基于單片機的快速充電器設計

高春燕

遼寧錦州渤海大學工學院

基于單片機的快速充電器設計

高春燕

遼寧錦州渤海大學工學院

鉛酸蓄電池的特點是容量大、工作溫度的變化范圍廣以及相關制作材料充足，蓄電池中發(fā)展最成熟，技術最領先的要屬鉛酸蓄電池。隨著鉛酸蓄電池的廣泛應用，現(xiàn)實中電池的充電方式?jīng)]有得到很好的改善，所以導致了鉛酸蓄電池的容量不斷地降低，電池壽命也大大地縮短，廢棄電池的電解液殘留會給資源帶來很大的浪費，給環(huán)境帶來很大的污染，因此，實現(xiàn)蓄電池的充電方式的可靠、安全，這是目前亟需解決的難題。本文設計實現(xiàn)了快速充電器，論文中包括的設計有軟件實現(xiàn)部分和硬件實現(xiàn)部分，硬件實現(xiàn)部分中有涉及到鉛酸主充電開關的電源電路，軟件部分設計了中斷子程序。

充電器 鉛酸蓄電池 單片機

1 鉛酸蓄電池快速充電理論

鉛酸蓄電池充電方法的原理可以分為傳統(tǒng)充電法以及快速充電法，其中的傳統(tǒng)充電法采用的是小電流慢充，而快速充電法指的是提高充電電壓或者充電電流，并且延長蓄電池的使用壽命。然而，考慮到蓄電池的一些重要特點，比如離散性、多變量以及非線性等，充電系統(tǒng)并沒有在很多的應用數(shù)學模型實現(xiàn)極大的推廣。日常生活中我們通常所接觸的是傳統(tǒng)的充電法，從鉛酸蓄電池的角度出發(fā)，傳統(tǒng)的充電法無法滿足高效率的充電，同時蓄電池的壽命無法得到延長。

2 鉛酸蓄電池快速充電概述

現(xiàn)今關于鉛酸蓄電池快速充電的相關研究取得了很大的發(fā)展與進步。20世紀60年代，來自美國科學家就蓄電池充電的整個過程進行了研究，分析了產(chǎn)生氣現(xiàn)象的規(guī)律以及產(chǎn)生的原因，得出了充電電流曲線，該曲線產(chǎn)生的前提是吸氣率是最低的。鉛酸蓄電池充電特性曲線如圖1所示。

圖1 蓄電池充當電流接受曲線

從圖1中能夠知道，在整個電池充電時，當充電電流是小于蓄電池蓄就能夠滿足最大充電電流的曲線圖，而且蓄電池的本身氣泡是不可能出現(xiàn)的；當充電電流如果很大的時候，從充電接受曲線中能夠得出多出的那部分是無法變?yōu)樾铍姵氐幕瘜W能，所以也不可以儲存，而是該過程加速了蓄電池內(nèi)部水電解，從而出現(xiàn)了析氣現(xiàn)象。當充電進入開始階段的時候充電電流比能夠充電的電流小很多，因此充電的時間相應也會增加，當對蓄充電電流比能夠充電的電流大很多時，造成蓄電池中的析氣現(xiàn)象十分嚴重。

3 鉛酸蓄電池快速充電器系統(tǒng)硬件設計

鉛酸蓄電池快速充電器系統(tǒng)主要的對象是多種型號，多種容量的鉛酸蓄電池，系統(tǒng)的組成部分主要包括了型號為PIC16F877A的單片機，以及其他的應用軟件。鉛酸蓄電池快速充電器的充電的實現(xiàn)方法選用的是間歇式的變電流正負脈沖，從而一方面防止了鹽化，另一方面還能夠減小極化，增高充電率，最終實現(xiàn)鉛酸蓄電池壽命的增強。

3.1 系統(tǒng)結(jié)構(gòu)

快速充電器的設計模塊中主要包括的部分有硬件設計、軟件設計以及電路的顯示等，系統(tǒng)設計總體框圖如圖2所示。

圖2 系統(tǒng)設計總體框架圖

輸入層：在開關電源中輸入220V交流，該充電電源的主要功能是給蓄電池提供所需的電壓以及電流。輔助電源的作用主要產(chǎn)生工作電壓，在放大器以及模擬開關中都會用到輔助電源，電池的相關參數(shù)是通過鍵盤進行輸入。

硬件設計層：在快速充電器的系統(tǒng)中有著重要的角色是硬件層，單片機的主要任務是控制充電中的整個過程，其中涉及到的有檢測環(huán)境溫度以及采樣充電電流，軟件設計層：軟件設計層作為系統(tǒng)的核心部分，主要的作用是實現(xiàn)充電以及放電的軟件設計。

顯示部分：顯示部分中顯示的內(nèi)容包括了蓄電池中荷電所處的狀態(tài)，以及充電的電壓和電流的值，這樣能夠讓用戶更加深入了解電池充電。

3.2 主充電開關電源電路的設計系統(tǒng)

半橋開關電源工作原理：交替導通VT1和VT2，變壓器T一次側(cè)產(chǎn)生了正負交變矩形脈沖電壓，該電壓的幅值是Vi/2。開關管的占空比發(fā)生變化的時候，意味著二次側(cè)整流電壓的均值也相應地發(fā)生了變化，輸出電壓Uo此時也會出現(xiàn)變化，KA7500B芯片特性如表1所示。

表1 KA7500B芯片特性

3.3 放電電路

放電電流的選擇是和充電所處的階段以及電池型號有直接的關系的。放電電流中需要遵循的要求，在放電電路中需要做的就是進行連續(xù)地放電，電流是0A到4A之間變化。所以從單片機中獲得的放電信號再經(jīng)過了數(shù)字模擬信號的相應轉(zhuǎn)換以后，可以得到相應的直流信號，NE555芯片中會保存該直流信號。隨著NE555-5腳中直流電壓的輸入值的不同，會導致從3腳輸出的脈沖信號相應的占空比也會發(fā)生改變，而且成正比的關系，同時占空比將會從0%變化到100%。此外，3腳輸出的脈沖信號通過模擬開關的控制之后，可以成功加載到TM30N50的柵極。放電控制電路如圖3所示。

圖3 放電控制電路

3.4 顯示電路

LCD的顯示電路中選擇的釆用LCD1602，液晶模塊中顯示的2行，每行16個字符。由于功率損耗低、體積小，而且內(nèi)容顯示豐富，所以有著廣泛的應用。液晶里面有存儲器，主要是存儲不同的點陣字符，字符與代碼之間是一一地對應的關系。

4 充電系統(tǒng)的軟件設計

本文設計的基于單片機的快速充電器主要是圍繞著硬件以及軟件兩方面進行的，系統(tǒng)的穩(wěn)定性以及可靠性是和軟件的質(zhì)量有著直接的影響關系，在整個系統(tǒng)的設計中，系統(tǒng)的軟件設計占據(jù)著很重要的成分。本文釆用的編程語言是匯編語言以及C語言的相互結(jié)合。系統(tǒng)的設計中的設計選擇的思路的是模塊化。

4.1 中斷子程序設計

當設計中斷子程序的整個過程中，首先需要做的就是對鉛酸蓄電池的充電狀況同時檢查是否是完好的，假如鉛酸蓄電池的充電狀況是充滿的，這就充分表明了就鉛酸蓄電池損壞了，并且鉛酸蓄電池是不可以充電的，當選擇的鉛酸蓄電池沒有根據(jù)具體的要求標準進行選擇的話，就需要馬上停止充電程序，并且會出現(xiàn)警報的提示；如果在整個充電的過程中有斷電的現(xiàn)象產(chǎn)生。此時就要重新設置蓄電池的相關充電參數(shù)，其中的參數(shù)主要包括了充電之前的起始電壓，另外在充電過程中相關的鉛酸蓄電池參數(shù)采集中涉及的參數(shù)為充電電壓以及溫度等。溫度的檢查主要是檢查溫度是在系統(tǒng)的條件溫度的范圍以內(nèi)，如果溫度是在條件溫度的范圍以為的話，保護程序從而會啟動，而與此同時充電的過程就暫停了就會馬上停止，接著進行電壓的檢查以及電流的變化量，當電壓超過了終止程序中的條件電壓時，故障保護程序就會執(zhí)行。

結(jié)語：電池充電器在日常生活中充當著很重要的角色。本文設計的鉛酸蓄電池充電器所應用的技術是通過微電腦進行控制。本文具體介紹了充電器的硬件設計，以及軟件設計，其中的硬件部分涉及到了電源電路、人機交互界面以及采樣電路，而且詳細介紹了單片機。編程語言采用的是匯編，運用面向?qū)ο蟮南嚓P技術和原理。

[1]張永超,王春芳,李強等. 基于PIC單片機的電動車正負脈沖式快速充電站設計[J]. 電器與能效管理技術,2012(2):26-30

[2]曾還尤,朱超甫.基于AVR單片機的智能快速充電器的設計與研究[J]. 機械工程與自動化, 2007(5):122-124

[3]孫印杰,田效伍.基于AVR單片機的鎳鎘電池快速充電裝置設計[J]. 商丘職業(yè)技術學院學報, 2005, 4(5):41-43

[4]林燕雄,朱望純.基于AVR單片機的智能快速充電器設計[J]. 電子測量技術, 2008, 31(10):184-187