可编程智能充电器设计与实现(1)

可编程智能充电器设计与实现

目录

一、系统总体方案设计-------------------2

二、硬件模块方案设计论证---------------3

三、理论分析与设计---------------------6

四、程序设计---------------------------7

五、总结-------------------------------8

六、参考文献---------------------------9

摘要：本系统是基于STC12C5A60S2单片机为控制核心，利用单片机内部 PWM脉宽调制产生可用软件控制的充电电源。整个系统控制的过程中，首先检测电池加入电路后，电池进入充电过程，充电过程分为预

充电过程（涓流充电），恒流充电过程（大电流充电），恒压充电过程

三个过程，其中预充电过程三分钟自动跳入下一过程及恒流充电过

程，当达到系统设定的电压阀值系统自动进入恒压充电过程，由于电

池自身性能因素，当电池两端电压稳定后其电流会慢慢减小，当电流

小到一定值时通过单片机判断充电已完成关断充电电压停止充电。整

个系统具体由恒压电路、恒流电路、电压/电流采集电路、单片机控

制电路（包括单片机内部A/D采集电路）、及数码管/LED显示电路。关键词：STC12C5A60S2单片机，LED显示，恒压、恒流电路，电流采集电路

1、系统方案总体设计

1.1系统组成部分

整个系统具体由恒压电路、恒流电路、电压/电流采集电路、单片机控制电路（包括单片机内部A/D采集电路）、及数码管/LED显示电路。电流采集部分通过用LM324运放搭建的减法器电路，以有效、正常放大差模信号，合理抑致共模信号，采集采样电阻两端的电势差，进而得到电路电流值。恒压电路和恒流部分（电路中的电流以小阻值的采样电阻的电压形式使用）都采用低速低功率高增益的集成四运放LM324构成简单的比较器电路和反馈回路，以实时监控充电电压和反馈电压值来实现相对恒压效应，同时此处反馈回路具有良好的抗共模干扰能力。恒压恒流部分通过二极管IN4148 单向导通特性，进行耦合，实现电路的整体完善控制。如下框图：

1.2系统方案的实施

系统上电开始，通过按键设置充电电压及恒流充电时的电流值（初始化时没有通过按键设置，系统将默认设置我们认为的最佳值）。初始值设置后，系统将检测是否有电池加入电路，主要通过电压采集口电压值来检测，没有检测到电池红LED灯亮。当有检测到电池后，蓝色LED灯亮，说明系统开始给电池充电，先给电池小电流110mA充电三分钟，即涓流充电过程持续三分钟，然后系统自动进入恒流充电过程，大电流快速充电，其中大电流值可以通过按键设置，当检测到电池电压达到一定值后，自动转入恒压充电模式，当电池两端的电压恒定时其电流会慢慢减小，如果检测到电流值小于10mA时系统会将充电电压关断。此时我们可以认为电池充电完成，停止充电。整个过程中两个四位数码管分别显示检测电流值，电压值。

2、硬件模块方案设计论证

2.1 MCU按键、显示电路方案

选择共阳数码管显示部分通过两片74HC595和单片机连通进行控制，两个 LED直接加到单片机P2.3，P2.2上显示电池充电与否，采用共阳连接，按键同样直接加在两个单片机I/O口上。12单片机P1口的特殊功能，其中P1.3， P1.4是PWM脉宽调节输出口，分别输入系统所需控制电压、控制电流的信号， P1.0、P1.1两口采集电池两端充电电流和电压，并在数码管上显示。

单片机部分仿真图

2.2 PWM电压转换模块及调理（调节）方案

本系统中的DAC转换电路模块由STC12C5A60S2单片机自带的两路脉冲宽度调制PWM输出进行相应阻容滤波之后得到想要的直流有效电压值，在将此两路有效电压值输入、匹配至模拟功能电路之前还需加一中间缓冲跟随器电路进行阻抗的变换。其中PWM0为提供充电电路恒定电压参考值，PWM1为提供充电电路恒流（限流）充电参考值。两路PWM，一路PWM调节充电电压；另一路PWM则控制着电流，其是稳定不动的，通过与充电电流实时进行准确比较，以充分实现恒流充电模式，当然在此设计中，绝对恒流是相对而言很难实现的，在控制充电电流范围内有些许小的电流波动还是本系统所能许可的。就此DAC转换方案，相关的

电路原理图如下所示。

2.3 ADC 转换模块及调理（调节）方案

系统中的ADC采样电路模块同上也是借助STC12C5A60S2单片机自带的8路10位高速AD转换器，其处理速度可达250KHZ(25万次/秒)。8路电压输入型A/D，可以做相关温度检测、电池电压检测、按键扫描、频谱检测等。其上电复位后P1口为弱上拉型I/O口，用户可以通过软件设置将8路中的任何一路设置为A/D转换，不需要作为A/D转换使用的口可以继续做为I/O口使用。STC12C5A60S2系列单片机的ADC是逐次比较型ADC。逐次比较型ADC由一个比较器和D/A转换器构成，通过逐次逻辑，从最高位（MSB）开始，顺序地对每一输入电压与内置D/A转换器输出进行比较，经过多次比较，使转换所得的数字量逐次逼近输入模拟量对应值。逐次比较型ADC转换器具有速度高、功耗低等优点。

此电路系统中仅占用其中二路ADC转换；其中一路ADC采样充电电压值，由模拟充电功能电路输出直流电压值，在其端口再接一中间缓冲电压跟随器电路以进行阻抗变换后将其输入给MCU信号调理电路，并通过显示系统实时进行显示和监测；另外一路ADC采样充电电压转电流值，在此采样电路中，优先选用由运放组合而成的减法器电路，将其加至取样电阻两端实时同步采样电压，经运算、变换后便可得出充电电流值的大小。同时，减法器采样电路的巧妙设计也起到正常、有效放大差模信号，合理准确抑制共模信号的作用。依据以上ADC转换方案，其设计电路原理图如下所示。

2.4 恒压、恒流模块及两者耦合电路模块

2.4a恒压模块

本系统上电初始时刻，由外部提供低直流10V电压来为充电系统模拟部分供电，后经功率复合管电路以放大系统电流，提高其带负载的能力。而后又进一步通过电阻分压，反馈一电压值连至电压反馈的运放的反相端，而与之同步进行的由MCU产生的PWM0进行阻容滤波后输出可调的低直流电压值，并接至于电压反馈的运放同相端；二者恰到好处的组合成由运放构成的简单比较器电路模块，使得输出受控于同相端与反相端电压值大小的比较，以此来实现充电过程中恒压电压充电的要求。当运放同相端的电压值大于运放反相端的电压值时，运放输出端一接近于运放供电正电压值；反之，运放输出端一接近于运放供电负电压值。具体恒压电路设计调理原理图如下所示。

2.4b 恒流模块

充电过程中，通过减法器实时采样充电电流，而后以电压的形式反馈至电流反馈的运放的反相端,通过与由MCU产生的PWM1进行阻容滤波后输出可调的低直流电压门限值进行精准比较，以充分实现由限流而导入的恒流充电。当其充电电流反馈电压值大于限流门限电压值时，借助此处

IN4148二极管单向导通特性来实时动态调整充电电压，同步均衡和限制充电电流的增加已达到限流、恒流的目的。从而，便可确保“恒流”、“恒压”充电模式的顺利进行。