以ＭＣ６８ＨＣ９０８ＳＲ１２單片機(jī)為核心的智能充電器

摘 要：本文主要對(duì)以MC68HC908SR12單片機(jī)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：?jiǎn)纹瑱C(jī) 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(dòng)識(shí)別鎳鎘電池、鎳氫電池和鋰離子電池，自動(dòng)選擇相應(yīng)的算法和控制模塊對(duì)其快速充電；

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

·能對(duì)1－4節(jié)的鎳鎘電池，鎳氫電池單獨(dú)或同時(shí)充電；

·能對(duì)1－2節(jié)的鋰離子電池單獨(dú)或同時(shí)充電；

·較高的充電速率，每O.1Ah的充電時(shí)間小于10min，

·對(duì)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(duì)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(shí)時(shí)檢測(cè)電池溫度；

·設(shè)有三保護(hù)措施：過(guò)充電保護(hù)，過(guò)放電保護(hù)和過(guò)電流保護(hù)：

·設(shè)有電池保護(hù)裝置，杜絕短路、開(kāi)路和反接。

·當(dāng)快速充電結(jié)束后自動(dòng)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(cè)電路、鍵盤(pán)電路及顯示四部分電路。

二、硬件設(shè)計(jì)

1、電源電路

充電器的供電設(shè)備使用開(kāi)關(guān)電源。

開(kāi)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(jì)。該電源具有調(diào)壓、限流、過(guò)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(diǎn)是有脈沖擾動(dòng)干擾，設(shè)計(jì)電路板時(shí)采用同主控板隔離和添加屏蔽罩等措施，來(lái)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(jī)片內(nèi)模擬電路模塊和片外的、濾波電感、濾波電容、MOSFET開(kāi)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(kāi)關(guān)、兩組可程控放大器、片內(nèi)溫度傳感器、電流檢測(cè)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(gè)電流檢測(cè)電阻，用于測(cè)量外部電流，它還連接至電流檢測(cè)電路，可在電流超過(guò)指定值時(shí)產(chǎn)生中斷并輸出信號(hào)。

在充電開(kāi)始前的預(yù)處理階段，根據(jù)不同的電池，軟件自動(dòng)匹配充電算法，將通道選擇控制字寫(xiě)入SR12單片機(jī)的AMCR寄存器中，將兩級(jí)可程控運(yùn)算放大器的增益值寫(xiě)入AMGCR寄存器中。充電開(kāi)始后，軟件定時(shí)采集采樣電阻Rsense上的電壓值，經(jīng)過(guò)計(jì)算，設(shè)置SR12單片機(jī)PWM的輸出參數(shù)。同時(shí)，電流檢測(cè)電路實(shí)時(shí)檢測(cè)充電電流，在電流超過(guò)指定值時(shí)產(chǎn)生中斷并將 SR12單片機(jī)PTCO/PWMO/CD端口置為低電平，及時(shí)關(guān)斷充電電流，實(shí)現(xiàn)恒流恒壓的充電控制。

3、溫度檢測(cè)電路

本設(shè)計(jì)選用集成電路溫度傳感器LM92檢測(cè)電池溫度。同時(shí)，利用SR12 單片機(jī)的內(nèi)部溫度傳感器概略監(jiān)測(cè)環(huán)境溫度，其測(cè)溫范圍-20℃－70℃。LM92是美國(guó)國(guó)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(hù)設(shè)置的溫度點(diǎn)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(mén)限及臨界溫度告警門(mén)限，當(dāng)溫度偏離設(shè)置門(mén)限時(shí)，漏級(jí)開(kāi)路中斷INT及臨界溫度告警T_CRIT_A輸出有效信號(hào)。通過(guò)I2C總線接口可對(duì)該傳感器的內(nèi)部寄存器進(jìn)行讀/寫(xiě)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(jī)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(shí)現(xiàn)同MC68HCg08SR12單片機(jī)的數(shù)據(jù)傳輸。在數(shù)據(jù)傳輸?shù)倪^(guò)程中LM92為從器件，通過(guò)數(shù)據(jù)輸入、輸出線SDA以及時(shí)鐘信號(hào)線SCL與總線相連。當(dāng)SCL保持高電平時(shí)，SDA從高電平到低電平的跳變作為數(shù)據(jù)傳輸?shù)拈_(kāi)始信號(hào)，隨后傳送LM92的地址信息和讀/寫(xiě)控制位。

4、鍵盤(pán)響應(yīng)電路

設(shè)計(jì)鍵盤(pán)響應(yīng)電路時(shí)，使用MC68HC908CR12單片機(jī)PORTD《PTD6和PTD7)端口的鍵盤(pán)中斷功能(KBI)。根據(jù)實(shí)際情況，在MC68HC908SR12單片機(jī)的鍵盤(pán)中斷使能寄存器KBIER中寫(xiě)入相應(yīng)的值，寫(xiě)入“1”表示中斷允許，寫(xiě)入“O”表示不能中斷。鍵盤(pán)中斷允許的端口，MC68HC908SR12單片機(jī)將對(duì)其內(nèi)部上拉30kΩ的電阻，這樣鍵盤(pán)響應(yīng)電路的設(shè)計(jì)十分簡(jiǎn)潔，要注意的是應(yīng)用軟件中要增加鍵盤(pán)消抖動(dòng)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(jì)使用了MC68HC908SR12單片機(jī)PORT A(PTAO-PTA5)端口的LED直接驅(qū)動(dòng)功能。編程時(shí)首先設(shè)置PORT A的工作狀態(tài)，在LED控制寄存器LEDA中寫(xiě)入相應(yīng)的值，寫(xiě)入“1”表示可直接驅(qū)動(dòng)LED，寫(xiě)入“0”表示作為標(biāo)準(zhǔn)I/O端口。在充電的每個(gè)階段均有狀態(tài)顯示。

3、軟件設(shè)計(jì)

本智能快速充電器的軟件設(shè)計(jì)思想是：各個(gè)功能組件實(shí)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(qiáng)，易于功能調(diào)試以及產(chǎn)品的維護(hù)和升級(jí)。

本軟件主要由初始化、預(yù)處理、快速充電和 涓流充電四個(gè)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(jī)的內(nèi)部溫度傳感器檢測(cè)環(huán)境溫度。環(huán)境溫度過(guò)低或過(guò)高時(shí)，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(cè)電池的端電壓。將檢測(cè)數(shù)據(jù)同理論經(jīng)驗(yàn)值比較，判斷電池的類(lèi)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(jī)PWM的控制寄存器PWMCR、時(shí)鐘寄存器PWMCCR以及數(shù)據(jù)寄存器PWMDRO-PWMDR2，打開(kāi)中斷使能位，開(kāi)始快速充電。

快速充電時(shí)，MC68HC908SR12單片機(jī)必須不斷檢測(cè)以下幾項(xiàng)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(guò)高、電池是否滿足-△或△T/△t條件。

電池的端電壓檢測(cè)使用MC68HC908SR12單片機(jī)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(jī)在A/D轉(zhuǎn)換期間的等待時(shí)間。端電壓檢測(cè)的數(shù)據(jù)，通過(guò)充電算法計(jì)算電池的電壓負(fù)增長(zhǎng)-△V是否滿足快速充電終止條件，時(shí)實(shí)修改C68HC908SR12單片機(jī)PWM的輸出參數(shù)，控制充電電流的大小。

電池的溫度檢測(cè)在端電壓檢測(cè)之后進(jìn)行。MC68HC908SR12單片機(jī)通過(guò)設(shè)置不同的地址編碼(A1AO)，訪問(wèn)相應(yīng)的數(shù)字溫度傳感器LM92，讀取溫度數(shù)據(jù)，通過(guò)充電算法計(jì)算電池的溫度變化率△T/△t是否滿足快速充電終止條件，時(shí)實(shí)修改單片機(jī)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(shí)應(yīng)立刻停止充電，否則會(huì)損壞電池。

3．涓流充電

快速充電結(jié)束后，MC68HC908SR12單片機(jī)自動(dòng)轉(zhuǎn)入涓流充電模式，補(bǔ)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(yǔ)

經(jīng)過(guò)設(shè)計(jì)和調(diào)試，以MC68HC908SR12單片機(jī)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(jià)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(yùn)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(shí)用性，節(jié)省了產(chǎn)品的開(kāi)發(fā)時(shí)間和費(fèi)用，降低了生產(chǎn)成本，同時(shí)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)