简易数控充电电源工作原理及软件设计

E甲简易数控充电电源山东大学王炜 李树胜 王旭峰专家点评:该设计以凌阳16位单片机SPCE061A为控制核心，完成题目要求的恒流、恒压充电功能，并能自行切换。电路设计中采用了各种相关保护（包括过电压保护、过电流保护以及过热保护等）。输出的恒稳电流及稳定电压均可任意设置。硬件电路设计合理，软件编程正确。对充电电池的特性有一定的研究，设计方案完整周密。 青岛科技大学 李进教授 2008/9/24摘要：该简易数控充电电源以SPCE061A单片机为控制核心，能够实时地完成恒压及恒流充电的自动切换、实现当前充电电压和充电电流以及电池状态的检测和显示以及各种相关保护（包括过电压保护、过电流保护以及过热保护等）。该系统可以同时对1节锂电池以及1至3节镍电池等进行稳定性充电，灵活性大。恒流充电过程充电电流从50400mA任意设置，恒压充电过程输出电压可以实现010V任意设置。实验结果表明，该系统能对电池的充电过程进行有效的控制，其各项功能指标均达到了题目的要求，充电快速、高效、可靠，不会损坏电池或缩短电池寿命，可以实现充电过程的智能化控制。关键词：数控充电电源、SPCE061A单片机、充电、恒压、恒流、自动切换、LCDAbstract： The Simple NC charging power supply to SPCE061A MCU system for the control of the core, can automatically switch the constant pressure and constant current charging on time, and complete the detection and display of the current charge voltage and charge current as well as the state of battery and thus various related protection (including over-voltage protection, over-current protection and over-temperature protection, etc.). The system can simultaneously on a lithium battery and 1-3 nickel rechargeable battery, such as stability, great flexibility. In addition, the charge current can be adjusted freely from 50400 mA continuously in the constant current charging process, and the output voltage can be achieved 010 V continuous adjustment in the constant pressure charging. Experimental results show that the system effectively controlling the charging process of the batteries , which function can meet the requirements of the topic, with its charging fast, efficient, and reliable, will not damage the battery or shorten battery life, and finally can achieve the charging process Intelligent Control.Key Words：The NC charging power supply、SPCE061A microcontroller core、Charging、Constant Pressure、Constant current、Automatically switch、LCD一、 系统方案比较简易数控充电电源的实现方案有三种：采用专用集成芯片；采用开关电源实现恒压恒流充电；采用运放和功率管组成的负反馈电路。下面分别比较一下这三种方案。方案一：采用专用集成芯片构成的电路，比如MAX1898、MAX745等，结构简单，外围元件少。不过成本较高，而且不能适时的调节和随时的改动，外扩功能也很难实现。方案二：采用基于PWM技术的降压式开关电源实现恒压恒流功能，效率很高，但是开关噪声和纹波较大，很难实现题目的要求。方案三：采用由运放和功率管组成的负反馈电路实现恒压恒流充电，调节方便，易于扩展资源和功能，并且由于调整管工作在放大状态，线性度好，输出电压电流纹波小。缺点是外围元件较多，安装不方便。 综合考虑以上的条件，该系统采用方案三。 图1.1串联式稳压电路的总体结构图二、系统组成与工作原理2.1系统组成: 该系统主要由SPCE061A单片机、供电电源、继电器开关模块、PID调节电路、电压及电流负反馈电路、阻容分压网络、调整管模块、温度采集模块、单片机键盘控制及LCD显示电路等模块组成，现附系统框图如下： SPCE061A MCULCD显示4*4键盘过热保护18B20LED状态指示、报警主回路负载给定过流保护过压保护恒流/恒压图1.2系统的总体原理框图2.2系统工作过程简介：考虑到实际中主要用于对锂电池和镍电池进行充电，下面以锂、镍电池为例说明电池充电的原理。2.2.1. 锂离子电池:锂离子电池通常采用恒流转恒压的充电方法。如图所示，先经过恒流充电，待电压上升至最高电压A点后，转至恒压充电。此时，充电电流会逐渐降低，待电流降至B点，即为恒流时的110，认为电池已充满电，终止充电。 2.2.2镍镉、镍氢电池：镍镉电池主要采用电池电压负增量控制充电方法。如图所示，充电开始，电池的端电压上升很快，经过A点后，电压缓慢上升至B点。然后电池电压又快速上升至最高点C。从C点处开始继续充电，电池电压会下降，出现一负增量 ，并且电池有明显的温升，此时可判定电池已充足电。2.2.3该系统的充电原理简介：镍镉、镍氢电池在由恒流充电向恒压充电切换时，检测到的电压负增量必须界于35mV之间，但是考虑到各种干扰信号的影响，这样的微小信号很难测量到。从充电原理来看，锂电池的“三段式”充电方式完全适用于镍电池。所以为了便于控制和计算，该数控充电电源使用“三段式”充电，既：涓流（预热）、恒流、恒压。下面介绍一下该系统的充电过程：系统上电复位之后，通过44键盘输入电池标称容量、电压、充电电流参数。设电池标称电压为V,电池下限值为V,电池容量用C表示，电池当前电压为V,之后系统按以下三种状态自动工作。Step1: 如果初始VV,为防止一开始充电电流过大，用C/103的电流对电池预热一定时间。Step2:VV,大电流进行恒流充电。Step3:V=V,转入恒压充电,当电流低于C/10时充电结束。在充电的过程中，LCD会显示当前充电状态、充电电流、当前电池电压以及电池温度。发光二极管对不同的工作状态有不同的指示。同时过流、过压和过热保护部分协同工作。 2.3系统常见问题分析及解决的方法2.3.1恒流充电向恒压充电的切换问题:在系统正常工作后，在恒流向恒压充电切换时，如果直接进行切换，由于恒流电路已经切断，而恒压充电电路还没有开启，就会使系统出现短暂的开环状态，从而造成系统的误操作。为此，先用单片机将给定值设为零，这样系统就不会出现开环导通现象。2.3.2系统上电和过流保护状态的的识别问题：系统上电时，调整管的射极会产生较高电压，输出电流瞬间过大，使系统误认为是过电流保护，从而引起电路的跳闸，为了避免这一问题，可以在滞环运放（用于控制过流保护电路的通断）中加入了RC软启动电路，使触发器延迟一段时间后再进入正常工作状态，避免了误跳闸。2.3.3放大器自激振荡的问题：由于运放工作在深度负反馈状态，放大倍数较高，易于引入振荡，为此在放大环节负反馈中并联电容，引入积分环节，有效的防止了自激振荡现象。三、硬件电路及软件设计3.1硬件电路设计3.1.1电源变压器的选择：由题目可知，充电电源要求电流为恒流100mA200mA，电压最大值为10V。现在取主电路充电电流最大值I为500mA，输出电压最大值V为12V。 所以为了满足电路需求，选择最大电流为2的变压器。同时，为了能够使输出电压达到12V,选用变压器的二次侧交流输入电压为18V。现在设该充电电源的效率取50%，根据式子S= I V/=12W可知，需要变压器的容量大于等于12W所以充电电源选取容量为20W的变压器。综上所述，该系统选择使用一次侧和二次侧交流电压为220V/18V,容量为20W的变压器。3.1.2供电电源电路的设计在供电电源方案的选取方面，采用由集成开关稳压器LM2576组成的电源电路，功耗小，效率高，值可以达到70%80%。其中LM2576-5V来提供+5V电压，主要为MCU和LCD供电。针对题目要求负载电压需要达到10V，考虑到采样电阻和TIP122的压降，该系统采用15V电源给调整管和运放供电。采用LM2576-ADJ来提供+15V电压。同时电源输出采用两级LC滤波，可以有效减小纹波。电路如下：图1-4 供电电源原理图3.1.3调整管的选择 针对题目要求，由TIP122达林顿管构成的调整管电路，电流放大倍数明显提高，基极电流可以很小，从而负载可以较轻。同时TIP122的值可以达到1000，可通过3电流，负载能力强。为此该系统采用TIP122达林顿管构成调整管电路。主电路原理如下：图1-5 主电路原理图3.1.4 负反馈电路的设计 该系统采用由OP07运算放大器构成的负反馈电路。因为OP07输入失调电压小（25V），温漂低（0.4V /），噪声小,可以较好地避免高频干扰和自激振荡，并可以减小纹波，使测量精度得以较大的改善。电压、电流负反馈电路如下：图1-6 电压反馈原理图图1-7 电流反馈原理图3.1.5 过流、过压保护电路的设计 使用LM356构成施密特触发器，当电流值超过设定时，LED1发光指示过流。同时继电器动作，把TIP122和反馈回路断开，起到保护作用。当电流减小后，按键button使系统正常工作。过压保护通过单片机实时检测当前电压来实现。过流保护电路如下：图1-8 过流保护原理图 3.1.6指示电路的设计 在充电的过程中，LED2闪烁指示正在充电，电池充满后LED2常亮。如在充电过程上电池电压过高LED3发光指示过压。图1.9 指示电路3.1.7充电器座的设计 为方便电池（负载）充电，我们制作了自动充电器插座。可以同时对3节Li电池或1节Ni电池充电。 其中插座的四分之一如左图所示。+0为电池的正极，-0为负极。当有电池放入时，OUT0为高电平，继电器把电池自动接入电路。电池没有放入时，OUT0为低，继电器把此节电池的位置短路，从而不影响其它电池的正常充电。 图1.10 充电器座电路3.1.8人机交换显示模块的设计LCD液晶能够显示数字、汉字和图像，串口模式只需要两根信号线，使用非常方便。而且LCD内部自带RAM，并有自锁功能。另外，金鹏液晶屏外观漂亮大方，只用+5V电压就可以驱动；它的背光效果可以调节，即使在暗处也可以清晰地显示。所以该系统采用金鹏OCM4x8C LCD液晶显示，来搭建一个非常友好的人机界面。3.1.9自制44键盘 该系统中我们自制4*4键盘，利用SPCE061A最小系统I/O口，编写简单的键盘扫描程序，同时所得键值通过I/O口送入单片机内部来实现相应的功能。成本很低，操作简单，使用方便，而且界面落落大方，品味性很强。3.1.10 温度采集模块 该系统采用集成温度传感器DS18B20进行温度的测量。DS18B20是DALLAS公司生产的一线式数字温度传感器，温度测量范围为55125,可编程为9位12位A/D转换精度，测温分辨率很高，可达0.0625，体积小，使用方便，易于控制。并且价格低廉，占用资源少。3.1.11 D/A和A/D器件的设计和分析：针对题目要求，输出电压在010V变化，凌阳单片机D/A输出为03.3V，取其精确范围02.5V，则每1V参考电压折合为4V负载电压，凌阳单片机D/A为10位精度。恒压时由下式：V=3.3V1024=3.2mV V=4V =12.8mV可知误差远小于设计要求。当进行恒流设定时,每1V代表200mA，在精度允许范围内可以提升到500mA。为此I=3.2mV1V200mA=0.64mA，也符合设计要求。所以采用凌阳自带D/A就完全可以达到要求，同时省去了外围电路，节约了成本。在恒压恒流方面，由运放构成模拟反馈电路自动进行调节，调节精度和调节速度远远高于单片机，因此A/D只是用来指示当前电流值和电压值，所以采用凌阳自带A/D即可。3.2、软件设计3.2.1变量说明：float CellCapcity，Normal_V,CommonI;/电池容量、电池正常电压、充电电流float NowVoltage,NowCurrunt;/电池当前电压、当前充电电流float V_low/电池电压下限值3.2.2软件总体框架：输入参数：HandWork();开始系统初始化Initial();AutoWork();系统上电工作后，HandWork()通过4*4键盘取得CellCapcity，Normal_V,CommonI参数,以供AutoWork()使用。3.2.3AutoWork()流程：AutoWork();电池放好？YN“三段式”充电有键按下？据按键值进行电压、电流、用时、温度的显示和对充电电流的调节YN判断是否有过压、过流、过热现象，并进行相应操作和指示充电完成？YN结束充电电池状态是否改变？“？NY四、测试方法和仪器5.1测试方法：恒流充电过程检测：该数控充电电源用100的滑线变阻器作为负载，先在低压给定下用数字万用表测量采样电阻两端的电压，目测恒流充电时输出电流的稳定性，然后调节分压电阻，使电流值从大到小连续变化，并随时注意电流在相应的给定值下是否稳定，等电流值升至400mA,观测电源是否进入过流保护状态。恒压充电过程检测：待负载电压升至10V时，判断是否进入恒压充电状态。用示波器测量负载两端的电压，观察平均值、纹波大小和变化量的大小。过热保护检测：由于负载是电阻，温度无法升至很高，所以采用直接给DS18B20供热的方法使其温度升至保护温度，观察系统是否进入过热保护状态。5.2测试的仪器与设备：序号名称型号数量备注1数字万用表VC980+12示波器TDS20121100MHZ3PC机256内存4双通道交流毫伏表HG21705滑线电阻器100。1六、测试数据及测试结果分析测试环境温度：29摄氏度时间：2008年9月14日星期日6.1测试数据：电流给定(mA)电阻值（）实际电流(mA)纹波（mA）误差（%）恒流10090100.320.3820.3250100.230.3960.2320100.120.3840.1215040149.700.4020.2020149.740.4100.1710149.670.4120.2220040199.630.4240.1920199.600.4320.2010199.590.4220.2530010297.70.5520.7740010396.40.5970.90电压给定(V)电阻值（）实际电压(V)纹波（mV）误差（%）恒压5505.0051.6120.10755.0131.6400.261005.0101.6620.207.5507.5171.5060.23757.4851.4340.201007.4701.2500.40105010.0131.5020.137510.0151.5240.1510010.0111.5220.116.2测试结果分析：6.2.1为了减小测量的误差，采用了以下的措施：（1）信号线采用屏蔽线，减少外界杂波干扰；（2）凌阳AD输出有偏离，利用软件修正，提高给定电压输出精度； （3）测量多次取平均值，防止万用表示数的抖动。6.2.2该系统对题目要求的完成情况如下表所示：基本要求要求实现电流恒流100mA和200mA可调50mA到400mA连续可调调节负载，电流变化小于5mA，纹波小于2mA电流变化小于2mA，纹波小于1mA电压恒压时，改变负载电阻，输出电压波动小于0.5V；输出纹波电压小于20电压波动小于0.1V，纹波小于10mV显示具有输出电压、电流的测量和数字显示功能。测量