好壞又直接影響到電池的性能。傳統(tǒng)的充電機(jī)大多由于工頻變壓器及整流電路(可控硅調(diào)相)組成，雖然線路極為簡(jiǎn)單，但有許多不容忽視的缺點(diǎn)：笨重、可靠性差、充電效率低、充電期間必須人工值守、不斷調(diào)整充電電流等。而本文設(shè)計(jì)的智能快速充電機(jī)，按照蓄電池充電特性曲線進(jìn)行充電，具有充電快、還原效率高、無(wú)過(guò)充電危險(xiǎn)、自動(dòng)結(jié)束充電等功能，解決了上述問(wèn)題，提高了充電的質(zhì)量和效率。

1 充電方式及系統(tǒng)結(jié)構(gòu)

國(guó)內(nèi)外蓄電池的充電方法主要有恒流、恒壓、恒壓限流、脈沖充電、Relfex充電法。本系統(tǒng)以高頻芯片SG3525AN為核心，產(chǎn)生9 kHz左右的PWM脈沖，采用的是三階段充電法。所謂三階段充電法，具體是指恒流充電階段、恒壓充電階段、涓流充電階段(又叫浮充階段)。

1.1 三階段充電法

(1)恒流充電階段。在恒流充電階段，充電電流保持不變，但輸出電壓在變。電路根據(jù)充電電流的情況自動(dòng)調(diào)節(jié)輸出電壓，使電流保持在恒定的階段。一方面表現(xiàn)在，當(dāng)電流增大時(shí)，電路自動(dòng)降低輸出電壓，使電流減小，保持恒定；另一方面，隨著蓄電池電量的增多，其兩端電壓會(huì)不斷上升，為了防止充電電流變小，開(kāi)關(guān)電源的輸出端電壓必須隨著充電過(guò)程而逐漸上升。此階段的電流較大。

充電電流的值根據(jù)以下公式確定：

充電電流(A)＝蓄電池容量(Ah)×1.2(效率)×8(h)

式中：1.2效率是一個(gè)定值；8 h是指標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定的充電時(shí)間。

(2)恒壓充電階段。恒壓充電階段是指當(dāng)蓄電池的電壓升高到設(shè)定的恒壓值時(shí)，開(kāi)關(guān)電源的輸出電壓保持不變，而充電電流則根據(jù)蓄電池的充電情況減小。

充電電壓值的計(jì)算公式如下：恒壓充電電壓(V)＝蓄電池單格電壓(V)×蓄電池的格數(shù)(個(gè))

(3)涓流充電階段。涓流充電階段是指當(dāng)蓄電池基本充滿時(shí)，電路根據(jù)檢測(cè)到的充電電流會(huì)自動(dòng)減小開(kāi)關(guān)電源的輸出電壓，此時(shí)輸出電壓穩(wěn)定，電流持續(xù)減小，約2 h后充電結(jié)束[1]。

三階段充電的曲線如圖1所示。

1.2 智能充電機(jī)的系統(tǒng)結(jié)構(gòu)

本系統(tǒng)的輸出電壓范圍為5～20 V，輸出電流范圍為0～25 A。充電機(jī)由主電路、控制電路、過(guò)壓過(guò)流保護(hù)電路、驅(qū)動(dòng)電路和單片機(jī)接口電路組成。系統(tǒng)框圖如圖2所示。

電網(wǎng)220 V單相交流電輸入，經(jīng)EMI濾波，再經(jīng)過(guò)整流橋全橋整流和濾波，供給半橋式逆變電路進(jìn)行逆變，得到高頻交流脈沖電壓，再經(jīng)過(guò)全波整流電路整流、LC濾波電路濾波，最后得到一個(gè)穩(wěn)定的直流電壓和電流輸出到負(fù)載。單片機(jī)通過(guò)

圖1 三階段充電曲線圖

圖2 智能快速充電機(jī)的系統(tǒng)框圖

友好的人機(jī)界面用來(lái)顯示當(dāng)前的輸出電壓、電流和功率等。由于設(shè)計(jì)的是一款大功率充電器和穩(wěn)壓電源，所以還要實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)電池、功率管和大功率驅(qū)動(dòng)變壓器的溫度，一旦溫度過(guò)高，SG3525AN控制電路停止工作，起到保護(hù)作用。蓄電池在適當(dāng)?shù)臏囟确秶鷥?nèi)工作也可以延長(zhǎng)使用壽命。另外，當(dāng)電流、電壓、溫度等出現(xiàn)異常時(shí)，蜂鳴器提示模塊能以聲的形式進(jìn)行相應(yīng)故障提示。

1.3 核心驅(qū)動(dòng)電路的設(shè)計(jì)

核心驅(qū)動(dòng)電路采用的是集成芯片SG3525AN，它是一種性能優(yōu)良、功能齊全和通用性強(qiáng)的單片集成PWM控制芯片，占空比0～50%可調(diào)，輸出驅(qū)動(dòng)以推拉形式輸出，增加了驅(qū)動(dòng)能力，驅(qū)動(dòng)電流最大值可達(dá)200 mA，灌拉電流峰值可達(dá)500 mA，工作頻率高達(dá)400 kHz[3]。

SG3525AN是定頻PWM芯片，采用16引腳標(biāo)準(zhǔn)DIP封裝，其各引腳功能如圖3所示，驅(qū)動(dòng)電路如圖4所示。

圖3 SG3525AN各引腳功能

圖4 SG3525AN驅(qū)動(dòng)電路

當(dāng)15腳正常供電以后，其內(nèi)部建立起恒壓源和恒流源。2腳接基準(zhǔn)電壓，1腳為輸出電壓取樣端，當(dāng)1腳電壓升高時(shí)，經(jīng)誤差放大器9腳電壓下降；反之，9腳電壓上升。通過(guò)5、6腳外接定時(shí)元件，以及7腳放電端，使5腳產(chǎn)生鋸齒波信號(hào)，加于內(nèi)部比較器的輸入端。當(dāng)誤差放大器端9腳電壓上升時(shí)，比較器輸出的脈沖寬度變窄，11腳和14腳輸出的脈沖寬度反而變寬。當(dāng)9腳電壓下降時(shí)，情況相反，從而實(shí)現(xiàn)輸出脈寬調(diào)制[4]。

振蕩器腳5須外接電容，腳6須外接電阻，7腳須外接阻值小于100Ω的電阻，用來(lái)調(diào)節(jié)死區(qū)時(shí)間。振蕩器頻率由外接電阻、電容和電阻決定，公式如下：

2 系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)

2.1 數(shù)字部分原理圖設(shè)計(jì)

單片機(jī)控制模塊主要采用Atmega16芯片進(jìn)行各種采集、控制和顯示。Atmega16芯片內(nèi)核具有豐富的指令集和32個(gè)通用工作寄存器。它有16 K字節(jié)的系統(tǒng)內(nèi)部可編程Flash，512字節(jié)EEPROM，1 K字節(jié)SRAM。內(nèi)部具有8路10位ADC，8個(gè)單端通道，2個(gè)具有可編程增益的差分通道。

在設(shè)計(jì)中，全面應(yīng)用單片機(jī)的I/O口，ADC轉(zhuǎn)換器實(shí)現(xiàn)對(duì)電源的電壓檢測(cè)、電流檢測(cè)，并完成液晶顯示、報(bào)警設(shè)施等功能的控制，特別是對(duì)蓄電池放電電路的檢測(cè)，以此來(lái)判斷蓄電池的好壞。

單片機(jī)接口電路如圖5所示。

電流采樣電路如圖6所示。通過(guò)取主電路的一個(gè)微弱電流，經(jīng)過(guò)運(yùn)放LM324放大送給單片機(jī)進(jìn)行處理。ATmega16的PA3腳通過(guò)內(nèi)部寄存器配置成了A/D轉(zhuǎn)換輸入端，將采樣到的電流值顯示到液晶上，并經(jīng)過(guò)單片機(jī)的運(yùn)算分析來(lái)決定主電路的下一步動(dòng)作，從而達(dá)到穩(wěn)定充電電流和輸出電流的目的。

電壓采樣如圖7所示，電壓采樣直接從蓄電池的正端采集，經(jīng)過(guò)圖中的運(yùn)放送入ATmega16。PA7通過(guò)內(nèi)部寄存器設(shè)置成A/D轉(zhuǎn)換輸入端，采樣到的電壓值經(jīng)過(guò)單片機(jī)的運(yùn)算分析，為主電路的下一步動(dòng)作提供依據(jù)，從而達(dá)到穩(wěn)定充電電壓和輸出電壓的目的。

圖5 單片機(jī)接口電路原理圖

圖6 電流采樣電路

圖7 電壓采樣電路

2.2 智能快速充電機(jī)的軟件設(shè)計(jì)流程

本充電機(jī)軟件設(shè)計(jì)流程如圖8所示。

系統(tǒng)程序采用C語(yǔ)言編寫，在ICC AVR環(huán)境下編譯，在AVR_fighter環(huán)境下調(diào)試完成。程序的開(kāi)始先對(duì)電壓、電流的采樣進(jìn)行分析，并在液晶上顯示出來(lái)電壓值、電流值。如果過(guò)壓或者過(guò)流，會(huì)對(duì)蓄電池造成損害，應(yīng)及時(shí)停止充電。如果充電電壓、充電電流工作正常，判定充電進(jìn)行在三階段中的哪一階段，及時(shí)調(diào)整主電路的PWM脈沖[5]。

圖8 充電機(jī)軟件流程圖

3 結(jié)束語(yǔ)

系統(tǒng)測(cè)試表明，本充電機(jī)在對(duì)蓄電池充電時(shí)，具有良好的充電效果，充電實(shí)現(xiàn)了智能化，不需要人工值守，液晶顯示充電正常，各項(xiàng)指標(biāo)都達(dá)到了設(shè)計(jì)的要求，大大提高了充電的效率和蓄電池的使用壽命。

[1]劉丹偉.基于模糊控制的智能化充電電源[D].武漢：華中科技大學(xué)，2002.

[2]姜學(xué)東，汪至中，曲金龍.大容量蓄電池組充放電設(shè)備的研制[J].電力電子技術(shù)，1999(2)：39-41.

[3]耿莉霞.集散式蓄電池充放電智能控制系統(tǒng)方法[J].自動(dòng)化博覽，2005(1)：55-58.

[4]汪根華.大功率智能型充電機(jī)的研究與應(yīng)用[D].南京：河海大學(xué)，2004.

[5]謝秀鐲.基于DSP的智能通信開(kāi)關(guān)電源設(shè)計(jì)及開(kāi)發(fā)[D].大連：大連理工大學(xué)，2007.

Research and design of intelligent rapid charger based on ATmega16

DANG Wu-song,FAN Han-bai,HU Yang

A sort of intelligent rapid charger was introduced.Integrated chip SG3525AN was adopted which could produce the fixed frequency PWM pulse as the power core driver chips,and ATmega16 expand peripherals. Domestic advanced high-frequency switching power supply technology and intelligent charging technology were adopted to make up for the shortcomings of AC charger.The imported power MOSFET tube was adopted to ensure the reliability and stability of the whole machine,then the life of battery was greatly prolonged,and automatic working state of no man on duty was completely reached.

SG3525AN;MCU;intelligent rapid charger;switching power supply

TM 91

A

1002-087 X(2015)03-0550-03

2014-08-15

黨武松(1986—)，男，河南省人，碩士，主要研究方向?yàn)榍度胧较到y(tǒng)與智能檢測(cè)。采樣電路實(shí)時(shí)采集輸出端的電壓和電流，經(jīng)單片機(jī)內(nèi)部程序計(jì)算再?zèng)Q定下一階段的充電電壓和電流，然后送出相應(yīng)控制信號(hào)給脈寬調(diào)制器SG3525AN。SG3525AN經(jīng)過(guò)內(nèi)部的比較電路比較后，送出脈寬可以改變的PWM調(diào)制信號(hào)，驅(qū)動(dòng)半橋DC-DC隔離變換器的開(kāi)關(guān)MOSFET管工作，從而達(dá)到調(diào)節(jié)和穩(wěn)定輸出端的充電電壓和電流的目的[2]。