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06-18
随着现代科学技术的发展，绿色环保的能源——充电电池越来越广泛地应用在人们的生活中，但同时也提出了一个问题，那就是，如何让电池充电变得高效、便捷。
基于此，设计了一种智能充电器，可以根据充电状态自动选择充电模式，并具有过热保护和自动恢复功能。
1 充电电源方案论证与选型 充电电源的主要部分是恒流源和恒压源，因此实现恒流输出和恒压输出是设计的主要任务。
方案一采用充电芯片UB作为充电电源的核心部件。
UB可控制充电过程、充电电流、温度；再加上单片机的控制，可以实现对电路的良好控制。
通过外围电路的设置，输出电流可以达到mA，完全满足问题的要求。
集成度高，稳定性好。
但所使用的芯片在电流和电压的切换上有一定的局限性，不能保证负载对电流的变化满足问题的要求。
选项2是通过在恒流源和恒压源之间切换来实现的。
恒压源采用LM和高精度OP07组成的恒压源，具有输出稳定、纹波小等特点。
脉宽调制（开关）恒流源通过改变稳压器的工作脉冲宽度来达到恒流的目的。
这种恒流源稳压器工作在开关??状态，功率损耗小，效率高达70%～95%。
但纹波电流大、辐射干扰强、恒流精度低。
方案三，采用SPCEA单片机作为中央控制系统，通过恒流源和恒压源切换来实现。
恒压采用LM和高精度OP07组成的恒压源，具有输出稳定、纹波小等特点。
恒流源由IRF大功率场效应管和OP07组成。
输出恒流精度高，纹波小，负载对输出电流影响小。
经过综合考虑，我们决定采用这一方案。
2 硬件电路设计 2.1 总体设计 系统框图如图1所示。
系统在SPCEA的控制下，完成恒流充电、恒压充电的检测与控制和温度，并在 LCD 上显示结果。
2.2恒流源和恒压源 2.2.1压控恒流源充电电路设计 电路原理图如图2所示，恒流源电路由运算放大器组成、大功率场效应管Q1、采样电阻R3、负载电阻RL等。
电路中的调节管采用大功率场效应管IRF。
利用场效应晶体管很容易实现电压对电流的线性控制，不仅可以满足输出电流mA和mA的要求，而且可以更好地实现电压对电流的近似线性控制。
因为当场效应晶体管工作在饱和区时，漏极电流Id近似为由电压Ugs控制的电流，即当Ud为常数时，满足Id=f(Ugs)。
只要Ugs不改变，Id就不会改变。
该电路中，R3为采样电阻，采用康铜丝绕制（阻值随温度变化不大），阻值为1Ω。
运放采用OP-07作为电压跟随器，Ui=UP=UN，场效应管Id=Is（栅极电流比较小，可以忽略），所以Io=Is=UN/R2=Ui/ R2。
正是因为Io=Ui/R2，电路输入电压Ui控制电流Io，即Io不随RL的变化而变化，从而实现压控恒流。
2.2.2 恒压源充电电路设计 恒压源充电电路设计电路如图3所示。
稳压电路采用LMCT正输出三端稳压器。
稳压值容差为±5%，电压调整率约为0.01%，满足课题要求。
该电路通过调节R1来改变OP-07的输出，从而动态控制输出电压，实现稳压。
2.3 数据采集电路 为保证精度，A/D需要10位。
SPCEA有8个10位模/数转换通道，其中7个用于将模拟信号转换为数字信号，可以直接通过端口（IOA[0~6]）输入。
模拟输入值取自恒流电路负载RL两端的电压值。
当电压值大于或等于10V时，微控制器控制充电电路将充电模式从恒流充电模式切换到恒压充电模式。
2.4 显示单元 选用OCMJ4×8C中文液晶显示屏，可显示充电模式（快充、慢充）、充电电流（单位mA）、负载温度（单位℃）。
增加了上电检测模块，检测负载是否连接。
未连接负载时，显示“请插入充电电池”；连接负载后，显示运行过程中的相关参数。
2.5 过热保护 DS18B20可编程设置9~12位分辨率，精度±0.5℃。
可直接与单片机通讯，方便控制。
连接单片机时，只需一根线即可实现单片机与DS18B20之间的双向通信。
当负载温度大于或等于60℃时，单片机停止充电电路；当负载温度下降到一定程度时，充电电路重新启动。
3 控制软件设计 软件设计流程图如图4所示。
4 测试数据及测试结果分析 4.1 测试仪器 测试采用TDS型示波器、HP1A型数字示波器万用表、WY型低频电子电压表。
4.2 输出电流测试 当电源工作在恒流状态时，通过测量采样电阻上的电压得到被测电流，采样电阻为1Ω。
纹波电压是用电子电压表测量的。
4.2.1 mA恒流充电 mA恒流状态下，输出电流和纹波电流如表1所示。
4.2.2 mA恒流充电 mA恒流状态下当前状态下，输出电流和纹波电流如表2所示。
从表1和表2的测量数据可以看出，当负载电阻改变时，输出电流的绝对值发生变化小于或等于2mA，纹波电流小于或等于1mA。
4.3 输出电压测试 当电源工作在恒压状态时，用电压表直接测量输出端的输出电压（如表3）。
从表3的测量数据可以看出，当负载电阻变化时，输出电压波动小于0.2 V，输出纹波电压小于10 mV。
5 结论 系统采用SPCEA 16位单片机实现充电过程的实时控制。
根据充电状态自动选择快、慢、恒流、恒压充电模式。
内部测量系统实时监测当前温度并自动控制充电。
保护电池性能并延长寿命的过程。
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