引言
20世紀60年代末期，美國科學家馬斯對蓄電池充電過程的析氣問題做了大量的研究工作，提出了以最低析氣率為前提的蓄電池可接受的充電電流曲線，如圖1所示。其充電電流軌跡近似為一條呈指數(shù)規(guī)律下降的曲線。基于鉛酸蓄電池的特性以及圖1的充電曲線，本文采用了三階段充電模式：預充、直充和浮充。通過檢測蓄電池的電壓，進入不同的充電階段。
預充電：對于長期不用的電池、新電池或在充電初期已經處于深度放電的蓄電池，剛開始就采用大電流直接充電會突然增加蓄電池的析氣量，縮短蓄電池的壽命。因此，必須先用小電流對蓄電池充電，當蓄電池電壓上升到能接受大電流充電時再進行大電流直接充電。
直充電：此階段充電器以恒定電壓對蓄電池進行充電。充電開始時電流很大，隨著電池端電壓上升，充電電流按指數(shù)規(guī)律下降。因此電池的析氣量小，耗水少，有利于延長電池使用壽命，不過充入電量約在90%左右，不能有效地給電池充足電。
浮充電：也叫涓流充電，主要作用是補充蓄電池自放電所消耗的能量，使電池能接近100%容量。充電電壓僅略高于蓄電池組的斷路電壓且維持恒定，充電電流很小，并逐漸減小到0。
方案設計
總體設計
如圖2所示，系統(tǒng)主要硬件電路包括輔助電源、開關電源和MXT8051單片機控制部分。其中，輔助電源給單片機和運算放大器提供工作電壓，由線性變壓器、整流濾波和DC/DC轉換電路等組成;開關電源輸出充電電壓和電流，由高頻磁芯單端反激式變壓器、整流濾波和DC/DC轉換電路等組成;MXT8051單片機控制部分負責控制充電電壓電流，檢測電壓電流并通過LCD和發(fā)光二極管實時顯示充電信息，并驅動蜂鳴器報警和風扇轉動，由充電電壓電流控制、電壓電流檢測、充電階段指示、液晶顯示、蜂鳴器和風扇控制電路組成。
如圖3所示，系統(tǒng)軟件主要包括電壓電流控制、電壓電流檢測、液晶顯示、風扇和蜂鳴器控制模塊。通過設置寄存器，控制MXT8051內建的10位PWM，產生不同占空比的PWM波，經放大、濾波后通過TL431及光耦隔離接至UC3842的反饋端，產生PWM波，以驅動功率MOSFET管，從而控制開關電源輸出;由MXT8051提供的10位ADC對充電電壓和負載電流進行檢測;通過LCD顯示充電電壓和電流的采集值，以及電池型號、充電模式、充電時間等信息;由MXT8051的PWM控制風扇和蜂鳴器，實現(xiàn)散熱和報警;由GPIO口控制充電階段指示燈(發(fā)光二極管);通過UART連接上位機進行調試、診斷。
詳細設計說明
輔助電源：由工頻變壓器、整流元件、濾波元件和三端穩(wěn)壓集成電路L7812組成，為單片機供電部分和運算放大器提供工作電壓。采用這種為單片機單獨供電的方式，可避免負載(蓄電池)電壓波動對單片機供電部分的影響，增強系統(tǒng)的抗干擾能力，提高可靠性。
開關電源：以電流控制型脈寬調制器UC3842為核心，由三端可調分流基準源TL431和光耦EL817構成反饋回路，實現(xiàn)穩(wěn)定的電壓輸出。電路因為采用了光電耦合器，實現(xiàn)了輸出和輸入、弱電和強電的隔離，減少了電磁干擾，增強了抗干擾能力，而且是對輸出電壓采樣，具有很好的穩(wěn)壓性能。
需要注意的是，使用TL431和EL817時，必須注意外圍參數(shù)的設計。對于TL431，要保證TL431工作的必要條件，即通過陰極的電流要大于1mA;對于EL817，要使其工作在比較寬的線性帶內，否則電路對運行參數(shù)的敏感度太強，不利于電路的穩(wěn)定工作。
MXT8051單片機控制部分。主要由單片機最小系統(tǒng)、充電電壓電流控制、電壓電流檢測、液晶顯示、風扇和蜂鳴器控制部分組成。
1. 單片機最小系統(tǒng)。以MXT8051為核心，配合3.3V系統(tǒng)電源、2.5V數(shù)字核電壓、11.0592MHz系統(tǒng)時鐘晶振以及32.768kHz RTC晶振構建最小系統(tǒng)。
2. 充電電壓、電流控制。根據(jù)開關電源部分的實現(xiàn)原理，通過改變TL431參考端的電壓可獲得不同的電壓輸出，從而獲得不同的充電電壓。充電電流的控制也是通過控制充電電壓來實現(xiàn)的。程序中，通過控制單片機內建的PWM0輸出PWM波的占空比，即可控制充電電壓和電流。
根據(jù)鉛酸蓄電池三段式充電原理，每個階段對應一種充電電壓。對48V型號的蓄電池而言，預充、直充和浮充階段的充電電壓分別設定為47.5V、57.5V和54.5V。分別計算三種電壓對應的PWM0H和PWM0L寄存器的值，存入數(shù)組中，作為三種充電電壓的設定值。程序中，根據(jù)不同的充電階段調用相應的設定值寫入PWM*H和PWM*L寄存器，實現(xiàn)對充電電壓和電流的控制。程序流程如圖4所示。
3. 風扇、蜂鳴器控制。單片機輸出脈寬調制信號控制三極管的導通與關斷，實現(xiàn)風扇和蜂鳴器的開關控制;同時，通過調整PWM波的占空比可以控制三極管集電極電流，從而實現(xiàn)對風扇風速和蜂鳴器鳴聲大小的控制。蜂鳴器控制采用PWM1，風扇控制采用PWM2。
4. 充電電壓、電流檢測。MXT8051內嵌一個五通道的10位逐次逼近型ADC，電壓采樣信號送入AIN0通道，電流采樣信號送入AIN1通道。電壓采樣信號由開關電源電壓輸出經分壓電阻獲得，經AD轉換后由程序換算處理得到充電電壓;電流采樣信號由與電池組串接的水泥電阻獲得，AD轉換后經過程序換算處理得到充電電流。
5. 液晶顯示。MXT8051內嵌36×4 LCD DRIVER，可直接驅動液晶屏，因此只需將單片機的SEGMENT和COMMON引腳與LCD的相應管腳連接即可。本設計采用36×4段式LCD。程序中，通過設置LCD控制寄存器LCDCON來設定內部分壓電阻的阻值和刷新頻率;由LCD數(shù)據(jù)寄存器LCDDATA17~0來控制要顯示的數(shù)據(jù)。
6. 計時。主要功能是在充電器開始工作時啟動計時，為用戶判斷充滿剩余時間提供參考。最大計時時間為9小時59分59秒。程序實現(xiàn)主要由啟動定時器T0、重載計數(shù)初值和軟件計數(shù)變量控制三部分組成。
7. 看門狗監(jiān)控。主要功能是防止程序跑飛導致系統(tǒng)死機，發(fā)生不可預料的后果。由看門狗初始化和喂狗程序組成。初始化程序負責選擇看門狗定時器時鐘，設置定時時間;喂狗程序負責向看門狗定時器重載數(shù)據(jù)。
系統(tǒng)測試
系統(tǒng)測試主要是對輸出電壓準確度和穩(wěn)定性以及電壓電流檢測精度的測試。經過反復多次測試，系統(tǒng)輸出電壓穩(wěn)定可靠，電壓檢測能完全跟蹤實際電壓，誤差很小。測試結果如表1所示。
結語
本設計基于北京時代民芯科技有限公司的MXT8051單片機構建，以開關電源和充電管理控制核心為主體，外圍電路簡單，電源調整率好、頻率特性好、穩(wěn)定幅度大，具有過流限制、過壓保護和欠壓鎖定功能，能有效避免鉛酸電池的硫化問題，大大延長蓄電池使用壽命。