帶車載電池電壓實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)的USB充電器研究

張 咪

(金華融盛投資發(fā)展集團(tuán)有限公司，浙江 金華 321017)

0 引言

隨著生活水平的提高，人們出行的次數(shù)也越來(lái)越頻繁，汽車為其中最重要的交通工具。當(dāng)今的時(shí)代是智能的時(shí)代，電子設(shè)備發(fā)展越來(lái)越快，然而有時(shí)人們外出時(shí)，會(huì)遇到電子產(chǎn)品沒(méi)電的情況，作為我們平時(shí)外出的主要交通工具——汽車，如果可以實(shí)現(xiàn)給移動(dòng)設(shè)備充電的功能，那就解決了很多不方便，將很大程度上便利我們的生活[1]。因此研究車載充電器具有實(shí)際意義，并且能夠帶來(lái)巨大的生活便利和經(jīng)濟(jì)效益。

1 系統(tǒng)結(jié)構(gòu)

本文主要研究如何在車載環(huán)境下給移動(dòng)設(shè)備充電，并且實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)汽車電瓶電壓；同時(shí)還要研究實(shí)現(xiàn)危險(xiǎn)情況下的及時(shí)報(bào)警，以及輸入負(fù)載過(guò)大時(shí)的自保護(hù)電路。系統(tǒng)結(jié)構(gòu)如圖1所示。

圖1 系統(tǒng)結(jié)構(gòu)框圖

汽車電瓶產(chǎn)生12 V直流電壓輸入到車載充電系統(tǒng)中，由LM2596 DC/DC降壓模塊把12 V的DC電壓降到了5 V，一路用于單片機(jī)供電，另一路則作為輸出電壓給移動(dòng)電子設(shè)備充電。繼電器的通斷控制移動(dòng)電子設(shè)備充放電。單片機(jī)則循環(huán)采集電瓶電壓然后實(shí)時(shí)反饋到液晶顯示屏，當(dāng)輸入電壓超過(guò)規(guī)定范圍，報(bào)警器則會(huì)立馬報(bào)警，同時(shí)蜂鳴器也發(fā)出響聲[2]。

2 系統(tǒng)硬件設(shè)計(jì)

如圖2所示為系統(tǒng)電路原理圖，主要包括：電源電路、控制模塊、顯示模塊、輸出模塊、報(bào)警模塊、復(fù)位模塊。電源轉(zhuǎn)換采用LM2596s 降壓模塊，單片機(jī)采用宏晶新一代STC12C5A40S2，繼電器采用HK4100F，液晶顯示屏采用LCD1602，過(guò)載保護(hù)采用保險(xiǎn)絲。

2.1 電源電路

如圖3所示是車載充電器系統(tǒng)的電源電路：

汽車電瓶電壓為12 V，作為輸入電壓接入到VCC端。保險(xiǎn)絲起過(guò)載保護(hù)作用，電源電路12 V的直流電壓降到5 V，5 V電壓將用于給移動(dòng)電子設(shè)備充電，同時(shí)也要用于給單片機(jī)、報(bào)警電路、復(fù)位電路以及顯示屏接口電路供電。

2.2 LM2596 DC/DC 可調(diào)降壓模塊

通過(guò)LM2596模塊電路驅(qū)動(dòng)LM2596DC/DC可調(diào)降壓模塊，如圖4所示，對(duì)輸入的汽車電瓶電壓進(jìn)行轉(zhuǎn)換[3]。

圖2 系統(tǒng)總體電路原理圖

圖3 電源電路

圖4 LM2596模塊電路圖

輸入電壓的區(qū)間值：直流是3.2 V一直到40 V；輸出電壓的區(qū)間值：直流是1.25 V一直到35 V，此范圍內(nèi)的電壓是持續(xù)可調(diào)的，最大效率可以達(dá)到92%。而經(jīng)過(guò)實(shí)際測(cè)量，12 V的輸入電壓，5 V的輸出電壓，電流1A時(shí)的負(fù)載調(diào)整率低于1%。使用時(shí)，只需要調(diào)節(jié)可調(diào)電阻，達(dá)到需要的輸出電壓，該模塊的一大特性就是無(wú)論多么惡劣的工作狀況下，都可以穩(wěn)定輸出5 V的電壓。

2.3 主處理電路

本文采用的處理芯片為STC12C5A40S2新一代單片機(jī)，循環(huán)采集輸入電壓，然后經(jīng)AD轉(zhuǎn)換將信號(hào)反饋到液晶顯示屏上，同時(shí)也控制繼電器的閉合和斷開(kāi)，控制報(bào)警電路和復(fù)位電路，它是整個(gè)車載充電系統(tǒng)的核心。

如圖5所示為主處理電路，R2，R3用于分壓，J1 是串行口，晶振的充放電則靠C4、C5來(lái)實(shí)現(xiàn)，晶振產(chǎn)生規(guī)定的12 MHz的基準(zhǔn)波，C2則是用于濾波，把躍變信號(hào)過(guò)濾掉，這樣給單片機(jī)提供的直流電壓就會(huì)較為穩(wěn)定；管腳1檢測(cè)輸入信號(hào)，管腳9控制復(fù)位電路，管腳10接收串口信號(hào)，管腳10發(fā)送信號(hào)給串行口，單片機(jī)檢測(cè)管腳14的狀態(tài)，控制管腳16的狀態(tài)，從而控制繼電器的閉合與斷開(kāi)，管腳 26到28則是將單片機(jī)信號(hào)傳輸給液晶顯示屏，管腳32到39插有排阻，將單片機(jī)鉗在高電位，管腳 40則是VCC，用于給單片機(jī)供電。

2.4 繼電器電路

如圖6所示，繼電器控制輸出電壓的有無(wú)給移動(dòng)電子設(shè)備充放電，當(dāng)需要充電時(shí)，單片機(jī)輸入低電平來(lái)控制繼電器，這時(shí)繼電器的常開(kāi)觸點(diǎn)閉合，此時(shí)V5和R4組成的狀態(tài)指示燈點(diǎn)亮，管腳6有輸出電流，移動(dòng)設(shè)備正常充電；當(dāng)不需充電時(shí)，單片機(jī)輸出高電平來(lái)控制繼電器，在高電平控制信號(hào)下，繼電器處于斷開(kāi)狀態(tài)，狀態(tài)指示燈熄滅，移動(dòng)設(shè)備無(wú)法充電。R8及R11為保護(hù)電阻；三極管V2用于截止或者導(dǎo)通繼電器的電流，二極管V4用于吸收和釋放繼電器停止供電時(shí)產(chǎn)生的反向電動(dòng)勢(shì)，且避免反向電動(dòng)勢(shì)把三極管擊穿，干擾其他電路[4]；電容C7和C8的作用是減少紋波，輸出穩(wěn)定的電壓用于給移動(dòng)電子設(shè)備充電。

圖5 主處理電路圖

圖6 繼電器電路

2.5 顯示屏接口電路

單片機(jī)循環(huán)檢測(cè)并且經(jīng)過(guò)內(nèi)部計(jì)算后，將所測(cè)得的電瓶電壓值傳送給 LCD1602液晶顯示屏，液晶顯示屏顯示相應(yīng)的電壓和狀態(tài)：當(dāng)電壓正常時(shí)，液晶屏上顯示相應(yīng)的電壓及State Normal；當(dāng)電瓶電壓超過(guò)規(guī)定的14 V上限電壓時(shí)，顯示State High；當(dāng)電瓶電壓超過(guò)下限10 V時(shí)，顯示State Low。

2.6 報(bào)警電路

報(bào)警電路的作用是在輸入的電瓶電壓超過(guò)規(guī)定的10 V～14 V的安全電壓范圍值時(shí)，則會(huì)啟動(dòng)報(bào)警電路，讓用戶及時(shí)發(fā)現(xiàn)，并快速關(guān)閉電壓防止危險(xiǎn)情況的發(fā)生。

2.7 復(fù)位電路

在車載系統(tǒng)運(yùn)行的過(guò)程中，難免會(huì)遇到單片機(jī)死機(jī)的情況，當(dāng)這種情況發(fā)生時(shí)，按下復(fù)位按鈕，信號(hào)通過(guò)RESET管腳傳輸給單片機(jī)，單片機(jī)的程序則會(huì)重新執(zhí)行，使整個(gè)車載系統(tǒng)正常工作。

3 系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)

單片機(jī)接通電源之后，便開(kāi)始工作，然后進(jìn)行單片機(jī)、液晶屏、串口、以及ADC一系列初始化工作，單片機(jī)根據(jù)降壓模塊輸出的電壓進(jìn)行判斷是否穩(wěn)定，對(duì)輸出電壓進(jìn)行控制，并循環(huán)檢測(cè)及顯示電瓶電壓和狀態(tài)。

3.1 電壓值顯示模塊

電壓值顯示模塊的主要功能是對(duì)輸入電壓進(jìn)行AD轉(zhuǎn)換，并顯示到液晶顯示屏上。具體流程是：?jiǎn)纹瑱C(jī)I/O口將分壓電阻分出的電壓進(jìn)行讀取，然后通過(guò)單片機(jī)AD模塊，進(jìn)行電壓的比較和換算，將模擬量轉(zhuǎn)換成數(shù)字量，輸送到液晶顯示屏，顯示電瓶電壓。

AD轉(zhuǎn)換數(shù)據(jù)讀取流程：片選信號(hào)置底，等待AD芯片確認(rèn)片選信號(hào)，并將AD轉(zhuǎn)換結(jié)果最高位傳送到數(shù)據(jù)口，此后每一個(gè)下降沿時(shí)鐘到來(lái)時(shí)，AD芯片都會(huì)將下一位轉(zhuǎn)換結(jié)果傳送到數(shù)據(jù)口，當(dāng)?shù)谄邆€(gè)下降沿到來(lái)后，AD轉(zhuǎn)換的8位數(shù)據(jù)已全部發(fā)送完畢，這時(shí)再給一個(gè)下降沿，AD芯片進(jìn)行下一次AD轉(zhuǎn)換。AD轉(zhuǎn)換期間不允許對(duì)AD芯片進(jìn)行操作，所以在第八個(gè)下降沿后，置片選信號(hào)為高或者保持時(shí)鐘信號(hào)為低電平。

3.2 繼電器控制

繼電器控制模塊的主要作用是控制繼電器的閉合和斷開(kāi)，從而控制輸出電壓。具體流程是：?jiǎn)纹瑱C(jī)檢測(cè)輸入電壓的狀態(tài)，當(dāng)檢測(cè)到的電壓為較穩(wěn)定的5 V電壓時(shí)，控制繼電器開(kāi)關(guān)閉合，有電壓輸出給移動(dòng)設(shè)備供電，如果片機(jī)檢測(cè)到的電壓為不穩(wěn)定的電壓時(shí)，控制繼電器開(kāi)關(guān)斷開(kāi)，處于斷電狀態(tài)。

3.3 報(bào)警狀態(tài)判斷模塊

報(bào)警狀態(tài)判斷模塊的主要功能就是對(duì)輸入電壓的值是否超過(guò)預(yù)定值進(jìn)行判斷。具體流程如下：當(dāng)輸入的電瓶電壓被單片機(jī)采集后，與預(yù)設(shè)好的電壓的范圍進(jìn)行比較，當(dāng)高于14 V和低于10 V時(shí)，蜂鳴器開(kāi)始報(bào)警，并且報(bào)警標(biāo)志置位，如果在10 V～14 V的范圍內(nèi)，則蜂鳴器不報(bào)警，且清零報(bào)警標(biāo)志。

4 系統(tǒng)測(cè)試

通過(guò)220 V交流轉(zhuǎn)12 V直流轉(zhuǎn)換器模擬汽車電瓶產(chǎn)生12 V的直流電壓，LM2596 DC/DC降壓模塊將12 V的DC電壓降到了5 V，一路用于單片機(jī)供電，一路用作輸出電壓給移動(dòng)電子設(shè)備充電。當(dāng)單片機(jī)檢測(cè)到的電壓為穩(wěn)定輸出的5 V時(shí)，單片機(jī)控制繼電器吸合，給移動(dòng)電子設(shè)備充電；當(dāng)單片機(jī)檢測(cè)到的電壓不穩(wěn)定時(shí)，單片機(jī)控制繼電器斷開(kāi)，停止給移動(dòng)設(shè)備充電。單片機(jī)用于循環(huán)采集電瓶電壓然后實(shí)時(shí)反饋到液晶顯示屏，當(dāng)輸入電壓超過(guò)規(guī)定范圍，報(bào)警器則會(huì)立馬報(bào)警，同時(shí)蜂鳴器也會(huì)發(fā)出響聲。

5 結(jié)束語(yǔ)

本文介紹了一種車載電池電壓實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)的 USB充電器。該充電器首先具有最基本的支持車載充電功能，同時(shí)能夠?qū)崟r(shí)監(jiān)測(cè)并顯示汽車電瓶電壓。采用降壓模塊對(duì)電瓶電壓進(jìn)行降壓，輸出穩(wěn)定的5 V電壓對(duì)移動(dòng)設(shè)備供電；同時(shí)采用宏晶新一代 51單片機(jī)對(duì)輸入電壓循環(huán)采集，經(jīng)AD轉(zhuǎn)換后，通過(guò)顯示屏顯示出來(lái)；繼電器起到實(shí)現(xiàn)當(dāng)輸入電壓是否在安全范圍內(nèi)時(shí)的通斷電作用；報(bào)警系統(tǒng)則更方便的提醒用戶所使用的車載充電器出現(xiàn)異常；復(fù)位電路則是起到單片機(jī)死機(jī)處理作用。

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