1、 摘 要 介绍了以 AVR 单片机为核心智能充电器的控制原理，讨论了充电器的硬件结构和软件设计思想 ,描述了充电检测的关键技术，实现了智能充电。 该充电器对充电过程进行全面管理 ,并对充电电源、电压进行自动检测调整，充电后自动 转为恒压浮充状态，达到既保护电池、使电池充满的最佳效果等要求 ,又能使充电过程按理想的充电曲线进行 。这种全新的智能充电方式，有效地解决了普通充电器将蓄电池“充坏”的技术难题，大幅度提高了蓄电池的实际循环寿命。 关键词 ： 智能充电器 AVR 单片机 控制器 Abstract This paper introduces control principle of inte
2、lligent charger based on the AVR chip, talking about hardware structure and the software design idea of the charger, describing the key technology of charge testing, fulfilling the idea of intelligent charger. This charger manages the whole charging process , adjusts power source and voltage automat
3、ically, it turns to be constant voltage after finishing charge, which not only protects the battery, but also makes the charging process run in a ideal curve way. This new intelligent charging way solves the problem of being ruined by the average charge wonderfully, highly improves the actually circ
4、le life of the battery as well. Key words: intelligent charge AVR chip control I 目录 第一章 绪论 . 1 1.1 研究背景和意义 . 1 1.2 国内外现状与发展趋势 . 2 1.3 论文章节安排 . 3 第二章 智能充电器设计的基本理论与原理 . 4 2.1智能充电器结构 . 4 2.2蓄电池 的充电特性 . 5 2.3 AVR单片机简介 . 6 2.4智能充电器充电原理 . 7 2.5充电控制技术 . 8 第三章 智能充电器软硬件设计 .12 3.1 智能充电器硬件设计 . 12 3.1.1主充电源电路设计
5、 . 12 3.1.2电池充放电 . 14 3.1.3充电信息采集 . 15 3.1.4 控制器 . 17 3.2 智能充电器软件设计 . 17 3.2.1 数据测量 . 18 3.2.2 A/D 的初始化和中断服务程序 . 18 3.2.3 单片机控制程序设计 . 19 3.2.4 定时器中断服务程序 . 20 第四章 基于 AVR单片机智能充电器的测试 .22 4.1 放电测试 . 22 4.2 充电测试 . 22 4.2.1 不关闭输入的电压采样 . 22 4.2.2 关闭输入的电压采 样 . 22 第五章 结束语 .25 5.1 全文工作总结 . 25 5.2 研究工作展望 . 25
6、II 致 谢 .26 参考文献 .27 1 第一章 绪论 1.1 研究背景和意义 随着经济的发展 ,越来越多的电器走进人们的日常生活 ， 家庭使用的小容量蓄电池逐渐增加。因此 ， 研究如何延长蓄电池的寿命 ， 提高蓄电池的使用寿命 ， 并设计、生产 出高质量、高效率、符合家庭使用要求的充电器 ,有着十分重要的意义。评价蓄电池的优劣有很多指标 ， 其中寿命是用户十分关心的问题之一。电池的过充电、过放电和充电不足是引起电池故障的主要原因 ,其中过充电、充电不足是充电方法不当引起的。为了实现智能化充电 ,我们采用单片机作为控制器 ,实时监控电压、电流 ， 使充电过程按理想的充电曲线进行 ， 达到既保
7、护电池、又能使电池充满的效果。 目前我国的军用电池多为传统的福镍、镍氢及锂离子电池，充电前通过电池上的标签来判别具体的类型 ， 若标签被撕掉后 ，只能通过形状等外表特征来推断其具体类型，从 而选取相应的充电方式。由于电池存在个体的离散性，即随着放电状态、使用和保存的历史不同，即使是两块工艺相同的电池，最大容量和最佳充电方式也不会完全相同 1，目前国内现有的充电控制技术，大多没有考虑这一点，一般采用恒流快速充电方法 2。在使用中发现某些镉镍和镍氢电池寿命较短，原因是部分电池在某些充电阶段电流大，导致内部阳极板氧气析出率不断增加，部分氧气无法被阴极板吸收，密闭反应效率退化，电池内部温度随之上升，温
8、度的升高加速了蓄电池板栅腐蚀速度及电解液的分解，从而缩短了电池寿命。若采用慢速充电，由于充电电流小 ，只能通过时间积累达到充电目的，因而充电时间过长、效率较低。在使用中，也存在电池电压未知而造成的盲目性。这种缺乏智能化的充电及使用，直接导致了电池的寿命短、效率低及可维护性差等突出的缺点，给部队训练与作战造成一定程度的影响。特别是近年来，随着我军装备现代化程度的不断提高，这个问题日益阻碍着我军2 通讯工程的发展，从而影响了部队的作战能力。因此，研发新型的智能电池及其充电器，就成为国防工业的一项重要任务。 AVR 系列单片机是 ATMEL 公司研发出的增强型内置 Flash 的RISC(Reduc
9、edInstruction 锹 CPU)精简指令集高速 8位单片机。AVR 单片机系统设计具有开发周期短、性价比高、可靠性好、功能强大等优点，在 智能充电器、 机器人设计、采矿系统开发、电机控制等工程领域被广泛采用 3 4，其应用前景广阔。 基于 AVR 单片机智能充电器以单片机为核心 ,运用开关电源技术 ,采用恒流脉冲充电与模糊控制相结合的充电方法 ，它 保证蓄电池寿命不受损害的前提下 ,大大提高了充电速度。 该充电器可以实时采集和计算电池的参数，并进行智能控制，还可以通过串口和上位机进行通讯并进行实时显示，根据不同的电池调整充电策略 有着重要的意义 。 1.2 国内外现状与发展 趋势 随着
10、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，充电器的功能己发生了质的飞越。现在国外己研制成功只要用一小时就可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只书包大小。开关电源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，己经得到了普遍的研究与使用。但相对于相控电源来说，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，
11、WaWo， U&U 等充电曲线方式，充电方式更科学、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3 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%一 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 5。 1.3 论文章节安排 第一章 绪论，主要介绍了论文的研究背景和本课题在国
12、内外现状与发展趋势。 第二章 智能充电器设计的基本理论与原理，主要介绍了智能充电器的结构框架和蓄电池的充电特性、 AVR 单片机、智能充电器充电原理以及充电控制技术。 第三章 智能充电器软硬件设计，主要设计了智能充电器的硬件，如主充电源电路设计、电池充放电、充电信息采集、控制器和智能充电器的软件设计，数据测量、 A/D 的初 始化和中断服务程序、单片机控制程序设计、定时器中断服务程序设计。 第四章 基于 AVR 单片机智能充电器的测试，主要对已设计的AVR 单片机智能充电器做出放电和充电测试。 第五章 结束语，对全文做出工作总结以及研究工作展望。 4 第二章 智能充电器设计的基本理论与原理 本
13、章首先对智能充电器的原理进行简要叙述，然后介绍智能充电器设计中用到的基本理论与基本概念。 2.1 智能充电器 结构 充电器电路主要包括主电源回路、辅助电源、及信号控制三部分。主电源回路主要提供设计所要求的 12V/24V 供电电压、14V/28V 浮充 电压，同时提供电池充电时所需的电压 ；主 控 电路部分主要控制不同充电电池的充电过程，具体包括 ： 充电时的过程控制、 V 检测、充电保护与故障报警等。 图 2.1 为智能充电器的结构图。 图 2.1 智能充电器结构图 充电器需要对福镍、镍氢、锂离子 (GN、 NH、 LI)三种不同种类的电池充电，因为不同种类的电池有不同的充电特性，所以充电器
14、要能根据具体电池的类型，控制不同的充电状态。 LI 电池为恒流恒压充电， GN 和 NH 电池在充电的关键阶段采用了模糊控制方法，这些都由 C504 通过程序控制实现。程序具体实现过程为电交流 2 2 0 V 输入 声光报警 A D/D C 转换器 CP U 显示 键盘输入 电流调节 电压采样 温度检测 电池 电流采样 5 池端电压经过处理 后，产生电压偏差和变化率信号，偏差及变化率信号进入模糊控制器后，经过模糊处理，输出电流信息，从而适时和正确地控制充电过程，在充电过程中不断检测电池是否充满，当检测己经充满时，提示用户电 池己充足，充电器自动进入维护状态。若在充 /供电过程时出现故障， C5
15、04 微控制器会及时停止输出并报故障。 智能充电器不仅能够对镍福、镍氢和锂离子三种不同种类的数字化智能电池组充电，而且能够对传统的标准类型镍福、镍氢和锂离子蓄电池组充电。因为不同种类的蓄电池组具有自身特有的充电特性，即便相同种类的蓄电池组由于容量、存放时间、生产厂 商不同等因素也会造成充电特性有所变化，而且新型数字化智能电池组和传统的蓄电池组在信息获取，信号检测以及过程控制方式上存在较大差异，所以我们在设计智能充电器时需要考虑到这些问题，设计出一种基于 AVR 单片机的智能充电器。 2.2 蓄电池的充电特性 蓄电池作为一个特殊的负载，在设计智能充电器之前首先要对其特征参数和充电特性曲线由一个广
16、泛而深入的了解。数字化智能电池的内部电池体和标准蓄电池基本一样，只是在信息获取，测量与管理上有差异，因此我们以数字化智能电池的特性参数为主要介绍对象。 蓄电池有五个主要参数 ： 容量、标称 电压、内阻、放电终止电压和充电终止电压。电池的容量通常用 Ah(安时 )表示。单体电池内活性物质的数量决定电池含有的电荷量，而活性物质的含量则由电池的材料和体积决定，因此，通常电池体积越大，其容量也就越高。与电池容量相关的一个常数是充电电流，用充电速率C 表示。标称电压是指电池刚刚出厂时正负及之间的电势差。标称电压和外界环境温度、工作状态和电池的剩余量由一定的关系。电池的内阻决定于极板的电阻和离子流的阻抗。
17、在充电和放电过程中，极板的电阻是不变的，但是离子流的阻抗将随电解液浓度6 的变化和带电离子的增减而变化，引起电池 内阻的变化。 蓄电池充足电时，极板上的活性物质已经达到饱和状态，在继续充电，蓄电池的电压也不会上升，此时的电压称为充电终止电压。单体镍镉蓄电池的充电终止电压为 1.751.80V；单体镍氢蓄电池的充电终止电压为 1.5V；单体锂离子电池的充电终止电压为 4.2 V。 放电终止电压是指蓄电池放电是容许的最低点压。如果电压低于放电终止电压后，电池还继续放电，电池两端电压会迅速下降，形成深度放电，这时，极板上形成的一些化学物质在正常充电的时候就不会再恢复，从而影响电池的使用寿命。镍镉蓄电
18、池具有记忆效应，每次在充电之前 都需要进行放电，使电池端电压达到放电终止电压值后再进行充电，保证蓄电池容量的高效利用。单体镍镉蓄电池的放电终止电压值为 1V。 2.3 AVR 单片机简介 单片机又称单片微控制器，是把一个计算机系统集成到单个芯片上。广泛地应用于军事、工业测控、家用电器、智能玩具、便携式智能仪表和机器人制作等领域 6。单片机按 CPU 的处理能力分类目前有 4 位、 8 位、 16 位、 32 位， AVR、 MCS51、 PIC 都属于 8 位机。 8 位单片机是目前应用最广泛的单片机，在各个领域上都可以看到它的身影 7。 AVR 单片机是 Atmel 公司 1997 年推出的 RISC（精简指令系统计算机）单片机。早期单片机由于工艺及设计水平不高、功耗高和抗干扰性能差等原因，采用较高的分频系数对时钟分频，使得指令周期长，执行速度慢。 AVR 单片机的推出，彻底打破这种旧设计格局，废除了机器周期，抛弃复杂指令计算机 (CISC)追求指令完备的做法；采用精简指令集，以字作为指令长度单位，将内容丰富的操作数与操作码安排在一字之中 (指令集中占大多数的单周期指令都是如此 )，取指周期短，又可预取指令，实现流水作业，故可高速执行指令 8。由于采用了 RISC 的这种结 构，使
