引言
20世紀(jì)60年代末期，美國(guó)科學(xué)家馬斯對(duì)蓄電池充電過(guò)程的析氣問(wèn)題做了大量的研究工作，提出了以最低析氣率為前提的蓄電池可接受的充電電流曲線，如圖1所示。其充電電流軌跡近似為一條呈指數(shù)規(guī)律下降的曲線?；阢U酸蓄電池的特性以及圖1的充電曲線，本文采用了三階段充電模式：預(yù)充、直充和浮充。通過(guò)檢測(cè)蓄電池的電壓，進(jìn)入不同的充電階段。
預(yù)充電：對(duì)于長(zhǎng)期不用的電池、新電池或在充電初期已經(jīng)處于深度放電的蓄電池，剛開始就采用大電流直接充電會(huì)突然增加蓄電池的析氣量，縮短蓄電池的壽命。因此，必須先用小電流對(duì)蓄電池充電，當(dāng)蓄電池電壓上升到能接受大電流充電時(shí)再進(jìn)行大電流直接充電。
直充電：此階段充電器以恒定電壓對(duì)蓄電池進(jìn)行充電。充電開始時(shí)電流很大，隨著電池端電壓上升，充電電流按指數(shù)規(guī)律下降。因此電池的析氣量小，耗水少，有利于延長(zhǎng)電池使用壽命，不過(guò)充入電量約在90%左右，不能有效地給電池充足電。
浮充電：也叫涓流充電，主要作用是補(bǔ)充蓄電池自放電所消耗的能量，使電池能接近100%容量。充電電壓僅略高于蓄電池組的斷路電壓且維持恒定，充電電流很小，并逐漸減小到0。
方案設(shè)計(jì)
總體設(shè)計(jì)
如圖2所示，系統(tǒng)主要硬件電路包括輔助電源、開關(guān)電源和MXT8051單片機(jī)控制部分。其中，輔助電源給單片機(jī)和運(yùn)算放大器提供工作電壓，由線性變壓器、整流濾波和DC/DC轉(zhuǎn)換電路等組成;開關(guān)電源輸出充電電壓和電流，由高頻磁芯單端反激式變壓器、整流濾波和DC/DC轉(zhuǎn)換電路等組成;MXT8051單片機(jī)控制部分負(fù)責(zé)控制充電電壓電流，檢測(cè)電壓電流并通過(guò)LCD和發(fā)光二極管實(shí)時(shí)顯示充電信息，并驅(qū)動(dòng)蜂鳴器報(bào)警和風(fēng)扇轉(zhuǎn)動(dòng)，由充電電壓電流控制、電壓電流檢測(cè)、充電階段指示、液晶顯示、蜂鳴器和風(fēng)扇控制電路組成。
如圖3所示，系統(tǒng)軟件主要包括電壓電流控制、電壓電流檢測(cè)、液晶顯示、風(fēng)扇和蜂鳴器控制模塊。通過(guò)設(shè)置寄存器，控制MXT8051內(nèi)建的10位PWM，產(chǎn)生不同占空比的PWM波，經(jīng)放大、濾波后通過(guò)TL431及光耦隔離接至UC3842的反饋端，產(chǎn)生PWM波，以驅(qū)動(dòng)功率MOSFET管，從而控制開關(guān)電源輸出;由MXT8051提供的10位ADC對(duì)充電電壓和負(fù)載電流進(jìn)行檢測(cè);通過(guò)LCD顯示充電電壓和電流的采集值，以及電池型號(hào)、充電模式、充電時(shí)間等信息;由MXT8051的PWM控制風(fēng)扇和蜂鳴器，實(shí)現(xiàn)散熱和報(bào)警;由GPIO口控制充電階段指示燈(發(fā)光二極管);通過(guò)UART連接上位機(jī)進(jìn)行調(diào)試、診斷。
詳細(xì)設(shè)計(jì)說(shuō)明
輔助電源：由工頻變壓器、整流元件、濾波元件和三端穩(wěn)壓集成電路L7812組成，為單片機(jī)供電部分和運(yùn)算放大器提供工作電壓。采用這種為單片機(jī)單獨(dú)供電的方式，可避免負(fù)載(蓄電池)電壓波動(dòng)對(duì)單片機(jī)供電部分的影響，增強(qiáng)系統(tǒng)的抗干擾能力，提高可靠性。
開關(guān)電源：以電流控制型脈寬調(diào)制器UC3842為核心，由三端可調(diào)分流基準(zhǔn)源TL431和光耦EL817構(gòu)成反饋回路，實(shí)現(xiàn)穩(wěn)定的電壓輸出。電路因?yàn)椴捎昧斯怆婑詈掀?，?shí)現(xiàn)了輸出和輸入、弱電和強(qiáng)電的隔離，減少了電磁干擾，增強(qiáng)了抗干擾能力，而且是對(duì)輸出電壓采樣，具有很好的穩(wěn)壓性能。
需要注意的是，使用TL431和EL817時(shí)，必須注意外圍參數(shù)的設(shè)計(jì)。對(duì)于TL431，要保證TL431工作的必要條件，即通過(guò)陰極的電流要大于1mA;對(duì)于EL817，要使其工作在比較寬的線性帶內(nèi)，否則電路對(duì)運(yùn)行參數(shù)的敏感度太強(qiáng)，不利于電路的穩(wěn)定工作。
MXT8051單片機(jī)控制部分。主要由單片機(jī)最小系統(tǒng)、充電電壓電流控制、電壓電流檢測(cè)、液晶顯示、風(fēng)扇和蜂鳴器控制部分組成。
1. 單片機(jī)最小系統(tǒng)。以MXT8051為核心，配合3.3V系統(tǒng)電源、2.5V數(shù)字核電壓、11.0592MHz系統(tǒng)時(shí)鐘晶振以及32.768kHz RTC晶振構(gòu)建最小系統(tǒng)。
2. 充電電壓、電流控制。根據(jù)開關(guān)電源部分的實(shí)現(xiàn)原理，通過(guò)改變TL431參考端的電壓可獲得不同的電壓輸出，從而獲得不同的充電電壓。充電電流的控制也是通過(guò)控制充電電壓來(lái)實(shí)現(xiàn)的。程序中，通過(guò)控制單片機(jī)內(nèi)建的PWM0輸出PWM波的占空比，即可控制充電電壓和電流。
根據(jù)鉛酸蓄電池三段式充電原理，每個(gè)階段對(duì)應(yīng)一種充電電壓。對(duì)48V型號(hào)的蓄電池而言，預(yù)充、直充和浮充階段的充電電壓分別設(shè)定為47.5V、57.5V和54.5V。分別計(jì)算三種電壓對(duì)應(yīng)的PWM0H和PWM0L寄存器的值，存入數(shù)組中，作為三種充電電壓的設(shè)定值。程序中，根據(jù)不同的充電階段調(diào)用相應(yīng)的設(shè)定值寫入PWM*H和PWM*L寄存器，實(shí)現(xiàn)對(duì)充電電壓和電流的控制。程序流程如圖4所示。
3. 風(fēng)扇、蜂鳴器控制。單片機(jī)輸出脈寬調(diào)制信號(hào)控制三極管的導(dǎo)通與關(guān)斷，實(shí)現(xiàn)風(fēng)扇和蜂鳴器的開關(guān)控制;同時(shí)，通過(guò)調(diào)整PWM波的占空比可以控制三極管集電極電流，從而實(shí)現(xiàn)對(duì)風(fēng)扇風(fēng)速和蜂鳴器鳴聲大小的控制。蜂鳴器控制采用PWM1，風(fēng)扇控制采用PWM2。
4. 充電電壓、電流檢測(cè)。MXT8051內(nèi)嵌一個(gè)五通道的10位逐次逼近型ADC，電壓采樣信號(hào)送入AIN0通道，電流采樣信號(hào)送入AIN1通道。電壓采樣信號(hào)由開關(guān)電源電壓輸出經(jīng)分壓電阻獲得，經(jīng)AD轉(zhuǎn)換后由程序換算處理得到充電電壓;電流采樣信號(hào)由與電池組串接的水泥電阻獲得，AD轉(zhuǎn)換后經(jīng)過(guò)程序換算處理得到充電電流。
5. 液晶顯示。MXT8051內(nèi)嵌36×4 LCD DRIVER，可直接驅(qū)動(dòng)液晶屏，因此只需將單片機(jī)的SEGMENT和COMMON引腳與LCD的相應(yīng)管腳連接即可。本設(shè)計(jì)采用36×4段式LCD。程序中，通過(guò)設(shè)置LCD控制寄存器LCDCON來(lái)設(shè)定內(nèi)部分壓電阻的阻值和刷新頻率;由LCD數(shù)據(jù)寄存器LCDDATA17~0來(lái)控制要顯示的數(shù)據(jù)。
6. 計(jì)時(shí)。主要功能是在充電器開始工作時(shí)啟動(dòng)計(jì)時(shí)，為用戶判斷充滿剩余時(shí)間提供參考。最大計(jì)時(shí)時(shí)間為9小時(shí)59分59秒。程序?qū)崿F(xiàn)主要由啟動(dòng)定時(shí)器T0、重載計(jì)數(shù)初值和軟件計(jì)數(shù)變量控制三部分組成。
7. 看門狗監(jiān)控。主要功能是防止程序跑飛導(dǎo)致系統(tǒng)死機(jī)，發(fā)生不可預(yù)料的后果。由看門狗初始化和喂狗程序組成。初始化程序負(fù)責(zé)選擇看門狗定時(shí)器時(shí)鐘，設(shè)置定時(shí)時(shí)間;喂狗程序負(fù)責(zé)向看門狗定時(shí)器重載數(shù)據(jù)。
系統(tǒng)測(cè)試
系統(tǒng)測(cè)試主要是對(duì)輸出電壓準(zhǔn)確度和穩(wěn)定性以及電壓電流檢測(cè)精度的測(cè)試。經(jīng)過(guò)反復(fù)多次測(cè)試，系統(tǒng)輸出電壓穩(wěn)定可靠，電壓檢測(cè)能完全跟蹤實(shí)際電壓，誤差很小。測(cè)試結(jié)果如表1所示。
結(jié)語(yǔ)
本設(shè)計(jì)基于北京時(shí)代民芯科技有限公司的MXT8051單片機(jī)構(gòu)建，以開關(guān)電源和充電管理控制核心為主體，外圍電路簡(jiǎn)單，電源調(diào)整率好、頻率特性好、穩(wěn)定幅度大，具有過(guò)流限制、過(guò)壓保護(hù)和欠壓鎖定功能，能有效避免鉛酸電池的硫化問(wèn)題，大大延長(zhǎng)蓄電池使用壽命。