一款基于A(yíng)Tmega128的智能充電方案

摘要：為了提高現在電池用用的壽命，本設計采用以ATmega128為控制核心，輔以其他電路單元，設計了一種智能充電系統。該系統對實(shí)驗用12 V/12ah鉛酸蓄電池進(jìn)行智能充電，并與普通充電方式進(jìn)行對比，具有提高充電效率從而延長(cháng)電池使用壽命的特點(diǎn)。

關(guān)鍵詞：ATmega128;蓄電池;智能充電;PWM

隨著(zhù)經(jīng)濟和科技的發(fā)展，越來(lái)越多的便攜小型化家用電器被我們用于日常生活中，伴隨這些電器到來(lái)的電池也被越來(lái)越廣泛的應用。目前，使用較多的電池種類(lèi)有鉛酸、鋰離子、鎳鎘蓄電池，它們的容量以及電壓等級不盡相同，因而，如何延長(cháng)蓄電池的壽命成為現在電池科技領(lǐng)域的焦點(diǎn)。

鉛酸蓄電池作為一種可靠的后備式電源，其應用價(jià)值與日俱增，人們對它的維護工作也越來(lái)越受重視。據資料分析，充電和放電是電池維護、保養中的主要工作。影響鉛酸電池的壽命的因素很多，最主要的就是充電方法不當，充電技術(shù)不能適應鉛蓄電池的特殊需求，造成電池很難達到規定的循環(huán)壽命。針對這種情況，設計了一種采用AVR單片機為控制核心的智能充電系統，它不僅能夠根據數據采集信息選擇合

適的充電方式，而且能夠實(shí)現整個(gè)充電過(guò)程的自動(dòng)精確控制和故障診斷，延長(cháng)電池的使用壽命。

1 智能充電系統整體設計

智能充電系統CPU選用ATMEL的ATmega128，它是一款基于A(yíng)VR內核，采用RISC結構，低功耗COMS的8位單片機。主要具有以下特點(diǎn)：128 kB的可在系統編程/應用編程，Flash程序存儲器，4 kB EEPROM，4 kB SRAM;32個(gè)通用工作寄存器，53個(gè)通用I/O口;實(shí)時(shí)時(shí)鐘計數器，4個(gè)具有比較模式靈活的定時(shí)器/計數器;2個(gè)可編程串行USART接口，8通道10位A/D轉換;可編程帶內部振蕩器的看門(mén)狗定時(shí)器，一個(gè)SPI接口，一個(gè)兼容IEEE 1149.1標準的JTAG接口，6種可通過(guò)軟件選擇的節電模式。

智能充電系統的總框圖如圖1所示，它包括以下幾個(gè)模塊：充電電路單元，控制單元，電量參數采集單元和人機交互單元。

1.1 充電電路單元設計

開(kāi)關(guān)電源是充電電路中的重要組成部分，主要用于對各個(gè)模塊部分供電和對鉛酸電池提供充電電壓和充電電流，通過(guò)PWM方式進(jìn)行精確調壓控制。經(jīng)過(guò)濾波后的市電作為開(kāi)關(guān)電源的輸入，單片機根據數據采集模塊檢測到的電池電壓、電流和溫度參數，通過(guò)ATmega128的16位定時(shí)器/計數器在PWM模式下產(chǎn)生PWM控制信號，從而對開(kāi)關(guān)電源實(shí)現了精確的充電功率控制。

為了提高充電速度和效率又不影響蓄電池的壽命，必須使充電電流接近蓄電池可接受的電流。蓄電池可接受的充電電流可用指數函數表示為：

I=I0e-α (1)

式中：I0表示充電初始電流;α表示充電接受比，它決定了充電過(guò)程中蓄電池可接受電流衰減的速度，值越大，表明蓄電池可接受得電流下降得就越快。

整個(gè)充電過(guò)程按照充電曲線(xiàn)劃分的4個(gè)階段進(jìn)行，對于這4個(gè)階段，A、B、C 3個(gè)階段做到恒流控制，D階段做到恒壓控制。恒壓和恒流控制都是通過(guò)PWM脈寬調制方式來(lái)實(shí)現。

1.2 電量參數采集單元

系統的電量參數采集單元主要有電壓、電流和電池溫度檢測電路組成，采樣反饋的數據經(jīng)過(guò)單片機處理，若超出最大閥值，由單片機發(fā)出指令調整下一階段充電電流或者結束當前充電過(guò)程。

電壓采樣電路設計如圖2所示，C端接鉛酸蓄電池正極，U1、U2、U3分別表示采樣的電壓值，由于鉛酸蓄電池的端電壓較高，因此采用了分壓電路對電池端電壓分壓。該電路采用了3個(gè)相同的分壓電路并聯(lián)的形式，目的是減小單個(gè)電路由電阻值差異或變化引起的采樣誤差，最后將3個(gè)單獨的分壓電路所采樣的電壓值送入單片機并取平均值后在與設置的電壓值進(jìn)行比較，該方法減小了電壓采樣過(guò)程因采樣電阻所帶來(lái)的誤差，因而提高了電壓采集精度。

電流檢測同樣采用在充電回路中串聯(lián)采樣電阻的方法。系統用0.5 Ω/5 W的取樣電阻通過(guò)運算放大器，再將放大后的信號送到單片機的A/D通道進(jìn)行模數轉換，從而完成對充放電電流檢測。

溫度檢測是通過(guò)熱敏電阻實(shí)現的，熱敏電阻的端電壓信號通過(guò)單片機的A/D通道，將模擬信號轉化為數字信號交給單片機處理，根據熱敏電阻電壓與溫度關(guān)系曲線(xiàn)，得到電池的溫度參數。

1.3 人機交互接口單元

在監控系統中，為方查詢(xún)已經(jīng)采集到的數據以及檢查電池充電的狀態(tài)，可通過(guò)鍵盤(pán)對終端設備內部的參數、功能等進(jìn)行設置，配合LCD顯示，體現了人機交互的友好性。

1.3.1 LCD顯示及報警單元

在充電電路設計中，電池的充電狀態(tài)以及充電曲線(xiàn)的顯示非常重要。因此，本系統采用ST7920的LCD12864型號，它與ATmega128的接口電路如圖3所示。該設計采用串口方式連接，ST7920的RS、R/W和E分別與ATmega128的PB0、PB3和PB1連接，單片機對顯示屏進(jìn)行初始化、設置和顯示燈操作。

報警裝置由一個(gè)三級管放大電路和蜂鳴器組成。當有故障或需要報警時(shí)，單片機的I/O口直接控制三級管導通工作，驅動(dòng)蜂鳴器鳴叫，同時(shí)與單片機I/O口經(jīng)分壓電阻相接的LED發(fā)光，實(shí)現聲光報警功能。同時(shí)這些信息將通過(guò)RS232串口傳到上位機上進(jìn)行保存顯示。

1.3.2 鍵盤(pán)

系統采用5鍵式操作鍵盤(pán)，分別對應的按鍵為：OK、MENU、UP、DOWN和ESC。采用5個(gè)I/O口對應著(zhù)5個(gè)按鍵，單片機只要直接檢測5個(gè)I/O口的變化，即可完成對時(shí)、最大閥值設定、信息查詢(xún)和復位等功能。

2 軟件設計

本實(shí)驗采用12 V/12 ah的鉛酸電池，系統軟件主流程如圖4，包括初始化函數、電池檢測函數、預充電子程序、脈沖充電子程序和浮充充電子程序。各函數的調用機制為：1)單片機上電后，初始化寄存器;2)函數調用檢測電池子程序，3次結果比較無(wú)誤，完成檢測;3)根據電池電壓、溫度條件，決定采用預充電還是脈沖充電;4)最后進(jìn)入浮充充電階段，直至電池充滿(mǎn)，退出程序。