摘 要： 設(shè)計(jì)了基于EasyARM1138嵌入式處理器為控制核心的電能收集充電器，闡述了電能收集器的硬件電路結(jié)構(gòu)、工作原理及軟件程序設(shè)計(jì)。根據(jù)充電電池取樣電流與電壓狀態(tài)信息，EasyARM1138產(chǎn)生合適的PWM信號(hào)，并控制BUCK變換器工作，實(shí)現(xiàn)充電高效控制。本電能收集充電器具有數(shù)字化、智能化的特點(diǎn)。
關(guān)鍵詞： EasyARM1138；充電器；鋰離子電池；LCD
隨著計(jì)算機(jī)技術(shù)和電力電子技術(shù)的發(fā)展，移動(dòng)手機(jī)、數(shù)碼產(chǎn)品、手提電腦、便攜儀器等設(shè)備正成為人們生活中不可或缺的工具與這些產(chǎn)品相對(duì)應(yīng)的充電器的設(shè)計(jì)也越來(lái)越受到關(guān)注，且充電器的好壞將會(huì)直接影響到產(chǎn)品的性能和使用壽命。現(xiàn)代生活中充電設(shè)備數(shù)量迅速增多，而各個(gè)廠商所出的充電接口又各不相同，與此同時(shí)，市場(chǎng)上充電器的種類(lèi)特別繁多，且充電器的較典型的實(shí)現(xiàn)方法是用一個(gè)專(zhuān)門(mén)功能的集成電路IC去控制充電電流/電壓的范圍，這種普通的恒流或恒壓充電器都有充電效率低、充電時(shí)間長(zhǎng)、降低電池壽命等缺陷。本文針對(duì)鋰離子可充電池的充放電特性及實(shí)際使用中的需求，利用新型的嵌入式芯片LM3S1138為主控制器，在鋰離子電池充電的過(guò)程中，進(jìn)行智能控制，嚴(yán)格控制充電電流、電壓、溫度等物理參數(shù)，從而實(shí)現(xiàn)數(shù)字化、智能化、節(jié)能化的特點(diǎn)。
1 電能收集充電器硬件設(shè)計(jì)
電能收集充電器的硬件設(shè)計(jì)，主要包括直流電源、電源變換器、EasyARM1138、PWM發(fā)生器、采樣電路、可充電池等部分的設(shè)計(jì)與整合，形成一個(gè)循環(huán)系統(tǒng)。其電路模塊如圖1所示。
1.1 EasyARM1138嵌入式微處理器
EasyARM1138嵌入式微處理器采用了Luminary Micro公司Stellaris系列基于Cortex-M3內(nèi)核的LM3S1138芯片，該芯片包含一個(gè)低壓降的穩(wěn)壓器，集成的掉電復(fù)位和上電復(fù)位功能，仿真比較器，10 bit的ADC，SSI，GPIO，看門(mén)狗和通用定時(shí)器，UART，I2C及運(yùn)動(dòng)控制的PWM等各種豐富的外設(shè)功能，可直接通向GPIO管腳，不需要特性的復(fù)用[1]。非常適合用作智能型充電器的控制單元。
EasyARM1138的任務(wù)是從采樣電路處實(shí)時(shí)采集電池的充電狀態(tài)，通過(guò)計(jì)算決定下一階段的充電電流，并產(chǎn)生合適的PWM信號(hào)來(lái)控制充電電流；通過(guò)UART、LCD來(lái)實(shí)時(shí)地傳輸和顯示采樣數(shù)據(jù)，采集的電池參數(shù)不正常時(shí)，可以產(chǎn)生報(bào)警信號(hào)。
1.2 電源變換和控制電路
1.2.1 BUCK電源變換電路
在電能收集過(guò)程中，充電器通過(guò)控制電壓或者電流來(lái)實(shí)現(xiàn)不同的充電策略。設(shè)計(jì)采用容易控制的、效率高的BUCK變換器。BUCK變換器是用EasyARM1138產(chǎn)生的PWM信號(hào)控制的，通過(guò)控制PWM的占空比，來(lái)控制開(kāi)關(guān)管Q2輸出電壓或者電流。BUCK變換電路如圖2所示。
Vi、Vo分別為輸入輸出電壓，D1是續(xù)流二極管。BUCK變換器的工作原理：當(dāng)PWM輸出高電平時(shí)，開(kāi)關(guān)管導(dǎo)通，電流通過(guò)晶體管和電感到電池。在這一階段，電感吸收能量，電容被充電。當(dāng)PWM輸出低電平時(shí)，開(kāi)關(guān)管關(guān)斷，電流經(jīng)二極管D1續(xù)流，電感兩端的電壓反向，電流由二極管提供。電感和電容作為濾波器輸出電壓和電流。
1.2.2 PWM發(fā)生器
PWM發(fā)生器集成在EasyARM1138系統(tǒng)中，利用定時(shí)器(Timer)模塊的16 bit PWM功能來(lái)產(chǎn)生PWM信號(hào)。在PWM模式中，TimerA或TimerB配置為16 bit元元元的遞減計(jì)數(shù)器，通過(guò)設(shè)置適當(dāng)?shù)难b載值(決定PWM周期)和匹配值(決定PWM占空比)來(lái)自動(dòng)產(chǎn)生PWM方波信號(hào)，并從相應(yīng)的CCP管腳輸出。
本方法的基本思想是利用EasyARM1138所具有的PWM(CCP)管口，在不改變PWM方波周期的前提下，通過(guò)軟件的方法調(diào)整PWM控制寄存器來(lái)調(diào)整PWM的占空比，從而控制充電電流。在調(diào)整充電電流前，處理器先快速讀取充電電流的大小，然后把設(shè)定的充電電流與實(shí)際讀取到的充電電流進(jìn)行比較。若實(shí)際電流偏小，則向增加充電電流的方向調(diào)整PWM的占空比；若實(shí)際電流偏大，則向減小充電電流的方向調(diào)整PWM的占空比。在軟件PWM的調(diào)整過(guò)程中要注意ADC的讀數(shù)偏差和電源工作電壓等引入的紋波干擾，合理采用算術(shù)平均法等數(shù)字濾波技術(shù)。
1.3 采樣電路
采樣包括對(duì)充電電流和充電電池端電壓的采樣。采樣的電壓和電流經(jīng)EasyARM1138中的1個(gè)集成的10 bit ADC模塊送到LM3S1138控制芯片中，LM3S1138對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行處理與保存。ADC模塊支持8個(gè)輸入通道，輸出最大誤差為±3 mV，±3.3 V電源供電，并含有4個(gè)可編程的序列發(fā)生器，這些序列發(fā)生器可在無(wú)需控制器干涉的情況下對(duì)多個(gè)模擬輸入源進(jìn)行采樣。電流與電壓采樣原理圖如圖3所示。
(1)電流和電壓采樣
為了降低成本，設(shè)計(jì)中對(duì)電流采樣不外加傳感器，通過(guò)1個(gè)傳感電阻R6把流過(guò)電池的電流轉(zhuǎn)換成電壓后，再進(jìn)行ADC轉(zhuǎn)換取樣。流過(guò)電池的電流可能會(huì)很大(超過(guò)1 A)，如果傳感電阻取得較大，那么就會(huì)產(chǎn)生較大的電壓降，根據(jù)功率計(jì)算公式：P=I2R，消耗的功率太大，就會(huì)產(chǎn)生較多的熱量，顯然這樣做是不可取的。本設(shè)計(jì)中使R6=0.1 Ω，用LM358運(yùn)算放大器把電壓放大到3 V左右，再傳送到ADC轉(zhuǎn)換器的ADC1管腳[2]。電壓采樣直接通過(guò)改變滑動(dòng)電阻R4的大小，使輸出電壓在0～3 V額定范圍，再傳送到ADC轉(zhuǎn)換器的ADC0管腳進(jìn)行數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換。
(2)保護(hù)電路和基準(zhǔn)穩(wěn)壓源
如果進(jìn)入ADC管腳的電壓過(guò)大，有可能造成芯片損壞，正確的做法是必須要有限壓保護(hù)措施，典型的用法是利用鉗位保護(hù)二極管。為了抑制串入ADC輸入信號(hào)上的干擾，一般還要進(jìn)行RC低通濾波，如圖4所示。
ADC轉(zhuǎn)換器需要一個(gè)基準(zhǔn)電壓為參照，以完成模擬電壓信號(hào)到數(shù)字信號(hào)的量化。基準(zhǔn)電壓直接影響電壓和電流采樣的結(jié)果。EasyARM1138內(nèi)部集成可編程選擇的3.3 V的基準(zhǔn)穩(wěn)壓源，可確保ADC基準(zhǔn)電壓的準(zhǔn)確性，不需要采用外部的穩(wěn)壓源，可以節(jié)省設(shè)計(jì)的成本。
2 軟件程序設(shè)計(jì)
電能收集充電器的充電電流、電壓都是受限制的，“電池特性”的所有資料都根據(jù)標(biāo)度因子計(jì)算得到。這些數(shù)據(jù)在包含文件里定義，在編譯時(shí)計(jì)算，在程序運(yùn)行時(shí)以常數(shù)方式處理。所有從ADC輸出的資料都可以直接與這些常數(shù)進(jìn)行比較。也就是說(shuō)，在程序運(yùn)行過(guò)程中，不需要進(jìn)行實(shí)時(shí)計(jì)算，從而節(jié)省了計(jì)算時(shí)間和程序空間。鋰離子可充電池采用恒流-恒壓充電方式，其充電主控制程序流程如圖5所示[3-6]。
本電能收集充電器采用了微控制器LM3S1138作為CPU，具有智慧化、節(jié)能化等充電性能，電能收集率很理想。故有良好的推廣和使用價(jià)值。
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