نمونه کار طراحی و شبیه سازی مدار هوشمند شارژ/دشارژ باتری های لیتیومی در برنامه پروتئوس

با سلام. شماتیک طراحی شده مربوط به یک مدار حرفه ای برای تست، شارژ و دشارژ باتری های لیتیومی است که به کاربر، کنترل کامل بر شارژ و ولتاژ باتری را میدهد و گزارش کاملی از وضعیت باتری (سلامت باتری، ظرفیت واقعی، ضریب تخلیه و مقدار مقاومت داخلی) را به کاربر بر روی یک نمایشگر کاراکتری، ارائه میدهد. قابلیت های این مدار به شرح زیر است: #میکروکنترلر استفاده شده از خانواده‌ی AVR با نام ATMega328p هست (که در برد آردوینو استفاده میشود اما در این پروژه از خود میکروکنترلر به صورت خام و بدون برد توسعه استفاده شده) و با برنامه نویسی منعطف، قابلیت تعویض با همنوع های ضعیف‌تر و ارزان‌تر از جمله ATMega168 و ATMega88 را هم دارد. #با برنامه نویسی منعطف و رابط کاربری مناسب، از نمایشگر کاراکتری ۲ سطری استفاده شده که قابلیت نمایش ولتاژ (تا ۳ رقم اعشار) و درصد شارژ لحظه ای باتری (تا ۲ رقم اعشار) را دارد. #سه عدد ال ای دی در سمت چپ، نمایش دهنده وضعیت برنامه و میکروکنترلر و عملیات درحال انجام هستند: سبز: آماده دریافت دستورات جدید قرمز: درحال کار با حافظه EEPROM و یا دشارژ باتری آبی: درحال شارژ باتری #این برد، تنظیم شده تا ولتاژ ورودی ۱۲ ولت DC را (که برای روشن و خاموش کردن ماسفت های قدرتمند لازم است) از طریق دو رگولاتور (یکی رگولاتور 7805 و مبدل MP1584 که چون ضرورتی نداشت، در شماتیک طراحی نشده اند) به ولتاژ های ۵ ولت برای تغذیه قسمت های مختلف مدار و ۴.۲ ولت با جریان بالا برای شارژ باتری، تبدیل کند. #برای کوچکتر شدن فضای مورد نیاز برای مونتاژ مدار، فقط ۲ کلید تعبیه شده که با برنامه نویسی بهینه، تمامی عملیات مورد نیاز را (شروع عملیات مد نظر، تغییر مود، تغییر ولتاژ هدف و تغییر پروفایل) میتوان انجام داد. #ماسفت های قدرتمند IRFZ44N و IRF4905 برای سوییچینگ در این مدار استفاده شده اند. از آنجایی که این ماسفت ها با ولتاژ ۱۲ ولت کار میکنند، یک مدار ترانزیستوری (شامل ترانزیستور های 2N2222 و BC547 و BC557) هم به عنوان درایور طراحی شده تا دستورات ۵ ولتی میکروکنترلر را به ۱۲ ولت تقویت کرده و ماسفت ها حداقل مقاومت را در عبور جریان از خود نشان دهند که این امر، باعث میشود این مدار به هیچگونه هیت‌سینک یا خنک کننده، نیازی نداشته باشد. همچنین این مدارات درایور، از معلق ماندن گیت ماسفت ها در هنگام بوت شدن میکروکنترلر، جلوگیری میکنند. #برای سنسور جریان تا این لحظه، از ماژول ACS712 استفاده میشود که نیازی به شبیه سازی کامل آن در شماتیک نبود. #یک کریستال ساعت ۳۲.۷۶۸ کیلوهرتز، استفاده شده که موجب می‌شود میکروکنترلر با استفاده از یک تایمر دقیق، ظرفیت واقعی، ضریب تخلیه و... را با دقت بالا نسبت به زمان محاسبه کند. #ولتاژ های تغذیه ۵ ولت برای خود میکروکنترلر و نمایشگر، ولتاژ ۴.۲ ولت برای شارژ باتری و ۱۲ ولت برای ماسفت ها، ولتاژ های حساس و حیاتی هستند که اگر کمی بیشتر یا کمتر شوند، در پروسه انجام عملیات مدار مشکل ایجاد میکند. (مثلاً اگر ولتاژ ۱۲ ولت کمی کمتر از ۱۲ باشد، ماسفت ها به طور کامل، روشن نخواهند شد، پس مقاومت ماسفت، بالا خواهد رفت و هر چه جریان بیشتری از ماسفت عبور کند، ماسفت داغ تر میشود که ممکن است باعث سوختن ماسفت شود.) برای مطمئن شدن از دقیق بودن ولتاژ های تغذیه، میکروکنترلر در ابتدای زمان روشن شدن و با کمک مدار تقسیم ولتاژ (که در پایین شماتیک قرار دارد) ولتاژ های تغذیه اصلی که از رگولاتور ها گرفته می‌شوند را اندازه می‌گیرد. اگر مشکلی وجود داشته باشد و ولتاژ ها در محدوده تنظیم شده نباشند، میکروکنترلر روی نمایشگر پیغام خطا مینویسد و تا برطرف نشدن مشکل، برنامه را اجرا نخواهد کرد. #برنامه نویسی این برد، دارای ۴ مود هست: حالت ذخیره Storage: در این حالت، ولتاژ باتری موردنظر تا ولتاژ ۳.۸ ولت شارژ/دشارژ میشود تا برای نگه داری طولانی مدت، مشکلی نداشته باشد. حالت ظرفیت Capacity: باتری در این حالت از همه نظر (ظرفیت واقعی، سلامت، مقاومت داخلی و...) زیر تست و بررسی قرار میگیرد و نتایج را در یک پروفایل در حافظه EEPROM میکروکنترلر ذخیره میکند تا بتواند وضعیت باتری را با وضعیت بعدی آن در آینده مقایسه و سلامت باتری را بسنجد. حالت هدف Target: باتری تا ولتاژ مورد نظر کاربر با دقت دو رقم اعشار، شارژ/دشارژ میشود. حالت تست ضریب C: باتری فقط برای مدت ۱۰ میکرو ثانیه زیر تست حداکثری جریانی قرار میگیرد. این مدت آنقدر کوتاه است که با حداقل رساندن آسیب وارده به باتری، بتوان ضریب جریان دهی C باتری را به صورت تقریبی، اندازه گرفت. این پروژه همچنان درحال برنامه نویسی، رفع ایرادات احتمالی سخت افزاری و بهینه سازی بیشتر است. (هرچه جلوتر میروم، امکانات و قابلیت های بیشتری به ذهنم می‌رسد که میتوانم به این پروژه اضافه کنم. مثلاً استفاده از ترانزیستور های قدرت TIP127 به جای ماسفت های IRFZ44N که بتوان علاوه بر سوییچ زنی، میزان جریان عبوری را هم تحت کنترل داشت.) درصورت پیشرفت در پروژه، این صفحه ویرایش خواهد شد. با تشکر از توجه شما.