基于ATmega16單片機的智能快速充電機設(shè)計與實現(xiàn)

蓄電池的使用已長達一百多年，電池性能的好壞直接影響到電子產(chǎn)品的使用壽命和安全，而充電機的性能好壞又直接影響到電池的性能。傳統(tǒng)的充電機大多由于工頻變壓器及整流電路(可控硅調(diào)相)組成，雖然線路極為簡單，但有許多不容忽視的缺點：笨重、可靠性差、充電效率低、充電期間必須人工值守、不斷調(diào)整充電電流等。而本文設(shè)計的智能快速充電機，按照蓄電池充電特性曲線進行充電，具有充電快、還原效率高、無過充電危險、自動結(jié)束充電等功能，解決了上述問題，提高了充電的質(zhì)量和效率。

1、充電方式及系統(tǒng)結(jié)構(gòu)

國內(nèi)外蓄電池的充電方法主要有恒流、恒壓、恒壓限流、脈沖充電、Relfex充電法。本系統(tǒng)以高頻芯片SG3525AN為核心，產(chǎn)生9kHz左右的PWM脈沖，采用的是三階段充電法。所謂三階段充電法，具體是指恒流充電階段、恒壓充電階段、涓流充電階段(又叫浮充階段)。

1.1、三階段充電法

(1)恒流充電階段。

在恒流充電階段，充電電流保持不變，但輸出電壓在變。電路根據(jù)充電電流的情況自動調(diào)節(jié)輸出電壓，使電流保持在恒定的階段。一方面表現(xiàn)在，當電流增大時，電路自動降低輸出電壓，使電流減小，保持恒定;另一方面，隨著蓄電池電量的增多，其兩端電壓會不斷上升，為了防止充電電流變小，開關(guān)電源的輸出端電壓必須隨著充電過程而逐漸上升。此階段的電流較大。

充電電流的值根據(jù)以下公式確定：

充電電流(A)=蓄電池容量(Ah)&mes;1.2(效率)&mes;8(h)

式中：1.2效率是一個定值;8h是指標準規(guī)定的充電時間。

(2)恒壓充電階段。

恒壓充電階段是指當蓄電池的電壓升高到設(shè)定的恒壓值時，開關(guān)電源的輸出電壓保持不變，而充電電流則根據(jù)蓄電池的充電情況減小。

充電電壓值的計算公式如下：

恒壓充電電壓(V)=蓄電池單格電壓(V)&mes;蓄電池的格數(shù)(個)

(3)涓流充電階段。

涓流充電階段是指當蓄電池基本充滿時，電路根據(jù)檢測到的充電電流會自動減小開關(guān)電源的輸出電壓，此時輸出電壓穩(wěn)定，電流持續(xù)減小，約2h后充電結(jié)束。

三階段充電的曲線如圖1所示。

圖1 三階段充電曲線圖

1.2、智能充電機的系統(tǒng)結(jié)構(gòu)

本系統(tǒng)的輸出電壓范圍為5~20V，輸出電流范圍為0~25A。充電機由主電路、控制電路、過壓過流保護電路、驅(qū)動電路和單片機接口電路組成。系統(tǒng)框圖如圖2所示。

圖2 智能快速充電機的系統(tǒng)框圖

電網(wǎng)220V單相交流電輸入，經(jīng)EMI濾波，再經(jīng)過整流橋全橋整流和濾波，供給半橋式逆變電路進行逆變，得到高頻交流脈沖電壓，再經(jīng)過全波整流電路整流、LC濾波電路濾波，最后得到一個穩(wěn)定的直流電壓和電流輸出到負載。單片機通過采樣電路實時采集輸出端的電壓和電流，經(jīng)單片機內(nèi)部程序計算再決定下一階段的充電電壓和電流，然后送出相應(yīng)控制信號給脈寬調(diào)制器SG3525AN。SG3525AN經(jīng)過內(nèi)部的比較電路比較后，送出脈寬可以改變的PWM調(diào)制信號，驅(qū)動半橋DC-DC隔離變換器的開關(guān)MOSFET管工作，從而達到調(diào)節(jié)和穩(wěn)定輸出端的充電電壓和電流的目的。

另外，當電流、電壓、溫度等出現(xiàn)異常時，蜂鳴器提示模塊能以聲的形式進行相應(yīng)故障提示。

1.3、核心驅(qū)動電路的設(shè)計

核心驅(qū)動電路采用的是集成芯片SG3525AN，它是一種性能優(yōu)良、功能齊全和通用性強的單片集成PWM控制芯片，占空比0~50%可調(diào)，輸出驅(qū)動以推拉形式輸出，增加了驅(qū)動能力，驅(qū)動電流最大值可達200mA，灌拉電流峰值可達500mA，工作頻率高達400kHz。

SG3525AN是定頻PWM芯片，采用16引腳標準DIP封裝，其各引腳功能如圖3所示，驅(qū)動電路如圖4所示。

圖3 SG3525AN各引腳功能

圖4 SG3525AN驅(qū)動電路

15腳正常供電以后，其內(nèi)部建立起恒壓源和恒流源。2腳接基準電壓，1腳為輸出電壓取樣端，當1腳電壓升高時，經(jīng)誤差放大器9腳電壓下降;反之，9腳電壓上升。通過5、6腳外接定時元件，以及7腳放電端，使5腳產(chǎn)生鋸齒波信號，加于內(nèi)部比較器的輸入端。當誤差放大器端9腳電壓上升時，比較器輸出的脈沖寬度變窄，11腳和14腳輸出的脈沖寬度反而變寬。當9腳電壓下降時，情況相反，從而實現(xiàn)輸出脈寬調(diào)制。

振蕩器腳5須外接電容CT，腳6須外接電阻RT，7腳須外接阻值小于100Ω的電阻RD，用來調(diào)節(jié)死區(qū)時間。振蕩器頻率f由外接電阻RT、電容CT和電阻RD決定，公式如下：

2、系統(tǒng)軟件設(shè)計

2.1、數(shù)字部分原理圖設(shè)計

單片機控制模塊主要采用Atmega16芯片進行各種采集、控制和顯示。Atmega16芯片內(nèi)核具有豐富的指令集和32個通用工作寄存器。它有16K字節(jié)的系統(tǒng)內(nèi)部可編程Flash，512字節(jié)EEPROM，1K字節(jié)SRAM。內(nèi)部具有8路10位ADC，8個單端通道，2個具有可編程增益的差分通道。

單片機接口電路如圖5所示。

圖5 單片機接口電路原理圖

電流采樣電路如圖6所示。通過取主電路的一個微弱電流，經(jīng)過運放LM324放大送給單片機進行處理。ATmega16的PA3腳通過內(nèi)部寄存器配置成了A/D轉(zhuǎn)換輸入端，將采樣到的電流值顯示到液晶上，并經(jīng)過單片機的運算分析來決定主電路的下一步動作，從而達到穩(wěn)定充電電流和輸出電流的目的。

圖7 電壓采樣電路

電壓采樣如圖7所示，電壓采樣直接從蓄電池的正端采集，經(jīng)過圖中的運放送入ATmega16。PA7通過內(nèi)部寄存器設(shè)置成A/D轉(zhuǎn)換輸入端，采樣到的電壓值經(jīng)過單片機的運算分析，為主電路的下一步動作提供依據(jù)，從而達到穩(wěn)定充電電壓和輸出電壓的目的。

2.2、智能快速充電機的軟件設(shè)計流程

本充電機軟件設(shè)計流程如圖8所示。

圖8 充電機軟件流程圖

3、結(jié)束語

系統(tǒng)測試表明，本充電機在對蓄電池充電時，具有良好的充電效果，充電實現(xiàn)了智能化，不需要人工值守，液晶顯示充電正常，各項指標都達到了設(shè)計的要求，大大提高了充電的效率和蓄電池的使用壽命。