文档介绍：基于ATmega8智能充电器的设计
【摘要】移动通讯、消费类数码产品、笔记本电脑、便携仪器等便携设备市场的不断扩张,使得我们对电池的性能和工作寿命的要求不断地提高。从上世纪60年代商用镍镉充电电池到近几年的锂离子电池,可充电电池容量和性能得到了飞速的发展。充电电池的使用离不开对其补充能量的充电器,而且充电器的好坏将会直接影响到电池的充电性能和使用寿命。本文详细介绍了镍镉、镍氢、锂电池这三种最为常用的充电电池的特点,同时介绍利用ATmega8和Buck开关电源设计的智能充电的设计和电路工作原理,充电期间对温度、电压、电流三项实时检测,并通过测的值来改变工作状态和停充。还设计通过恒流放电到最低限制电压来测量电池的容量。并通过LCD12864实时的显示电压、电流、温度、充放电状态等信息。
概述
随着人们生活水平的提高及科技的发展,很多的设备出现小型化和智能化,电子产品中的小型便携产品离不开对其提供能源的电源,针对这一状况,应运而生的充电式电池飞速的增长,而随之对于充电器的要求也越来越高,人们希望充电器能完全按照人的思维充电,即快速、安全、准确、方便的对电池进行充电。
根据人们对“智能”充电器的要求,对于纯粹的硬件电路已经很难实现智能化,而且势必硬件电路会很复杂。但是嵌入式系统出现解决了这一难题,嵌入式系统内部集成众多的接口及功能模块,而且可以通过编程去尽可能的实现人的思维,可以很方便的实现软件的更新,这样也就加快了充电器的更新速度,使发展的更快。
便携式电子产品目前主要是镍氢(NiMH)、镍镉(Nicd)、锂充电电池(Li-lon),三种充电电池都有轻便、性价比高、放电电流大、寿命长等特点,因此在各种通信设备、电动工具、仪器仪表中有着广泛的应用。普通充电器对电池采取小电流充电方式,没什么电压电流保护电路。这样,将导致电池充满所需时间长,且容易造成电池过充,影响电池寿命甚至引起事故。
所谓的智能充电器,是指在充电过程中可对电压、电流、温度进行实时检测,并根据检测的结果,对检测的结果进行判断以调节各种的充电状态,能最大限度的延长电池寿命,缩短充电时间的充电器。本充电器通过单片机设计的智能快速充电器能够判断电池状态,控制电池的快速充电,适用于不同容量小型的Nicd、 NiMH和Li-lon 电池。该方法能大大缩短充电时间,并能防止电池出现过充现象。
本充电器核心是ATmega8,是AVR单片机的一种,具有极高的性价比,AVR 微处理器是当前市场上能够以单片方式提供Flash、PWM 和10 位ADC的最高效的8 位RISC微处理器。由于程序存储器为Flash,因此可以不用象MASK ROM一样,有几个软件版本就库存几种型号。Flash 可以在发货之前再进行编程,或是在PCB贴装之后再通过ISP 进行编程,从而允许在最后一分钟进行软件更新。10 位A/D 转换器可以提供足够的测量精度,使得充好后的容量更接近其最大容量。而其他方案为了达到此目的,可能需要外部的ADC,不但占用PCB 空间,也提高了系统成本。
本充电器可对1-3节镍镉、镍氢、单节锂电池进行最优化充电,可最大限度使电池达到最大寿命。
电池在不断的充放电中容量会逐渐的减小,但是电池究竟容量为多少?目前市场极少有此设备,为此,本充电器设计一电池容量检测功能,通过对电池恒流放电到最低限制电压,计算出时间得到电池容量。这也是本充电器的又一独到之处。
总体设计方案
设计方框图
本智能充电器主控采用的是MCU,按照充电器的设计思路,可得到如下的方框图。
电源控制
电池
控制核心
电压、电流、温度采样
显示部分
按键控制
图2-1 智能充电器总体方框图
方案论证与比较
控制核心的选择
核心部件必须得是可程序控制的器件,才能体现人性化,所以主控芯片从MCU入手。由此,得到以下几个方案的设计。
方案一:采用传统8位的51单片机,具有价格低廉,使用简单,技术支持较多等特点,但其采用复杂指令集(CISC),且机器周期长,这势必影响到对程序读取速度,而且51单片机内部没集成其他接口功能模块,如A/D,PWM,D/A等。本设计中信号采集,电源控制需PWM,A/D,D/A模块,这只能增加外围模块,硬件、软件、成本都得增加。
方案二:采用ARM或DSP之类32位的嵌入式模块。这样的芯片具有处理速度快、程序储存器大、功能模块多等优点,但都采用贴片式小封装,有众多的管脚(本充电器只需十几个管脚),硬件上的焊接设计难度大,成本高,大材小用。
方案三:采用Atmel公司生产的AVR系列ATmega8单片机,该单片机采用精简指令集(RISC),一个时钟周期对应一个机器周期,在速度上可达到要求,而且内部集成了A/D、PWM等模块,具有8K的