基于单片机技术的蓄电池充放电控制系统设计

杜瑞涛，徐 洋

许昌电气职业学院，河南 许昌 461000

0 引言

蓄电池的充电池结构整体相对简单，通过模拟控制形式可以实现充电控制的效果，充电方法也比较单一化，无法按照蓄电池当时的充电状态调整充电方法。在蓄电池充电期间，不能同时满足保护、检测等要求，在无人监控状态时，也不能同时关注其他蓄电池的充电过程。现阶段，随着数字信号处理技术的创新，微控制器在蓄电池充电控制领域得到运用，而且逐渐实现了向数字化控制的转型。应用单片机技术研发的蓄电池智能充放电控制器，不仅功能更加多样，还增加了不同的充电控制方法，具有监控蓄电池充放电过程的功能，加强了系统灵活性，并延长了蓄电池的使用寿命，提高了蓄电池的运行效率。为此，文章主要探讨蓄电池充放电控制中单片机技术的应用，了解单片机技术在设计、控制中的应用原理和要点。

1 单片机概述

单片机也被称作微型控制器（Single-chip microcomputer），是在芯片上集成，且具有完整性的计算机系统，大部分功能均集成于芯片，具有计算机需要的多数部件，如CPU、内外部总线系统、内外存、集成外围设备等。单片机技术最早被运用于工业控制，外围设备、CPU在芯片中集成，不仅可以减少计算机系统，还能够实现比较复杂且体积要求高的控制设备集成[1]。

单片机历经SCM、MCU、SOC三个阶段，是微型机非常重要的分支之一，将CPU、定时器、存储器、I/O接口电路进行集成处理，附着于超大规模集成电路芯片，组成和功能与计算机相同，是蓄电池充放电控制中非常重要的一项技术。

2 在蓄电池充放电控制中应用单片机技术的必要性

现阶段，光伏发电系统中应用的光伏板的输出电能存在诸多限制，温度、光照等外部条件也会直接影响其输出能力，在能量管理中要采取最可行的方法分配蓄电池充放电能量。如果光照条件比较强，蓄电池剩余容量不高，光伏电池板能够向其提供充足的输出功率，蓄电池能够实现快速充电；如果光照强度弱，但电池板能提供的输出功率较大，电池可获得最大电能充电，蓄电池剩余容量可以支持其运行，只需满足维护性充电要求[2]。

在光伏系统中应用蓄电池时，缺少相应的充放电技术，而且铅酸蓄电池本身存在耐过充、耐过放性能方面的不足，尤其体现在光伏发电系统的运转过程中[3]。光伏发电系统具有较强的随机性，且稳定性不强，很难保证蓄电池充放电过程的规律性。基于此，针对蓄电池充放电进行控制，采用单片机技术在线监测充放电过程，可以切实提升蓄电池充放电控制精度，延长蓄电池使用寿命，体现独立光伏微网发电系统的实际应用价值。

3 基于单片机技术的蓄电池充放电控制系统设计

对蓄电池充放电控制系统进行优化设计时，可以将单片机（见图1）作为主控制器，设计蓄电池能量管理系统（见图2）的软硬件。对比传统蓄电池充放电控制模式，采取双向Buck-Boost主电路作为蓄电池充放电控制电路，光伏系统内部蓄电池也采取最优充电方法，经过充电实验的验证，发现这种充电方法与蓄电池快速充电要求相符，具有较高的可行性。

图1 单片机结构图

图2 蓄电池充放电控制系统结构

3.1 主要装置

3.1.1 蓄电池

行业应用比较普遍的蓄电池为铅酸蓄电池，此类蓄电池多被当作备用电源。在技术不断演进的今天，越来越多的蓄电池得到应用，而且一些新型蓄电池具有经济性、环保性、无腐蚀性、应用便捷性等优势，代替了传统的开口式铅酸蓄电池[4]。例如，在应用VRLAB时，只要控制好整流器充电电压，技术人员便不需要过多地关注蓄电池充电过程，也不需要频繁地检测电池端电压和添加蒸馏水，只要定期检测电池端电压、放电容量即可。在安装方面，因为VRLAB出厂之前已处理放电，所以安装更加便捷，省略了烦琐的充放电处理步骤。VRLAB结构具有密封性，放置方式没有严格要求，不会释放大量有害物质，会通过特定安全阀将多余气体排出，通常不会发生鼓胀、爆裂等问题[5]。另外，VRLAB本身具有极高的环保性，实际应用期间可与其他电子设备同时使用，无须专门的环境，减少了维护人员的工作量，也有效减少了占地面积和成本。基于VRLAB的上述优势，可使用其优化微机控制效果，实现微机集中监控、无人值守等现代化管理成效，为单片机技术在蓄电池充放电控制中的应用创造条件。

3.1.2 单片机

蓄电池是光伏发电系统中非常关键的一部分，其使用寿命长短更是光伏发电系统应用效果和经济性的决定性因素。蓄电池使用寿命的直接影响因素包括蓄电池充电程度、放电深度等。蓄电池是负载供电电源，应用时如果有连续性的阴雨雪天气，便会增加蓄电池过度放电的概率；蓄电池也是太阳能发电系统中非常重要的储能设备，如果其连续遭受暴晒，将会有很大概率发生蓄电池过度充电的现象。无论是过度充电还是放电，均会引发蓄电池疲劳，导致其储能功效丧失[6]。因此，要加强对蓄电池充电程度、放电深度的控制。可以在蓄电池充放电控制中运用单片机技术，优化充放电控制程序。

在设计中共采用8块太阳能光板进行采光发电，同时运用2块蓄电池储能，蓄电池充放电电压以12～15 V为准，控制过程运用89C51系列单片机芯片。在没有运用单片机控制时，一般需要观察光伏发电系统指示灯的亮度、颜色变化，作为蓄电池充放电程度的判断依据。但是这种方法存在较大的控制误差，如不能及时发现指示灯亮度变化，或者指示灯长时间使用后亮度可能变暗，降低显示准确性和蓄电池充放电控制的精度，还会导致大量人力资源耗损。如果蓄电池充电电压在15.80 V以上、放电电压不足10.23 V，会增加蓄电池的易疲劳度，缩短使用寿命。利用单片机技术控制蓄电池充放电，可以使蓄电池充电电压被控制在15 V以下、放电电压高于12 V，使蓄电池充电程度和放电深度得到有效控制，而且蓄电池使用寿命也可以延长1年左右。

3.2 硬件设计

利用单片机技术设计蓄电池充放电控制系统，系统由直流电源模块、按键电路、显示模块等组成。

（1）直流电源模块。设计主电路时，直流稳压电源是应用最普遍的仪器设备，可以维持电子设备的正常运转。蓄电池放电后，为了快速充电，恢复正常工作能力，只有连接直流电源这一种方法。在系统设计中，充电电路直流稳压电源包括稳压电路、滤波电路、桥式整流电路、电源变压器等组成部分。

（2）按键电路。单片机内的按键以独立按键、矩阵编码键盘为主，独立按键的按键和单片机I/O口均单独连接，技术人员判断电位差别，便可精准识别按键操作。矩阵编码键盘的识别主要利用行列交叉按键编码实现。因为蓄电池充放电控制系统中的按键数量较少，所以按键应用独立按键，编程难度较低[7]。分析系统整体电路之后，单片机P1口连接采集电路，使P1口实现采集控制，无须发送数据，只接收数据即可。

（3）显示模块。显示模块用于数字、图形、专用符号的显示，很多电子产品会用到液晶显示模块，如常见的万用表和计算器。单片机人机交流界面的输出装置主要采用LED数码管、发光管、液晶显示器。其中，液晶显示器的显示质量非常高，能够长时间维持最佳色彩、亮度，满足恒定发光要求，而且中途一般不会发生闪烁现象。设计过程中采用数字式接口，连接单片机系统时便捷性、稳定性更高，而且和传统型号的显示器相比，液晶显示器的重量较轻、体积较小，而且更多地在内部驱动IC、电极等部位发生消耗，极大地减少了功耗，可以降低了蓄电池充放电控制系统的功耗。

3.3 软件设计

在蓄电池充放电控制器的设计中，控制部件主要选择ATmega16单片机，设计时运用C语言。设计的软件程序包括主程序、显示程序、按键采集程序。

（1）主程序。主程序可以直接从显示程序、按键采集程序得到电流与电压等重要数据，从而判断当前工作状态，选择最契合的控制方式，推动对应的子程序运行，并实现不同模式的充电控制。在主程序的设计中，蓄电池的电流、电压等数据一般会接受实时监测。

（2）按键采集程序。按键采集程序主要负责探测开关，判断开关状态，并按照探测所得结果确定蓄电池充放电控制系统的运转状态。对于读线、读取和连接端口的设计，处理相关数据后将其储存于缓存内。读取端口时，要想有效排除键抖动引发的误操作，则要做好延时操作，使程序运行效果达到最佳。

（3）显示程序。因为液晶显示模块为慢显示部件，所以执行各项指令前要予以确认，确认模块标志显示低电平状态，此时发出的指令方可生效；如果显示为其他状态，则意味指令失效。对于字符的显示，一般需要先输入显示字符地址，使模块能够初步确定显示字符所在位置。在液晶模块的初始化设计与处理中，需要提前设置好显示模式，输入指令前需要判断液晶模块状态，检查其是否为“忙碌”状态。

4 结束语

综上所述，单片机技术在蓄电池充放电控制设计中的应用，不仅可以优化蓄电池充放电控制成效，还能够开发更加多元化的蓄电池充放电控制方法，改变原本单一的控制方式，使蓄电池充放电过程控制更加灵活。在单片机技术的支持下，也可以及时发现蓄电池充放电过程的一些缺陷，完善充放电控制系统，延长蓄电池使用寿命，满足当前对于蓄电池充放电控制的经济性、环保性要求。