基于C8051F920的智能充電器設計

張艷紅,張 瑜,祖 靜

(中北大學電子測試技術國家重點實驗室,太原 030051)

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基于C8051F920的智能充電器設計

張艷紅,張 瑜*,祖 靜

(中北大學電子測試技術國家重點實驗室,太原 030051)

介紹了一種以C8051F920單片機為核心控制的智能充電器,能夠滿足不同類型電池的充放電問題,同時實時檢測電池充電過程中的電池電流、電壓、溫度,并由上位機進行信息管理和參數顯示。描述了該智能充電器的工作原理、工作模式。詳細討論了該設計的硬件結構、軟件設計及人機交互軟面板。

智能充電器;充電策略;充電控制技術;人機交互

隨著電子技術的發展,很多儀表電器設備朝便攜式發展,而便攜式儀器大都需要用到可充電電池。但是不同類型的電池如鎳鎘電池(Nicd)、鎳氫電池(NiMH)、鋰離子電池和鉛酸電池具有不同的充電特性和過程,因而要采用不同的充電控制技術[1-2],但是每種電池又不能互相替代,所以充電器也就得準備各式各樣的。基于此設計了基于C8051F920單片機的智能充電器實現對鉛酸、鎳鎘、鎳氫和鋰電池等種類的電池進行充電和放電,根據不同的電池調整充電策略。該充電器可以實時采集和計算電池的參數,并通過串口和上位機進行通信并實時顯示充電狀態。

1 智能充電器工作原理

1.1 智能充電器結構

該智能充電器共有4種工作模式:常規充電、快速充電、容量檢測和啟動修復。其總體設計如圖1所示。主要由電源變化電路,電池電壓、電流、溫度檢測電路,PWM控制電路,工作狀態指示電路,主控電路及上位機通信6部分組成。

圖1 智能充電器設計框圖

該智能充電器有兩種操作方式,一種是近端操作,即使用按鍵和撥碼開關控制,另一種是遠程操作,通過串口發送命令來控制充電過程。表1為撥碼開關的編碼定義。

電源變化電路是將220 V的交流電轉換成24 V,12 V,5 V,3.3 V的直流電給電路各部分供電,保證能正常工作。由單片機通過撥碼開關的解碼或者上位機的操作實現對電池類型,數量,容量及工作模式進行識別然后控制選擇哪種充電策略,再經由PWM控制小電流恒流充電,大電流恒流充電,涓流恒壓充電這幾個階段,同時電池電流電壓溫度檢測電路也開始監測電池充放電狀態并經過單片機由上位機顯示。如果過程中出現電池連接錯誤或者溫度電壓電流等異常,將自動關閉充電,并由上位機顯示異常原因。在整個充電過程中,由單片機控制的指示燈可以很直觀地看到充電器的工作過程。

表1 撥碼開關定義

注:其中:off=0,on=1;鉛酸電池與鋰電池充電策略相同。

1.2 智能充電器工作模式

該智能充電器共有4種工作模式:常規充電、快速充電、容量檢測和啟動修復,下面逐一做簡單介紹。

(1)常規充電:分成3個充電階段,第1階段是小電流恒流充電,其充電電流為C/50,其中C為單節電池的容量,等到電池電壓到達VOL_LOW2BULK或者小電流充電超時的時候,會自動進入第2階段。第2階段是大電流恒流充電,充電電流為C/10,當電池將近充滿時,會自動進入第3階段。第3階段是涓流恒壓充電,保持電池電壓不變,可以維持電池容量。

(2)快速充電:快速充電模式和常規充電模式的不同在于充電第2階段,快速充電的第2階段充電電流是C/3。

(3)容量檢測:先對電池進行放電,放電完畢后對電池進行快速充電,在充電過程中檢測充電容量,然后再對電池進行放電,并在放電過程中檢測放電容量,由此可以得到一個充電容量和一個放電容量。

(4)啟動修復:先對電池放電,再對電池充電,如此往復3次,完成電池的修復。

圖2 電池電流、電壓、溫度檢測電路

2 智能充電器硬件設計

2.1 主控電路

主控電路以C8051F920單片機為核心組成,C8051F920是美國Silicon公司低功耗的微控制器,芯片上有24位數字I/O端口,32 kbyte程序存儲,4352 byte RAM,內部集成了10位A/D,PCA,兩個比較器,4個定時器以及溫度傳感器等,最高運算速度可達到25 MInst/s(MIPS),完全能滿足設計要求。

單片機主要任務就是利用內部的AD實時采集電池電壓、電流、溫度及充電電壓,并且由內部的PCA產生PWM來控制充電狀態的轉換,然后由上位機軟面板顯示并進行數據管理。

2.2 電池溫度、電流、電壓檢測電路

電池電壓、電流、溫度檢測電路是通過MAX471電流傳感器來完成電流電壓檢測,用LM35溫度傳感器來檢測電池溫度。MAX471有一個電流輸出端,可以用一個電阻來簡單地實現以地為參考點的電流/電壓的轉換,并可工作在較寬電壓內,具有雙向檢測指示,可監控充電和放電狀態;LM35溫度傳感器生產制作時已經過校準,靈敏度為10.0 mV/℃,精度在0.4 ℃至0.8 ℃,在-55 ℃至+150 ℃溫度范圍內重復性好。檢測到的電流值經片上的PGA放大后,輸入到片上10 bit ADC,采用過采樣和均值的方法來獲得20 bit的分辨率,再通過斜率和偏置校正系數,計算出相應地參數值。其原理圖如圖2所示。

2.3 PWM控制電路

由片上PCA產生PWM脈寬調制控制晶體管開關的占空比,由LM2596ADJ開關電壓調節器提供開關電流。PWM信號通過光電隔離驅動主回路上的晶體管,當晶體管閉合時,電流流入電池和電容C19,同時也儲存在電感L1中;當晶體管打開時,存儲在電感中的電流迅速下降,使得電感電流以減速度流入電池電容C19在電感電流衰減后開始放電。在較大的范圍內如果減小占空比,平均電壓就會下降,反之亦然。因此可以通過控制占空比的方法調節電壓或電流至所需要的值,從而控制小電流恒流充電,大電流恒流充電,涓流恒壓充電這幾個過程。而使用片上PCA產生PWM可以大大降低所需要的CPU帶寬,并可以消除在中斷驅動的基于定時器的設計中因中斷延遲不一致而產生的時序抖動[3]。其原理圖如圖3所示。

圖4 智能充電器軟件設計主程序流程圖

圖3 PWM控制電路

2.4 其他外圍電路

電源變化電路是將220 V的交流電轉換成24 V、12 V、5 V、3.3 V的直流電給電路各部分供電。工作狀態指示電路主要用于錯誤報警及工作狀態指示。包括電源指示燈,串口工作狀態指示燈,錯誤指示燈,控制狀態指示燈(近端控制或者遠程控制)以及充放電過程指示燈,在小電流充電時,以1 Hz的頻率閃爍,在大電流充電時以5 Hz的頻率閃爍,在涓流方式下為長亮;在放電模式下為1 Hz的頻率閃爍。上位機通信通過串口和VB軟件界面來實現,可以調整充放電電池參數,檢測充放電過程,完成容量檢測和啟動修復。

3 智能充電器單片機程序設計

采用C語言編程,在Silabs平臺下進行調試。程序設計時首先初始化I/O端口、ADC、PWM及相關變量和指示燈,緊接著清除充放電完成標志,避免下次充放電啟動不了。接著判斷電池是否接反或者脫落,然后讀取撥碼開關的按鍵值或者上位機發送的參數來判定電池類型,容量,數量以及工作模式,然后對應到各個充電策略以及充電方式。主流程圖如圖4所示。

圖5為充電控制過程子程序,綜合了電池溫度,充電時間,充電電壓進行了控制。

圖5 充電過程控制子程序

4 智能充電器人機交互軟面板設計及結果顯示

上位機程序由Visua Basic編寫。程序在初始化時要把充電電池的型號參數發送給智能充電器,參數一般包括充電電池的種類、充電電池的容量、數量。根據不同的電池型號,單片機可以設定不同的充電參數。同時上位機每隔1s向串口發送一個查詢命令,并讀取單片機回送的信息,提取電池溫度電壓電流及充電電壓等工作狀態等參數。參數經過數制轉換和計算后進行顯示。軟件有著良好的用戶界面,可以方便地觀測電池目前的工作狀態以及充電時間參數曲線。上位機程序會同時把讀到的數據存儲到信息管理系統中,便于以后查閱。另外,程序可以直接控制單片機的運行與停止。其界面如圖6所示。

圖6所示的參數及曲線是該智能充電器的對一個容量1300 mAh的鎳氫/鎳鎘電池的充電記錄,由此我們可以很清楚的看到隨著充電時間的增加電池電壓電流溫度的變化,由曲線可以看出,該設計的控制方法很成功。

圖6 智能充電器人機交互軟面板界面

5 結束語

該智能電池充電器能有效地解決多種類型的電池充放電問題,從而避免了因電池化學特性不同而給電池充電造成的各種麻煩。除了對電池電壓的檢測外,為了更好的保護電池,該充電器充電時還可對電池的溫度及充電時間進行監測,一有異常立馬終止充電并且顯示異常原因。另外,該充電器還可以進行電池保養修復,對設備也是很有裨益的。而且軟面板還建有數據管理系統可以管理電池的各類數據,便于設備維護以及電池性能研究。

[1]林邦懷,周文靈. 一種基于單片機的智能充電器設計[J]. 儀表技術,2007(2):27-29.

[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]沙占友. 新型單片開關電源的設計與應用[M]. 北京:電子工業出版社,2001:267-285.

張艷紅(1990-),女,山西呂梁,漢族,中北大學碩士研究生,研究方向為動態測試與智能儀器,zhangyanhong0212@126.com;

張瑜(1979-),女,漢族,博士,講師,研究生方向為動態測試與智能儀器,snow-zhang@nuc.edu.cn;

祖靜(1933-),男,漢族,北京人,教授,博士生導師,研究方向為儀器科學與技術,動態測試與智能儀器等,jingzu@publicty.sx.cn。

DesignofIntelligentBatteryChargerBasedonC8051F920

ZHANGYanhong,ZHANGYu*,ZUJing

(National Key Laboratory for Electronic Measurement Technology,North University of China,Taiyuan 030051,China)

An intelligent charger based on C8051F920 single-chip computer is presented,the reference design is developed for the charge of different kinds of battery. At the same time,the real-time detection of the battery cell current,voltage and temperature in the charging process is maked,and information management,parameters display is presented by the upper computer. The work principle and mode are introduced. Then the hardware structure,the implement of software and the human-computer interaction soft panel are analyzed in detail.

intelligent charger;charging strategy;charging control technology;the human-computer interaction

2013-11-26修改日期:2013-12-11

TM368.1

:A

:1005-9490(2014)06-1251-05

10.3969/j.issn.1005-9490.2014.06.047