基于單片機的智能充電器設計

邵 欣

（天津機電職業技術學院 電氣電子技術應用系，天津 300131）

本文主要針對鎳鎘電池設計出低價智能充電器，該充電器功能豐富，不會由于電池的充電時間過長而造成手機電池的實際循環使用壽命降低。因此可避免充電器設置不合理所帶來的損害，可延長電池的使用壽命，還可提高它的使用性能，增強其智能化管理，從而降低充電器在充電過程中的疲勞度和充電時間，這樣不僅可降成本，也可提高它的靈活度[1]。

1 智能充電器基本原理

電池充電的關鍵是要達到有效充電的同時既可及時終止充電，避免發生過分充電給電池造成損傷，且充電過程中顯示其電量及電壓，方便及時了解電池的充電情況；還可實現查錯，當在充電過程中發現錯誤時應立即自動斷電，保護電池和充電器都不發生損壞。

它主要包括穩壓電源部分、恒流源部分、涓流充電部分、電壓檢測部分、顯示部分和控制部分等。穩壓電源部分主要功能是轉換220V 家庭電壓為直流電壓，為其他電路供電。恒流源電路是由穩壓器和電阻形成的電流源，為整個電路提供恒定的充電電流。自動斷電電路基于MOSFET 的自動關斷特性，主要實現在電池充滿電的情況下自動斷電的功能。最后由發光二極管將電路的充電情況及電量情況顯示出來[2]。

2 解析整個充電過程

針對快速性和智能性對智能充電器進行以下幾點解析。

2.1 電壓檢測及單片機控制部分

控制電路如圖1，AT89C2051 有20 條引腳，引腳具有很強的下拉驅動能力，如引腳P1、P3 的下拉能力均可達到20mA，當AT89C2051 在增強驅動能力下，LED 數碼管就可以由它直接驅動。并且它還具有兩個特點：一是低電壓；二是高性能，片內置通用8 位中央處理器和Flash 單元。AT89C2051 的內部結構就是一個簡單的模擬信號比較器，如果采用它的P1.0 和P1.1 口接其輸入端，那它們進行比較的結果將會自動存進P3.6 相對應的寄存器中。在這個電路中，Vcc 接電源；上電復位電路與RST 端口連接，當振蕩器運行時，會連續給RST 引腳兩個機器周期的高電平來完成電路復位； 振蕩電路的反向輸出輸入分別為XTAL1 和XTAL2，與晶振電路連接，然后產生時鐘信號；中斷通信由P3.3口來實現，并且與蜂鳴器連接，組成報警電路；恒、涓流轉換電路與P1.6 口連接，在電池結束充電后自動切斷電源并轉為涓流充電；發光二極管與P1.4、P1.5 口接，主要目的是顯示整個電路的工作過程；內部的電壓比較器與P1.0 和P1.1 口連接，其中電池的正極與P1.0 口連，P1.1 口則與外部的基準電壓接。然后將TL431 所產生的基準電壓與電池電壓進行比較，將比較結果作為檢測信號傳給單片機；GND 口接地。

TL431 是一個有較好熱穩定性的三端可調分流基準源。其輸出電壓范圍寬從參考電壓（Vref）2.5V～36V 區間，在此區間可用兩電阻取任意值。該器件的典型動態阻抗為0.2Ω，2.5V 是它的內部基準電壓，內部基準電壓和運放電路的反向輸出端連接，反饋電路由REF 端引入后，該器件便可以在很寬的范圍上分流控制電壓輸出。在R1 和R2 確定阻值后，加入反饋，這時，將定為充滿后的標準電壓與電池的電壓進行比較，如若電池標準電壓低于電池電壓，那么電路就會通過單片機進行對控制電路的自行轉換，繼續工作[3]。

圖1 電路控制部分

2.2 恒流源充電電路

LM317T 集成三端可調穩壓器作為核心器件，其電壓輸出滿足1.2V～37V 之間時夠提供1.5A 電流。此穩壓器具有很高的穩定性，設置輸出電壓時可以連接兩個外部電阻。此外還可以使用其內部限流、 熱關斷和安全工作區補償等功能來防止燒斷保險絲[4]。

2.3 MOSFET 驅動電路

驅動電路采用光電耦合器與它的前置電路進行隔離，降低對控制電路的干擾。控制信號應用互補的方法依次加到橋臂驅動電路的控制端。由于許多MOS 管內設置了穩壓管，進行強行限制gate 電壓的幅值，這樣做可以讓MOS 管在高gate 電壓下安全工作。在這種情況下，如果穩壓管的電壓低于所提供的驅動電壓時，便會產生靜態的功耗大。同理，如果我們采用簡單的方式降低gate 電壓，如選擇電阻分壓式原理，那么也會出現輸入電壓較高的情況，則MOS 管工作良好，而輸入電壓在降低的時候gate 電壓不足，從而引起導通不夠徹底，結果導致功耗增加。以下是電路的具體工作：首先將驅動打開，控制信號就會由高電平轉換為低電平，三極管Q1 截止，然后再驅動電源Vcc，使三極管Q2 導通，穩壓管W1 擊穿，這時電路產生恒定電流Ic。Ic 流過R5，使橋臂MOSFET 管形成柵一源電壓，并且控制MOSFET 管的開通電流。[4]

3 軟件設計

針對該電路的軟件程序設計如下：可以把充電的整個過程劃分為有周期的兩個階段。把充電過程分為第一階段，此過程需要900ms，這個階段主要是實現電路對電池的充電過程，充電過程中，指示燈為常亮。電路的自檢過程為第二階段，時間為100ms，檢測單片機P3.6 口是否為l，如果檢測到是l，則停止對電池充電并啟動電路報警裝置，否則將繼續進行充電，然后重復該過程。為了保證電路的檢測部分可以更精確，我們把軟件設計增添了十次循環周期檢測，只有在十次檢測中結果都為1 時，電路才會停止充電并轉為涓流充電。循環充電周期在理論上為0.9s，檢測時間0.1s，是一個完整的充電周期完成的時間。整個程序的關鍵是P3.6 引腳。

4 總結

該結果可以看出，通過單片機所控制的指示燈在接通電源后，對電池進行充電，綠燈亮說明充電正常，當紅燈亮綠燈滅時，表示充電結束，然后蜂鳴器立刻發出報警提示。若充好的電池在報警提示后仍沒有取出，那么電路會自行判斷變為涓流充電，防止電池放電的同時也可以保護電池不被損壞。采用單片機進行充電器的設計，不僅可以實現對普通電池充電，而且還具有相應的過壓和溫度保護，使電池可以延長使用壽命，也能充分發揮電池的性能。

[1]李建忠.單片機原理及應用（第二版）[M].西安:西安電子科技大學出版社，2008.

[2]劉美俊.基于單片機的通用智能充電器設計[J].儀表技術與傳感器，2006(9):41-43.

[3]張俊謨.單片機中級教程[M].北京:北京航空航天大學出版社，2002.

[4]柯鋒.PWM 恒流充電系統的設計[J]，電子技術應用，2002年，第3期:43-44.

[5]王鴻麟.智能快速充電器設計與制作[M].北京：科學出版社，1998.