多功能家用電源設(shè)計(jì)

虢 優(yōu),聶俊飛＊,王文華,趙彥斐,徐潔輝

（邵陽(yáng)學(xué)院電氣工程系,湖南 邵陽(yáng) 422000）

0 引言

隨著電子技術(shù)的迅速發(fā)展，電子產(chǎn)品的也越來(lái)越多，人類的生活方式和生活習(xí)慣也逐漸發(fā)生變化。手機(jī)、電腦、相機(jī)、IPAD、剃須刀、電動(dòng)牙刷等電子產(chǎn)品也出現(xiàn)在越來(lái)越多人的生活中。目前這些常用的家用電子產(chǎn)品的供電方式不統(tǒng)一和每種特殊電子設(shè)備的特殊要求，其充電器標(biāo)準(zhǔn)也都不一樣；在普通用戶家中充電器的數(shù)量高達(dá)數(shù)十種，充電器的種類繁多給用戶帶來(lái)不良的體驗(yàn)，尤其是在某些充電設(shè)備損壞后給生活帶來(lái)極大的不便，因此設(shè)計(jì)一種多功能智能家用電源是非常必要的。

1 系統(tǒng)功能

系統(tǒng)采用功能強(qiáng)大的STM32單片機(jī)作為控制核心，系統(tǒng)的供電采用兩種方式，家中未停電時(shí)采用交流220V市電作為供電，當(dāng)停電時(shí)采用鉛酸電池作為系統(tǒng)的主供電電源。系統(tǒng)輸出有3.3V直流，5V直流端，12V直流端，0-24V輸出可調(diào)直流端，手機(jī)快速充電端口等；每一路的輸出與否都可以通過(guò)按鍵設(shè)置，并通過(guò)顯示屏實(shí)時(shí)顯示出來(lái)。系統(tǒng)具有過(guò)壓過(guò)流過(guò)溫保護(hù)功能。

2 系統(tǒng)硬件組成

多功能智能電源控制系統(tǒng)主要由STM32最小系統(tǒng)、多路輸出直流穩(wěn)壓電路、時(shí)間溫度模塊、繼電器及其驅(qū)動(dòng)電路、顯示電路。其中多路輸出直流穩(wěn)壓電壓電路有3.3V直流，5V直流端，12V直流端，0-24V輸出可調(diào)直流端，手機(jī)快速充電端口等。STM32單片機(jī)最小系統(tǒng)采集按鍵信號(hào)和各路電源的輸出電壓來(lái)控制繼電器以及顯示器顯示各種信息。

2.1 STM32最系統(tǒng)

該系統(tǒng)采用了STM32單片機(jī)來(lái)實(shí)現(xiàn)，相比其它單片機(jī)STM32單片機(jī)具有功能強(qiáng)大，價(jià)格便宜等優(yōu)點(diǎn)。STM32單片機(jī)是意法半導(dǎo)體公司推出的高性能、低價(jià)、高穩(wěn)定性的超低功耗微處理器。該單片機(jī)的系統(tǒng)時(shí)鐘高達(dá)72MHz，消耗的電流僅為36mA，待機(jī)狀態(tài)下可以下降到2。單片機(jī)具有豐富的外設(shè)：SPI，IIC，AD采樣，DA，CAN接口等，非常方便做擴(kuò)展[1]。在本系統(tǒng)中采用外部8MHz晶振，讓單片機(jī)工作在72MHz時(shí)鐘狀態(tài)下。最小系統(tǒng)框圖如圖1STM32單片機(jī)最小系統(tǒng)所示。

圖1 STM32單片機(jī)最小系統(tǒng)

2.2 多路輸出電源電路

為滿足家用電子設(shè)備的各種需求，系統(tǒng)采用性能穩(wěn)定的多副邊工頻變壓器把220V交流降為所需要的低電壓交流。3.3V、5V、12V直流主要采用LM系列的直流穩(wěn)壓芯片，在實(shí)際應(yīng)用中加入散熱片可以提供高達(dá)1.5A的電流。3.3V電源主要為本系統(tǒng)單片機(jī)和溫度時(shí)間傳感器等提供電源；5V的直流電源給普通的5V家用電氣設(shè)備供電，12V電源一方面給常用家用電子設(shè)備供電，另一方面給繼電器驅(qū)動(dòng)電路供電。0-24V輸出可調(diào)電源采用開(kāi)關(guān)電源芯片LM2576。該芯片可以提供3A電流，當(dāng)某些特殊電子設(shè)備需要不常用電壓充電時(shí)就可以調(diào)節(jié)LM2576的調(diào)節(jié)端是輸出滿足要求。如果系統(tǒng)中的其他電源出現(xiàn)問(wèn)題時(shí)也可以采用此電源來(lái)替代[2]。

在實(shí)際使用過(guò)程中，考慮有一些設(shè)備采用雙電源供電；此時(shí)如果采用帶中心抽頭變壓器和79系列的穩(wěn)壓芯片來(lái)實(shí)現(xiàn)則會(huì)大大增加電路的成本。在設(shè)計(jì)過(guò)程中靈活采用DC-DC電源芯片7660S， 可以把直流正電源3.3V，5V，12V轉(zhuǎn)換為相應(yīng)的-3.3V，-5V ，-12V。多路電源輸出電路如圖2所示。

圖2 負(fù)電源輸出電路

圖3 鉛酸電池恒壓恒流浮充電路

2.3 鉛酸電池充放電電路

系統(tǒng)具有備用鉛酸電池，在有50Hz正弦交流市電時(shí)，鉛酸電池充電吸收電能；在無(wú)正弦交流市電時(shí)，鉛酸電池可以直接作為5V，3.3V，12V的輸入信號(hào)從而給相應(yīng)的負(fù)載供電。該系統(tǒng)給鉛酸電池預(yù)留太陽(yáng)能充電接口，以方便后續(xù)的繼續(xù)開(kāi)發(fā)使用。系統(tǒng)中采樣12V鉛酸電池作為備用電源，考慮到成本和電路的可靠性問(wèn)題，電路采用傳統(tǒng)的恒壓恒流浮充的充電方式對(duì)鉛酸電池進(jìn)行充電。充電控制芯片采用線性直流可調(diào)穩(wěn)壓芯片LM317，單片機(jī)采樣鉛酸電池的電壓判斷電池的狀態(tài)，然后控制LM317實(shí)現(xiàn)恒壓恒流充電。LM317恒壓恒流浮充電路如圖3所示。

2.4 繼電器及其驅(qū)動(dòng)電路

繼電器選用12V直流驅(qū)動(dòng)，系統(tǒng)中各路電源的輸出控制和總的電源保護(hù)均采用繼電器來(lái)控制，根據(jù)設(shè)計(jì)選用5個(gè)繼電器?？紤]到繼電器數(shù)量較多，并不是直接采用放大電路做為驅(qū)動(dòng)電路來(lái)直接驅(qū)動(dòng)繼電器，而是采用采用ULN2003來(lái)驅(qū)動(dòng)繼電器，ULN2003內(nèi)部為達(dá)林頓對(duì)管，其驅(qū)動(dòng)能力強(qiáng)為500mA，每個(gè)繼電器的驅(qū)動(dòng)電流為20mA，所以能滿足設(shè)計(jì)要求。繼電器及驅(qū)動(dòng)電路如下圖4所示。

圖4 繼電器及其驅(qū)動(dòng)電路

2.5 溫度時(shí)間模塊

本系統(tǒng)還設(shè)計(jì)了時(shí)鐘和溫濕度實(shí)時(shí)顯示功能。時(shí)鐘芯片采用性能穩(wěn)定可靠的DS1302實(shí)時(shí)時(shí)鐘芯片。DS1302具有串行接口可以跟STM32單片機(jī)直接通信，其功耗低至1mV，并具有備用電池涓流充電功能。

溫濕傳感器采用DS18B20。DS18B20采用單線數(shù)字通信，測(cè)量溫度范圍為-55～125℃之間，單片機(jī)可以直接讀取數(shù)字溫度使用非常方便。采用DS1302和DS18B20均能滿足設(shè)計(jì)要求。

3 程序設(shè)計(jì)

圖5 主程序流程圖

系統(tǒng)程序主要分為兩步進(jìn)行設(shè)計(jì)，第一步有STM32單片機(jī)檢測(cè)是否有220V交流輸入，來(lái)控制系統(tǒng)中繼電器來(lái)控制電池是否充電；第二步每一路電源的輸出都是可以獨(dú)立控制，其輸出電壓都通過(guò)采樣電路送到單片機(jī)從而實(shí)時(shí)顯示每一路的電源的開(kāi)關(guān)狀態(tài)和電壓等信息[4]。其主程序流程圖如圖5主程序流程圖所示。

系統(tǒng)中的溫濕度、時(shí)間程序放入定時(shí)器中斷1，輸出電壓電流檢測(cè)顯示放入中斷2。其中時(shí)間溫度顯示每隔一秒定時(shí)器產(chǎn)生中斷，讀取溫濕度和時(shí)間的參數(shù)，在通過(guò)OLED等顯示設(shè)備顯示時(shí)間；由于時(shí)間芯片是通過(guò)DS1302來(lái)實(shí)現(xiàn)，只要對(duì)程序稍作修改就可以實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)的精確時(shí)鐘自動(dòng)控制。如圖6中斷流程圖所示：

圖6 中斷程序

4 結(jié)束語(yǔ)

本文通過(guò)實(shí)驗(yàn)的方法驗(yàn)證了整個(gè)系統(tǒng)可以安全可靠的自動(dòng)運(yùn)行，能夠穩(wěn)定的輸出預(yù)期的電壓，實(shí)現(xiàn)手機(jī)等常用電子設(shè)備的穩(wěn)定的充電，滿足日常的需求。在下一步的研究中準(zhǔn)備給系統(tǒng)加入太陽(yáng)能和風(fēng)能充電裝置，實(shí)現(xiàn)家用電子設(shè)備綠色能源的使用。

[1]楊偉明等.基于STM32微控制器的數(shù)控穩(wěn)壓穩(wěn)流電源設(shè)計(jì)[J].天津科技大學(xué)學(xué)報(bào),2012(05):56-60.

[2]聶俊飛等.鉛酸電池三段式快速智能充電仿真設(shè)計(jì)[J].儀表技術(shù),2016(09):115-118.

[3]練杰,聶俊飛等.基于MSP430單片機(jī)的多功能藍(lán)牙溫度檢測(cè)系統(tǒng)

[4]張達(dá)敏,呂征宇等.一種電流型電動(dòng)汽車快速充電電路研究[J].電力電子技術(shù),2017(02):100-102.