基于ATmega16单片机的智能快速充电机设计与实现

蓄电池的使用已长达一百多年，电池性能的好坏直接影响到电子产品的使用寿命和安全，而充电机的性能好坏又直接影响到电池的性能。传统的充电机大多由于工频变压器及整流电路（可控硅调相）组成，虽然线路极为简单，但有许多不容忽视的缺点：笨重、可靠性差、充电效率低、充电期间必须人工值守、不断调整充电电流等。而本文设计的智能快速充电机，按照蓄电池充电特性曲线进行充电，具有充电快、还原效率高、无过充电危险、自动结束充电等功能，解决了上述问题，提高了充电的质量和效率。

1、充电方式及系统结构

国内外蓄电池的充电方法主要有恒流、恒压、恒压限流、脉冲充电、Relfex充电法。本系统以高频芯片SG3525AN为核心，产生9kHz左右的PWM脉冲，采用的是三阶段充电法。所谓三阶段充电法，具体是指恒流充电阶段、恒压充电阶段、涓流充电阶段（又叫浮充阶段）。

1.1、三阶段充电法

（1）恒流充电阶段。

在恒流充电阶段，充电电流保持不变，但输出电压在变。电路根据充电电流的情况自动调节输出电压，使电流保持在恒定的阶段。一方面表现在，当电流增大时，电路自动降低输出电压，使电流减小，保持恒定；另一方面，随着蓄电池电量的增多，其两端电压会不断上升，为了防止充电电流变小，开关电源的输出端电压必须随着充电过程而逐渐上升。此阶段的电流较大。

充电电流的值根据以下公式确定：

充电电流（A）＝蓄电池容量（Ah）×1.2（效率）×8（h）

式中：1.2效率是一个定值；8h是指标准规定的充电时间。

（2）恒压充电阶段。

恒压充电阶段是指当蓄电池的电压升高到设定的恒压值时，开关电源的输出电压保持不变，而充电电流则根据蓄电池的充电情况减小。

充电电压值的计算公式如下：

恒压充电电压（V）＝蓄电池单格电压（V）×蓄电池的格数（个）

（3）涓流充电阶段。

涓流充电阶段是指当蓄电池基本充满时，电路根据检测到的充电电流会自动减小开关电源的输出电压，此时输出电压稳定，电流持续减小，约2h后充电结束。

三阶段充电的曲线如图1所示。

图1 三阶段充电曲线图

1.2、智能充电机的系统结构

本系统的输出电压范围为5~20V，输出电流范围为0~25A。充电机由主电路、控制电路、过压过流保护电路、驱动电路和单片机接口电路组成。系统框图如图2所示。

图2  智能快速充电机的系统框图

电网220V单相交流电输入，经EMI滤波，再经过整流桥全桥整流和滤波，供给半桥式逆变电路进行逆变，得到高频交流脉冲电压，再经过全波整流电路整流、LC滤波电路滤波，最后得到一个稳定的直流电压和电流输出到负载。单片机通过采样电路实时采集输出端的电压和电流，经单片机内部程序计算再决定下一阶段的充电电压和电流，然后送出相应控制信号给脉宽调制器SG3525AN。SG3525AN经过内部的比较电路比较后，送出脉宽可以改变的PWM调制信号，驱动半桥DC-DC隔离变换器的开关MOSFET管工作，从而达到调节和稳定输出端的充电电压和电流的目的。

另外，当电流、电压、温度等出现异常时，蜂鸣器提示模块能以声的形式进行相应故障提示。

1.3、核心驱动电路的设计

核心驱动电路采用的是集成芯片SG3525AN，它是一种性能优良、功能齐全和通用性强的单片集成PWM控制芯片，占空比0~50%可调，输出驱动以推拉形式输出，增加了驱动能力，驱动电流最大值可达200mA，灌拉电流峰值可达500mA，工作频率高达400kHz。

SG3525AN是定频PWM芯片，采用16引脚标准DIP封装，其各引脚功能如图3所示，驱动电路如图4所示。

图3 SG3525AN各引脚功能

图4 SG3525AN驱动电路

15脚正常供电以后，其内部建立起恒压源和恒流源。2脚接基准电压，1脚为输出电压取样端，当1脚电压升高时，经误差放大器9脚电压下降；反之，9脚电压上升。通过5、6脚外接定时元件，以及7脚放电端，使5脚产生锯齿波信号，加于内部比较器的输入端。当误差放大器端9脚电压上升时，比较器输出的脉冲宽度变窄，11脚和14脚输出的脉冲宽度反而变宽。当9脚电压下降时，情况相反，从而实现输出脉宽调制。

振荡器脚5须外接电容CT，脚6须外接电阻RT，7脚须外接阻值小于100Ω的电阻RD，用来调节死区时间。振荡器频率f由外接电阻RT、电容CT和电阻RD决定，公式如下：

2、系统软件设计

2.1、数字部分原理图设计

单片机控制模块主要采用Atmega16芯片进行各种采集、控制和显示。Atmega16芯片内核具有丰富的指令集和32个通用工作寄存器。它有16K字节的系统内部可编程Flash，512字节EEPROM，1K字节SRAM。内部具有8路10位ADC，8个单端通道，2个具有可编程增益的差分通道。

单片机接口电路如图5所示。

图5  单片机接口电路原理图

电流采样电路如图6所示。通过取主电路的一个微弱电流，经过运放LM324放大送给单片机进行处理。ATmega16的PA3脚通过内部寄存器配置成了A/D转换输入端，将采样到的电流值显示到液晶上，并经过单片机的运算分析来决定主电路的下一步动作，从而达到稳定充电电流和输出电流的目的。

图7  电压采样电路

电压采样如图7所示，电压采样直接从蓄电池的正端采集，经过图中的运放送入ATmega16。PA7通过内部寄存器设置成A/D转换输入端，采样到的电压值经过单片机的运算分析，为主电路的下一步动作提供依据，从而达到稳定充电电压和输出电压的目的。

2.2、智能快速充电机的软件设计流程

本充电机软件设计流程如图8所示。

图8  充电机软件流程图

3、结束语

系统测试表明，本充电机在对蓄电池充电时，具有良好的充电效果，充电实现了智能化，不需要人工值守，液晶显示充电正常，各项指标都达到了设计的要求，大大提高了充电的效率和蓄电池的使用寿命。