基于單片機(jī)的多功能智能充電器

王宇軒 高鳳陽 王慶華 楊帆 柳振寶 顏雪嶺 封良舟

摘 要：本作品是以CN305A作為充電控制芯片，使用AT89S52單片機(jī)芯片進(jìn)行控制的智能充電器，理想地解決鋰離子電池和鎳鎘電池的充電問題。本文介紹了智能充電器的工作原理、設(shè)計(jì)特點(diǎn)，充分討論了該充電器的硬件結(jié)構(gòu)及軟件實(shí)現(xiàn)方案與它優(yōu)異的抗干擾能力。

關(guān)鍵詞：充電控制技術(shù);智能化;電池檢測(cè)

二次電池具有廣闊的經(jīng)濟(jì)價(jià)值、容量大、供電穩(wěn)定、循環(huán)性能好等特點(diǎn)，廣泛應(yīng)用于飛機(jī)、汽車和各種通信設(shè)備以及充當(dāng)發(fā)電機(jī)組的電源，也是各類需要持續(xù)供電的電子檢測(cè)儀器儀表和電氣設(shè)備不可缺少的組成部分。

本設(shè)計(jì)選取行業(yè)內(nèi)公認(rèn)較好的-△U控制方式，能對(duì)鎳鎘電池和鋰離子電池進(jìn)行平滑充電，通過微控制器對(duì)充電控制芯片的管控，使二次電池實(shí)現(xiàn)充電過程以及斷電的智能化管理，精確監(jiān)控并捕捉充電完成后產(chǎn)生的電壓信號(hào)迅速自動(dòng)切斷供電、充電過程中溫度超出設(shè)定值系統(tǒng)開啟報(bào)警、LCD液晶顯示過程信息等功能。智能化的充電器能夠檢測(cè)充電電壓變化、收縮充電過程，延長(zhǎng)二次電池的工作壽命，具有重要意義。

1 智能充電器的結(jié)構(gòu)性能

本設(shè)計(jì)基于AT89S52微控制器，包含開關(guān)電源電路、溫度監(jiān)測(cè)電路、恒流恒壓電路、液晶顯示電路、光耦隔離電路。

1.1 單片機(jī)部分原理圖設(shè)計(jì)

充電器核心采用AT89S52充當(dāng)控制核心，根據(jù)中斷端口INTO接收到的充電狀態(tài)特性選擇不同充電模式，傳遞信號(hào)控制光耦芯片LP632，全程啟動(dòng)或切斷供，單片機(jī)通過P2.1端口控制蜂鳴器發(fā)出報(bào)警提示聲。

1.2 電源電路設(shè)計(jì)

電源是各種電子設(shè)備不可或缺的組成部分，目前常用的直流穩(wěn)壓電源分線性電源和開關(guān)電源兩大類，開關(guān)電源從出現(xiàn)到現(xiàn)在能夠迅速占領(lǐng)市場(chǎng)得益于它優(yōu)異的性能。開關(guān)電源內(nèi)部元器件不停地切換工作狀態(tài)，內(nèi)部元器件消耗微乎其微的能量，從而開關(guān)電源效率可達(dá)80%以上，遠(yuǎn)遠(yuǎn)超過普通線性電源的工作效率。因此本設(shè)計(jì)選用開關(guān)電源作為核心，然則開關(guān)電源無法忽略其電磁干擾、輸出波紋大、發(fā)熱厲害等問題，設(shè)計(jì)電路時(shí)采用屏蔽、接地等措施抑制電磁干擾，采用溫度傳感器LM35監(jiān)控電池溫度，較好的解決了充電問題。

1.3 充電電路的設(shè)計(jì)

恒流恒壓電路是智能充電器的核心組成部分。圖1是其電路原理圖。傳統(tǒng)的鋰離子電池充電器都以先恒流，后恒壓方式充電，由于鋰電完全放電后只可以較小的電流充電，所以充電器需先檢測(cè)電池電壓，若偏低則需以較大的電流充電，當(dāng)電流回升至一定水平后才以正常電流充電。當(dāng)以恒流充電時(shí)，電池電壓會(huì)隨之上升，直到電壓達(dá)至4.2V時(shí)，充電器需轉(zhuǎn)以恒電壓方式充電，因?yàn)殡妷焊哌^4.2V的話就會(huì)導(dǎo)致電池?fù)p壞。

基本采用恒流方式充電對(duì)鎳鎘電池、鎳氫電池進(jìn)行充電，因?yàn)檫@種充電方式相對(duì)容易檢測(cè)電池的充電狀態(tài)，特別是檢測(cè)電池是否充滿。檢測(cè)充滿的方法有很多種，包括-ΔV、ΔT等。市場(chǎng)上的鎳氫電池充電器也有采用脈沖方式?jīng)_電。由于大部份的鎳鎘、鎳氫電池的外觀尺寸都是AA或AAA等，與堿性電池多是相同，所以使用者有可能誤把不可以充電的堿性電池放進(jìn)充電器充電，這就會(huì)造成充電電池的損壞，本設(shè)計(jì)設(shè)有識(shí)別程序，能以電子方式分辨出電池是堿性電池或是鎳鎘、鎳氫電池，迅速準(zhǔn)確的計(jì)算出相對(duì)應(yīng)的充電方式并應(yīng)用。承諾在最短的時(shí)間內(nèi)充電50%，（超過50%的電量后充電速度在減緩，以防止電池承受過大的壓力）。

1.4 LM35溫檢及控制電路

所有電池的充放電都會(huì)產(chǎn)生內(nèi)熱，而產(chǎn)生的熱量與所涉及的電流大致成正比（電池的充電電流狀態(tài)、狀態(tài)/歷史等也是因素）。因?yàn)殇囯x子電池充電速度更快，在使用中產(chǎn)生更高的電流輸出。因此終端需要檢測(cè)電壓和溫度，以防止充電過度（或可能過熱或著火，有些電池甚至?xí)ǎ??？梢猿浞掷脺囟茸兓孰S充電過程而變化的特性，迅速準(zhǔn)確地檢測(cè)電池的溫度。本設(shè)計(jì)選用集成電路溫度傳感器LM35檢測(cè)電池溫度，有一個(gè)冷卻風(fēng)扇，以幫助將電池的溫度保持在安全水平。

2 智能充電器的充電模式分析

2.1 快速充電模式

為了加快充電時(shí)間，提供連續(xù)充電，智能充電器嘗試檢測(cè)電池的充電狀態(tài)和狀態(tài)，采用三級(jí)充電方案。第一個(gè)階段稱為“體吸收”;充電電流將保持高和恒定，并受到充電器容量的限制。當(dāng)電池上的電壓達(dá)到它的設(shè)定電壓，充電器切換到第二階段，電壓保持不變。當(dāng)電流小于0.005C時(shí)，充電器進(jìn)入第三階段，充電器輸出保持在每個(gè)電池2.25V不變。在第三階段，充電電流非常小，0.005C，在這個(gè)電壓下，電池可以保持完全充電，并補(bǔ)償自放電。

2.3 涓流充電模式

快速充電結(jié)束后，系統(tǒng)自動(dòng)轉(zhuǎn)入涓流充電模式，涓流充電器提供相對(duì)少量的電流，僅足以抵消長(zhǎng)時(shí)間閑置的電池的自放電。有些電池類型不能容忍任何類型的涓流充電，試圖這樣做可能會(huì)導(dǎo)致?lián)p壞。鋰離子電池使用化學(xué)系統(tǒng)，不允許無限涓流充電，本設(shè)計(jì)可以使電流只足夠提供維持電池滿狀態(tài)，通常是大多數(shù)電池充電器的最后一個(gè)充電階段。進(jìn)入涓流充電模式，它可以無限期地與電池連接?？梢耘c電池保持連接而不會(huì)造成電池?fù)p壞。

3 測(cè)試

使用智能充電器對(duì)不同類型的二次電池進(jìn)行充電實(shí)驗(yàn)測(cè)試得到的測(cè)試曲線如圖2所示。

4 結(jié)論

單片機(jī)在蓄電池充電器領(lǐng)域有著比較廣泛的應(yīng)用，利用它的可編程及處理控制能力可以實(shí)現(xiàn)充電器的智能化設(shè)計(jì)。經(jīng)過實(shí)際電路的實(shí)驗(yàn)測(cè)試，在各個(gè)單元電路的配合下，可實(shí)現(xiàn)高系統(tǒng)精度，保證鋰離子電池充電電壓的精度達(dá)到1%，鎳鎘電池的精度達(dá)到2%。

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指導(dǎo)老師：高飛燕，副教授。