基于單片機控制的智能充電器的設計與實(shí)現

表1 PWM頻率與分辨率的關(guān)系（fclk=40MHz）

為了保證足夠高的分辨率，保證輸出電壓紋波受PWM分辨率的影響小于輸出濾波電容的影響，本設計選用10位PWM。

同時(shí)，考慮到其它需求，本系統對數字控制器的具體要求主要包括：（1）內置ADC模塊，至少2個(gè)ADC信道，精度在10位以上；（2）至少內置1個(gè)PWM單元，PWM精度在10位以上；（3）至少兩個(gè)定時(shí)器；（4）有中斷優(yōu)先級設置；（5）至少5個(gè)I/O口；（6）價(jià)格低于50元人民幣。

綜合考慮以上因素，選擇microchip公司的PIC18F2620作為數字控制芯片。PIC18F2620的主要性能有：10個(gè)10位的ADC信道；最高外接時(shí)鐘頻率可達到40M：1024字節的數據EEPROM，用于儲存可變數據；可延長(cháng)電池壽命的低功耗強化設計，睡眠模式下耗電僅為100nA等等，其性能滿(mǎn)足系統需要。

4 系統軟件設計

4.1 主程序設計

三階段充電，開(kāi)始時(shí)采用恒流充電，中間為恒壓充電，最后采用浮充充電。該充電法減少了充電出氣量，充電比較徹底，延長(cháng)了蓄電池使用壽命。三階段充電法充電電流和充電電壓變化曲線(xiàn)如圖2所示。

圖2 三階段充電特性圖

根據三階段充電的原理，畫(huà)出系統的主程序流程圖，如圖3所示。(其中Um為蓄電池的最大電壓上限，Ubat為恒壓充電門(mén)限，Ibat為恒流充電門(mén)限，其值一般取蓄電池容量的1/10。)

單片機系統的主程序，主要用于A(yíng)/D采樣初始化、PWM初始化、定時(shí)和中斷系統、定時(shí)器的初值設定，然后一直檢測充電器的電壓與電流，進(jìn)行三階段的自適應充電。

程序中需要注意一下問(wèn)題。

（１）因為需要同時(shí)采樣電壓和電流２個(gè)變量，此時(shí)可根據PIC18F2620的采樣單元特點(diǎn)，可通過(guò)直接改變A/D控制寄存器ADCON0.2~3位進(jìn)行更換通道，其速度快、花費時(shí)間少。

（2）中斷系統是程序的重點(diǎn)部分。由于采樣單元不可能一直工作，這樣既浪費單片機的運算能力又影響其它部分的工作，使系統的工作效率低下。為了使單片機更有效率的工作，系統采用定時(shí)中斷的工作方式：利用TMR0定時(shí)器進(jìn)行定時(shí)，固定一定的時(shí)間后進(jìn)入中斷。目前，市面上的單片機一般都存在中斷優(yōu)先級，比如系統采用的PIC18F2620有2個(gè)優(yōu)先級，可以通過(guò)設置不同的中斷向量進(jìn)行不同優(yōu)先級的操作。對應的高優(yōu)先級中斷服務(wù)子程序，使TMR0復位，并載入相應的初值，進(jìn)入下一次的定時(shí)狀態(tài)。低優(yōu)先級中斷服務(wù)子程序，則是復位A/D模塊使能位，讀取并存儲A/D轉換結果，然后判別相應的電壓、電流采樣值所處的階段，最后經(jīng)過(guò)各個(gè)階段對應的PI調節修改占空比。

圖3 主程序流程圖

4.2 采樣子程序

采樣處理后的電壓、電流信號，不可避免的存在系統所帶來(lái)的噪聲和干擾，為了準確的測量和控制，必須濾除這些噪聲和干擾。除了在硬件電路上進(jìn)行濾波，還可采用軟件濾波或稱(chēng)為數字濾波。常用的數字濾波方法有很多，本系統采用了平均值法：多次采樣后排序，再去掉最大和最小值之后求平均值的方法，提高了采樣精度。

4.3 PI子程序

為了消除積分飽和的影響，本系統采用增量式PI控制算法，并利用遇限削弱的方法。

遇限削弱積分PI算法，實(shí)際上是一旦控制量進(jìn)入飽和區范圍，則停止增大積分項的運算而只執行削弱積分項的運算[5]。PI程序流程圖如圖4所示。