無線遙控智能電源的設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)

陳惠靜 林家鑄 丁康佳 莫儒浩

摘要 無線遙控智能電源的設(shè)計(jì)采用AC-DC開關(guān)電源為前級(jí)降壓變換模塊，對KIM-3R35 DC-DC模塊電路進(jìn)行重新設(shè)計(jì)和修改，作為自動(dòng)調(diào)壓的核心電路，通過外部輸出口連接特制線材，實(shí)現(xiàn)自動(dòng)調(diào)壓功能。利用單片機(jī)、ADC模數(shù)轉(zhuǎn)換芯片實(shí)現(xiàn)電壓、電流檢測，LCD16 02進(jìn)行數(shù)據(jù)顯示。遠(yuǎn)程管理采用ESP8266無線Wi-Fi模塊和繼電器開關(guān)電路，配合手機(jī)APP軟件可以進(jìn)行遠(yuǎn)程開啟和關(guān)閉控制。電源內(nèi)部設(shè)有過載保護(hù)、短路保護(hù)等功能。通過論證，本作品能夠應(yīng)用于常用電子產(chǎn)品的充電，實(shí)用性強(qiáng)。

【關(guān)鍵詞】智能電源 自動(dòng)調(diào)壓 LCD顯示 遠(yuǎn)程遙控

無線遙控智能電源，兼容多種電子產(chǎn)品，包括筆記本電腦、手機(jī)、無線路由器、臺(tái)燈等，可以代替各類直流電源適配器，達(dá)到一機(jī)多用的效果，輸出穩(wěn)定、經(jīng)濟(jì)實(shí)惠，安全性能高，使用范圍廣，有較好的市場經(jīng)濟(jì)價(jià)值。

本作品由開關(guān)電源、ATTINY26單片機(jī)、LCD1602液晶屏、無線遙控和LT1083cp調(diào)壓模塊等幾個(gè)部分組成。主要功能如下：

（1）電壓智能輸出。配合相應(yīng)的電源線，經(jīng)智能調(diào)壓后可給不同電壓要求的電子產(chǎn)品供電。

（2）雙開關(guān)控制模式。配備WIFI功能后可進(jìn)行無線遠(yuǎn)程控制模式;為保證無線遙控器在損壞或丟失的情況下電源仍能正常使用，設(shè)計(jì)有手動(dòng)開關(guān)模式。

（3）實(shí)時(shí)監(jiān)控。在LCD1602液晶顯示屏上可察看正在充電的電子產(chǎn)品的實(shí)時(shí)電壓和電流，起到監(jiān)控該電子產(chǎn)品安全的作用。

（4）電路保護(hù)功能。電源內(nèi)部設(shè)計(jì)有電路短路保護(hù)以及過流保護(hù)功能。

（5）雙路輸出。電源擴(kuò)展有A、B雙路輸出，可同時(shí)為兩個(gè)電子產(chǎn)品供電。

1 系統(tǒng)方案

本系統(tǒng)主要由前級(jí)降壓模塊、自動(dòng)調(diào)壓模塊、顯示系統(tǒng)模塊、控制模塊組成，下面分別論證這幾個(gè)模塊的選擇。

1.1 前級(jí)降壓模塊的論證與選擇

1.1.1 方案一

環(huán)牛變壓器降壓。傳統(tǒng)的環(huán)牛變壓器降壓的優(yōu)點(diǎn)是輸出功率大，電路簡單。缺點(diǎn)是市電電壓的不穩(wěn)定會(huì)導(dǎo)致輸出電壓有波動(dòng)，穩(wěn)定性相對較差，而且體積大龐大，非常笨重，不利于便攜。

1.1.2 方案二

開關(guān)電源。相比的傳統(tǒng)環(huán)牛變壓器降壓，開關(guān)電源變壓模塊降壓輸出更穩(wěn)定，且體積小、功率大、轉(zhuǎn)換效率高，不會(huì)隨市電電壓的改變而造成輸出電壓有波動(dòng)，更加符合設(shè)計(jì)需求。

以上二種方案綜合分析，采用方案二。

1.2 自動(dòng)調(diào)壓模塊的論證與選擇

1.2.1 方案一

LT1083CP三端穩(wěn)壓管。LT1083CP三端穩(wěn)壓管的優(yōu)點(diǎn)是可以實(shí)現(xiàn)大電流、高功率的可調(diào)線性穩(wěn)壓輸出，缺點(diǎn)是輸入輸出的壓差小，無法滿足寬電壓輸出，壓差過大時(shí)，發(fā)熱量大，穩(wěn)定性和電源的轉(zhuǎn)換效率大大降低。

1.2.2 方案二

KIM-3R35 DC-DC模 塊。 KIM-3R35DC-DC模塊的體積小、價(jià)格便宜、性能卓越，有超寬的輸出電壓和高達(dá)8A的峰值電流，采用同步降壓原理，發(fā)熱量小，效率高，經(jīng)過適當(dāng)電路修改，即可改裝成調(diào)壓電路。

以上二種方案綜合分析，采用方案二。

1.3 顯示系統(tǒng)的論證與選擇

1.3.1 方案一

數(shù)碼管顯示。數(shù)碼管的優(yōu)點(diǎn)是體積小、使用壽命長，價(jià)格便宜，缺點(diǎn)是只能顯示簡單的數(shù)字，無法完成多樣復(fù)雜的顯示內(nèi)容，無法滿足設(shè)計(jì)的需求。

1.3.2 方案二

LCD1602液晶顯示。LCD1602液晶顯示屏可以完成2行16位顯示，可以完整的顯示電源的輸出電壓、電流、功率等信息，給人更加直觀、完美的顯示體驗(yàn)，更好的監(jiān)護(hù)用電設(shè)備。

以上二種方案綜合分析，采用方案二。

1.4 控制系統(tǒng)的論證與選擇

1.4.1 方案一

315M遙控模塊。315M遙控模塊的優(yōu)點(diǎn)是控制簡單，價(jià)格實(shí)惠，缺點(diǎn)是遙控距離短，遙控和接收模塊只能一對一使用，抗干擾能力差、穩(wěn)定性差。

1.4.2 方案二

ESP8266無線Wi-Fi模塊。ESP8266無線Wi-Fi模塊的功能強(qiáng)大，采用無線數(shù)字信號(hào)傳輸，有超強(qiáng)的抗干擾能力，配合開發(fā)好的手機(jī)APP軟件使用，可以實(shí)現(xiàn)強(qiáng)大的遠(yuǎn)程控制管理，通用性強(qiáng)、可擴(kuò)展性好，實(shí)用性高且便于操作。

以上二種方案綜合分析，采用方案二。

2 系統(tǒng)理論分析與計(jì)算

2.1 核心電路的分析

2.1.1 降壓電路原理分析

本設(shè)計(jì)采用KIM-3R35模塊DC-DC降壓電路原理，是一種同步整流降壓電路，它可以使輸出電壓比輸入電壓低。同步降壓過程即是可調(diào)功率MOSFET開關(guān)管的能量傳遞過程。給MOSFET管施加一個(gè)整流交變電壓同步驅(qū)動(dòng)信號(hào)，在整流電壓正半周期到來控制MOFFET管的導(dǎo)通，負(fù)半周到來時(shí)控制MOSFET管截止，MOSFET管的導(dǎo)通、截止和整流的電壓相位同步。如果這個(gè)通斷過程不斷重復(fù)，就可以實(shí)現(xiàn)同步整流降壓，同步信號(hào)的頻率越低，MOSFET管輸出的電壓也越低。圖l為降壓原理框圖。

2.1.2 自動(dòng)調(diào)壓原理分析

自動(dòng)調(diào)壓電路，采用信號(hào)反饋原理實(shí)現(xiàn)，在電源的輸出電路設(shè)有信號(hào)檢測電路，當(dāng)有特制電源線材插入電源輸出端口時(shí)，特制電源線材的信號(hào)會(huì)反饋給調(diào)壓電路進(jìn)行調(diào)壓，實(shí)現(xiàn)電壓自動(dòng)調(diào)節(jié)功能。圖2為自動(dòng)調(diào)壓原理框圖。

2.1.3 采樣顯示電路分析

采樣顯示電路，利用單片機(jī)實(shí)現(xiàn)，在輸出電路串入采樣電阻，利用采樣電阻，采集變化的電信號(hào)，將采集好的模擬信號(hào)傳輸給ADC7705進(jìn)行模數(shù)轉(zhuǎn)換芯片轉(zhuǎn)換成數(shù)字信號(hào)，ADC7705將模擬數(shù)字信號(hào)運(yùn)算放大后反饋給單片機(jī)處理，單片機(jī)將信號(hào)運(yùn)算處理完成后驅(qū)動(dòng)LCD1602液晶顯示屏，從而顯示出用電器實(shí)時(shí)的工作電壓、電流、功率等信息。圖3為采樣顯示原理框圖。

2.2 遙控電路的分析

2.2.1 Wi-Fi模塊分析

ESP8266串口Wi-Fi模塊內(nèi)部集成32位CPU、閃存、2.4GHz Wi-Fi、功率放大器、電源管理組件等，內(nèi)置TC P/IP協(xié)議棧，支持WPA/WPA2安全模式。當(dāng)無線上網(wǎng)接入承擔(dān)Wi-Fi適配器的任務(wù)時(shí)，可以使用手機(jī)終端設(shè)備通過無線網(wǎng)絡(luò)連接操控ESP8266內(nèi)部的固件程序，使其可以控制連接在GPIO口的其他應(yīng)用模塊或特定的設(shè)備。

2.2.2 APP開發(fā)分析

APP開發(fā)使用E4A（易安卓）易語言編寫，APP界面如圖4所示。

2.2.3 開關(guān)控制電路分析

開關(guān)控制電路，用繼電器作為核心控制器件，通過控制繼電器觸頭吸合或斷開來控制電源輸出的口的開啟和關(guān)閉管理。使用安卓手機(jī)APP連接ESP8266無線Wi-Fi遙控模塊，用手機(jī)APP來控制ESP8266的GPIO口的輸出信號(hào)，輸出信號(hào)通過控制三極管的導(dǎo)通或截止，使其繼電器線圈的得電或斷電，從而實(shí)現(xiàn)開關(guān)的控制。圖5為遠(yuǎn)程開關(guān)控制原理框圖。

2.3 自動(dòng)調(diào)壓電路轉(zhuǎn)換效率的分析計(jì)算

2.3.1 自動(dòng)調(diào)壓電路轉(zhuǎn)換效率分析

電路降壓調(diào)壓，其實(shí)就是電能的變換。那么電路在降壓變換過程中就會(huì)存在電能損耗的問題，電能的損耗多少，會(huì)影響電能輸出轉(zhuǎn)換效率高低。在DC-DC將壓電路變換中，MOSFET開關(guān)同步降壓原理應(yīng)用比較廣泛且技術(shù)相對成熟，是一種相對比較高效率的典型降壓電路，在很多實(shí)際應(yīng)用電路上轉(zhuǎn)換效率都可以達(dá)到90%左右。

2.3.2 理論降壓效率計(jì)算

理論降壓效率11= （Pl/P2） xl00%，其中Pl為輸出功率，P2為輸入功率。

理論升壓效率的計(jì)算，參考KIM-3R35官方給出的數(shù)據(jù)，用35V供電，輸出電壓從5V到30V，經(jīng)計(jì)算效率都在92%以上。

3 電路與程序設(shè)計(jì)

3.1 電路的設(shè)計(jì)

3.1.1 系統(tǒng)總體框圖

系統(tǒng)總體框圖如圖6所示。

3.1.2 自動(dòng)調(diào)壓子系統(tǒng)框圖與電路原理圖

自動(dòng)調(diào)壓子系統(tǒng)框圖如圖7所示。

自動(dòng)調(diào)壓子系統(tǒng)電路如圖8所示。

3.1.3 采樣顯示子系統(tǒng)框圖與電路原理圖

采樣顯示子系統(tǒng)框圖如圖9所示。

采樣顯示子系統(tǒng)電路如圖10所示。

3.2 程序的設(shè)計(jì)

3.2.1 程序功能描述

軟件部分主要實(shí)現(xiàn)信號(hào)采樣轉(zhuǎn)換和數(shù)據(jù)處理顯示。

（1）信號(hào)采樣轉(zhuǎn)換;采集電壓、電流信號(hào)，模數(shù)轉(zhuǎn)換以及運(yùn)算處理。

（2）數(shù)據(jù)處理顯示：數(shù)據(jù)運(yùn)算處理，顯示電壓值、電流值、功率值等。

3.2.2 程序流程圖

主程序流程圖如圖11所示。

A/D子程序流程圖如圖12所示。

4 測試結(jié)果及分析

測試儀器：數(shù)字萬用表、水泥電阻、筆記本電腦、安卓手機(jī)等。

4.1 測試結(jié)果

自動(dòng)調(diào)壓線測試結(jié)果如表1所示。

電源轉(zhuǎn)換效率測試結(jié)果如表2所示。

手機(jī)APP兼容測試結(jié)果如表3所示。

4.2 測試分析與結(jié)論

根據(jù)上述測試數(shù)據(jù)，自動(dòng)調(diào)壓線接入電源輸出口均能正確識(shí)別，輸出電壓與設(shè)定電壓差別非常小;在電源轉(zhuǎn)換效率測試時(shí)，接上負(fù)載，輸出口電壓值沒有明顯的偏差，整體效率也在70%以上，但是在5V電壓輸出時(shí)效率僅僅只有46%，轉(zhuǎn)換效率偏低;手機(jī)APP隨機(jī)使用幾款常見的手機(jī)進(jìn)行安裝測試，都能兼容且可以實(shí)現(xiàn)遙控控制。由此可以得出以下結(jié)論

測試5V電壓輸出電源的轉(zhuǎn)換效率時(shí)，電源整體效率過低的原因是負(fù)載的功率偏小，電源本身就存在7W左右的消耗功率。

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