一款基于ATmega128的智能充電方案

摘要：為了提高現(xiàn)在電池用用的壽命，本設(shè)計采用以ATmega128為控制核心，輔以其他電路單元，設(shè)計了一種智能充電系統(tǒng)。該系統(tǒng)對實(shí)驗(yàn)用12 V/12ah鉛酸蓄電池進(jìn)行智能充電，并與普通充電方式進(jìn)行對比，具有提高充電效率從而延長電池使用壽命的特點(diǎn)。

關(guān)鍵詞：ATmega128;蓄電池;智能充電;PWM

隨著經(jīng)濟(jì)和科技的發(fā)展，越來越多的便攜小型化家用電器被我們用于日常生活中，伴隨這些電器到來的電池也被越來越廣泛的應(yīng)用。目前，使用較多的電池種類有鉛酸、鋰離子、鎳鎘蓄電池，它們的容量以及電壓等級不盡相同，因而，如何延長蓄電池的壽命成為現(xiàn)在電池科技領(lǐng)域的焦點(diǎn)。

鉛酸蓄電池作為一種可靠的后備式電源，其應(yīng)用價值與日俱增，人們對它的維護(hù)工作也越來越受重視。據(jù)資料分析，充電和放電是電池維護(hù)、保養(yǎng)中的主要工作。影響鉛酸電池的壽命的因素很多，最主要的就是充電方法不當(dāng)，充電技術(shù)不能適應(yīng)鉛蓄電池的特殊需求，造成電池很難達(dá)到規(guī)定的循環(huán)壽命。針對這種情況，設(shè)計了一種采用AVR單片機(jī)為控制核心的智能充電系統(tǒng)，它不僅能夠根據(jù)數(shù)據(jù)采集信息選擇合

適的充電方式，而且能夠?qū)崿F(xiàn)整個充電過程的自動精確控制和故障診斷，延長電池的使用壽命。

1 智能充電系統(tǒng)整體設(shè)計

智能充電系統(tǒng)CPU選用ATMEL的ATmega128，它是一款基于AVR內(nèi)核，采用RISC結(jié)構(gòu)，低功耗COMS的8位單片機(jī)。主要具有以下特點(diǎn)：128 kB的可在系統(tǒng)編程/應(yīng)用編程，F(xiàn)lash程序存儲器，4 kB EEPROM，4 kB SRAM;32個通用工作寄存器，53個通用I/O口;實(shí)時時鐘計數(shù)器，4個具有比較模式靈活的定時器/計數(shù)器;2個可編程串行USART接口，8通道10位A/D轉(zhuǎn)換;可編程帶內(nèi)部振蕩器的看門狗定時器，一個SPI接口，一個兼容IEEE 1149.1標(biāo)準(zhǔn)的JTAG接口，6種可通過軟件選擇的節(jié)電模式。

智能充電系統(tǒng)的總框圖如圖1所示，它包括以下幾個模塊：充電電路單元，控制單元，電量參數(shù)采集單元和人機(jī)交互單元。

1.1 充電電路單元設(shè)計

開關(guān)電源是充電電路中的重要組成部分，主要用于對各個模塊部分供電和對鉛酸電池提供充電電壓和充電電流，通過PWM方式進(jìn)行精確調(diào)壓控制。經(jīng)過濾波后的市電作為開關(guān)電源的輸入，單片機(jī)根據(jù)數(shù)據(jù)采集模塊檢測到的電池電壓、電流和溫度參數(shù)，通過ATmega128的16位定時器/計數(shù)器在PWM模式下產(chǎn)生PWM控制信號，從而對開關(guān)電源實(shí)現(xiàn)了精確的充電功率控制。

為了提高充電速度和效率又不影響蓄電池的壽命，必須使充電電流接近蓄電池可接受的電流。蓄電池可接受的充電電流可用指數(shù)函數(shù)表示為：

I=I0e-α (1)

式中：I0表示充電初始電流;α表示充電接受比，它決定了充電過程中蓄電池可接受電流衰減的速度，值越大，表明蓄電池可接受得電流下降得就越快。

整個充電過程按照充電曲線劃分的4個階段進(jìn)行，對于這4個階段，A、B、C 3個階段做到恒流控制，D階段做到恒壓控制。恒壓和恒流控制都是通過PWM脈寬調(diào)制方式來實(shí)現(xiàn)。

1.2 電量參數(shù)采集單元

系統(tǒng)的電量參數(shù)采集單元主要有電壓、電流和電池溫度檢測電路組成，采樣反饋的數(shù)據(jù)經(jīng)過單片機(jī)處理，若超出最大閥值，由單片機(jī)發(fā)出指令調(diào)整下一階段充電電流或者結(jié)束當(dāng)前充電過程。

電壓采樣電路設(shè)計如圖2所示，C端接鉛酸蓄電池正極，U1、U2、U3分別表示采樣的電壓值，由于鉛酸蓄電池的端電壓較高，因此采用了分壓電路對電池端電壓分壓。該電路采用了3個相同的分壓電路并聯(lián)的形式，目的是減小單個電路由電阻值差異或變化引起的采樣誤差，最后將3個單獨(dú)的分壓電路所采樣的電壓值送入單片機(jī)并取平均值后在與設(shè)置的電壓值進(jìn)行比較，該方法減小了電壓采樣過程因采樣電阻所帶來的誤差，因而提高了電壓采集精度。

電流檢測同樣采用在充電回路中串聯(lián)采樣電阻的方法。系統(tǒng)用0.5 Ω/5 W的取樣電阻通過運(yùn)算放大器，再將放大后的信號送到單片機(jī)的A/D通道進(jìn)行模數(shù)轉(zhuǎn)換，從而完成對充放電電流檢測。

溫度檢測是通過熱敏電阻實(shí)現(xiàn)的，熱敏電阻的端電壓信號通過單片機(jī)的A/D通道，將模擬信號轉(zhuǎn)化為數(shù)字信號交給單片機(jī)處理，根據(jù)熱敏電阻電壓與溫度關(guān)系曲線，得到電池的溫度參數(shù)。

1.3 人機(jī)交互接口單元

在監(jiān)控系統(tǒng)中，為方查詢已經(jīng)采集到的數(shù)據(jù)以及檢查電池充電的狀態(tài)，可通過鍵盤對終端設(shè)備內(nèi)部的參數(shù)、功能等進(jìn)行設(shè)置，配合LCD顯示，體現(xiàn)了人機(jī)交互的友好性。

1.3.1 LCD顯示及報警單元

在充電電路設(shè)計中，電池的充電狀態(tài)以及充電曲線的顯示非常重要。因此，本系統(tǒng)采用ST7920的LCD12864型號，它與ATmega128的接口電路如圖3所示。該設(shè)計采用串口方式連接，ST7920的RS、R/W和E分別與ATmega128的PB0、PB3和PB1連接，單片機(jī)對顯示屏進(jìn)行初始化、設(shè)置和顯示燈操作。

報警裝置由一個三級管放大電路和蜂鳴器組成。當(dāng)有故障或需要報警時，單片機(jī)的I/O口直接控制三級管導(dǎo)通工作，驅(qū)動蜂鳴器鳴叫，同時與單片機(jī)I/O口經(jīng)分壓電阻相接的LED發(fā)光，實(shí)現(xiàn)聲光報警功能。同時這些信息將通過RS232串口傳到上位機(jī)上進(jìn)行保存顯示。

1.3.2 鍵盤

系統(tǒng)采用5鍵式操作鍵盤，分別對應(yīng)的按鍵為：OK、MENU、UP、DOWN和ESC。采用5個I/O口對應(yīng)著5個按鍵，單片機(jī)只要直接檢測5個I/O口的變化，即可完成對時、最大閥值設(shè)定、信息查詢和復(fù)位等功能。

2 軟件設(shè)計

本實(shí)驗(yàn)采用12 V/12 ah的鉛酸電池，系統(tǒng)軟件主流程如圖4，包括初始化函數(shù)、電池檢測函數(shù)、預(yù)充電子程序、脈沖充電子程序和浮充充電子程序。各函數(shù)的調(diào)用機(jī)制為：1)單片機(jī)上電后，初始化寄存器;2)函數(shù)調(diào)用檢測電池子程序，3次結(jié)果比較無誤，完成檢測;3)根據(jù)電池電壓、溫度條件，決定采用預(yù)充電還是脈沖充電;4)最后進(jìn)入浮充充電階段，直至電池充滿，退出程序。