基于ATmega16单片机的智能快速充电机设计与研究

党武松，范寒柏，胡杨

(华北电力大学电气与电子工程学院，河北保定071003)

基于ATmega16单片机的智能快速充电机设计与研究

党武松，范寒柏，胡杨

(华北电力大学电气与电子工程学院，河北保定071003)

介绍了利用产生定频PWM脉冲的集成芯片SG3525AN作为电源核心驱动芯片，外加ATmega16单片机扩展外设的智能快速充电机。该充电机采用国内先进的高频开关电源技术及智能充电技术，弥补了工频充电机的缺点，主电路采用进口功率MOSFET管，保证了整机的可靠性和稳定性，大大延长了蓄电池的寿命，并且完全做到了免人值守的自动工作状态。

SG3525AN；单片机；智能快速充电机；开关电源

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9 kHz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；8 h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2 h后充电结束[1]。

三阶段充电的曲线如图1所示。

1.2 智能充电机的系统结构

本系统的输出电压范围为5～20 V，输出电流范围为0～25 A。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。

电网220 V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

图1 三阶段充电曲线图

图2 智能快速充电机的系统框图

友好的人机界面用来显示当前的输出电压、电流和功率等。由于设计的是一款大功率充电器和稳压电源，所以还要实时监测电池、功率管和大功率驱动变压器的温度，一旦温度过高，SG3525AN控制电路停止工作，起到保护作用。蓄电池在适当的温度范围内工作也可以延长使用寿命。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200 mA，灌拉电流峰值可达500 mA，工作频率高达400 kHz[3]。

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

当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[4]。

振荡器脚5须外接电容，脚6须外接电阻，7脚须外接阻值小于100Ω的电阻，用来调节死区时间。振荡器频率由外接电阻、电容和电阻决定，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16 K字节的系统内部可编程Flash，512字节EEPROM，1 K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。

在设计中，全面应用单片机的I/O口，ADC转换器实现对电源的电压检测、电流检测，并完成液晶显示、报警设施等功能的控制，特别是对蓄电池放电电路的检测，以此来判断蓄电池的好坏。

单片机接口电路如图5所示。

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。

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。

图5 单片机接口电路原理图

图6 电流采样电路

图7 电压采样电路

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。

系统程序采用C语言编写，在ICC AVR环境下编译，在AVR_fighter环境下调试完成。程序的开始先对电压、电流的采样进行分析，并在液晶上显示出来电压值、电流值。如果过压或者过流，会对蓄电池造成损害，应及时停止充电。如果充电电压、充电电流工作正常，判定充电进行在三阶段中的哪一阶段，及时调整主电路的PWM脉冲[5]。

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。

[1]刘丹伟.基于模糊控制的智能化充电电源[D].武汉：华中科技大学，2002.

[2]姜学东，汪至中，曲金龙.大容量蓄电池组充放电设备的研制[J].电力电子技术，1999(2)：39-41.

[3]耿莉霞.集散式蓄电池充放电智能控制系统方法[J].自动化博览，2005(1)：55-58.

[4]汪根华.大功率智能型充电机的研究与应用[D].南京：河海大学，2004.

[5]谢秀镯.基于DSP的智能通信开关电源设计及开发[D].大连：大连理工大学，2007.

Research and design of intelligent rapid charger based on ATmega16

DANG Wu-song,FAN Han-bai,HU Yang

A sort of intelligent rapid charger was introduced.Integrated chip SG3525AN was adopted which could produce the fixed frequency PWM pulse as the power core driver chips,and ATmega16 expand peripherals. Domestic advanced high-frequency switching power supply technology and intelligent charging technology were adopted to make up for the shortcomings of AC charger.The imported power MOSFET tube was adopted to ensure the reliability and stability of the whole machine,then the life of battery was greatly prolonged,and automatic working state of no man on duty was completely reached.

SG3525AN;MCU;intelligent rapid charger;switching power supply

TM 91

A

1002-087 X(2015)03-0550-03

2014-08-15

党武松(1986—)，男，河南省人，硕士，主要研究方向为嵌入式系统与智能检测。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[2]。