STC單片機(jī)控制的鉛酸電池組充電器設(shè)計(jì)

文/蘇州市立醫(yī)院 陳玉紅

一、 概述

鉛酸蓄電池是電動自行車的動力源，也是UPS的后備能源。電池的儲能消耗后需要及時(shí)地補(bǔ)充，否則就會“干枯”成為無電之池。充電器便是給蓄電池補(bǔ)償電能的裝置之一，是電動自行車必備的部件。根據(jù)電池組的電壓等級不同常有36V、48V和60V等多種；單節(jié)電池的容量C不同，常有12Ah、14Ah、17Ah和20 Ah等多種，電池組的充電電流通常取電池容量的0.1到0.2之間。若取0.15C，則對12Ah電池的充電電流應(yīng)為約1.8A。

充電器的結(jié)構(gòu)可分為有工頻變壓器和無工頻變壓器兩類。電動自行車使用的充電器屬無工頻變壓器類，有開關(guān)電源和比較電路組成。常見有兩種電路形式，一種是采用UC3842與LM358、或LM393等比較器組成的充電器電路，另一種是采用TL494與LM393等組成的充電器電路。這類充電器一般由市電濾波電路、市電整流電路、直流濾波電路、DC/DC變換電路、高頻整流電路、電壓取樣誤差放大電路、充電電流取樣比較電路等組成。[1]這種電路能夠?qū)崿F(xiàn)三段式充電器，即在電池虧電狀態(tài)進(jìn)行恒流充電，當(dāng)電池電壓達(dá)到名義電壓時(shí)進(jìn)入恒壓充電，最后進(jìn)入涓流充電。

目前市場上普通的充電器大多是三段式充電器，即在電池虧電狀態(tài)進(jìn)行恒流充電，當(dāng)電池電壓達(dá)到名義電壓時(shí)進(jìn)入恒壓充電，最后進(jìn)入涓流充電。實(shí)驗(yàn)表明，電池進(jìn)入涓流充電的時(shí)間不宜太常，一般在2小時(shí)左右，因此需要及時(shí)地切斷充電電流。

二、 系統(tǒng)結(jié)構(gòu)

本文介紹采用高性能電流模式控制器UC3842芯片來制作鉛酸電池充電器，其電路原理框圖如圖1所示。圖1所示電路框圖是以常用的由UC3842和TL431組成的DC/DC變換器為核心，[1]通過對變換器輸出的直流電壓和充電電流進(jìn)行采樣，來控制電池的充電電壓和電流，是一款具有限流型的單片機(jī)控制的48V12Ah鉛酸電池充電器。

三、電路原理

1.電壓電流采樣電路

由于STC單片機(jī)具有0～5VDC的模擬量輸入引腳，故對被采樣的直流電壓進(jìn)行降壓至單片機(jī)引腳許可的電壓范圍即可，這里用了一個(gè)電阻分壓電路。電流采集則由分流器通過信號放大來獲得0～5VDC信號電壓，然后送入單片機(jī)引腳，電壓電流的采樣電路如圖2所示。[2]

圖1 充電器原理框圖

圖2 電壓電流采樣電路

2. 待機(jī)控制電路

從UC3842的關(guān)機(jī)技術(shù)來看，要實(shí)現(xiàn)由UC3842組成的開關(guān)電源的待機(jī)控制，最簡單的方法是在其①引腳外部與公共地之間增設(shè)一個(gè)開關(guān)即可。當(dāng)需要關(guān)機(jī)時(shí)使開關(guān)閉合，工作時(shí)開關(guān)斷開。如圖3所示電路中的OPT103[3]。

圖3 待機(jī)控制

3.調(diào)壓控制電路

單片機(jī)對UC3842組成的DC/DC變換電路進(jìn)行調(diào)壓，是利用單片機(jī)輸出PWM脈沖進(jìn)行濾波后得到的直流電壓來調(diào)節(jié)的。將不同占空比的PWM脈沖進(jìn)行濾波后便可得到一個(gè)0-5V變化的模擬量，用該模擬量去進(jìn)行調(diào)壓控制，其原理如圖4所示。

圖4 調(diào)壓電路

4. 通信電路

通信電路由MAX232芯片組成，用于燒錄程序及與上位機(jī)通信，電路如圖5所示。

圖5 通信電路

5. 主要器件和布局

本充電器的DC/DC變換器由UC3842和TL431組成，控制系統(tǒng)采用宏晶公司的STC12C5A60S2單片機(jī)為核心。該單片機(jī)是高速、低功耗、超強(qiáng)抗干擾的新一代8051單片機(jī)，其指令代碼完全兼容傳統(tǒng)8051，但速度快8-12倍。內(nèi)部集成MAX810專用復(fù)位電路，內(nèi)含有雙串口、2路PWM和8路高速10位A/D轉(zhuǎn)換（250K/S），用戶應(yīng)用程序空間達(dá)60K，適合電機(jī)控制，強(qiáng)干擾場合使用。

充電器的電路板采用單塊雙面板，各功能電路整合在同一塊板子上，如圖6所示。

四、控制程序設(shè)計(jì)

控制程序使用C51語言，采用模塊化結(jié)構(gòu)編制。由電流采集模塊、電壓采集模塊、充電方式模塊等組成，主程序流程結(jié)構(gòu)如圖7所示。

圖6 印制板圖

圖6 主程序流程圖

五、結(jié)束語

本文介紹的電動自行車充電器融入了單片機(jī)控制技術(shù)，可以很方便地實(shí)現(xiàn)電池組的多段式充電，避免蓄電池組的欠充和過充，有利于延長電池組的使用壽命。通過通信口還可以由上位機(jī)來跟蹤充電狀態(tài)，和控制充電的方式。

[1] 陳潔. 電動自行車充電器的原理與制作[J]. 電子世界, 2011年12月.

[2] 陳竹.電池管理系統(tǒng)中基本物理量的采集方法[J]. 電動自行車, 2011年11月.

[3] 陳潔. 開關(guān)電源的待機(jī)控制[J]. 電源技術(shù)應(yīng)用, 2012年10月.

[4] 陳潔. 開關(guān)電源的單片機(jī)調(diào)壓控制[J]. 電源技術(shù)應(yīng)用, 2012年3月.