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1、基于ATmega8智能充电器的设计 【摘要】移动通讯、消费类数码产品、笔记本电脑、便携仪器等便携设备市场的不断扩张，使得我们对电池的性能和工作寿命的要求不断地提高。从上世纪60年代商用镍镉充电电池到近几年的锂离子电池，可充电电池容量和性能得到了飞速的发展。充电电池的使用离不开对其补充能量的充电器，而且充电器的好坏将会直接影响到电池的充电性能和使用寿命。本文详细介绍了镍镉、镍氢、锂电池这三种最为常用的充电电池的特点，同时介绍利用ATmega8和Buck开关电源设计的智能充电的设计和电路工作原理，充电期间对温度、电压、电流三项实时检测，并通过测的值来改变工作状态和停充。还设计通过恒流放电到最低限制
2、电压来测量电池的容量。并通过LCD12864实时的显示电压、电流、温度、充放电状态等信息。1. 概述随着人们生活水平的提高及科技的发展，很多的设备出现小型化和智能化，电子产品中的小型便携产品离不开对其提供能源的电源，针对这一状况，应运而生的充电式电池飞速的增长，而随之对于充电器的要求也越来越高，人们希望充电器能完全按照人的思维充电，即快速、安全、准确、方便的对电池进行充电。根据人们对“智能”充电器的要求，对于纯粹的硬件电路已经很难实现智能化，而且势必硬件电路会很复杂。但是嵌入式系统出现解决了这一难题，嵌入式系统内部集成众多的接口及功能模块，而且可以通过编程去尽可能的实现人的思维，可以很方便的实
3、现软件的更新，这样也就加快了充电器的更新速度，使发展的更快。便携式电子产品目前主要是镍氢（NiMH）、镍镉(Nicd）、锂充电电池（Li-lon），三种充电电池都有轻便、性价比高、放电电流大、寿命长等特点，因此在各种通信设备、电动工具、仪器仪表中有着广泛的应用。普通充电器对电池采取小电流充电方式，没什么电压电流保护电路。这样，将导致电池充满所需时间长，且容易造成电池过充，影响电池寿命甚至引起事故。所谓的智能充电器，是指在充电过程中可对电压、电流、温度进行实时检测，并根据检测的结果，对检测的结果进行判断以调节各种的充电状态，能最大限度的延长电池寿命，缩短充电时间的充电器。本充电器通过单片机设计的
4、智能快速充电器能够判断电池状态，控制电池的快速充电，适用于不同容量小型的Nicd、 NiMH和Li-lon 电池。该方法能大大缩短充电时间，并能防止电池出现过充现象。本充电器核心是ATmega8，是AVR单片机的一种，具有极高的性价比，AVR 微处理器是当前市场上能够以单片方式提供Flash、PWM 和10 位ADC的最高效的8 位RISC微处理器。由于程序存储器为Flash，因此可以不用象MASK ROM一样，有几个软件版本就库存几种型号。Flash 可以在发货之前再进行编程，或是在PCB贴装之后再通过ISP 进行编程，从而允许在最后一分钟进行软件更新。10 位A/D 转换器可以提供足够的测
5、量精度，使得充好后的容量更接近其最大容量。而其他方案为了达到此目的，可能需要外部的ADC，不但占用PCB 空间，也提高了系统成本。本充电器可对1-3节镍镉、镍氢、单节锂电池进行最优化充电，可最大限度使电池达到最大寿命。电池在不断的充放电中容量会逐渐的减小，但是电池究竟容量为多少？目前市场极少有此设备，为此，本充电器设计一电池容量检测功能，通过对电池恒流放电到最低限制电压，计算出时间得到电池容量。这也是本充电器的又一独到之处。2. 总体设计方案2.1 设计方框图本智能充电器主控采用的是MCU，按照充电器的设计思路，可得到如下的方框图。 电源控制电池控制核心电压、电流、温度采样显示部分按键控制图2
6、-1 智能充电器总体方框图2.2 方案论证与比较2.2.1 控制核心的选择核心部件必须得是可程序控制的器件，才能体现人性化，所以主控芯片从MCU入手。由此，得到以下几个方案的设计。方案一：采用传统8位的51单片机，具有价格低廉，使用简单，技术支持较多等特点，但其采用复杂指令集（CISC),且机器周期长，这势必影响到对程序读取速度，而且51单片机内部没集成其他接口功能模块，如A/D,PWM,D/A等。本设计中信号采集，电源控制需PWM,A/D,D/A模块，这只能增加外围模块，硬件、软件、成本都得增加。方案二：采用ARM或DSP之类32位的嵌入式模块。这样的芯片具有处理速度快、程序储存器大、功能模
7、块多等优点，但都采用贴片式小封装，有众多的管脚（本充电器只需十几个管脚），硬件上的焊接设计难度大，成本高，大材小用。方案三：采用Atmel公司生产的AVR系列ATmega8单片机，该单片机采用精简指令集（RISC），一个时钟周期对应一个机器周期，在速度上可达到要求，而且内部集成了A/D、PWM等模块，具有8K的flash储存器，而成本只和传统51相当，是有极高性价比的单片机。综上论证，本充电器采用方案三。2.2.2 电源控制的选择电源控制主要是通过MCU输出控制电源模块的电流的改变，从而起到调节电压或电流的目的。目前常有的管理电源有两种方法，一是模拟式，二是开关式。现对两种充电方式进行比较。方
8、案一：采用模拟式电源调节方法，就是用模拟量去控制功率三极管等调节器件，使其输出随着输入模拟量改变而改变，这种方法的好处是电源波纹小，输出电的质量高，但其有一致命弱点功率消耗太大，很多的电能被功率管以发热的形式白白浪费掉，效率一般20%-40%，不符合绿色用电规范。功率管也由于产生大量的热而需面积庞大的散热片来保护功率管。方案二：采用开关式电源调节方法。此种方式是使功率管处于开关状态，通过储能电感间歇的充放电来改变电压的。这种方式最大优点是电源效率高，一般60%-90%，人们日常生活及工业生产中开关电源是越来越多。这种方式的电源输出电压是脉动的方波，需整流后才能使用，但存在整流输出波纹大的缺点，
9、不过加强滤波，可以使波纹控制在一定的范围内。从论证来看，开关式有着模拟式不可比拟的优点，因此选方案二。2.2.3 显示器件的选择一个实用的充电器必须得包含显示电路，这样才能使使用者查看电池的状态，及是否完成等，因此显示电路得到以下几个方案。方案一：采用LED显示。发光二极管具有驱动电流小，各种颜色显示直观，接口电路简单，成本低的特点，一般LED只是作为指示用，很难显示一个具体的值，对于调试、程序设计者需要查看各种值就显的无力。从设计上来看不用LED。方案二：采用LED数码管来显示，这种器件需要外围器件电路来驱动，需要较大的电流，当显示很多值时，需很多的数码管，这样在设计上复杂，成本也会很高，而
10、且需要的接口也较多，从一般的设计上不宜采用。方案三：采用LCD1602显示。LCD1602可采用四线或八线方式传输数据，另需两、三根控制线，接口较简单，成本也不高，显示较直观，省电，但LCD1602只能显示字符、数字及很少的简单汉字，在显示多组数据时略显不足。方案四：采用LCD12864显示。LCD12864是图形，汉字显示器件，可显示16*16汉字32个，16*8字符数字64个，功能很多，显示直观，不过成本较高。总体有一定的性价比。LCD12864有很多中主控芯片，根据本设计电路的特点，只是显示汉字、字符和数字，并不需要显示图形，因此可采用带中文字库的LCD，而采用ST7920作主控芯片的L
11、CD12864具有接口电路简单，程序控制方便，不用人为生成汉字，节约程序空间。ST7920的接口方式有并口和串口两种方式，采用串口总的数据线最少只需两根，这对于硬件设计会简单的多。在设计中用LCD12864实时显示电压、电流、温度、状态等信息，显示直观，对于设计来说也提供了帮助。所以本智能充电器采用的是LCD12864。2.2.4 温度采集模块的选择智能充电器得用到温度采集模块，这里有三种供选择，DS18B20、LM35、热敏电阻。现在对其一一考虑。方案一：用高集成度单片机控制芯片DS18B20。这在三种选择之中是最贵的，但是此器件温度已经校准，而且里面集成有温度上下限报警、EEPROM等，它
12、通过严格的单线时序对其读或写，不过要浪费MCU很多的时间和程序储存器。方案二：用高精度模拟输出温度芯片LM35。这种芯片亦不用进行调节而可直接读取，它输出的是把温度值化为具体的电压值，不过读取器件得有AD口。这在三者中价格居中。方案三：用热敏电阻进行读取，它最大的优点是价格便宜，不过热敏电阻随温度变化不是直线，需手工进行测量编出数组以对应具体的温度值，由于自己校准的设备不全，难度大，而且也得需要有AD口的MCU来读取。综上所述，充分发挥ATmega8单片机有AD口的优势，采用方案二，它具有相应快，读取简单，接口方便的优点。2.2.5 采样电路的设计在充电或放电中需对电池的各种信息进行测量，以作
13、出应对，因此需信息检测电路。因送入MCU中的信息是模拟量，若直接送入MCU的AD口，有比AD口最大测量电压高的量，有比AD最大输入最大值低得多的量，也有跟其反相的量，因此不能直接送入AD口，需外围变换电路，以降低电压保护AD口或升高电压使AD口测量精度最高或使电压反相以便于测量，所以需要通过运放电路来实现上述变换。因为充电器提供的电源是单电源，不宜使用双电源运放，这样会使电路很复杂，从单电源运放来看，最宜采用通用运放LM324和LM358。这两种运放可单、双电源供电，在单电源下供电电压3V-30V，价格便宜，性能也不错。本次设计一共用6个运放，因此用一片LM324（四运放）加一片LM358（双
14、运放）。2.2.6 按键设计按键一般有两类，一类是单一接口控制按键，一类是矩阵按键。矩阵按键在按键多的情况下用，可大大节省端口，另一类在按键少时用。在本次设计中共用五个按键，因此采用一对一接口按键。在这种按键下一般采用按下时低电平有效的方法，因此需上拉电阻，为了使设计简单化，又充分发挥ATmega8的优点，使能内部上拉，因此可省去外部上拉电阻，只用一按键接地就可。3.充电原理电池充电是通过逆向化学反应将能量存储到化学系统里实现的。由于使用的化学物质的不同，电池有自己的特性。设计充电器时要仔细了解这些特性以防止过度充电而损坏电池。3.1 电池技术3.1.1 镍镉电池（Nicd）NiCd 电池前几
15、年使用普遍的充电电池。它的优点是价格便宜，易于使用；缺点是自放电率比较高，存在记忆效应。典型的NiCd 电池可以充电1,000 次。失效机理主要是极性反转。在电池包里第一个被完全放电的单元会发生反转。为了防止损坏电池包，需要不间断地监控电压。一旦单元电压下降到1.0V 就必须停机。NiCd 电池一般以恒定电流的方式进行充电。因为镍镉电池会对环境产生污染，因此将逐渐的推出市场。3.1.2 镍氢电池（NiMH） 继镍镉电池后，重量更轻容量更大的NiMH电池得到更为普遍的使用。在数码相机、数码摄像机等便携式设备中都能见到NiMH电池的身影。镍氢电池容量比镍镉电池高1.5-2倍，且具有不污染环境、价格
16、便宜、性能好等优点。由于过充电会造成NiMH 电池的失效，在充电过程中进行精确地测量以在合适的时间停止是非常重要的。和NiCd 电池一样，极性反转时电池也会损坏。NiMH 电池的自放电率大概为20%/ 月。和NiCd 电池一样，NiMH 电池也为恒定电流充电。3.1.3 锂电池（Li-lon） 近几年，锂电池得到长足的发展。和本文中所述的其他电池相比，锂电池具有最高的能量/ 重量比和能量/ 体积比、无记忆效应等优点但是锂电池成本较高而且对充电器的要求也是最高的。锂电池以恒定电压进行充电，同时要有电流限制以避免在充电过程的初期电池过热。当充电电流下降到生产商设定的最小电流时就要停止充电。过充电将造成电池损坏，甚至爆炸。3.2 电池的安全充电现代的快速充电器( 即电池可以在小于3 个小时的时间
