無線遙控智能電源的設計與實現

陳惠靜 林家鑄 丁康佳 莫儒浩

摘要 無線遙控智能電源的設計采用AC-DC開關電源為前級降壓變換模塊，對KIM-3R35 DC-DC模塊電路進行重新設計和修改，作為自動調壓的核心電路，通過外部輸出口連接特制線材，實現自動調壓功能。利用單片機、ADC模數轉換芯片實現電壓、電流檢測，LCD16 02進行數據顯示。遠程管理采用ESP8266無線Wi-Fi模塊和繼電器開關電路，配合手機APP軟件可以進行遠程開啟和關閉控制。電源內部設有過載保護、短路保護等功能。通過論證，本作品能夠應用于常用電子產品的充電，實用性強。

【關鍵詞】智能電源 自動調壓 LCD顯示 遠程遙控

無線遙控智能電源，兼容多種電子產品，包括筆記本電腦、手機、無線路由器、臺燈等，可以代替各類直流電源適配器，達到一機多用的效果，輸出穩定、經濟實惠，安全性能高，使用范圍廣，有較好的市場經濟價值。

本作品由開關電源、ATTINY26單片機、LCD1602液晶屏、無線遙控和LT1083cp調壓模塊等幾個部分組成。主要功能如下：

（1）電壓智能輸出。配合相應的電源線，經智能調壓后可給不同電壓要求的電子產品供電。

（2）雙開關控制模式。配備WIFI功能后可進行無線遠程控制模式;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，設計有手動開關模式。

（3）實時監控。在LCD1602液晶顯示屏上可察看正在充電的電子產品的實時電壓和電流，起到監控該電子產品安全的作用。

（4）電路保護功能。電源內部設計有電路短路保護以及過流保護功能。

（5）雙路輸出。電源擴展有A、B雙路輸出，可同時為兩個電子產品供電。

1 系統方案

本系統主要由前級降壓模塊、自動調壓模塊、顯示系統模塊、控制模塊組成，下面分別論證這幾個模塊的選擇。

1.1 前級降壓模塊的論證與選擇

1.1.1 方案一

環牛變壓器降壓。傳統的環牛變壓器降壓的優點是輸出功率大，電路簡單。缺點是市電電壓的不穩定會導致輸出電壓有波動，穩定性相對較差，而且體積大龐大，非常笨重，不利于便攜。

1.1.2 方案二

開關電源。相比的傳統環牛變壓器降壓，開關電源變壓模塊降壓輸出更穩定，且體積小、功率大、轉換效率高，不會隨市電電壓的改變而造成輸出電壓有波動，更加符合設計需求。

以上二種方案綜合分析，采用方案二。

1.2 自動調壓模塊的論證與選擇

1.2.1 方案一

LT1083CP三端穩壓管。LT1083CP三端穩壓管的優點是可以實現大電流、高功率的可調線性穩壓輸出，缺點是輸入輸出的壓差小，無法滿足寬電壓輸出，壓差過大時，發熱量大，穩定性和電源的轉換效率大大降低。

1.2.2 方案二

KIM-3R35 DC-DC模 塊。 KIM-3R35DC-DC模塊的體積小、價格便宜、性能卓越，有超寬的輸出電壓和高達8A的峰值電流，采用同步降壓原理，發熱量小，效率高，經過適當電路修改，即可改裝成調壓電路。

以上二種方案綜合分析，采用方案二。

1.3 顯示系統的論證與選擇

1.3.1 方案一

數碼管顯示。數碼管的優點是體積小、使用壽命長，價格便宜，缺點是只能顯示簡單的數字，無法完成多樣復雜的顯示內容，無法滿足設計的需求。

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，更好的監護用電設備。

以上二種方案綜合分析，采用方案二。

1.4 控制系統的論證與選擇

1.4.1 方案一

315M遙控模塊。315M遙控模塊的優點是控制簡單，價格實惠，缺點是遙控距離短，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模塊的功能強大，采用無線數字信號傳輸，有超強的抗干擾能力，配合開發好的手機APP軟件使用，可以實現強大的遠程控制管理，通用性強、可擴展性好，實用性高且便于操作。

以上二種方案綜合分析，采用方案二。

2 系統理論分析與計算

2.1 核心電路的分析

2.1.1 降壓電路原理分析

本設計采用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功率MOSFET開關管的能量傳遞過程。給MOSFET管施加一個整流交變電壓同步驅動信號，在整流電壓正半周期到來控制MOFFET管的導通，負半周到來時控制MOSFET管截止，MOSFET管的導通、截止和整流的電壓相位同步。如果這個通斷過程不斷重復，就可以實現同步整流降壓，同步信號的頻率越低，MOSFET管輸出的電壓也越低。圖l為降壓原理框圖。

2.1.2 自動調壓原理分析

自動調壓電路，采用信號反饋原理實現，在電源的輸出電路設有信號檢測電路，當有特制電源線材插入電源輸出端口時，特制電源線材的信號會反饋給調壓電路進行調壓，實現電壓自動調節功能。圖2為自動調壓原理框圖。

2.1.3 采樣顯示電路分析

采樣顯示電路，利用單片機實現，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，將采集好的模擬信號傳輸給ADC7705進行模數轉換芯片轉換成數字信號，ADC7705將模擬數字信號運算放大后反饋給單片機處理，單片機將信號運算處理完成后驅動LCD1602液晶顯示屏，從而顯示出用電器實時的工作電壓、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，內置TC P/IP協議棧，支持WPA/WPA2安全模式。當無線上網接入承擔Wi-Fi適配器的任務時，可以使用手機終端設備通過無線網絡連接操控ESP8266內部的固件程序，使其可以控制連接在GPIO口的其他應用模塊或特定的設備。

2.2.2 APP開發分析

APP開發使用E4A（易安卓）易語言編寫，APP界面如圖4所示。

2.2.3 開關控制電路分析

開關控制電路，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閉管理。使用安卓手機APP連接ESP8266無線Wi-Fi遙控模塊，用手機APP來控制ESP8266的GPIO口的輸出信號，輸出信號通過控制三極管的導通或截止，使其繼電器線圈的得電或斷電，從而實現開關的控制。圖5為遠程開關控制原理框圖。

2.3 自動調壓電路轉換效率的分析計算

2.3.1 自動調壓電路轉換效率分析

電路降壓調壓，其實就是電能的變換。那么電路在降壓變換過程中就會存在電能損耗的問題，電能的損耗多少，會影響電能輸出轉換效率高低。在DC-DC將壓電路變換中，MOSFET開關同步降壓原理應用比較廣泛且技術相對成熟，是一種相對比較高效率的典型降壓電路，在很多實際應用電路上轉換效率都可以達到90%左右。

2.3.2 理論降壓效率計算

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

理論升壓效率的計算，參考KIM-3R35官方給出的數據，用35V供電，輸出電壓從5V到30V，經計算效率都在92%以上。

3 電路與程序設計

3.1 電路的設計

3.1.1 系統總體框圖

系統總體框圖如圖6所示。

3.1.2 自動調壓子系統框圖與電路原理圖

自動調壓子系統框圖如圖7所示。

自動調壓子系統電路如圖8所示。

3.1.3 采樣顯示子系統框圖與電路原理圖

采樣顯示子系統框圖如圖9所示。

采樣顯示子系統電路如圖10所示。

3.2 程序的設計

3.2.1 程序功能描述

軟件部分主要實現信號采樣轉換和數據處理顯示。

（1）信號采樣轉換;采集電壓、電流信號，模數轉換以及運算處理。

（2）數據處理顯示：數據運算處理，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 測試結果及分析

測試儀器：數字萬用表、水泥電阻、筆記本電腦、安卓手機等。

4.1 測試結果

自動調壓線測試結果如表1所示。

電源轉換效率測試結果如表2所示。

手機APP兼容測試結果如表3所示。

4.2 測試分析與結論

根據上述測試數據，自動調壓線接入電源輸出口均能正確識別，輸出電壓與設定電壓差別非常小;在電源轉換效率測試時，接上負載，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電壓輸出時效率僅僅只有46%，轉換效率偏低;手機APP隨機使用幾款常見的手機進行安裝測試，都能兼容且可以實現遙控控制。由此可以得出以下結論

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

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