揚州大學(xué)物理科學(xué)與技術(shù)學(xué)院 劉占軍 王 斌 唐開遠 朱金榮

基于PIC16F676的電動車智能充電管理器的設(shè)計

揚州大學(xué)物理科學(xué)與技術(shù)學(xué)院 劉占軍 王 斌 唐開遠 朱金榮

本文利用PIC單片機控制，使電動車電瓶充電插座具有自我學(xué)習(xí)的功能，能智能記憶電瓶滿充狀態(tài)，對電動車電瓶進行智能充電，最大限度地保護了電瓶的壽命，是一款具有自學(xué)習(xí)功能的智能充電插座。使用該充電插座，能在無人看管的情況下電動車電瓶充滿電后自動斷電，在一定程度上能夠避免火災(zāi)隱患和電器故障發(fā)生，也能節(jié)約寶貴電能。

電瓶；PIC16F676；智能控制

1.引言

在以電瓶為動力的車輛設(shè)備中，如電動摩托車、電動自行車及電動汽車等，都涉及到電瓶的充電問題。電瓶的充電過程對其壽命影響最大，過充電、充電不足都是引起電瓶故障的主要原因。因此，對電瓶的充電狀態(tài)進行檢測和控制，能夠減少充電損耗、提高充電速度和延長電瓶的壽命[3]。

本文利用PIC單片機控制，使電動車智能充電插座具有自我學(xué)習(xí)的功能，能智能記憶電瓶滿充狀態(tài)，對電動車電瓶進行智能充電，最大限度地保護了電瓶的壽命，是一款具有自學(xué)習(xí)功能的智能充電插座。使用該充電插座，能在無人看管的情況下電瓶充滿電后自動斷電，在一定程度上能夠避免火災(zāi)隱患和電器故障發(fā)生，也能節(jié)約寶貴電能。

2.硬件電路組成及工作原理

2.1 系統(tǒng)硬件結(jié)構(gòu)

智能充電插座硬件結(jié)構(gòu)如圖1所示，該系統(tǒng)以PIC16F676單片機為核心，外圍電路主要由充電電流檢測電路、繼電器及其驅(qū)動電路、5V直流電源的供電電路等組成。供電電路主要為各部分電路提供低壓直流工作電源，電瓶充電電流檢測電路主要為單片機控制電路提供電瓶充電電流的采樣電平，為判斷電瓶處于充電和過充狀態(tài)提供依據(jù)，同時，單片機控制部分電路主要為繼電器驅(qū)動電路提供控制信號，繼電器驅(qū)動電路主要為繼電器的通斷提供工作電流。

2.2 PIC16F676單片機

PIC單片機采用RISC型CPU內(nèi)核，僅需學(xué)習(xí)35條指令，除了跳轉(zhuǎn)指令以外所有指令都是單周期的，由于采用哈佛總線結(jié)構(gòu)，以及指令的讀取和執(zhí)行采用流水作業(yè)方式，使得PIC單片機的運行速度大大提高[4]；PIC單片機是最節(jié)省程序存儲器空間的單片機，驅(qū)動能力強，每個I/0口的吸入和輸出電流最大值可達25毫安和25毫安。PIC系列單片機集成了上電復(fù)位電路、I/0引腳上拉電路、看門狗定時器等，可以最大程度的減少或免用外接器件，以便實現(xiàn)“純單片”應(yīng)用。在本文中，PIC16F676單片機對系統(tǒng)的工作進行實時調(diào)度，實現(xiàn)外部輸入?yún)?shù)的設(shè)置、電瓶及負(fù)載的管理、工作狀態(tài)的指示等[5]。

2.3 電瓶充電電流檢測電路

如圖2所示，電池充電電流檢測電路主要由電流互感器T2和取樣電壓電阻R2，比例放大電阻R1、R3、高頻抑制電容C4、運算放大器LM358A、負(fù)載電阻R4、以及整流二極管D2、濾波電解電容C6組成。電流互感器T2初級的兩個輸入端連接在電瓶充電回路中，次級與取樣電阻R2并聯(lián)，取樣電阻R2上的電壓信號與運算放大器LM358A的反相端2腳連接，運算放大器LM358A的1腳輸出放大的交流電壓信號，該交流電壓信號經(jīng)過整流二極管D2整流，濾波電解電容C4濾波。電阻R2將感應(yīng)的交流充電電流轉(zhuǎn)換成交流電壓；運算放大器LM358A接成反相放大器，反相放大器增益在這里僅由R1和R3的取值決定：K=R3/R1，當(dāng)電瓶開始充電時，感應(yīng)的交流電流信號經(jīng)R2轉(zhuǎn)換為交流電壓信號后輸入LM358A的反相端2腳進行放大，運算放大器LM358A的1腳輸出放大的交流電壓信號，通過二極管D2整流，C4濾波后將交流電壓信號平均為直流電平信號，送到單片機PIC16F676的RA0采樣端口部分。

2.4 單片機智能控制部分電路

如圖3所示，單片機PIC16F676的RA0端為電瓶充電電流信號采樣輸入端，通過電阻R7與檢測電路連接；晶振Y1的兩端連接在單片機PIC16F676的兩個0SC端上；各延時開關(guān)按鈕分別與單片機PIC16F676的RA1—RA5連接，當(dāng)按下延時開關(guān)按鈕時分別延時設(shè)計的60分鐘、120分鐘、180分鐘、240分鐘、300分鐘等；S2為學(xué)習(xí)采樣按鈕，主要用于將充滿電狀態(tài)的充電電流對應(yīng)的直流電平存儲到單片機的EEPROM，作為判斷電瓶是否過充的依據(jù)；單片機PIC16F676的RC3為繼電器驅(qū)動輸出端口，通過限流電阻R8送到繼電器驅(qū)動輸入端口，使單片機RC3輸出電平至驅(qū)動部分。結(jié)合前級檢測到的電平信號，單片機PIC16F676對充電插座進行智能控制。

圖1 系統(tǒng)硬件結(jié)構(gòu)框圖

圖2 電瓶充電電流檢測電路圖

圖3 單片機智能控制部分電路

圖4 繼電器驅(qū)動電路

圖5 滿充狀態(tài)充電電流采樣和存儲程序

圖6 正常使用時的運行程序

2.5 繼電器驅(qū)動電路

如圖4，充電電源控制電路的繼電器K1的線圈一端接5V電源，另一端與三極管Q1的集電極連接，三極管Q1的基極通過電阻R8與單片機PIC16F676的GP1繼電器驅(qū)動輸出端連接，三極管Q1的發(fā)射極接地。智能充電電源插座CZ的一腳直接與電源相連，另一腳通過電流互感器T2的初級與繼電器K的常開觸點連接。

3.軟件設(shè)計

3.1 滿充狀態(tài)參數(shù)采樣和存儲

使用該智能充電插座的第一步就是要自學(xué)習(xí)，即由單片機記住滿充狀態(tài)下的充電電流信息。具體過程如下：預(yù)先將電瓶充滿電，接著將充電器插入智能充電插座，然后按下充電插座的按鈕S1接通插座電源，最后按下學(xué)習(xí)采樣按鈕S2，將充滿電狀態(tài)的電瓶充電電流的轉(zhuǎn)換電平存儲到單片機的EEPROM，作為判斷電瓶是否過充的依據(jù)。軟件框圖如圖5所示。

3.2 正常使用時的運行程序

在正常使用時，單片機對電瓶充電電流進行不斷的采樣，當(dāng)電瓶充電電流高于單片機的EEPROM存儲值時，保持插座電源繼續(xù)充電。反之，當(dāng)電瓶充電電流等于或低于單片機的EEPROM存儲值時，自動斷開電瓶充電電源。軟件框圖，如圖6所示。

4.結(jié)束語

以PIC16F676為控制器的智能電動車電瓶充電插座利用電瓶的充電電流作為輸入，通過使用自學(xué)習(xí)功能將滿充狀態(tài)的電瓶充電電流的轉(zhuǎn)換電平存儲到單片機的EEPROM，作為判斷電瓶是否過充的依據(jù)。在電瓶充滿電后浮充一段時間，智能的切斷電瓶充電電源，從而能夠保證電瓶的充足率并且保證不會過充。整個充電插座體積小，結(jié)構(gòu)簡單，成本低，并且具有良好的抗浪涌和防沖擊功能。通過某電子企業(yè)對該產(chǎn)品的生產(chǎn)和推廣，證明該充電插座器工作安全、穩(wěn)定，對電瓶充電不僅能夠保證較高的充足率，而且可以延長電瓶的使用壽命，具有非常高的實用價值和推廣價值。

[1]劉賢興,李眾.新型智能開關(guān)電源技術(shù)[M].北京:機械工業(yè)出版社,2003.

[2]張幸,楊偉民,李綱園.智能化電瓶充電裝置的研究[J].上海理工大學(xué)學(xué)報,2004(4):381-384.

[3]高志宏.基于PIC16F73的智能鎳鎘電瓶充電器[J].機電工程,2008(6):97-99.

[4]竇振中.PIC系列單片機原理和程序設(shè)計[M].北京:北京航空航天大學(xué)出版社,2003.

[5]劉美俊.基于單片機的智能充電器設(shè)計[J].儀表技術(shù)與傳感器,2006(9):41-43.

[6]王新生,游青山,冉霞.閥控式鉛酸電瓶與UC3909智能充電[J].通信電源技術(shù),2006.25(3):59-62.

劉占軍（1987—），男，江蘇人，碩士研究生，主要從事嵌入式系統(tǒng)的研究。