9V 镍氢电池智能充电器 V1：Arduino + MCP4725 DAC + LM317 恒流控制

设计初衷与定位

市面 9V 充电器多为“定压/定时”简易方案，极易过充损伤电池。本项目实现 **CC（恒流）→ -ΔV/dt 终止 → 微充 (C/40) → 定时切断** 完整充电曲线，硬件成本 < ¥100，固件开源，适合电池维护爱好者、DIY 仪器供电模块二次开发。**仅验证过 7 节串联 9V NiMH（170 mAh），其他规格需修改参数并自行验证。**

核心硬件架构

电路原理框图

17V DC ──┬──→ LM317 IN
         │
         ├──→ SparkFun 5V/3.3V 面包板电源 → MCP4725, LCD, Arduino
         │
         └──→ (备用)
LM317 OUT ── 10Ω (R_sense) ──┬── Relay NO ── Battery +
                              │
                         A2 (Arduino)  // 电流采样
                              │
                    5.1k / 20k 分压
                              │
                         A0 (Arduino)  // 电池电压采样
LM317 ADJ ← LM358 OUT (Gain 3.06) ← MCP4725 OUT (I²C)

充电算法状态机

enum State {
  INIT, NO_BATT, BATT_CONNECTED, BATT_LOW,
  CURRENT_RAMP_UP, CHARGING, CURRENT_RAMP_DOWN,
  TRICKLE, END_TRICKLE,
  FAULT_OVERCURRENT, FAULT_OVERVOLTAGE, FAULT_REGULATION, DONE
};

// 关键参数（charger.ino 宏定义区）
float TARGET_CURRENT_mA = 30;          // 恒流充电电流 (0.1C~1C)
float BATT_CAPACITY_mAh = 170;         // 标称容量
float MAX_TRICKLE_MIN   = 6;           // 最大微充分钟数
float TRICKLE_RATIO     = 40;          // 微充电流 = C/40

核心流程

1. 上电自检：DAC 输出 0V，继电器断开，读取电池电压。< 7V 判定为过放拒充。
2. 电流爬升：DAC 电压以 1 mV/步 (≈3 mV @LM317 ADJ) 递增，直到采样电流 ≥ 目标电流。
3. 恒流充电：PID 思想微调 DAC 维持电流，每分钟记录电压均值，线性拟合斜率 dV/dt。**连续 5 分钟斜率 < 0 判定 -ΔV 峰值，终止快充。**
4. 电流下坡 → 微充：电流降至 C/40 (4.25 mA)，进入计时微充。
5. 超时/异常保护：过压 (>15V)、过流 (>200mA)、调节失控 (|I_target - I_actual| > 5mA) 均立即断开继电器进故障态。

固件模块化文件结构

• charger.ino：主状态机、参数定义、LCD 刷新
• hw.ino：ADC 平均滤波、DAC 写入、继电器驱动、硬件保护中断
• calculations.ino：最小二乘线性拟合 best_linear_fit() 计算 dV/dt
• lcd.ino：双行显示缓存防闪烁、状态文本生成
• main.ino：setup()/loop() 入口

关键代码片段：dV/dt 终止判定

// 每秒采样一次电压存入 sec_log[60]
// 每分钟计算均值存入 min_log[5] (滑动窗口 5 分钟)
float best_linear_fit(float y[5]) {
  float sx=0, sy=0, sxx=0, sxy=0;
  for (int i=0;i<5;i++) { sx+=i; sy+=y[i]; sxx+=i*i; sxy+=i*y[i]; }
  float delta = 5*sxx - sx*sx;
  return (5*sxy - sx*sy) / delta;  // 返回斜率 V/min
}

// 在 CHARGING 状态中：
float slope = best_linear_fit(min_log);
if (slope < 0) { state = FULLY_CHARGED; }  // 检测到负斜率 → 峰值通过

实测数据与波形

• 30 mA 恒流充 170 mAh 电池：快充约 5.5 小时，充入 ~165 mAh，效率 97%。
• 终止电压约 9.8 V (7×1.4 V)，微充 6 分钟额外充入 ~0.4 mAh。
• 全程电池表面温升 < 5°C，无鼓包、漏液。

安全警示（必读）

V2 规划功能

• 放电容量测试（恒流放电至 1.0V/节）。
• 循环寿命测试（自动充放电计数）。
• 温度监测 (NTC) + dT/dt 终止双重保护。
• 移植 ESP32 + Web 界面 + 数据记录 CSV。
• 支持 6/8 节可配置、自动识别节数。

一句话总结：Arduino + MCP4725 + LM317 实现 9V NiMH 电池 CC/-ΔV/微充全流程智能充电，开源固件模块化清晰，是学习模拟充电控制、DAC 闭环调节、电池特性分析的极佳实战案例——但切记安全红线。