基于單片機(jī)的智能充電器的設(shè)計(jì)

1 蓄電池的特點(diǎn)

目前常用的四種化學(xué)電池是鉛酸電池（PbSO4）、鋰離子電池（Li＋）、鎳鉻電池（NiCd）和鎳氫電池（NiMH）。由于環(huán)保問題和對電池的要求越來越高等綜合因素，推動了新電池技術(shù)的發(fā)展。

1．1 鎳鉻電池和鎳氫電池

鎳鉻電池的容量比鎳氫電池或鋰離子電池低，具有低阻抗特性，對于需要短時(shí)間大電流的應(yīng)用場合很具吸引力。但鎳鉻電池如果未經(jīng)充分放電又進(jìn)行充電，或者長時(shí)間處于小電流放電狀態(tài)，就會產(chǎn)生枝狀晶體，引起“記憶效應(yīng)”，從而導(dǎo)致電池內(nèi)阻變大，容量變小，縮短了電池壽命。如果在充電前進(jìn)行完全放電，使每節(jié)電池的電壓降到1．0V左右，就能消除引起“記憶效應(yīng)”的枝狀晶體，恢復(fù)電池的性能。鎳氫電池具有較高的容量，但其自放電率也較高，約為鎳鉻電池的二倍。在初始階段其放電率尤高（每天放掉1％）。所以鎳氫電池不宜用于需要長時(shí)間保持電池容量的場合。就充電方式而言，兩種電池非常相似，都是以恒流的方式進(jìn)行充電，可采用快速、標(biāo)準(zhǔn)或者涓流的方式進(jìn)行充電。它們都能以超過2C（C為電池容量，單位為安培）的速率進(jìn)行充電（但一般采用C／2速率）。由于存在內(nèi)部損耗，充電效率一般小于100％，所以，在采用C／2的速率充電時(shí)，通常需要兩個多小時(shí)才能把電池充滿。充電過程中的損耗隨著充電速率和電池的不同而不同。在恒流充電時(shí)，電池電壓會緩慢達(dá)到峰值（ΔV／Δt變?yōu)?），鎳氫電池需在這個峰值點(diǎn)終止快速充電，鎳鉻電池的充電須在峰值點(diǎn)后當(dāng)電池電壓開始下降時(shí)（ΔV／Δt變?yōu)樨?fù)）即終止快速充電，否則會導(dǎo)致電池內(nèi)壓力和溫度上升而損壞電池。當(dāng)充電速率大于C／2時(shí)，則要監(jiān)測電池的電壓和溫度，因?yàn)楫?dāng)電池快充滿時(shí)，電池的溫度會急劇上升。對于鎳鉻電池和鎳氫電池，還可以采用比較簡便的涓流充電，這時(shí)只會造成極小的溫升，不會損壞電池，也就無需終止涓流充電或者監(jiān)測電池的電壓。允許的最大涓流隨著電池類型和環(huán)境溫度的不同而不同，典型條件下C／15較為安全。

1．2 鋰離子電池

過去幾年中，電池技術(shù)領(lǐng)域最突出的創(chuàng)新就是鋰離子電池。相對于鎳基電池而言，鋰離子電池具有更高的容量。從容量／體積比來衡量，鋰離子電池比鎳氫電池高出10％～30％，從容量／質(zhì)量比來看，鋰離子電池比鎳氫電池高出近兩倍。但鋰離子電池對于過充電和欠充電很敏感。要達(dá)到最大容量就必須充電到最高電壓，而過高的電壓和過大的充電或放電電流又會造成電池的永久性損壞。如果多次放電至過低的電壓則會造成容量損失，所以，充電和放電時(shí)都須限制其電壓和電流，以保護(hù)電池不受損壞。鋰離子電池的充電方式不同于鎳基材料的化學(xué)電池，充電時(shí)需用一個電壓—電流源來進(jìn)行充電。為了獲得最大的充電量而又不損壞電池，須使電壓保持在1％的精度內(nèi)?？焖俪潆婇_始時(shí)，電池的電壓比較低，充電電流即為電流極限。隨著充電的進(jìn)行，電池電壓緩慢上升，最終當(dāng)每節(jié)電池達(dá)到浮空電壓 4．2V時(shí)，此時(shí)即可終止充電。

2　總體設(shè)計(jì)

2．1 充電器芯片MAX846A

MAX846A是一種16腳QSOP封裝的通用型充電控制芯片，可以單獨(dú)構(gòu)成鋰離子電池充電器，也可以在單片機(jī)的控制下對鋰離子電池和鎳基電池進(jìn)行充電。圖1為其QSOP封裝的管腳圖。圖中，1腳DCIN和4腳GND及15腳PGND分別為電源和地端。2腳VL端可提供3．3V，1％的電壓基準(zhǔn)。3腳CCI和5腳CCV分別為電流和電壓調(diào)節(jié)回路補(bǔ)償端。7腳ISET和6腳VSET分別為充電電流和電壓回路設(shè)定端。8腳OFFV為電壓調(diào)節(jié)回路控制端，對于鎳基電池置為高電平。當(dāng)VL端電壓低于3V時(shí)，9腳PWROK輸出低電平，可給MCU提供復(fù)位信號。10腳CELL2為鋰離子電池選擇端，低電平時(shí)為一節(jié)，高電平時(shí)為兩節(jié)。11腳ON為充電控制端，低電平時(shí)停止充電。12腳BATT端接電池正極。13腳CS＋和14腳CS－為內(nèi)部電流檢測放大器輸入端。16腳DRV為外部調(diào)節(jié)晶體管驅(qū)動端。

2．2 硬件設(shè)計(jì)

充電器硬件結(jié)構(gòu)圖如圖2所示。整個系統(tǒng)以MCU為核心構(gòu)成，包括電源電路、調(diào)節(jié)電路、充電與放電電路、鍵盤與顯示電路及報(bào)警電路等環(huán)節(jié)。
 

MCU選用AT89C51，片內(nèi)帶4K的EEPROM，這樣就無需擴(kuò)展程序存儲器，簡化了電路設(shè)計(jì)。電源回路中，220V的交流電經(jīng)變壓器降為 12V，經(jīng)過整流濾波變?yōu)?4V左右，作為MAX846A的充電電源，另外經(jīng)7805穩(wěn)壓后作為其他電路單元的工作電源。調(diào)節(jié)電路主要由A／D和D／A構(gòu)成，用于檢測電池的電壓和溫度及設(shè)置電池的浮空電壓和充電電流。充電電路以MAX846A為中心，完成充電過程。充電過程的啟停及充電方式的選擇由單片機(jī)對MAX846A進(jìn)行控制來實(shí)現(xiàn)。放電電路用以消除鎳鉻電池的“記憶效應(yīng)”。報(bào)警電路在系統(tǒng)工作時(shí)給出必要的聲音提示。鍵盤和顯示電路用于設(shè)置和顯示相關(guān)的參數(shù)。

2．3 充電器的功能設(shè)計(jì)
　　系統(tǒng)工作時(shí)通過鍵盤選擇電池類型和充電方式，并由一位數(shù)碼管顯示。具體方式如下所示：
    （1）鎳鉻電池全電流快速充電方式
    （2）鎳鉻電池標(biāo)準(zhǔn)充電方式
    （3）鎳氫電池全電流快速充電方式
    （4）鎳氫電池標(biāo)準(zhǔn)充電方式
    （5）鋰離子電池快速充電方式
    （6）鋰離子電池標(biāo)準(zhǔn)充電方式

系統(tǒng)啟動時(shí)先進(jìn)行初始化，隨后檢查電池是否開路。如開路則LED顯示0并蜂鳴提示，如正常則按照設(shè)置的充電方式進(jìn)行充電。在對鎳鉻電池充電時(shí)，首先檢測電池是否已充分放電，如單節(jié)電池電壓在1．0V以上，則先進(jìn)行完全放電以消除其“記憶效應(yīng)”。對于鎳基電池，無論采用哪一種充電方式，在充電結(jié)束后自動進(jìn)入涓流充電方式，以補(bǔ)償電池的自放電。鋰離子電池的自放電率最低，所以無需涓流充電。在快速充電時(shí)，鎳鉻電池采用負(fù)斜率終止充電（ΔV／Δt小于0），鎳氫電池采用零斜率終止充電（ΔV／Δt等于0），鋰離子電池采用頂端截止。另外，在快速充電時(shí)，如電池電壓或者溫度超限以及充電時(shí)間超過三小時(shí)，系統(tǒng)都將停止充電并蜂鳴提示。充電結(jié)束時(shí)數(shù)碼管顯示P并蜂鳴提示。出于對電池壽命的考慮，在多次快充后，建議采用標(biāo)準(zhǔn)方式充電一次。

2．4 軟件設(shè)計(jì)

系統(tǒng)的軟件設(shè)計(jì)采用模塊式結(jié)構(gòu)，主要由初始化程序、充電方式設(shè)置模塊、預(yù)處理模塊、A／D轉(zhuǎn)換模塊、D／A轉(zhuǎn)換模塊、定時(shí)模塊和顯示模塊等部分組成。其中，充電方式設(shè)置模塊用于設(shè)置電池類型和充電方式；A／D轉(zhuǎn)換模塊用于檢測電池的電壓和溫度，以確定是否終止充電過程；D／A轉(zhuǎn)換模塊用于設(shè)置充電電流和電壓；定時(shí)模塊用于確定零斜率或負(fù)斜率檢測的頻度以及快充的時(shí)間監(jiān)測，斜率檢測為每分鐘一次，快充的時(shí)間限為三小時(shí)。系統(tǒng)程序的流程圖如圖3所示。

3　結(jié)束語

采用單片機(jī)和充電集成電路進(jìn)行充電器的設(shè)計(jì)，不但能夠?qū)崿F(xiàn)對一般的蓄電池進(jìn)行充電，而且還能夠?qū)崿F(xiàn)相應(yīng)的過壓和溫度保護(hù)，從而可以充分發(fā)揮蓄電池的性能，延長電池的使用壽命，并避免簡易充電器在充電時(shí)可能對電池造成損害的情況發(fā)生，具有一定的智能功能，符合目前的環(huán)境保護(hù)潮流。

參考文獻(xiàn)：
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