atmega16單片機(jī)用于智能型鉛酸電池充電器

　　0 引言

　　本文針對礦用永磁操動機(jī)構(gòu)饋電開關(guān)智能控制器采用的鉛酸蓄電池在充電過程中存在充電過度、充電不足、電池過熱和充電速度慢等諸多問題，提出了一種以atmega16 單片機(jī)為核心的智能充電器設(shè)計(jì)方案。采用了基于sugeno 推理的模煳PID 控制算法，提高了充電器的充電速度，減少了電池?fù)p耗，實(shí)現(xiàn)了對鉛酸蓄電池充電過程的智能化控制。

　　目前礦用永磁操動機(jī)構(gòu)饋電開關(guān)智能控制器采用鉛酸蓄電池作為備用電源。傳統(tǒng)的鉛酸蓄電池充電方法有恒流限壓充電和恒壓限流充電，但充電效果都不是很理想，一方面這些方法充電時(shí)間過長，溫升過快。另一方面，充電過程中存在過充和欠充現(xiàn)象。專家研究表明：鉛酸蓄電池充電過程對其壽命影響最大，過充電、充電不足以及溫升都是引起電池故障的主要原因。

　　基于以上原因，系統(tǒng)根據(jù)蓄電池的充電特性，采用基于sugeno 推理的模煳PID 控制算法，設(shè)計(jì)了以atmega16 單片機(jī)為核心的智能充電器，它能夠?qū)崟r(shí)采集電池充電過程中的電流、電壓、溫度等模擬量，使充電始終在最佳狀態(tài)下進(jìn)行，實(shí)現(xiàn)了高效、快速、無損的充電過程。

　　1 系統(tǒng)總體結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

　　系統(tǒng)選取ATMEL 公司生產(chǎn)的 atmega16 單片機(jī)作為核心控制芯片?？傮w結(jié)構(gòu)包括：電源模塊、充電主電路模塊、模擬量檢測模塊、顯示及報(bào)警模塊和IGBT 驅(qū)動模塊。系統(tǒng)總體結(jié)構(gòu)如圖1 所示。

　　在充電過程中，單片機(jī)實(shí)時(shí)采集電池充電過程中的電流、電壓和溫度等模擬量，通過其內(nèi)部的A/D 轉(zhuǎn)換器將上述模擬量轉(zhuǎn)化為數(shù)字量，并判斷電池是否出現(xiàn)過壓、過流和過溫等故障。若出現(xiàn)故障，單片機(jī)立即關(guān)斷IGBT，并發(fā)出聲光報(bào)警。若檢測正常，則采用基于sugeno 推理的模煳PID 控制算法產(chǎn)生相應(yīng)占空比的PWM 脈沖來控制IGBT 開關(guān)，通過BUCK 電路對電池進(jìn)行充電。

　　2 系統(tǒng)硬件電路設(shè)計(jì)

　　2.1 充電主電路設(shè)計(jì)

　　充電主電路其實(shí)是一個(gè)BUCK 變換器，BUCK 電路屬于降壓斬波電路。充電主電路如圖3 所示。IGBT、二極管、電感L1 和電容C10 構(gòu)成BUCK 電路，220V市電經(jīng)變壓器降壓，通過整流橋整流和EMI平滑濾波后，作為直流充電電源。在工作過程中，PWM 控制信號的高電平脈沖出現(xiàn)，使IGBT 導(dǎo)通，電感L1 的電流不斷增大，并對電容C10 儲能，同時(shí)對電池充電。此時(shí)，續(xù)流二極管因反向偏置而截止。PWM 信號出現(xiàn)低電平時(shí)，IGBT 截止，電感L1 維持原電流方向，與續(xù)流二極管構(gòu)成充電回路，利用L1 和C10 中存儲的電能向電池充電。

　　圖2 充電器實(shí)物圖

　　圖3 充電主電路

　　2.2 模擬量檢測模塊

　　2.2.1 電壓檢測電路設(shè)計(jì)

　　電壓檢測電路采用線性光耦HCNR201 將噪聲信號與單片機(jī)系統(tǒng)隔離開來，電壓檢測電路如圖4 所示。

　　圖4 電壓檢測電路

　　在正常充電的過程中，電池端電壓Ubat 的變化范圍是9V-15V，而單片機(jī)檢測電壓的范圍是0-5V，所以通過R27 和Rw4 對電池兩端的電壓進(jìn)行分壓，通過調(diào)節(jié)Rw4 的阻值來限定運(yùn)算放大器1 的輸入電壓，使其始終保持在0-5V.電阻R24 來控制初級運(yùn)放輸入偏置電流的大小，C20 起反饋?zhàn)饔?，同時(shí)濾除了電路中的毛刺信號，避免HCNR201 的發(fā)光二極管LED 受到意外的沖擊。R23 可以控制LED 的發(fā)光強(qiáng)度，從而對控制通道增益起一定作用。運(yùn)算放大器2 和電阻R14將線性光耦HCNR201 的輸出電流信號轉(zhuǎn)化成輸出電壓信號送入單片機(jī)。