基于单片机的智能电池充电器的设计

PAGEPAGEII基于单片机的智能电池充电器的设计摘要由于以往的充电器不能根据电池的充电状态进行数据分析，采取相应的电池充电模式，而是一直采用大电流充电，极易造成电池的极化现象，导致电池充电效率较低，使用寿命缩短。基于上述原因本文设计了一种基于单片机的智能电池充电器，该充电器是由ADuC824单片机控制，根据充电电池的充电状态输出一定的PWM脉冲波，进而采用涓流充电，恒流充电，恒压充电和浮充电等四个阶段对铅酸蓄电池充电，并且可以通过单片机的输出端口显示当前的充电状态，在充电结束时自动终止充电，蜂鸣器发出报警声，提醒用户电池已经充满，实现电池充电的智能化。关键词智能充电器ADuC824TL494铅酸蓄电池DESIGNOFINTELLIGENTCHARGERBASEDONSINGLE-CHIPMICROCOMPUTERABSTRACTInthepast,asthechargercannotbebasedonthestatusofrechargeablebatterydatatoanalysisitcannotbecarriedoutthemode,whichissuitable.Ithasbeenusingahigh-currentcharge,whichisresultinmorelowerefficientforbatterycharger,reducesservicelife.Becauseofit,Idesignanintelligentcharger,whichiscontrolledbysingle-chipmicrocomputer.Accordingtothestateofbattery,ADuC824single-chipmicrocomputerwillcontrolandoutputaPWMpulse,inturn,lead-acidbatterywillbechargedthroughtofour-stagechargesuchastricklecharge,constantcurrentcharging,constantvoltagechargingandfloatingcharge,itcanalsoshowthecurrentchargingphasethroughtheoutputterminalofsingle-chipmicrocomputerandcanterminatechargingautomatically.Awarningbuzzerwillsoundtoremindtheuserthatitisalreadyfullofbatteries.KEYWORDSintelligentbatterychargerADuC824TL494lead-acidbattery目录摘要 ⅠABSTRACT Ⅱ1绪论 11.1研究背景 11.2充电技术的发展概述 11.3充电器的技术水平、现状及发展趋势 22铅酸蓄电池的工作原理及充放电过程 32.1铅酸蓄电池的基本概念 32.2铅酸蓄电池的工作原理 62.2.1铅酸蓄电池电动势的产生 62.2.2铅酸蓄电池放电过程的电化反应 62.2.3铅酸蓄电池充电过程的电化反应 72.2.4铅酸蓄电池充放电后电解液的变化 72.3蓄电池的充电工作特性 7HYPERLINK\l"_Toc232387398"2.4充电终止条件控制方法 122.4.1电压控制 122.4.2定时控制 132.4.3温度控制 142.5智能充电器的充电过程 14HYPERLINK\l"_Toc232387403"3智能充电器的硬件设计 153.1智能充电器的总体设计要求及设计方案 153.2单片机部分 163.2.1ADuC824的介绍 163.2.2单片机电路部分 21HYPERLINK\l"_Toc232387408"3.3充电电路设计部分 223.3.1充电电路电源部分 223.3.2控制电路 223.3.3检测电路 254智能充电器的软件设计 28HYPERLINK\l"_Toc232387413"4.1主程序软件设计 294.2子程序软件设计 305结论 32致谢 33参考文献 34附录 35附录1总电路图 35附录2源程序 36基于单片机的智能电池充电器的设计PAGE38PAGE381绪论1.1研究背景早在六、七十年代，西方经济发达国家为了保护环境就已经开始研制各种各样的绿色能源来代替汽油和柴油，但是，受到蓄电池，电控等关键部件的性能、寿命以及高性能的充放电设备等的制约，一直未得到长足的发展。到了八、九十年代，由于大容量、长寿命蓄电池的大批量的生产及大功率晶体管的研制成功和计算机应用技术的广泛应用，使绿色能源得到长足的发展，近期一些公司声明他们将首先实现绿色能源计划，其中就包含大量电动汽车。随着国际、国内对环保要求的越来越高，对内燃车辆的排放要求也越来越高，这样对绿色能源的需求越来越迫切，势必会蓄电池电动车辆的使用量大幅度增加。1.2充电技术的发展概述对于铅酸蓄电池来讲，传统的充电方式有恒流限压充电和恒压限流充电。这两种充电方式的特点及存在的问题如下：恒流限压充电充电时自始至终以恒定不变的电流进行充电，该电流可以通过PWM来调整，这种方式实现起来比较简单方便，易于做到。特别适合由许多电池串联起来的蓄电池组。蓄电池组中个别落后电池进行完全充电，恢复其容量，这时最好用小电流长时间的充电模式。恒流充电方式的不足之处在于：开始充电阶段电流过小，在充电中后期电流又过大，析出气体多，对危害较大，能耗高。铅酸蓄电池不宜采用这种方式。因此，人们在恒流充电方式的基础上进行了改进，即采用恒流限压充电方式。为避免过充电，在充电后期采用限压措施，减小充电电流，避免损坏电池。恒压限流充电恒压充电初期充电电流很大，随着充电进行，电流逐渐减小，在充电终期只有很小的电流通过，这样，在充电过程中就不必要调整电流。随着蓄电池端电压升高，充电电流会自动下降，所以析气量少，充电时间较长，能耗较低。它的缺点是：充电初期，如果蓄电池放电深度过大，充电电流会很低，后期充电电流又过小，充电时间长；此外蓄电池端电压的变化也很难补偿，充电过程中对落后的电池完全充电也很难完成，为了弥补恒压充电的不足，在恒压充电的基础上进行了改进，当充电电流较高的时候（如电池严重亏电，漏电，负荷过重等）这时应采取限流措施，保持电流不超过某一设定值而使电压降低，待电流降低，电压升起后再稳压，这就是恒压限流的含义。单独采用恒流充电限压充电和恒压限流充电等模式对铅酸蓄电池进行充电，蓄电池的充电效果不是很理想。一方面这些充电方式充电时间过长，不能适应现代生产和生活的需要。另一方面，充电技术不能适应蓄电池的特殊要求，会严重影响蓄电池的使用寿命。国内外多年来的实践证明，铅酸蓄电池浮充电压偏差5%，电池的浮充寿命将减少一半。统计数据声明，国内蓄电池的平均寿命为1.5年（可充400次），国外同型号蓄电池寿命一般为四年（可充1000次）如果充电质量不好以及用户使用维护保养跟不上，许多电池在使用一年后即报废，造成很大的经济损失，蓄电池价格占整机价格的20%，国外同容量电池价格则为国产蓄电池价格的2—3倍。因此，充电质量的好坏，直接影响到蓄电池的技术状态及使用寿命。1.3充电器的技术水平、现状及发展趋势随着蓄电池电动车的迅猛发展，对充电器的要求越来越高，从开始的单纯充足，到目前的延长蓄电池寿命，减少能源消耗，充电器的功能已发生了质的飞越。现在国外已研制成功只要用一小时就可以充满蓄电池的大功率充电器，在体积上也越来越小，现在最小的大功率充电器只有一个书包大小。在我国的研究发展比较晚，因其体积小，动态响应速度快，输出纹波小，效率高等特点，近年来得到国内外的广泛研究与关注，特别在通信，电力等领域中，已经得到了普遍的研究和使用，但对于相控电源来说，它的价格比较高，而且功率器件的发热量也较高，所以，在电力系统中的大功率场合，相控式的充电器仍然占有较大比重。而国外市场大部分充电器均采用Wa，WaWo，U&U等充电曲线方式更科学，合理，从而大大提高了蓄电池的使用寿命，大大降低了使用和维护成本，简化了充电过程，解放了操作人员的劳动强度，市场前景非常广阔。近年来，国内外人士正致力于充电器的智能化研究，智能化程度较高的充电器解决了动态跟踪电池可接受充电电流曲线的技术关键，使充电电流始终与可接受充电电流保持良好的匹配关系，使充电过程始终在最佳状态下进行，比常规充电模式可节约电能30%-50%左右，提高了充电质量和效率，充电工人只担任辅助性工作，为充电技术和充电设备的智能化发展闯出了一条新路。随着铅酸蓄电池在人们生活中的应用越来越普遍，智能型充电器的智能要求也越来越高，本次的课题就是对智能电池充电器的设计和研究。2铅酸蓄电池的工作原理及充放电过程2.1铅酸蓄电池的基本概念由于蓄电池的充放电本身涉及到许多相关的专业知识，为了能够更好的理解本课题，本节将要简单介绍有关的铅酸蓄电池一些知识。蓄电池容量蓄电池容量是指在一定条件下可以从蓄电池获得的电量（用C表示），单位常用安培小时(Ah)表示，是蓄电池性能的重要指标。容量分为理论容量、实际容量和额定容量。理论容量（Co）是假设活性物质全部参加放电反应给出的容量。实际容量（C）是在一定放电条件下蓄电池实际放出的容量。额定容量（C额）是在设计和生产蓄电池时，规定或保证在指定的放电条件下蓄电池应放出的最低限度的电量。蓄电池容量除了与极板表面进行的电化学反应的物质数量有关外，还与极板表面活性物质的利用率、孔率、极板厚度、极板的表面积有关。此外还受电解液密度、温度、放电条件（即：充电程度、放电率等）、蓄电池新旧程度等影响。在使用过程中，容量受放电率、电解液温度的影响是主要的。当放电率较小，电压下降缓慢，蓄电池实际放出的电量较高，当放电率变大时，电压下降变快，蓄电池实际放出的电量较低。在一定范围内，电解液温度高，蓄电池的活性增加，内阻变小，容量变高，电解液温度低时，蓄电池的活性降低，内阻变大，容量降低。（2）蓄电池的内阻（）内阻（）又称全内阻，是指电流通过蓄电池时所受到得阻力，包括欧姆电阻和电化学反应中电极极化产生的电阻，即：=+（2.1）欧姆电阻（）：包括电极材料、电解液、隔板等组成的电阻，还与电池的尺寸、装配、结构等因素有关。极化电阻（）：包括蓄电池使用过程中浓差极化和电化学极化产生的电阻之和。主要与电极材料的本性、电极的结构和制造工艺以及使用条件等因素有关。内阻越小，在同样的放电条件可以消耗较少的电能，输出较多的电能，提高电能利用率，从而提高蓄电池性能。（3）充电速率和放电速率为了对不同容量的电池加以比较，蓄电池的充电电流不用电流的绝对值来表示，而是用电池的额定容量C额和放电时间T的比来表示，称为电池的充电速率或放电速率。国家标准规定，铅酸蓄电池的额定容量按5小时连续放电来表示，即C5，例如一个额定容量C5为10Ah的电池，充电5小时后，电池完全充满，则它的充电电流为：（2.2）即它的充电速率为0.2C5 （2.3）即它的充电速率为0.1C5充电终止电压和放电终止电压蓄电池充足电时，极板上的活性物质已达到饱和状态，再继续充电，蓄电池的电压也不会上升，此时的电压称为充电终止电压。放电终止电压是指蓄电池可放电的最低电压，如果电压低于放电终止电压后继续放电，电池两端电压会迅速下降，形成过放电。这极易对电池造成永久性损害，影响蓄电池的使用寿命。放电终止电压和放电率有关。电池的过充电当高速率充电而又不能及时地在满充电后结束充电过程，电池则很容易存在大电流过充的问题。过充电会使电池内部的温度和电压都急剧上升，造成对电池的损害。这是因为在过充电阶段电池内部所进行的反应为消耗反应，它会增大电池内部的压力，同时，由于氧气的产生和吸收都是放热反应，这就使电池温度迅速上升。因此在电池充电接近满充电时，只能采用低速率充电。这是因为电池在低电流过充电时所产生的极化现象较轻，同时电池的热量可以及时地向空中散发，基本上不会对电池造成伤害。电池的极化现象由于蓄电池内阻并不是纯电阻，所以蓄电池的端电压也与其他电源有所不同。该值与蓄电池的工作状态有关，它一般有三种状态的值：=1\*GB3①当蓄电池为开路状态时，所测得的电池两极间的电压称为电池的开路电压；=2\*GB3②当蓄电池充电时所测得的电压称为电池的充电电压；=3\*GB3③电池放电时测得的电压称为放电电压。这三种状态的电压具有下述特点：充电电压高于开路电压，而且随着充电时间的增加而略有升高，放电电压则低于开路电压，而且随着放电时间的增加而略有降低，这种现象称为电池的极化。这种现象的产生，主要是因为一般的密封式蓄电池在充电过程中，内部会产生氧气和氢气，其中主要是氧气，氢气只占一小部分，当产生的氧气不能被及时吸收时，它便堆积在正极板上，使得电池内部压力增大，电池温度上升，同时缩小了电池正极板的板面积，表现为电池内阻上升，即使得电池出现了所谓的极化现象。上面提到的蓄电池的极化电阻正是由于电池的极化现象所表现出来的。当充电速率较低时，充电时所产生的氧气可以被及时吸收，因此电池的极化现象很轻，一般不会对电池造成很大的伤害，当高速率恒流充电时，这一现象则不容忽视。蓄电池的极化现象对蓄电池的工作是不利的。它不仅使电池发热，而且降低了电池的效率，同时也加速了电池的老化。电池的老化电池的老化是指另外一种现象：电池在开始使用的一段时间内，电池容量增加大约5%-10%，接下来的一段时间，电池的容量大约不变，然后开始慢慢减少，即开始了电池的老化过程。当电池的老化达到一定程度时，这个电池就报废了。一般经验来讲，当电池的容量达到额定容量的80%时，就可以认为电池的寿命基本结束了。使用寿命使用寿命是指在其实际容量降低至某一规定值之前所经历的充放电的次数，通常用来定义蓄电池的使用寿命，使用寿命是铅酸蓄电池的重要指标之一，与使用中的放电深度、温度、充放电等条件有关。减少放电深度或采用浅放电可大大延长蓄电池的使用寿命。充电时采用大电流充电，会造成蓄电池温度高，损害蓄电池的寿命。影响使用寿命的原因有以下几方面：正极板的板栅变形、板栅腐蚀、活性物质在使用过程中发生钝化或产生不可逆硫酸盐化等问题，都会造成使用寿命缩短。自放电现象当电池处于闲置不用（非工作状态）时，虽然没有电流流过蓄电池，但电池内的活性物质与电解液间自发的反应却一直在进行，这造成了电池内的化学能量无益的损耗，使电池的容量下降，通常将这种现象称为电池的自放电。自放电的大小一般用单位时间的电池容量下降得百分比来表示，见公式2.4： （2.4）其中，QO为蓄电池在规定条件下的容量，Qf为电池存储一段时间后，在同样规定条件下的容量。自放电通常与环境温度有密切联系。当环境温度较高时，电池的自放电现象比较明显，所以电池应在适宜的温度和湿度下保存，自放电一般不会损伤电池，只要重新充足电量，还可以照常使用。铅酸蓄电池的自放电相对镍铬电池来讲比较严重，经验表明，铅酸蓄电池在闲置一个月后，自放电达30%左右。考虑到这一点，在设计蓄电池充电器时，应能在电池长时间不用的情况下对电池进行补充充电。2.2铅酸蓄电池的工作原理2.2.1铅酸蓄电池电动势的产生铅酸蓄电池充电后，正极板二氧化铅（PbO2），在硫酸溶液中水分子的作用下，少量二氧化铅与水生成可离解的不稳定物质--氢氧化铅（Pb(OH)4），氢氧根离子在溶液中，铅离子留在正极板上，故正极板上缺少电子。铅酸蓄电池充电后，负极板是铅（Pb），与电解液中的硫酸（H2SO4）发生反应，变成铅离子（Pb2+），铅离子转移到电解液中，负极板上留下多余的两个电子（2e）。可见，在未接通外电路时（电池开路），由于化学作用，正极板上缺少电子，负极板上多余电子，两极板间就产生了一定的电位差，这就是电池的电动势。2.2.2铅酸蓄电池放电过程的电化反应铅酸蓄电池放电时，在蓄电池的电位差作用下，负极板上的电子经负载进入正极板形成电流I。同时在电池内部进行化学反应。负极板上每个铅原子放出两个电子后，生成的铅离子（Pb2+）与电解液中的硫酸根离子（SO42-）反应，在极板上生成难溶的硫酸铅（PbSO4）。正极板的铅离子（Pb4+）得到来自负极的两个电子（2e）后，变成二价铅离子（Pb2+），与电解液中的硫酸根离子（SO42-）反应，在极板上生成难溶的硫酸铅（PbSO4）。正极板水解出的氧离子（O2-）与电解液中的氢离子（H）反应，生成稳定物质水。电解液中存在的硫酸根离子和氢离子在电力场的作用下分别移向电池的正负极，在电池内部形成电流，整个回路形成，蓄电池向外持续放电。放电时H2SO4浓度不断下降，正负极上的硫酸铅（PbSO4）增加，电池内阻增大（硫酸铅不导电），电解液浓度下降，电池电动势降低。2.2.3铅酸蓄电池充电过程的电化反应充电时，应在外接一直流电源（充电极或整流器），使正、负极板在放电后生成的物质恢复成原来的活性物质，并把外界的电能转变为化学能储存起来。在正极板上，在外界电流的作用下，硫酸铅被离解为二价铅离子（Pb2+）和硫酸根负离子（SO42-），由于外电源不断从正极吸取电子，则正极板附近游离的二价铅离子（Pb2+）不断放出两个电子来补充，变成四价铅离子（Pb4+），并与水继续反应，最终在正极极板上生成二氧化铅（PbO2）。在负极板上，在外界电流的作用下，硫酸铅被离解为二价铅离子（Pb2+）和硫酸根负离子（SO42-），由于负极不断从外电源获得电子，则负极板附近游离的二价铅离子（Pb2+）被中和为铅（Pb），并以绒状铅附着在负极板上。电解液中，正极不断产生游离的氢离子和硫酸根离子（SO42-），负极不断产生硫酸根离子（SO42-），在电场的作用下，氢离子向负极移动，硫酸根离子向正极移动，形成电流。充电后期，在外电流的作用下，溶液中还会发生水的电解反应。2.2.4铅酸蓄电池充放电后电解液的变化从上面可以看出，铅酸蓄电池放电时，电解液中的硫酸不断减少，水逐渐增多，溶液比重下降。铅酸蓄电池充电时，电解液中的硫酸不断增多，水逐渐减少，溶液比重上升。实际工作中，可以根据电解液比重的变化来判断铅酸蓄电池的充电程度[5]。2.3蓄电池的充电工作特性上世纪60年代中期，美国科学家马斯对开口蓄电池的充电过程作了大量的试验研究，并提出了以最低出气率为前提的，蓄电池可接受的充电曲线，如图2-1所示。实验表明，如果充电电流按这条曲线变化，就可以大大缩短充电时间，并且对电池的容量和寿命也没有影响。原则上把这条曲线称为最佳充电曲线，从而奠定了快速充电方法的研究方向。由图2-1可以看出：初始充电电流很大，但是衰减很快。主要原因是充电过程中产生了极化现象。在密封式蓄电池充电过程中，内部产生氧气和氢气，当氧气不能被及时吸收时，便堆积在正极板（正极板产生氧气），使电池内部压力加大，电池温度上升，同时缩小了正极板的面积，表现为内阻上升，出现所谓的极化现象。图2-1最佳充电曲线常规充电技术常规充电制度是依据1940年前国际公认的经验法则设计的。其中最著名的就是“安培小时规则”：充电电流安培数，不应超过蓄电池待充电的安时数。实际上，常规充电的速度被蓄电池在充电过程中的温升和气体的产生所限制。这个现象对蓄电池充电所必须的最短时间具有重要意义。一般来说，常规充电有以下3种。=1\*GB3①恒流充电法恒流充电法是用调整充电装置输出电压或改变与蓄电池串联电阻的方法，保持充电电流强度不变的充电方法，如图2-2所示。控制方法简单，但由于电池的可接受电流能力是随着充电过程的进行而逐渐下降的，到充电后期，充电电流多用于电解水，产生气体，使出气过甚，因此，常用于阶段充电法中。图2-2恒流充电曲线=2\*GB3②阶段充电法此方法包括二阶段充电法和三阶段充电法。二阶段法采用恒电流和恒电压相结合的快速充电方法，如图2-3所示。首先，以恒电流充电至预定的电压值，然后，改为恒电压完成剩余的充电。一般两阶段之间的转换电压就是第二阶段的恒电压。图2-3二阶段法曲线三阶段充电法在充电开始和结束时采用恒电流充电，中间用恒电压充电。当电流衰减到预定值时，由第二阶段转换到第三阶段。这种方法可以将出气量减到最少，但作为一种快速充电方法使用，受到一定的限制。=3\*GB3③恒压充电法充电电源的电压在全部充电时间里保持恒定的数值，随着蓄电池端电压的逐渐升高，电流逐渐减少。与恒流充电法相比，其充电过程更接近于最佳充电曲线。用恒定电压快速充电，如图2-4所示。由于充电初期蓄电池电动势较低，充电电流很大，随着充电的进行，电流将逐渐减少，因此，只需简易控制系统。图2-4恒压充电法曲线这种充电方法电解水很少，避免了蓄电池过充。但在充电初期电流过大，对蓄电池寿命造成很大影响，且容易使蓄电池极板弯曲，造成电池报废。鉴于这种缺点，恒压充电很少使用，只有在充电电源电压低而电流大时采用。例如，汽车运行过程中，蓄电池就是以恒压充电法充电的。快速充电技术为了能够最大限度地加快蓄电池的化学反应速度，缩短蓄电池达到满充状态的时间，同时，保证蓄电池正负极板的极化现象尽量地少或轻，提高蓄电池使用效率。快速充电技术近年来得到了迅速发展。下面介绍目前比较流行的几种快速充电方法。这些方法都是围绕着最佳充电曲线进行设计的，目的就是使其充电曲线尽可能地逼进最佳充电曲线[2]。=1\*GB3①脉冲式充电法这种充电法不仅遵循蓄电池固有的充电接受率，而且能够提高蓄电池充电接受率，从而打破了蓄电池指数充电接受曲线的限制，这也是蓄电池充电理论的新发展。脉冲充电方式首先是用脉冲电流对电池充电，然后让电池停充一段时间，如此循环，如图2-5所示。充电脉冲使蓄电池充满电量，而间歇期使蓄电池经化学反应产生的氧气和氢气有时间重新化合而被吸收掉，使浓差极化和欧姆极化自然而然地得到消除，从而减轻了蓄电池的内压，使下一轮的恒流充电能够更加顺利地进行，使蓄电池可以吸收更多的电量。间歇脉冲使蓄电池有较充分的反应时间，减少了析气量，提高了蓄电池的充电电流接受率。图2-5脉冲式充电曲线=2\*GB3②REFLEXTM快速充电法这种技术是美国的一项专利技术，它主要面对的充电对象是镍镉电池。由于它采用了新型的充电方法，解决了镍镉电池的记忆效应，因此，大大降低了蓄电池的快速充电的时间。铅酸蓄电池的充电方法和对充电状态的检测方法与镍镉电池有很大的不同，但它们之间可以相互借鉴。如图2-6所示，REFLEXTM充电法的一个工作周期包括正向充电脉冲，反向瞬间放电脉冲，停充维持3个阶段[2][14][15][16]。图2-6REFLEXTM快速充电法=3\*GB3③变电流间歇充电法这种充电方法建立在恒流充电和脉冲充电的基础上。其特点是将恒流充电段改为限压变电流间歇充电段。充电前期的各段采用变电流间歇充电的方法，保证加大充电电流，获得绝大部分充电量。充电后期采用定电压充电段，获得过充电量，将电池恢复至完全充电态。通过间歇停充，使蓄电池经化学反应产生的氧气和氢气有时间重新化合而被吸收掉，使浓差极化和欧姆极化自然而然地得到消除，从而减轻了蓄电池的内压，使下一轮的恒流充电能够更加顺利地进行，使蓄电池可以吸收更多的电量。=4\*GB3④变电压间歇充电法在变电流间歇充电法的基础上又有人提出了变电压间歇充电法。与变电流间歇充电方法不同之处在于第一阶段的不是间歇恒流，而是间歇恒压。比较=3\*GB3③和=4\*GB3④两种方法，可以看出：=4\*GB3④方法更加符合最佳充电的充电曲线。在每个恒电压充电阶段，由于是恒压充电，充电电流自然按照指数规律下降，符合电池电流可接受率随着充电的进行逐渐下降的特点。=5\*GB3⑤变电压变电流波浪式间歇正负零脉冲快速充电法综合脉冲充电法、REFLEXTM快速充电法、变电流间歇充电法及变电压间歇充电法的优点，变电压变电流波浪式正负零脉冲间歇快速充电法得到发展应用。脉冲充电法充电电路的控制一般有两种：其一为脉冲电流的幅值可变，而PWM（驱动充放电开关管）信号的频率是固定的；其二为脉冲电流幅值固定不变，PWM信号的频率可调。=5\*GB3⑤方法采用了一种不同于这两者的控制模式，脉冲电流幅值和PWM信号的频率均固定，PWM占空比可调，在此基础上加入间歇停充阶段，能够在较短的时间内充进更多的电量，提高蓄电池的充电接受能力[2][5][12]。2.4充电终止条件控制方法蓄电池在充足电后，电池的温度和内压都会快速的上升，同时电池的端电压开始下降出现电压负增量，如果此时继续进行快速大电流充电，对蓄电池的损害是显然的。因此，为了保证电池能充电又不过充电，必须采用一定的方法来控制充电的停充问题。现阶段采用的控制方法很多，通常使用的有定时控制，电压控制，温度控制及最小终止电流等方法进行充电终止控制。在铅酸蓄电池充电器中，通常采用电压控制，最长充电时间（定时控制），蓄电池温度等控制，本文采用电压控制，温度控制和电流控制相结合的方法。2.4.1电压控制在电压控制法中，最容易检测的是电池的最高电压。常用的电压控制法有：最高电压控制，电压负增量控制，电压二次导数控制。最高电压控制从充电特性曲线可以看出，电池电压达到最大值时，电池即充足电。充电过程中，当电池电压达到规定值后，应立即停止充电。这种控制方法的缺点是：电池充电的最高电压随环境温度，充电速率而变化，因此，最高检测电压必须采用一定的温度补偿，并且还必须根据充电速率加以适当修正，若最高检测电压不能随温度变化而自动调整，则低温时，电池充不足电，高温时，电池充足电后仍会继续大电流过充。这样，可能降低电池寿命，也可能损坏电池。另外，蓄电池组中各单体电池的最高充电电压也会有差别，因此采用这种方法不可能非常准确地判断电池已充足电。电压负增量控制由于电池电压的负增量与电池组的绝对电压有关，而且不受环境温度，充电速率等因素的影响，因此，可以比较准确地判断电池已充足电。采用这种检测法的快速充电器，可以对电池数不同的电池组充电。负增量检测法的缺点是：电池电压出现负增量后，电池已经过充电，因此电池温度较高。此外，镍氢电池充足电后，电池电压要经过较长时间才出现负增量，过充电较严重。因此，这种控制方法主要应用于镍铬电池。为了避免环境温度过高时损坏电池，最好与其他控制方式配合使用。电压二次导数控制这种控制方法是通过检测电池电压的二次导数来实现控制的，实验证明，当电池在充足电时，电压的二次导数将达到某一个确定的值，此时结束充电即可。这种方法适用于恒流充电模式。2.4.2定时控制通常用在恒流充电模式中。例如，对于10Ah的蓄电池，采用0.2C5充电速率，电池5h可充足；采用0.4C5这种控制方法比较简单，但是由于电池的起始充电状态不完全相同，有的电池充不足，有的电池过充电，然而充电时间是固定的，所以不能根据电池充电前的状态来自动调整。因此，只有充电速率小于0.3C52.4.3温度控制为了避免损坏电池，电池温度过低时不能立即开始快速充电过程，电池充足电后，充入的电量都消耗在电池中，电池的温度很快上升，电池温度上升到规定数值后，必须立即停止充电过程。电池的温度可以通过与电池在一起的温度传感器件来检测，当电池温度超过规定值时（一般为50℃），充电器能自动转入浮充电模式。当环境温度较低时，规定的最高温度值相对过高（50℃），这样容易造成过充电，容易损坏电池。为避免损坏电池，又常采用温升控制法，即当温升达到一定值时，充电器便自动转入浮充电模式。上述各种控制方法各有优缺点。为了保证在任何情况下，均能准确可靠地控制电池的充电状态，目前快速充电器中通常采用包括时间控制，电压控制和温度控制的综合控制法。2.5智能充电器的充电过程对于铅酸蓄电池来讲，常用的充电方式有恒流限压和恒压限流两种充电方式，然而，单独采用其中的一种充电方式，没有动态跟踪电池的实际状态和可接受充电电流大小的技术，对铅酸蓄电池的充电效果不是很理想。根据铅酸蓄电池的使用阶段及蓄电池的特性，为了进一步延长蓄电池的使用寿命，在长期使用和经验总结的基础上，对蓄电池进行了四个阶段的充电以达到最优的效果。（1）预充阶段即涓流充电阶段当系统检测到蓄电池亏电时，首先以小电流充电，主充电流一般采用0.05倍率：（3.1）式中：蓄电池的电池容量当电池电压升至接近额定电压（一般取1.9V/单体）时，进入主充电阶段。（2）主充阶段主充阶段以恒流方式充电。主充时的充电电流一般采用0.3倍率：（3.2）式中：蓄电池的电池容量当电池电压升至均充电压（一般取2.1V/单体）时，进行限压充电，充电过程进入下一阶段。（3）均充阶段即恒压充电阶段随着限压充电的进行，电池电流也随之逐渐降低。当充电电流降低到浮充电流时，电池已基本充满，其中：（3.3）（4）浮充阶段低压小电流充电阶段，以补充电池的自然放电浮充时，须将充电电压稳定在蓄电池的额定电压附近（比主充最高限压V要低）。因此，充电电流与主充时相比很小，但是，由于工作情况的复杂性，浮充时也有电流较高的可能（如电池严重亏电，漏电，负荷过重等）。这时应采取限流措施，保持电流不超过某一设定值而使电压降低，待电流降低，电压升高后再稳压，这就是恒压限流的含义[3][10][11]。3智能充电器的硬件设计3.1智能充电器的总体设计要求及设计方案铅酸蓄电池充电器性能的优劣直接影响充电电池的使用寿命，用户对充电器的要求主要有两个方面：其一是要有较高的性能指标，如由平均无故障运行时间所表达的可靠性，由稳压稳流精度，动态调整速度及纹波系数等所表达的动、静态特性，其二是要有较为完善的自我检测与控制功能，有较高的智能水平，能对充电电压，电流进行检测等。智能充电器的基本功能如下：通过对铅酸蓄电池的电压，电流进行定时的检测，输入到单片机，单片机根据得到的数值进行一系列的处理后输出到八段码中，用来告诉用户充电进行到哪个阶段。直到充电结束蜂鸣器发声，提醒用户充电已完成。单片机将检测到的数据经过一定的处理输出到硬件上，通过PWM脉冲宽度来调整充电的阶段的电流和电压，以达到更好的充电效果。同时还进一步设置了防止电池过充以损害电池的装置。针对上述功能，它的硬件结构框图如图3-1所示：图3-1智能充电器的硬件结构框图其中单片机采用了由AD公司生产的ADuc824，它内含有两个独立的A/D转换通道和一个D/A转换通道，并且内部还有一个温度传感器，为设计外围电路接口提供了方便。PWM电路是通过TL494芯片通过数据的采集输出一定宽度的脉冲波来控制电池的充电阶段，从而实现充电电池的智能型充电。电压检测电路和电流检测电路分别采用将检测到的电压和电流通过放大器和光电藕隔离器进行转换使得输出的电压和电流能够满足单片机的+5V电压范围。显示和报警电路是通过单片机控制来显示电池组当前的充电状态，提示用户当前进入的状态。3.2单片机部分3.2.1ADuC824的介绍单片机选用性价比较高的AD公司生产的ADuC824.

ADuC824是AD公司新推出的高性能单片机，它在内部集成了高分辨率的A/D转换器，是目前片内资源最丰富的单片机之一。它将8051内核、两路24位+16位∑-△A/D、12位D/A、FLASH、WDT、μP监控电路、温度传感器、SPI和I2C（1）ADuC824的性能特点

ADuC824是一个片内资源非常丰富的单片机，各种片内资源都有其独自的特点，主要表现如下：●高分辨率∑-△ADCS有两个独立的通道(24位+16位分辨率)；内含可编程增益放大器；在20Hz/20mV范围内有13位有效分辨率；在20Hz/2.56V范围内有18位有效分辨率。●存储器8K字节片内Flash/EE程序存储器；640字节片内Flash/EE数据存储器；256字节片内RAM。●8051内核可与8051指令系统兼容(最高时钟频率12.58MHz)；具有32kHz外部晶振和片内PLL；有3个16位定时/计数器；内含12个中断源、2个优先级。●电源可用于3V或5V操作；一般情况下为3mA/3V(核心时钟频率为1.5MHz)；掉电保持电流为20μA(32kHz的晶振运行频率)。●内含的其它外围设备有：片内温度传感器；12位电压输出DAC；双激励恒流源；时间间隔计数器；2线(I2C可兼容)和SPI串行I/O看门狗定时监视器(WDT)；电源供电监视器(PSM)。ADuc824的结构ADuc824的内部功能结构如图3-2所示。图3-2ADuC824的内部功能结构=1\*GB3①双通道∑-△型A/D

ADuC824包括两个带有数字滤波器的∑-△ADC通道(主通道和辅助通道)。主通道用于测量主传感器的输入，这个通道具有缓冲器，可以接收来自输入管脚Ain1/2和Ain3/4的差分信号。在缓冲器意味着可处理较高内阻的信号源，而且可在输入通道前加入模拟RC滤波器。主通道可通过调节编程放大器的增益而接收±20mV，±40mV，±2.56V等几种量程的输入。辅助通道用于接收辅助信号的输入，例如冷端二极管或热敏电阻的输入，此通道无缓冲器，只有一个固定为±2.56V的输入范围。AD通道的设置和控制是通过专用寄存器块(SFR)中的一组寄存器来实现的。其名称以及在SFR中的地址和功能如下：ADSTAT(D8H)：状态寄存器，包括数据准备就绪、校准状态和一些出错信息ADMODE(D1H)：模式寄存器，控制主通道和辅助通道的操作模式AD0CON(D2H)：主通道控制寄存器AD1CON(D3H)：辅助通道控制寄存器SF(D4H)：数字滤波器寄存器，通过调节滤波器参数来控制主、辅通道数据的更新速率ICON(D5H)：恒流源控制寄存器，用于控制片内恒流源(片内有两个200μA恒汉源，可缎带外接变送器提供激励电流)AD0L/M/H(D9/DA/DBH)：三字节，用于存放主通道24位转换结果AD1L/H(DC/DDH)：两字节，用于存入辅助通道16位转换结果OF0L/M/H(E1/E2/E3H)：三字节，用于存放主通道偏移校准系数OF1L/H(E4/E5H)：两字节，用于存入辅助通道偏移校准系数GN0L/M/H(E9/EA/EBH)：三字节，用于存放主通道增益校准系数GN1LH(EC/EDH)：两字节，用于存放辅助通道增益校准系数=2\*GB3②ADuC824的存储器结构ADuC824的片内存储器包括8K字节片内Flash/EE程序存储器、640字节片内Flash/EE数据存储器和256字节片内RAM。图3-3内部数据存储器中的配置图ADuC824的程序和数据存储器有分开的寻址空间。如用户在EA置0时上电或复位，则芯片执行外部程序空间的指令而不能执行内部8KFlash/EE程序存储器空间的指令。若EA被置0，则从内部8KFlash/EE开始执行程序。附加的640字节Flash/EE数据存储器是通过专用寄存器块(SFR)中的一组控制寄存器来间接访问的。ADuC824的片内Flash/EE程序存储器可用两种模式进行编程：即在线串行下载和并行编程。另外，ADuC824还可通过标准的UART串行端口下载源代码。若管脚PSEN通过一个下拉电阻被下拉，芯片则自动进入串行下载模式。当设备连接正确时源代码将自动载入到程序存储器，并可通过这种方式进行在线编程。③其它外设DACADuC824上集成了一个12位电压输出的数据转换器。它有一个轨对轨的电压输出缓冲，可驱动10kΩ/100pF的负载。它有两个输出范围：0到VREF和0到AVDD，能以8位或12位模式工作。DAC有一个控制存储器DACCON和两个数据寄存器DACL/H。片内PLL一般∑-△型AD都需外接一个晶振，CPU工作也需要外部晶振。ADuC824使用一个32.768kHz的外部晶振同时为AD和CPU提供时钟信号。片内PLL以倍速锁存(32×16倍)方式为系统提供稳定的12.582912MHz的时钟信号。CPU核心可以用这个频率工作，也可以以该频率分频后的频率工作，以降低功耗，减少干扰。AD时钟也来源于PLL时钟，其调制速度和晶振频率相同。以上的频率选择保证了AD调制器和CPU核心的时钟同步。PLL的控制寄存器是PLLCON。时间间隔计数器(TIC)时间间隔计数器可用于计量较长的时间间隔，而标准8051的定时/计数器却不能。有六个SFR寄存器与TIC有关，TIMECON是它的控制寄存器，INTVAL是用户定时设置寄存器，当TIC的计时器达到INTCVAL的设置值时，TIC将有一个主动的输出，此输出可引发一个中断或使TIMEON中的TII位置位。HOUR、MIN、SEC、HTHSEC分别是时、分、秒、1/128秒的寄存器。ADuC824的外设还包括片内温度传感器、门狗定时器(WDT)、电源供电监视器(PSM)、SPI串行接口和I2C串行接口等[6]3.2.2单片机电路部分本次设计采用ADuC824，其连接电路图如图3-4。图3-4单片机连接电路由于本单片机采用的是ADuC824，其使用的是一个外部晶振为32.768kHz频率的时钟为CPU提供时钟周期，片内PLL以倍速锁存(32×16倍)方式为系统提供稳定的12.582912MHz的时钟信号。为了与平时学的80C51的12MHz的晶振频率一致,且易编程，我们可以对片内PLL的控制寄存器PLLCON进行软件设计来实现12MHz的晶振频率。当电压检测量VOLTAGE/AIN3和电流检测量CURRENT/AIN1送入到单片机的两个独立的模数转换通道，单片机将模拟量转化为数字量，进而进行一定的数据分析，确定充电进入充电四个阶段的哪个阶段，同时将转化的数字量通过数模转换送到TL494的放大器的同相输入端DTC，单片机在确定充电进入哪个阶段后，将通过P0口输出给8段码显示，用来告诉用户当前电池的充电的状态，并且当充电结束时，单片机将驱动蜂鸣器发声，提醒用户充电已结束[6][13][17]。3.3充电电路设计部分3.3.1充电电路电源部分该电路属于降压扼流圈电路，输出电压比输入电压低时使用，如图3-5所示的电路中，220伏市电经变压器降压后，由整流器整流和大电容C1平滑滤波，作为直流充电电源。PWM控制信号的高电平脉冲出现，使MOSFET导通之后，电感L1的电流不断增大，电容C2充电，该电路不断存储能量，同时通过电感L2对电池充电，此时，续流二极管因反向偏置而截止。经过PWM高电平脉冲持续时间后，PWM信号变低，MOSFET截止，电感L1中的电流减小，L1两端的感应电动势使续流二极管导通，L1中的存储电流和电容C2存储电荷向电池充电。经过PWM信号的低电平持续时间后，PWM信号的又一高电平到来，再度使MOSFET导通，上述过程重复发生。电感L2的作用是平滑充电电流[1][7]。图3-5充电电源电路3.3.2控制电路控制电路用来产生PWM波，在这里采用了TL494来实现。TL494是美国德州仪器公司生产的一种电压驱动型脉宽调制控制集成电路，主要应用在各种开关电源中，TL494价格低廉，易购得，和分立单元系统相比，在一个芯片内，同时解决了电流和电压调节器，脉宽调制，最大电路限制。芯片内还设有附加监控保护功能，使得它可获得更优良的工作性能，提高了抗干扰能力和可靠性，系统结构更简洁，缩小了空间。由TL494、单片机组成的充电控制回路，构成闭环控制系统。（1）TL494管脚配置及其功能TL494的内部电路由基准电压产生电路、振荡电路、间歇期调整电路、两个误差放大器、脉宽调制比较器以及输出电路等组成。图3-6是它的管脚图和内部结构原理图，其中1，2脚是误差放大器=1\*ROMANI的同相和反相输入端；3脚是相位校正和增益控制；4脚为间歇期调整，其上加0-3.3V电压时可使截止时间从2%线性变化到100%；5，6脚分别用于外接振荡电阻和振荡电容；7脚为接地端；8，9脚和11，10脚分别为TL494内部两个末级输出三极管集电极和发射极；12脚为电源供电端；13脚为输出控制端，该脚接地时为并联单端输出方式，接14脚时为推挽输出方式；14脚为5V基准电压输出端，最大输出电流10mA；15，16脚是误差放大器=2\*ROMANII的反相和同相输入端。图3-6TL494的管脚图和内部结构(2)TL494回路控制原理TL494内部振荡器产生的锯齿波送到PWM比较器的反相输入端，脉冲调宽电压由ADuc824检测到电池电压、电流及温度等参数经处理做出判断，确定当前的充电阶段，经D/A转换器输出电压信号送到比较器的同相输入端DTC，TL494内部PWM比较器比较后输出一定宽度的脉冲波。当调宽电压变化时，TL494输出的脉冲宽度也随之改变，从而改变MOSFET的导通时间，达到调节、稳定输出电压的目的，使电池电压与设定值保持一致，形成闭环回路控制。本次设计只采用一组PWM输出，故TL494采用单端输出方式。单端输出时TL494的Q1和Q2并在一起输出PWM波，如图3-7所示。图3-7单端输出连接图检测到的电池电流转换为0-5V的电信号，通过简单滤波电路进行平滑、去除杂波干扰后的CURRENT/AIN1送给TL494的误差放大器Ⅰ的V1+同相输入端。设定输入信号是由TL494的+5V基准电压源经一精密多圈电位器分压，由电位器滑动端通过滤波电路接入TL494的误差放大器Ⅰ的V1-一反相输入端。反馈信号和设定信号通过TL494的误差放大器后进行比较放大，进而控制停止PWM输出，防止过充电。在这次的设计中只用到了TL494的误差放大器Ⅰ，故将误差放大器Ⅱ的V2+（16脚）接地、V2-（15脚）接高电平[8][9]。TL494的控制回路电路图如图3-8所示。图3-8TL494控制回路电路3.3.3检测电路检测电路包括电压检测电路、电流检测电路、温度检测电路，由于ADuc824自带内部温度传感器，本节着重介绍电压和电流检测电路。电压检测电压检测电路的设计主要考虑的问题是:在正常充电的过程中，电池端电压Ubat的变化范围是0V到15V，要使单片机检测Ubat的变化映射到0V到5V的范围内，在测量中，需要用低压器件去测量高压、强电流模拟量，如果模拟量与数字量之间没有电气隔离，那么，高电压、强电流很容易串入低压器件，并将其烧毁。本设计采用精密电阻进行比例衰减，把输入电压量程范围转化为AD转换器的量程范围，然后经RC滤波，再送给AD转换器测量。线性光藕可以较好的实现输入侧和输出侧之间的隔离，且输出侧跟随输入变化，线性度达0.01%。电压采样电路的工作原理如图4-9所示：图3-9电压检测电路输入电压： （4.1）经分压衰减变成 （4.2）忽略运放的电流，根据虚地原理，有所以第一路光藕的输出 （4.3）由于光藕和的原边电流相同，且2个光藕制造工艺相同，所以可近似地认为它们的电流放大倍数是相同的。即两路光藕的输入输出电流之比（4.4）因为A/D的输入阻抗很高，所以 （4.5）把、、、的阻值代入得 （4.6）调节，使得采样电路输出的电压为 （4.7）/r