以ＭＣ６８ＨＣ９０８ＳＲ１２單片機為核心的智能充電器

摘 要：本文主要對以MC68HC908SR12單片機為核心的智能充電器原理和功能進(jìn)行了介紹，向我們展示了一款高性能的智能充電器。

關(guān)鍵詞：單片機 A/D轉(zhuǎn)換 I2C總線 傳感器 電磁干擾

一、概述

1、功能特性

·以MC68HC 908SR12芯片為控制核心：

·根據(jù)二次電池的充電特性，能自動識別鎳鎘電池、鎳氫電池和鋰離子電池，自動選擇相應(yīng)的算法和控制模塊對其快速充電；

·采用最高溫度、Tmax最高端電壓Vmax、電壓負(fù)增長－△V、最長充電時間t ma x、溫度變化率△T/△t、電壓負(fù)增長－△V等充電終止法：

·能對1－4節(jié)的鎳鎘電池，鎳氫電池單獨或同時充電；

·能對1－2節(jié)的鋰離子電池單獨或同時充電；

·較高的充電速率，每O.1Ah的充電時間小于10min，

·對鎳鎘電池，鎳氫電池等有記憶效應(yīng)的電池采用脈沖充電模式，以減小記憶效應(yīng)；

·對鋰離子電池采用恒流轉(zhuǎn)恒壓的充電模式：

·采用集成度較高的I2C接口的數(shù)字溫度傳感器LM92，實時檢測電池溫度；

·設(shè)有三保護(hù)措施：過充電保護(hù)，過放電保護(hù)和過電流保護(hù)：

·設(shè)有電池保護(hù)裝置，杜絕短路、開路和反接。

·當(dāng)快速充電結(jié)束后自動轉(zhuǎn)入涓流充電模式。

2、系統(tǒng)

其核心是一塊MC68HC908SR1芯片，主要電路有電源電路、恒流恒壓電路、溫度檢測電路、鍵盤電路及顯示四部分電路。

二、硬件設(shè)計

1、電源電路

充電器的供電設(shè)備使用開關(guān)電源。

開關(guān)電源采用脈沖調(diào)制方式PWM和MOSFET、BTS、IGBT等電子器件進(jìn)行設(shè)計。該電源具有調(diào)壓、限流、過熱保護(hù)等功能。同線性電源相比其輸入電壓范圍寬、體積小、重量輕、效率高。但其缺點是有脈沖擾動干擾，設(shè)計電路板時采用同主控板隔離和添加屏蔽罩等措施，來抑制干擾。

2、恒流恒壓電路

智能充電器的關(guān)鍵部分是恒流恒壓電路。該電路由SR12單片機片內(nèi)模擬電路模塊和片外的、濾波電感、濾波電容、MOSFET開關(guān)管、肖特基二極管等器件組成。模擬電路模塊是SR12的特有部件，它由輸入多路開關(guān)、兩組可程控放大器、片內(nèi)溫度傳感器、電流檢測電路等組成。可程控放大器總放大倍數(shù)為1－256。放大器的輸入可選擇為兩路模擬輸入腳(ATDO、ATD1)、片內(nèi)溫度傳感器、模擬地輸入(V SSAM)。ATDO和V SSAM間可接一個電流檢測電阻，用于測量外部電流，它還連接至電流檢測電路，可在電流超過指定值時產(chǎn)生中斷并輸出信號。

在充電開始前的預(yù)處理階段，根據(jù)不同的電池，軟件自動匹配充電算法，將通道選擇控制字寫入SR12單片機的AMCR寄存器中，將兩級可程控運算放大器的增益值寫入AMGCR寄存器中。充電開始后，軟件定時采集采樣電阻Rsense上的電壓值，經(jīng)過計算，設(shè)置SR12單片機PWM的輸出參數(shù)。同時，電流檢測電路實時檢測充電電流，在電流超過指定值時產(chǎn)生中斷并將 SR12單片機PTCO/PWMO/CD端口置為低電平，及時關(guān)斷充電電流，實現(xiàn)恒流恒壓的充電控制。

3、溫度檢測電路

本設(shè)計選用集成電路溫度傳感器LM92檢測電池溫度。同時，利用SR12 單片機的內(nèi)部溫度傳感器概略監(jiān)測環(huán)境溫度，其測溫范圍-20℃－70℃。LM92是美國國家半導(dǎo)體公司出品的單片高精度數(shù)字溫度傳感器。其內(nèi)部的12位溫度模數(shù)轉(zhuǎn)換器，可將被感應(yīng)溫度的模擬量轉(zhuǎn)換為0.0625℃量化間隔的數(shù)字量，常溫下精度可達(dá)±0.33℃，并可與用戶設(shè)置的溫度點進(jìn)行比較。其片內(nèi)寄存器可以設(shè)置高/低的溫度窗口門限及臨界溫度告警門限，當(dāng)溫度偏離設(shè)置門限時，漏級開路中斷INT及臨界溫度告警T_CRIT_A輸出有效信號。通過I2C總線接口可對該傳感器的內(nèi)部寄存器進(jìn)行讀/寫操作，最多可允許4片LM92掛接在同一條串行總線上。

MC68HC908SR12單片機具有I2C接口控制模塊，使用通道0(SDAO和SCLO)，可十分方便地同溫度傳感器LM92連接。LM92采用I2C串行總線和數(shù)據(jù)傳輸協(xié)議實現(xiàn)同MC68HCg08SR12單片機的數(shù)據(jù)傳輸。在數(shù)據(jù)傳輸?shù)倪^程中LM92為從器件，通過數(shù)據(jù)輸入、輸出線SDA以及時鐘信號線SCL與總線相連。當(dāng)SCL保持高電平時，SDA從高電平到低電平的跳變作為數(shù)據(jù)傳輸?shù)拈_始信號，隨后傳送LM92的地址信息和讀/寫控制位。

4、鍵盤響應(yīng)電路

設(shè)計鍵盤響應(yīng)電路時，使用MC68HC908CR12單片機PORTD《PTD6和PTD7)端口的鍵盤中斷功能(KBI)。根據(jù)實際情況，在MC68HC908SR12單片機的鍵盤中斷使能寄存器KBIER中寫入相應(yīng)的值，寫入“1”表示中斷允許，寫入“O”表示不能中斷。鍵盤中斷允許的端口，MC68HC908SR12單片機將對其內(nèi)部上拉30kΩ的電阻，這樣鍵盤響應(yīng)電路的設(shè)計十分簡潔，要注意的是應(yīng)用軟件中要增加鍵盤消抖動子程序，防止誤操作。

5、狀態(tài)顯示電路

同樣，狀態(tài)顯示電路的設(shè)計使用了MC68HC908SR12單片機PORT A(PTAO-PTA5)端口的LED直接驅(qū)動功能。編程時首先設(shè)置PORT A的工作狀態(tài)，在LED控制寄存器LEDA中寫入相應(yīng)的值，寫入“1”表示可直接驅(qū)動LED，寫入“0”表示作為標(biāo)準(zhǔn)I/O端口。在充電的每個階段均有狀態(tài)顯示。

3、軟件設(shè)計

本智能快速充電器的軟件設(shè)計思想是：各個功能組件實現(xiàn)模塊化編程，軟件流程采用中斷工作方式。目的是使應(yīng)用軟件流程清晰，可讀性強，易于功能調(diào)試以及產(chǎn)品的維護(hù)和升級。

本軟件主要由初始化、預(yù)處理、快速充電和 涓流充電四個部分組成。

1．預(yù)處理

預(yù)處理階段是進(jìn)入快速充電前的準(zhǔn)備工作。

程序初始化后，首先利用MC68HC 908SR12單片機的內(nèi)部溫度傳感器檢測環(huán)境溫度。環(huán)境溫度過低或過高時，均不能夠?qū)﹄姵剡M(jìn)行充電，否則將損傷電池。例如：鋰離子電池( Li+ )的適宜充電溫度范圍在2.5℃～50℃之間。

然后，設(shè)置A/D轉(zhuǎn)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(jīng)驗值比較，判斷電池的類別以及是否連接正確。

2．快速充電

按預(yù)定的充電控制模塊和算法設(shè)置MC68HC908CR12單片機PWM的控制寄存器PWMCR、時鐘寄存器PWMCCR以及數(shù)據(jù)寄存器PWMDRO-PWMDR2，打開中斷使能位，開始快速充電。

快速充電時，MC68HC908SR12單片機必須不斷檢測以下幾項關(guān)鍵技術(shù)指標(biāo)：電路是否出現(xiàn)斷路、電池是否出現(xiàn)不均衡現(xiàn)象、電池是否達(dá)到規(guī)定的安全電壓、電池是否溫度過高、電池是否滿足-△或△T/△t條件。

電池的端電壓檢測使用MC68HC908SR12單片機的片上10位高精度A/D模塊，采用中斷控制方式，這樣可節(jié)省MC68HC908SR12單片機在A/D轉(zhuǎn)換期間的等待時間。端電壓檢測的數(shù)據(jù)，通過充電算法計算電池的電壓負(fù)增長-△V是否滿足快速充電終止條件，時實修改C68HC908SR12單片機PWM的輸出參數(shù)，控制充電電流的大小。

電池的溫度檢測在端電壓檢測之后進(jìn)行。MC68HC908SR12單片機通過設(shè)置不同的地址編碼(A1AO)，訪問相應(yīng)的數(shù)字溫度傳感器LM92，讀取溫度數(shù)據(jù)，通過充電算法計算電池的溫度變化率△T/△t是否滿足快速充電終止條件，時實修改單片機PWM的輸出參數(shù)，控制充電電流的大小。

為了防止電池被沖壞，在電池電壓到達(dá)最高端電壓Vmax或最高溫度Tmax時應(yīng)立刻停止充電，否則會損壞電池。

3．涓流充電

快速充電結(jié)束后，MC68HC908SR12單片機自動轉(zhuǎn)入涓流充電模式，補償電池因自放電而損失的電量，這樣可使電池總處于充足電的狀態(tài)。

結(jié)語

經(jīng)過設(shè)計和調(diào)試，以MC68HC908SR12單片機為控制核心的智能快速充電器已能正常工作。由于SR12具有良好的性能價格比，將其特有的模擬電路模塊、高精度A/D轉(zhuǎn)換、I2C總線接口以及高速PWM等功能運用到充電控制中，有效使用了SR12的片內(nèi)外功能，增加產(chǎn)品的智能化和實用性，節(jié)省了產(chǎn)品的開發(fā)時間和費用，降低了生產(chǎn)成本，同時也提高了產(chǎn)品的一致性和可靠性。

作者單位 浙江工大學(xué)