電動(dòng)車(chē)智能充電器設(shè)計(jì)

王 瑩 ，許洋洋

(鄭州華信學(xué)院,河南新鄭,451150）

0 引言

如今，隨著越來(lái)越多的電器的出現(xiàn)，對(duì)高性能、小尺寸、重量輕的電池充電器的需求也越來(lái)越大。電池技術(shù)的持續(xù)進(jìn)步也要求更復(fù)雜的充電算法以實(shí)現(xiàn)快速、安全的充電。因此需要對(duì)充電過(guò)程進(jìn)行更精確的監(jiān)控，以縮短充電時(shí)間、達(dá)到最大的電池容量，并防止電池?fù)p壞。本文的主要研究目標(biāo)為實(shí)現(xiàn)在充電過(guò)程中對(duì)電壓、電流、溫度等參數(shù)的檢測(cè)，具有充電狀態(tài)、時(shí)間等顯示功能，具有過(guò)欠壓、過(guò)欠流及超溫等情況的處理和報(bào)警等。

1 系統(tǒng)的硬件電路設(shè)計(jì)

1.1 AT89C52的功能特點(diǎn)

AT89C52是一個(gè)低電壓，高性能CMOS 8位單片機(jī)，片內(nèi)含4k bytes的可反復(fù)擦寫(xiě)的Flash只讀程序存儲(chǔ)器和256 bytes的隨機(jī)存取數(shù)據(jù)存儲(chǔ)器（RAM），器件采用ATMEL公司的高密度、非易失性存儲(chǔ)技術(shù)生產(chǎn)，兼容標(biāo)準(zhǔn)MCS-51指令系統(tǒng)，片內(nèi)置通用8位中央處理器和Flash存儲(chǔ)單元。

AT89C52是一個(gè)低功耗高性能單片機(jī)，40個(gè)引腳，32個(gè)外部雙向輸入/輸出（I/O）端口，同時(shí)內(nèi)含2個(gè)外中斷口，2個(gè)16位可編程定時(shí)計(jì)數(shù)器，2個(gè)全雙工串行通信口，其將通用的微處理器和Flash存儲(chǔ)器結(jié)合在一起，特別是可反復(fù)擦寫(xiě)的Flash存儲(chǔ)器可有效地降低開(kāi)發(fā)成本。

1.2 ADC0809模塊的簡(jiǎn)介及原理

ADC0809是美國(guó)國(guó)家半導(dǎo)體公司生產(chǎn)的CMOS工藝8通道，8位逐次逼近式A/D轉(zhuǎn)換器。其內(nèi)部有一個(gè)8通道多路開(kāi)關(guān)，它可以根據(jù)地址碼鎖存譯碼后的信號(hào)，只選通8路模擬輸入信號(hào)中的一個(gè)進(jìn)行A/D轉(zhuǎn)換。START為轉(zhuǎn)換啟動(dòng)信號(hào)。當(dāng)START上跳沿時(shí)，所有內(nèi)部寄存器清零；下跳沿時(shí)，開(kāi)始進(jìn)行A/D轉(zhuǎn)換；在轉(zhuǎn)換期間，START應(yīng)保持低電平。單片機(jī)輸出轉(zhuǎn)換得到的數(shù)據(jù)。OE＝1，輸出轉(zhuǎn)換得到的數(shù)據(jù)；OE＝0，輸出數(shù)據(jù)線呈高阻狀態(tài)。D7－D0 為數(shù)字量輸出線。CLK為時(shí)鐘輸入信號(hào)線。其工作過(guò)程：（1）ADC0809 內(nèi)部帶有輸出鎖存器，可以與AT89S51 單片機(jī)直接相連。（2）初始化時(shí)，使ST和OE信號(hào)全為低電平。（3）送要轉(zhuǎn)換的哪一通道的地址到A，B，C端口上。（4）在ST端給出一個(gè)至少有100ns 寬的正脈沖信號(hào)。（5）是否轉(zhuǎn)換完畢，我們根據(jù)EOC信號(hào)來(lái)判斷。（6）當(dāng)EOC變?yōu)楦唠娖綍r(shí)，這時(shí)給OE為高電平，轉(zhuǎn)換的數(shù)據(jù)就輸出給單片機(jī)了。

1.3 按鍵控制電路設(shè)計(jì)

本方案中采用獨(dú)立按鍵控制。其中，按鍵1功能為選擇性顯示電池的充電時(shí)間、電壓、電流、溫度；按鍵2功能為電池充電模式的選擇。

1.4 數(shù)碼管顯示電路設(shè)計(jì)

該設(shè)計(jì)方案采用四位數(shù)碼管顯示超聲波測(cè)出障礙物的距離。由于在該系統(tǒng)設(shè)計(jì)中I/O口較為緊張，故采用數(shù)碼管動(dòng)態(tài)掃描顯示，P1口段選，P2口低三位接譯碼器控制位選，從而達(dá)到以少的I/O接口，實(shí)現(xiàn)1—8位的數(shù)碼管動(dòng)態(tài)顯示。

1.5 報(bào)警電路設(shè)計(jì)

本方案設(shè)有溫度、過(guò)壓、過(guò)流報(bào)警功能，即電池溫度、充電電流、電壓超標(biāo)時(shí)，提示用戶(hù)采取相應(yīng)措施。由AT89C52的P2.7提供蜂鳴器的控制信號(hào)。

2 系統(tǒng)的軟件電路設(shè)計(jì)

2.1 系統(tǒng)軟件的功能要求

根據(jù)電動(dòng)車(chē)電池的充放電特點(diǎn)，研究充電控制技術(shù)，編寫(xiě)以單片機(jī)為核心的電動(dòng)車(chē)智能充電器的控制程序，實(shí)現(xiàn)智能充電。按照充電過(guò)程電壓、電流、溫度及充電時(shí)間的變化，實(shí)現(xiàn)充電自動(dòng)控制，從而延長(zhǎng)電池使用壽命。其主要研究目標(biāo)為：

（1）實(shí)現(xiàn)在充電過(guò)程中對(duì)電壓、電流、溫度等參數(shù)的檢測(cè)。

（2）具有充電狀態(tài)、時(shí)間等顯示功能。

（3）具有過(guò)欠壓、過(guò)欠流及超溫等情況的處理和報(bào)警。

（4）以及對(duì)充電過(guò)程的不同階段編寫(xiě)相應(yīng)的控制算法。

該系統(tǒng)中對(duì)電壓、電流的調(diào)節(jié)是通過(guò)搭建三種不同的電路實(shí)現(xiàn)的，分別為預(yù)充電、恒壓充電、恒流充電。A/D采集的數(shù)據(jù)經(jīng)過(guò)AT89C52單片機(jī)的判斷選擇不同的充電電路；系統(tǒng)的顯示部分采用的數(shù)碼管動(dòng)態(tài)顯示。為保證其顯示效果亮度均勻，需要準(zhǔn)確的設(shè)定其數(shù)碼管掃描時(shí)間；同時(shí)在系統(tǒng)中加入報(bào)警程序，溫度過(guò)高就報(bào)警。程序設(shè)計(jì)時(shí)將定時(shí)/計(jì)數(shù)器T0，設(shè)定為6位計(jì)數(shù)器、工作方式2，單獨(dú)用來(lái)對(duì)A/D發(fā)送脈沖；將定時(shí)/計(jì)數(shù)器T1，設(shè)定為16位定時(shí)器、工作方式1，用來(lái)控制鍵盤(pán)掃描周期、數(shù)碼管的掃描周期和時(shí)間計(jì)數(shù)等。其系統(tǒng)總體結(jié)構(gòu)框圖如下圖1-1所示。

1-1系統(tǒng)總體結(jié)構(gòu)圖Fig.1-1 Structure diagram of the power control unit test system

2.2 系統(tǒng)軟件的各功能軟件程序設(shè)計(jì)

在充電器的充電過(guò)程中，采集參數(shù)，進(jìn)行電壓、電流、溫度的實(shí)時(shí)顯示。其軟件設(shè)計(jì)流程如下圖1-2所示：

圖1-2 軟件設(shè)計(jì)流程圖

由主程序流程圖可知，在經(jīng)過(guò)AD轉(zhuǎn)換器采集電壓、電流，溫度傳感器采集溫度后，掃描鍵盤(pán)。本次設(shè)計(jì)使用獨(dú)立按鍵，按鍵一用來(lái)控制溫度、電壓、電流、時(shí)間的顯示，按鍵二用來(lái)控制充電方式的選擇，由于開(kāi)始時(shí)蓄電池電壓低，若以大電流充電，有損電池壽命，因此，當(dāng)電流小于1.8A時(shí)為小電流預(yù)充電，當(dāng)電流大于1.8A時(shí)為恒壓充電，在恒定電流充電方式下，充到輸出電壓達(dá)到設(shè)定的電池組端電壓值。然后，輸出電壓維持恒定不變，電池充滿(mǎn)，充電結(jié)束。

本系統(tǒng)的軟件部分設(shè)計(jì)主要包含以下幾個(gè)方面：

（1）主函數(shù)程序設(shè)計(jì)。在主程序設(shè)計(jì)中，為增加程序的可讀性，將主程序中對(duì)定時(shí)/計(jì)數(shù)器T0、T1的初始化和按鍵掃描分別作為其子函數(shù)。

（2）按鍵控制顯示程序。按鍵一通過(guò)按鍵按下次數(shù)的不同來(lái)控制溫度、電壓、電流、時(shí)間的輪流動(dòng)態(tài)顯示。

（3）AD轉(zhuǎn)換模塊啟動(dòng)控制程序。由ADC0809模塊的時(shí)序圖可知AD轉(zhuǎn)換模塊啟動(dòng)條件為：模塊的控制端（Trig）應(yīng)輸入一個(gè)10us以上的高電平。考慮到超聲波模塊的最大測(cè)量距離與其測(cè)量周期有關(guān)，測(cè)量周期越大其測(cè)量距離越遠(yuǎn)，但系統(tǒng)反應(yīng)將會(huì)變得遲鈍。綜合以上考慮，本方案設(shè)定測(cè)量周期為100ms。其源程序如下：

Void ad _just()

{

If (INT==0)

{

CS=0;

R=0;

_ nop _();_nop_();_nop_(); _nop_();

dat=P0;

_nop_();_nop_();_nop_();_nop_();

R=1;

}

}

（4）溫度傳感器的啟動(dòng)控制程序。

（5）過(guò)流過(guò)壓程序設(shè)計(jì)。本系統(tǒng)設(shè)計(jì)的智能充電器有過(guò)流過(guò)壓的自我保護(hù)功能，為避免電池?zé)龎模?dāng)電流、電壓過(guò)大，超過(guò)設(shè)定的上限值，電池充電器將會(huì)自動(dòng)報(bào)警，保證電池安全，延長(zhǎng)電池壽命 。其源程序如下：

if(dat2＞230)// 電流大于 3A 報(bào)警

SPeaker=0;

if(dat1＞230)// 電壓大于 4.5V 報(bào)警

SPeaker=0;

（6）蜂鳴器報(bào)警程序設(shè)計(jì)。在主程序中設(shè)定報(bào)警上限值，超過(guò)限值即報(bào)警。

（7）充電模式切換程序設(shè)計(jì)。智能充電器能夠通過(guò)采集電池的電壓、電流來(lái)判斷電池的充電模式。其源程序如下：

3 結(jié)論

本次系統(tǒng)軟件部分聯(lián)機(jī)調(diào)試均在LY-51S V2.0單片機(jī)開(kāi)發(fā)板進(jìn)行。該實(shí)驗(yàn)主板集成USB轉(zhuǎn)串口芯片PL2303，只要1根usb線就可以實(shí)現(xiàn)供電、下載、通訊一體。能夠?qū)崿F(xiàn)電壓、電流的實(shí)時(shí)采集及動(dòng)態(tài)顯示。當(dāng)改變電源的電壓電流時(shí)，數(shù)碼管顯示的的數(shù)字能夠隨之改變，同時(shí)，電池的充電模式也會(huì)隨之改。能夠?qū)崿F(xiàn)時(shí)間、電壓、電流、溫度的動(dòng)態(tài)顯示，實(shí)現(xiàn)過(guò)壓、過(guò)流、溫度過(guò)高報(bào)警。當(dāng)溫度超過(guò)上限值時(shí)，系統(tǒng)自動(dòng)報(bào)警，當(dāng)使用者發(fā)現(xiàn)報(bào)警，只需通過(guò)按下按鍵一就可滅掉報(bào)警。過(guò)流、過(guò)壓的情況與此相同。

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