Li ion аккумулятор atmega

Самодельное зарядное устройство li-ion аккумуляторов на базе МК ATMega328

Анализируется возможность построения схемы зарядки литий-ионных аккумуляторов на базе МК ATMega328 и популярного программного обеспечения ARDUINO версии 1.8.5.

В интернете, в свободном доступе, размещена статья Рыкованова А., Беляева С. «Зарядные устройства для портативных литий-ионных аккумуляторных батарей», где рассмотрена методология построения зарядных устройств, без рассмотрения принципиальных схем. В данной статье сделана попытка разработки и изготовления одной из множества вероятных схем на основе радиолюбительской технологии «Сделай сам».

За основу взяты два графика, размещённых в плоскости Рис.3, заряда одиночного литий-ионного аккумулятора приводимого в указанной статье. График I – интерпретирует ток заряда аккумулятора, график U – напряжение на аккумуляторе.

Первоначальный заряд малым током (этап 1’) используется для обеспечения безопасности аккумулятора (АК) при заряде. Если внутри АК произошло короткое замыкание (КЗ), то по истечении некоторого времени заряда напряжение на нем не будет возрастать. Этот факт может свидетельствовать о неисправности. Если начать заряд достаточно большим током сразу, то при КЗ может произойти сильный разогрев аккумулятора и его разгерметизация. Необходимо отметить, что данный этап часто исключают из цикла заряда батареи, начиная заряд сразу с этапа1.

На этапе 1 заряд осуществляется номинальным током, который измеряется в долях от номинальной емкости (Сh) АК. Например, емкость АК 1000мАч, ток заряда 0,1Сн, то есть 100 мА обеспечивается 10-и часовым режимом заряда. Чтобы заряд осуществлялся быстрее, например в течение 2 ч, что соответствует 0,5 Сн (500мА). Такой режим заряда называеся ускоренным. Для нормальной работы АК номинальный ток заряда лежит в пределах от 0,1 СН (100мА) до 2,8 Сн,т.е. 280 мА. Т.е. на этапе 1’ и 1 зарядное устройство (ЗУ) работает как стабилизатор тока, при этом напряжение на АК линейно возрастает.

На этапе 2 поддерживается постоянное напряжение близкое к напряжению полного заряда, при этом ток снижается по экспоненте практически до нуля.
Привязываем указанные этапы к Li-ion аккумуляторам с номинальным напряжением в 3,7 В, см.рис.2:

Рис.2. Li-ion аккумуляторы.

Этап 1’ – напряжение на АК АК > 3 В ток заряда 100 мА

Этап 2 – напряжение на АК 4,2В => АК > 3 В ток в пределах 150-200 мА.

На всех этапах, напряжение подаваемое на АК постоянное, порядка 8В, через ограничивающий 2-х ваттный резистор R21 в 20 Ом. При достижении напряжения на АК 4,2 В, напряжение обнуляется путём подачи нулевого кода в порт D, см.Рис.4.

На Рис.3 представлена структурная схема ЗУ. Цифроаналоговый преобразователь (ЦАП) фиксирует код от микроконтроллера (МК) в виде аналогового напряжения от 0 до 8 вольт с дискретностью 8/255=

30 мВ и через гасящий резистор R подаётся напряжение на АК. Ток контролируется и регулируется через измерение падения напряжения на R (АЦП2-АЦП1)/R. Напряжение на АК контролируется АЦП2.

Рис.3. Структурная схема ЗУ.

Рис.4. Принципиальная схема ЗУ.

Для управления ЗУ был выбран ATMega328 в виду относительной лёгкости написания и отладки программы на языке Arduino. ATMega328 имеет встроенный загрузчик, что позволяет комфортно производить отладку на персональном компьютере в среде Windows7 с использованием виртуального COM-порта. Порт D МК полностью задействован на управление 8-и разрядным параллельным ЦАП состоящим из 16-ти SMD-резисторов (R1÷R16) по 22 и 11 кОм соответственно. МК работает на частоте 16 мГц что обеспечивается кварцевым резонатором и соответствующей прошивкой фьюзов МК.

Для контроля и измерения напряжения и тока на АК служат два аналоговых канала А0 и А1. Непрерывно измеряемая информация поступает в МК для обработки и выдаётся на OLED-дисплей, управляемый по протоколу программной шины I2C сигналами SDA и SCK. Вывод информации на OLED производится на основе библиотеки iarduino_OLED_txt.h, см.Приложение1. Для выдачи звуковых сигналов служит мини-динамик управляемый каналом МК PB2. Для формирования звука использовалась функция языка Arduino tone(), см. на сайте arduino «Программирование Ардуино».

Напряжение ЦАП формируется кодом D0÷D7 и не может превышать на выходе цепи R-2R 5-и вольт. ( R1÷R18, операционный усилитель (ОУ) MCP602 вход 3,выход 1, см.рис.4). Для создания эффективного тока для ЗУ на всех этапах требуется напряжение превышающее 5 В. Имеющийся в наличии ОУ MCP602 имеет следующие характеристики:

• Рабочее напряжение питания от 2,7В до 5,5В
• Амплитуда выходного сигнала до напряжения питания
• Допускается входной сигнал с амплитудой ниже нуля
• Полоса частот до 2,8МГц
• Низкое энергопотребление Idd=325мкА
• Рабочий температурный диапазон от -40 до +85гр.С
• Два операционных усилителя в одном корпусе

Прекрасная микросхема, но на нет сводит всю работу. Нужен усилитель до 10 вольт. Что я теряю, если запитаю её на 10 вольт? Максимум она сгорит, а мне придётся искать однополярное ОУ на 10 вольт. Сказано, сделано. После того, как ЗУ надёжно проработало с данным ОУ целый месяц, стало понятно что рабочее напряжение микросхемы занижено. Повышение питания не сказалось на линейности выдаваемого напряжения на усилитель мощности на Т1 и Т2.

Cхема усилителя на MCP602 представлена 2-мя каскадами. Первый каскад неинвертирующий усилитель, ножки 1,2,3 с коэффициентом усиления равным (R17+R18)/R17=3.(См. В.С.Гутников «Применение операционных усилителей в измерительной технике», стр.29).

Второй каскад, ножки 5,6,7 – прецезионный повторитель с относительно мощным выходом способным работать на повторитель на транзисторах Т1, Т2 не загружая предварительный усилитель.

Силовая часть ЗУ состоящая из Т1, Т2, D1, R21 через разъёмы типа «мама/папа» формирует напряжение на АК. Напряжение на АК в точке А1 контролируется АЦП(А1) МК, канал PC1/ADC1, контакт 24 МК. Для измерения тока служит цепочка из R19 и R20, по 22кОм и 11кОм соответственно. Используя закон Ома для участка цепи:

1. Измеряется напряжение в точке соединения R19 и R20 АЦП(А0), канал PC0/ADC0, контакт 23 МК.
2. Вычисляется ток на участке цепи R20 как АЦП(А0)/R20.
3. Вычисляется напряжение в узле цепи D1 и R21 как (АЦП(А0)/R20)*( R19 + R20).
4. Вычисляется ток подаваемый в АК как ((АЦП(А0)/R20)*( R19 + R20))/R21.

Почему так вычисляется ток на АК? Это связано с тем что 5-и вольтовое АЦП МК не сможет измерять напряжение свыше 5-и вольт. Поэтому стоит делитель R19 и R20 на канале А0. АЦП меряет часть напряжения и программа путём расчётов вычисляет требуемые значения тока и напряжения.
Узел питания для МК и OLED выполнен на регулируемом стабилитроне ТL431, транзисторе КТ815Б и потенциометре R24 на 10 кОм. На Рис.5 ЗУ в стадиях разработки и испытаний.

Рис.5. Настройка ЗУ.

Левая часть рис.5 – отладка и испытания макета с использованием отладочного комплекса Arduino Uno с выводом результатов испытаний на дисплей ПК, справа — наработка на надёжность готового ЗУ с выводом результатов испытаний на дисплей OLED, рис.6.

Рис.6. Внешний вид платы ЗУ.

Укрупнённое фото ЗУ в момент зарядки АК. Зарядка идёт через разъём OUT помеченного белой изолентой. OLED-дисплей фиксирует момент зарядки 2-го этапа, т.е. когда напряжение на АК равно 4,153В, что меньше 4,2В и больше 4В. При этом порт D выдаёт максимальный код равный 255 и ток зарядки равный 194 мА. При этом резистор зелёного цвета в 20 Ом гасит избыточное напряжение для АК. При окончании зарядки, т.е. когда напряжение на АК превысит 4,2 В, программа формирует малый ток (поддержка 4.2 В), при этом динамик выдаёт октаву октаву звукового ряда до,ре,ми, фа,соля,си и т.д. до отсоединения АК от ЗУ.

Рис.7. Обратная сторона готовой платы ЗУ.

17-06-20.ino – скетч (программа) под Arduino
17-06-20.ino.standard.hex – прошивка скетча для программирования флэш-памяти МК любым программатором для МК фирмы Atmel.
17-06-20.ino.with_bootloader.standard.hex – загрузчик, при использовании Arduino Uno (Nano) встроен в память МК и через COM-порт загружает скетч пользователя

Инструменты при разработке ЗУ:

1. Сервисное ПО для разработки и отладки, Arduino версия 1.8.5.
2. sPlain 7.0, графический редактор – вычерчивание принципиальной схемы.
3. Sprint Layout 6.0 — вычерчивание печатной платы (ПП) и экспорт ПП в предварительные текстовые форматы фрезеровки и сверловки для фрезерного станка.
4. CNC_Converter_v1.72.exe — конвертер экспорта ПП в текстовые форматы для фрезерного станка.
5. Указанные программы находятся в свободном доступе в Интернете.
6. Фрезерный станок СНС-3 Луганского завода малого машиностроения – изготовление ПП.

Выводы:

1. ЗУ уверенно распознаёт диапазон в котором оно будет работать, с выдачей и контролем тока и напряжения для данного диапазона.
2. Если диапазон этапа 1’, ЗУ с задержкой в 1 сек каждого кода порта D, наращивает ток до 50 мА и заряжает АКБ данным током до 3В, т.е. в первую секунду формируется код 01, во вторую секунду 02 и т.д., контролируя ток до 50мА, после чего наращивание тока прекращается. По мере зарядки АК напряжение на нём растёт и ток падает ниже 50мА, ЗУ распознаёт уменьшение и наращивает ток до 50мА и т.д. до 3-х вольт.
3. Переходя в диапазон этапа 1, ЗУ наращивает ток до 100 мА и заряжает АК данным током до 4В.
4. Переходя в диапазон этапа 2, ЗУ наращивает ток до 150÷200 мА и заряжает АК данным током до 4,2 В. При достижении 4,2 В, ЗУ малым током поддерживает АК с выдачей звукового сигнала.
5. Для любопытного читателя отсылаем к статье, в свободном доступе, по применению используемого ЦАП — «Параллельный Цифро Аналоговый Преобразователь по схеме R-2R»

Автор: Владимир Шишмаков, Кузнецовск (Вараш), июнь 2020 г.

Источник

AVR146: Зарядка литий-ионных аккумуляторов через USB с помощью Atmega16/32U4

• полностью функционирующая разработка для зарядки литий-ионных аккумуляторов;
• высокоточное измерение с помощью 10-битного АЦП;
• модульный исходный код на Си;
• легко регулируемые параметры аккумуляторов и зарядки;
• аналоговые входы для считывания идентификатора аккумулятора и температуры;
• USB CDC пользовательский интерфейс.

1. Введение

Эти «рекомендации» предназначены для Atmega16/32U4 и их цель — объяснить как использовать оценочную плату EVK527 для зарядки литий-ионных аккумуляторов используя соединение USB как источник питания.

USB CDC класс предлагает простой интерфейс для отображения параметров зарядки.

Эти «рекомендации» происходят от AVR458: зарядка литий-ионных аккумуляторов с ATAVRBC100.

Программное обеспечение полностью написано на Си (использовалось IAR®Systems Embedded Workbench) и его легко портировать на другие AVR® микроконтроллеры.

2. Описание

Этот документ описывает приложение, работающее на оценочном наборе EVK527. EVK527 разработан для Atmega16/32U4.

USB обеспечивает 5 вольтовое питание на выводе VBUS. Доступный диапазон токов: от 100 мА до 500 мА. Этого достаточно для зарядки элемента литий-ионных аккумуляторов.

Литий-ионные аккумуляторы требуют точного контроля над током и напряжением во время зарядки.

Atmega16/32U4 имеет full speed USB интерфейс, ШИМ-каналы и каналы 10-битного АЦП. Все эти возможности используются для реализации зарядки литий-ионных аккумуляторов через USB.

Рисунок 2-1. Описание аппаратного обеспечения

Для обеспечения дружественного интерфейса пользователя все параметры зарядки (статус зарядки, напряжение на аккумуляторах, ток зарядки, температура аккумуляторов. ) отображаются на ПК без использования измерительных приборов.

После USB нумерации, появляется виртуальный com-порт (см. Рис. 1.2). В окне HyperTerminal, подключенного к этому порту, отображаются параметры зарядки. Т.к. Com-порт является виртуальным, настройки порта HyperTerminal (скорость, четность) не учитываются. Пользователь может выбрать конфигурацию по умолчанию.

Рисунок 2-2. Окно диспетчера устройств

2.1 Отображение параметров зарядки на ПК

Приложение обеспечивает постоянное обновление параметров, отображаемых на ПК. Если аккумуляторов не обнаружено или не идентифицировано, зарядка не начинается. Состояние зарядки доступно только на стадии зарядки постоянным напряжением. (см. Раздел 3.2.2).

Когда HyperTerminal запущен, пользователь должен нажать кнопку HWB для начала посылки информации в ПК.

Рисунок 2-3. Пользовательский интерфейс после обнаружения аккумулятора

3. Принцип работы

Зарядка аккумуляторов возможна благодаря обратимой химической реакции, которая восстанавливает энергию в химической системе. В зависимости от используемых химикатов аккумулятор будет иметь различные характеристики. Для того, чтобы не нанести серьезный вред аккумуляторам требуется подробное знание этих характеристик.

3.1 Технология литий-ионных аккумуляторов

У литий-ионных аккумуляторов лучшее соотношение энергия/вес и энергия/размер среди современных перезаряжаемых аккумуляторов. Сейчас это наиболее быстро растущие системы аккумуляторов на рынке, которые используются в таких приложениях, как ноутбуки, сотовые телефоны, портативные медиа плееры, КПК и медицинские устройства.

По сравнению с традиционными перезаряжаемыми аккумуляторами у литий-ионных нет внутреннего сопротивления, долгое время жизни, быстрое время зарядки, маленькая саморазрядка, низкая токсичность и нет требований по поддержке. Например, элементы литий-ионных аккумуляторов с кобальтовыми катодами обеспечивают в два раза большей энергией, чем никелиевые аккумуляторы и в четыре раза больше энергии, чем свинцово-кислотная батарея. Литий-ионные аккумуляторы практически не требуют ухода — преимущество, которым не могут похвастаться другие химические аккумуляторы. У литий-ионных аккумуляторов нет эффекта памяти и они не требуют плановой циклической работы для продления времени жизни. У литий-ионных аккумуляторов низкий саморазряд и они безопасны для окружающей среды. Причиняют минимальный вред после окончания использования.

К недостаткам литий-ионновых аккумуляторов относятся низкий перезаряд и необходимость встроенной защитной цепочки. Электрическое короткое замыкание может привести к протеканию большого тока, при этом увеличится температура и термическое отклонение, при котором опасные газы выходят наружу.

При соблюдении определенных предосторожностей при зарядке и разрядке литий-ионные аккумуляторы безопасны. Производители аккумуляторов дополнительно обеспечивают высокий уровень надежности с помощью трех уровней защиты таких, как:

• количество активного материала ограничено достижением работоспособного соотношения между плотностью энергии и безопасностью;
• в каждом элементе аккумулятора содержатся различные механизмы защиты;
• внутри аккумулятора содержится электрическая защитная цепочка.

Устройства защиты элементов аккумуляторов работают следующим образом:

• устройство с ПТК/ОТК (положительный/отрицательный температурный коэффициент) работает как защита от высоких скачков тока.
• УПЦ (устройство прерывания цепи) разрывает электрическую цепь, если слишком высокое напряжение зарядки повышает давление внутри аккумулятора.
• Специальное отверстие позволяет управлять выпуском газа при резком возрастании давления внутри аккумулятора.

Электрическая защитная цепочка работает следующим образом:

• твердотельный переключатель открывается, если высокое напряжение зарядки в каком-либо элементе аккумулятора превышает заданный уровень.
• Перемычка останавливает протекание тока, если температура элемента приближается к 90°C (194°F).
• токовая цепь разрывается, когда напряжение элемента падает ниже заданного уровня. Это сделано, чтобы предотвратить глубокий разряд аккумулятора.

Сегодня литий-ионные аккумуляторы являются одними из самых успешных и безопасных среди других химических аккумуляторов, они производятся с миллионами элементов каждый год.

3.2 Зарядка литий-ионных аккумуляторов

Существует только один способ зарядки литий-ионных аккумуляторов. У производителей литий-ионных аккумуляторов есть очень строгие нормативы по процессу зарядки и литий-ионные аккумуляторы должны заряжаться при условиях, указанных производителем.

Литий-ионные аккумуляторы заряжаются постоянным напряжением (после достижения напряжением номинального значения) с ограничением по току, чтобы избежать перегрева в начальной стадии зарядки. Зарядка заканчивается, когда ток зарядки падает ниже уровня, заданного производителем. При зарядке осуществляется мониторинг нескольких параметров: времени зарядки и температуры аккумулятора. Аккумулятор повреждается при перезарядке и может взорваться, если его перезарядить.

Статическое электричество или неисправное устройство зарядки могут повредить защитную цепь аккумулятора и перевести твердотельные переключатели в постоянное положение «включено». Это может случиться без ведома пользователя. Аккумулятор с поврежденной защитной цепью может работать нормально, но не обеспечивает защиту от неправильного использования.

Литий-ионные аккумуляторы потребительского класса не могут заряжаться при температуре ниже 0°C (32°F). Если аккумуляторы заряжать при низкой температуре, то зарядка может происходить нормально, но химические реакции внутри элемента могут привести к долговременному дефекту и могут подвергнуть риску безопасность аккумулятора.

Аккумулятор становится более уязвимым к поломке, при ударе, разрушении или высокой скорости зарядки.

Аккумулятор должен оставаться прохладным. Аккумулятор, который нагревается во время зарядки, не должен использоваться.

3.2.2 Первоначальная зарядка и интервалы зарядки

В отличие от многих других типов перезаряжаемых аккумуляторов литий-ионные аккумуляторы не требуют специфической первоначальной зарядки. Первая зарядка литий-ионных аккумуляторов не отличается от 10-ой или 100-ой.

Литий-ионные аккумуляторы могут и должны заряжаться часто. Аккумуляторы дольше сохраняют работоспособность, если они частично разряжены, чем если они постоянно полностью разряжаются. Для предотвращения износа аккумуляторов нужно избегать полной разрядки.

Емкость аккумулятора уменьшается со временем в независимости от того, используется он или нет.

3.2.3 Стадии зарядки

Зарядка литий-ионных аккумуляторов состоит из трех этапов:

• Предварительная оценка тока: зарядка литий-ионных аккумуляторов начинается с проверки напряжения аккумулятора. Если напряжение ниже заданного уровня (PREQUAL_VOLTAGE), зарядка начинается небольшим фиксированным током.
• Постоянный ток. Зарядка продолжается путем приложения к аккумулятору постоянного тока. Величина тока зарядки зависит от аккумулятора и устанавливается производителем.
• Постоянное напряжение. После достижения заданного уровня напряжения устройство зарядки переключится с подачи постоянного тока на подачу постоянного напряжения. Эта стадия завершается, когда ток зарядки становится ниже заданного производителем уровня.

Нижеприведенный рисунок иллюстрирует напряжение и ток литий-ионного аккумулятора во время зарядки.

Рисунок 3-1. Стадии зарядки и ограничения VARTA™ EasyPack 550mAh

На вышеприведенном рисунке «перезарядка» — это уровень, при котором включается защитная цепь элемента и открывает твердотельный переключатель и останавливает протекание тока. После этого напряжение аккумулятора обычно должно упасть на несколько сотен милливольт прежде чем протекание тока возобновится. «Чрезмерная разрядка» —это уровень, при котором начинается протекание тока для предотвращения глубокой разрядки аккумулятора.

3.3 Аккумулятор VARTA™

3.3.1 Типичные характеристики зарядки

Параметры аккумуляторов всегда должны проверятся по документации производителя. Ниже приведена сводка типичных характеристик зарядки литий-ионных аккумуляторов. Реальные параметры могут отличаться.

Таблица 3-1. Типичные характеристики зарядки

Параметр	Типичное значение
Время зарядки	3 часа
Ток зарядки	1 C 1
Эффективность зарядки	99.9 %
Порог тока зарядки	0.03 C 1
Напряжение зарядки	4.20 В
Отклонение напряжения зарядки (на элемент)	± 0.05 В
Диапазон температур	0 . +45 °C
Диапазон влажности	65 ± 20 RH
1 C соответствует типичному значению номинальной емкости (см. Таблицу 3-2)

3.3.2 Типичные характеристики аккумуляторов

Ниже приведена сводная таблица данных производителей по используемым в этом приложении аккумуляторам. Другие типы аккумуляторов также могут использоваться, но, возможно, потребуется адаптация программного и/или аппаратного обеспечения.

Таблица 3-2. Данные производителя по литий-ионным аккумуляторам серии VARTA™ EasyPack

Параметр	EZPack S-3.7V	EZPack M-3.7V	EZPack L-3.7V	EZPack XL-3.7V	Единицы
Номинальная емкость (типичное значение)	550	750	1000	2000	мАч
Номинальное напряжение	3.70				В
Диапазон рабочих напряжений	2.75 . 4.20				В
Напряжение зарядки	4.20				В
Отклонение напряжения зарядки	50				мВ
Ток зарядки	520	720	955	955	мА
Время остановки зарядки	3	3	3	4	часы
Ток при прекращении зарядки	10	14	19	38	мА
RID 1 (идентификатор резистора)	3.9	6.8	10	24	kQ
ОТК	10				kQ
B-значение 2	3435				K
Напряжение перезарядки	4.35				В
Напряжение чрезмерной разрядки	2.20				В

1 RID: внутреннее сопротивление аккумулятора определяет емкость подключенного аккумулятора.

2 Значение B используется в формуле для расчета температуры.

3.3.3 Электрические выводы

В этом приложении используются литий-ионные аккумуляторы определенного типа и все представленные здесь конфигурации основаны на данных производителя. Другие литий-ионные аккумуляторы тоже могут использоваться, но пользователь должен посмотреть документацию производителя и убедиться, что необходимые изменения внесены в программное и аппаратное обеспечение.

Нижеприведенный рисунок показывает выводы аккумуляторов, используемых в этом приложении.

Рисунок 3-2. Выводы элемента VARTA™ EasyPack

Аккумулятор подключается к устройству зарядки следующим образом.

Таблица 3-3. Подключение аккумулятора к заряжающему устройству

Вывод аккумулятора	Вывод устройства зарядки	Примечания
— (minus)	BATTERY-
NTC	NTC/RID	Измерение температуры
ID	SCL	RID, резистор идентификации аккумулятора
+ (plus)	BATTERY+

3.4 Напряжение питания VBUS

Приложения, получающие питание от USB, делятся на три категории:

• Маломощная шина. Функции, получающие питание от маломощных шин, полностью питаются от VBUS и не должны потреблять более одной единицы тока нагрузки (100мА) согласно стандарту USB. Они также должны работать при напряжении VBUS от 4.40 В до 5.25 В.
• Высокомощная шина. Функции, получающие питание от высокомощных шин, полностью питаются от VBUS и не могут потреблять более 100мА до того, как устройство сконфигурировано. После конфигурирования, оно может потреблять до 5 единиц тока нагрузки (500мА) согласно запросу в дескрипторе. При полной нагрузке оно должно работать при напряжении VBUS от 4.75 В до 5.25 В.
• Собственное питание. Функции с собственным питанием могут потреблять до 100мА от VBUS, а остальное из другого источника.

Источником тока для питания EVK527 и для зарядки аккумуляторов является VBUS. EVK527 должна ограничивать ток зарядки, если это необходимо.

Простое решение — изменение параметра тока зарядки в таблице.

Например, для аккумулятора на 550мАч может использоваться ток зарядки 260мА. Изменение этого параметра на 90мА (например) позволяет подключать устройство зарядки к маломощной шине, т.к. Известно, что потребление EVK527 с кварцем на 8МГц составляет около 10мА. В этом случае ток предварительной оценки также должен быть не более 90мА

3.5 Версия EVK527

EVK527 версии 1.0.0 должна быть изменена следующим образом:

• между PF0 и PF1 должен быть включен шунтирующий резистор для использования дифференциального входа. PF0 должен заменить PD4 и SP6 должен быть «без припоя» (отличается от конфигурации по умолчанию).
• Выводы затвора и истока Q1A должны быть отключены.
• Новые значения R6 и R7 — 13кОм.
• Новое значение R3 — 1 Ом.

На схемах, показанных в разделе 6, эти изменения не показаны.

3.6 Вольтодобавочный преобразователь

Рисунок 3-3. Схема вольтодобавочного преобразователя

Вольтодобавочный преобразователь интегрирован на EVK527 с целью контроля напряжения аккумулятора и тока. Переключатель управляется высокоскоростным ШИМ-выходом.

3.6.1 Частота ШИМ

Скорость ШИМ запрограммирована на максимальное значение (64МГц). Источником тактирования является выход ФАПЧ (96МГц), используемый и ШИМ и USB.

Постделитель реализует деление сигнала ФАПЧ на 1.5: 96МГц/1.5=64МГц (см. PLLTM1 и PLLTM0 в регистре PLLFREQ).

Частота результирующего выходного сигнала ШИМ составляет 250кГц:

Где 256 — это размер в битах регистра сравнения OCR4A, используемого в таймере 4.

Рисунок 3-4. Выходной ШИМ-сигнал

Программное обеспечение управляет напряжением/током аккумулятора регулируя коэффициент заполнения ШИМ-сигнала. Если тон увеличивается, напряжение/ток аккумулятора прикладываются к большей нагрузке.

4. Программное обеспечение для устройства зарядки аккумуляторов

Планировщик реализован для постоянного выполнения определенных задач. Перед началом выполнения бесконечного цикла вызываются функции инициализации. Существует три задачи. Каждая задача вызывается после выполнения предыдущей (нет приоритетного прерывания обслуживания).

Рисунок 4-1. Планировщик

4.2 Список файлов

Программное обеспечение написано на Си с использованием IAR Systems Embedded Workbench®, версии 5.10. Так как программное обеспечение полностью написано на Си, не должно быть сложно портировать его на другие AVR Си-компиляторы. Из-за некоторых специфических особенностей компиляторов, тем не менее часть кода должна быть переписана.

В нижеприведенной таблице содержится список файлов проекта.

Таблица 4-1. Файлы проекта для приложения CDC (см. файл IAR EW workspace).

Файл	Тип	Примечания
cdc_task.c	Исходный код на Си	Функции CDC задачи и инициализации CDC
cdc_task.h	Заголовочный файл
main.c	Исходный код на Си	Основная программа / точка входа в программу
main.h	Заголовочный файл
power_drv.c	Исходный код на Си	Драйвер питания низкого уровня
power_drv.h	Заголовочный файл
scheduler.c	Исходный код на Си	Процедуры планировщика
scheduler.h	Заголовочный файл
start_boot.c	Исходный код на Си	Функции загрузки
start_boot.h	Заголовочный файл
time.c	Исходный код на Си	Функции тактирования
time.h	Заголовочный файл
cdc_task.c	Исходный код на Си	Функции CDC задачи и инициализации CDC
cdc_task.h	Заголовочный файл
main.c	Исходный код на Си	Основная программа / точка входа в программу
main.h	Заголовочный файл
uart_lib.c	Исходный код на Си	Этот файл обеспечивает минимальный доступ к терминалам VT100
uart_lib.h	Заголовочный файл
uart_usb_lib.c	Исходный код на Си	UART USB функции
uart_usb_lib.h	Заголовочный файл
usb_descriptor.c	Исходный код на Си	Параметры USB, которые определяют устройство
usb_descriptor.h	Заголовочный файл
usb_device_task.c	Исходный код на Си	Управление USB устройством
usb_device_task.h	Заголовочный файл
usb_drv.c	Исходный код на Си	Процедуры USB драйвера
usb_drv.h	Заголовочный файл
usb_standard_request.c	Исходный код на Си	Запросы нумерации USB устройства
usb_standard_request.h	Заголовочный файл
usb_specific_request.c	Исходный код на Си	Функции пользователя
usb_specific_request.h	Заголовочный файл
usb_task.c	Исходный код на Си	Функции USB задачи и инициализации USB
usb_task.h	Заголовочный файл

Таблица 4-2. Файлы проекта для модуля аккумуляторов (см. файл IAR EW workspace file)

Файл	Тип	Примечания
ADC.c	Исходный код на Си	Функции, относящиеся к АЦП
ADC.h	Заголовочный файл
Batt_task.c	Исходный код на Си	Функции Bat задачи и инициализации Bat
Batt_task.h	Заголовочный файл
battery.c	Исходный код на Си	Определения для процесса зарядки аккумуляторов и функции управления аккумуляторами и сбора данных
cbattery.h	Заголовочный файл
chargefunc.c	Исходный код на Си	Функции зарядки
chargefunc.h	Заголовочный файл
LIIONcharge.c	Исходный код на Си	Функции состояния зарядки литий-ионных аккумуляторов
LIIONcharge.h	Заголовочный файл
menu.c	Исходный код на Си	Определения для конечного автомата
menu.h	Заголовочный файл
PWM.c	Исходный код на Си	Функции для генерации широтно-импульсного сигнала
PWM.h	Заголовочный файл
statefunc.c	Исходный код на Си	Функции, относящиеся к состояниям, определенным в файле menu
statefunc.h	Заголовочный файл

Программное обеспечение содержит все необходимые функции для зарядки аккумуляторов.

Таблица 4-3. Требования программного обеспечения к памяти (без оптимизации IAR).

Режим работы	Память	Приблизительное значение
отладка	CODE (Flash)	13900 байт
	DATA (SRAM)	1109 байт
	XDATA (EEPROM)	2 байта

4.4 Конечный автомат

Конечный автомат реализован в задаче аккумуляторов. Этот конечный автомат достаточно прост и использует указатели на функции. Он просто находит адрес следующей функции для выполнения и затем переходит к этой функции. Алгоритм работы конечного автомата показан на нижеприведенном рисунке.

Рисунок 4-2. Алгоритм работы основной функции, включая конечный автомат

После возврата конечный автомат ожидает, что функция укажет следующее состояние посредством возвращаемого аргумента. Распознаваемые возвратные коды описаны в нижеприведенной таблице.

Таблица 4-4. Коды конечного автомата (см. исходные коды, menu.h)

Метка	Соответствующая функция	Описание
INIT	Initialize()	Состояние входа
BATCON	BatteryControl()	Проверка аппаратного обеспечения и аккумуляторов
PREQUAL	Charge()	Повышение напряжения аккумулятора, проверка безопасности
PREQUAL_CTRL	Charge()	Ожидание окончания PREQUAL
SLEEP	Sleep()	Режим пониженного потребления
CCURRENT	Charge()	Зарядка постоянным током
CCURRENT_CTRL	Charge()	Ожидание окончания CCURRENT
CVOLTAGE	Charge()	Зарядка постоянным напряжением
CVOLTAGE_CTRL	Charge()	Ожидание окончания CVOLTAGE
ENDCHARGE	Charge()	Окончание успешной зарядки
DISCHARGE	Discharge()	Переход к состоянию BATCON для дальнейшей реализации)
ERROR	Error()	Ошибка решения, если возможно

Функции состояний описаны в разделах ниже.

Функция инициализации является первой функцией состояния, которая будет выполнена после сброса устройства. Алгоритм работы функции показан на нижеприведенном рисунке.

Рисунок 4-3. Алгоритм работы функции инициализации

Функция инициализации всегда возвращает один и тот же код, который указывает на функцию контроля аккумуляторов.

Функция контроля аккумуляторов проверяет, что все джамперы установлены правильно, затем проверяет, вставлены ли аккумуляторы разрешенного типа и нужно ли их заряжать. Алгоритм работы показан на нижеприведенном рисунке.

Рисунок 4-4. Алгоритм работы функции контроля аккумуляторов

Функция зарядки содержит алгоритм зарядки, разделенный на этапы. Для этого приложения процесс зарядки состоит из 4 этапов:

• Предварительная оценка — в течении этого этапа аккумулятор заряжается постоянным током до тех пор, пока напряжение зарядки не достигнет нужного значения. Если это происходит за заданный промежуток времени, то считается, что аккумулятор исправный и процесс зарядки продолжается. Если за отведенное время напряжение не достигает заданного значения или температура аккумулятора выходит за установленные пределы, аккумулятор считается неисправным и процесс зарядки прерывается.
• Зарядка постоянным током — в течение этого этапа аккумулятор заряжается большим током, подходящим для этого типа аккумуляторов, пока напряжение аккумулятора не достигнет максимума. Если это происходит в течение максимального времени зарядки аккумулятора, то процесс зарядки продолжается. Если за отведенное время напряжение не достигает максимума или температура аккумулятора выходит за установленные пределы, аккумулятор считается неисправным и процесс зарядки прерывается.
• Зарядка постоянным напряжением — в течение этого этапа аккумулятор заряжается при максимальном напряжении пока ток зарядки не уменьшится до определенного для данного типа аккумуляторов значения или пока не истечет время зарядки. На этом этапе также зарядка прерывается, если температура аккумулятора выходит за заданные пределы.
• Окончание зарядки — на этом этапе устройство зарядки «решает» переходить ли ему в sleep режим или попытаться зарядить другой аккумулятор.

Ключевыми переменными этой функции являются ChargeParameters и HaltParameters. Алгоритм работы этой функции показан на нижеприведенном рисунке.

Рисунок 4-5. Алгоритм работы функции поэтапной зарядки аккумуляторов

Рисунок 4-6. Конец алгоритма работы функции поэтапной зарядки аккумуляторов

Эта функция не была реализована.

Приложение переходит в sleep режим, когда все аккумуляторы заряжены. Приложение периодически «просыпается» через заданный промежуток времени для проверки текущего состояния аккумуляторов. Режим sleep прерывается, если какому-либо аккумулятору требуется зарядка.

Алгоритм работы в Sleep режиме показан на рисунке ниже.

Рисунок 4-7. Алгоритм работы функции sleep

Ход программы изменяется, если возникает ошибка. Программа покинет обработчик ошибок, когда все причины ошибок будут устранены.

Алгоритм программы показан на нижеприведенном рисунке.

Рисунок 4-8. Алгоритм работы обработчика ошибок

4.5 Функции управления зарядкой

Эти функции вызываются Charge() после установки всех параметров.

4.5.1 Constant Current/Voltage

Эти две функции похожи, не считая того, что они используют разные измерения АЦП для сравнения с установленными пределами. Поэтому ниже приведен алгоритм работы только ConstantCurrent(). Обе эти функции используют переменную ChargeParameters.

Рисунок 5-3. Алгоритм работы функции ConstantCurrent()

4.5.2 Определение прерывания процесса зарядки

Прерывание зарядки определяется функцией HaltNow(). Эта функция вызывается для определения, закончилась ли зарядка, функциями ConstantCurrent() и ConstantVoltage() каждый раз, когда они выполняются в цикле.

С помощью переменной HaltParameters пользователь может задать при каких условиях прерывается зарядка, и должен ли выставляться флаг ошибки, если истекает заданный промежуток времени. Установка флага ошибки приводит к следующему состоянию ST_ERRQR, таким образом прекращая зарядку. Если не установлен ни один флаг ошибки, то следующим состоянием будет состояние, установленное ранее в Charge().

В заключение, функция проверяет не выходит ли температура за заданные пределы, исправен ли аккумулятор, и превышает ли питающее напряжение минимум. Если одна из этих проверок не проходит, то следующее состояние будет соответствовать подходящему обработчику ошибок (ST_ERRQR, ST_INIT или ST_SLEEP) и зарядка прекращается.

Рисунок 5-4. Алгоритм работы для HaltNow(), часть 1

Рисунок 5-5. Алгоритм работы для HaltNow(), часть 2

Рисунок 5-6. Алгоритм работы для HaltNow(), часть 3

Рисунок 5-7. Алгоритм работы для HaltNow(), часть 4

4.6 Другие функции

4.6.1 Аналогово-цифровое преобразование

АЦП использует мультиплексор для считывания значений из разных каналов. По окончании преобразования вызывается обработчик прерывания (ADC Interrupt Service Routine (ISR)), как это показано в алгоритме ниже. После завершения обработки прерывания выполнение программы возобновляется в нормальном порядке. Для всех каналов опорное напряжение АЦП является внутренним и составляет 2,56В.

Рисунок 5-8. Алгоритм работы обработчика прерывания АЦП

Этот раздел описывает, как сконфигурировать, создать и загрузить программное обеспечение.

Наиболее важные при компилировании константы приведены в таблице ниже. Больше программных констант содержится в файле battery.h.

Таблица 5-1. Константы, относящиеся к аккумуляторам (см. исходный файл battery.h)

Метка	Описание
CELL_VОLTAGE_SAFETY	При необходимости зарядки аккумуляторов, тип которых не согласован, эта постоянная вычитается из CELL VQLTAGE MAX для каждой дополнительного элемента аккумулятора, т. е. BAT_CELL_NUMBER — 1.
CELL_VОLTAGE_MAX	Напряжение, при котором должен заряжаться элемент.
CELL_VОLTAGE_LOW	Наименьшее напряжение, при котором аккумулятор считается заряженным. Зарядка начнется, когда напряжение упадет ниже этого уровня.
CELL_VОLTAGE_MIN	Наименьшее напряжение, при котором может начаться зарядка. Должно быть установлено равным пределу, при достижении которого последующая разрядка аккумуляторов приведет к повреждениям.
CELL_VОLTAGE_PREQUAL	Напряжение, до которого должны быть заряжены аккумуляторы в течение этапа оценки тока.
BAT_TEMPERATURE_MAX	Самая высокая допустимая температура аккумуляторов. Зарядка прекратится/не начнется при превышении этого предела.
BAT_TEMPERATURE_MIN	Самая низкая допустимая температура аккумуляторов. Зарядка прекратится/не начнется, если температура ниже этого уровня.
BAT_CURRENT_PREQUAL	Ток зарядки в течение этапа оценки тока.
BAT_CURRENT_HYST	Гистерезис тока зарядки.
BAT_VОLTAGE_HYST	Гистерезис напряжения зарядки.
BAT_VОLTAGE_PREQUAL	Напряжение аккумулятора в течение этапа оценки тока. Если это напряжение не будет достигнуто, то аккумулятор будет считаться негодным.
BAT_TIME_PREQUAL	Максимальная длительность этапа оценки тока.
DEF_BAT_CAPACITY	Емкость аккумулятора по умолчанию.
DEF_BAT_CURRENT_MAX	Максимальный ток зарядки по умолчанию.
DEF_BAT_TIME_MAX	Максимальное время зарядки по умолчанию.
DEF_BAT_CURRENT_MIN	Ток остановки зарядки по умолчанию.
ALLOW_NO_RID	Если определено, то использование аккумуляторов без RID (или не соответствующих заданным типам) приведет к зарядке при параметрах по умолчанию. Иначе зарядка будет остановлена.
RID[ ].Low and RID[ ].High	Предполагается распознавание RID сопротивления, если оно находится в этих пределах.
RID[ ].Capacity	Емкость аккумулятора для заданного RID.
RID[ ].Icharge	Ток зарядки для заданного RID.
RID[ ].tCutOff	Максимальное время зарядки для заданного RID.
RID[ ].IcutOff	Ток прекращения зарядки для заданного RID.
NTC[ ]	Таблица температур.

Доступны проекты под IAR и GCC. Проект GCC может использовать внешний makefile (см. Makefile в \gcc\default) или опции, которые определяются в проекте в AVR Studio.

Таблица 5-2. Конфигурирование компилятора

Раздел	Закладка	Поле	Значение
General Options	Target	Processor configuration	ATmega16/32U4
		Memory model	Small
	System	Data stack	0x100
		Return address stack	32
		Enable bit definitionsk	None
C/C++ Compiler	Language	Require prototypes	Selected
Linker	Output	Format	Other: ubrof8
	Extra Options	Command Line	-y(CODE) -Ointel-extended,(DATA)=$EXE_DIR$\$PROJ_FNAME$_data.hex -Ointel-extended,(XDATA)=$EXE_DIR$\$PROJ_FNAME$_eeprom.hex

Скомпилированный код легко загрузить в целевое устройство с помощью AVR Studio® и любого отладочного средства или программатора по выбору, например JTAGICE mkII. Заметьте, что скомпилированный код может содержать данные для EEPROM, если это необходимо. Эта возможность предусмотрена для дальнейшей разработки. Ответьте OK, когда AVR Studio спросит, должны ли быть загружено содержимое EEPROM. Это показано на рисунке ниже.

Рисунок 5-9. Загрузка данных для инициализации в EEPROM

В программе используется внутренний генератор и тактовый сигнал используется без предделителя. Некоторые фьюзы должны быть запрограммированы для обеспечения правильной работы программы. Установки фьюзов, которые отличаются от изначальной заводской конфигурации, приведены в таблице ниже.

Таблица 5-3. Установки фьюзов, отличающиеся от изначальных.

Настройка фьюза	Описание
CKDIV8 1 (unprogrammed)	Не делить тактовый сигнал на 8
CKSEL3. 0 0010	Использовать внутренний генератор

На EVK527 версии 1.0.0 выводы JTAG совмещены с выводами, идущими к кнопкам джойстика. Поэтому при нажатии кнопок CDC приложение отключается.

Кнопка HWB используется для начала передачи данных в HyperTerminal.

После загрузки программного обеспечения с помощью AVR Studio загрузчик ATmega16/32U4 стирается. Если требуется загружать ПО с помощью FLIP (ATMEL ISP), то предварительно нужно восстановить загрузчик с помощью AVR Studio.

Источник