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基于ST72單片機的快速充電系統
摘要：介紹一種新型快速充電系統。該系統以ＳＴ７２單片機為控制核心，以多種蓄電池為控制對象，對蓄電池充電過(guò)程進(jìn)行參數自動(dòng)跟蹤、檢測和綜合控制，在延長(cháng)蓄電池使用壽命的前提下，大幅度提高充電速度。傳統的常規蓄電池充電方法都采用小電流的恒壓或恒流充電，充電時(shí)間長(cháng)達１０～２０個(gè)小時(shí)。為了縮短充電時(shí)間，必須對充電過(guò)程的充電電流進(jìn)行控制。許多生產(chǎn)廠(chǎng)家誤認為盲目提高充電電流就是快速充電，其實(shí)這不但不能提高充電效率，而且會(huì )加劇電池的極化現象，升高蓄電池溫度，浪費電能，嚴重損壞蓄電池。根據美國科學(xué)家馬斯提出的馬斯三定律，脈沖充電、脈沖放電可以去除電池極化，減小蓄電池的內部壓力、溫度和內阻，加快充電速度，實(shí)現蓄電池快速充電需采用充－放－充的循環(huán)方式。這種模式的快充系統中一般應包括控制回路、充電回路、放電回路。根據充電過(guò)程中測得的參數，通過(guò)單片機適當調整，保證脈沖電壓的（充、放）幅值及充電與放電的寬度比值恒定，可以得出充電效率的最佳結果。
１ 系統結構
１．１ 控制回路
ＳＴ７２系列單片機是法國ＳＴ微電子公司最新生產(chǎn)的簡(jiǎn)單、靈活、低價(jià)格的８位單片機，采用了獨特的制造工藝和技術(shù)，大大提高了抗干擾能力。它專(zhuān)為嵌入式控制應用設計，特別適用于抗噪聲干擾高、整體性?xún)r(jià)比高的控制系統。它具有以下的主要性能：
（１）工作電源電壓有很寬的適應范圍，從２．４Ｖ～５．５Ｖ；功耗較低，內部數字看門(mén)狗。
（２）豐富的Ｉ／Ｏ功能，內部帶有３個(gè)定時(shí)器／計時(shí)器，有的還多達１６個(gè)通道的１０位Ａ／Ｄ轉換器，兩路脈寬調制?多種通信接口，多達１２級的中斷源。
（３）多種內部程序存儲器，除有廉價(jià)的ＯＴＰ（Ｏｎｅ Ｔｉｍｅ Ｐｒｏｇｒａｍｍｉｎｇ）一次性編程寫(xiě)入?還有非常方便的ＦＬＡＳＨ程序存儲器，可以在線(xiàn)編程，易于修改程序代碼。存儲器的容量從１．５ＫＢ～６０ＫＢ不等，可以滿(mǎn)足各種編程的需要。
根據系統功能的需要，選用ＳＴ７２系列的ＳＴ７２２６４Ｇ１單片機作控制芯片。該芯片具有４ＫＢ的ＦＬＡＳＨ內部存儲器，２路ＰＷＭ輸出，最大時(shí)鐘頻率８ＭＨｚ，有２０個(gè)Ｉ／Ｏ引腳，６個(gè)復用１０位Ａ／Ｄ轉換器，有ＳＰＩ、ＳＣＩ、Ｉ２Ｃ三種通信接口�？刂苹芈凡捎茫樱裕罚玻玻叮矗牵奔由弦壕э@示和鍵盤(pán)接口等；它利用單片機自身的Ａ／Ｄ端口，組成電壓、電流、溫度檢測電路。
１．２ 充放電回路
充電回路是采用一種新型的電源芯片ＴＯＰ２２５Ｙ構成的電源電路。該芯片是美國Ｐｏｗｅｒｇｒａｔｉｏｎ公司生產(chǎn)的三端隔離式脈寬調制單片開(kāi)關(guān)電源集成電路。它將ＰＷＭ集成電路和ＭＯＳＦＥＴ功率器件集成在同一芯片中，具備ＰＷＭ型開(kāi)關(guān)穩壓電源所需的全部功能。通過(guò)高頻變壓器使輸出端與電網(wǎng)完全隔離，實(shí)現了無(wú)功頻變壓器隔離的開(kāi)關(guān)電源的集成化。整個(gè)回路具有輸出功率范圍大、成本低、集成化程度高、電路設計簡(jiǎn)單等優(yōu)點(diǎn)。
放電回路則由蓄電池和電阻構成回路，ＭＯＳ管作為開(kāi)關(guān)，控制放電回路的關(guān)斷。ＭＯＳ管的關(guān)斷由單片機給出控制信號。
智能充電系統的原理框圖如圖１所示。
單片機根據電壓反饋和電流反饋，輸出數字電壓轉換成模擬電壓。模擬電壓再經(jīng)過(guò)光耦隔離，然后調節電源芯片ＴＯＰ２２５Ｙ控制腳的電流大小，由芯片調節控制信號的占空比，從而調整脈沖電壓的幅值或涓流電流的大小。一般單片機的數字電壓轉換成模擬電壓都需要Ｄ／Ａ轉換器，由于ＳＴ７２系列單片機帶有ＰＷＭ輸出，因此可以直接利用ＰＷＭ輸出將數字電壓轉換成模擬電壓，能夠保證精度，省卻了Ｄ／Ａ轉換器。
２ 系統軟件設計
系統軟件用Ｃ語(yǔ)言編寫(xiě)，經(jīng)過(guò)匯編、仿真調試?燒寫(xiě)在單片機的內部程序存儲器內。按照軟件工程的規范要求進(jìn)行軟件設計，實(shí)現結構層次化、功能模塊化，不僅使軟件的可讀性、可維護性、可擴展性得到了增強，而且提高了軟件的可靠性。程序的總體結構框圖如圖２所示。
程序先檢測蓄電池是否已充滿(mǎn)和蓄電池的好壞。蓄電池是否充滿(mǎn)可以從其兩端的電壓得出。蓄電池的好壞需要通過(guò)開(kāi)路、短路、測溫等試驗措施來(lái)確定。對蓄電池可施加一個(gè)比較小的充電電流（約為快速充電電流的１／５），使電池電壓在一定時(shí)間內達到某個(gè)特定值，確定蓄電池的好壞。開(kāi)始脈沖充電后，程序自動(dòng)跟蹤檢測蓄電池的各種參數。當參數達到脈沖充電終止條件時(shí)，系統終止快速充電狀態(tài)而轉入涓流充電狀態(tài)，以補充蓄電池因自放電而損失的電量。在涓流充電狀態(tài)下，充電器將以某一充電速率給蓄電池補充電荷，這樣可以使電池總處于充足電狀態(tài)。
為保證在任何情況下，均能準確可靠地控制電池的充電狀態(tài)，本系統采用了電壓控制、溫度控制和定時(shí)控制的綜合控制法。
（１）電壓控制使用拐點(diǎn)控制法。這種充電終止方法由檢測電壓曲線(xiàn)的拐點(diǎn)構成，對鎳氫、鎳鎘電池都適用。用單片機檢測電壓曲線(xiàn)需要求出電壓曲線(xiàn)對時(shí)間的一次求導值并檢測其頂點(diǎn)值。ＳＴ７２２６４單片機的Ａ／Ｄ轉換器每４秒鐘測得電池電壓一次，為減少由于高頻干擾（例如由脈沖充電電流所產(chǎn)生的干擾）而造成的測量誤差，連續多次測量電池電壓得出一個(gè)平均測量值。進(jìn)而對現今和先前的平均測量結果再做一個(gè)滾動(dòng)平均，去除由于電化學(xué)電池電壓變化而造成的低頻干擾。通過(guò)對幾次測量數據的運算，以獲取電壓對時(shí)間的導數。因為電壓是通過(guò)Ａ／Ｄ轉換器得到的數字量，電壓對時(shí)間的一次導數的曲線(xiàn)不平滑，所以必須對該曲線(xiàn)做平滑處理。通過(guò)檢測在平滑的導數曲線(xiàn)上所遇到的第一個(gè)最高頂值來(lái)辯認這個(gè)拐點(diǎn)（圖３中的Ｂ點(diǎn)）。當探測出這個(gè)頂值時(shí)就終止快速充電。
（２）溫度控制使用溫度變化率法。鎳氫和鎳鎘電池充足電后，電池溫度迅速上升，而且上升速率ΔＴ／Δｔ基本相同。當電池溫度每分鐘上升１℃時(shí)，應立即終止快速充電。需要注意的是：由于熱敏電阻的阻值與溫度關(guān)系是非線(xiàn)性的，因此，為了提高檢測精度應
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