基于A(yíng)VR微控制器的蓄電池充放電控制器

摘要：針對539CH-1型Ni-Cd電池，提出一種基于AVR微控制器的蓄電池充、放電控制器。該控制器以Mega16L為核心，根據上位機的命令控制蓄電池的充、放電電流值以及放電電阻的接入時(shí)機。

關(guān)鍵詞：蓄電池；AVR微控制器；TLV5638；電源控制

引言

　　蓄電池是飛行器電源系統中重要的組成部分，蓄電池的性能直接影響飛行器的安全。因此，正確維護、保養蓄電池就成為一項十分重要的工作。539CH-1型Ni-Cd蓄電池是法國SAFT公司生產(chǎn)的堿性蓄電池，該電池包含20個(gè)單體電池，額定電壓24V，額定容量53Ah。波音737客機即采用該型蓄電池。

　　充電和放電是該電池維護、保養中的主要工作。由于該電池為Ni-Cd蓄電池，為了避免記憶效應影響電池容量，充電前需要對電池進(jìn)行放電。該電池的放電規范要求測量單體電池電壓，并記錄單體電池電壓下降到1V時(shí)的放電時(shí)間，然后在單體電池兩極間接入放電電阻。該電池的充電規范要求使用分階段定電流充電法。充電過(guò)程中要檢測電池的端電壓和充電電流，充電后期要測量單體電池的電壓，并對電壓較低的電池做相應處理。

　　本設計采用AVR單片機Mega16L作為核心，可同時(shí)控制兩塊539CH-1型蓄電池的充、放電過(guò)程。Mega16L通過(guò)串行總線(xiàn)接收上位機的命令，然后通過(guò)SPI總線(xiàn)將數據發(fā)送給TLV5638。單片機通過(guò)多路模擬開(kāi)關(guān)CD4053將TLV5638的兩路D/A輸出送入信號調整電路，從而完成對充放電電流的控制。放電過(guò)程中，Mega16L通過(guò)控制8D鎖存器74LS573和復合管陣列ULN2081控制放電電阻接入。系統框圖如圖1所示。


圖1  系統原理框圖

硬件設計

　　硬件系統包括串行通信電路、充電和放電控制電路、繼電器驅動(dòng)電路等模塊。

通信電路

　　單片機通過(guò)串口與上位機通信。Mega16L端口為T(mén)TL電平，而上位機串口為RS232C標準接口。因此，在上位機與單片機通信時(shí)需要進(jìn)行電平轉換。本設計采用MAX232完成TTL電平與RS232接口電平之間的轉換。

充電和放電控制電路

　　單片機收到上位機的充、放電控制命令后，通過(guò)SPI口將控制信號發(fā)送給TLV5638。TLV5638將收到的數字信號轉換成模擬信號，并送入信號調整電路。模擬控制信號經(jīng)調整后送入充電或放電電源的PI控制器，對充電和放電電流進(jìn)行控制。單片機通過(guò)CD4053選擇控制信號的輸出通道，使該控制器可同時(shí)對2塊蓄電池進(jìn)行充電和放電。該部分電路原理圖如圖2所示。

D/A變換

　　本設計使用雙通道l2位電壓輸出型高速DA轉換器TLV5638完成數模轉換。設計中，將Mega16作為主機，通過(guò)SPI口直接與TLV5638的串行接口相連。因為Mega16的SPI口為4線(xiàn)串口，所以連接時(shí)單片機SPI口的PB6(MISO)懸空。

　　串行通信時(shí)，CS引腳出現下降沿時(shí)通信開(kāi)始，數據在SCLK的下降沿逐位移入TLV5638的內部寄存器。最先移入的是數據的最高位。當16位數據全部移入或CS引腳變高時(shí)，TLV5638移位寄存器中的數據被存入相應的鎖存器，鎖存器的選擇由數據中的控制字確定。因此，當Mega16需要向TLV5638發(fā)送數據時(shí)，PB7先從高電平跳到低電平，然后通過(guò)SPI口連續進(jìn)行兩次寫(xiě)操作，向TLV5638發(fā)送個(gè)字節數據。兩次寫(xiě)操作完成后，在SCLK的第16個(gè)上升沿，相應鎖存器的內容自動(dòng)更新。

　　應用中，TLV5638工作于慢速正常模式，采用2.048V內部參考電壓。更新TLV5638某一路DAC數據時(shí)，必須保證另外一路數據不變。

　　Mega16的SPI口可采用4種不同的數據傳輸格式工作，傳輸格式由SPI控制寄存器中的CPOL位和CPHA位控制。應用中，考慮到TLV5638的使用要求，令CPHA=0，CPOL=1(傳輸開(kāi)始時(shí)采樣SCK下降沿，結束時(shí)采樣SCK上升沿)。


圖2  D/A變換與通道選擇

信號通道選擇

　　Mega16通過(guò)PD4和PD5以及外圍邏輯電路控制信號的輸出通道。邏輯電路包括1片7404和2片CD4053。以TLV5638的OUTA輸出信號為例。模擬控制信號從TLV5638輸出，經(jīng)濾波后送入CD4053的X通道和Y通道。單片機PD4一方面直接與CD4053控制端A相連，另外還通過(guò)反相器7404與CD4053控制端B相連。這樣就保證A端和B端的控制信號反相，使任意時(shí)刻X、Y通道中只有一個(gè)可以輸出有效控制信號，從而保證該路充電和放電不發(fā)生沖突。應用中沒(méi)有使用CD4053的Z通道，應將其與控制端C及使能端一起接地。

繼電器驅動(dòng)電路

　　放電后期，需要將電池中的剩余容量完全放出，最終使單體電池電壓下降到0V。設計中，利用繼電器將放電電阻并聯(lián)于單體電池兩極，從而達到釋放電池剩余容量的目的。繼電器由8D鎖存器74LS573和達林頓管陣列ULN2801驅動(dòng)。單片機PA0～PA7輸出控制信號，PD2、3、7和PC6、7輸出5片74LS573所需的鎖存使能信號?？刂菩盘栍?4LS573鎖存，然后通過(guò)ULN2801驅動(dòng)繼電器工作，將放電電阻并聯(lián)在單格電池兩端，從而完成單格電池剩余容量放電。繼電器驅動(dòng)電路原理圖如圖3所示。圖中只包含1片74LS573，其它4片控制方法類(lèi)似。


圖3  繼電器驅動(dòng)電路原理圖

軟件設計

　　軟件采用主從結構。單片機收到上位機指令后，根據通信協(xié)議提取出命令字和數據，然后根據命令字完成相應的控制。軟件基于模塊化設計思想，主要包括：主程序模塊，通信程序模塊，D/A轉換與通道選擇模塊，繼電器組控制模塊等。

主程序模塊

　　主程序模塊完成單片機初始化，等待并處理中斷等工作，流程圖如圖4(a)所示。


圖4程序流程圖

通信程序模塊

　　單片機與上位機間采用RS232串口通信。單片機采用中斷方式接收上位機發(fā)出的命令，并根據接收到的數據內容向上位機發(fā)送應答信息。當命令的起始標志和結束標志都正確時(shí)，單片機向上位機發(fā)送ASCII字符‘Y’表示接收成功，然后處理收到的命令；否則，向上位機發(fā)送ASCII字符‘N’，表示發(fā)送不成功，要求上位機重新發(fā)送命令。

　　上位機向單片機發(fā)送的命令符合以下格式：命令以幀為單位，每幀包含7個(gè)字節。每幀包含的命令字規定了單片機的控制方式。每幀中的數據字則以ASCII碼的形式確定了充、放電電流的大小和繼電器的代號。通信模塊流程圖如圖4(b)所示。

　　當上位機需要控制充、放電電流時(shí)，單片機采用查詢(xún)方式，通過(guò)SPI口向TLV5638發(fā)送命令和數據，然后通過(guò)控制CD4053確定模擬控制信號輸出通道。因為Mega16L的SPI口字寬為8位，因此必須連續進(jìn)行兩次寫(xiě)操作才能完成對TLV5638的編程。

　　單片機收到上位機命令后，先將數據寫(xiě)到PA口，然后向相應鎖存使能位寫(xiě)‘0’，將數據鎖存入74LS573中，完成對繼電器的控制。

結語(yǔ)

　　本文提出了一種基于Mega16L的蓄電池充放電控制器。該控制器利用串口RS232接受上位機發(fā)送的控制指令，然后根據控制指令完成對蓄電池充電電流、放電電流以及放電電阻接入的控制。該控制器部分實(shí)現了電池充、放電電源的數字化控制。該系統已應用于539CH-1型Ni-Cd電池的充放電設備中，性能良好。

參考資料：
1.  Nickel-Cadmium Aircraft batteries operating and maintenance manual. SAFT. 2002.08
2.  Datasheet of Atmega16, Atmel, 2003.12
3.  TLV5638 2.7-V to 5.5-V low-power dual 12-bit digital-to-analog converter with internal reference and power down, Texas Instruments Incorporated, 2000
4.  沈文、Eagle lee、詹前衛，AVR單片機C語(yǔ)言開(kāi)發(fā)入門(mén)指導，清華大學(xué)出版社，2003.2-3
5.  張軍，AVR單片機應用系統開(kāi)發(fā)典型實(shí)例，中國電力出版社，2005.8