無線識別裝置的無線智能充電器設(shè)計

楊春光，劉海成，張 立，邢敬娓

(黑龍江工程學(xué)院 電氣與信息工程學(xué)院，黑龍江 哈爾濱 150050)

無線識別裝置的無線智能充電器設(shè)計

楊春光，劉海成，張 立，邢敬娓

(黑龍江工程學(xué)院 電氣與信息工程學(xué)院，黑龍江 哈爾濱 150050)

充電器對充、放電電流、充電電壓、溫度等的監(jiān)控需求越來越嚴(yán)格。文中基于AVR單片機實現(xiàn)無線智能充電器的設(shè)計，使用該設(shè)備充電時，只需將被充電電池放在充電器上，通過無線的方式就可以將充電器的能量及信息與電池進(jìn)行傳遞，實現(xiàn)安全通信，間接地控制電池充電，做到無線充電和智能化，從而省去了電線連接的過程?？蓪崟r采集電池端電壓、充電電流、電池溫度、充電時間，并對充電過程中各個參數(shù)值進(jìn)行智能控制，同時系統(tǒng)中還設(shè)計了充電保護電路，以防止電池的過充和過放對電池造成損害。

RFID；AVR；鎳氫電池；充電器；保護電路

電池是一種能量轉(zhuǎn)化與儲存的裝置，它通過反應(yīng)將化學(xué)能或物理能轉(zhuǎn)化為電能。而充電器是伴隨著充電電池的發(fā)展而發(fā)展的，電池技術(shù)的持續(xù)進(jìn)步也要求更復(fù)雜的充電算法以實現(xiàn)快速、安全地充電，這就意味著需要對充電過程進(jìn)行更精確地監(jiān)控，以縮短充電時間，達(dá)到最大的電池容量，并防止電池?fù)p壞。市場上賣得最多的是旅行充電器，但是從充電電路上嚴(yán)格分析，只有很少部分充電器才能真正意義上被稱為智能充電器[1]，因此，智能型充電器要做到能實時監(jiān)控被充電池的各種特性(例如對充、放電電流、充電電壓、溫度等的監(jiān)控)，電路通常包括了恒流/恒壓控制環(huán)路、電池電壓監(jiān)測電路、電池溫度檢測電路、外部顯示電路(LED或LCD顯示)等基本單元?；赗FID技術(shù)的智能充電器只需將被充電電池放在充電器上，通過無線的方式就可以將充電器的能量及信息與電池進(jìn)行傳遞，實現(xiàn)安全通信，間接地控制電池充電，真正做到無線充電和智能化，這樣就省去了電線連接的過程。隨著信息化社會進(jìn)程的加快，現(xiàn)代信息技術(shù)迅速改變著我們的生活，因此，設(shè)計具有較高性價比的無線智能充電器會具有一定的現(xiàn)實意義，將來會有很大的市場發(fā)展前景[2]。

1 方案設(shè)計

設(shè)計的方案如圖1所示，采用電壓控制環(huán)路使電池達(dá)到飽和狀態(tài)，避免快速充電不能將電池充滿；具有鎳氫電池的溫度控制，因為電極電解液界面上的電化學(xué)反應(yīng)與環(huán)境溫度有關(guān)，被視為電池的心臟[3]。一般來說，高溫可加速化學(xué)反應(yīng)，但同時也加快電池內(nèi)部老化的過程。如果溫度下降，電極的反應(yīng)率也下降，假設(shè)電池電壓保持恒定，放電電流降低，電池的功率輸出也會下降，如果溫度上升則相反，即電池輸出功率會上升。溫度也影響電解液的傳送速度溫度。上升則加快，傳送溫度下降，傳送減慢，電池充放電性能也會受到影響。為了有效充電，環(huán)境溫度范圍應(yīng)在5～30 ℃之間。智能型充電電路通常包括了電壓控制環(huán)路、電池電流/電壓監(jiān)測電路、電池溫度檢測電路、外部顯示電路(LED指示)等基本單元。

圖1 充電器設(shè)計框圖

無線識別裝置(RFID)模塊設(shè)計如圖2所示，充分考慮了無源的從機運行方式，發(fā)射器采用ASK方式發(fā)送數(shù)據(jù)，由接收器對發(fā)射器進(jìn)行阻抗調(diào)制的方式讀取數(shù)據(jù)。通信建立在AVR單片機的硬件UART上，實現(xiàn)了高效的數(shù)據(jù)傳輸。發(fā)射器由ATmega16產(chǎn)生高穩(wěn)定性占空比可調(diào)的PWM信號進(jìn)行載波，從而完成了能量的傳輸和信息的耦合。接收器由超低功耗的單片機ATmega48V作為控制器，由并聯(lián)諧振回路對能量進(jìn)行收集，采用低壓差的鍺二極管1N60進(jìn)行倍壓整流并將電能存儲到電容中。信號整形使用了ATmega48V內(nèi)部集成的模擬比較器，充分利用單片機內(nèi)部資源，盡量將接收器的功耗作到最小。讀取數(shù)據(jù)時接收器先進(jìn)行充電，然后通過吸收磁場能量的方式影響發(fā)射器線圈的諧振電流，從而傳遞能量和信息。

圖2 無線識別模塊設(shè)計框圖

2 硬件電路設(shè)計

硬件設(shè)計過程中，對無線識別模塊、單片機的選擇、電壓控制模塊、電流檢測模塊、溫度檢測模塊、指示模塊等進(jìn)行了研究，結(jié)合EDA工具對各單元電路進(jìn)行設(shè)計及論證，從而完成了對無線智能充電器各個模塊的設(shè)計部分。經(jīng)過多次試驗，選用了30 pF電容做為并聯(lián)諧振電路的諧振電容，并在諧振電路上并聯(lián)104CBB電容做為諧振的儲能電容；為了提高發(fā)射器的工作效率，在發(fā)射器的功率放大上使用了D類放大器；為了增加信號放大電路的輸入阻抗，選用同相比例放大，一、二同樣使用同相比例放大電路，其放大倍數(shù)分別為：第一級60倍，第二級60倍，第一級60倍，第二級60倍；接收器中首先使用倍壓整流電路，得到二倍于線圈電壓的電源電壓給系統(tǒng)供電； 在接收器的電源和地之間連接一個大的電位器，通過該電位器中間滑動點的調(diào)節(jié)來得到比較電壓，而且該電壓也是隨著距離的變化而變化的，同時也方便了調(diào)試，為了減小功耗，選用了200 K電位器進(jìn)行比較點調(diào)節(jié)。

單片機選擇考慮到設(shè)計需要一個高性能、低功耗的單片機。而ATMEL公司1997年推出了采用精簡指令集(Reduced Instruction Set Computer,RISC)結(jié)構(gòu)的新型單片機，簡稱AVR單片機[4]。它采用RISC結(jié)構(gòu)，具有1MIPS/ MHz的高速運行處理能力。本設(shè)計中需要PWM對充電器進(jìn)行控制,對液晶的SPI通信和大量的A/D對電池的電壓、電流、溫度等狀態(tài)進(jìn)行采集[5]，而AVR單片機中的ATmega16具有4通道的PWM和8位10路的ADC,而且它支持SPI串口通信，最終選用AVR單片機[6]。最小系統(tǒng)電路如圖3所示。

圖3 AVR的最小系統(tǒng)

3 軟件部分

設(shè)計主要內(nèi)容是在無線充電器的充電過程中，采集參數(shù)，進(jìn)行電壓、電流、溫度的實時監(jiān)控[7]，并且通過對電壓、電流、溫度的控制從而對鎳氫電池充電。開始時系統(tǒng)進(jìn)行初始化，接下來通過單片機內(nèi)部的A/D，對電池的電壓進(jìn)行采集對比，如果沒有電池則A/D采集的電壓則不大于零，接著采集電壓，直到采集到的電壓大于0，然后采集電池的電壓、電流、溫度等，從而控制充電器對電池的充電過程，其主流程圖設(shè)計如圖4所示。

圖4 主流程圖

為了保證在任何情況下，充電器均能準(zhǔn)確可靠地控制電池的充電狀態(tài)，要對電池的電壓、電流、溫度等信息進(jìn)行采集并且控制[8]，這樣才能使充電器可靠地對電池充電。具體軟件控制流程如圖5所示。

圖5 控制充電流程

4 結(jié) 論

設(shè)計完成了對鎳氫電池進(jìn)行無線智能安全的充電，具有無線控制系統(tǒng)及電池保護電路，通過無線監(jiān)測當(dāng)前的電池端電壓、充電電流、電池溫度等參數(shù)信息，達(dá)到了無線智能充電的效果。但本設(shè)計所研制的無線智能充電器系統(tǒng)功能還比較簡單，功率比較小，不能做到更遠(yuǎn)距離地控制充電器。如果想實現(xiàn)更多的充電要求，需要更高難度的設(shè)計，這是未來充電器的發(fā)展方向。

[1] LANDT J. The history of RFID [J]. Potentials, IEEE, 2005, 24(4): 8-11.

[2] 湯競南，錢昊，過海欣.PIC單片機基礎(chǔ)與應(yīng)用[M].北京：人民郵電出版社，2006：1-9.

[3] 郭麗芳.智能充電裝置及其控制技術(shù)[D].南京：河海大學(xué), 2003：1-20.

[4] 劉海成.AVR單片機原理及測控工程應(yīng)用——基于ATmega48/ATmega16[M]. 北京：北京航空航天大學(xué)出版社，2008.

[5] 柯鋒,周永鵬,黃錦恩,等. PWM恒流充電系統(tǒng)的設(shè)計[J].電子技術(shù)應(yīng)用, 2002(3)：43-44.

[6] 焦慧敏.電動汽車動力電池剩余電量的預(yù)測方法及其實現(xiàn)[D] .長沙：湖南大學(xué), 2006 ：1-30.

[7] 黃賢武.傳感器實際應(yīng)用電路設(shè)計[M].西安：西安電子科技大學(xué)出版社，2000：45-47.

[8] 張占松，蔡軒三.開關(guān)電源的原理與設(shè)計[M].北京：電子工業(yè)出版社，2001：1-20.

[責(zé)任編輯：劉文霞]

Design of wireless intelligent battery charger system based on radio frequency identification technology

YANG Chunguang,LIU Haicheng, ZHANG Li,XING Jingwei

(College of Electrical and Information Engineering,Heilongjiang Institute of Technology,Harbin 150050,China)

The charger to recharge and discharge current, voltage, temperature monitoring needs to be more strict. This design is based on AVR microcomputer wireless intellectual charger. For this equipment charge, it only will be placed on the rechargeable battery charger. In wireless mode the energy and information of the changer and the battery can be transmitted, to achieve the safety communication, indirect control battery charging, wireless, truly intelligent charging, and to eliminate the wire. The real-time data acquisition, battery charging electric current, voltage, temperature, battery charging time, and various parameters in the process of charging an intelligent control system are designed, as well as the charging protection circuit, in order to prevent the battery overcharge for battery and damage.

RFID;AVR; nimh batteries; charger; protection circuit

10.19352/j.cnki.issn1671-4679.2017.02.009

2016-09-29

哈爾濱市優(yōu)秀學(xué)科帶頭人資助項目(2015RAXXJ036)

楊春光(1975-)，女，講師，工學(xué)碩士，研究方向：電器測試與磁場理論.

TP368

A

1671-4679(2017)02-0041-03