基于單片機(jī)的多模式狀態(tài)蓄電池充電電路設(shè)計(jì)
單片機(jī)又稱單片微控制器,它不是完成某一個(gè)邏輯功能的芯片,而是把一個(gè)計(jì)算機(jī)系統(tǒng)集成到一個(gè)芯片上。相當(dāng)于一個(gè)微型的計(jì)算機(jī)，和計(jì)算機(jī)相比，單片機(jī)只缺少了I/O設(shè)備。以下是一篇關(guān)于研究基于單片機(jī)的多模式狀態(tài)蓄電池充電電路設(shè)計(jì)的論文，供大家參考!
論文摘要：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。
論文關(guān)鍵詞：單片機(jī);智能充電器;A/D轉(zhuǎn)換;顯示電路
1.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、并且在充電過程中能對(duì)被充電電池進(jìn)行保護(hù)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(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。
2.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，說明蓄電池曾經(jīng)過度放電，為避免對(duì)蓄電池充電電流過大，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。
3.智能充電器軟件設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)
3.1 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，這些通過程序控制實(shí)現(xiàn)。充電總體流程圖。
程序具體實(shí)現(xiàn)過程為：單片機(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程。在充電過程中不斷檢測(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。
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。
3.2 涓流短時(shí)充電及浮充電
充電器開始工作后，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，說明蓄電池曾經(jīng)過度放電，為避免對(duì)蓄電池充電電流過大，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。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)志著充電過程結(jié)束。
3.3 恒流充電
在涓流充電階段，電池電壓開始上升，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T2，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。在恒流充電過程中，采用脈沖控制充電電流的占空比，以此來控制開關(guān)的開斷，實(shí)現(xiàn)充電電流的恒定。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進(jìn)行充電,有效的調(diào)整電池充電過程當(dāng)中的占空比.
3.4 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：
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