E甲简易数控充电电源

E甲简易数控充电电源山东大学王炜李树胜王旭峰专家点评:该设计以凌阳16位单片机SPCE061A为控制核心，完成题目要求的恒流、恒压充电功能，并能自行切换。电路设计中采用了各种相关保护（包括过电压保护、过电流保护以及过热保护等）。输出的恒稳电流及稳定电压均可任意设置。硬件电路设计合理，软件编程正确。对充电电池的特性有一定的研究，设计方案完整周密。青岛科技大学李进教授2008/9/24摘要：该简易数控充电电源以SPCE061A单片机为控制核心，能够实时地完成恒压及恒流充电的自动切换、实现当前充电电压和充电电流以及电池状态的检测和显示以及各种相关保护（包括过电压保护、过电流保护以及过热保护等）。该系统可以同时对1节锂电池以及1至3节镍电池等进行稳定性充电，灵活性大。恒流充电过程充电电流从50～400mA任意设置，恒压充电过程输出电压可以实现0～10V任意设置。实验结果表明，该系统能对电池的充电过程进行有效的控制，其各项功能指标均达到了题目的要求，充电快速、高效、可靠，不会损坏电池或缩短电池寿命，可以实现充电过程的智能化控制。关键词：数控充电电源、SPCE061A单片机、充电、恒压、恒流、自动切换、LCDAbstract：TheSimpleNCchargingpowersupplytoSPCE061AMCUsystemforthecontrolofthecore,canautomaticallyswitchtheconstantpressureandconstantcurrentchargingontime,andcompletethedetectionanddisplayofthecurrentchargevoltageandchargecurrentaswellasthestateofbatteryandthusvariousrelatedprotection(includingover-voltageprotection,over-currentprotectionandover-temperatureprotection,etc.).Thesystemcansimultaneouslyonalithiumbatteryand1-3nickelrechargeablebattery,suchasstability,greatflexibility.Inaddition,thechargecurrentcanbeadjustedfreelyfrom50～400mAcontinuouslyintheconstantcurrentchargingprocess,andtheoutputvoltagecanbeachieved0～10Vcontinuousadjustmentintheconstantpressurecharging.Experimentalresultsshowthatthesystemeffectivelycontrollingthechargingprocessofthebatteries,whichfunctioncanmeettherequirementsofthetopic,withitschargingfast,efficient,andreliable,willnotdamagethebatteryorshortenbatterylife,andfinallycanachievethechargingprocessIntelligentControl.KeyWords：TheNCchargingpowersupply、SPCE061Amicrocontrollercore、Charging、ConstantPressure、Constantcurrent、Automaticallyswitch、LCD一、系统方案比较简易数控充电电源的实现方案有三种：采用专用集成芯片；采用开关电源实现恒压恒流充电；采用运放和功率管组成的负反馈电路。下面分别比较一下这三种方案。方案一：采用专用集成芯片构成的电路，比如MAX1898、MAX745等，结构简单，外围元件少。不过成本较高，而且不能适时的调节和随时的改动，外扩功能也很难实现。方案二：采用基于PWM技术的降压式开关电源实现恒压恒流功能，效率很高，但是开关噪声和纹波较大，很难实现题目的要求。方案三：采用由运放和功率管组成的负反馈电路实现恒压恒流充电，调节方便，易于扩展资源和功能，并且由于调整管工作在放大状态，线性度好，输出电压电流纹波小。缺点是外围元件较多，安装不方便。综合考虑以上的条件，该系统采用方案三。Q1R2RL+VCC+-A基准电压VREF电流反馈OP07TIP122负载采样电阻电压反馈差分放大A+-图1.1串联式稳压电路的总体结构图二、系统组成与工作原理2.1系统组成:该系统主要由SPCE061A单片机、供电电源、继电器开关模块、PID调节电路、电压及电流负反馈电路、阻容分压网络、调整管模块、温度采集模块、单片机键盘控制及LCD显示电路等模块组成，现附系统框图如下：图1.2系统的总体原理框图2.2系统工作过程简介：考虑到实际中主要用于对锂电池和镍电池进行充电，下面以锂、镍电池为例说明电池充电的原理。2.2.1.锂离子电池:SPCE061AMCULCD显示4*4键盘过热保护18B20LED状态指示、报警主回路负载给定过流保护过压保护恒流/恒压锂离子电池通常采用恒流转恒压的充电方法。如图所示，先经过恒流充电，待电压上升至最高电压A点后，转至恒压充电。此时，充电电流会逐渐降低，待电流降至B点，即为恒流时的1／10，认为电池已充满电，终止充电。2.2.2镍镉、镍氢电池：镍镉电池主要采用电池电压负增量控制充电方法。如图所示，充电开始，电池的端电压上升很快，经过A点后，电压缓慢上升至B点。然后电池电压又快速上升至最高点C。从C点处开始继续充电，电池电压会下降，出现一负增量，并且电池有明显的温升，此时可判定电池已充足电。2.2.3该系统的充电原理简介：镍镉、镍氢电池在由恒流充电向恒压充电切换时，检测到的电压负增量必须界于3～5mV之间，但是考虑到各种干扰信号的影响，这样的微小信号很难测量到。从充电原理来看，锂电池的“三段式”充电方式完全适用于镍电池。所以为了便于控制和计算，该数控充电电源使用“三段式”充电，既：涓流（预热）、恒流、恒压。下面介绍一下该系统的充电过程：系统上电复位之后，通过44键盘输入电池标称容量、电压、充电电流参数。设电池标称电压为V0,电池下限值为VL,电池容量用C表示，电池当前电压为V,之后系统按以下三种状态自动工作。Step1:如果初始VVL,则涓流充电，充电电流C/10，直到V=VL;如果初始VVL,为防止一开始充电电流过大，用C/103的电流对电池预热一定时间。Step2:VVL,大电流进行恒流充电。Step3:V=V0,转入恒压充电,当电流低于C/10时充电结束。在充电的过程中，LCD会显示当前充电状态、充电电流、当前电池电压以及电池温度。发光二极管对不同的工作状态有不同的指示。同时过流、过压和过热保护部分协同工作。2.3系统常见问题分析及解决的方法2.3.1恒流充电向恒压充电的切换问题:在系统正常工作后，在恒流向恒压充电切换时，如果直接进行切换，由于恒流电路已经切断，而恒压充电电路还没有开启，就会使系统出现短暂的开环状态，从而造成系统的误操作。为此，先用单片机将给定值设为零，这样系统就不会出现开环导通现象。2.3.2系统上电和过流保护状态的的识别问题：系统上电时，调整管的射极会产生较高电压，输出电流瞬间过大，使系统误认为是过电流保护，从而引起电路的跳闸，为了避免这一问题，可以在滞环运放（用于控制过流保护电路的通断）中加入了RC软启动电路，使触发器延迟一段时间后再进入正常工作状态，避免了误跳闸。2.3.3放大器自激振荡的问题：由于运放工作在深度负反馈状态，放大倍数较高，易于引入振荡，为此在放大环节负反馈中并联电容，引入积分环节，有效的防止了自激振荡现象。三、硬件电路及软件设计3.1硬件电路设计3.1.1电源变压器的选择：由题目可知，充电电源要求电流为恒流100mA～200mA，电压最大值为10V。现在取主电路充电电流最大值IMAX为500mA，输出电压最大值VMAX为12V。所以为了满足电路需求，选择最大电流为2的变压器。同时，为了能够使输出电压达到12V,选用变压器的二次侧交流输入电压为18V。现在设该充电电源的效率取50%，根据式子S=IMAXVMAX/=12W可知，需要变压器的容量大于等于12W所以充电电源选取容量为20W的变压器。综上所述，该系统选择使用一次侧和二次侧交流电压为220V/18V,容量为20W的变压器。3.1.2供电电源电路的设计在供电电源方案的选取方面，采用由集成开关稳压器LM2576组成的电源电路，功耗小，效率高，值可以达到70%～80%。其中LM2576-5V来提供+5V电压，主要为MCU和LCD供电。针对题目要求负载电压需要达到10V，考虑到采样电阻和TIP122的压降，该系统采用15V电源给调整管和运放供电。采用LM2576-ADJ来提供+15V电压。同时电源输出采用两级LC滤波，可以有效减小纹波。电路如下：ViAC1AC2AC2+0AC1-3B1BridgeFUSEGND3OUT2VIN1FB4ON/OFF5U3LM2576T-5100uFC13300uHL5300uHL6103C16Vi+15103C141000uFC15100uFC17103C18D3图1-4供电电源原理图3.1.3调整管的选择针对题目要求，由TIP122达林顿管构成的调整管电路，电流放大倍数明显提高，基极电流可以很小，从而负载可以较轻。同时TIP122的值可以达到1000，可通过3电流，负载能力强。为此该系统采用TIP122达林顿管构成调整管电路。主电路原理如下：83267451OP07132,4Q1TIP122+15V103？C1+15V反馈给定TE1KR21KR150KR4100R3Load1R5+5VQ39013D2电压反馈电流反馈反馈控制口1K.123456J2Out+Out-图1-5主电路原理图3.1.4负反馈电路的设计该系统采用由OP07运算放大器构成的负反馈电路。因为OP07输入失调电压小（25µV），温漂低（0.4µV/℃），噪声小,可以较好地避免高频干扰和自激振荡，并可以减小纹波，使测量精度得以较大的改善。电压、电流负反馈电路如下：83267451OP07减法器814321NE5532847562NE5532+15VOut+Out-电压反馈103C2+15V814321NE5532+15V1KR610KR81KR710KR910KR2210KR10104R111KR12图1-6电压反馈原理图1R583267451OP07,电压放大器103？C3电流反馈+15V847562NE5532+15V1KR131KR14104R151KR16Out-图1-7电流反馈原理图3.1.5过流、过压保护电路的设计使用LM356构成施密特触发器，当电流值超过设定时，LED1发光指示过流。同时继电器动作，把TIP122和反馈回路断开，起到保护作用。当电流减小后，按键button使系统正常工作。过压保护通过单片机实时检测当前电压来实现。过流保护电路如下：+15V1324button+15V53267481LM356电流反馈Q29013D1TEOut++15VLED11KR18100KR19104R171KR20200R2110KR22105C4123456J1图1-8过流保护原理图3.1.6指示电路的设计在充电的过程中，LED2闪烁指示正在充电，电池充满后LED2常亮。如在充电过程上电池电压过高LED3发光指示过压。图1.9指示电路3.1.7充电器座的设计为方便电池（负载）充电，我们制作了自动充电器插座。可以同时对3节Li电池或1节Ni电池充电。其中插座的四分之一如左图所示。+0为电池的+5VLED2LE