中心議題：

• 智能充電器的硬件結(jié)構(gòu)和軟件設(shè)計(jì)

解決方案：

• 智能判別、智能充電和智能控制功能
• 反接保護(hù)和過(guò)充保護(hù)功能

充電器通常指的是一種將交流電轉(zhuǎn)換為低壓直流電的設(shè)備。充電器在各個(gè)領(lǐng)域用途廣泛，特別是在生活領(lǐng)域被廣泛用于手機(jī)、相機(jī)、玩具、便攜設(shè)備等常用電器。

普通充電器功能單一、針對(duì)性強(qiáng)。充電電池種類較多，每一種電池需要配一種充電器，因此用戶經(jīng)常購(gòu)置較多的充電器，導(dǎo)致資源浪費(fèi)，而且普通充電器因?yàn)楣δ懿煌晟苹蚴褂貌划?dāng)導(dǎo)致充電電池壽命降低，甚至出現(xiàn)安全事故，廢舊電池對(duì)環(huán)境會(huì)造成很大污染。本文介紹的充電器是基于AVR MEGA16單片機(jī)為核心智能控制，利用該單片機(jī)內(nèi)部的A/D采樣電池電壓判斷電池類別，然后通過(guò)I/O口控制芯片LM2576實(shí)現(xiàn)充電功能。本充電器具有智能判別、智能充電、智能控制的優(yōu)勢(shì)，還加入了反接保護(hù)和過(guò)充保護(hù)功能，充電狀態(tài)液晶顯示，充電過(guò)程清晰明了，人機(jī)交互性能優(yōu)良。

1 系統(tǒng)硬件結(jié)構(gòu)

如圖1所示，本系統(tǒng)由供電電路、微處理器、顯示電路、充電電路、電池判斷電路、反接保護(hù)電路等6部分構(gòu)成。以下重點(diǎn)介紹微處理器電路和充電電路。

圖1 充電器系統(tǒng)框圖

1.1 微處理器

微處理器采用愛特梅爾半導(dǎo)體公司的AVR MEGA16型單片機(jī)，這是一款高性能的8位RISC微控制器。芯片內(nèi)部有8位和16位的計(jì)數(shù)器定時(shí)器（C/T），可作比較器、計(jì)數(shù)器、外部中斷和PWM（也可作A/D）用于控制輸出。運(yùn)用Harvard結(jié)構(gòu)概念，具有預(yù)取指令的特性，即對(duì)程序存儲(chǔ)和數(shù)據(jù)存取使用不同的存儲(chǔ)器和總線。采用CMOS工藝技術(shù)，高速度（50ns）、低功耗、具有SLEEP（休眠）功能。

AVR的指令執(zhí)行速度可達(dá)50ns（20MHz）。采用該芯片的A/D,加一些高精密采樣電阻和旁路電容組成電池判斷電路。
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1.2 充電電路

充電功能電路如圖2所示。

圖2 充電單元電路

圖中由LM358的兩個(gè)運(yùn)算放大器構(gòu)成的比較電路加上外圍器件構(gòu)成了充電功能電路。比較器2、RP3、RP4構(gòu)成電壓控制電路，直接作用于LM2576的反饋端。當(dāng)電池判斷為NI-MH電池時(shí)，RP4構(gòu)成的基準(zhǔn)電路控制輸出電壓為2.86V,當(dāng)電池判斷為L(zhǎng)i電池時(shí)單片機(jī)控制打開Li口控制，RP3構(gòu)成的基準(zhǔn)電路控制輸出電壓為8.4V.由于LM2576芯片內(nèi)置了反饋，所以直接改變反饋端口電壓即可改變輸出電壓大小。恒流充電時(shí)的恒流是通過(guò)限流的方法實(shí)現(xiàn)的，電路由比較器1、RP1、RP2構(gòu)成。比較器1與比較器2基本原理相同，只是在輸出端口通過(guò)功率電阻將電流轉(zhuǎn)換為電壓進(jìn)行控制，通過(guò)對(duì)電壓的控制實(shí)現(xiàn)對(duì)電流的限制，從而達(dá)到恒流的目的。脈沖式恒流充電電流實(shí)現(xiàn)是通過(guò)單片機(jī)每隔一定時(shí)間打開MCU--1C端口，當(dāng)MCU--1C端口為高低電平時(shí)，輸出電流變0.3C,MCU--1C端口為低電平時(shí)，輸出電流為0.1C,從而實(shí)現(xiàn)電流交替變化達(dá)到脈沖式恒流的目標(biāo)。如圖3所示。

圖3 恒流脈沖式充電電流變化圖

由圖3可以看出，脈沖式恒流充電電流不是單一的0.3C或者單一的0.1C,而是以脈沖的交替方式進(jìn)行充電。這樣可以對(duì)電池起到最大的保護(hù)作用，延長(zhǎng)電池的使用壽命。
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1.3 電池判斷與極性檢測(cè)

（1）電池判斷原理
如表1 所示，我們?nèi)粘Ｉ顚?shí)際使用的電池為NI-MH/Ni-Cd、LI電池三種，其中NI-MH/Ni-Cd電池充電方式相同，所以歸為一類。單節(jié)NI-MH/Ni-Cd電池電壓為1.2V,欠壓點(diǎn)為1V,當(dāng)使用時(shí)電壓低于1V時(shí)電池已經(jīng)不能正常使用。當(dāng)電池電壓下降為0.8~1V時(shí)電池已經(jīng)接近損壞需要啟動(dòng)修復(fù)充電；單節(jié)LI電池電壓為3.7V,欠壓點(diǎn)為2.5V,當(dāng)使用中電壓低于2.5V時(shí)電池已經(jīng)不能正常使用。當(dāng)電池電壓下降為2~2.5V時(shí)電池已經(jīng)接近損壞，需要啟動(dòng)修復(fù)充電。所以根據(jù)兩種電池特性我們?cè)O(shè)計(jì)當(dāng)電池電壓為0.6~4V時(shí)為NI-MH/Ni-Cd電池，當(dāng)電池電壓為4~9V時(shí)為L(zhǎng)I電池。

表1 電池使用時(shí)電壓變化表

（2）反接保護(hù)原理
在輸出口正負(fù)端各接有一個(gè)光耦，電池沒有接入時(shí)光耦傳回的信號(hào)為兩個(gè)低電平，當(dāng)有電池接入時(shí)其中一個(gè)光耦傳回的信號(hào)為高電平。當(dāng)電池正接時(shí)輸出端口正端的光耦傳回的信號(hào)為高電平，負(fù)端口傳回的信號(hào)為低電平。當(dāng)電池反接時(shí)，輸出端口負(fù)端的光耦傳回的信號(hào)為高電平，輸出端口正端傳回信號(hào)為高電平。MCU通過(guò)判斷光耦傳回的電平高低就可以判斷電池接入與否以及電池是否反接。

2 系統(tǒng)軟件介紹

圖4清晰地展現(xiàn)了主程序的流程，首先開機(jī)后對(duì)所有使用到的I/O口進(jìn)行初始化，包括內(nèi)置ADC電路的初始化和其他寄存器的初始化。然后顯示開機(jī)畫面，開機(jī)默認(rèn)關(guān)閉反接保護(hù)電路和充電電路，然后進(jìn)入等待電池狀態(tài)。電池接入，如果電池反接，蜂鳴器報(bào)警，不打開反接保護(hù)，電池正接，打開反接保護(hù)電路和充電電路，然后進(jìn)入電池狀態(tài)判斷程序，根據(jù)狀態(tài)選取相應(yīng)的充電方式，控制充電電路進(jìn)行充電，由電壓電流采集電路實(shí)時(shí)對(duì)電池狀態(tài)進(jìn)行采集.在收集到的信息反映出電池快充滿時(shí)，用涓流充電一段時(shí)間后，關(guān)閉充電電路防止過(guò)充。整個(gè)主程序脈絡(luò)清晰,配合硬件電路完全實(shí)現(xiàn)了充電器的所有功能。

圖4 軟件程序流程圖

3 結(jié)束語(yǔ)

智能通用型液晶顯示充電器功能完善、設(shè)計(jì)新穎，解決了傳統(tǒng)充電器功能單一使用不方便的問(wèn)題，能延長(zhǎng)充電電池使用壽命，具有廣闊的市場(chǎng)前景。