蓄电池充电智能管理器的设计

摘要：为了在蓄电池充满电后能够自动断电，利用PIC单片机设计了蓄电池充电专用管理器。该管理器具有自我学习的功能，智能记忆蓄电池满充状态，能适应现有的各种蓄电池充电器，对蓄电池进行智能充电，最大限度地保护电池，延长使用寿命。在无人看管的情况下，蓄电池充满电后自动断电，有效避免火灾隐患和电器故障的发生，也能节约宝贵的电能。
关键词：蓄电池充电；自我学习；PIC12F675；智能控制；节能

0 引言
    现有的蓄电池充电器中有很多质量低劣的不合格产品，有的劣质充电器实际上就是一个没有安全保证的简易变压器，大部分充电器在蓄电池充满电后不进行智能断电而长期处于浮充状态，对电池的寿命会有一定的影响；现有的充电管理器普遍不具备自我学习功能，无法判断电池的充电状态，不能在蓄电池已充满电的情况下智能的切断电源。本文设计一种蓄电池充电专用管理器，能适应现有的各种蓄电池充电器，具有自我学习的功能，智能记忆蓄电池满充状态，对蓄电池进行智能充电，最大限度地保护电池，延长使用寿命。

1 硬件电路组成及工作原理
1．1 系统硬件结构
    智能充电管理器系统硬件结构如图1所示，本文设计的电路包括充电电流检测电路，以单片机PIC12F675为核心的智能控制电路，继电器驱动电路和为各电路提供工作电源的开关电源电路。

1．2 PIC12F675单片机
    PIC12F675单片机是PIC12系列单片机，采用RISC型CPU内核，仅需学习35条指令，除了跳转指令以外所有指令都是单周期的，由于采用哈佛总线结构，以及指令的读取和执行采用流水作业方式，使得PIC单片机的运行速度大大提高；PIC单片机是最节省程序存储器空间的单片机，驱动能力强，PIC单片机每个I／O口的吸人和输出电流最大值可达25 mA。PIC系列单片机集成了上电复位电路、I／O引脚上拉电路、看门狗定时器等，可以最大程度的减少或免用外接器件，以便实现“纯单片”应用。本文中PIC12F675单片机负责对系统的工作进行实施调度，实现外部输入参数的设置、蓄电池及负载的管理、工作状态的指示等。
1．3 充电电流检测电路
    充电电流检测电路如图2所示。电流互感器T2初级的两个输入端串接在蓄电池充电电路的交流电压一个输入端，次级与取样电压电阻R2并联，电阻R2将感应的交流充电电流转换成交流电压，并连接到运算放大器LM358A的反相端2脚，运算放大器LM358A的1脚输出放大的交流电压信号经整流二极管D2输出至单片机中进行A／D采样，在整流二极管D2的输出端连接电解电容C6进行滤波。运算放大器LM358A被接成反相放大器，反相放大器增益K在这里仅由R1和R3的取值决定：K=R3／R1，当蓄电池开始充电时，感应的交流电流信号经R2转换为交流电压信号后输入LM358A进行放大，放大后的交流电压信号，通过二极管D2整流，C6滤波将交流电压信号平均为直流电平信号，连接单片机PIC12F675的GP2端采样端口部分。

1．4 单片机智能控制电路
    单片机智能控制部分电路如图3所示，单片机PIC12F675的VCC端连接在开关电源电路的输出端，单片机PIC12F675的GP2端为蓄电池充电直流电平信号采样输入端，该单片机使用内置的4 NHz晶振，R5，C7串联接单片机GP3的上电复位端口，LED为充电状态指示灯，当处于充电状态时指示灯亮，处于过充时指示灯熄灭；S2为学习采样按钮，主要用于将充满电状态的充电电流对应的直流电平存储到单片机的E2PROM，作为判断蓄电池是否过充的依据；C8为单片机电源的高频滤波电容，单片机PIC12F675的GP1输出端通过限流电阻接继电器驱动输入端口。

1．5 继电器驱动电路
    继电器驱动电路如图4所示。继电器K1的线圈一端接5 V开关电源的输出端，另一端与三极管Q1的集电极连接，三极管Q1的基极通过电阻R9与单片机PIC12F675的继电器驱动输出端连接，三极管Q1的发射极接地，继电器K1的常闭触点串接在交流电压的一个输入端，另一个输入端与电流互感器T2初级连接。继电器K1线圈的两端并联整流二极管D1，在晶体管Q1截止后为继电K1的线圈中的电流提供一条回路，从而避免线圈产生过大的感应电势损坏三极管。

1．6 开关电源电路
    为了提高电能利用率，保证电路工作的稳定性、可靠性，最大限度的减少由电源波动带来的误操作，本设计中采用以TOP221单片开关电源为核心的开关电源电路。
    如图5所示，交流电AC由两个AC接点Net1，Net2输入，经C2和T4组成的EMI滤波器抑制电磁噪声，进入整流电路D4。整流后的脉动直流电经C1滤波，提供给TOP221开关调制电路。

    高频变压器T1的次极绕组有两个，一个是主绕组，它提供电源的主能量，高频电压经肖特基二极管D6整流后由滤波电容C9，C10滤波，再经电感L1组成低通滤波器向负载输出。L1主要是抑制高频噪声向负载输出，以防止负载受其干扰。输出端的电解电容C13是为了降低输出的交流纹波系数而加的，它主要是降低输出直流电压的交流纹波。另一个次级绕组组成反馈电压绕组，由二极管D7整流后加在光敏管U3两端，输出的反馈电压加在光耦内的二极管正极上，电阻R13和高精度可调稳压管U4组成基准电压源，为光耦提供基准电压，这样光耦中的二极管的发光强度是由输出电压控制的，经光耦耦合到T1的控制端，从而实现脉宽的可控，达到稳压目的，为后续电路提供稳定低电压工作电源。
    该电源的输入电压范围可达85～265 V AC，输出电压为5 V，可提供0．8 A的电流输出。负载调整率为±1％，电源效率约为70％，输出纹波电压小于50 mV。

2 软件设计
2．1 满充状态参数采样和存储
   首次使用该充电管理器应预先将蓄电池充满电，然后将蓄电池通过充电器接入充电管理器，按下学习采样按钮S2，将充满电状态的蓄电池充电电流的转换电平存储到单片机的E2PROM，作为判断蓄电池是否充满的依据。如图6所示。

2．2 正常使用时的运行程序
    在正常使用时，经插孔连接各种蓄电池充电器，单片机不断的进行采样，当采样到蓄电池充电电流高于单片机的E2PROM存储值时，单片机PIC12F675的GP2输出低电平经电阻R9到三极管Q1的基极，三极管Q1截止，集电极上继电器K1的线圈不得电，其常闭触点保持闭合，保持管理器电源继续充电。反之，当采样到蓄电池充电电流的直流电平等于或低于满充状态时的直流电平时，单片机PIC12F675的GP2输出高电平，三极管Q1导通，继电器线圈得电，其常开触点闭合，自动断开蓄电池充电电源。软件框图如图7所示。

3 结语
    以PIC12F675为控制器的蓄电池充电管理器利用电池的充电电流作为输入，通过使用自学习功能将蓄电池满充状态充电电流的转换电平存储到单片机的E2PROM中，作为判断蓄电池是否过充的依据。在蓄电池充满电后浮充一段时间，智能的切断蓄电池充电电源，能够保证电池的充足率并且保证不会过充。整个充电管理器体积小，结构简单，成本低，并且具有良好的抗浪涌和防冲击功能。通过某电子企业对该产品的生产和推广，证明该充电管理器工作安全、稳定，对蓄电池充电不仅能够保证较高的充足率，而且可以延长电池的使用寿命，具有非常高的实用价值和推广价值。