基于51單片機(jī)的智能快速充電器設(shè)計(jì)
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1．引言
本控制系統(tǒng)是為120w智能快速穩(wěn)壓電源設(shè)計(jì)的。
該快速充電器是為部隊(duì)在野戰(zhàn)條件下工作而研制的，因此要求其具有體積小、重量輕、智能化程度高、操作簡便等優(yōu)點(diǎn)，同時(shí)對電源的可靠性和抗干擾性提出了很高的要求。有穩(wěn)壓供電和充電兩種工作方式。穩(wěn)壓供電時(shí)輸出恒定的24V；處于充電狀態(tài)時(shí)有四種充電方式：常規(guī)充電、快速充電、電池浮沖、電池訓(xùn)練，可以為鎘鎳、氫鎳蓄電池充電。
2． 控制系統(tǒng)總體設(shè)計(jì)要求
根據(jù)實(shí)際情況，本控制系統(tǒng)要完成以下功能：
（1） 能自動(dòng)識(shí)別電池的類型（鎳鎘電池、鎳氫電池、鋰電池）。
?。?） 有穩(wěn)壓供電和充電兩種工作模式。
?。?） 采用最高電壓Vmax、最高溫度Tmax、最長充電時(shí)間tmax、電壓負(fù)增長-△V、溫度變化率△T/△t等快速充電中止法。
?。?） 具有輸入交流過壓保護(hù)、輸出直流過流保護(hù)、過充電保護(hù)等
（5） 通電后能自動(dòng)檢測整個(gè)電源系統(tǒng)，有故障報(bào)警。
?。?） 設(shè)有電池開路、短路、反接保護(hù)。
（7） 具有硬件和軟件相結(jié)合的雙重保護(hù)功能。
?。?） 良好的抗干擾能力。
3． 統(tǒng)硬件電路的設(shè)計(jì)
AT89S52是ATMEL公司研制的通用單片機(jī)。它在AT89S51單片機(jī)的基礎(chǔ)上為P1口定義了第二功能，有六個(gè)外部中斷、三個(gè)定時(shí)／計(jì)數(shù)器，以及四個(gè)全雙工的串行通信口，同時(shí)在指令上與AT89S51兼容，對監(jiān)控系統(tǒng)較為適用。
3.2 基于AT89S52的監(jiān)控系統(tǒng)硬件電路設(shè)計(jì)
按照上述系統(tǒng)設(shè)計(jì)要求，設(shè)計(jì)了如圖1所示的監(jiān)控系統(tǒng)。
圖1 AT89S52監(jiān)控系統(tǒng)框圖
?。?） 微處理器：AT89S52非常適用于控制，他的主要結(jié)構(gòu)和特點(diǎn)在前面已經(jīng)介紹過了，為了滿足外圍接口電路的需要，一般都要在輸出口處接鎖存驅(qū)動(dòng)電路，這里我們采用的是SN74HC573。
?。?） 壓頻變換裝置：將模擬的電壓量轉(zhuǎn)化成頻率值，這是一種A/D轉(zhuǎn)化方式，將輸出電壓U0采樣通過壓頻變換裝置傳給單片機(jī)，壓頻轉(zhuǎn)化裝置我們用的是National Semiconductor的LM331。
?。?） 輸出控制電路：單片機(jī)的輸出控制信號(hào)通過電阻解碼網(wǎng)絡(luò)轉(zhuǎn)化成模擬電壓值，控制電壓和電流比較器的基準(zhǔn)值，實(shí)現(xiàn)對外圍功率電路的控制。
（4） 上電復(fù)位電路：為了防止單片機(jī)的程序飛跑，出現(xiàn)死鎖，我們采用MAXIM公司的MAX813L系統(tǒng)監(jiān)控集成芯片來實(shí)現(xiàn)對單片機(jī)的監(jiān)控，該芯片具有看門狗電路、門限值檢測器、手動(dòng)復(fù)位等功能。
?。?） 輸入控制和數(shù)碼顯示電路：包括按鍵和顯示部分。通過簡單的按鍵選擇，實(shí)現(xiàn)運(yùn)行方式選擇、復(fù)位及故障的顯示。顯示部分采用SN74HC573驅(qū)動(dòng)兩個(gè)8位七段LED顯示；同時(shí)通過發(fā)光二極管和蜂鳴器提示運(yùn)行狀態(tài)。
?。?） 護(hù)告警電路：通過硬件電路實(shí)現(xiàn)保護(hù)，給單片機(jī)中斷管腳發(fā)出脈沖信號(hào)，引發(fā)中斷程序?qū)崿F(xiàn)保護(hù)，并引發(fā)蜂鳴器告警。
下面介紹本系統(tǒng)中的一些關(guān)鍵性電路
3.2.1 恒壓恒流模塊
恒壓恒流電路是整個(gè)智能充電器的關(guān)鍵部分，電路結(jié)構(gòu)見圖2。恒流恒壓電路由SR12單片機(jī)片內(nèi)模擬電路模塊和片外的MOSFET開關(guān)管、肖特基二極管、濾波電感、濾波電容等器件組成。模擬電路模塊是SR12的特有部件，圖3為它的結(jié)構(gòu)框圖。它由輸入多路開關(guān)、兩組溫 度 傳 感器Rsense0.01Ω可程控放大器、片內(nèi)溫度傳感器、電流檢測電路等組成?？沙炭胤糯笃骺偡糯蟊稊?shù)為1～256。放大器的輸入可選擇為兩路模擬輸入腳（ATD0、ATD1）、片內(nèi)溫度傳感器、模擬地輸入（VSSAM）。ATD0和VSSAM間可接一個(gè)電流檢測電阻，用于測量外部電流，它還連接至電流檢測電路，可在電流超過指定值時(shí)產(chǎn)生中斷并輸出信號(hào)。
圖2 恒壓恒流電路
3.2.2 放電模塊
快速充電的硬件電路圖如下所示
圖3 放電器部分電路
快速充電的原理是通過電池兩端不斷的充放電來提高充電效率，從而減少了充電時(shí)間。放電器部分利用電壓比較器，在5腳設(shè)置電壓基準(zhǔn)，6腳通過一個(gè)二極管和電阻同單片機(jī)相連，單片機(jī)接受外部控制指令，通過計(jì)數(shù)器控制TDIS端電平的高低；比較器的輸出應(yīng)用兩個(gè)三極管級(jí)聯(lián)，改善了靜態(tài)工作點(diǎn)。
快速充電時(shí)，AT89S52單片機(jī)必須不斷檢測以下幾項(xiàng)關(guān)鍵技術(shù)指標(biāo)：電路是否出現(xiàn)斷路、電池是否出現(xiàn)不均衡現(xiàn)象、電池是否達(dá)到規(guī)定的安全電壓、電池是否溫度過高、電池是否滿足-△V或△T/△t條件。
壓頻變換器本質(zhì)上是A/D變換器，上圖是由LM331N組成的壓頻變換電路，它將輸出的電壓信號(hào)轉(zhuǎn)變成頻率，接入單片機(jī)的計(jì)數(shù)器接口，通過計(jì)數(shù)器的計(jì)數(shù)計(jì)算出輸出電壓的大小。該型號(hào)壓頻變換器V/F變換公式是：
4． 系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)
圖4 軟件流程圖
主程序流程圖如圖2所示。系統(tǒng)上電復(fù)位后，首先對單片機(jī)、外圍芯片及控制狀態(tài)進(jìn)行初始化；然后設(shè)置輸出控制口的電壓閥值，通過讀取輸出電壓的值來判斷系統(tǒng)是否正常，若正常則進(jìn)入功能設(shè)置模塊，否則轉(zhuǎn)故障處理；進(jìn)入功能控制模塊后，用戶可以通過按鍵設(shè)置系統(tǒng)的工作狀態(tài)，是供電模式還是充電模式。然后按下確定按鈕，系統(tǒng)進(jìn)入相應(yīng)的工作模式。若是供電模式，單片機(jī)將實(shí)時(shí)監(jiān)測各主要參量若發(fā)現(xiàn)故障或過流過壓則轉(zhuǎn)故障處理模塊，沒有的話繼續(xù)監(jiān)測。若是充電模式，插入電池后系統(tǒng)將監(jiān)測是否反接，是則提出告警，否則將進(jìn)入充電狀態(tài)，在此過程中故障檢測的過程和供電模式相同，但充電模塊中有充電中止算法和定時(shí)算法，都是判斷電池是否充滿的算法。
5． 結(jié)束語
以單片機(jī)AT89S52為核心的智能充電器制成后，經(jīng)過半年的調(diào)試和運(yùn)行，各項(xiàng)指標(biāo)基本上達(dá)到了設(shè)計(jì)要求，由于在制作過程中充分利用了各模塊的功能，使該充電器的集成度大大提高，從而減小
了體積，更有利于在野外條件下工作，提高了系統(tǒng)的可靠性。
參考文獻(xiàn)：
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