一款基于ATmega128的智能充电方案

摘要：为了提高现在电池用用的寿命，本设计采用以ATmega128为控制核心，辅以其他电路单元，设计了一种智能充电系统。该系统对实验用12 V/12ah铅酸蓄电池进行智能充电，并与普通充电方式进行对比，具有提高充电效率从而延长电池使用寿命的特点。

关键词：ATmega128;蓄电池;智能充电;PWM

随着经济和科技的发展，越来越多的便携小型化家用电器被我们用于日常生活中，伴随这些电器到来的电池也被越来越广泛的应用。目前，使用较多的电池种类有铅酸、锂离子、镍镉蓄电池，它们的容量以及电压等级不尽相同，因而，如何延长蓄电池的寿命成为现在电池科技领域的焦点。

铅酸蓄电池作为一种可靠的后备式电源，其应用价值与日俱增，人们对它的维护工作也越来越受重视。据资料分析，充电和放电是电池维护、保养中的主要工作。影响铅酸电池的寿命的因素很多，最主要的就是充电方法不当，充电技术不能适应铅蓄电池的特殊需求，造成电池很难达到规定的循环寿命。针对这种情况，设计了一种采用AVR单片机为控制核心的智能充电系统，它不仅能够根据数据采集信息选择合

适的充电方式，而且能够实现整个充电过程的自动精确控制和故障诊断，延长电池的使用寿命。

1 智能充电系统整体设计

智能充电系统CPU选用ATMEL的ATmega128，它是一款基于AVR内核，采用RISC结构，低功耗COMS的8位单片机。主要具有以下特点：128 kB的可在系统编程/应用编程，Flash程序存储器，4 kB EEPROM，4 kB SRAM;32个通用工作寄存器，53个通用I/O口;实时时钟计数器，4个具有比较模式灵活的定时器/计数器;2个可编程串行USART接口，8通道10位A/D转换;可编程带内部振荡器的看门狗定时器，一个SPI接口，一个兼容IEEE 1149.1标准的JTAG接口，6种可通过软件选择的节电模式。

智能充电系统的总框图如图1所示，它包括以下几个模块：充电电路单元，控制单元，电量参数采集单元和人机交互单元。

1.1 充电电路单元设计

开关电源是充电电路中的重要组成部分，主要用于对各个模块部分供电和对铅酸电池提供充电电压和充电电流，通过PWM方式进行精确调压控制。经过滤波后的市电作为开关电源的输入，单片机根据数据采集模块检测到的电池电压、电流和温度参数，通过ATmega128的16位定时器/计数器在PWM模式下产生PWM控制信号，从而对开关电源实现了精确的充电功率控制。

为了提高充电速度和效率又不影响蓄电池的寿命，必须使充电电流接近蓄电池可接受的电流。蓄电池可接受的充电电流可用指数函数表示为：

I=I0e-α (1)

式中：I0表示充电初始电流;α表示充电接受比，它决定了充电过程中蓄电池可接受电流衰减的速度，值越大，表明蓄电池可接受得电流下降得就越快。

整个充电过程按照充电曲线划分的4个阶段进行，对于这4个阶段，A、B、C 3个阶段做到恒流控制，D阶段做到恒压控制。恒压和恒流控制都是通过PWM脉宽调制方式来实现。

1.2 电量参数采集单元

系统的电量参数采集单元主要有电压、电流和电池温度检测电路组成，采样反馈的数据经过单片机处理，若超出最大阀值，由单片机发出指令调整下一阶段充电电流或者结束当前充电过程。

电压采样电路设计如图2所示，C端接铅酸蓄电池正极，U1、U2、U3分别表示采样的电压值，由于铅酸蓄电池的端电压较高，因此采用了分压电路对电池端电压分压。该电路采用了3个相同的分压电路并联的形式，目的是减小单个电路由电阻值差异或变化引起的采样误差，最后将3个单独的分压电路所采样的电压值送入单片机并取平均值后在与设置的电压值进行比较，该方法减小了电压采样过程因采样电阻所带来的误差，因而提高了电压采集精度。

电流检测同样采用在充电回路中串联采样电阻的方法。系统用0.5 Ω/5 W的取样电阻通过运算放大器，再将放大后的信号送到单片机的A/D通道进行模数转换，从而完成对充放电电流检测。

温度检测是通过热敏电阻实现的，热敏电阻的端电压信号通过单片机的A/D通道，将模拟信号转化为数字信号交给单片机处理，根据热敏电阻电压与温度关系曲线，得到电池的温度参数。

1.3 人机交互接口单元

在监控系统中，为方查询已经采集到的数据以及检查电池充电的状态，可通过键盘对终端设备内部的参数、功能等进行设置，配合LCD显示，体现了人机交互的友好性。

1.3.1 LCD显示及报警单元

在充电电路设计中，电池的充电状态以及充电曲线的显示非常重要。因此，本系统采用ST7920的LCD12864型号，它与ATmega128的接口电路如图3所示。该设计采用串口方式连接，ST7920的RS、R/W和E分别与ATmega128的PB0、PB3和PB1连接，单片机对显示屏进行初始化、设置和显示灯操作。

报警装置由一个三级管放大电路和蜂鸣器组成。当有故障或需要报警时，单片机的I/O口直接控制三级管导通工作，驱动蜂鸣器鸣叫，同时与单片机I/O口经分压电阻相接的LED发光，实现声光报警功能。同时这些信息将通过RS232串口传到上位机上进行保存显示。

1.3.2 键盘

系统采用5键式操作键盘，分别对应的按键为：OK、MENU、UP、DOWN和ESC。采用5个I/O口对应着5个按键，单片机只要直接检测5个I/O口的变化，即可完成对时、最大阀值设定、信息查询和复位等功能。

2 软件设计

本实验采用12 V/12 ah的铅酸电池，系统软件主流程如图4，包括初始化函数、电池检测函数、预充电子程序、脉冲充电子程序和浮充充电子程序。各函数的调用机制为：1)单片机上电后，初始化寄存器;2)函数调用检测电池子程序，3次结果比较无误，完成检测;3)根据电池电压、温度条件，决定采用预充电还是脉冲充电;4)最后进入浮充充电阶段，直至电池充满，退出程序。