基于C8051F920的智能充电器设计

张艳红,张 瑜,祖 静

(中北大学电子测试技术国家重点实验室,太原 030051)



基于C8051F920的智能充电器设计

张艳红,张 瑜*,祖 静

(中北大学电子测试技术国家重点实验室,太原 030051)

介绍了一种以C8051F920单片机为核心控制的智能充电器,能够满足不同类型电池的充放电问题,同时实时检测电池充电过程中的电池电流、电压、温度,并由上位机进行信息管理和参数显示。描述了该智能充电器的工作原理、工作模式。详细讨论了该设计的硬件结构、软件设计及人机交互软面板。

智能充电器;充电策略;充电控制技术;人机交互

随着电子技术的发展,很多仪表电器设备朝便携式发展,而便携式仪器大都需要用到可充电电池。但是不同类型的电池如镍镉电池(Nicd)、镍氢电池(NiMH)、锂离子电池和铅酸电池具有不同的充电特性和过程,因而要采用不同的充电控制技术[1-2],但是每种电池又不能互相替代,所以充电器也就得准备各式各样的。基于此设计了基于C8051F920单片机的智能充电器实现对铅酸、镍镉、镍氢和锂电池等种类的电池进行充电和放电,根据不同的电池调整充电策略。该充电器可以实时采集和计算电池的参数,并通过串口和上位机进行通信并实时显示充电状态。

1 智能充电器工作原理

1.1 智能充电器结构

该智能充电器共有4种工作模式:常规充电、快速充电、容量检测和启动修复。其总体设计如图1所示。主要由电源变化电路,电池电压、电流、温度检测电路,PWM控制电路,工作状态指示电路,主控电路及上位机通信6部分组成。

图1 智能充电器设计框图

该智能充电器有两种操作方式,一种是近端操作,即使用按键和拨码开关控制,另一种是远程操作,通过串口发送命令来控制充电过程。表1为拨码开关的编码定义。

电源变化电路是将220 V的交流电转换成24 V,12 V,5 V,3.3 V的直流电给电路各部分供电,保证能正常工作。由单片机通过拨码开关的解码或者上位机的操作实现对电池类型,数量,容量及工作模式进行识别然后控制选择哪种充电策略,再经由PWM控制小电流恒流充电,大电流恒流充电,涓流恒压充电这几个阶段,同时电池电流电压温度检测电路也开始监测电池充放电状态并经过单片机由上位机显示。如果过程中出现电池连接错误或者温度电压电流等异常,将自动关闭充电,并由上位机显示异常原因。在整个充电过程中,由单片机控制的指示灯可以很直观地看到充电器的工作过程。

表1 拨码开关定义

注:其中:off=0,on=1;铅酸电池与锂电池充电策略相同。

1.2 智能充电器工作模式

该智能充电器共有4种工作模式:常规充电、快速充电、容量检测和启动修复,下面逐一做简单介绍。

(1)常规充电:分成3个充电阶段,第1阶段是小电流恒流充电,其充电电流为C/50,其中C为单节电池的容量,等到电池电压到达VOL_LOW2BULK或者小电流充电超时的时候,会自动进入第2阶段。第2阶段是大电流恒流充电,充电电流为C/10,当电池将近充满时,会自动进入第3阶段。第3阶段是涓流恒压充电,保持电池电压不变,可以维持电池容量。

(2)快速充电:快速充电模式和常规充电模式的不同在于充电第2阶段,快速充电的第2阶段充电电流是C/3。

(3)容量检测:先对电池进行放电,放电完毕后对电池进行快速充电,在充电过程中检测充电容量,然后再对电池进行放电,并在放电过程中检测放电容量,由此可以得到一个充电容量和一个放电容量。

(4)启动修复:先对电池放电,再对电池充电,如此往复3次,完成电池的修复。

图2 电池电流、电压、温度检测电路

2 智能充电器硬件设计

2.1 主控电路

主控电路以C8051F920单片机为核心组成,C8051F920是美国Silicon公司低功耗的微控制器,芯片上有24位数字I/O端口,32 kbyte程序存储,4352 byte RAM,内部集成了10位A/D,PCA,两个比较器,4个定时器以及温度传感器等,最高运算速度可达到25 MInst/s(MIPS),完全能满足设计要求。

单片机主要任务就是利用内部的AD实时采集电池电压、电流、温度及充电电压,并且由内部的PCA产生PWM来控制充电状态的转换,然后由上位机软面板显示并进行数据管理。

2.2 电池温度、电流、电压检测电路

电池电压、电流、温度检测电路是通过MAX471电流传感器来完成电流电压检测,用LM35温度传感器来检测电池温度。MAX471有一个电流输出端,可以用一个电阻来简单地实现以地为参考点的电流/电压的转换,并可工作在较宽电压内,具有双向检测指示,可监控充电和放电状态;LM35温度传感器生产制作时已经过校准,灵敏度为10.0 mV/℃,精度在0.4 ℃至0.8 ℃,在-55 ℃至+150 ℃温度范围内重复性好。检测到的电流值经片上的PGA放大后,输入到片上10 bit ADC,采用过采样和均值的方法来获得20 bit的分辨率,再通过斜率和偏置校正系数,计算出相应地参数值。其原理图如图2所示。

2.3 PWM控制电路

由片上PCA产生PWM脉宽调制控制晶体管开关的占空比,由LM2596ADJ开关电压调节器提供开关电流。PWM信号通过光电隔离驱动主回路上的晶体管,当晶体管闭合时,电流流入电池和电容C19,同时也储存在电感L1中;当晶体管打开时,存储在电感中的电流迅速下降,使得电感电流以减速度流入电池电容C19在电感电流衰减后开始放电。在较大的范围内如果减小占空比,平均电压就会下降,反之亦然。因此可以通过控制占空比的方法调节电压或电流至所需要的值,从而控制小电流恒流充电,大电流恒流充电,涓流恒压充电这几个过程。而使用片上PCA产生PWM可以大大降低所需要的CPU带宽,并可以消除在中断驱动的基于定时器的设计中因中断延迟不一致而产生的时序抖动[3]。其原理图如图3所示。

图4 智能充电器软件设计主程序流程图

图3 PWM控制电路

2.4 其他外围电路

电源变化电路是将220 V的交流电转换成24 V、12 V、5 V、3.3 V的直流电给电路各部分供电。工作状态指示电路主要用于错误报警及工作状态指示。包括电源指示灯,串口工作状态指示灯,错误指示灯,控制状态指示灯(近端控制或者远程控制)以及充放电过程指示灯,在小电流充电时,以1 Hz的频率闪烁,在大电流充电时以5 Hz的频率闪烁,在涓流方式下为长亮;在放电模式下为1 Hz的频率闪烁。上位机通信通过串口和VB软件界面来实现,可以调整充放电电池参数,检测充放电过程,完成容量检测和启动修复。

3 智能充电器单片机程序设计

采用C语言编程,在Silabs平台下进行调试。程序设计时首先初始化I/O端口、ADC、PWM及相关变量和指示灯,紧接着清除充放电完成标志,避免下次充放电启动不了。接着判断电池是否接反或者脱落,然后读取拨码开关的按键值或者上位机发送的参数来判定电池类型,容量,数量以及工作模式,然后对应到各个充电策略以及充电方式。主流程图如图4所示。

图5为充电控制过程子程序,综合了电池温度,充电时间,充电电压进行了控制。

图5 充电过程控制子程序

4 智能充电器人机交互软面板设计及结果显示

上位机程序由Visua Basic编写。程序在初始化时要把充电电池的型号参数发送给智能充电器,参数一般包括充电电池的种类、充电电池的容量、数量。根据不同的电池型号,单片机可以设定不同的充电参数。同时上位机每隔1s向串口发送一个查询命令,并读取单片机回送的信息,提取电池温度电压电流及充电电压等工作状态等参数。参数经过数制转换和计算后进行显示。软件有着良好的用户界面,可以方便地观测电池目前的工作状态以及充电时间参数曲线。上位机程序会同时把读到的数据存储到信息管理系统中,便于以后查阅。另外,程序可以直接控制单片机的运行与停止。其界面如图6所示。

图6所示的参数及曲线是该智能充电器的对一个容量1300 mAh的镍氢/镍镉电池的充电记录,由此我们可以很清楚的看到随着充电时间的增加电池电压电流温度的变化,由曲线可以看出,该设计的控制方法很成功。

图6 智能充电器人机交互软面板界面

5 结束语

该智能电池充电器能有效地解决多种类型的电池充放电问题,从而避免了因电池化学特性不同而给电池充电造成的各种麻烦。除了对电池电压的检测外,为了更好的保护电池,该充电器充电时还可对电池的温度及充电时间进行监测,一有异常立马终止充电并且显示异常原因。另外,该充电器还可以进行电池保养修复,对设备也是很有裨益的。而且软面板还建有数据管理系统可以管理电池的各类数据,便于设备维护以及电池性能研究。

[1]林邦怀,周文灵. 一种基于单片机的智能充电器设计[J]. 仪表技术,2007(2):27-29.

[2]刘美俊. 基于单片机的通用智能充电器设计[J]. 仪表技术与传感器,2006(9):41-43.

[3]沙占友. 新型单片开关电源的设计与应用[M]. 北京:电子工业出版社,2001:267-285.

张艳红(1990-),女,山西吕梁,汉族,中北大学硕士研究生,研究方向为动态测试与智能仪器,zhangyanhong0212@126.com;

张瑜(1979-),女,汉族,博士,讲师,研究生方向为动态测试与智能仪器,snow-zhang@nuc.edu.cn;

祖静(1933-),男,汉族,北京人,教授,博士生导师,研究方向为仪器科学与技术,动态测试与智能仪器等,jingzu@publicty.sx.cn。

DesignofIntelligentBatteryChargerBasedonC8051F920

ZHANGYanhong,ZHANGYu*,ZUJing

(National Key Laboratory for Electronic Measurement Technology,North University of China,Taiyuan 030051,China)

An intelligent charger based on C8051F920 single-chip computer is presented,the reference design is developed for the charge of different kinds of battery. At the same time,the real-time detection of the battery cell current,voltage and temperature in the charging process is maked,and information management,parameters display is presented by the upper computer. The work principle and mode are introduced. Then the hardware structure,the implement of software and the human-computer interaction soft panel are analyzed in detail.

intelligent charger;charging strategy;charging control technology;the human-computer interaction

2013-11-26修改日期:2013-12-11

TM368.1

:A

:1005-9490(2014)06-1251-05

10.3969/j.issn.1005-9490.2014.06.047