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摘 要：本文主要对以MC68HC908SR12单片机为核心的智能充电器原理和功能进行了介绍，向我们展示了一款高性能的智能充电器。
关键词：单片机 A/D转换 I2C总线 传感器 电磁干扰
一、概述
1、功能特性
·以MC68HC 908SR12芯片为控制核心：
·根据二次电池的充电特性，能自动识别镍镉电池、镍氢电池和锂离子电池，自动选择相应的算法和控制模块对其快速充电；
·采用最高温度、Tmax最高端电压Vmax、电压负增长－△V、最长充电时间t ma x、温度变化率△T/△t、电压负增长－△V等充电终止法：
·能对1－4节的镍镉电池，镍氢电池单独或同时充电；
·能对1－2节的锂离子电池单独或同时充电；
·较高的充电速率，每O.1Ah的充电时间小于10min，
·对镍镉电池，镍氢电池等有记忆效应的电池采用脉冲充电模式，以减小记忆效应；
·对锂离子电池采用恒流转恒压的充电模式：
·采用集成度较高的I2C接口的数字温度传感器LM92，实时检测电池温度；
·设有三保护措施：过充电保护，过放电保护和过电流保护：
·设有电池保护装置，杜绝短路、开路和反接。
·当快速充电结束后自动转入涓流充电模式。
2、系统
其核心是一块MC68HC908SR1芯片，主要电路有电源电路、恒流恒压电路、温度检测电路、键盘电路及显示四部分电路。
二、硬件设计
1、电源电路
充电器的供电设备使用开关电源。
开关电源采用脉冲调制方式PWM和MOSFET、BTS、IGBT等电子器件进行设计。该电源具有调压、限流、过热保护等功能。同线性电源相比其输入电压范围宽、体积小、重量轻、效率高。但其缺点是有脉冲扰动干扰，设计电路板时采用同主控板隔离和添加屏蔽罩等措施，来抑制干扰。
2、恒流恒压电路
智能充电器的关键部分是恒流恒压电路。该电路由SR12单片机片内模拟电路模块和片外的、滤波电感、滤波电容、MOSFET开关管、肖特基二极管等器件组成。模拟电路模块是SR12的特有部件，它由输入多路开关、两组可程控放大器、片内温度传感器、电流检测电路等组成。可程控放大器总放大倍数为1－256。放大器的输入可选择为两路模拟输入脚(ATDO、ATD1)、片内温度传感器、模拟地输入(V SSAM)。ATDO和V SSAM间可接一个电流检测电阻，用于测量外部电流，它还连接至电流检测电路，可在电流超过指定值时产生中断并输出信号。
在充电开始前的预处理阶段，根据不同的电池，软件自动匹配充电算法，将通道选择控制字写入SR12单片机的AMCR寄存器中，将两级可程控运算放大器的增益值写入AMGCR寄存器中。充电开始后，软件定时采集采样电阻Rsense上的电压值，经过计算，设置SR12单片机PWM的输出参数。同时，电流检测电路实时检测充电电流，在电流超过指定值时产生中断并将 SR12单片机PTCO/PWMO/CD端口置为低电平，及时关断充电电流，实现恒流恒压的充电控制。
3、温度检测电路
本设计选用集成电路温度传感器LM92检测电池温度。同时，利用SR12 单片机的内部温度传感器概略监测环境温度，其测温范围-20℃－70℃。LM92是美国国家半导体公司出品的单片高精度数字温度传感器。其内部的12位温度模数转换器，可将被感应温度的模拟量转换为0.0625℃量化间隔的数字量，常温下精度可达±0.33℃，并可与用户设置的温度点进行比较。其片内寄存器可以设置高/低的温度窗口门限及临界温度告警门限，当温度偏离设置门限时，漏级开路中断INT及临界温度告警T_CRIT_A输出有效信号。通过I2C总线接口可对该传感器的内部寄存器进行读/写操作，最多可允许4片LM92挂接在同一条串行总线上。
MC68HC908SR12单片机具有I2C接口控制模块，使用通道0(SDAO和SCLO)，可十分方便地同温度传感器LM92连接。LM92采用I2C串行总线和数据传输协议实现同MC68HCg08SR12单片机的数据传输。在数据传输的过程中LM92为从器件，通过数据输入、输出线SDA以及时钟信号线SCL与总线相连。当SCL保持高电平时，SDA从高电平到低电平的跳变作为数据传输的开始信号，随后传送LM92的地址信息和读/写控制位。
4、键盘响应电路
设计键盘响应电路时，使用MC68HC908CR12单片机PORTD《PTD6和PTD7)端口的键盘中断功能(KBI)。根据实际情况，在MC68HC908SR12单片机的键盘中断使能寄存器KBIER中写入相应的值，写入“1”表示中断允许，写入“O”表示不能中断。键盘中断允许的端口，MC68HC908SR12单片机将对其内部上拉30kΩ的电阻，这样键盘响应电路的设计十分简洁，要注意的是应用软件中要增加键盘消抖动子程序，防止误操作。
5、状态显示电路
同样，状态显示电路的设计使用了MC68HC908SR12单片机PORT A(PTAO-PTA5)端口的LED直接驱动功能。编程时首先设置PORT A的工作状态，在LED控制寄存器LEDA中写入相应的值，写入“1”表示可直接驱动LED，写入“0”表示作为标准I/O端口。在充电的每个阶段均有状态显示。
3、软件设计
本智能快速充电器的软件设计思想是：各个功能组件实现模块化编程，软件流程采用中断工作方式。目的是使应用软件流程清晰，可读性强，易于功能调试以及产品的维护和升级。
本软件主要由初始化、预处理、快速充电和 涓流充电四个部分组成。
1．预处理
预处理阶段是进入快速充电前的准备工作。
程序初始化后，首先利用MC68HC 908SR12单片机的内部温度传感器检测环境温度。环境温度过低或过高时，均不能够对电池进行充电，否则将损伤电池。例如：锂离子电池( Li+ )的适宜充电温度范围在2.5℃～50℃之间。
然后，设置A/D转换参数和通道，检测电池的端电压。将检测数据同理论经验值比较，判断电池的类别以及是否连接正确。
2．快速充电
按预定的充电控制模块和算法设置MC68HC908CR12单片机PWM的控制寄存器PWMCR、时钟寄存器PWMCCR以及数据寄存器PWMDRO-PWMDR2，打开中断使能位，开始快速充电。
快速充电时，MC68HC908SR12单片机必须不断检测以下几项关键技术指标：电路是否出现断路、电池是否出现不均衡现象、电池是否达到规定的安全电压、电池是否温度过高、电池是否满足-△或△T/△t条件。
电池的端电压检测使用MC68HC908SR12单片机的片上10位高精度A/D模块，采用中断控制方式，这样可节省MC68HC908SR12单片机在A/D转换期间的等待时间。端电压检测的数据，通过充电算法计算电池的电压负增长-△V是否满足快速充电终止条件，时实修改C68HC908SR12单片机PWM的输出参数，控制充电电流的大小。
电池的温度检测在端电压检测之后进行。MC68HC908SR12单片机通过设置不同的地址编码(A1AO)，访问相应的数字温度传感器LM92，读取温度数据，通过充电算法计算电池的温度变化率△T/△t是否满足快速充电终止条件，时实修改单片机PWM的输出参数，控制充电电流的大小。
为了防止电池被冲坏，在电池电压到达最高端电压Vmax或最高温度Tmax时应立刻停止充电，否则会损坏电池。
3．涓流充电
快速充电结束后，MC68HC908SR12单片机自动转入涓流充电模式，补偿电池因自放电而损失的电量，这样可使电池总处于充足电的状态。
结语
经过设计和调试，以MC68HC908SR12单片机为控制核心的智能快速充电器已能正常工作。由于SR12具有良好的性能价格比，将其特有的模拟电路模块、高精度A/D转换、I2C总线接口以及高速PWM等功能运用到充电控制中，有效使用了SR12的片内外功能，增加产品的智能化和实用性，节省了产品的开发时间和费用，降低了生产成本，同时也提高了产品的一致性和可靠性。
作者单位 浙江工大学
关键词：单片机 A/D转换 I2C总线 传感器 电磁干扰
一、概述
1、功能特性
·以MC68HC 908SR12芯片为控制核心：
·根据二次电池的充电特性，能自动识别镍镉电池、镍氢电池和锂离子电池，自动选择相应的算法和控制模块对其快速充电；
·采用最高温度、Tmax最高端电压Vmax、电压负增长－△V、最长充电时间t ma x、温度变化率△T/△t、电压负增长－△V等充电终止法：
·能对1－4节的镍镉电池，镍氢电池单独或同时充电；
·能对1－2节的锂离子电池单独或同时充电；
·较高的充电速率，每O.1Ah的充电时间小于10min，
·对镍镉电池，镍氢电池等有记忆效应的电池采用脉冲充电模式，以减小记忆效应；
·对锂离子电池采用恒流转恒压的充电模式：
·采用集成度较高的I2C接口的数字温度传感器LM92，实时检测电池温度；
·设有三保护措施：过充电保护，过放电保护和过电流保护：
·设有电池保护装置，杜绝短路、开路和反接。
·当快速充电结束后自动转入涓流充电模式。
2、系统
其核心是一块MC68HC908SR1芯片，主要电路有电源电路、恒流恒压电路、温度检测电路、键盘电路及显示四部分电路。
二、硬件设计
1、电源电路
充电器的供电设备使用开关电源。
开关电源采用脉冲调制方式PWM和MOSFET、BTS、IGBT等电子器件进行设计。该电源具有调压、限流、过热保护等功能。同线性电源相比其输入电压范围宽、体积小、重量轻、效率高。但其缺点是有脉冲扰动干扰，设计电路板时采用同主控板隔离和添加屏蔽罩等措施，来抑制干扰。
2、恒流恒压电路
智能充电器的关键部分是恒流恒压电路。该电路由SR12单片机片内模拟电路模块和片外的、滤波电感、滤波电容、MOSFET开关管、肖特基二极管等器件组成。模拟电路模块是SR12的特有部件，它由输入多路开关、两组可程控放大器、片内温度传感器、电流检测电路等组成。可程控放大器总放大倍数为1－256。放大器的输入可选择为两路模拟输入脚(ATDO、ATD1)、片内温度传感器、模拟地输入(V SSAM)。ATDO和V SSAM间可接一个电流检测电阻，用于测量外部电流，它还连接至电流检测电路，可在电流超过指定值时产生中断并输出信号。
在充电开始前的预处理阶段，根据不同的电池，软件自动匹配充电算法，将通道选择控制字写入SR12单片机的AMCR寄存器中，将两级可程控运算放大器的增益值写入AMGCR寄存器中。充电开始后，软件定时采集采样电阻Rsense上的电压值，经过计算，设置SR12单片机PWM的输出参数。同时，电流检测电路实时检测充电电流，在电流超过指定值时产生中断并将 SR12单片机PTCO/PWMO/CD端口置为低电平，及时关断充电电流，实现恒流恒压的充电控制。
3、温度检测电路
本设计选用集成电路温度传感器LM92检测电池温度。同时，利用SR12 单片机的内部温度传感器概略监测环境温度，其测温范围-20℃－70℃。LM92是美国国家半导体公司出品的单片高精度数字温度传感器。其内部的12位温度模数转换器，可将被感应温度的模拟量转换为0.0625℃量化间隔的数字量，常温下精度可达±0.33℃，并可与用户设置的温度点进行比较。其片内寄存器可以设置高/低的温度窗口门限及临界温度告警门限，当温度偏离设置门限时，漏级开路中断INT及临界温度告警T_CRIT_A输出有效信号。通过I2C总线接口可对该传感器的内部寄存器进行读/写操作，最多可允许4片LM92挂接在同一条串行总线上。
MC68HC908SR12单片机具有I2C接口控制模块，使用通道0(SDAO和SCLO)，可十分方便地同温度传感器LM92连接。LM92采用I2C串行总线和数据传输协议实现同MC68HCg08SR12单片机的数据传输。在数据传输的过程中LM92为从器件，通过数据输入、输出线SDA以及时钟信号线SCL与总线相连。当SCL保持高电平时，SDA从高电平到低电平的跳变作为数据传输的开始信号，随后传送LM92的地址信息和读/写控制位。
4、键盘响应电路
设计键盘响应电路时，使用MC68HC908CR12单片机PORTD《PTD6和PTD7)端口的键盘中断功能(KBI)。根据实际情况，在MC68HC908SR12单片机的键盘中断使能寄存器KBIER中写入相应的值，写入“1”表示中断允许，写入“O”表示不能中断。键盘中断允许的端口，MC68HC908SR12单片机将对其内部上拉30kΩ的电阻，这样键盘响应电路的设计十分简洁，要注意的是应用软件中要增加键盘消抖动子程序，防止误操作。
5、状态显示电路
同样，状态显示电路的设计使用了MC68HC908SR12单片机PORT A(PTAO-PTA5)端口的LED直接驱动功能。编程时首先设置PORT A的工作状态，在LED控制寄存器LEDA中写入相应的值，写入“1”表示可直接驱动LED，写入“0”表示作为标准I/O端口。在充电的每个阶段均有状态显示。
3、软件设计
本智能快速充电器的软件设计思想是：各个功能组件实现模块化编程，软件流程采用中断工作方式。目的是使应用软件流程清晰，可读性强，易于功能调试以及产品的维护和升级。
本软件主要由初始化、预处理、快速充电和 涓流充电四个部分组成。
1．预处理
预处理阶段是进入快速充电前的准备工作。
程序初始化后，首先利用MC68HC 908SR12单片机的内部温度传感器检测环境温度。环境温度过低或过高时，均不能够对电池进行充电，否则将损伤电池。例如：锂离子电池( Li+ )的适宜充电温度范围在2.5℃～50℃之间。
然后，设置A/D转换参数和通道，检测电池的端电压。将检测数据同理论经验值比较，判断电池的类别以及是否连接正确。
2．快速充电
按预定的充电控制模块和算法设置MC68HC908CR12单片机PWM的控制寄存器PWMCR、时钟寄存器PWMCCR以及数据寄存器PWMDRO-PWMDR2，打开中断使能位，开始快速充电。
快速充电时，MC68HC908SR12单片机必须不断检测以下几项关键技术指标：电路是否出现断路、电池是否出现不均衡现象、电池是否达到规定的安全电压、电池是否温度过高、电池是否满足-△或△T/△t条件。
电池的端电压检测使用MC68HC908SR12单片机的片上10位高精度A/D模块，采用中断控制方式，这样可节省MC68HC908SR12单片机在A/D转换期间的等待时间。端电压检测的数据，通过充电算法计算电池的电压负增长-△V是否满足快速充电终止条件，时实修改C68HC908SR12单片机PWM的输出参数，控制充电电流的大小。
电池的温度检测在端电压检测之后进行。MC68HC908SR12单片机通过设置不同的地址编码(A1AO)，访问相应的数字温度传感器LM92，读取温度数据，通过充电算法计算电池的温度变化率△T/△t是否满足快速充电终止条件，时实修改单片机PWM的输出参数，控制充电电流的大小。
为了防止电池被冲坏，在电池电压到达最高端电压Vmax或最高温度Tmax时应立刻停止充电，否则会损坏电池。
3．涓流充电
快速充电结束后，MC68HC908SR12单片机自动转入涓流充电模式，补偿电池因自放电而损失的电量，这样可使电池总处于充足电的状态。
结语
经过设计和调试，以MC68HC908SR12单片机为控制核心的智能快速充电器已能正常工作。由于SR12具有良好的性能价格比，将其特有的模拟电路模块、高精度A/D转换、I2C总线接口以及高速PWM等功能运用到充电控制中，有效使用了SR12的片内外功能，增加产品的智能化和实用性，节省了产品的开发时间和费用，降低了生产成本，同时也提高了产品的一致性和可靠性。
作者单位 浙江工大学