Mikroprocesorowa ³adowarka akumulatorów

PRESS-POLSKA
Nowy Elektronik, ul. Junaków 2, 82-300 Elbl¹g, tel./fax 055 236-22-63, e-mail: [email protected]
Mikroprocesorowa ³adowarka
akumulatorów
Nowy Elektronik 176-K
Prezentowana ³adowarka umo¿liwia ³adowanie ogniw niklowo-kadmowych o pojemnoœci do 3,5Ah
Te proste urz¹dzenie mo¿na kupiæ praktycznie w ka¿dym sklepie elektronicznym lub
elektrycznym. Najwiêcej jednak zadowolenia daje urz¹dzenie zbudowane wlasnorêcznie. A
zadowolenie jest tym wiêksze, gdy do budowy u¿yjemy mikroprocesora. W prezentowanym
uk³adzie wykorzystaliœmy mikrokontroler typu ST62T20.
Warto siê z temu rewelacyjnemu mikroprocesorowi przyjrzeæ bli¿ej. Nale¿y on do rodziny 8bitowych mikrokontrolerów ST62xx, które s¹ wykonane w technologii HCMOS. Mikrokontrolery s¹ dobrze dostosowane do potrzeb najró¿niejszych urz¹dzeñ automatyki w zastosowaniach przemys³owych i nie tylko. Niska cena uk³adów w stosunku do ich mo¿liwoœci jest dodatkowym atutem przy wyborze uk³adu. Mikrokontroler mo¿e pracowaæ w temperaturze od 40°C do +85°C przy napiêciu zasilania 3 - 6V i przy maksymalnej czêstotliwoœci zegara wynosz¹cej 8MHz, z tym ¿e im ni¿sze napiêcie, tym ni¿sza czêstotliwoœæ maksymalna zegara.
Rys. 1 Uk³ad
wyprowadzeñ ST62T20
Rysunek 1 przedstawia rozmieszczenie wyprowadzeñ uk³adu ST62T10. Wyprowadzenia Vdd
pin1 i Vss pin 20 s¹ wyprowadzeniami zasilania mikrokontrolera. Do Vss przy³¹czana jest masa
uk³adu. Koñcówki pin2 (OSCIN) i pin4(OSCOUT) i s¹ wewnêtrznie po³¹czone ze zintegrowanym
uk³adem oscylatora. Do tych wyprowadzeñ mo¿na do³¹czyæ rezonator kwarcowy, rezonator
ceramiczny lub zewnêtrzny sygna³ zegarowy.
Niski poziom na wyprowadzeniu RESET pin 7 umo¿liwia inicjacjê pracy (restart) mikrokontrolera, sprowadzaj¹c go do pocz¹tku wykonywanego programu. Podczas normalnej pracy uk³adu
wyprowadzenie pin 6 TEST/Vpp jest pod³¹czone do masy uk³adu. Jeœli podczas restartu mikrokontrolera do tego wyprowadzenia pod³¹czone zostanie napiêcie +12,5V, pamiêæ EPROM
zostanie wprowadzona w tryb programowania.
Wyprowadzenie NMI pin 5 umo¿liwia doprowadzenie do mikrokontrolera asynchronicznego
zewnêtrznego przerwania niemaskowalnego. Koñcówka NMI reaguje na zbocze opadaj¹ce.
Nie jest ona wewnêtrznie po³¹czona z rezystorem podci¹gaj¹cym (pull-up). Rezystor taki musi
wiêc wystêpowaæ na zewn¹trz uk³adu.
Wyprowadzenie TIMER mo¿e funkcjonowaæ jako wejœcie i wyjœcie. Bêd¹c wejœciem jest przy³¹czone do preskalera i jest wejœciem zewnêtrznego zegara lub bramk¹ steruj¹c¹ zegara wewnêtrznego. Na koñcówce TIMER, pracuj¹cej jako wyjœcie, pojawia siê bit danych, kiedy siê
koñczy okreœlony przedzia³ czasu. Podobnie jak wyprowadzenie NMI nie jest wewnêtrznie
pod³¹czone rezystorem podci¹gaj¹cym pull-up, wiêc musimy go pod³¹czyæ na zewn¹trz uk³adu. Mikrokontroler ST62T10 posiada dwa porty wejœcia /wyjœcia PA i PB.
Port PA to cztery wyprowadzenia PA0-PA3. Ka¿da linia mo¿e byæ programowo skonfigurowana jako wejœcie z lub bez wewnêtrznego rezystora podci¹gaj¹cego pull-up, wejœcie przerwania
z rezystorem podci¹gaj¹cym oraz jako wyjœcie "push-pull" lub z otwartym drenem. Linie PA0PA3 mog¹ byæ obci¹¿ane pr¹dem o wartoœci 20mA, co umo¿liwia sterownie bezpoœrednie np.
cewka przekaŸnika, dioda LED. Port PB to osiem linii PB0-PB7. Ka¿da linia mo¿e byæ programowo skonfigurowana jako wejœcie z lub bez rezystora podci¹gaj¹cego (pull-up), wejœcie przerwania z rezystorem podci¹gaj¹cym, wyjœcie "push-pull" lub z otwartym drenem i jako wejœcie
dla przetwornika analogowo-cyfrowego.
Mo¿na by rzec, ¿e uk³ad jest jakby stworzony do stosowania w ró¿nego typu ³adowarkach.
Sam producent w swoich dokumentacjach jako jedno z zastosowañ wymienia urz¹dzenia ³aduj¹ce. Wiele not aplikacyjnych udostêpnionych przez producenta jest poœwiêconych urz¹dzeniom ³aduj¹cym. Nasza ³adowarka umo¿liwia ³adowanie akumulatorów niklowo-kadmowych o
napiêciu 1,2V i pojemnoœci do 3,5Ah. Zapewni to nam mo¿liwoœæ ³adowania wiêkszoœci aku-
mulatorków dostêpnych na rynku.
Program na procesor zosta³ wykonany przy pomocy znanego i popularnego ST6-Relaizera.
Mikrokontroler zosta³ zaprogramowany programatorem 1015-K, który jest dostêpny w ofercie
NE.
Budowa uk³adu:
Ca³oœæ uk³adu mo¿emy podzieliæ na nastêpuj¹ce funkcjonalne bloki rys. 2:
- blok mikrokontrolera
- uk³ad ³adowania
- blok sygnalizacji
- blok zasilania
Blok mikrokontrolera jest sercem ³adowarki kontroluj¹cym napiêcie i pr¹d ³adowania oraz odpowiadaj¹cym za prawid³owe przeprowadzenie ca³ego cyklu.
Uk³ad ³adowania jest uk³adem wykonawczym realizuj¹cym proces ³adowania akumulatora. Blok
sygnalizacji to trzy diody LED informuj¹ce o stanie pracy urz¹dzenia. Blok zasilania podzielony
jest na dwie czêœci - jedna dostarcza napiêcia do zasilania mikrokontrolera, a druga do ³adowania akumulatora.
Jak widaæ na rys. 3 przedstawiaj¹cym schemat ideowy ³adowarki, nie jest to zbyt skomplikowane urz¹dzenie. Wyprowadzenia PA0-PA2 steruj¹ prac¹ diod sygnalizacyjnych LED. Wyprowadzenia te zosta³y programowo skonfigurowane jako wyjœcia Push-Pull Output. Tranzystory
T1 i T2 odpowiedzialne za za³¹czenia akumulatora do ³adowania s¹ sterowane wyprowadzeniami PB1 i PB2 mikrokontrolera skonfigurowanych jako wyjœcia cyfrowe push-pull output. Suwak
potencjometru POT1 do³¹czony jest do wejœcia PB6 bêd¹cego skonfigurowanym jako wejœcie
przetwornika analogowo-cyfrowego. Przycisk P1 wyzwalaj¹cy proces ³adowania do³¹czony
jest pomiêdzy masê a PB7(input with pull-up).
Oprogramowanie mikrokontrolera
Program na mikrokontroler zosta³ napisany przy pomocy znanego czytelnikom programu ST6Realizer. Ca³y proces tworzenia programu zaj¹³ niewiele czasu i sprowadzi³ siê do nastêpuj¹cych czynnoœci:
- narysowania programu
- przeprowadzenia kompilacji(analizy)
- sprawdzenia dzia³ania na symulatorze
- zaprogramowania mikrokontrolera
Schemat programu zosta³ przedstawiony na rys. 4, przy pomocy którego spróbujemy przeanalizowaæ dzia³anie ca³ego uk³adu.
Po w³¹czeniu zasilania mikrokontroler przechodzi standardowy proces zerowania. Dzieje siê to
przy pomocy do³¹czonego do wejœcia Reset mikrokontrolera, kondensatora o pojemnoœci 1µF,
im wiêksza pojemnoœæ tym d³u¿szy czas zerowania procesora.
Po prawid³owym wykonaniu restartu program automatycznie przechodzi w stan pocz¹tkowy
GOTOWY. W tym stanie dioda LED zielona pulsuje, a na steruj¹cych wyjœciach cyfrowych jest
stan wysoki blokuj¹cy tranzystory T1 i T2.
Stan wysoki jest wymagany ze wzglêdu na to, ¿e u¿yte tranzystory s¹ polaryzacji PNP. Program
mikrokontrolera oczekuje na spe³nienie warunku START. Nast¹pi to natychmiast po przyciœniêciu przycisku P1 i spowoduje przejœcie programu w stan £ADOWANIE.
W stanie £ADOWANIA na wyjœciu steruj¹cym tranzystorem T2 pojawia siê stan niski powoduj¹cy odblokowanie tranzystora. Stan £ADOWANIA sygnalizowany jest œwieceniem diody LED
CZERWONA. Podczas ³adowania kontrolowany jest pr¹d ³adowania akumulatora oraz napiêcie
na akumulatorze.
Przekroczenie pr¹du ³adowania lub te¿ zwarcie zacisków ³aduj¹cych nastêpuje, gdy zostaje
spe³niony warunek PR¥D ZA DU¯Y, co w konsekwencji spowoduje awaryjne przejœcie programu do stanu £ADOWANIA KOÑCOWEGO.
Wejœcie w stan £ADOWANIA KOÑCOWEGO powoduje wyzwolenie uk³adu czasowego timf i
po 20 sekundach spe³nienie warunku KONIEC £ADOWANIA i przejœcie programu w stan pocz¹tkowy GOTOWY. Wartoœæ maksymalnego pr¹du ³adowania ustawiamy za pomoc¹ poten-
PRESS-POLSKA
Nowy Elektronik, ul. Junaków 2, 82-300 Elbl¹g, tel./fax 055 236-22-63, e-mail: [email protected]
3
US2
Vin
+5V
1
GND
M1
+5V
+5V
R1
D1
LED
R4
R5
Vin
+5V
C4
X1
3
T2
R2
C5
R3
C3
US3
2
C2
2
C1
1
+5V
GND
Z1
+12V
T1
R6
3
5
7
2
19
18
17
16
6
U1
OSCI
NMI
RST
TIM
PA0
PA1
PA2
PA3
TST
OSCO
PB0
PB1
PB2
PB3
PB4
PB5
PB6
PB7
ST62T20C
4
15
14
13
12
11
10
9
8
R7
+5V
PR1
R8
R9
Z2
+
P1
START
R10
D2
LED
D3
LED
Rys.3 Mikroprocesorowa ³adowarka akumulatorów niklowo-kadmowych
cjometru POT1.
W przypadku niczym nie zak³óconego procesu ³adowania napiêcie na akumulatorze powoli
zwiêksza siê. Po przekroczeniu wartoœci 1,23V zostaje zainicjowany warunek NAPIÊCIE > 1.20
co powoduje przejœcie ze stanu £ADOWANIA do stanu £ADOWANIA KOÑCOWEGO, a nastêpnie po warunku KONIEC £ADOWANIA wejœcie programu w stan pocz¹tkowy GOTOWY.
Monta¿ uk³adu
Szczegó³owa mozaika œcie¿ek p³ytki drukowanej wraz z rozmieszczeniem elementów
zosta³a przedstawiona na rys. 5. Jak widaæ nie jest to skomplikowany wzór, wiêc nie powinno
byæ k³opotów z wykonaniem p³ytki. Nie bêdê tu opisywa³ ca³ego procesu wykonania p³ytki,
gdy¿ ju¿ wiele na ten temat napisano i ka¿dy znajdzie dla siebie odpowiedni¹ metodê. Po
wykonaniu p³ytki nale¿y dok³adnie sprawdziæ po³¹czenia na p³ytce drukowanej, nastêpnie mo¿emy przyst¹piæ do wlutowywania poszczególnych elementów uk³adu. Zacznijmy wiêc od wlutowania zworki ZW1 znajduj¹cej siê pod podstawk¹, nastêpnie rezystory, kondensatory, z³¹cza
ARK i na samym koñcu pó³przewodniki. Przy wlutowywaniu elementów nale¿y zwróciæ uwagê
na odpowiednie umieszczenie koñcówek podzespo³ów w p³ytce.
Warto tranzystory T1 i T2 wyposa¿yæ dodatkowo w niewielkie radiatory.
Uruchamianie uk³adu
Po zamontowaniu wszystkich elementów na p³ytce mo¿emy przyst¹piæ do uruchamiania uk³adu. Nie powinniœmy mieæ z tym ¿adnych problemów. Praktycznie zaraz po zmontowaniu i w³¹czeniu zasilania uk³ad zaczyna pracowaæ. Nale¿y jedynie potencjometrem POT1 ustawiæ maksymalny pr¹d ³adowania akumulatora, po przekroczeniu którego zostaje przerwany proces ³adowania. Mimo prostoty uk³ad mo¿e stanowiæ doskona³¹ bazê wyjœciow¹ do zaprojektowania
i wykonania ³adowarki o wiêkszej iloœci ³adowanych akumulatorów.
Rys. 5 Rozmieszczenie elementów na p³ytce drukowanej (skala 1:1)
Spis elementów
Rezystory:
R1 - 3K9
R2 - 3K9
R3 - 820
R4 - 820
R5 - 820
R6 - 3K9
R7 - 3K9
R8 - 68/2W
R9 - 3,3/2W
R10 - 10/2W
Kondensatory:
C1 - 1000µF
C2 - 100µF
C3 - 33pF
C4 - 33pF
C5 - 1µF
Pó³przewodniki:
T1 - BD136
T2 - BD244C
M1 - Mostek 1,5A
D1 - LED G
D2 - LED Y
D3 - LED R
Uk³¹dy scalone:
US1 - ST62T20C
US2 - 78L05
US3 - 7805
Inne:
PR1 - 100k V
X1 - 8MHz
P1 - mikroprze³¹cznik
Z1 - Ark2
Z2 - Ark2
DIL20 - podstawka
P³ytka - 176-K
BATERIA