智能铅酸蓄电池充电器的设计与实现

1、智能铅酸蓄电池充电器的设计与实现The Design and Implementation of Intelligent Lead-Acid Battery Charger作者： 赵学亮 李镇江 姚庆明 中国科学院自动化研究所 时间： 2010-06-28 来源:电子产 品世界 浏览评论 推荐给好友 我有问题 个性化定制关 键 词 ：时 代 民 芯 MXT8051 开 关 电 源 电 子 产 品 世 界/article/110357.htm UC3842分享到：开心网人人网新浪微博EEPW微博引言20 世纪 60 年代末期， 美国科学家马斯对蓄电池充电

2、过程的析气问题做了大量的研究工 作，提出了以最低析气率为前提的蓄电池可接受的充电电流曲线，如图 1 所示。 其充电电流轨 迹 近 似 为 一 条 呈 指 数 规 律 下 降 的 曲 线 。 基 于 铅 酸 蓄 电 池 电 子 产 品 世 界 /article/110357.htm 的特性以及图 1 的充电曲线， 本文采用了三阶段 充电模式：预充、直充和浮充。通过检测蓄电池的电压，进入不同的充电阶段。刚开必须先用随着电池预充电： 对于长期不用的电池、 新电池或在充电初期已经处于深度放电的蓄电池， 始就采用大电流直接充电会突然增加蓄电池的析气量， 缩短蓄电

3、池的寿命。 因此， 小电流对蓄电池充电，当蓄电池电压上升到能接受大电流充电时再进行大电流直接充电。直充电： 此阶段充电器以恒定电压对蓄电池进行充电。 充电开始时电流很大， 端电压上升，充电电流按指数规律下降。 因此电池的析气量小，耗水少，有利于延长电池使 用寿命，不过充入电量约在 90%左右，不能有效地给电池充足电。浮充电：也叫涓流充电，主要作用是补充蓄电池自放电所消耗的能量，使电池能接近 100%容量。充电电压仅略高于蓄电池组的断路电压且维持恒定，充电电流很小，并逐渐减 小到 0。方案设计总体设计如图 2 所示，系统主要硬件电路包括辅助电源、 开关电源和 MXT8051 单片机控制部分。 其

4、中，辅助电源给单片机和运算放大器提供工作电压，由线性变压器、整流滤波和DC/DC转换电路等组成 ；开关电源输出充电电压和电流，由高频磁芯单端反激式变压器、整流滤波 和DC/DC转换电路等组成；MXT8051单片机控制部分负责控制充电电压电流，检测电压电流 并通过 LCD 和发光二极管实时显示充电信息，并驱动蜂鸣器报警和风扇转动，由充电电压 电流控制、电压电流检测、充电阶段指示、液晶显示、蜂鸣器和风扇控制电路组成。如图 3 所示， 系统软件主要包括电压电流控制、电压电流检测、液晶显示、风扇和蜂鸣充电模式、充电时;由 GPIO 口控制充电阶器控制模块。通过设置寄存器， 控制MXT8051内建的10

5、位PWM,产生不同占空比的 PWM 波，经放大、滤波后通过 TL431 及光耦隔离接至 UC3842 的反馈端，产生 PWM 波，以驱动 功率MOSFET管，从而控制开关电源输出 ；由MXT8051提供的10位ADC对充电电压和负载 电流进行检测；通过LCD显示充电电压和电流的采集值，以及电池型号、 间等信息 ；由 MXT8051 的 PWM 控制风扇和蜂鸣器，实现散热和报警 段指示灯（发光二极管）；通过UART连接上位机进行调试、诊断。L7812组成，为单采用这种为单片机单独供电的方式， 可避免负载详细设计说明 辅助电源：由工频变压器、整流元件、滤波元件和三端稳压集成电路 片机供电部分和运算

6、放大器提供工作电压。TL431 和 现稳定的电压输电子产品世界 出。电路因为采用了光电耦合器， 实现了输出 增强了抗干扰能力， 而且是对输出电压采样，（蓄电池 ）电压波动对单片机供电部分的影响，增强系统的抗干扰能力，提高可靠性。 开关电源：以电流控制型脉宽调制器 UC3842 为核心，由三端可调分流基准源 光 耦 EL817 构 成 反 馈 回 路 ， 实 /article/110357_2.htm 和输入、弱电和强电的隔离， 减少了电磁干扰， 具有很好的稳压性能。需要注意的是，使用 TL431和EL817时，必须注意外围参数的设计。对于TL431，要

7、保证TL431工作的必要条件，即通过阴极的电流要大于1mA;对于E电子产品世界 /article/110357_2.htmL817 ，要使其工作在比较宽的线性带内，否则 电路对运行参数的敏感度太强，不利于电路的稳定工作。MXT8051 单片机控制部分。主要由单片机最小系统、充电电压电流控制、电压电流检 测、液晶显示、风扇和蜂鸣器控制部分组成。1. 单片机最小系统。以 MXT8051 为核心，配合 3.3V 系统电源、 2.5V 数字核电压、 11.0592MHz系统时钟晶振以及 32.768kHz RTC晶振构建最小系统。2. 充电电压、电流控制。根据

8、开关电源部分的实现原理，通过改变TL431 参考端的电即可控制充电压可获得不同的电压输出， 从而获得不同的充电电压。 充电电流的控制也是通过控制充电电 压来实现的。 程序中， 通过控制单片机内建的 PWM0 输出 PWM 波的占空比， 电压和电流。型号的蓄电池 分别计算三种48V47.5V、57.5V 和 54.5V。根据铅酸蓄电池三段式充电原理，每个阶段对应一种充电电压。对 而言，预充、直充和浮充阶段的充电电压分别设定为 电压对应的 PWM0H 和 PWM0L 寄存器的值，存入数组中，作为三种充电电压的设定值。程 序中，根据不同的充电阶段调用相应的设定值写入 PWM*H 和 PWM*L 寄存

9、器，实现对充电 电压和电流的控制。程序流程如图 4所示。3. 风扇、蜂鸣器控制。单片机输出脉宽调制信号控制三极管的导通与关断，实现风扇和蜂鸣器的开关控制 ;同时，通过调整 PWM 波的占空比可以控制三极管集电极电流， 从而实 现对风扇风速和蜂鸣器鸣声大小的控制。蜂鸣器控制采用PWM1 ，风扇控制采用 PWM2。4. 充电电压、电流检测。MXT8051内嵌一个五通道的 10位逐次逼近型 ADC,电压采样信号送入 AIN0 通道， 电流采样信号送入 AIN1 通道。 电压采样信号由开关电源电压输出经分 压电阻获得，经AD转换后由程序换算处理得到充电电压；电流采样信号由与电池组串接的水泥电阻获得，A

10、D转换后经过程序换算处理得到充电电流。5. 液晶显示。MXT8051内嵌36 X 4 LCD DRIVER可直接驱动液晶屏，因此只需将单片机的SEGMENT和COMMON引脚与LCD的相应管脚连接即可。 本设计采用36X 4段式LCD. 程序中，通过设置 LCD控制寄存器LCDCON来设定内部分压电阻的阻值和刷新频率；由LCD数据寄存器LCDDATA170来控制要显示的数据。6. 计时。主要功能是在充电器开始工作时启动计时，为用户判断充满剩余时间提供参考。最大计时时间为 9小时59分59秒。程序实现主要由启动定时器 T0、重载计数初值和 软件计数变量控制三部分组成。;喂狗7. 看门狗监控。主要

11、功能是防止程序跑飞导致系统死机，发生不可预料的后果。由看 门狗初始化和喂狗程序组成。初始化程序负责选择看门狗定时器时钟，设置定时时间 程序负责向看门狗定时器重载数据。1 2 3经过反复多误差很小。测试结果如表系统测试 系统测试主要是对输出电压准确度和稳定性以及电压电流检测精度的测试。 次测试，系统输出电压稳定可靠，电压检测能完全跟踪实际电压，1 所示。MXT8051 单片机构建，以开关电源和充电管具有过流限 子产品世界 大大延长蓄电池使结语 本设计基于北京时代民芯科技有限公司的 理控制核心为主体，外围电路简单，电源调整率好、频率特性好、稳定幅度大， 制 、 过 压 保 护 和 欠 压 锁 定

12、功 能 ， 能 有 效 电 /article/110357_3.htm 避免铅酸电池的硫化问题， 用寿命。参考文献1 丁志亮,李建婷等一种智能铅酸蓄电池充电器的设计J.通信电源技术，2006,23(2).2 彭和平,江正战.智能型铅酸蓄电池充电器的设计与实现J.电子技术应用,2001,12.3 王朕 ,潘孟春等 .电子产品世界 /article/110357_3.htmUC3842应用于电压反馈电路中的探讨J.电源技术应用.2004,7(8).4 杨仲望,金天均等.开关电源中光耦隔离的几种典型接法对比研究J.机

13、电工 程.2007,24(5).贾贵玺.开关电源电流型控制IC-UC3842原理及应用J.集成电路应用，1997,4.6徐明，尹斌.基于UC3842的单端反激式开关稳压电源的设计与分析J.河海大学常州分校学报 ,2005,19(3).6TL431 特性及应用 . /bbs/attachment.php?aid=145797.7TL431 与 PC817 应 用 . /bbs/attachments/ pdf/2008/06/23/85f0 88851e10.pdf.8 关 于 单 端 反 激 式 变

14、 压 器 的 三 个 计 算 公 式 . / learner/electronics/ Threetransformer.asp.9 MXT8051 芯片数据手册 .10 UC3842 芯片数据手册 .详细设计说明辅助电源：由工频变压器、整流元件、滤波元件和三端稳压集成电路L7812组成，为单TL431 和 现稳定的电压输电子产品世界 出。电路因为采用了光电耦合器， 实现了输出 增强了抗干扰能力， 而且是对输出电压采样，片机供电部分和运算放大器提供工作电压。 采用这种为单片机单独供电的方式， 可避免负载 (蓄电池 )电压波动对单片机供电部分的

15、影响，增强系统的抗干扰能力，提高可靠性。开关电源：以电流控制型脉宽调制器UC3842为核心，由三端可调分流基准源光 耦 EL817 构 成 反 馈 回 路 ， 实 /article/110357_2.htm 和输入、弱电和强电的隔离， 减少了电磁干扰， 具有很好的稳压性能。必须注意外围参数的设计。对于TL431，要保需要注意的是，使用TL431和EL817时，证TL431工作的必要条件，即通过阴极的电流要大于1mA;对于E电子产品世界 /article/110357_2.htmL817 ，要使其工作在比较宽的线

16、性带内，否则 电路对运行参数的敏感度太强，不利于电路的稳定工作。MXT8051 单片机控制部分。主要由单片机最小系统、充电电压电流控制、电压电流检 测、液晶显示、风扇和蜂鸣器控制部分组成。1. 单片机最小系统。以 MXT8051 为核心，配合 3.3V 系统电源、 2.5V 数字核电压、 11.0592MHz系统时钟晶振以及 32.768kHz RTC晶振构建最小系统。TL431 参考端的电2. 充电电压、电流控制。根据开关电源部分的实现原理，通过改变压可获得不同的电压输出， 从而获得不同的充电电压。 压来实现的。 程序中，通过控制单片机内建的 PWM0 输出 PWM 波的占空比， 电压和电流

17、。根据铅酸蓄电池三段式充电原理，每个阶段对应一种充电电压。对 而言，预充、直充和浮充阶段的充电电压分别设定为充电电流的控制也是通过控制充电电即可控制充电48V47.5V、57.5V 和 54.5V。型号的蓄电池 分别计算三种4 所示。电压对应的 PWM0H 和 PWM0L 寄存器的值，存入数组中，作为三种充电电压的设定值。程 序中，根据不同的充电阶段调用相应的设定值写入 PWM*H 和 PWM*L 寄存器，实现对充电 电压和电流的控制。程序流程如图3. 风扇、蜂鸣器控制。单片机输出脉宽调制信号控制三极管的导通与关断，实现风扇和蜂鸣器的开关控制 ;同时，通过调整 PWM 波的占空比可以控制三极管

18、集电极电流， 从而实 现对风扇风速和蜂鸣器鸣声大小的控制。蜂鸣器控制采用PWM1 ，风扇控制采用 PWM2。4. 充电电压、电流检测。MXT8051内嵌一个五通道的 10位逐次逼近型 ADC,电压采样信号送入 AIN0 通道，电流采样信号送入 AIN1 通道。 电压采样信号由开关电源电压输出经分 压电阻获得，经AD转换后由程序换算处理得到充电电压；电流采样信号由与电池组串接的水泥电阻获得，AD转换后经过程序换算处理得到充电电流。5. 液晶显示。MXT8051内嵌36 X 4 LCD DRIVER可直接驱动液晶屏，因此只需将单片机的SEGMENT和COMMON引脚与LCD的相应管脚连接即可。 本

19、设计采用36X 4段式LCD. 程序中，通过设置 LCD控制寄存器LCDCON来设定内部分压电阻的阻值和刷新频率；由LCD数据寄存器LCDDATA170来控制要显示的数据。6. 计时。主要功能是在充电器开始工作时启动计时，为用户判断充满剩余时间提供参考。最大计时时间为 9小时59分59秒。程序实现主要由启动定时器T0、重载计数初值和软件计数变量控制三部分组成。;喂狗7. 看门狗监控。主要功能是防止程序跑飞导致系统死机，发生不可预料的后果。由看 门狗初始化和喂狗程序组成。初始化程序负责选择看门狗定时器时钟，设置定时时间 程序负责向看门狗定时器重载数据。系统测试经过反复多误差很小。测试结果如表系统测试主要是对输出电压准确度和稳定性以及电压电流检测精度的测试。 次测试，系统输出电压稳定可靠，电压检测能完全跟踪实际电压， 1 所示。结语本设计基于北京时代民芯科技有限公司的 MXT8051 单片机构建，以开关电源和充电管 理控制核心为主体，外围电路简单，电源调整率好、频率特性好、稳定幅度大，具有过流限 制、过压保护和欠压锁定功能，能有效电子产品世界 /article/110357_3.htm 避免铅酸电池的硫化问题， 大大延长