一种基于单片机的智能充电器的设计与实现

科学发展创新　一种基于单片机的智能充电器的设计与实现　黄福明　福州大学至诚学院，福建福州　３５０００１　摘要本文设计实现了一种以单片机ＡＴ８９Ｃ５１为核心的智能电池充电器，可方便地实现多模式充电，包括涓流　充电　大电流充电、预充电和均衡充电，具有较强的智能性，并具有良好的充电性能，实验结果表明，本充电器的　充电效率高，调节时间快，可使蓄电池具有较长的循环寿命和较高的使用价值，能够满足不同类型的动力电池复杂　充电的要求，具有良好的应用前景。　关键词单片机；铅酸蓄电池：智能充电　中图分类号ＴＭ９１　文献标识码Ａ　文章编号２０９５—６３６　３（２０１６）１　７－００５４一Ｏ１　随着能源缺乏和空气污染的加剧，目前新的研究　越来越重视交通电动车，电池和充电器作为电动车的核　心部件，研究具有良好性能的智能充电器，将会给经济　涓流充电的顾名思义就是电流比较小，充电的后电流会　衰减到零。　和社会带来良好的效益。　电动车对电池的要求也高，为了研究性能更好的　充电器，我们要找到一种最优的充电模式。理论和实践　表明，浮充电、均衡充电、预充电、大电流充电４种充　电模式组合起来的充电方式…可以达到较为良好的效　果。该课题研究单片机中的智能充电器，基于ＳＴＣ８９Ｃ５１　基础的智能型快速充电器开发。　１智能充电过程分析　智能充电　作为目前较为先进的电池充电技术，　其原理为使电池在充电过程中能够适应电流的动态变　化，核心是引入了ｄｕ／　技术。　本文以传统充电方法作为基础，然后利用预充电　的过程来对电池的初始状态进行判断，接着通过ＰＷＭ软　件控制技术，对多个阶段的充电进行控制，对充电电压、　充电电流以及充电的时间来进行实时显示。其主要的充　电过程有预充电过程、大电流充电过程以及均衡充电过　程和涓流充电过程　。　在实际的工作过程中。首先对电池的电压进行检　测，进一步确定电池是应该是处于哪一个充电阶段中。　在开始的时候，所检测出来的实际电压如果较低，那么　就会进入到大电流快速充电阶段，实现方法是提高对应　的输出ＰＷＭ波的占空比，这样可以在短时间内对电池填　充具有相对大的量。当蓄电池的电压接近均衡充电压时，　进入均衡充电，输出相对的ＰｗＭ波。最后，当电池的电　压达到涓流充电标准，即达到一定的充电电压标准时候，　用较小的电流对电池充电。这样一来就可以尽可能的延　长蓄电池的使用的时间。　设计的充电模式中，其中有大电流充电、均衡充　电和涓流充电功能，在运行中，具体进行哪个阶段是充　电、会根据采样到的充电数据以及事先设定的程序来决　定何时加入停止充电过程。　２智能充电设计　系统包含单片机模块、电压／电流采集模块、电　源模块、充电模块以及显示模块。　１）主充电源电路设计。本文充电电路采用ＢＵＣＫ　充电　主电路，在ＰＷＭ控制的信号中，当高电平脉冲　出现时，ＭＯＳＦＥＴ导通，电感的电流不断增大，进行电　容充电，此时的ＢＵＣＫ变换器不断存储能量，并通过电　感对电池充电。　１）预充电过程。对于一个在很长的时间内都没有　进行过充电的电池，如果在一开始的时候就进行快速充　电，那么就会对电池的使用寿命带来影响，因此，我们　在这里引入了一个预充电的过程，具体实现方法是：在　充电之前，先用一个较小的电流对电池充电，待充电达　到某一个要求时才进行下一阶段的充电。　２）大电流充电。在大电流充电过程中，根据电池　所能够承受的最大电流来选定充电器，电池所能够承受　的电流则是通过电池的数值容量来确定的。电池的起始　状态和电池的容量往往影响到充电时问，在一段相当短　的时间中的电压迅速增加充进尽可能多的电量。　３）均衡充电。和快速大电流充电阶段相比，均属　于不足充电阶段。在前一个阶段充电结束时，电池并不　是完全冲满，还需把不超过充电容量的０．３Ｃ补足，因　为电池并不是完全充满，这样可进一步增加该电池的　电压。　２）ＭＯＳ管驱动电路。该电路的功能是将ＰＷＭ波变　成能够直接驱动ＭＯＳ管的电压信号。本文直接采用一个　４）涓流充电。涓流充电的别名叫浮充电。涓流充　电电压基本上是恒定的，稍稍高过电池组的断路电压，　作者简介：黄福明，福州大学至诚学院。　三极管放大电路。单片机所输出的ＰＭＷ信号在通过三极　管放大电路之后，就会产生一个较大的反相脉冲信号输　出，这个信号会直接加到场效应管的栅极之上，将ＭＯＳ　管的源级进行接地处理，然后通过Ａｃ—Ｄｃ变幻来获得直　流稳压电压。这样就可以让ＭＯＳ管也工作在脉冲开关的　状态下，此时只需要对输出的ＰＷＭ的占空比进行控制就　能够控制ＭＯＳ管的导通时间长短，进而实现控制充电电　压的大小。　３）电压及电流检测。电流的检测采用的是最简单　直接的方法即电阻采用法，通过电阻把电流转换成电压，　所使用的电阻为０．１　Ｑ／２ｗ的金属膜电阻。本充电电路　的被检电流Ｉ是直流电流，数值比较大。电阻上的电流　■（下转第５８页）　科学发展创新　一个新的契机，其可以运用最真实的模拟技术再现水文　虚拟现实技术的发展，研究人员可以不再受以往野外实　验的费用、场地等条件的限制，可以通过建立虚拟模型，　地质环境的变化过程，对环境问题的产生原因和发展原　因进行深入的研究和分析。此外，虚拟现实技术具有将　同一个事物模拟出不同发展过程的能力，既可以模拟出　已经存在的事物，也可以模拟出不存在的事物；既可以　模拟出动态的事物，也可以模拟出静态的事物；既可以　模拟出事物的过去形态，也可以模拟出事物的未来形态；　既可以模拟出事物的存在状态，也可以模拟出事物的发　展过程等，通过运用先进的模拟技术，可以为研究环境　问题提供一个强有力的技术支持和工作平台，从而帮助　研究人员更好的研究水文地质环境问题，达到处理环境　问题的最终目的。　４）虚拟现实技术在水资源规划研究中的应用。面　对水资源日益减少的现状，水资源规划的重要程度越来　越高。目前，我国一部分小区在规划过程中已经考虑到　了对于水资源的规划和利用，但是由于对地区水资源条　件以及变化规律的认识并不全面，许多小区即使考虑到　对水资源进行规划，但是并不科学，既达不到规划水资　源的目的，又浪费了一定的人力物力。而虚拟现实技术　的运用，可以系统的建立一个能够完整表达小区区域内　环境条件、水文地质条件以及水文地质变化过程的模型，　并结合小区的建设方案进行合理的水资源规划，促进水　资源可循环利用的实现，从而有效控制水资源问题，推　动小区环境的进步。　５）虚拟现实技术在地下水水质研究中的应用。随　着工业的发展，环境问题已经成为了阻碍人类生存和发　展的一个难题，由于工业污水乱排乱放现象的增加，地　下水水质已经受到了一定的污染。面对地下水水质污染　问题，如何运用科学的技术设备对水质中的各种元素进　行细致的分析，一直是有关环境专家研究的重点。随着　盼（上接第５４页）鬻　真实地展示地下水水质的变化过程和发展趋势，从而采　取更加有效的措施对地下水水质污染问题进行研究和　控制。　６）虚拟现实技术在地下水转移机理研究中的应　用。大部分地下水都处于不断运动中，通过虚拟现实技　术，可以解决以往实地勘察信息不准确不全面的问题，　可以通过系统的模拟将地下水的转移规律进行完整的模　拟和展示，从而帮助研究人员更加方便的研究水文地质　环境的特点。　５结论　虚拟现实技术是计算机技术不断发展的产物，是　水文地质研究工作不断深入的必然。面对日益严重的环　境问题和资源问题，研究人员必须运用虚拟现实技术对　地下水的变化过程、转移机理、开发方案进行更加深入　的研究，从而有效的控制水资源的减少，为人类的生存　和发展提供保障。　参考文献　［１］靳子栋．初探虚拟现实技术在水文地质研究中的应用意义　…．河北企业，２０１４（４）：１　２０．　［２］贾梦琦．虚拟现实技术在水文地质研究中的运用…．科技传　播，２０１　２（９）：１２４．　【３】翟胜强，魏良帅．浅谈水文地质研究中的虚拟现实技术［Ｊ］．　中国新技术新产品，２０１２（１　５）：２０４—２Ｏ５．　［４】郑春冰．水文地质研究中虚拟现实技术的应用研究…．河南　科技，２０１　５（９）：２４—２５．　［５］于军．虚拟现实技术在水文地质研究中的应用［Ｊ］．吉林大学　学报：地球科学版，２０１　５（５）：６　３６－６４０　变化范围为０．５Ａ～１．３Ａ。　４）显示及按键电路。本系统中设计了４位ＬＥＤ，　在正常充电时显示充电电压充电电流，充电时间以及充　电容量。ＬＥＤ驱动芯片我们选用７４ＬＳ４７ＢＣＤ显示译码器。　即１３．５ｖ时，结束大电流充电，转入均衡充电状态，以　小的均衡充电电流给电池充电。　４智能充电实现　本次实验的电路用到的电是１２Ｖ／１．３Ａｈ的铅酸蓄　电池，通过对整个充电过程中的实时的电压和运行状态　的跟踪测试，得到充电过程图，从结果上看，充电器一　开始时处于预充电状态，随着预充电的进行，当电池电　压达到接近１０Ｖ左右，立即转换到大电流充电状态。经　过２ｈ后，电池电压达到１３．５Ｖ（电池容量的９０％）后，　利用７４ＬＳ４７的解码功能，在数码管上直接显示数字，　进而简化了程序，节约了单片机的１０开销。按键电路　的实现只设计了４个独立按键，分别代表充电时间，充　电电压，充电状态，充电开始。　３软件设计主程序　本文系统主程序主要是利用电压电流检测电路获　得的电压，电流等相关采样数据，据此确定电池具体的　工作状态，然后采取相应的方式（ＰＷＭ占空比）来控制　充电过程切换到均衡充电过程，当电池容量达到１００％时，　充电结束，充电过程进入涓流充电过程。从测试结果看，　整个充电过程能够按照事先设定的４个充电状态进行，　符合充电要求。　参考文献　［１］周志敏，周纪海，纪爱华．充电器电路设计与应用［Ｍ】．北　京：人民邮电出版社，２００５：１　２　５－１２９．　程序的执行，实现四种充电模式的合理控制，能够实时　显示按键部分传递过来的信息功能。　具体实现过程：一开始进行初始化后，系统开始　工作，首先根据采样到的电压电流的大小决定要进入预　充电还是大电流充电。判断的依据是对比采集的端电压　以及阈值电压的大小，闽值电压为１０．２Ｖ。如果电池端　电压小于阂值电压，则系统进入预充电状态，以小电流　给电池进行涓流充电；反之，则进入大电流充电过程，　以电池能够承受的最大允许电流对其进行充电。与此同　时系统继续进行电池电压的检测，并跟门限电压（１５Ｖ）　比较，当电池充电电压已经达到到门限电压的９０％左右，　［２］刘美俊．基于单片机的通用智能充电器的设计［Ｊ］．仪表技术　和传感器，２００６（９）：３－５．　【３】刘宝泉．智能充电器设计与实现【Ｄ］．西安：西北工业大学，　２０Ｏ４．　［４］王鸿麟，钱建立，周晓军．智能快速充电器设计与制作［Ｍ］．　北京：科学出版社，２００１：３２５－３　３１．