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摘要：文章介绍一种基于单片机的通用智能充电器的设计。充电器可以实时采集电池的电压、电流，对充电过程进行智能控制，计算电池已充的电量和剩余的充电时间，还可以通过串口和上位机进行通讯，并给用户显示必要的信息，有虚拟仪表的作用；另外，它也可以改变参数，适应各种不同电池的充电。列举了几种不同的电池充电试验，来说明智能充电器的实用价值。
关键词：智能充电器；智能控制；虚拟仪表
中图分类号：G642 文献标识码：A 文章编号：1006-3315（2008）05-119-02
本文介绍一种基于单片机的通用智能充电器的设计。充电器可以实时采集电池的电压、电流，对充电过程进行智能控制，计算电池已充的电量和剩余的充电时间，还可以通过串口和上位机进行通讯，并给用户显示必要的信息，有虚拟仪表的作用；另外，它也可以改变参数，适应各种不同电池的充电。这里列举几种不同的电池充电试验，来说明智能充电器的实用价值。
一、智能充电器的硬件设计
智能充电器如图所示。主要包括电源变换电路、采样电路、处理器、脉宽调制控制器和电池组等,形成了一个闭环系统。下面对系统的工作原理分几个部分进行简述。
1.处理器
处理器采用51系列单片机89C51。单片机内部有两个定时器，采用11.0592MHz的晶振。单片机的任务是通过采样電路实时采集电池的充电状态，通过计算决定下一阶段的充电电流,然后发送命令给控制器控制电流的大小。单片机通过串口RS232和上位机相连,用于存储数据和虚拟显示。
2.采样部分
电压和电流采样采用模/数转换器AD574。AD574为±15V双电源供电，12位输出，最大误差为±4bit，合计电压0.01V。
充电电流通过电流传感器MAX471转换为电压值。电流采样的电压值和电池组的端电压值两者经过模拟开关CD4051，再经过电压跟随器输入到AD574，分别进行转换，其结果由单片机读取，并进行存储和处理。
3.控制器
控制器采用脉宽调制(PWM)方式控制供电电流的大小。PWM发生器由另一个20MHz的单片机构成，主控制器和它采用中断的方式进行通讯,控制其增大或减小脉宽。PWM信号通过光电隔离驱动主回路上的MOSFET。开关管、二极管、LC电路构成开关稳压电源。用PWM方式控制的开关电源可以减小功耗，同时便于进行数字化控制,但母线的纹波系数相对较大。
二、智能充电器的软件设计
1.数据测量
在单片机的测量中，电池电压值和电流测量值经过多路选择器进行选择，然后通过A/D转换器转换为16进制数，直接存入单片机。电池电容量C则需要间接计算，由于每个循环周期检测电流一次，,故可以利用电流值的积分求出电容量C。考虑电池内阻r的影响，可以得到计算电容量的计算公式为：
Cn 1=Cn I·t-I2·r·t
充电时间和剩余充电时间由上位机进行计算，剩余充电时间等于预设的充电时间与已充电时间的差值。其中，预设时间可根据电池的型号预先得到。
2.单片机控制程序设计
对于不同的电池和不同的参数，单片机需要设定不同的充电参数，选择不同的充电策略。另外，程序需要在电池过电流、过电压等异常情况下强制终止充电。以锂离子电池为例，一般采用恒流-恒压充电方式，其充电过程包括小电流预充电、大电流充电、恒压充电等几部分。
在控制恒定电流和恒定电压的过程中，采用比例控制，即如果充电电流I大于设定电流Is，就按照比例减小脉宽;反之按照比例增大脉宽。单片机还需要接收和处理上位机的命令，并根据上位机的要求将数据实时回送给上位机。两者的通讯协议要在程序中预先设定。
3.上位机处理程序设计
上位机程序由VisualC 编写。其任务是每隔1秒钟向串口发送一个查询命令，并读取单片机回送的信息，提取充电电流、充电电压、工作状态等参数。参数经过数制转换和计算后进行显示。软件有着良好的用户界面，可以方便地观测电池目前的工作状态以及剩余充电时间等信息。上位机程序会同时把读到的数据存储到文件中，这些数据可以利用其它数学软件(如Matlab)进行处理。
另外，程序在初始化时要把充电电池的型号参数发送给智能充电器,参数一般包括充电电池的种类(锂离子电池、镍镉电池)、充电电池的容量(单位为mAh)等。根据不同的电池型号,单片机可以设定不同的充电参数,程序可以直接控制单片机的运行与停止。
三、智能充电器的应用试验
1.充电性能试验
这里选用型号为US18650的SONY锂离子电池,其额定容量为1800mAh;经过测量,电池在4.2V左右时的内阻约为0.3Ω。取恒流充电电流为1/3C=0.6A,截止电压为4.2V,充电结束标志电流为0.06A,进行充电试验。右图为充电过程的电压、电流和电容量的曲线。
充电时间约为240分钟，如果需要进一步缩短充电时间，只需在初始化时设定更大的充电电流即可。因为采用PWM控制器,所以电源供电的效率高，从供电电源到充电电池的工作效率,最低时在85%左右。充电电流波动较大,波动系数约为5%。
2.智能充电器通用性试验
选用NOKIA6100锂离子电池(额定容量为550mAh)，用恒流-恒压充电方式进行充电，取恒流充电电流为0.15A,截止电压为4.2V，充电曲线右图所示。
从充电曲线来看,电池电压达到3.96V时就不再上升了，充电电流也不再下降了。可以判断商用电池内部有保护电路,将多余的电流旁路了，这样的保护电路使充电过程中能量损耗很大。试验曲线显示在四小时电池电量已经达到550mAh，但实际上并没有达到满充。此实验证明，此充电器可以作为一般的商用电池的通用充电器，充电速度快，效果良好。不足的是它与实际的充电电池在机械接口上还不能匹配，需要进一步改进。
参考文献
［1］刘滨，王琦，刘丽丽. mC/GUI在MSGl9264液晶上的移植[J].电子技术应用，2004
［2］2001嵌入式系统及单片机国际学术交流会论文集，2001，10
关键词：智能充电器；智能控制；虚拟仪表
中图分类号：G642 文献标识码：A 文章编号：1006-3315（2008）05-119-02
本文介绍一种基于单片机的通用智能充电器的设计。充电器可以实时采集电池的电压、电流，对充电过程进行智能控制，计算电池已充的电量和剩余的充电时间，还可以通过串口和上位机进行通讯，并给用户显示必要的信息，有虚拟仪表的作用；另外，它也可以改变参数，适应各种不同电池的充电。这里列举几种不同的电池充电试验，来说明智能充电器的实用价值。
一、智能充电器的硬件设计
智能充电器如图所示。主要包括电源变换电路、采样电路、处理器、脉宽调制控制器和电池组等,形成了一个闭环系统。下面对系统的工作原理分几个部分进行简述。
1.处理器
处理器采用51系列单片机89C51。单片机内部有两个定时器，采用11.0592MHz的晶振。单片机的任务是通过采样電路实时采集电池的充电状态，通过计算决定下一阶段的充电电流,然后发送命令给控制器控制电流的大小。单片机通过串口RS232和上位机相连,用于存储数据和虚拟显示。
2.采样部分
电压和电流采样采用模/数转换器AD574。AD574为±15V双电源供电，12位输出，最大误差为±4bit，合计电压0.01V。
充电电流通过电流传感器MAX471转换为电压值。电流采样的电压值和电池组的端电压值两者经过模拟开关CD4051，再经过电压跟随器输入到AD574，分别进行转换，其结果由单片机读取，并进行存储和处理。
3.控制器
控制器采用脉宽调制(PWM)方式控制供电电流的大小。PWM发生器由另一个20MHz的单片机构成，主控制器和它采用中断的方式进行通讯,控制其增大或减小脉宽。PWM信号通过光电隔离驱动主回路上的MOSFET。开关管、二极管、LC电路构成开关稳压电源。用PWM方式控制的开关电源可以减小功耗，同时便于进行数字化控制,但母线的纹波系数相对较大。
二、智能充电器的软件设计
1.数据测量
在单片机的测量中，电池电压值和电流测量值经过多路选择器进行选择，然后通过A/D转换器转换为16进制数，直接存入单片机。电池电容量C则需要间接计算，由于每个循环周期检测电流一次，,故可以利用电流值的积分求出电容量C。考虑电池内阻r的影响，可以得到计算电容量的计算公式为：
Cn 1=Cn I·t-I2·r·t
充电时间和剩余充电时间由上位机进行计算，剩余充电时间等于预设的充电时间与已充电时间的差值。其中，预设时间可根据电池的型号预先得到。
2.单片机控制程序设计
对于不同的电池和不同的参数，单片机需要设定不同的充电参数，选择不同的充电策略。另外，程序需要在电池过电流、过电压等异常情况下强制终止充电。以锂离子电池为例，一般采用恒流-恒压充电方式，其充电过程包括小电流预充电、大电流充电、恒压充电等几部分。
在控制恒定电流和恒定电压的过程中，采用比例控制，即如果充电电流I大于设定电流Is，就按照比例减小脉宽;反之按照比例增大脉宽。单片机还需要接收和处理上位机的命令，并根据上位机的要求将数据实时回送给上位机。两者的通讯协议要在程序中预先设定。
3.上位机处理程序设计
上位机程序由VisualC 编写。其任务是每隔1秒钟向串口发送一个查询命令，并读取单片机回送的信息，提取充电电流、充电电压、工作状态等参数。参数经过数制转换和计算后进行显示。软件有着良好的用户界面，可以方便地观测电池目前的工作状态以及剩余充电时间等信息。上位机程序会同时把读到的数据存储到文件中，这些数据可以利用其它数学软件(如Matlab)进行处理。
另外，程序在初始化时要把充电电池的型号参数发送给智能充电器,参数一般包括充电电池的种类(锂离子电池、镍镉电池)、充电电池的容量(单位为mAh)等。根据不同的电池型号,单片机可以设定不同的充电参数,程序可以直接控制单片机的运行与停止。
三、智能充电器的应用试验
1.充电性能试验
这里选用型号为US18650的SONY锂离子电池,其额定容量为1800mAh;经过测量,电池在4.2V左右时的内阻约为0.3Ω。取恒流充电电流为1/3C=0.6A,截止电压为4.2V,充电结束标志电流为0.06A,进行充电试验。右图为充电过程的电压、电流和电容量的曲线。
充电时间约为240分钟，如果需要进一步缩短充电时间，只需在初始化时设定更大的充电电流即可。因为采用PWM控制器,所以电源供电的效率高，从供电电源到充电电池的工作效率,最低时在85%左右。充电电流波动较大,波动系数约为5%。
2.智能充电器通用性试验
选用NOKIA6100锂离子电池(额定容量为550mAh)，用恒流-恒压充电方式进行充电，取恒流充电电流为0.15A,截止电压为4.2V，充电曲线右图所示。
从充电曲线来看,电池电压达到3.96V时就不再上升了，充电电流也不再下降了。可以判断商用电池内部有保护电路,将多余的电流旁路了，这样的保护电路使充电过程中能量损耗很大。试验曲线显示在四小时电池电量已经达到550mAh，但实际上并没有达到满充。此实验证明，此充电器可以作为一般的商用电池的通用充电器，充电速度快，效果良好。不足的是它与实际的充电电池在机械接口上还不能匹配，需要进一步改进。
参考文献
［1］刘滨，王琦，刘丽丽. mC/GUI在MSGl9264液晶上的移植[J].电子技术应用，2004
［2］2001嵌入式系统及单片机国际学术交流会论文集，2001，10