CN202424265U - 基于单片机的多功能智能充电器 - Google Patents

Abstract

实用新型提供了基于单片机的多功能智能充电器，其包括开关电源（1），电压电流控制电路（2），主输出电压电流采集模块（3），电池类别检测电路（4），充电状态指示电路（5），智能控制器（6）和时钟振荡模块（7）。实用新型由于采用了智能控制器（6）来控制电压电流、检测电池种类和进行充电保护，具有调试方便、智能化、适用范围广、可靠性高等优点。

Description

基于单片机的多功能智能充电器

技术领域

实用新型涉及基于单片机的多功能智能充电器，尤其涉及一种使用单片机作为控制器件，能够对不同电池输出不同的充电电压和充电电流并提供充电保护的多功能智能充电器。

背景技术

目前市场上电池充电器多采用模拟电路进行恒流限压和恒压限流等方式充电，其充电电压和电流在出厂前已经固定，只能对同一标称电压、相近容量且相同类型的电池充电，功能单一，使用不方便，虽然少数充电器也设有电压电流调节旋钮，但要同一充电器对不同类型电池（比如铅酸、锂电、镍氢等）或按照更符合电池本身充电特性的复杂充电曲线（比如预充、浮充、多段恒压、多段恒流等）充电，模拟电路的控制方式就显得较难实现。

实用新型内容

针对上述现有技术中的问题，实用新型的目的在于提供一种基于单片机的多功能智能充电器，能够对不同电池输出符合该电池充电特性曲线的充电电压和充电电流并提供充电保护。

为解决上述技术问题，实用新型提供了一种基于单片机的多功能智能充电器，它主要由开关电源、场效晶体管、二极管、电阻、三极管、电容、电感、双色LED灯、晶振和智能控制器IC等组成。包括开关电源1；电压电流控制电路2；主输出电压电流采集模块3；电池类别检测电路4；充电状态指示电路5；含有控制算法程序的智能控制器6和时钟振荡模块7。下面结合附图2对以上所述电路模块做进一步描述：

1、开关电源1：是一种具有电压限制作用的，有两路电压输出端的开关电源电路，一路作为本实用新型智能充电器的主电压输出端，用于连接电池，另一路作为辅助电压输出端，用于给智能充电器内部控制芯片提供工作电压。

2、电压电流控制电路2：PMOS管Q1漏极接开关电1主要输出端，栅极接三极管Q2集电极，源极通过电感L1接二极管D1的阳极。二极管D1的阴极接主输出电压电流采集模块3中电阻R1一端。二极管D2阴极接PMOS管Q1的源极，阳极接地。电容C1和C2并联后接在二极管D1的阳极和地之间。电阻R2接在PMOS管Q1漏极和栅极之间。三极管Q2发射极接地，基极通过电阻R5接至智能控制器6中单片机U2的一个普通I/O引脚。电阻R8一端接三极管Q2基极，另一端接地。智能控制器6输出的频率一定占空比不同的PMW信号，作用在PMOS管Q1栅极，使PMOS管Q1漏极与源极按一定频率导通和断开，其导通和断开的时间比与PWM信号的占空比相同。开关电源1主要输出端输出的电压经过PMOS管调制成占空比不同的方波电压，该电压经电感L1与电容C1平滑滤波后成为平稳的无脉动的且幅值大小与占空比成正比的电压，此电压经过主输出电压电流采集模块3中电流检测电阻R1作用在电池上。

3、主输出电压电流采集模块3：电阻R1一端接电压电流控制电路2中二极管D1阴极，另一端接智能充电器的输出端（OUT）。电阻R3一端接电压电流控制电路2中二极管D1阴极，另一端与电阻R6一端连接后接至智能控制器6中单片机U2的一个具有模数转换功能的引脚。电阻R6另一端接地。电容C3并联在电阻R6两端。电阻R4一端接智能充电器的输出端（OUT），另一端与电阻R7一端连接后接至智能控制器6中单片机U2的另一个具有模数转换功能的引脚。电阻R7另一端接地。电容C4并联在电阻R7两端。由欧姆定律知，流过电阻的电流与其两端的电压成正比，分别采集电阻R1两端的电压值，计算出差值，根据I=U/R，就可得到流过电阻R1的电流值，也即充电电流值。输出电压经电阻构成的分压器传输到智能控制器6中单片机U2具有模数转换功能引脚中变为数字量，供程序判断使用。

4、电池类别检测电路4：电阻R9一端接开关电源1辅助输出端，另一端通过电阻R10接至智能控制器6中单片机U2的另一个普通I/O引脚。电阻R9和电阻R10连接端接电池类别信号（TYPE）。

5、充电状态指示电路5：双色LED灯（LED1）的两阳极分别通过电阻R11和电阻R12接至智能控制器6中单片机U2的两个普通I/O引脚，共阴极接地。该灯受智能控制器6中单片机U2控制，对空载，正在充电，已充满电和出现异常等状态做出不同显示。

6、智能控制器6：内部含有控制算法程序的单片机U2。该程序流程（见附图3）如下：程序开始，配置I/O口，初始化并启动模数转换器、定时器和PWM，检测充电标志，若未充电，则不启动充电计时，采样输出电压值和电流检测电阻两端的电压值，计算出两端电压差值，由欧姆定律I=U/R计算出电流值，根据输出电压和电流判断是否接入电池，未接电池，则停止充电，进入空载，已接电池，则判别电池种类，若接入锂电，则通过运行PID程序，使充电电压和电流符合锂电池的充电曲线要求，并置位充电标志，开始记录充电时间，若充电时间超过设定充电时间阀值，则停止充电，若接入铅酸电池，则通过运行PID程序，使充电电压和电流符合铅酸电池的充电曲线要求，并置位充电标志，若充电时间未超过设定充电时间阀值，则继续对电池充电。如此循环运行。PID程序建立流过主输出电压电流采集模块3中电阻R1的电流与智能控制器6中单片机U2向电压电流控制电路2中PMOS管栅极输出PWM控制信号的占空比之间的函数关系。采集到的电流值超过设定电流值，运行PID程序，调小PWM信号占空比，使输出电压变小，减小电阻R1两端电压差值，进而减小电流，反之，采集到的电流值低于设定电流值，就调大PWM信号占空比，增大电流，达到稳定电流的目的。

7、时钟振荡模块7：电容C5与电容C6一端相连并接地，另一端分别接至智能控制器6中单片机U2的时钟振荡输入两引脚。晶振Y1两端分别接电容C5和电容C6的非接地端。该模块给智能控制器6中单片机U2提供工作所需的高频时钟信号。

附图说明

附图1为实用新型基于单片机的多功能智能充电器在一种实施方式中的方框图；

附图2为实用新型基于单片机的多功能智能充电器的最佳实施例的电路组成图；

附图3 为实用新型基于单片机的多功能智能充电器的最佳实施例的程序流程图。

具体实施方式

下面结合附图，详细说明实用新型的最佳实施例：

实用新型的基于单片机的多功能智能充电器，能够对不同电池输出符合该电池充电特性曲线的充电电压和充电电流并提供充电保护，其包括开关电源1、电压电流控制电路2、主输出电压电流采集模块3、电池类别检测电路4、充电状态指示电路5、含有控制算法程序的智能控制器6和时钟振荡模块7。智能充电器接通电源，开关电源1开始得电，主要电压输出端输出电压到PMOS管Q1漏极，辅助电压输出端提供电压给单片机U2，单片机U2开始运行内部程序：配置与电阻R6和电阻R7相连的两引脚为模数转换模式，配置与电阻R5、电阻R10、电阻R11和电阻R12相连的四引脚为普通I/O模式，单片机U2向电阻R5输出低电平，三极管Q2基极为低电位，集电极与发射极不导通，PMOS管Q1栅极与漏极无电压差，漏极与源极不导通，使智能充电器输出端（OUT）无电压。初始化并启动模数转换器、定时器和PWM。分别采集电阻R3与电阻R6连接处和电阻R4与电阻R7连接处的电压值，通过电阻分压比分别计算出电阻R1与电阻R3连接处和电阻R1与电阻R4连接处（智能充电器输出端（OUT））的电压值，已知电阻R1阻值，由I=U/R计算出流过电阻R1的电流值。不接电池，检测出智能充电器输出端（OUT）电压为0，电阻R1电流值也为0，则单片机U2输出低电平到电阻R5，关断PMOS管Q1，输出信号到充电状态指示电路5，使双色LED灯LED1显示第一种状态表示智能充电器空载。接入一种锂电池，检测出智能充电器输出端（OUT）电压低于电压阀值1时，用电流设定值1充电，调用PID程序，计算出PWM占空比，输出给电阻R5，三极管Q2以此占空比导通和断开，PMOS管Q1也以此占空比导通和断开，将开关电源1主要输出端输出的电压斩波，经电感L1和电容C1平滑滤波成一定幅值的电压，该电压通过电阻R1作用在电池上。由于电池电压不会突变，在相对短的时间内，可以认为电池电压不变，即检测到智能充电器输出端（OUT）的电压不变，所以流过电阻R1的电流大小只和PMOS管Q1斩波后输出的电压大小有关。流过电阻R1的电流大于电流设定值1,调用PID程序，将输出到电阻R5的PWM占空比减小，使PMOS管Q1占空比也减小，斩波后输出的电压值就减小，该电压值与电池电压差值也减小，则流过电阻R1的电流也减小，反之，电阻R1的电流小于电流设定值1,则增大PMW占空比，增大斩波后输出的电压，增大电阻R1两端电压差值，从而增大流过电阻R1的电流，这样就使智能充电器对电池的充电电流维持在电流设定值1大小。并且此时，置位充电标志，开始充电计时；向电阻R11和电阻R12输出另一组信号，使双色LED灯LED1显示第二种状态表示智能充电器正在给电池充电。若检测到智能充电器输出端（OUT）的电压（即电池电压）在电压阀值1和电压阀值2之间，则将充电电流设定为电流设定值2,并调用PID程序，通过改变输出到电阻R5的PWM占空比大小，使智能充电器对电池的充电电流维持在电流设定值2大小。若检测到智能充电器输出端（OUT）的电压高于电压阀值3，则给电阻R5输出低电平，断开PMOS管Q1,使智能充电器停止对电池充电。若接入一种铅酸电池，则按照该铅酸电池特性，设定电压阀值和电流设定值，通过PID程序，使智能充电器对铅酸电池的充电电压和充电电流符合铅酸电池的特性曲线。若检测到流过电阻R1的电流低于电流设定值3，且电池电压不小于电压阀值3，则输出第三组信号到电阻R11和电阻R12，使双色LED灯LED1显示第三状态表示智能充电器已给电池充满电。若检测到电池电压高于电压阀值4，认为电池电压过高，输出低电平给电阻R5，使PMOS管Q1断开，输出第四组信号到电阻R11和电阻R12，使双色LED灯LED1显示第四状态表示智能充电器对电池充电出现异常状态。

实用新型的智能充电器，采用了含有控制算法程序的智能控制器6作为智能充电器的控制芯片，能够根据所接入电池种类不同，控制充电电压和充电电流，使其符合电池本身的充电特性曲线，并能对充电过程中的多种情况进行判断处理，提供多种保护，具有以下优点： 

1、智能，可靠，不会出现误动作；

2、适应性广，无需改动硬件，就可以在一定范围内输出不同电压和电流，成为不同种类电池的通用充电器；

3、输出电压电流由程序控制，减少了调试环节，节省工时，降低人力成本；

3、可扩展性强，稍加改动，就可对电池电压过低、过度充电等异常进行声光报警，提醒使用人员及时采取应对措施。

以上所述的实用新型实施方式，并不构成对实用新型保护范围的限定。任何在实用新型的精神和原则之内所作的修改、等同替换和改进等，均应包含在实用新型的权利要求保护范围之内。

Claims (2)

1.一种基于单片机的多功能智能充电器，其特征在于包括开关电源（1），电压电流控制电路（2），主输出电压电流采集模块（3），电池类别检测电路（4），充电状态指示电路（5），含有控制算法程序的智能控制器（6）和时钟振荡模块（7）。

2.根据权利要求1所述基于单片机的多功能智能充电器，其特征在于：

所述的开关电源（1），是一种具有电压限制作用的，有两路电压输出端的开关电源电路；

所述的电压电流控制电路（2），PMOS管Q1漏极接开关电源（1）主要输出端，栅极接三极管Q2集电极，源极通过电压L1接二极管D1的阳极；二极管D1的阴极接主输出电压电流采集模块（3）中电阻R1一端；二极管D2阴极接PMOS管Q1的源极，阳极接地,电容C1和C2并联后接在二极管D1的阳极和地之间；电阻R2接在PMOS管Q1漏极和栅极之间；三极管Q2发射极接地，基极通过电阻R5接至智能控制器（6）中单片机U2的一个普通I/O引脚；电阻R8一端接三极管Q2基极，另一端接地；

所述的主输出电压电流采集模块（3），电阻R1一端接电压电流控制电路（2）中二极管D1阴极，另一端接智能充电器的输出端（OUT）；电阻R3一端接电压电流控制电路（2）中二极管D1阴极，另一端与电阻R6一端连接后接至智能控制器（6）中单片机U2的一个具有模数转换功能的引脚；电阻R6另一端接地；电容C3并联在电阻R6两端；电阻R4一端接智能充电器的输出端（OUT），另一端与电阻R7一端连接后接至智能控制器（6）中单片机U2的另一个具有模数转换功能的引脚；电阻R7另一端接地；电容C4并联在电阻R7两端；

所述的电池类别检测电路（4），电阻R9一端接开关电源（1）辅助输出端，另一端通过电阻R10接至智能控制器（6）中单片机U2的另一个普通I/O引脚；电阻R9和电阻R10连接端接电池类别信号；

所述的充电状态指示电路（5），双色LED灯的两阳极分别通过电阻R11和电阻R12接至智能控制器（6）中单片机U2的两个普通I/O引脚，共阴极接地；

所述的智能控制器（6），其特征在于：内部含有控制算法程序的单片机U2；该程序流程为：程序开始，配置I/O口，初始化并启动模数转换器、定时器和PWM，检测充电标志，若未充电，则不开启充电时间计算，采样输出电压值和电流检测电阻两端的电压值，计算出两端电压差值，根据欧姆定律I=U/R计算出电流值，根据输出电压和电流判断是否接入电池，未接电池，则停止充电，进入空载，已接电池，则判别电池种类，若接入锂电，则通过运行PID程序，使充电电压和电流符合锂电池的充电曲线要求，并置位充电标志，开始记录充电时间，若充电时间超过设定充电时间阀值，则停止充电，若接入铅酸电池，则通过运行PID程序，使充电电压和电流符合铅酸电池的充电曲线要求，并置位充电标志，若充电时间未超过设定充电时间阀值，则继续对电池充电，如此循环运行；

所述的时钟振荡模块（7），电容C5与电容C6一端相连并接地，另一端分别接至智能控制器（6）中单片机U2的时钟振荡输入两引脚；晶振Y1两端分别接电容C5和电容C6的非接地端。

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