一款基于單片機(jī)的多模式蓄電池充電電路設(shè)計(jì)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(jìn)行不同充電模式的轉(zhuǎn)換。采用AT89C51單片機(jī)芯片作為充電過(guò)程的控制芯片進(jìn)行電路設(shè)計(jì),實(shí)現(xiàn)A/D轉(zhuǎn)換和顯示電路,并根據(jù)外部電路檢測(cè)到的電池電壓信息選擇正確的充電模式,實(shí)現(xiàn)在涓流、恒流、恒壓及浮充電模式之間的智能轉(zhuǎn)換。
引言
一個(gè)好的充電器對(duì)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(jiǎn)單、可靠性高和通用性強(qiáng)等優(yōu)點(diǎn),是充電器家族中的一個(gè)重要的組成部分,也是未來(lái)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(duì)不同類型的充電電池進(jìn)行充電、并且在充電過(guò)程中能對(duì)被充電電池進(jìn)行保護(hù)從而防止過(guò)電壓和溫度過(guò)高的一種智能化充電器。
充電控制器需要長(zhǎng)時(shí)間控制并要進(jìn)行電壓檢測(cè),若用傳統(tǒng)電路實(shí)現(xiàn)則電路復(fù)雜,采用單片機(jī)控制可大大減化電路,降低成本。本充電器用AT89C51單片機(jī)進(jìn)行充電定時(shí)控制。在定時(shí)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(dòng)轉(zhuǎn)為浮充電, 以防止電池放電,并有顯示電路。適合對(duì)鎳鎘、鎳氫電池進(jìn)行充電。該充電器采用單片機(jī)控制,充電效果更佳。
智能充電器硬件設(shè)計(jì)
由單片機(jī)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(gòu)成充電器的核心。ADC0809隨時(shí)檢測(cè)充電電池兩端電壓,當(dāng)放入電池時(shí),ADC0809即通過(guò)數(shù)據(jù)口向AT89C51傳送檢測(cè)到的電池兩端電壓信息,經(jīng)過(guò)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(gè)串聯(lián)電阻(阻值相等且很大),這樣檢測(cè)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(shuō)明蓄電池曾經(jīng)過(guò)度放電,為避免對(duì)蓄電池充電電流過(guò)大,造成熱失控,對(duì)蓄電池實(shí)行穩(wěn)定小電流涓流充電,激活蓄電池。此時(shí)單片機(jī)P1.2口發(fā)出高電平信號(hào),啟動(dòng)涓流充模式。同樣,當(dāng)電壓在5.2V~6V時(shí),P1.0口置為高電平,同時(shí)調(diào)用脈沖控制,控制開(kāi)關(guān)的閉合,以恒流充電模式對(duì)電池進(jìn)行充電。當(dāng)電壓在6V~7.3V 之間時(shí),P1.1口置為高電平,啟動(dòng)恒壓充電模式。整個(gè)充電過(guò)程為3個(gè)小時(shí),當(dāng)電路工作三小時(shí)后,系統(tǒng)自動(dòng)掉電,終止充電過(guò)程。
本設(shè)計(jì)利用8155作為AT89C51的I/O擴(kuò)展接口,連接四個(gè)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(dāng)啟用涓流充電模式時(shí)(P1.2置高),第一位數(shù)碼管顯示;當(dāng)啟用恒流充電模式時(shí)(P1.0置高),位選字右移,第二位數(shù)碼管顯示,當(dāng)啟用恒壓充電模式時(shí)(P1.1置高),位選字右移,第三位數(shù)碼管顯示。當(dāng)停止充電時(shí),P1.0、P1.1、P1.2口均置為低電平,第四位數(shù)碼管顯示。若對(duì)程序進(jìn)行稍許修改,也可以讓顯示電路顯示當(dāng)前充電電壓值,從而更有效的對(duì)電池進(jìn)行充電。
智能充電器軟件設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)
軟件整體設(shè)計(jì)
因?yàn)椴煌N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(guān)鍵階段采用了模糊控制方法,這些通過(guò)程序控制實(shí)現(xiàn)。充電總體流程圖如圖2所示。
程序具體實(shí)現(xiàn)過(guò)程為:?jiǎn)纹瑱C(jī)首先進(jìn)行初始化,然后對(duì)蓄電池的電壓進(jìn)行測(cè)量,產(chǎn)生電壓偏差和變化率信號(hào),偏差及變化率信號(hào)進(jìn)入模糊控制器后,經(jīng)過(guò)模糊處理,輸出電流信息,從而適時(shí)和正確地控制充電方式和過(guò)程。在充電過(guò)程中不斷檢測(cè)電池是否充滿,當(dāng)檢測(cè)己經(jīng)充滿時(shí),提示用戶電池已充足,充電器自動(dòng)進(jìn)入浮充維護(hù)狀態(tài)。模糊處理和終止條件的判決為整個(gè)智能充電器的關(guān)鍵,關(guān)系著充電器性能的好壞。
系統(tǒng)的軟件設(shè)計(jì)采用模塊式結(jié)構(gòu),主要由初始化程序、充電方式設(shè)置模塊、預(yù)處理模塊、A/D轉(zhuǎn)換模塊、定時(shí)模塊等部分組成。其中,充電方式設(shè)置模塊用于設(shè)置電池類型和充電方式,A/D轉(zhuǎn)換模塊用于檢測(cè)電池的電壓,以確定是否終止充電過(guò)程,定時(shí)模塊用于確定充電的時(shí)間監(jiān)測(cè)。
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(shí)中斷程序中,包括監(jiān)控電壓、測(cè)量電流及電池參數(shù)檢測(cè)等部分在開(kāi)始充電時(shí),對(duì)系統(tǒng)進(jìn)行初始化,其中包括AT89C51單片機(jī)各個(gè)端口初始化、堆棧指針初始化、寄存器初始化、中斷設(shè)定和根據(jù)電池
類型設(shè)定它所能夠承受的最大電壓V,標(biāo)準(zhǔn)的容量值及對(duì)電壓、電流采樣的時(shí)間間隔△T。為了使測(cè)定結(jié)果更精確,采樣頻率要盡量高。系統(tǒng)初始化后開(kāi)定時(shí)器中斷服務(wù)程序,由于程序中利用了定時(shí)中斷,使得定時(shí)控制很方便。
主程序模塊根據(jù)系統(tǒng)相應(yīng)的狀態(tài)條件控制并調(diào)用相應(yīng)的模塊。同時(shí),其他各模塊之間也根據(jù)系統(tǒng)當(dāng)前狀態(tài)相互調(diào)用。在初始化程序模塊中,設(shè)置了預(yù)處理功能,主要是設(shè)置A/D轉(zhuǎn)換參數(shù)和通道,檢測(cè)電池的端電壓。將檢測(cè)數(shù)據(jù)同理論經(jīng)驗(yàn)值比較,判斷電池的類別以及是否連接正確。對(duì)端電壓低的電池,采用短時(shí)間的脈動(dòng)電流充電,這樣有利于激活電池內(nèi)的化學(xué)反應(yīng)物質(zhì),部分恢復(fù)受損的電池單元。
電池的端電壓檢測(cè)硬件上使用單片機(jī)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(jī)在A/D轉(zhuǎn)換期間的等待時(shí)間。端電壓檢測(cè)的數(shù)據(jù),比較是否滿足充電終止條件,及時(shí)修改單片機(jī)的輸出參數(shù),控制充電電流的大小。
涓流短時(shí)充電及浮充電
充電器開(kāi)始工作后,首先檢測(cè)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(shuō)明蓄電池曾經(jīng)過(guò)度放電,為避免對(duì)蓄電池充電電流過(guò)大,造成熱失控,對(duì)蓄電池實(shí)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(shí)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(zhuǎn)移到HL
SETB P1.2,將P1.2口置為高位
SETB P1.3,脈沖控制
…
同時(shí),當(dāng)充電時(shí)間到兩個(gè)半小時(shí)時(shí),進(jìn)入浮充電階段。該階段主要用來(lái)補(bǔ)充蓄電池自放電所消耗的能量,此時(shí)標(biāo)志著充電過(guò)程結(jié)束。
恒流充電
在涓流充電階段,電池電壓開(kāi)始上升,當(dāng)電池電壓上升到能接受大電流充電的閾值時(shí),則轉(zhuǎn)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(shí)間為T(mén)2,在恒流充電狀態(tài)下,不斷檢測(cè)電池端電壓,當(dāng)電池電壓達(dá)到飽和電壓時(shí),恒流充電狀態(tài)終止。
本設(shè)計(jì)采用外部檢測(cè)設(shè)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(hào)進(jìn)行恒流充電模式。在恒流充電過(guò)程中,采用脈沖控制充電電流的占空比,以此來(lái)控制開(kāi)關(guān)的開(kāi)斷,實(shí)現(xiàn)充電電流的恒定。軟件流程圖如下:
具體實(shí)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(zhuǎn)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(shí)現(xiàn)涓流充電和恒流充電方法是要使用脈沖充電控制來(lái)進(jìn)行充電,有效的調(diào)整電池充電過(guò)程當(dāng)中的占空比.其中脈沖控制的實(shí)現(xiàn)程序如下:
…
PWMH DATA 30H,高電平脈沖的個(gè)數(shù)
PWM DATA 31H ,PWM周期
COUNTER DATA 32H
TEMP DATA 33H
INTT0 : PUSH PSW ,現(xiàn)場(chǎng)保護(hù)
PUSH ACC
INC COUNTER ,計(jì)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(jì)數(shù)器復(fù)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(shí)充電電流逐漸減小,恒壓充電時(shí),保持充電電壓不變。充電電流不斷下降,當(dāng)充電電流下降到恒流狀態(tài)下充電電流的1/10 時(shí),終止恒壓充電。電路實(shí)現(xiàn)方法為:外部檢測(cè)設(shè)備將結(jié)果送入P0口,系統(tǒng)檢測(cè)送入的數(shù)據(jù),若電池電壓在大于6V時(shí)采用恒壓充電模式,即P1.1口置高位進(jìn)行恒壓充電模式。具體實(shí)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(zhuǎn)移到STOP
A/D轉(zhuǎn)換模塊
由于本設(shè)計(jì)用到了電壓實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè),因此需要對(duì)其發(fā)出的信號(hào)進(jìn)行A/D轉(zhuǎn)換,在電路中采用了ADC0809轉(zhuǎn)換器,對(duì)模擬信號(hào)進(jìn)行采集與轉(zhuǎn)換。具體實(shí)現(xiàn)程序如下:
START: MOV R0 ,#30H ,RAM緩沖區(qū)地址設(shè)初值
MOV DPTR , #0FEF8H,通道地址寄存器設(shè)初值 MOVX @DPTR A ,啟動(dòng)A/D轉(zhuǎn)換
MOV R5,#0AH ,延時(shí)等待
DLX: DJNZ R5,DLX
WAIT : JB P3.2 ,WAIT,等待A/D轉(zhuǎn)換結(jié)束
MOVX A ,@DPTR,讀取A/D轉(zhuǎn)換結(jié)果
MOV @R0,A ,保存A/D轉(zhuǎn)換結(jié)果
ACALL DATADSP,數(shù)據(jù)的數(shù)字處理
LJMP START
…
總結(jié)
采用單片機(jī)和充電集成電路進(jìn)行充電器的設(shè)計(jì),不但能夠?qū)崿F(xiàn)對(duì)一般的蓄電池進(jìn)行充電,而且還能夠?qū)崿F(xiàn)相應(yīng)的過(guò)壓和時(shí)間控制,從而可以充分發(fā)揮蓄電池的性能,延長(zhǎng)電池的使用壽命,并避免簡(jiǎn)易充電器在充電時(shí)可能對(duì)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(hù)潮流。
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