0 引言
電子技術(shù)的快速發(fā)展使得各種各樣的電子產(chǎn)品都朝著便攜式和小型輕量化的方向發(fā)展，也使得更多的電氣化產(chǎn)品采用基于電池的供電系統(tǒng)。目前，較多使用的電池有鎳鎘、鎳氫、鉛蓄電池和鋰電池。它們的各自特點決定了它們將在相當(dāng)長的時期內(nèi)共存發(fā)展。由于不同類型電池的充電特性不同，通常對不同類型，甚至不同電壓、容量等級的電池使用不同的充電器，但這在實際使用中有諸多不便。
本文介紹一種基于單片機(jī)的智能充電機(jī)的設(shè)計方法。該充電器可以實時采集電池的電壓和電流，并對充電過程進(jìn)行智能控制。它可以自動計算電池的已充電量和剩余的充電時間，也可以改變參數(shù)來適應(yīng)各種不同電池的充電。系統(tǒng)中的管理電路還具有保護(hù)功能，可防止電池的過充和過放對電池造成。 1 智能充電器的硬件設(shè)計
該智能充電器采用的是分布式控制方法，它由充電電路、充放電控制電路、顯示和接口電路組成，圖1所示是其電路組成框圖。
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1.1 充電電路的設(shè)計
電池充電有恒壓、恒流兩種充電方式，事實上，恒壓、恒流源電路也是充電電路的主要組成部分。由于各種電池對充電電壓和充電電流的要求不同，因此，實現(xiàn)智能充電必須根據(jù)各種電池的自身要求來調(diào)整充電電壓和充電電流的大小。這里選擇BQ2054集成電路作為恒壓、恒流源模塊來對電池進(jìn)行充電。為了保證電池的安全，當(dāng)電池電壓和溫度超過設(shè)定的極限值時，BQ2054將禁止對電池進(jìn)行充電。而當(dāng)電池電壓小于低電壓閥值時，BQ2054將用恒流方式進(jìn)行充電。
圖2所示是該智能充電器的恒壓恒流電路原理圖。圖2中的GB+、GB-分別連接充電電池的正極和負(fù)極，以為充電電池提供充電電流的通道。數(shù)字電位器MAX5434通過串行數(shù)據(jù)總線和控制電路進(jìn)行通信，以確定電位器的阻值，并改變電池電壓分配網(wǎng)絡(luò)的比值，從而改變BQ2054中BAT腳的輸入電壓，以便BQ2054根據(jù)BAT腳電壓的大小來改變對電池的充電電壓，最終達(dá)到對電池進(jìn)行恒流、恒壓充電的目的。
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1.2 自動控制電路設(shè)計
圖3所示是該充電器的充放電控制電路。圖中，將PWMCTL連接到BQ2054的MOD輸出腳，便可用MOD輸出的脈沖信號控制三極管的導(dǎo)通和關(guān)閉，從而改變充電電流的大小。24 V電源是充電電路的外部輸入電源，可用來提供充電電流。GB+連接到充電電路的電池正極，其電壓就是充電電池的電壓，當(dāng)電池電壓沒有達(dá)到設(shè)定電壓時，充電電路將以恒流方式對其進(jìn)行充電。當(dāng)電池電壓達(dá)到設(shè)定充電電壓后，充電電壓保持恒定不變，而充電電流逐漸減少，進(jìn)入相應(yīng)的恒壓充電階段。
圖4所示是該充電器的主控電路。圖4中的CCS，DCS，VS-BAT分別是用于采集電池充電電流，放電電流，充電電壓的端口，它們經(jīng)過濾波放大后和p87lpc767的AD轉(zhuǎn)換腳相連接，并經(jīng)過轉(zhuǎn)換判斷電池的充放電狀態(tài)后，可對電池的充放電作出相應(yīng)的控制，這些判斷和控制都是由軟件來完成的。主要是通過采集充電電路中的LED1～LED3等三個輸出口的電平高低，并根據(jù)它們的高低電平狀態(tài)組合控制電池的充電狀態(tài)。SMBC和SMBD是p87lpc767和智能電池之間虛擬的異步串行通訊總線的時鐘線和數(shù)據(jù)線，p87lpc767的內(nèi)部定時器2可提供模擬異步串行通訊總線的控制時鐘。E-CHG是充電控制使能端口，可在滿足充電條件并設(shè)定充電方式后置其為高電平，以啟動充電電路對電池的充電，反之，當(dāng)出現(xiàn)過溫、過電流、過電壓、充電故障或充電滿狀態(tài)時，該端為低電平，以關(guān)斷充電電路。E-DSG是放電使能控制端口，當(dāng)檢測到鎳鉻電池沒有放電完畢時，p87lpc767就把E-DSG置為高電平，啟動放電電路對鎳鉻電池進(jìn)行放電，直到放電完畢，則把其置為低電平，關(guān)閉放電電路并對鎳鉻電池進(jìn)行充電。SDA和SCL是p87lpc767的異步串行通訊總線的數(shù)據(jù)線和時鐘線，它們和顯示電路中p87lpc764的SDA和SCL相連接，以使p87lpc767作為從機(jī)和p87lpc764進(jìn)行通訊，從而把電池的各種信息(結(jié)構(gòu)參數(shù)和實時參數(shù))傳輸?shù)絧87lpc764上，再由液晶顯示器進(jìn)行顯示。兩個跳線是p87lpc767作為從機(jī)和p87lpc764進(jìn)行通訊時的地址選擇信號，它們可連接或斷開輸入到端口的信號，它們的組合狀態(tài)00，01，10，11分別代表從機(jī)的地址00，01，10，11，以便主機(jī)和從機(jī)通訊時發(fā)出地址信號，之后從機(jī)通過查詢作出回應(yīng)，并向主機(jī)發(fā)送信息。
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1.3 智能充電器的信息顯示
以p87lpc764為核心構(gòu)成的信息顯示模塊可通過I2C總線與4路充電管理部分的p87lpc767進(jìn)行通訊(每個p87lpc764與4個p87lpc767接口，每一套電路負(fù)責(zé)一組電池的充電管理)。當(dāng)系統(tǒng)采集到電池的實時參數(shù)和結(jié)構(gòu)參數(shù)后，即可通過LCD進(jìn)行中文模式的信息顯示(要顯示的漢字和字符字庫存儲在24C16中，p87lpc764通過I2C總線對其進(jìn)行調(diào)用)；同時利用p87lpc764的TXD、RXD口線提供給RS232接口，從而完成與PC管理計算機(jī)的相連，最終完成對電池的集散式管理。
2 智能充電器的軟件設(shè)計
圖5是該智能管理系統(tǒng)的程序流程圖。該系統(tǒng)除了完成充放電控制外，還提供過流保護(hù)、過壓保護(hù)、過溫保護(hù)、蜂鳴報警等功能。
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程序開始執(zhí)行后，首先進(jìn)行初始化并檢測電池電壓、電流、溫度等信息是否正常。如正常則進(jìn)入下一步，否則報警并關(guān)閉電路。如果電池電壓在充電終止電壓和放電終止電壓之間，說明電池既可充電也可放電。此時電路將判斷接上充電機(jī)還是接上負(fù)載，以進(jìn)行相應(yīng)的充電和放電。如果兩者都沒有接，則循環(huán)檢測過程。若電池電壓已經(jīng)到達(dá)充電終止電壓，則等待負(fù)載的接入進(jìn)行放電；同樣若電池電壓己經(jīng)達(dá)到放電終止電壓，則等待充電機(jī)的接入以進(jìn)行充電。
在整個過程中，該電路將始終實時檢測電池信息，若有異常情況發(fā)生，則立即利用中斷信號終止正在進(jìn)行的充電或者放電過程，關(guān)斷充放電回路，同時進(jìn)行報警并提示報警原因。
3 結(jié)束語
該智能電池充電器能有效地解決電池和充電器的兼容問題，從而避免了因電池化學(xué)特性不同而給電池充電造成的各種麻煩。另外，除了對電池電壓的檢測外，為了更好的保護(hù)電池，該充電器充電時還可對電池的溫度及充電時間進(jìn)行監(jiān)測以作為輔助或后備保護(hù)方案。
