铅酸电池智能充电器设计
摘要
铅酸蓄电池在直接供电和备用供电等场合获得了比较广泛的应用。为了更加有效合理的对铅酸蓄电池充电的作用，所以在给蓄电池充电的过程中，应合适的给电池充电，从而减少充电时对电池的损害。达到保护电池，维持电池的使用寿命。由于蓄电池在充电时的温度是变化的，所以在设计充电器时应把温度考虑到充电的因素当中。对充电过程的进一步精确控制。本文中铅酸蓄电池充电器主要用到的芯片UC3909，介绍了UC3909控制智能充电器的工作原理，分析了电池充电时的各种状态，具体解决方案，做到对电池的伤害最小，并设计了应用于铅酸电池硬件控制电路，监控电路的设计方案，对
UC3909，HT46R23等芯片做了简单介绍，并且还对蓄电池充电器系统硬件电路的设计做了较为明确的说明和具体的软件编程。另外，本文还对电池的充电电压和电池温度的监控流程进行了初步设想，从而实现充电器的智能化。对蓄电池在充电时起到了一定的保护作用，基本上解决了充电时的电能浪费和能源浪费的问题。为今后的减排节能起到了一定作用。
关键词：UC3909；HT46R23；铅酸蓄电池；智能充电；控制
Intelligent lead-acid battery charger
design
ABSTRACT
Lead-acid battery in direct power supply and backup power supply has been widely used. In order to more effective and reasonable, the function of lead-acid battery charging so on battery charging process, should be suitable for the battery, and thus to minimize damage to the battery when charging. To protect the battery, to maintain the service life of batteries. Due to the temperature of the battery when charging is changing, so in the design of the charger should be the temperature when considering the factors of charging. Further precise control of the charging process. The chip UC3909 lead-acid battery charger is mainly used in this paper, introduces the working principle of intelligent charger UC3909, analyzes several kinds of battery charging status, the specific solutions, to achieve the minimum damage to the battery, and designs the hardware control circuit used in lead-acid battery, the control circuit design, to UC3909 HT46R23 chip made simple introduction, but also on the battery charger system clear instructions to the hardware circuit design and software programming in detail. In addition, this article also for charging voltage of the battery and battery temperature monitoring process has carried on the preliminary conception, so as to realize the intelligent of the charger. For the protection of the battery when charging have played a role, basically solved the charging electric energy waste and energy waste problem. Play a certain role for the future of the emissions reduction and energy saving.
Key words:UC3909; HT46R23; Lead-acid batteries; Intelligent Charger; Monitoring
目次
摘要....................................................... I ABSTRACT ...................................................... I I 1 绪论 (1)
1.1引言 (1)
1.2智能铅酸电池的发展 (1)
1.3常见充电方法概述 (2)
1.4课题的目的和意义 (2)
1.5课题的组织安排 (2)
2 系统的总体方案及芯片简介 (4)
2.1系统的总体方案 (4)
2.2系统软件实现方案 (4)
2.3充电电路硬件设计方案 (4)
2.3.1基于UC3909及外围元件充电电路设计方案 (4)
2.3.2基于充电电压的监控电路设计方案 (5)
2.3.3基于电池温度监控设计方案 (5)
2.3.4基于充电器电源电路设计方案 (5)
2.3.5基于恒定+5V电源电路设计方案 (6)
2.4 UC3909简介 (6)
2.4.1概述 (6)
2.4.2引脚排列与功能说明 (7)
2.5 HT46R23芯片简介 (8)
2.5.1概述 (8)
2.5.2引脚排列与功能说明 (8)
2.5.3内部框图 (10)
2.6 MC34063芯片简介 (11)
2.6.1概述 (11)
2.6.2引脚排列与说明 (11)
2.7 DS18B20芯片简介 (11)
2.7.1概述 (11)
2.7.2引脚排列与功能 (12)
2.7.3内部框图和主要特性 (12)
2.8液晶显示模块简介 (13)
2.8.1管脚介绍及主要技术参数 (13)
2.8.2相关指令 (14)
3 铅酸蓄电池智能充电系统硬件电路设计 (15)
3.1铅酸蓄电池充电问题分析 (15)
3.2铅酸蓄电池智能充电器的结构及充电方法 (16)
3.2.1充电电路的电路结构 (16)
3.2.2充电电路的电路充电方法 (16)
3.3铅酸蓄电池智能充电器电路设计 (17)
3.3.1电铅酸蓄电池充电电路实现功能 (17)
3.3.2输入电源电路 (18)
3.3.3MC34063降压变换电路 (19)
3.3.4UC3909及外围元件组成的充电电路 (19)
3.3.5电池的充电电压的监控电路 (23)
3.3.6蓄电池充充电温度监控电路 (23)
3.3.7恒定+5V电源电路 (24)
3.3.8继电保护电路 (24)
4 铅酸电池充电系统软件设计 (26)
4.1系统软件设计注意事项 (26)
4.2铅酸电池充电系统软件设计 (26)
4.3系统各子部分软件设计 (27)
4.3.1A/D转换子程序采样部分 (27)
4.3.2液晶显示部分 (27)
4.3.3温度传感器部分 (28)
设计总结 (30)
致谢 (31)
参考文献 (32)
1 绪论
1.1 引言
近些年来，铅酸蓄电池凭借着性能稳定、寿命长、低成本、还有可逆性等特点，使得铅酸蓄电池成为一种新型的能源。广泛应用在日常生活中的手机、电器、铁路、港口等工业和国民经济的各个领域。逐渐的成为人类日常工作生产生活之中必不可少的一部分，已成为社会上一个新兴的焦点。电池[12]充电其实是一种逆向的化学反应，通过电能给予的能量转化成化学能量。由于不同的材料的化学反应不同，所以充电时的电流也不是简单地线性系统。根据研究，我们发现电池充电系统是一个时变的，非线性的系统过程，也是对电池寿命影响最大的因素，也就是说充电过程的影响比放电过程对电池寿命的影响更大，由于人们对蓄电池充电过程的忽视，会导致蓄电池的损坏和电池的寿命的缩短，经常发热等不良后果。导致对电池和能源的浪费。
随着科学技术的发展，出现了各种样式的蓄电池，所以对电池充电器[1、2、3]的要求也就越来越高。人们对蓄电池充电器的性能有进一步要求。因而对充电也有了进一步的了解，因此就有对电池进一步进行监控的要求更高，达到节省能源更好的保护电池，防止电池损坏。因此对电池充电器的要求也就更高。所以，设计一款性能良好的铅酸智能充电器，能够延长蓄电池的使用寿命，满足人们生活的需要。
1.2 智能铅酸电池的发展
蓄电池的更新换代经历了一个很长的时间，1935年，五德布里奇偶然间发现了温度对电池充电的影响，1967年，英国人麦斯发现蓄电池充电时析气特性。并对电池充电时析气过程进行分析的到了一点的规律。之后随着科学的进步和发展，人们对蓄电池的充电过程有了进一步的了解，相继一些充电器问世，但这些充电装置大多体积大，充电慢，能耗大，控制效果差等缺点，到上世纪90年代，相对而言，才生产出来一些放电，充电，监测为一体的新的电池充电装置。但主要的方式主要有恒压充电和恒压充电，这两种充电基本上成了充电的主流。这种电路控制简单，操作简单，但是冲电时间长，能源有损耗，且对电池有一定的损害。目前在国内蓄电池的充电装置大多采用晶闸管整流技术，由于有工作稳定，但由于充电效率和速率不高。所以又出现了更多的充电方法，近几年，又有一些新的充电方法。利用充电过程中电流和电压的变化特性，使电池快速
充电，合理充电的模糊控制充电法，本文又相继介绍一种新的智能充电的方法。
1.3 常见充电方法概述
铅酸蓄电池的充电方法有很多种，不过一般说来有以下二种：
1、恒流充电法
恒流充电法是根据调整充电器输出电压或者更改与蓄电池串联电阻的方法，保持充电电流强度不变的充电方法，这种控制方法较为简单，但由于电池的可接受电流能力是随着充电过程的进行而逐渐下降的，到充电后期，充电电流大多用于电解水，产生气体，使出气过甚，因此，常选用阶段充电方法。
2、恒压充电法
恒压充电法是将充电电源的电压在全部的充电时间里保持恒定的数值，伴随着蓄电池的端电压的逐步升高，电流的逐步减少。由于充电初期蓄电池电动势比较低，充电的电流很大，随着充电的进行，电流将渐渐减少，因此，只需简单的控制系统。这类充电方式电解水很少，防止了蓄电池过充。但在充电前期电流过大，对蓄电池的电池寿命形成了很大的影响，并且容易使蓄电池极板弯曲，从而造成电池报废。鉴于这类缺点，恒压充电很少被考虑，只有在充电电源电压低而电流大时选用。
1.4 课题的目的和意义
目前，大部分的充电器采用的是恒流，恒压充电和涓流充电浮充电的充电方法。事实上，在日常生活充电中，电池经常空闲放电，开始采用恒流冲电，会电池内的化学物质的化学性能。本文是使用UC3909芯片对电池智能充电的方法。为了避免初始充电电流太大，涓流充电，后者是为了避免过大的电压和恒定电压充电。所以，恒流限流的充电是一个更有效的充电方式，再加上智能的判断，浮子控制，温度补偿等措施，构成了一个建议的的充电管理体系，使得该电池可以得到更好的充电，减少了电池长期充电或过放电电池的涓流充电不足，，提升了电池的安全性能，提升了电池的寿命。
1.5 课题的组织安排
通过蓄电池充电相关技术的研究，并且结合当前同类电池的优点和缺点，此篇文章的主要内容是给出铅酸智能充电器体系的一种构架方案和其硬件详细的实现方法和软
件的初步构想。
本设计中主要设计完成了铅酸电池智能充电器的硬件电路的设计，基本实现了充电器所应具备的功能，同时给出了软件设计的相关流程。
全文组织安排如下：
1、第一章简单的介绍了常见的充电方式及其缺点，描述了铅酸智能充电器的设计目的和意义，并简述了开发一种新式的铅酸电池智能充电器的必要性。
2、第二章给出了系统的总体方案基于UC3909铅酸智能充电器设计方案，分析了系统的合理性。详细介绍了的性能特点和内部电路工程 UC3909 充电控制器，以及各种其他芯片引脚和功能描述。
3、第三章简单介绍了目前一些充电器充电时存在的一些问题，同时详细介绍基于UC3909铅酸智能充电器的硬件电路的设计及功能的实现。
4、第四章主要介绍了系统中软件流程图的设计及功能的阐述。
最后通过对全文所讲述的智能充电软件设计和硬件设计做了基本的概述，和方案的处理方法。
2 系统的总体方案及芯片简介
2.1 系统的总体方案
一个智能型充电器实现智能化不仅要有稳定的、快速的充电电路即有恒流／恒压控制环路，它应包括充电电压显示电路、温度检测电路、 LCD显示电路和其他的基本单位。基于UC3909铅酸智能充电器的功能主要实现以下功能：
（1）蓄电池在进行涓流充电、恒流充电、过压充电和浮充电时候，更快、更安全的作为电池电量为其额定容量，同时长期下-或过度放电可充电电池涓流充电的电池能够发挥作用的保养和维修。
（2）首先使用HT46R23来进行A/D转换显示、再使用显示器和继电器对电池充电电压和电池温度来实施监控和保护。
（3）使用红绿显示灯对电池的四个充电状态进行显示，即涓流充电状态两个灯不亮；绿灯亮恒流充电；红灯亮过压充电；两个灯都亮浮充电。
由此可见，本设计研究的基于UC3909铅酸智能充电器系统，不但能实现快速、安全的充电为蓄电池充电，还基本符合了充电器的智能化所需要的条件。
2.2 系统软件实现方案
设计思路：基于UC3909智能充电器所设计充电器开始工作后，首先检验各A/D转换通道，进行充电电压、电池温度等数值的初始化，然后进行A/D采样和显示，再检测充电电压、电池温度是否超过允许范围，温度过高则自动驱动固态充电器，充电停止。否则值进行显示，从而达到对电路的保护作用。
2.3 充电电路硬件设计方案
2.3.1 基于UC3909及外围元件充电电路设计方案
该部分的电路是一种四阶段的充电器，利用UC3909极其外围电路[4]构成，放电时，蓄电池电压慢慢下降，当VCHGENB=5.4V时，放电终止。当蓄电池被过放电或者其他不良充电变的品质变劣时，蓄电池电压将低于VCHGENB，这时充电顺序为：
1、涓流充电。该Itc＝10mA的电流充电，若要删除极板固化的现象，并因此在发
挥作用的保护和恢复的电池。
2、恒流充电。即与 Ibulk 恒定电流充电电池 = 200mA。
3、过压充电。充电器充电时电压高于额定电压。
4、浮充电。首先计算出一个温度补偿电压，充电器再以该电压进行充电。
其中两个指示灯（一红一绿）对蓄电池的四个充电状态进行显示，即涓流充电状态灯全不亮；绿灯亮恒流充电；红灯亮过压充电；浮充电时两灯都亮。
2.3.2 基于充电电压的监控电路设计方案
监控电路由液晶显示模块1602、盛群单片机HT46R23、固态继电器、熔断器等元器件组成，该部分的电路通过一个4MΩ和一个4MΩ电阻对蓄电池的充电电压分压，因为充电电压会在0V和7.3V之间变化，经电阻分压后会在0到4V变化，从而将一个高的电压监控转变成对一个低电压的监控，再通过盛群单片机HT46R23的A/D转换，将电压模拟信号转换成为数字信号，通过液晶显示出来电压值。如果电压值过高则会触发警报器，同时会驱动固态继电器。起到保护了蓄电池和线路的作用。这样就可以使铅酸蓄电池在适当的电压范围内充电，从而合理的对涓流充电，恒流充电，过充电，浮充电进行合理的转换和控制。蓄电池可以合理的进行充电，减少了对电池的伤害，延长了电池的使用寿命。
2.3.3 基于电池温度监控设计方案
监控电路温度传感器（DS18B120），单片机，液晶显示模块，固态容电器，固态继电器，熔断器等构成。电路先是通过温度传感器DS18B2O测出电池的充电温度，传到盛群单片机HT46R23进行A/D转换，将温度模拟信号转换成为数字信号，最后通过液晶显示出来充电电池的温度值，一旦温度过高，发出报警信号，使驱动三极管导通固态继电器，从而保护了有效的蓄电池因电压过高的损坏。这样就可以使铅酸蓄电池充电器具有显示电池充电温度、防止电池过热、保护线路安全功能。在适当的温度范围之内，起到保护的作用，从而增加电池寿命，所以使线更安全，可以添加到电路，防止短路保险丝可能。
2.3.4 基于充电器电源电路设计方案
电路部分由一个降压变压器，一个桥式整流器和滤波器电路和降压转换器的
MC34063 。首先通过降压变压器将交流电220V转换成25V，再经过桥式蒸馏滤波电路得到21V的直流电压。然后通过MC34063降压变换器将21V直流电压转变为一个9.4V 的直流电压，为UC3909组成的充电电路和电源电路提供了直流电源。
2.3.5 基于恒定+5V电源电路设计方案
该电路是芯片TPS76701即低压差线性稳压器及其外围电路构成的，该电路通过降压变压器、桥式整流滤波电路和MC34063降压变换电路所获得的一个9.4V的直流电压，经过芯片 TPS76701 低压差线性稳压器 (LDO) 和其外围电路，最后获得稳定常数的 + 5 V 电源供电。这样就可以为监控电和保护电路提供一个稳定的+5V电源使其能够正常的工作。
2.4 UC3909简介
2.4.1 概述
UC3909主要被用于控制铅酸电池的快速充电当中。在电力工业制造过程中，铅酸电池的容量很大，UC3909的PWM控制器可以很便捷的做成开关型充电器。因为有该芯片的PWM控制电路，所以可以形成充电状态逻辑电平。充电状态逻辑电平按照在充电时的电压和电流特性控制电路，确保了输入的电源电压的合理性。另外该芯片中还包括差动电流取样放大器、热敏电阻电路、PWM 振荡器、PWM 比较器、PWM 锁存器、充电状态译码器、误差放大器和一个100mA 的集电极开路输出驱动器。该芯片的极限参数如下:
表2.1 芯片的极限参数表
序号名称参数
1 电源电压VCC 40V
3 输出灌电流0.1A
4 S+和CS-脚电压0.4V～VCC
5 其它脚电压0.3～9V
6 存储温度-65～150 ℃
7 结温-55～150 ℃
8 焊接温度(焊接时间10s) 300 ℃
要设计一个电池充电电路，有多种实现的方法来满足所需的充电控制和提供所需的
充电电流，充电器的工作效率，同时降低充电电路的造价和简单电路设计。本文是通过UC3909充电控制器来介绍充电电路的。
2.4.2 引脚排列与功能说明
表2.2 引脚功能[5]
名称引脚功能
1脚 (RTHM) 该脚与接地脚串联一个10kΩ热敏电阻。热敏电阻阻值是基于2.3V以 3.9mV/℃变化。
3脚 (GND) 接地脚，所有电压的基准点。集电极开路输出晶体管的发射极接到该脚。
4脚 (VCC) 电源输入脚。芯片工作电压范围为7.5～40V 。与3脚之间串联1μF电容。
5脚 (OUT) PWM驱动器输出脚。集电极开路时输出晶体管的灌电流为100mA 。
6脚 (STAT1) 晶体管开路集电极输出端，充电状态与STAT0和STAT1的关系如表3-1所列。输出第二译码位。
7脚(STAT0) 晶体管开路集电极输出端。该输出端是充电状态的第一译码位。
8脚(STATLV) 浮充状态下，该位为高电平
9脚(OVCTAP) 过充电时的电流比较器输入脚。过充电时，会输出控制信号。
10脚(CHGENB) 充电器起动比较器输入端。当电池电压较低时，进入涓流充电状态，电压误差放大器输出高阻抗，CA-脚会流入10μA固定电流，
11脚(VAO) 电压误差放大器的输出端。该放大器输出电压箝位在5V 。
12脚(VA- ) 误差电压放大器的反相输入端。
13脚(CA- ) 误差电流放大器反相输入端。
14脚(CAO) 电流误差放大器输出端。电压箝位在4V，在芯片内部该脚与PWM比较器反相输入端相连。
15脚(CSO) 电流取样放大器的输出端，在内部被箝拉在5.7V输出电压。
电流取样放大器的的输入端（正反）。固定增益为5的电流取样放大器。
16、17 脚(CS和
CS-)
18脚(RSET) 与接地脚串联一只电阻，以便设置振荡器的充电电流（1.75/RSET）和振荡器涓流控制电流（0. 115/RSET）。
19脚(OSC) 振荡器斜坡电压控制脚，与3脚之串联一只电容器CT，振荡器斜坡电压应在1.0V
到3V之间变化，振荡器振荡频率f =1/1.2CT*RSET
20脚(R10) 该脚与3脚串联10kΩ电阻，补偿热敏电阻电压差。
表2.3 充电状态译码表
充电状态STAT1 STAT0
涓流充电状态0 0
恒流充电状态0 1
恒压充电状态 1 0
浮压充电状态 1 1
2.5 HT46R23芯片简介
2.5.1 概述
为了将电压、温度检测电路测出的模拟信号转换成数字量并进行处理，本系统选取了盛群单片机HT46R23。HT46R23是一种高性能8位单片机（10位A/D转换器），工作范围是3.3-5.5V，4kx16bit的程序只读存储器，192×8位数据存储器，8级堆栈，16位7级预分频带溢出中断功能可编程定时/计数器，石英和RC振荡器，WDT电路，8/4通道的A/D转换器，两路PWM(脉宽调制)硬件电路.
2.5.2 引脚排列与功能说明
HT46R23引脚排列如图2.1所示。其引脚功能如下表2.4。
表2.4 HT46R23引脚介绍
引脚输入/输出掩膜选项功能介绍
PB0/AN0
PB1/AN1
PB2/AN2
PB3/AN3 PB4/AN4 PB5/AN5 PB6/AN6 输入/输出上拉电阻
8位双向输入/输出口。可由软件设置为
CMOS、输出带或不带上拉电阻(由上拉电阻
选项决定端口选择)的斯密特触发输入或
A/D输入。
引脚输入/输出掩膜选项功能介绍PB7/AN7
PA0-PA2
PA3/PFD
PA4/TMR
PA5/ INT PA6/SDA PA7/SCL 输入/输出
上拉电阻
唤醒功能
PA3或PFD
I/O或I2C
8位双向输入/输出口。每一位可由掩模选项
设置为唤醒输入。可由软件设置CMOS输出、
带或不带上拉电阻(由上拉电阻选项决定：
位选择)斯密特触发输入。PFD、TMR、INT（非）
分别与PA3、PA4、PA5共用引脚。一旦使用
I2C总线功能，则与PA6 、PA7相关的寄存
器将被停用。
VSS ——负电源，接地。
PC0-PC4 输入/输出上拉电阻5位双向输出/输入口。可由软件设成CMOS 输出、带或不带上拉电阻(的斯密特触发输入。
PD0/PWM0
PD1/PWM1 输入/输出
2位双向输入/输出口。可由软件设置为CMOS
输出、带或不带上拉电阻(由上拉电阻选项
决定：端口选择)的斯密特触发输入。
PWM0/PWM1输出与PD0/PWM1共用引脚 (由
PWM选项决定)。
RES（非）输入—斯密特触发复位输入，低电平使用。
VDD ——正电源。
OSC1 OSC2 输入
输出
晶体或RC
OSC1、OSC2连接RC或晶体(由掩膜选定)以
产生内部系统时钟。在RC振荡方式下，OSC2
是系统时钟四分频的输出口
TEST1
TEST2/ TEST1 输入—
测试模式下输入引脚，正常使用时不必连
接。