能夠為電子設備提供直充電源的單片機智能控制充電器

隨著全球工業化的進程，人類對能源的需求在不斷增長，能源危機日益加劇。太陽能是資源最豐富的可再生能源，它分布廣泛、可再生、不污染環境，是國際公認的理想替代能源。隨著太陽能技術的發展，近年來超薄、超輕的光伏電池在便攜式電子設備中的使用也得到了很大發展。

內置鋰電池的太陽能充電器擺脫了傳統充電方式的束縛，節能與環保，具有良好的發展前景。本文的研究目標是設計一個基于單片機智能控制的，能夠為手機、Mp3、pDA等電子設備提供直充電源的太陽能充電器。

1系統的總體結構

整個充電器主要包括太陽能電池、鋰電池、充電電路、放電電路、控制電路5個組成部分。系統整體框圖如圖1所示。該充電電路是一個Buck變換器及其驅動，由它把太陽能電池發出的電能進行變換后對鋰電池充電，Buck的驅動脈沖由單片機輸出，并由單片機控制其工作。

放電電路是一個有封閉模式的集成Boost變換器，它將鋰電池的端電壓進行升壓，使充電器輸出的電壓適合于給手機、Mp3等電子產品充電。控制電路主要包括單片機及其外圍電路、驅動電路、采樣電路和供電電源。控制電路實現的功能是：單片機依據采樣的充電電流信號，調節Buck變換器占空比以實現充電電流的控制，當沒有充電電流輸出時封閉Buck以減少電路損耗；依據采樣的鋰電池電壓信號進行充電過程的控制，實現脈沖方式的充電，并進行過充保護，以及使能或封閉放電電路戒備過放；依據采樣的鋰電池溫度信號實現超溫保護，當溫度超出正常工作范圍時，暫停充電。

2系統硬件電路設計

本文采用的鋰電池充電辦法包括預充電、快速充電、脈沖充電三個階段。當鋰電池端電壓低于3V時，先對其進行預充電解決。當鋰電池端電壓≥3v時，可筆直進人快速充電階段。當鋰電池端電壓達到4.2V時，進入脈沖充電階段，在此階段間歇封閉充電電路使電池電壓保持在4.2V左右。鋰電池的放電電壓區間設為3.3～4.2V，當電池端電壓低至3.3V時封閉放電電路，戒備過放電。

充電主回路如圖2所示，包括太陽能電池、屏蔽二極管、Buck變換器和鋰電池。

Buck變換器設計的關鍵是確保磁路不會飽和，因此電感應當在最不利工作條件下設計，即電感電流最大。對于Buck變換器，電感均勻電流總是等于負載電流J。，因此它的最惡劣情況還要考慮輸入電壓最高的情況，此時電感電流的峰值最大。對本設計來說，最不利條件發生在變換器輸人功率最大，鋰電池端電壓最小，此時輸出負載電流最大。可得電感量L：

放電電路的輸人電壓為鋰電池的端電壓，其工作范圍從3.3V～4.2V，為保護鋰電池，當電壓低至3.3V時，封閉放電回路。放電電路的輸出為手機、pDA等設備提供5V～5.5V的直充電源，因此放電電路需要用一個Boost變換器，選擇LINEAR公司的集成Boost變換器LTC3402，如圖3所示。放電電路穩壓輸出為5.3V／500mA。電路有兩種封閉模式。第一種模式由手動控制開關S。當充電器需要輸出電源為手機等設備充電時，閉合S；當充電完畢后，斷開S，戒備放電電路持續消耗功率。第二種模式由單片機自動控制。單片機對鋰電池的端電壓進行采樣，經過內部比較器比較后輸出高電平或低電平。當電壓在3.3～4.2V之間時，pICl6F883單片機的6腳輸出高電平，Boost電路正常工作。當電壓小于3.3V時，6腳輸出低電平，封閉Boost電路，戒備電池持續放電。同時給出電池缺電指示燈，等待手動切斷S，開關。

pICl6F883是Microchip公司于2006年推出的pICl6F88X系列單片機中的一個型號。pICl6F883單片機不僅集成了本電路所需要的pWM脈沖調制模塊、A／D轉換模塊、模擬比較器，而且芯片設計采用納瓦技術，具有非常良好的低功耗特性，待機電流低至50nA。另外它還有多個可將單片機從休眠模式下喚醒的中斷源，進一步減少了功耗，非常適合電池供電系統的使用。其引腳功能如圖4所示。

在數字控制電路中，非得將模擬信號轉換為單片機可以解決的數字信號，通常由A/D轉換器(簡稱ADC)來實現。pICl6F883單片機內部集成了11通道10位辨別率的A/D轉換器，因此不需要外接A/D轉換芯片。

(1)電流采樣電路設計

采樣電流的主要作用是為了實現鋰電池充電電流最大，因此采樣電阻R，。串聯在電池充電回路中，采樣電阻上的壓降與充電電流的大小成正比。采樣電、路如圖5所示。

(2)電壓采樣電路設計

電壓采樣電路對鋰電池的電壓進行采樣，采樣電壓是充放電控制的根據。鋰電池的最高電壓為4.2V，對其進行兩次分壓，第一次分壓后采樣信號的最大值為2.8V，輸入單片機的AN2模擬通道進行A/D轉換，依據轉換后的值判斷鋰電池應當進人預充電、快速充電還是脈沖充電。第二次分壓后采樣信號的最大值為2.16V，該信號作為單片機內部比較器的反相輸入信號，與內部參考電壓比較，再通過軟件設置將比較結果反轉后，由單片機6腳輸出給Boost變換器的引腳，控制Boost電路工作或封閉。電壓采樣電路如圖6所示。

(3)溫度采樣電路設計

為了戒備鋰電池超溫工作，非得采樣電池溫度。溫度采樣通過一個負溫度系數(NTC)熱敏電阻實現。電阻貼在電池表面中心位置，因此得到的溫度是電池表面溫度。采用的熱敏電阻在額定溫度25℃時的電阻值為47k，熱敏指數B值為3950K(25/50)，精度±3％。溫度采樣電路如圖7所示，熱敏電阻與電阻R：。并聯后再與Rz。串聯，當NTC阻值變化時，送給A/D轉換通道ANll的采樣電壓值也發生變化。若采樣得到的電壓值超過0.94～2.2V的范圍，單片機會封閉充電電路，暫停充電，直到電池溫度恢復正常為止。

3系統軟件設計

單片機是整個系統控制的核心，而所有的控制命令都要由軟件來實現。系統軟件要實現以下控制功能：

(1)充電過程的轉換與控制。充電過程包括預充電、快速充電、脈沖充電三個階段，非得使充電電路在這三個階段之間正確轉換，并在每個階段執行不同的控制策略，使鋰電池合理充電。

(2)正確判斷鋰電池是不是洋溢，洋溢后充電器進入休眠狀態。若充電器電源按鈕一筆直通，則當電池電壓下降到重復充電值后自動重新開始充電過程。

(3)在整個充電過程中一直監測鋰電池的溫度，并進行過溫保護。

(4)進行放電控制。

主程序流程設計如圖8所示，在主程序中主要完成系統初始化、開中斷、調用充電子程序、充電完成解決等功能。初始化子程序中要進行變量、I/0端口、比較器、pWM、定時器、中斷的初始化。初始化完成后，啟動比較器中斷，并依據鋰電池的電壓轉人預充、快速或脈沖充電子程序。UBATT_MAX是鋰電池的終止充電電壓，設為42V。UBATT_MIN是快速充電的起始電壓，設為3V。當充電完成后，置充電指示燈為綠燈，然后將其余端口設為低電平，修改比較器基準電壓為4V，封閉全局中斷使能位，單片機進入休眠狀態。

本文設計的鋰離子電池充電器的充電電壓和電流及放電電壓曲線分別如圖9～圖11所示，試驗結果證明本方案能較好地完成對鋰電池進行過充、過放和過溫保護的功能。

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