一款基于單片機的多模式蓄電池充電電路設計方案
本文介紹了一種通用電池充電器的智能充電軟件控制方法，利用這種充電方法根據(jù)電池的充電特性進行不同充電模式的轉換。采用AT89C51單片機芯片作為充電過程的控制芯片進行電路設計，實現(xiàn)A/D轉換和顯示電路，并根據(jù)外部電路檢測到的電池電壓信息選擇正確的充電模式，實現(xiàn)在涓流、恒流、恒壓及浮充電模式之間的智能轉換。
引言
一個好的充電器對蓄電池的使用壽命具有舉足輕重的作用，智能充電器具有操作簡單、可靠性高和通用性強等優(yōu)點，是充電器家族中的一個重要的組成部分，也是未來充電器發(fā)展的主要方向。所謂智能充電器是指能根據(jù)用戶的需要自主選擇充電方式、對不同類型的充電電池進行充電、并且在充電過程中能對被充電電池進行保護從而防止過電壓和溫度過高的一種智能化充電器。
充電控制器需要長時間控制并要進行電壓檢測，若用傳統(tǒng)電路實現(xiàn)則電路復雜，采用單片機控制可大大減化電路，降低成本。本充電器用AT89C51單片機進行充電定時控制。在定時充電期間若電池電壓高于另一值則停止充電。采用從涓流充電、恒流充電、恒壓充電到浮充電的方法,充電完成后,自動轉為浮充電, 以防止電池放電,并有顯示電路。適合對鎳鎘、鎳氫電池進行充電。該充電器采用單片機控制，充電效果更佳。
智能充電器硬件設計
由單片機和充電器芯片組成的通用充電器原理框圖如圖1所示，圖中AT89C51與ADC0809一起構成充電器的核心。ADC0809隨時檢測充電電池兩端電壓，當放入電池時，ADC0809即通過數(shù)據(jù)口向AT89C51傳送檢測到的電池兩端電壓信息，經過數(shù)據(jù)處理后，AT89C51根據(jù)所接收到的電壓信息選擇合適的充電模式。由于芯片只能接收0V～5V的電壓信息，因此在充電電池的兩端并聯(lián)兩個串聯(lián)電阻(阻值相等且很大)，這樣檢測到的電壓即為電池電壓的一半，乘以二即可得出電池電壓。若電池電壓低于4.7V，則啟用停止控制，充電器不工作。若電池電壓大于7.3V或小于5.2V，說明蓄電池曾經過度放電，為避免對蓄電池充電電流過大，造成熱失控，對蓄電池實行穩(wěn)定小電流涓流充電，激活蓄電池。此時單片機P1.2口發(fā)出高電平信號，啟動涓流充模式。同樣，當電壓在5.2V～6V時，P1.0口置為高電平，同時調用脈沖控制，控制開關的閉合，以恒流充電模式對電池進行充電。當電壓在6V～7.3V 之間時，P1.1口置為高電平，啟動恒壓充電模式。整個充電過程為3個小時，當電路工作三小時后，系統(tǒng)自動掉電，終止充電過程。
本設計利用8155作為AT89C51的I/O擴展接口，連接四個數(shù)碼管顯示電路。LED顯示采用共陰極，段選碼由8155PB口提供，位選碼由 PA口提供，當啟用涓流充電模式時(P1.2置高)，第一位數(shù)碼管顯示;當啟用恒流充電模式時(P1.0置高)，位選字右移，第二位數(shù)碼管顯示，當啟用恒壓充電模式時(P1.1置高)，位選字右移，第三位數(shù)碼管顯示。當停止充電時，P1.0、P1.1、P1.2口均置為低電平，第四位數(shù)碼管顯示。若對程序進行稍許修改，也可以讓顯示電路顯示當前充電電壓值，從而更有效的對電池進行充電。
智能充電器軟件設計與實現(xiàn)
軟件整體設計
因為不同種類的電池有不同的充電特性，所以充電器要能根據(jù)具體電池的類型，控制不同的充電狀態(tài)。在充電的關鍵階段采用了模糊控制方法，這些通過程序控制實現(xiàn)。充電總體流程圖如圖2所示。
程序具體實現(xiàn)過程為：單片機首先進行初始化，然后對蓄電池的電壓進行測量，產生電壓偏差和變化率信號，偏差及變化率信號進入模糊控制器后，經過模糊處理，輸出電流信息，從而適時和正確地控制充電方式和過程。在充電過程中不斷檢測電池是否充滿，當檢測己經充滿時，提示用戶電池已充足，充電器自動進入浮充維護狀態(tài)。模糊處理和終止條件的判決為整個智能充電器的關鍵，關系著充電器性能的好壞。
系統(tǒng)的軟件設計采用模塊式結構，主要由初始化程序、充電方式設置模塊、預處理模塊、A/D轉換模塊、定時模塊等部分組成。其中，充電方式設置模塊用于設置電池類型和充電方式，A/D轉換模塊用于檢測電池的電壓，以確定是否終止充電過程，定時模塊用于確定充電的時間監(jiān)測。
系統(tǒng)軟件流程采用中斷工作方式, 軟件功能的主要控制步驟均包括在定時中斷程序中，包括監(jiān)控電壓、測量電流及電池參數(shù)檢測等部分在開始充電時，對系統(tǒng)進行初始化，其中包括AT89C51單片機各個端口初始化、堆棧指針初始化、寄存器初始化、中斷設定和根據(jù)電池
類型設定它所能夠承受的最大電壓V，標準的容量值及對電壓、電流采樣的時間間隔△T。為了使測定結果更精確，采樣頻率要盡量高。系統(tǒng)初始化后開定時器中斷服務程序，由于程序中利用了定時中斷，使得定時控制很方便。
主程序模塊根據(jù)系統(tǒng)相應的狀態(tài)條件控制并調用相應的模塊。同時，其他各模塊之間也根據(jù)系統(tǒng)當前狀態(tài)相互調用。在初始化程序模塊中，設置了預處理功能，主要是設置A/D轉換參數(shù)和通道，檢測電池的端電壓。將檢測數(shù)據(jù)同理論經驗值比較，判斷電池的類別以及是否連接正確。對端電壓低的電池，采用短時間的脈動電流充電，這樣有利于激活電池內的化學反應物質，部分恢復受損的電池單元。
電池的端電壓檢測硬件上使用單片機的片上高精度A/D模塊，軟件控制采用中斷方式，這樣可節(jié)省單片機在A/D轉換期間的等待時間。端電壓檢測的數(shù)據(jù)，比較是否滿足充電終止條件，及時修改單片機的輸出參數(shù)，控制充電電流的大小。
涓流短時充電及浮充電
充電器開始工作后，首先檢測蓄電池的電池電壓，若電池電壓低于4.7V，充電器不工作。若電池電壓大于7.3V或小于5.2V，說明蓄電池曾經過度放電，為避免對蓄電池充電電流過大，造成熱失控，對蓄電池實行穩(wěn)定小電流涓流充電，激活蓄電池。軟件流程圖如下：
具體實現(xiàn)程序如下:
…
READ : MOV A、P0，將P0口的值送入累加器A
CJNE A、#84H、REL，若(A)≠5.2V則跳到REL
REL : JNC HL;大于5.2V轉移到HL
SETB P1.2，將P1.2口置為高位
SETB P1.3，脈沖控制
…
同時，當充電時間到兩個半小時時，進入浮充電階段。該階段主要用來補充蓄電池自放電所消耗的能量，此時標志著充電過程結束。
恒流充電
在涓流充電階段，電池電壓開始上升，當電池電壓上升到能接受大電流充電的閾值時，則轉入恒流充電階段。該階段為大電流恒流充電，電流值為I2 ，因蓄電池容量而異，一般I2 約為0.1C(C 為蓄電池組的容量)，持續(xù)時間為T2，在恒流充電狀態(tài)下，不斷檢測電池端電壓，當電池電壓達到飽和電壓時，恒流充電狀態(tài)終止。
本設計采用外部檢測設備將數(shù)據(jù)送入P0口，若電壓在5.2V～6V之間則P1.0口置為高電平，發(fā)送信號進行恒流充電模式。在恒流充電過程中，采用脈沖控制充電電流的占空比，以此來控制開關的開斷，實現(xiàn)充電電流的恒定。軟件流程圖如下：
具體實現(xiàn)程序如下：
…
READ : MOV A、P0，將P0口的值送入累加器A
CJNE A 、#99H 、REL，若(A)≠6V則跳到REL
REL : JNC HY，大于6V轉移到HY
SETB P1.0，將P1.0口置為高位
SETB P1.3，脈沖控制
充電電路在實現(xiàn)涓流充電和恒流充電方法是要使用脈沖充電控制來進行充電，有效的調整電池充電過程當中的占空比.其中脈沖控制的實現(xiàn)程序如下:
…
PWMH DATA 30H，高電平脈沖的個數(shù)
PWM DATA 31H ，PWM周期
COUNTER DATA 32H
TEMP DATA 33H
INTT0 : PUSH PSW ，現(xiàn)場保護
PUSH ACC
INC COUNTER ，計數(shù)值加1
MOV A，COUNTER
CJNE A ， PWMH，INTT01，如果等于高電平脈沖數(shù) CLR P1.0 ，P1.0變?yōu)榈碗娖?
CLR P1.2
AJMP INTT0
INTT01 : CJNE A，PWM，INTT02，如果等于周期數(shù)
MOV COUNTER， #01H ，計數(shù)器復位
SETB 08H，P1.0為高電平
SETB P1.2
INTT02 : POP ACC，出棧
POP PSW
RETI
END
…
恒壓充電
該階段為恒壓充電，電壓值為7.3V，它是蓄電池節(jié)數(shù)與蓄電池溫度的函數(shù)，這時充電電流逐漸減小，恒壓充電時，保持充電電壓不變。充電電流不斷下降，當充電電流下降到恒流狀態(tài)下充電電流的1/10 時，終止恒壓充電。電路實現(xiàn)方法為：外部檢測設備將結果送入P0口，系統(tǒng)檢測送入的數(shù)據(jù)，若電池電壓在大于6V時采用恒壓充電模式，即P1.1口置高位進行恒壓充電模式。具體實現(xiàn)程序如下：
…
READ : MOV A，P0，將P0口的值送入累加器A
CJNE A，#0B7H，REL ，若(A)≠7.3V則跳到REL
REL : JNC STOP ，大于7.3V轉移到STOP
A/D轉換模塊
由于本設計用到了電壓實時監(jiān)測，因此需要對其發(fā)出的信號進行A/D轉換，在電路中采用了ADC0809轉換器，對模擬信號進行采集與轉換。具體實現(xiàn)程序如下:
START: MOV R0 ，#30H ，RAM緩沖區(qū)地址設初值
MOV DPTR ， #0FEF8H，通道地址寄存器設初值 MOVX @DPTR A ，啟動A/D轉換
MOV R5，#0AH ，延時等待
DLX: DJNZ R5，DLX
WAIT : JB P3.2 ，WAIT，等待A/D轉換結束
MOVX A ，@DPTR，讀取A/D轉換結果
MOV @R0，A ，保存A/D轉換結果
ACALL DATADSP，數(shù)據(jù)的數(shù)字處理
LJMP START
…
總結
采用單片機和充電集成電路進行充電器的設計，不但能夠實現(xiàn)對一般的蓄電池進行充電，而且還能夠實現(xiàn)相應的過壓和時間控制，從而可以充分發(fā)揮蓄電池的性能，延長電池的使用壽命，并避免簡易充電器在充電時可能對電池造成損害的情況發(fā)生，具有一定的智能功能，符合目前的環(huán)境保護潮流。
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