蓄電池充電智能管理器的設(shè)計(jì)

摘要：為了在蓄電池充滿電后能夠自動(dòng)斷電，利用PIC單片機(jī)設(shè)計(jì)了蓄電池充電專用管理器。該管理器具有自我學(xué)習(xí)的功能，智能記憶蓄電池滿充狀態(tài)，能適應(yīng)現(xiàn)有的各種蓄電池充電器，對(duì)蓄電池進(jìn)行智能充電，最大限度地保護(hù)電池，延長(zhǎng)使用壽命。在無(wú)人看管的情況下，蓄電池充滿電后自動(dòng)斷電，有效避免火災(zāi)隱患和電器故障的發(fā)生，也能節(jié)約寶貴的電能。
關(guān)鍵詞：蓄電池充電；自我學(xué)習(xí)；PIC12F675；智能控制；節(jié)能

0 引言
    現(xiàn)有的蓄電池充電器中有很多質(zhì)量低劣的不合格產(chǎn)品，有的劣質(zhì)充電器實(shí)際上就是一個(gè)沒(méi)有安全保證的簡(jiǎn)易變壓器，大部分充電器在蓄電池充滿電后不進(jìn)行智能斷電而長(zhǎng)期處于浮充狀態(tài)，對(duì)電池的壽命會(huì)有一定的影響；現(xiàn)有的充電管理器普遍不具備自我學(xué)習(xí)功能，無(wú)法判斷電池的充電狀態(tài)，不能在蓄電池已充滿電的情況下智能的切斷電源。本文設(shè)計(jì)一種蓄電池充電專用管理器，能適應(yīng)現(xiàn)有的各種蓄電池充電器，具有自我學(xué)習(xí)的功能，智能記憶蓄電池滿充狀態(tài)，對(duì)蓄電池進(jìn)行智能充電，最大限度地保護(hù)電池，延長(zhǎng)使用壽命。

1 硬件電路組成及工作原理
1．1 系統(tǒng)硬件結(jié)構(gòu)
    智能充電管理器系統(tǒng)硬件結(jié)構(gòu)如圖1所示，本文設(shè)計(jì)的電路包括充電電流檢測(cè)電路，以單片機(jī)PIC12F675為核心的智能控制電路，繼電器驅(qū)動(dòng)電路和為各電路提供工作電源的開(kāi)關(guān)電源電路。

1．2 PIC12F675單片機(jī)
    PIC12F675單片機(jī)是PIC12系列單片機(jī)，采用RISC型CPU內(nèi)核，僅需學(xué)習(xí)35條指令，除了跳轉(zhuǎn)指令以外所有指令都是單周期的，由于采用哈佛總線結(jié)構(gòu)，以及指令的讀取和執(zhí)行采用流水作業(yè)方式，使得PIC單片機(jī)的運(yùn)行速度大大提高；PIC單片機(jī)是最節(jié)省程序存儲(chǔ)器空間的單片機(jī)，驅(qū)動(dòng)能力強(qiáng)，PIC單片機(jī)每個(gè)I／O口的吸人和輸出電流最大值可達(dá)25 mA。PIC系列單片機(jī)集成了上電復(fù)位電路、I／O引腳上拉電路、看門(mén)狗定時(shí)器等，可以最大程度的減少或免用外接器件，以便實(shí)現(xiàn)“純單片”應(yīng)用。本文中PIC12F675單片機(jī)負(fù)責(zé)對(duì)系統(tǒng)的工作進(jìn)行實(shí)施調(diào)度，實(shí)現(xiàn)外部輸入?yún)?shù)的設(shè)置、蓄電池及負(fù)載的管理、工作狀態(tài)的指示等。
1．3 充電電流檢測(cè)電路
    充電電流檢測(cè)電路如圖2所示。電流互感器T2初級(jí)的兩個(gè)輸入端串接在蓄電池充電電路的交流電壓一個(gè)輸入端，次級(jí)與取樣電壓電阻R2并聯(lián)，電阻R2將感應(yīng)的交流充電電流轉(zhuǎn)換成交流電壓，并連接到運(yùn)算放大器LM358A的反相端2腳，運(yùn)算放大器LM358A的1腳輸出放大的交流電壓信號(hào)經(jīng)整流二極管D2輸出至單片機(jī)中進(jìn)行A／D采樣，在整流二極管D2的輸出端連接電解電容C6進(jìn)行濾波。運(yùn)算放大器LM358A被接成反相放大器，反相放大器增益K在這里僅由R1和R3的取值決定：K=R3／R1，當(dāng)蓄電池開(kāi)始充電時(shí)，感應(yīng)的交流電流信號(hào)經(jīng)R2轉(zhuǎn)換為交流電壓信號(hào)后輸入LM358A進(jìn)行放大，放大后的交流電壓信號(hào)，通過(guò)二極管D2整流，C6濾波將交流電壓信號(hào)平均為直流電平信號(hào)，連接單片機(jī)PIC12F675的GP2端采樣端口部分。

1．4 單片機(jī)智能控制電路
    單片機(jī)智能控制部分電路如圖3所示，單片機(jī)PIC12F675的VCC端連接在開(kāi)關(guān)電源電路的輸出端，單片機(jī)PIC12F675的GP2端為蓄電池充電直流電平信號(hào)采樣輸入端，該單片機(jī)使用內(nèi)置的4 NHz晶振，R5，C7串聯(lián)接單片機(jī)GP3的上電復(fù)位端口，LED為充電狀態(tài)指示燈，當(dāng)處于充電狀態(tài)時(shí)指示燈亮，處于過(guò)充時(shí)指示燈熄滅；S2為學(xué)習(xí)采樣按鈕，主要用于將充滿電狀態(tài)的充電電流對(duì)應(yīng)的直流電平存儲(chǔ)到單片機(jī)的E2PROM，作為判斷蓄電池是否過(guò)充的依據(jù)；C8為單片機(jī)電源的高頻濾波電容，單片機(jī)PIC12F675的GP1輸出端通過(guò)限流電阻接繼電器驅(qū)動(dòng)輸入端口。

1．5 繼電器驅(qū)動(dòng)電路
    繼電器驅(qū)動(dòng)電路如圖4所示。繼電器K1的線圈一端接5 V開(kāi)關(guān)電源的輸出端，另一端與三極管Q1的集電極連接，三極管Q1的基極通過(guò)電阻R9與單片機(jī)PIC12F675的繼電器驅(qū)動(dòng)輸出端連接，三極管Q1的發(fā)射極接地，繼電器K1的常閉觸點(diǎn)串接在交流電壓的一個(gè)輸入端，另一個(gè)輸入端與電流互感器T2初級(jí)連接。繼電器K1線圈的兩端并聯(lián)整流二極管D1，在晶體管Q1截止后為繼電K1的線圈中的電流提供一條回路，從而避免線圈產(chǎn)生過(guò)大的感應(yīng)電勢(shì)損壞三極管。

1．6 開(kāi)關(guān)電源電路
    為了提高電能利用率，保證電路工作的穩(wěn)定性、可靠性，最大限度的減少由電源波動(dòng)帶來(lái)的誤操作，本設(shè)計(jì)中采用以TOP221單片開(kāi)關(guān)電源為核心的開(kāi)關(guān)電源電路。
    如圖5所示，交流電AC由兩個(gè)AC接點(diǎn)Net1，Net2輸入，經(jīng)C2和T4組成的EMI濾波器抑制電磁噪聲，進(jìn)入整流電路D4。整流后的脈動(dòng)直流電經(jīng)C1濾波，提供給TOP221開(kāi)關(guān)調(diào)制電路。

    高頻變壓器T1的次極繞組有兩個(gè)，一個(gè)是主繞組，它提供電源的主能量，高頻電壓經(jīng)肖特基二極管D6整流后由濾波電容C9，C10濾波，再經(jīng)電感L1組成低通濾波器向負(fù)載輸出。L1主要是抑制高頻噪聲向負(fù)載輸出，以防止負(fù)載受其干擾。輸出端的電解電容C13是為了降低輸出的交流紋波系數(shù)而加的，它主要是降低輸出直流電壓的交流紋波。另一個(gè)次級(jí)繞組組成反饋電壓繞組，由二極管D7整流后加在光敏管U3兩端，輸出的反饋電壓加在光耦內(nèi)的二極管正極上，電阻R13和高精度可調(diào)穩(wěn)壓管U4組成基準(zhǔn)電壓源，為光耦提供基準(zhǔn)電壓，這樣光耦中的二極管的發(fā)光強(qiáng)度是由輸出電壓控制的，經(jīng)光耦耦合到T1的控制端，從而實(shí)現(xiàn)脈寬的可控，達(dá)到穩(wěn)壓目的，為后續(xù)電路提供穩(wěn)定低電壓工作電源。
    該電源的輸入電壓范圍可達(dá)85～265 V AC，輸出電壓為5 V，可提供0．8 A的電流輸出。負(fù)載調(diào)整率為±1％，電源效率約為70％，輸出紋波電壓小于50 mV。

2 軟件設(shè)計(jì)
2．1 滿充狀態(tài)參數(shù)采樣和存儲(chǔ)
   首次使用該充電管理器應(yīng)預(yù)先將蓄電池充滿電，然后將蓄電池通過(guò)充電器接入充電管理器，按下學(xué)習(xí)采樣按鈕S2，將充滿電狀態(tài)的蓄電池充電電流的轉(zhuǎn)換電平存儲(chǔ)到單片機(jī)的E2PROM，作為判斷蓄電池是否充滿的依據(jù)。如圖6所示。

2．2 正常使用時(shí)的運(yùn)行程序
    在正常使用時(shí)，經(jīng)插孔連接各種蓄電池充電器，單片機(jī)不斷的進(jìn)行采樣，當(dāng)采樣到蓄電池充電電流高于單片機(jī)的E2PROM存儲(chǔ)值時(shí)，單片機(jī)PIC12F675的GP2輸出低電平經(jīng)電阻R9到三極管Q1的基極，三極管Q1截止，集電極上繼電器K1的線圈不得電，其常閉觸點(diǎn)保持閉合，保持管理器電源繼續(xù)充電。反之，當(dāng)采樣到蓄電池充電電流的直流電平等于或低于滿充狀態(tài)時(shí)的直流電平時(shí)，單片機(jī)PIC12F675的GP2輸出高電平，三極管Q1導(dǎo)通，繼電器線圈得電，其常開(kāi)觸點(diǎn)閉合，自動(dòng)斷開(kāi)蓄電池充電電源。軟件框圖如圖7所示。

3 結(jié)語(yǔ)
    以PIC12F675為控制器的蓄電池充電管理器利用電池的充電電流作為輸入，通過(guò)使用自學(xué)習(xí)功能將蓄電池滿充狀態(tài)充電電流的轉(zhuǎn)換電平存儲(chǔ)到單片機(jī)的E2PROM中，作為判斷蓄電池是否過(guò)充的依據(jù)。在蓄電池充滿電后浮充一段時(shí)間，智能的切斷蓄電池充電電源，能夠保證電池的充足率并且保證不會(huì)過(guò)充。整個(gè)充電管理器體積小，結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，成本低，并且具有良好的抗浪涌和防沖擊功能。通過(guò)某電子企業(yè)對(duì)該產(chǎn)品的生產(chǎn)和推廣，證明該充電管理器工作安全、穩(wěn)定，對(duì)蓄電池充電不僅能夠保證較高的充足率，而且可以延長(zhǎng)電池的使用壽命，具有非常高的實(shí)用價(jià)值和推廣價(jià)值。