蓄電池充電智能管理器的設計

摘 要： 為了在蓄電池充滿電后能夠自動斷電，利用PIC單片機設計了蓄電池充電專用管理器。該管理器具有自我學習的功能，智能記憶蓄電池滿充狀態，能適應現有的各種蓄電池充電器，對蓄電池進行智能充電，最大限度地保護電池，延長使用壽命。在無人看管的情況下，蓄電池充滿電后自動斷電，有效避免火災隱患和電器故障的發生，也能節約寶貴的電能。

關鍵詞： 蓄電池充電； 自我學習； PIC12F675； 智能控制； 節能

中圖分類號： TN706?34； TP368.1 文獻標識碼： A 文章編號： 1004?373X（2013）03?0139?03

0 引 言

現有的蓄電池充電器中有很多質量低劣的不合格產品，有的劣質充電器實際上就是一個沒有安全保證的簡易變壓器，大部分充電器在蓄電池充滿電后不進行智能斷電而長期處于浮充狀態，對電池的壽命會有一定的影響；現有的充電管理器普遍不具備自我學習功能，無法判斷電池的充電狀態，不能在蓄電池已充滿電的情況下智能的切斷電源[1?3]。本文設計一種蓄電池充電專用管理器，能適應現有的各種蓄電池充電器，具有自我學習的功能，智能記憶蓄電池滿充狀態，對蓄電池進行智能充電，最大限度地保護電池，延長使用壽命。

1 硬件電路組成及工作原理

1.1 系統硬件結構

智能充電管理器系統硬件結構如圖1所示， 本文設計的電路包括充電電流檢測電路，以單片機PIC12F675為核心的智能控制電路，繼電器驅動電路和為各電路提供工作電源的開關電源電路。

1.2 PIC12F675 單片機

PIC12F675 單片機是PIC12系列單片機，采用RISC型CPU內核， 僅需學習35 條指令，除了跳轉指令以外所有指令都是單周期的，由于采用哈佛總線結構，以及指令的讀取和執行采用流水作業方式，使得PIC單片機的運行速度大大提高[4]；PIC單片機是最節省程序存儲器空間的單片機，驅動能力強，PIC單片機每個I/O口的吸入和輸出電流最大值可達25 mA。PIC系列單片機集成了上電復位電路、I/O引腳上拉電路、看門狗定時器等，可以最大程度的減少或免用外接器件，以便實現“純單片”應用。本文中PIC12F675單片機負責對系統的工作進行實施調度， 實現外部輸入參數的設置、蓄電池及負載的管理、工作狀態的指示等[5?6]。

1.3 充電電流檢測電路

充電電流檢測電路如圖2所示。電流互感器T2初級的兩個輸入端串接在蓄電池充電電路的交流電壓一個輸入端，次級與取樣電壓電阻R2并聯，電阻R2將感應的交流充電電流轉換成交流電壓，并連接到運算放大器LM358A的反相端2腳，運算放大器LM358A的1腳輸出放大的交流電壓信號經整流二極管D2輸出至單片機中進行A/D采樣，在整流二極管D2的輸出端連接電解電容C6進行濾波。運算放大器LM358A被接成反相放大器，反相放大器增益K在這里僅由R1和R3的取值決定：[K=R3R1]，當蓄電池開始充電時，感應的交流電流信號經R2轉換為交流電壓信號后輸入LM358A進行放大，放大后的交流電壓信號，通過二極管D2整流，C6濾波將交流電壓信號平均為直流電平信號，連接單片機PIC12F675的GP2端采樣端口部分。

1.4 單片機智能控制電路

單片機智能控制部分電路如圖3所示，單片機PIC12F675的VCC端連接在開關電源電路的輸出端，單片機PIC12F675的GP2端為蓄電池充電直流電平信號采樣輸入端，該單片機使用內置的4 MHz晶振，R5，C7串聯接單片機GP3的上電復位端口，LED為充電狀態指示燈，當處于充電狀態時指示燈亮，處于過充時指示燈熄滅；S2為學習采樣按鈕，主要用于將充滿電狀態的充電電流對應的直流電平存儲到單片機的E2PROM，作為判斷蓄電池是否過充的依據；C8為單片機電源的高頻濾波電容，單片機PIC12F675的GP1輸出端通過限流電阻接繼電器驅動輸入端口。

1.5 繼電器驅動電路

繼電器驅動電路如圖5所示。繼電器K1的線圈一端接5 V開關電源的輸出端，另一端與三極管Q1的集電極連接，三極管Q1的基極通過電阻R9與單片機PIC12F675的繼電器驅動輸出端連接，三極管Q1的發射極接地，繼電器K1的常閉觸點串接在交流電壓的一個輸入端，另一個輸入端與電流互感器T2初級連接。繼電器K1線圈的兩端并聯整流二極管D1，在晶體管Q1截止后為繼電K1的線圈中的電流提供一條回路，從而避免線圈產生過大的感應電勢損壞三極管。

1.6 開關電源電路

為了提高電能利用率，保證電路工作的穩定性、可靠性，最大限度的減少由電源波動帶來的誤操作，本設計中采用以TOP221單片開關電源為核心的開關電源電路[7?9]。

如圖5所示，交流電AC由兩個AC接點Net1，Net2輸入，經C2和T4組成的EMI濾波器抑制電磁噪聲，進入整流電路D4。整流后的脈動直流電經C1濾波，提供給TOP221開關調制電路。

高頻變壓器T1的次極繞組有兩個，一個是主繞組，它提供電源的主能量，高頻電壓經肖特基二極管D6整流后由濾波電容C9，C10濾波，再經電感L1組成低通濾波器向負載輸出。L1主要是抑制高頻噪聲向負載輸出，以防止負載受其干擾。輸出端的電解電容C13是為了降低輸出的交流紋波系數而加的，它主要是降低輸出直流電壓的交流紋波。另一個次級繞組組成反饋電壓繞組，由二極管D7整流后加在光敏管U3兩端，輸出的反饋電壓加在光耦內的二極管正極上，電阻R13和高精度可調穩壓管U4組成基準電壓源，為光耦提供基準電壓，這樣光耦中的二極管的發光強度是由輸出電壓控制的，經光耦耦合到T1的控制端，從而實現脈寬的可控，達到穩壓目的，為后續電路提供穩定低電壓工作電源。

該電源的輸入電壓范圍可達85～265 V AC，輸出電壓為5 V，可提供0.8 A的電流輸出。負載調整率為±1%，電源效率約為70%，輸出紋波電壓小于50 mV。

2 軟件設計

2.1 滿充狀態參數采樣和存儲

首次使用該充電管理器應預先將蓄電池充滿電，然后將蓄電池通過充電器接入充電管理器，按下學習采樣按鈕S2，將充滿電狀態的蓄電池充電電流的轉換電平存儲到單片機的E2PROM，作為判斷蓄電池是否充滿的依據。如圖6所示。

2.2 正常使用時的運行程序

在正常使用時，經插孔連接各種蓄電池充電器，單片機不斷的進行采樣，當采樣到蓄電池充電電流高于單片機的E2PROM存儲值時，單片機PIC12F675的GP2輸出低電平經電阻R9到三極管Q1的基極，三極管Q1截止，集電極上繼電器K1的線圈不得電，其常閉觸點保持閉合，保持管理器電源繼續充電。反之，當采樣到蓄電池充電電流的直流電平等于或低于滿充狀態時的直流電平時，單片機PIC12F675的GP2輸出高電平，三極管Q1導通，繼電器線圈得電，其常開觸點閉合，自動斷開蓄電池充電電源。軟件框圖如圖7所示。

3 結 語

以PIC12F675為控制器的蓄電池充電管理器利用電池的充電電流作為輸入， 通過使用自學習功能將蓄電池滿充狀態充電電流的轉換電平存儲到單片機的E2PROM中，作為判斷蓄電池是否過充的依據。在蓄電池充滿電后浮充一段時間，智能的切斷蓄電池充電電源，能夠保證電池的充足率并且保證不會過充[10]。整個充電管理器體積小，結構簡單，成本低，并且具有良好的抗浪涌和防沖擊功能。通過某電子企業對該產品的生產和推廣，證明該充電管理器工作安全、穩定，對蓄電池充電不僅能夠保證較高的充足率，而且可以延長電池的使用壽命，具有非常高的實用價值和推廣價值。

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