摘　　要:给出了一种基于单片机和开关电源的电动自行车用智能充电器的设计方案，同时给出了该智能充电器的硬件电路和软件实现方法。该充电器可以根据蓄电池的特点设定充电参数，以对充电过程进行实时采样和智能控制，并可对采集的数据进行实时显示，还可通过串口和上位机进行通讯。此外，该电路还具有双环控制、多路保护、原副边电气完全隔离等特点。
关 键 词:智能充电器 单片机 开关电源 蓄电池

随着油价的不断上涨和人们环保意识的增强，电动自行车以其价格低、绿色环保，使用安全方便等优点越来越受到消费者的喜爱。评价电动自行车质量好坏的重要参数之一是其蓄电池的使用寿命。而蓄电池的充电过程对其寿命影响最大。研究表明：过充电，可使蓄电池发热，电解液失水；而充电不足，则可使蓄电池内化学反应不充分，长期充电不足会导致蓄电池容量下降。由此可见，充电器性能的好坏直接影响着蓄电池的使用效果和使用寿命。目前市场上的充电器存在的主要不足，第一不是从副边绕组直接获得取样信号，因而稳压效果不理想；第二是输出电流和电压调节范围窄，因而只适用于固定负载。为此，本文介绍了一种以单片机为控制器的通用智能充电器的设计方案。该装置能根据蓄电池的充电特性或实时监测到的充电状态，来智能化地调节充电电压和充电电流，而且调节范围宽，并具有过流、过压、过温等保护功能。

1  系统结构

本智能充电器的结构如图1所示。该系统主要由电源变换电路、采样电路、微处理器，脉宽调制器、键盘、显示器和温度传感器等部分组成，是一个闭环的智能充电系统。



2硬件电路

本智能充电器的硬件电路如图2所示，整个电路分为开关电源部分、以单片机为主的控制电路和以UC3842为核心的脉宽调制电路三部分。



2．1开关电源设计

本设计采用电流控制型脉宽调制方式。其整个工作过程是将交流输入经滤波、整流后变为直流高压，再由开关管斩波、高频变压器降压后得到高频矩形电压，最后经过输出整流滤波获得所需要的直流输出电压。系统对开关电源的要求是其交流输入电压范围为90～270 V，能同时输出+5V(作为控制部分电源)及12～60 V(主回路)的电压。输出电流为1～3 A。

2．2单片机控制电路设计

单片机控制电路主要由单片机AT89S52、ADC(TLC0832)、多路选择开关(CD4051)、数字电位器(X9C102)、数字温度传感器DSl8820、取样电阻R_s和R_w、2×4键盘、液晶显示(CONl6)等组成。

本部分设计时应先根据蓄电池的型号参数，来通过键盘设计与之对应的充电电流、充电电压以及充电时间，当电路接上蓄电池后，充电过程开始，此后由单片机通过取样电阻RM检测电池电压，若检测到蓄电池因过渡放电而使电压低于正常范围。那么，为了避免充电电流过大而造成蓄电池损坏，应先对蓄电池实行稳定的小电流充电(本设计程序中设为l／5的设定充电电流)，同时，单片机开始计时，之后单片机将不断检测电池电压和充电电流并显示在液晶屏上，随着充电的进行，电池电压不断上升，当上升到正常范围时，单片机可通过控制数字电位器来调节输出电压，从而转入大电流恒流充电(即设定电流)方式，此后，单片机一直保持不停地检测电池电压，当电压达到设定值时，单片机发出指令，以增大数字电位器的阻值，并通过脉宽调制减小输出电压。从而使充电电流减小，当充电电流减小到1／5的设定电流时，再转为涓流充电，最后在充电时间到时关闭电源，这样就避免了因电池温升过快或严重极化而影响充电质量，提高蓄电池的使用寿命。当检测到电池电压、充电电流和温度超过设定值的1／10倍时(由程序设定)，单片机立即输出报警信号报警。同时使继电器动作并切断总电源，以提高充电的安全性和可靠性。

显示器可用于显示单片机实时采样到的蓄电池电压、充电电流、已充电时间和蓄电池的温度，键盘则用于设定充电电压(充电极限电压)、恒流充电电流(极限充电电流)和充电时间。电路中的单片机可通过串口RS232和上位机相连，以用于存储数据和虚拟显示充电参数的设定。当检测到充电电流为零时，单片机转入休眠状态。而当检测到充电电流不为零时，单片机被激活。

2．3 PWM控制器设计

PW M控制器部分是以UC3842为核心。UC3842芯片内含有5.0 V基准电压稳压器、高增益误差放大器和脉冲宽度比较器，它可以控制芯片内的驱动器。而驱动器则可提供25 mA的输出电流．可直接驱动NOSFET调整管，从而调整充电器的输出电压和电流。由于该驱动器同时具有过流、过压保护，工作电源电压可以在8～40 V，而启动电流小于1 mA，工作温度为O～70℃，因而是目前较理想的新型脉宽调制器。

该PWM控制器在启动时，是由R₁、R_w。为UC3842提供启动电压，待其工作后，其辅助绕组3、4端的电压经D₁整流、C₄、C₅滤波、DW₁稳压后得到的16 V直流电压，一路加到UC38427的7脚为其供电，另一路经R3和数字电位器X9C102分压后加到UC3842的2脚。以作为脉宽调制的输入信号。一般在这类电源的设计中，输出电压取样可与UC3842的供电电压相连。为了反映输出电压变化，本设计没有加稳压管，但这会使UC3842的工作电压不稳，输出谐波成分增多，为了克服此不足，本设计中UC3842的供电电压采用由3、4绕组端压单独整流、滤波、稳压后，提供给UC3842芯片16 V的稳定电压。充电电压的调节是将电池电压经外环电压取样电路R₁₂、R_M取样，再经多路电子开关选择、MD变换，单片机处理后，送入数字电位器，以控制数字电位器的有效电阻。从而间接控制UC3842的2脚电压，进而控制脉冲占空比，以改变充电电压。

当充电器输出电压偏高时，反馈回UC3842的2脚电压也升高(超过参考电压2.5 V)之后，驱动信号的脉冲占空比减小，使输出电压下降，从而达到稳压的目的。充电电流的调节主要是先将充电电流经外环电流取样电阻R_s取样和LM358放大(可用R1调节放大倍数)、多路电子开关选择、MD变换，再送单片机处理，然后调节数字电位器的阻值。其调节过程与电压调节相似，实际上，电流调节也是通过电压调节实现的。

2．4．保护电路设计

当过流或短路时，内环取样电阻R₁₀两端的电压升高。当3脚电压超过1伏时，通过UC3842的内部调制可使其停止脉宽输出，开关管截止，输出电压和电流均为0，从而保护电源。过压时，DW₁和DW₂会击穿而短路，也会造成过流保护，DW₂可用以保护场效应管和UC3842。而当发生欠压时，即当UC3842的7脚电压降至10 V以下时，UC3842将启动欠压锁定电路而关闭开关控制器。内环的这种反馈调整是在输出电压尚未发生变化时，通过检测内环电流使脉宽提前得到调整，(前馈控制)，从而加快了变换器对异常情况的动态响应速度。以便更加快速有效地起到保护作用。当然，外环电流、电压的取样(R_s、R_w)亦可通过单片机的调节作用来达到对异常情况的保护，但响应速度比内环慢5～10个工频周期，因此，外环取样主要是调节充电电流和充电电压，兼作二次保护，而内环取样则是主要的，它是一次的保护，这种双环保护方式会更加安全可靠。

3软件设计

在程序的初始阶段，首先是对单片机进行初始化，即根据不同的电池设定不同的充电参数，选择不同的充电策略。其后是判断电池是否连接正确，根据电池电压值判断应该进入哪一个充电阶段(即小电流预充电，大电流恒流充电或恒压涓流充电方式)。在预充阶段，应降低充电电压，而在恒流方式时，应不断检测充电电流是否达到恒定电流(如1.8 A)，如果小于1.8 A，则抬高电池两端的电压，使之达到1.8 A，以上调节过程均可采用比例控制。在电池两端电压达到设定值后，系统再进入涓流充电模式。该充电器的程序流程如图3所示。图3中，I_s为设定的充电电流(即恒流充电电流)，U_min为蓄电池的放电极限电压，U_max为蓄电池的充电极限电压。



4应用试验

本设计选用了电动自行车常用的36 V／12 Ah铅酸蓄电池作为测试对象，其恒压充电电压设定为43 V，恒流充电电流Is为1.8 A，起始时，随着充电的进行，充电电流几乎维持1.8 A不变，但电池电压不断升高，当充电3小时后。电压上升减慢；当充电到4小时后，充电电压接近43 V；之后电压上升更加缓慢。而且充电下降较快。当充到43 V时，充电器自动停止。从测试数据来看，该设计达到了恒流快充，恒压涓充，充满自行关断的设计要求。

5结束语

本文设计的过度放电预充、恒流快充、恒压涓充、智能控制的充电方案，能很好地解决电动自行车用电池在充电过程中存在的过充电、充电不足和发热等问题，并能根据不同电池选择不同的充电方案。而且具有通用性。能实时检测并显示充电电流、充电电压、充电时间和蓄电池温度等参数。由于电路具有内外环控制，符合最优控制规律。最具有过流、过压和超温保护功能，同时由于UC3842采用稳压供电，因此，不但谐波污染程度低，原副边电气隔离安全可靠，同时还可根据负载情况通过单片机来进行控制，并可实现跳周期模式工作。故可提高电源的效率。