基于單片機的多功能智能充電器

王宇軒 高鳳陽 王慶華 楊帆 柳振寶 顏雪嶺 封良舟

摘 要：本作品是以CN305A作為充電控制芯片，使用AT89S52單片機芯片進行控制的智能充電器，理想地解決鋰離子電池和鎳鎘電池的充電問題。本文介紹了智能充電器的工作原理、設計特點，充分討論了該充電器的硬件結構及軟件實現方案與它優異的抗干擾能力。

關鍵詞：充電控制技術;智能化;電池檢測

二次電池具有廣闊的經濟價值、容量大、供電穩定、循環性能好等特點，廣泛應用于飛機、汽車和各種通信設備以及充當發電機組的電源，也是各類需要持續供電的電子檢測儀器儀表和電氣設備不可缺少的組成部分。

本設計選取行業內公認較好的-△U控制方式，能對鎳鎘電池和鋰離子電池進行平滑充電，通過微控制器對充電控制芯片的管控，使二次電池實現充電過程以及斷電的智能化管理，精確監控并捕捉充電完成后產生的電壓信號迅速自動切斷供電、充電過程中溫度超出設定值系統開啟報警、LCD液晶顯示過程信息等功能。智能化的充電器能夠檢測充電電壓變化、收縮充電過程，延長二次電池的工作壽命，具有重要意義。

1 智能充電器的結構性能

本設計基于AT89S52微控制器，包含開關電源電路、溫度監測電路、恒流恒壓電路、液晶顯示電路、光耦隔離電路。

1.1 單片機部分原理圖設計

充電器核心采用AT89S52充當控制核心，根據中斷端口INTO接收到的充電狀態特性選擇不同充電模式，傳遞信號控制光耦芯片LP632，全程啟動或切斷供，單片機通過P2.1端口控制蜂鳴器發出報警提示聲。

1.2 電源電路設計

電源是各種電子設備不可或缺的組成部分，目前常用的直流穩壓電源分線性電源和開關電源兩大類，開關電源從出現到現在能夠迅速占領市場得益于它優異的性能。開關電源內部元器件不停地切換工作狀態，內部元器件消耗微乎其微的能量，從而開關電源效率可達80%以上，遠遠超過普通線性電源的工作效率。因此本設計選用開關電源作為核心，然則開關電源無法忽略其電磁干擾、輸出波紋大、發熱厲害等問題，設計電路時采用屏蔽、接地等措施抑制電磁干擾，采用溫度傳感器LM35監控電池溫度，較好的解決了充電問題。

1.3 充電電路的設計

恒流恒壓電路是智能充電器的核心組成部分。圖1是其電路原理圖。傳統的鋰離子電池充電器都以先恒流，后恒壓方式充電，由于鋰電完全放電后只可以較小的電流充電，所以充電器需先檢測電池電壓，若偏低則需以較大的電流充電，當電流回升至一定水平后才以正常電流充電。當以恒流充電時，電池電壓會隨之上升，直到電壓達至4.2V時，充電器需轉以恒電壓方式充電，因為電壓高過4.2V的話就會導致電池損壞。

基本采用恒流方式充電對鎳鎘電池、鎳氫電池進行充電，因為這種充電方式相對容易檢測電池的充電狀態，特別是檢測電池是否充滿。檢測充滿的方法有很多種，包括-ΔV、ΔT等。市場上的鎳氫電池充電器也有采用脈沖方式沖電。由于大部份的鎳鎘、鎳氫電池的外觀尺寸都是AA或AAA等，與堿性電池多是相同，所以使用者有可能誤把不可以充電的堿性電池放進充電器充電，這就會造成充電電池的損壞，本設計設有識別程序，能以電子方式分辨出電池是堿性電池或是鎳鎘、鎳氫電池，迅速準確的計算出相對應的充電方式并應用。承諾在最短的時間內充電50%，（超過50%的電量后充電速度在減緩，以防止電池承受過大的壓力）。

1.4 LM35溫檢及控制電路

所有電池的充放電都會產生內熱，而產生的熱量與所涉及的電流大致成正比（電池的充電電流狀態、狀態/歷史等也是因素）。因為鋰離子電池充電速度更快，在使用中產生更高的電流輸出。因此終端需要檢測電壓和溫度，以防止充電過度（或可能過熱或著火，有些電池甚至會爆炸）。可以充分利用溫度變化率隨充電過程而變化的特性，迅速準確地檢測電池的溫度。本設計選用集成電路溫度傳感器LM35檢測電池溫度，有一個冷卻風扇，以幫助將電池的溫度保持在安全水平。

2 智能充電器的充電模式分析

2.1 快速充電模式

為了加快充電時間，提供連續充電，智能充電器嘗試檢測電池的充電狀態和狀態，采用三級充電方案。第一個階段稱為“體吸收”;充電電流將保持高和恒定，并受到充電器容量的限制。當電池上的電壓達到它的設定電壓，充電器切換到第二階段，電壓保持不變。當電流小于0.005C時，充電器進入第三階段，充電器輸出保持在每個電池2.25V不變。在第三階段，充電電流非常小，0.005C，在這個電壓下，電池可以保持完全充電，并補償自放電。

2.3 涓流充電模式

快速充電結束后，系統自動轉入涓流充電模式，涓流充電器提供相對少量的電流，僅足以抵消長時間閑置的電池的自放電。有些電池類型不能容忍任何類型的涓流充電，試圖這樣做可能會導致損壞。鋰離子電池使用化學系統，不允許無限涓流充電，本設計可以使電流只足夠提供維持電池滿狀態，通常是大多數電池充電器的最后一個充電階段。進入涓流充電模式，它可以無限期地與電池連接。可以與電池保持連接而不會造成電池損壞。

3 測試

使用智能充電器對不同類型的二次電池進行充電實驗測試得到的測試曲線如圖2所示。

4 結論

單片機在蓄電池充電器領域有著比較廣泛的應用，利用它的可編程及處理控制能力可以實現充電器的智能化設計。經過實際電路的實驗測試，在各個單元電路的配合下，可實現高系統精度，保證鋰離子電池充電電壓的精度達到1%，鎳鎘電池的精度達到2%。

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指導老師：高飛燕，副教授。