基于單片機的多路充電器的設計

摘 要：用AVR MEGA16L單片機對8組電池系統進行有序的實現大功率充電設計方案，該充電器通過芯片有先后順序的控制，可對8組一定參考定量的免維護鉛蓄電池進行充電，與傳統的充電器結構區別開來。引入AVR mega16l單片機作為中心的控制芯片，以脈沖的占空比大小調節的方式來控制蓄電池充電時間，并從充電溫度、充電時間和充電的電壓電流等方面對蓄電池在進行充電過程中各個狀態加以控制，以體現充電器充電過程中的的先進性。

關鍵詞：充電器； AVR； 單片機

DOI：10.16640/j.cnki.37-1222/t.2015.22.150

1 引言

隨著智能電池樣機的研發出來，人們對智能充電器的要求也越來越高。因此，一些研究者對市場的要求作出相應的研究，其充電器充電方式由傳統的限壓限流式轉變為恒流限壓式。而且由單片機控制的小型化和智能化的改良充電器方便了人們的出門攜帶和減輕了充電時對電池的損耗，并且以智能脈沖式的充電器在其優點方面更為突出。

2 系統結構設計

本充電器結構主要包括恒流源驅動模塊、AVR單片機、溫度監控模塊、狀態顯示模塊、快/慢充充電方式選擇開關、電壓采樣檢測等六個部分。該充電器在設計上采用了多個電流源結構，通過單片機控制對多條線路的電池充電、對充電參數的檢測環節和控制環節和充電過程不同的狀態顯示的控制。并且在以AVR單片機做控制器的基礎上，引入了恒流源驅動模塊、AVR單片機、溫度監控模塊三者之間的閉環控制的思想.使各個模塊在單片機的處理下有機的結合起來，從而達到較好的充電監控控制效果，如圖1。

3 恒流源驅動模塊

根據類如電源的充電電壓24V，充電電流2.6A鉛酸免維護蓄電池的充放電特點。恒流源采用LM317構成的驅動部分方案（圖2）。

變壓器輸出端（即2、4兩端）的50V電壓再經一個橋式整流電路后，再經過一系列濾波、整流形成直流。其橋式整流電路是利用四個二極管，兩兩對接的。輸入交流電壓（如正弦波）的正半軸部分是兩只管導通，得到正的輸出；輸入交流電壓（如正弦波）的負半部分時，另兩只管導通，由于這兩只管是反接的，所以輸出的還是得到正弦波的正半軸部分。后經過一個大功率電容，此電容進行濾波。上圖5中的環形變壓器、橋式整流電路和與其并聯的電容分別完成了降壓--整流--濾波--穩壓是電壓從交流變成直流的四個步驟。濾波后的直流電壓進入穩壓器件的1端口（即輸入端），進過穩壓器件LM317作用后，從輸出端口（即2端口）輸出，在后經過一個電阻值為1KΩ的電阻限流作用后，經過NPN晶體管接地，該晶體管的作用是利用AVR單片機給的HIGH電平傳送給其基極.通過控制晶體管的基極和發射機之間的類似二極管聯通/斷開情況來控制穩壓器件的輸出電壓，再通過波形的脈沖寬度調制，調制它在單個周期內的占空比的曲線圖形，從而控制電池的充電周期。采用頻率比較高的脈沖可以提高電池的充電效率，并且能有效地減少電池在充電過程中的發熱損失即發熱速率△T/△t。

PORTB端口是充電控制技術的檢測端口，是作為單片機對電池電壓各種狀態的檢測端口。充電中各種的控制技術是充電器設計的智能性中的最重要部分。根據智能電池的充電方式和原理，將其可繪制的電壓V曲線分為如圖3所示，其為：未進入電池用電量差不多用完段曲線，此時始終保持電流值較小充電。當進入電池用電量差不多用完段時，若還用用電流值小且始終不變的充電方式，電池會損壞，所以采用PID模糊控制方法。已知電壓曲線， 根據電壓變化來控制充電電流，易于用未知的電流來控制電壓的操作，從而是控制的電流反饋后再作用的電壓，使輸出的電壓按理論上無外界影響的充電模式調整，以達到最好充電效果。當進入電池的充電程序掃尾端時，此時停止，電池充滿，電池會自動放電。

4 控制系統設計

本文采用AVR ATmega161單片機做控制模塊的主控芯片。AVR ATmegal61內有大量的指令和32個工作寄存器，兩者并且是聯合起來結合運用的.所有的工作寄存器都與ALU算術邏輯單元直接相連。AVR ATmega161是一個在AVR 精簡指令集計算機基礎上改進的較低功率的消耗的8位單片機，ATmegal61在單個時鐘周期內執行單條指令的速率相當于可以取得接近1MIPS/MHz的性能，使我們從功耗和執行速度兩者之間找到我們所需要的平衡，允許在一個時鐘周期內執行的單條指令同時訪問兩個獨立的寄存器，這種結構提高了AVR代碼效率，使其比CMS-51系列單片機高很多倍的運作的能力。

圖3中I/O（PORTA）做PWM波形輸出，I/O（PORTD）做LED顯示，模/數轉換通道（PORTB）做電壓采樣檢測.MEGA16L具有從PA0到PA7工8個這樣的模/數轉換通道，其他的的I/O（PORTC）用作快/慢充電的控制選擇開關檢測，快/慢充電開關選擇則是由單片機發出指令對外觀硬件手動選擇開關電路的檢測，得到結果后回到CPU判斷程序應該執行為十分之六的占空比（快充狀態）還是十分之三的占空比（慢充狀態），再由中央處理器發出相對應的命令執行為十分之六的占空比（快充狀態）還是十分之三的占空比（慢充狀態）。

另外，溫度問題是充電電壓24V，充電電流2.6A鉛酸免維護蓄電池充電時的可避免的所需要考慮的問題，蓄電池充電過程中，溫度過高或者過低都是不合理的，其會造成電解液減少，這就會使我們面臨電池壽命的縮短和在充電過程中的安全問題和能否及時的停充電操作。

溫度檢測電路包含的原器件有LM339電壓比較器，兩個8050NPN晶體管和三個定值電阻，一個滑動變阻器和一個熱敏電阻T。其中熱敏電阻T作為傳感器，熱敏電阻T剛開始隨著溫度的增加而增加，當溫度達到一定的數值后，熱敏電阻的阻值快速降低.精密電位器在溫度為四十攝氏度時，設定好其阻值。利用8路電壓比較器進行比較，當充電器的充電溫度低于40攝氏度時，電壓比較器的輸出與上圖所標示的正負極推出的結果一致，POPTA端為高電平；驅動其再進行充電；當被充電池溫度大于四十攝氏度時，LM339跳轉，PORTA端為零電平，穩壓器件停止驅動，如此的循環下去，實現充電。當蓄電池滿充時，溫度變化很快，為了防止這一現象導致電池使用壽命的減少，在本設計中添加了溫度檢測電路，用指示燈的顏色變化，判斷出當前的溫度值，從而控制充電的狀態。這樣就對溫度、充滿和電池的損耗等方面進行了有效的控制。

5 結論

本文設計出的8路大功率充電器，即同時對8組24V/2.6AH鉛蓄免維護電池以一定的充電速率進行快速的充電。分別從系統的結構設計、硬件設計、進行了闡述，并且具有PWM波形高/低兩檔進行操作充電的快速和慢速的方式，現插上去即可就可用，其各種的控制系統如溫度的監控，電壓的監控，定時控制；浮充維護充電方式，LED對充電器全程充電狀態用不同的LED顏色進行表示和LED綠燈，表充電已滿，自動結束充電等功能。

本論文設計的充電器用AVR控制，實現充電器的智能性，是電路結構簡單，降低了電路的占據空間，減少了成本。

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作者簡介：齊英鑫（1973-），男，延邊大學，副教授。