帶電量顯示功能的通用電動(dòng)自行車智能充電器的設(shè)計(jì)

余玲 徐彤 唐海元

摘要：本設(shè)計(jì)為一種基于單片機(jī)控制的帶電量顯示功能的通用電動(dòng)自行車智能充電器，該充電器對(duì)能自適應(yīng)地對(duì)36V和48V電動(dòng)自行車蓄電池組進(jìn)行充電，在充電過程中，充電器能對(duì)充電電池組的電壓進(jìn)行周期性采集、充電過程智能控制、實(shí)時(shí)電量顯示，還具有過壓、過流、過溫等保護(hù)功能。

關(guān)鍵詞：電量;充電;智能

中圖分類號(hào)：TP393 ? 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A

文章編號(hào)：1009-3044（2021）32-0134-02

隨著電動(dòng)自行車在我國(guó)持續(xù)快速發(fā)展，電動(dòng)自行車已經(jīng)成為廣大居民的日常交通工具之一，然而，由于在電動(dòng)自行車使用過程中電池的發(fā)熱、自燃、爆炸事件時(shí)有發(fā)生，并造成一定的人身傷害和巨大的財(cái)產(chǎn)損失，如何對(duì)電動(dòng)自行車蓄電池組進(jìn)行安全有效地充電，已經(jīng)成為一個(gè)重要的課題。單片機(jī)技術(shù)在工業(yè)控制領(lǐng)域有著廣泛的應(yīng)用，利用它的處理控制能力可以實(shí)現(xiàn)充電器的智能化。

本設(shè)計(jì)根據(jù)目前市場(chǎng)上主要電動(dòng)自行車車型的蓄電池組使用現(xiàn)狀，在充分研究傳統(tǒng)的封閉式蓄電池組充電器基礎(chǔ)上，使用STC12C5A60S2系列單片機(jī)來實(shí)現(xiàn)對(duì)蓄電池組的充電過程進(jìn)行控制。在蓄電池組充電過程中，該充電器能夠?qū)崿F(xiàn)蓄電池組電壓、蓄電池組電量、工作溫度的實(shí)時(shí)顯示，還過壓、過流、過溫等保護(hù)功能。

1 硬件電路組成

帶電量顯示功能的通用電動(dòng)自行車智能充電器主要由電源變換電路、采樣電路、微處理器控制電路、變壓電路、顯示屏和溫度傳感器、蜂鳴器、繼電器、按鍵等功能模塊組成。

該智能充電器的硬件電路分為整流電路、以單片機(jī)為核心的控制電路和以XL6009升壓芯片為核心的調(diào)制電路三個(gè)部分。

1.1 整流電路

220V市電經(jīng)過變壓器、整流橋和濾波電容輸出15V直流電。

1.2 升壓降壓電路

經(jīng)過整流輸出的15V直流電壓，一路輸入到XL6009的輸入端，經(jīng)過XL6009升壓之后，產(chǎn)生40V至60V之間的直流輸出電壓，用來給36V蓄電池組或者48V蓄電池組供電;另外一路輸入到LM2596輸入端，產(chǎn)生恒定的5V的直流電源，用于單片機(jī)、液晶屏、蜂鳴器、溫度傳感器、繼電器等電路供電。如圖1所示。

1.3 單片機(jī)控制電路

單片機(jī)控制電路包括STC12C5A60S2單片機(jī)、LCD1602顯示屏、DS18B20溫度傳感器、蜂鳴器電路、繼電器、復(fù)位電路等。如圖2所示。

2 硬件電路工作原理

充電器接上市電之后，單片機(jī)啟動(dòng)工作，繼電器K2處于斷開狀態(tài)。蓄電池組J1通過電阻R3與電阻R4的分壓電路，在電阻R4兩端形成采樣電壓，采樣電壓與單片機(jī)的P10端口相連，P10端口連接單片機(jī)內(nèi)置的A/D模塊，單片機(jī)能檢測(cè)出電阻R4兩端的電壓，根據(jù)電阻R3和R4的數(shù)值，單片機(jī)就能計(jì)算出蓄電池組兩端的實(shí)時(shí)電壓。同時(shí)，根據(jù)分壓電阻R4兩端的電壓數(shù)值，可以估算出當(dāng)前蓄電池組的電量大小，并通過LCD1602液晶顯示屏上顯示出當(dāng)前蓄電池組的電壓和電量。初步檢測(cè)出蓄電池組J1的電壓之后，繼電器開始啟動(dòng)工作，K2處于閉合狀態(tài)，此時(shí)充電器開始給蓄電池組J1充電，當(dāng)單片機(jī)檢測(cè)到P10端口分壓電壓達(dá)到一定數(shù)值時(shí)，單片機(jī)能判斷出充電過程結(jié)束，此時(shí)單片機(jī)將P22置為低電平，晶體管Q1導(dǎo)通，繼電器斷開充電電路。

根據(jù)36V蓄電池組和48V蓄電池組在分壓電阻R4兩端產(chǎn)生的分壓電路的差異，單片機(jī)可以判斷出當(dāng)前檢測(cè)的蓄電池組的電壓是36V或48V，當(dāng)單片機(jī)檢測(cè)出蓄電池組J1是36V蓄電池組時(shí)，單片機(jī)通過控制接口電路，調(diào)整XL6009外圍的數(shù)字電位器X9312數(shù)值，調(diào)整XL6009輸出電壓數(shù)值，從而實(shí)現(xiàn)自適應(yīng)地對(duì)36V和48V電動(dòng)自行車蓄電池進(jìn)行充電。

如果檢測(cè)到分壓電阻R4兩端的電壓過高，或者通過蓄電池組兩端的電流過大，單片機(jī)啟動(dòng)過壓、過流保護(hù)，啟動(dòng)繼電器K2斷開充電電路。如果充電器出現(xiàn)高溫時(shí)，溫度傳感器DS18B20模塊將當(dāng)前的工作溫度傳遞給單片機(jī)，并在液晶屏上顯示當(dāng)前充電器的工作溫度。當(dāng)溫度傳感器檢測(cè)到當(dāng)前充電器處于高溫環(huán)境時(shí)，P36端口交替置為高、低電平，發(fā)光二極管D2發(fā)出紅光閃爍，同時(shí)P20端口置為低電平，晶體管Q3導(dǎo)通，驅(qū)動(dòng)蜂鳴器U2發(fā)出告警，從而對(duì)充電器工作起到高溫保護(hù)作用。

3 系統(tǒng)的軟件設(shè)計(jì)

充電過程分為四個(gè)階段，分別是預(yù)充電階段、恒流充電階段、恒壓充電階段和浮充充電階段。

第一階段：預(yù)充電階段。充電器接上市電之后，單片機(jī)啟動(dòng)工作，單片機(jī)通過檢測(cè)出P10端口的電壓，計(jì)算出蓄電池組兩端的電壓，如果計(jì)算出的蓄電池組電壓低于蓄電池組的放電極限電壓Umin，充電器進(jìn)行低電流預(yù)充電。Umin參考取值為34.5V。

第二階段：恒流充電階段。待蓄電池組電壓大于放電極限電壓Umin時(shí)，充電器進(jìn)行恒流充電，充電電路的充電電流為通過電阻R1的電流與通過電阻R4電流的差，通過R4的電路可以通過檢測(cè)到的P10接口電壓除以電阻R4的電阻值獲得，流過電阻R1的電流可以通過XL6009電壓的輸出電壓與防倒流二極管D2電壓和蓄電池組電壓的電壓差再除以電阻R1的電阻值獲得。單片機(jī)周期性地采集P10接口的電壓，獲得當(dāng)前的蓄電池組的電壓和充電電流，通過調(diào)整數(shù)字電位器X9312數(shù)值大小，從而調(diào)整XL6009電壓的輸出電壓的大小，實(shí)現(xiàn)充電器的恒流工作。當(dāng)蓄電池兩端的電壓達(dá)到蓄電池充電極限電壓Umax時(shí)，恒流充電結(jié)束。恒流充電極限電壓的參考取值為44V。

第三階段：恒壓工作階段。XL6009給蓄電池組以恒定的充電壓給蓄電池進(jìn)行充電，即蓄電池組兩端的電壓相對(duì)保持恒定，恒定充電電壓參考取值為44V，在此階段，充電電流不斷下降，直到充電電流減小至約為0.3A。

第四階段：浮充充電工作階段。此階段充電電壓調(diào)整為41.4V，隨著充電的進(jìn)行，蓄電池組充電電流繼續(xù)下降，直到電流減至約50mA。此時(shí)單片機(jī)控制充電電路斷開，充電結(jié)束，如圖2所示。當(dāng)電池充滿時(shí)，液晶顯示屏顯示電量100%，同時(shí)發(fā)光二極管D3發(fā)綠光，此時(shí)充電器繼電器K2斷開，充電器停止充電。

4 結(jié)語

本設(shè)計(jì)通過單片機(jī)對(duì)蓄電池組充電過程全程實(shí)施智能控制，整個(gè)充電過程分成四個(gè)階段，最大限度地保護(hù)了蓄電池的壽命。充電器周期性地采集了蓄電池組兩端的電壓和蓄電池組電量，并通過液晶顯示屏進(jìn)行準(zhǔn)實(shí)時(shí)的顯示，便于使用者能及時(shí)了解當(dāng)前的蓄電池組的電量。該充電器能兼容市場(chǎng)上主流電動(dòng)車使用的36V和48V蓄電池組工作電壓。為提高充電的安全性，該充電器具有過壓、過流和高溫聲光報(bào)警提示和自動(dòng)切斷充電電路等保護(hù)功能，能有效地防止意外事故的發(fā)生。

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【通聯(lián)編輯：梁書】

收稿日期：2021-06-12

基金項(xiàng)目：2019年江蘇省高等學(xué)校大學(xué)生創(chuàng)新創(chuàng)業(yè)訓(xùn)練計(jì)劃項(xiàng)目“電量顯示功能的通用電動(dòng)自行車智能充電器的設(shè)計(jì)”（201912805016Y）

作者簡(jiǎn)介：余玲（1999—），女，貴州遵義人，主要從事通信技術(shù)專業(yè)的研究;徐彤（1973—），男，江蘇泗陽人，電子與通信工程碩士，副教授，主要從事電子技術(shù)、通信技術(shù)方向的教學(xué)和研究。