基于AVR微控制器的蓄電池充放電控制器的設計

摘要：針對539CH-1型Ni-Cd電池，提出一種基于AVR微控制器的蓄電池充、放電控制器。該控制器以Mega16L為核心，根據上位機的命令控制蓄電池的充、放電電流值以及放電電阻的接入時機。

關鍵詞：蓄電池；AVR微控制器；TLV5638；電源控制

引言

　　蓄電池是飛行器電源系統中重要的組成部分，蓄電池的性能直接影響飛行器的安全。因此，正確維護、保養蓄電池就成為一項十分重要的工作。539CH-1型Ni-Cd蓄電池是法國SAFT公司生產的堿性蓄電池，該電池包含20個單體電池，額定電壓24V，額定容量53Ah。波音737客機即采用該型蓄電池。

　　充電和放電是該電池維護、保養中的主要工作。由于該電池為Ni-Cd蓄電池，為了避免記憶效應影響電池容量，充電前需要對電池進行放電。該電池的放電規范要求測量單體電池電壓，并記錄單體電池電壓下降到1V時的放電時間，然后在單體電池兩極間接入放電電阻。該電池的充電規范要求使用分階段定電流充電法。充電過程中要檢測電池的端電壓和充電電流，充電后期要測量單體電池的電壓，并對電壓較低的電池做相應處理。

　　本設計采用AVR單片機Mega16L作為核心，可同時控制兩塊539CH-1型蓄電池的充、放電過程。Mega16L通過串行總線接收上位機的命令，然后通過SPI總線將數據發送給TLV5638。單片機通過多路模擬開關CD4053將TLV5638的兩路D/A輸出送入信號調整電路，從而完成對充放電電流的控制。放電過程中，Mega16L通過控制8D鎖存器74LS573和復合管陣列ULN2081控制放電電阻接入。系統框圖如圖1所示。


圖1 系統原理框圖

硬件設計

　　硬件系統包括串行通信電路、充電和放電控制電路、繼電器驅動電路等模塊。

通信電路

　　單片機通過串口與上位機通信。Mega16L端口為TTL電平，而上位機串口為RS232C標準接口。因此，在上位機與單片機通信時需要進行電平轉換。本設計采用MAX232完成TTL電平與RS232接口電平之間的轉換。

充電和放電控制電路

　　單片機收到上位機的充、放電控制命令后，通過SPI口將控制信號發送給TLV5638。TLV5638將收到的數字信號轉換成模擬信號，并送入信號調整電路。模擬控制信號經調整后送入充電或放電電源的PI控制器，對充電和放電電流進行控制。單片機通過CD4053選擇控制信號的輸出通道，使該控制器可同時對2塊蓄電池進行充電和放電。該部分電路原理圖如圖2所示。

D/A變換

　　本設計使用雙通道l2位電壓輸出型高速DA轉換器TLV5638完成數模轉換。設計中，將Mega16作為主機，通過SPI口直接與TLV5638的串行接口相連。因為Mega16的SPI口為4線串口，所以連接時單片機SPI口的PB6(MISO)懸空。

　　串行通信時，CS引腳出現下降沿時通信開始，數據在SCLK的下降沿逐位移入TLV5638的內部寄存器。最先移入的是數據的最高位。當16位數據全部移入或CS引腳變高時，TLV5638移位寄存器中的數據被存入相應的鎖存器，鎖存器的選擇由數據中的控制字確定。因此，當Mega16需要向TLV5638發送數據時，PB7先從高電平跳到低電平，然后通過SPI口連續進行兩次寫操作，向TLV5638發送個字節數據。兩次寫操作完成后，在SCLK的第16個上升沿，相應鎖存器的內容自動更新。

　　應用中，TLV5638工作于慢速正常模式，采用2.048V內部參考電壓。更新TLV5638某一路DAC數據時，必須保證另外一路數據不變。

　　Mega16的SPI口可采用4種不同的數據傳輸格式工作，傳輸格式由SPI控制寄存器中的CPOL位和CPHA位控制。應用中，考慮到TLV5638的使用要求，令CPHA=0，CPOL=1(傳輸開始時采樣SCK下降沿，結束時采樣SCK上升沿)。


圖2 D/A變換與通道選擇

信號通道選擇

　　Mega16通過PD4和PD5以及外圍邏輯電路控制信號的輸出通道。邏輯電路包括1片7404和2片CD4053。以TLV5638的OUTA輸出信號為例。模擬控制信號從TLV5638輸出，經濾波后送入CD4053的X通道和Y通道。單片機PD4一方面直接與CD4053控制端A相連，另外還通過反相器7404與CD4053控制端B相連。這樣就保證A端和B端的控制信號反相，使任意時刻X、Y通道中只有一個可以輸出有效控制信號，從而保證該路充電和放電不發生沖突。應用中沒有使用CD4053的Z通道，應將其與控制端C及使能端一起接地。

繼電器驅動電路

　　放電后期，需要將電池中的剩余容量完全放出，最終使單體電池電壓下降到0V。設計中，利用繼電器將放電電阻并聯于單體電池兩極，從而達到釋放電池剩余容量的目的。繼電器由8D鎖存器74LS573和達林頓管陣列ULN2801驅動。單片機PA0～PA7輸出控制信號，PD2、3、7和PC6、7輸出5片74LS573所需的鎖存使能信號。控制信號由74LS573鎖存，然后通過ULN2801驅動繼電器工作，將放電電阻并聯在單格電池兩端，從而完成單格電池剩余容量放電。繼電器驅動電路原理圖如圖3所示。圖中只包含1片74LS573，其它4片控制方法類似。


圖3 繼電器驅動電路原理圖

軟件設計

　　軟件采用主從結構。單片機收到上位機指令后，根據通信協議提取出命令字和數據，然后根據命令字完成相應的控制。軟件基于模塊化設計思想，主要包括：主程序模塊，通信程序模塊，D/A轉換與通道選擇模塊，繼電器組控制模塊等。

主程序模塊

　　主程序模塊完成單片機初始化，等待并處理中斷等工作，流程圖如圖4(a)所示。


圖4程序流程圖

通信程序模塊

　　單片機與上位機間采用RS232串口通信。單片機采用中斷方式接收上位機發出的命令，并根據接收到的數據內容向上位機發送應答信息。當命令的起始標志和結束標志都正確時，單片機向上位機發送ASCII字符‘Y’表示接收成功，然后處理收到的命令；否則，向上位機發送ASCII字符‘N’，表示發送不成功，要求上位機重新發送命令。

　　上位機向單片機發送的命令符合以下格式：命令以幀為單位，每幀包含7個字節。每幀包含的命令字規定了單片機的控制方式。每幀中的數據字則以ASCII碼的形式確定了充、放電電流的大小和繼電器的代號。通信模塊流程圖如圖4(b)所示。

　　當上位機需要控制充、放電電流時，單片機采用查詢方式，通過SPI口向TLV5638發送命令和數據，然后通過控制CD4053確定模擬控制信號輸出通道。因為Mega16L的SPI口字寬為8位，因此必須連續進行兩次寫操作才能完成對TLV5638的編程。

　　單片機收到上位機命令后，先將數據寫到PA口，然后向相應鎖存使能位寫‘0’，將數據鎖存入74LS573中，完成對繼電器的控制。

結語

　　本文提出了一種基于Mega16L的蓄電池充放電控制器。該控制器利用串口RS232接受上位機發送的控制指令，然后根據控制指令完成對蓄電池充電電流、放電電流以及放電電阻接入的控制。該控制器部分實現了電池充、放電電源的數字化控制。該系統已應用于539CH-1型Ni-Cd電池的充放電設備中，性能良好。

參考資料：
1. Nickel-Cadmium Aircraft batteries operating and maintenance manual. SAFT. 2002.08
2. Datasheet of Atmega16, Atmel, 2003.12
3. TLV5638 2.7-V to 5.5-V low-power dual 12-bit digital-to-analog converter with internal reference and power down, Texas Instruments Incorporated, 2000
4. 沈文、Eagle lee、詹前衛，AVR單片機C語言開發入門指導，清華大學出版社，2003.2-3
5. 張軍，AVR單片機應用系統開發典型實例，中國電力出版社，2005.8