0 引言

電子技術的快速發(fā)展使得各種各樣的電子產(chǎn)品都朝著便攜式和小型輕量化的方向發(fā)展，也使得更多的電氣化產(chǎn)品采用基于電池的供電系統(tǒng)。目前，較多使用的電池有鎳鎘、鎳氫、鉛蓄電池和鋰電池。它們的各自特點決定了它們將在相當長的時期內共存發(fā)展。由于不同類型電池的充電特性不同，通常對不同類型，甚至不同電壓、容量等級的電池使用不同的充電器，但這在實際使用中有諸多不便。

本文介紹一種基于單片機的智能充電機的設計方法。該充電器可以實時采集電池的電壓和電流，并對充電過程進行智能控制。它可以自動計算電池的已充電量和剩余的充電時間，也可以改變參數(shù)來適應各種不同電池的充電。系統(tǒng)中的管理電路還具有保護功能，可防止電池的過充和過放對電池造成。 1 智能充電器的硬件設計

該智能充電器采用的是分布式控制方法，它由充電電路、充放電控制電路、顯示和接口電路組成，圖1所示是其電路組成框圖。

1.1 充電電路的設計

電池充電有恒壓、恒流兩種充電方式，事實上，恒壓、恒流源電路也是充電電路的主要組成部分。由于各種電池對充電電壓和充電電流的要求不同，因此，實現(xiàn)智能充電必須根據(jù)各種電池的自身要求來調整充電電壓和充電電流的大小。這里選擇BQ2054集成電路作為恒壓、恒流源模塊來對電池進行充電。為了保證電池的安全，當電池電壓和溫度超過設定的極限值時，BQ2054將禁止對電池進行充電。而當電池電壓小于低電壓閥值時，BQ2054將用恒流方式進行充電。

圖2所示是該智能充電器的恒壓恒流電路原理圖。圖2中的GB+、GB-分別連接充電電池的正極和負極，以為充電電池提供充電電流的通道。數(shù)字電位器MAX5434通過串行數(shù)據(jù)總線和控制電路進行通信，以確定電位器的阻值，并改變電池電壓分配網(wǎng)絡的比值，從而改變BQ2054中BAT腳的輸入電壓，以便BQ2054根據(jù)BAT腳電壓的大小來改變對電池的充電電壓，最終達到對電池進行恒流、恒壓充電的目的。

1.2 自動控制電路設計

圖3所示是該充電器的充放電控制電路。圖中，將PWMCTL連接到BQ2054的MOD輸出腳，便可用MOD輸出的脈沖信號控制三極管的導通和關閉，從而改變充電電流的大小。24 V電源是充電電路的外部輸入電源，可用來提供充電電流。GB+連接到充電電路的電池正極，其電壓就是充電電池的電壓，當電池電壓沒有達到設定電壓時，充電電路將以恒流方式對其進行充電。當電池電壓達到設定充電電壓后，充電電壓保持恒定不變，而充電電流逐漸減少，進入相應的恒壓充電階段。

圖4所示是該充電器的主控電路。圖4中的CCS，DCS，VS-BAT分別是用于采集電池充電電流，放電電流，充電電壓的端口，它們經(jīng)過濾波放大后和p87lpc767的AD轉換腳相連接，并經(jīng)過轉換判斷電池的充放電狀態(tài)后，可對電池的充放電作出相應的控制，這些判斷和控制都是由軟件來完成的。主要是通過采集充電電路中的LED1～LED3等三個輸出口的電平高低，并根據(jù)它們的高低電平狀態(tài)組合控制電池的充電狀態(tài)。SMBC和SMBD是p87lpc767和智能電池之間虛擬的異步串行通訊總線的時鐘線和數(shù)據(jù)線，p87lpc767的內部定時器2可提供模擬異步串行通訊總線的控制時鐘。E-CHG是充電控制使能端口，可在滿足充電條件并設定充電方式后置其為高電平，以啟動充電電路對電池的充電，反之，當出現(xiàn)過溫、過電流、過電壓、充電故障或充電滿狀態(tài)時，該端為低電平，以關斷充電電路。E-DSG是放電使能控制端口，當檢測到鎳鉻電池沒有放電完畢時，p87lpc767就把E-DSG置為高電平，啟動放電電路對鎳鉻電池進行放電，直到放電完畢，則把其置為低電平，關閉放電電路并對鎳鉻電池進行充電。SDA和SCL是p87lpc767的異步串行通訊總線的數(shù)據(jù)線和時鐘線，它們和顯示電路中p87lpc764的SDA和SCL相連接，以使p87lpc767作為從機和p87lpc764進行通訊，從而把電池的各種信息(結構參數(shù)和實時參數(shù))傳輸?shù)絧87lpc764上，再由液晶顯示器進行顯示。兩個跳線是p87lpc767作為從機和p87lpc764進行通訊時的地址選擇信號，它們可連接或斷開輸入到端口的信號，它們的組合狀態(tài)00，01，10，11分別代表從機的地址00，01，10，11，以便主機和從機通訊時發(fā)出地址信號，之后從機通過查詢作出回應，并向主機發(fā)送信息。

1.3 智能充電器的信息顯示

以p87lpc764為核心構成的信息顯示模塊可通過I2C總線與4路充電管理部分的p87lpc767進行通訊(每個p87lpc764與4個p87lpc767接口，每一套電路負責一組電池的充電管理)。當系統(tǒng)采集到電池的實時參數(shù)和結構參數(shù)后，即可通過LCD進行中文模式的信息顯示(要顯示的漢字和字符字庫存儲在24C16中，p87lpc764通過I2C總線對其進行調用)；同時利用p87lpc764的TXD、RXD口線提供給RS232接口，從而完成與PC管理計算機的相連，最終完成對電池的集散式管理。

2 智能充電器的軟件設計

圖5是該智能管理系統(tǒng)的程序流程圖。該系統(tǒng)除了完成充放電控制外，還提供過流保護、過壓保護、過溫保護、蜂鳴報警等功能。

程序開始執(zhí)行后，首先進行初始化并檢測電池電壓、電流、溫度等信息是否正常。如正常則進入下一步，否則報警并關閉電路。如果電池電壓在充電終止電壓和放電終止電壓之間，說明電池既可充電也可放電。此時電路將判斷接上充電機還是接上負載，以進行相應的充電和放電。如果兩者都沒有接，則循環(huán)檢測過程。若電池電壓已經(jīng)到達充電終止電壓，則等待負載的接入進行放電；同樣若電池電壓己經(jīng)達到放電終止電壓，則等待充電機的接入以進行充電。

在整個過程中，該電路將始終實時檢測電池信息，若有異常情況發(fā)生，則立即利用中斷信號終止正在進行的充電或者放電過程，關斷充放電回路，同時進行報警并提示報警原因。

3 結束語

該智能電池充電器能有效地解決電池和充電器的兼容問題，從而避免了因電池化學特性不同而給電池充電造成的各種麻煩。另外，除了對電池電壓的檢測外，為了更好的保護電池，該充電器充電時還可對電池的溫度及充電時間進行監(jiān)測以作為輔助或后備保護方案。