带电量显示功能的通用电动自行车智能充电器的设计

余玲 徐彤 唐海元

摘要：本设计为一种基于单片机控制的带电量显示功能的通用电动自行车智能充电器，该充电器对能自适应地对36V和48V电动自行车蓄电池组进行充电，在充电过程中，充电器能对充电电池组的电压进行周期性采集、充电过程智能控制、实时电量显示，还具有过压、过流、过温等保护功能。

关键词：电量;充电;智能

中图分类号：TP393   文献标识码：A

文章编号：1009-3044（2021）32-0134-02

随着电动自行车在我国持续快速发展，电动自行车已经成为广大居民的日常交通工具之一，然而，由于在电动自行车使用过程中电池的发热、自燃、爆炸事件时有发生，并造成一定的人身伤害和巨大的财产损失，如何对电动自行车蓄电池组进行安全有效地充电，已经成为一个重要的课题。单片机技术在工业控制领域有着广泛的应用，利用它的处理控制能力可以实现充电器的智能化。

本设计根据目前市场上主要电动自行车车型的蓄电池组使用现状，在充分研究传统的封闭式蓄电池组充电器基础上，使用STC12C5A60S2系列单片机来实现对蓄电池组的充电过程进行控制。在蓄电池组充电过程中，该充电器能够实现蓄电池组电压、蓄电池组电量、工作温度的实时显示，还过压、过流、过温等保护功能。

1 硬件电路组成

带电量显示功能的通用电动自行车智能充电器主要由电源变换电路、采样电路、微处理器控制电路、变压电路、显示屏和温度传感器、蜂鸣器、继电器、按键等功能模块组成。

该智能充电器的硬件电路分为整流电路、以单片机为核心的控制电路和以XL6009升压芯片为核心的调制电路三个部分。

1.1 整流电路

220V市电经过变压器、整流桥和滤波电容输出15V直流电。

1.2 升压降压电路

经过整流输出的15V直流电压，一路输入到XL6009的输入端，经过XL6009升压之后，产生40V至60V之间的直流输出电压，用来给36V蓄电池组或者48V蓄电池组供电;另外一路输入到LM2596输入端，产生恒定的5V的直流电源，用于单片机、液晶屏、蜂鸣器、温度传感器、继电器等电路供电。如图1所示。

1.3 单片机控制电路

单片机控制电路包括STC12C5A60S2单片机、LCD1602显示屏、DS18B20温度传感器、蜂鸣器电路、继电器、复位电路等。如图2所示。

2 硬件电路工作原理

充电器接上市电之后，单片机启动工作，继电器K2处于断开状态。蓄电池组J1通过电阻R3与电阻R4的分压电路，在电阻R4两端形成采样电压，采样电压与单片机的P10端口相连，P10端口连接单片机内置的A/D模块，单片机能检测出电阻R4两端的电压，根据电阻R3和R4的数值，单片机就能计算出蓄电池组两端的实时电压。同时，根据分压电阻R4两端的电压数值，可以估算出当前蓄电池组的电量大小，并通过LCD1602液晶显示屏上显示出当前蓄电池组的电压和电量。初步检测出蓄电池组J1的电压之后，继电器开始启动工作，K2处于闭合状态，此时充电器开始给蓄电池组J1充电，当单片机检测到P10端口分压电压达到一定数值时，单片机能判断出充电过程结束，此时单片机将P22置为低电平，晶体管Q1导通，继电器断开充电电路。

根据36V蓄电池组和48V蓄電池组在分压电阻R4两端产生的分压电路的差异，单片机可以判断出当前检测的蓄电池组的电压是36V或48V，当单片机检测出蓄电池组J1是36V蓄电池组时，单片机通过控制接口电路，调整XL6009外围的数字电位器X9312数值，调整XL6009输出电压数值，从而实现自适应地对36V和48V电动自行车蓄电池进行充电。

如果检测到分压电阻R4两端的电压过高，或者通过蓄电池组两端的电流过大，单片机启动过压、过流保护，启动继电器K2断开充电电路。如果充电器出现高温时，温度传感器DS18B20模块将当前的工作温度传递给单片机，并在液晶屏上显示当前充电器的工作温度。当温度传感器检测到当前充电器处于高温环境时，P36端口交替置为高、低电平，发光二极管D2发出红光闪烁，同时P20端口置为低电平，晶体管Q3导通，驱动蜂鸣器U2发出告警，从而对充电器工作起到高温保护作用。

3 系统的软件设计

充电过程分为四个阶段，分别是预充电阶段、恒流充电阶段、恒压充电阶段和浮充充电阶段。

第一阶段：预充电阶段。充电器接上市电之后，单片机启动工作，单片机通过检测出P10端口的电压，计算出蓄电池组两端的电压，如果计算出的蓄电池组电压低于蓄电池组的放电极限电压Umin，充电器进行低电流预充电。Umin参考取值为34.5V。

第二阶段：恒流充电阶段。待蓄电池组电压大于放电极限电压Umin时，充电器进行恒流充电，充电电路的充电电流为通过电阻R1的电流与通过电阻R4电流的差，通过R4的电路可以通过检测到的P10接口电压除以电阻R4的电阻值获得，流过电阻R1的电流可以通过XL6009电压的输出电压与防倒流二极管D2电压和蓄电池组电压的电压差再除以电阻R1的电阻值获得。单片机周期性地采集P10接口的电压，获得当前的蓄电池组的电压和充电电流，通过调整数字电位器X9312数值大小，从而调整XL6009电压的输出电压的大小，实现充电器的恒流工作。当蓄电池两端的电压达到蓄电池充电极限电压Umax时，恒流充电结束。恒流充电极限电压的参考取值为44V。

第三阶段：恒压工作阶段。XL6009给蓄电池组以恒定的充电压给蓄电池进行充电，即蓄电池组两端的电压相对保持恒定，恒定充电电压参考取值为44V，在此阶段，充电电流不断下降，直到充电电流减小至约为0.3A。

第四阶段：浮充充电工作阶段。此阶段充电电压调整为41.4V，随着充电的进行，蓄电池组充电电流继续下降，直到电流减至约50mA。此时单片机控制充电电路断开，充电结束，如图2所示。当电池充满时，液晶显示屏显示电量100%，同时发光二极管D3发绿光，此时充电器继电器K2断开，充电器停止充电。

4 结语

本设计通过单片机对蓄电池组充电过程全程实施智能控制，整个充电过程分成四个阶段，最大限度地保护了蓄电池的寿命。充电器周期性地采集了蓄电池组两端的电压和蓄电池组电量，并通过液晶显示屏进行准实时的显示，便于使用者能及时了解当前的蓄电池组的电量。该充电器能兼容市场上主流电动车使用的36V和48V蓄电池组工作电压。为提高充电的安全性，该充电器具有过压、过流和高温声光报警提示和自动切断充电电路等保护功能，能有效地防止意外事故的发生。

参考文献：

[1] 王宇轩，高凤阳，王庆华，等.基于单片机的多功能智能充电器[J].科技风，2019（20）：11，15.

[2] 李丹，刘凤春.基于AVR单片机的智能充电器的设计与实现[J].电子工程师，2005，31（2）：21-23.

[3] 李建忠.单片机原理及应用（第二版）[M].西安：西安电子科技大学出版社，2008.

[4] 刘美俊.基于单片机的通用智能充电器设计[J].仪表技术与传感器，2006（9）：41-43.

【通联编辑：梁书】

收稿日期：2021-06-12

基金项目：2019年江苏省高等学校大学生创新创业训练计划项目“电量显示功能的通用电动自行车智能充电器的设计”（201912805016Y）

作者简介：余玲（1999—），女，贵州遵义人，主要从事通信技术专业的研究;徐彤（1973—），男，江苏泗阳人，电子与通信工程硕士，副教授，主要从事电子技术、通信技术方向的教学和研究。