基于atmega16單片機的智能型鉛酸電池充電器設計方案

作者：時間：2013-10-03 來源：網絡

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本文引用地址：http://2s4d.com/article/174630.htm

本文針對礦用永磁操動機構饋電開關智能控制器采用的鉛酸蓄電池在充電過程中存在充電過度、充電不足、電池過熱和充電速度慢等諸多問題，提出了一種以atmega16 單片機為核心的智能充電器設計方案。采用了基于sugeno 推理的模糊PID 控制算法，提高了充電器的充電速度，減少了電池損耗，實現了對鉛酸蓄電池充電過程的智能化控制。

目前礦用永磁操動機構饋電開關智能控制器采用鉛酸蓄電池作為備用電源。傳統的鉛酸蓄電池充電方法有恒流限壓充電和恒壓限流充電，但充電效果都不是很理想，一方面這些方法充電時間過長，溫升過快。另一方面，充電過程中存在過充和欠充現象。專家研究表明：鉛酸蓄電池充電過程對其壽命影響最大，過充電、充電不足以及溫升都是引起電池故障的主要原因。

基于以上原因，系統根據蓄電池的充電特性，采用基于sugeno 推理的模糊PID 控制算法，設計了以atmega16 單片機為核心的智能充電器，它能夠實時采集電池充電過程中的電流、電壓、溫度等模擬量，使充電始終在最佳狀態(tài)下進行，實現了高效、快速、無損的充電過程。

1 系統總體結構設計

系統選取ATMEL 公司生產的 atmega16 單片機作為核心控制芯片?？傮w結構包括：電源模塊、充電主電路模塊、模擬量檢測模塊、顯示及報警模塊和IGBT 驅動模塊。系統總體結構如圖1 所示。

圖1 系統總體結構圖

在充電過程中，單片機實時采集電池充電過程中的電流、電壓和溫度等模擬量，通過其內部的A/D 轉換器將上述模擬量轉化為數字量，并判斷電池是否出現過壓、過流和過溫等故障。若出現故障，單片機立即關斷IGBT,并發(fā)出聲光報警。若檢測正常，則采用基于sugeno 推理的模糊PID 控制算法產生相應占空比的PWM 脈沖來控制IGBT 開關，通過BUCK 電路對電池進行充電。

2 系統硬件電路設計

2.1 充電主電路設計

充電主電路其實是一個BUCK 變換器，BUCK 電路屬于降壓斬波電路。充電主電路如圖3 所示。IGBT、二極管、電感L1 和電容C10 構成BUCK 電路，220V市電經變壓器降壓，通過整流橋整流和EMI平滑濾波后，作為直流充電電源。在工作過程中，PWM 控制信號的高電平脈沖出現，使IGBT 導通，電感L1 的電流不斷增大，并對電容C10 儲能，同時對電池充電。此時，續(xù)流二極管因反向偏置而截止。PWM 信號出現低電平時，IGBT 截止，電感L1 維持原電流方向，與續(xù)流二極管構成充電回路，利用L1 和C10 中存儲的電能向電池充電。

圖2 充電器實物圖

圖3 充電主電路

2.2 模擬量檢測模塊

2.2.1 電壓檢測電路設計

電壓檢測電路采用線性光耦HCNR201 將噪聲信號與單片機系統隔離開來，電壓檢測電路如圖4 所示。

圖4 電壓檢測電路

在正常充電的過程中，電池端電壓Ubat 的變化范圍是9V-15V,而單片機檢測電壓的范圍是0-5V,所以通過R27 和Rw4 對電池兩端的電壓進行分壓，通過調節(jié)Rw4 的阻值來限定運算放大器1 的輸入電壓，使其始終保持在0-5V.電阻R24 來控制初級運放輸入偏置電流的大小，C20 起反饋作用，同時濾除了電路中的毛刺信號，避免HCNR201 的發(fā)光二極管LED 受到意外的沖擊。R23 可以控制LED 的發(fā)光強度，從而對控制通道增益起一定作用。運算放大器2 和電阻R14將線性光耦HCNR201 的輸出電流信號轉化成輸出電壓信號送入單片機。

2.2.2 電流檢測電路設計

充電電流是通過檢測充電回路電阻兩端的電壓，并通過計算其與充電回路電阻的比值得到的。因此電流檢測電路與電壓檢測電路基本相同，區(qū)別在于電流充電回路電阻兩端電壓已經在0-5V 范圍內，不需要電阻分壓。

2.2.3 溫度檢測電路設計

溫度檢測電路如圖5 所示。選用數字溫度傳感器DS18B20 檢測電池溫度，緊貼電池安裝，當電池溫度變化時，DS18B20 輸出引腳輸出相應的信號，單片機將該信號轉化為溫度顯示在液晶屏上。當溫度超過設定值時，發(fā)出報警信號。