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消费电子

客户成功故事与项目成功案例

充电器PCBA硬件程序设计


本文主要针对镍镉电池设计出低价智能充电器,该充电器功能丰富,不会由于电池的充电时间过长而造成手机电池的实际循环使用寿命降低。因此可避免充电器设置不合理所带来的损害,可延长电池的使用寿命,还可提高它的使用性能,增强其智能化管理,从而降低充电器在充电过程中的疲劳度和充电时间,这样不仅可降成本,也可提高它的灵活度。

一、智能充电器基本原理

电池充电的关键是要达到有效充电的同时既可及时终止充电,避免发生过分充电给电池造成损伤,且充电过程中显示其电量及电压,方便及时了解电池的充电情况;还可实现查错,当在充电过程中发现错误时应立即自动断电,保护电池和充电器都不发生损坏。

它主要包括稳压电源部分、恒流源部分、涓流充电部分、电压检测部分、显示部分和控制部分等。稳压电源部分主要功能是转换220V家庭电压为直流电压,为其他电路供电。恒流源电路是由稳压器和电阻形成的电流源,为整个电路提供恒定的充电电流。自动断电电路基于MOSFET的自动关断特性,主要实现在电池充满电的情况下自动断电的功能。最后由发光二极管将电路的充电情况及电量情况显示出来。

二、解析电池充电过程

针对快速性和智能性对智能充电器进行以下几点解析。

2.1电压检测及单片机控制部分

控制电路如图1,AT89C2051有20条引脚,引脚具有很强的下拉驱动能力,如引脚P1、P3的下拉能力均可达到20mA,当AT89C2051在增强驱动能力下,LED数码管就可以由它直接驱动。并且它还具有两个特点:一是低电压;二是高性能,片内置通用8位中央处理器和Flash单元。AT89C2051的内部结构就是一个简单的模拟信号比较器,如果采用它的P1.0和P1.1口接其输入端,那它们进行比较的结果将会自动存进P3.6相对应的寄存器中。在这个电路中,Vcc接电源;上电复位电路与RST端口连接,当振荡器运行时,会连续给RST引脚两个机器周期的高电平来完成电路复位;振荡电路的反向输出输入分别为XTAL1和XTAL2,与晶振电路连接,然后产生时钟信号;中断通信由P3.3口来实现,并且与蜂鸣器连接,组成报警电路;恒、涓流转换电路与P1.6口连接,在电池结束充电后自动切断电源并转为涓流充电;发光二极管与P1.4、P1.5口接,主要目的是显示整个电路的工作过程;内部的电压比较器与P1.0和P1.1口连接,其中电池的正极与P1.0口连,P1.1口则与外部的基准电压接。然后将TL431所产生的基准电压与电池电压进行比较,将比较结果作为检测信号传给单片机;GND口接地。

图 1 充电器电路控制部分

TL431是一个有较好热稳定性的三端可调分流基准源。其输出电压范围宽从参考电压(Vref)2.5V~36V区间,在此区间可用两电阻取任意值。该器件的典型动态阻抗为0.2Ω,2.5V是它的内部基准电压,内部基准电压和运放电路的反向输出端连接,反馈电路由REF端引入后,该器件便可以在很宽的范围上分流控制电压输出。在R1和R2确定阻值后,加入反馈,这时,将定为充满后的标准电压与电池的电压进行比较,如若电池标准电压低于电池电压,那么电路就会通过单片机进行对控制电路的自行转换,继续工作。

2.2恒流源充电电路

LM317T集成三端可调稳压器作为核心器件,其电压输出满足1.2V~37V之间时够提供1.5A电流。此稳压器具有很高的稳定性,设置输出电压时可以连接两个外部电阻。此外还可以使用其内部限流、热关断和安全工作区补偿等功能来防止烧断保险丝。

2.3 MOSFET驱动电路

驱动电路采用光电耦合器与它的前置电路进行隔离,降低对控制电路的干扰。控制信号应用互补的方法依次加到桥臂驱动电路的控制端。由于许多MOS管内设置了稳压管,进行强行限制gate电压的幅值,这样做可以让MOS管在高gate电压下安全工作。在这种情况下,如果稳压管的电压低于所提供的驱动电压时,便会产生静态的功耗大。同理,如果我们采用简单的方式降低gate电压,如选择电阻分压式原理,那么也会出现输入电压较高的情况,则MOS管工作良好,而输入电压在降低的时候gate电压不足,从而引起导通不够彻底,结果导致功耗增加。以下是电路的具体工作:首先将驱动打开,控制信号就会由高电平转换为低电平,三极管Q1截止,然后再驱动电源Vcc,使三极管Q2导通,稳压管W1击穿,这时电路产生恒定电流Ic。Ic流过R5,使桥臂MOSFET管形成栅一源电压,并且控制MOSFET管的开通电流。

三、充电器软件设计

针对该电路的软件程序设计如下:可以把充电的整个过程划分为有周期的两个阶段。把充电过程分为第一阶段,此过程需要900ms,这个阶段主要是实现电路对电池的充电过程,充电过程中,指示灯为常亮。电路的自检过程为第二阶段,时间为100ms,检测单片机P3.6口是否为l,如果检测到是l,则停止对电池充电并启动电路报警装置,否则将继续进行充电,然后重复该过程。为了保证电路的检测部分可以更精确,我们把软件设计增添了十次循环周期检测,只有在十次检测中结果都为1时,电路才会停止充电并转为涓流充电。循环充电周期在理论上为0.9s,检测时间0.1s,是一个完整的充电周期完成的时间。整个程序的关键是P3.6引脚。

总结

该结果可以看出,通过单片机所控制的指示灯在接通电源后,对电池进行充电,绿灯亮说明充电正常,当红灯亮绿灯灭时,表示充电结束,然后蜂鸣器立刻发出报警提示。若充好的电池在报警提示后仍没有取出,那么电路会自行判断变为涓流充电,防止电池放电的同时也可以保护电池不被损坏。采用单片机进行充电器的设计,不仅可以实现对普通电池充电,而且还具有相应的过压和温度保护,使电池可以延长使用寿命,也能充分发挥电池的性能。

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