基于AVR的智能充电器系统设计

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摘要：基于avr设计的智能充电器系统，采用BUCK电路调压技术，通过PWM调整占空比来实现对充电电压的控制。本设计采用电压、温度实时监测方案，实现电压、电流的闭环控制，使充电系统安全、稳定。

关键词：镍镉智能充电器 PWM控制 ATmega32 BUCK电路

中图分类号：TM910.6 文献标识码：A 文章编号：1007-9416（2013）03-0170-03

1 引言

随着科技的发展，越来越多的电子产品走进我们的日常生活，专供家庭使用的小容量蓄电池也越来越受到人们的认可。然而，由于电池在充电时经常发生过充、充电不足等问题，严重影响了蓄电池的寿命，这不仅浪费资源，而且污染环境。针对此问题，我们基于AVR设计了智能充电器系统，此系统实时监测电压、电流及温度，不仅保护电池，并且延长了蓄电池的使用寿命。

2 系统设计方案

本系统控制芯片选用高性能、低功耗的8位AVR微处理器，具体型号为Atmega32。本芯片自带8路10位ADC，电流、电压检测电路可以通过ADC直接反馈给AVR单片机，无需附加其他AD芯片，方便应用同时转换精度较高。由AVR单片机产生PWM控制BUCK电路，进而调整充电电池在不同时期的电流大小，使整个系统更加安全、稳定、高效。针对镍镉电池常用的控制技术有：电压负增量控制、时间控制、温度控制、最高电压控制技术、检测技术等。本系统采用温度控制与检测技术相结合的方法，更加高效的给电池进行充电。系统解构框图如下。为了防止镍镉电池的记忆效应，我们在智能充电的第一阶段进行放电，放电截止电压选做0.9V；第二阶段，我们采用电流预充电，充电十分钟；第三阶段，我们采用电流快速充电，充电约2.5小时，终止判断为检测到电压负增长或温度正增长较快速度达到；第四阶段，我们采用0.1C涓流充电，充电时间十分钟。在充电过程中，我们同时采用过压保护和过热保护，当充电电池端电压高于1.45V，或者电池温度高于60℃时，充电自动终止。

3 硬件电路

3.1 电源

电源部分，我们采用开关稳压器进行稳压，与线性稳压芯片相比，开关稳压芯片具有转换效率高，发热低等优点。LM2576系列开关稳压集成电路是线性三段稳压器件的替代品，它具有可靠地工作性能、较高的工作效率和较强的输出电流驱动能力，从而为系统稳定、可靠地工作提供了强有力的保证。同时我们利用2A熔断丝对电路进行保护，防止线路短路产生大电流，烧坏器件。

3.2 AVR主控电路与JTAG下载（如图3）

ATmega32是具有32kb系统内可编程Flash的8位AVR微控制器，它具有高性能、低功耗等特点，同时具有8路十位ADC，方便我们进行电压，电流，温度测量值的读取，无需单独外扩AD转换电路，节省资源。

我们采用JTAG在线编程方式，简化操作流程，加快工程进展。

3.3 充放电电路

降压斩波电路使用一个全控型器件Q3，为在Q3关断时给负载中的电感电流提供通道，设置了续流二极管D3，AVR通过输出PWM波，控制Q3的导通时间为Ton与关断时间Toff，进而控制输出电压U，且有如下关系

（公式2.1）

上式中E为电源提供电压VDD。由此可知，输出到电池的电压平均值U最大为VDD，若减小PWM导通时间可以减小输出电压。电池电流平均值为

（公式2.2）

其中E0为电池端电压，R为电池内阻。

放电电路由ATmega32的DisCharge1控.制，在放电阶段，充电电路关闭；同样，在充电阶段，放电电路关闭。

3.4 检测电路

检测电路分两部分，一部分为由TL062运算放大器组成的放大检测电路，另一部分是由DS18B20组成的温度检测电路。我们用TL062组成同相放大器，基本模型如下（如图5）。

根据理想运放的输入电压为零的特性并应用KVL得

（公式2.3）

（公式2.4）

再根据理想运放输入电流为零特性得到

（公式2.5）

由公式2.3，2.4与2.5得同相放大器的输出电压与输入电压关系为

（公式2.6）

由公式2.6我们可以得知电压检测放大倍数为两倍，但是由于R3与R1的分压效果，检测电压 值为实际充电电池端电压。电流检测电路放大倍数为10倍。

温度检测我们采用单线接口方式工作的DS18B20进行采集，它具有测温范围广，硬件结构简单，控制方便等优点。

3.5 显示电路

显示模块，我们采用LCD1602实时显示充电电流，用LED灯显示工作状态，其中绿灯为正常充电状态，红灯为充电已完成。

4 控制思想

在智能充电的过程中，我们通过调整PWM占空比可以保持充电电流稳定，因此对于充电时间我们可以进行如下预估，方便控制系统的建立。

镍镉电池的充电时间计算公式为：

（公式2.7）

其中Q为电池容量，I为充电电流，T为所需充电时间，为经验常数，此处我们选为1.3。

因此当我们采用0.5C恒流充电时，可以计算出充电时间T为2.6小时。

在时间调整的过程中，我们采用电压、电流实时监测技术，进而实现了智能充电系统电压、电流的双闭环控制，保证了充电系统的安全运行，并且使镍镉电池的使用寿命延长，同时有效的减弱了镍镉电池的记忆效应。

5 结语

本系统根据镍镉电池特性曲线，通过对充电电流的精确控制，实时监测温度，电压，对充电电池进行全方位保护，防止了线路短路，器件损坏，误操作等可能对充电系统及充电电池带来的损害，同时有效的提升了电池的使用寿命，消弱了记忆效应对电池的影响。实验证明，本系统结构简单，功能齐全，成本低，可靠性高，具有一定的实用价值。

参考文献

[1]王兆安，刘进军.电力电子技术：机械工业出版社，2009.

[2]陈希有.电路理论基础.高等教育出版社，2008.

[3]戴晟晖.从零开始学C语言.电子工业出版社，2011.

[4]铃木雅臣.晶体管电路设计.科学出版社，2012.

[5]王逸潇，杨永才.基于单片机控制的智能充电器.科学技术与工程，2011.