摘 要：本文以Atmega48單片機(jī)為控制核心，利用單片機(jī)內(nèi)部模數(shù)轉(zhuǎn)換功能，通過對(duì)電池的充放電的電流、電壓取樣瞬時(shí)判斷當(dāng)前電池或負(fù)載的工作特性，將實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)或故障現(xiàn)象通過LCD顯示，同時(shí)通過CAN總線模塊CSM100傳至上位機(jī)。

關(guān)鍵詞：電源管理 故障保護(hù) 單片機(jī)

機(jī)器人已經(jīng)走入我們的生活，成為我們工作生活的重要一部分，他們時(shí)時(shí)刻刻為人類服務(wù)著。如：擦玻璃機(jī)器人、清掃機(jī)器人、排爆機(jī)器人，廣泛應(yīng)用于井下救援、管道安檢等等，基本上涵蓋了生活的各個(gè)領(lǐng)域，為我們提供了極大的便利。

本系統(tǒng)基于巡更機(jī)器人而設(shè)計(jì)。巡更機(jī)器人是集視頻信號(hào)、超聲波傳感器為一體的檢測(cè)裝置，通過現(xiàn)場(chǎng)總線集總于上位機(jī)，它能夠?qū)崟r(shí)地把視頻數(shù)據(jù)、位置和自身的工作狀態(tài)傳輸至工控機(jī)，同時(shí)實(shí)現(xiàn)現(xiàn)場(chǎng)、遠(yuǎn)程控制，滿足了夜巡的需要，可以把周圍的路況信息通過攝像頭的采集、經(jīng)單片機(jī)處理反饋給顯示器供用戶參考，并通過無線通信傳至遠(yuǎn)程的上位機(jī)，最終實(shí)現(xiàn)遠(yuǎn)距離控制，而取代了人工巡邏。本設(shè)計(jì)主要是給移動(dòng)機(jī)器人提供電源管理功能，讓機(jī)器人更高精度、高效率地工作，同時(shí)還應(yīng)用于許多直流工控領(lǐng)域。

一、系統(tǒng)方案設(shè)計(jì)

根據(jù)系統(tǒng)的題目要求，本系統(tǒng)分為人機(jī)交互模塊部分、單片機(jī)控制模塊部分、信號(hào)采樣處理部分、故障保護(hù)、充放電切換、零壓保護(hù)、報(bào)警模塊、電源模塊、CAN通信模塊。系統(tǒng)的控制過程如下：合上總開關(guān)，單片機(jī)初始化；初始化完成后（確認(rèn)沒有故障時(shí)），繼電器K接通主電路得電；正常運(yùn)行時(shí)、液晶顯示當(dāng)前電流、電壓；自行檢測(cè)到故障（欠壓、過載、溫度）時(shí)，切斷繼電器K使電動(dòng)機(jī)停止運(yùn)行；同時(shí)這些電源工作狀態(tài)時(shí)時(shí)通過CAN總線反饋給上位機(jī)，以便做出故障處理；在電池充滿電后，自動(dòng)切斷充電器；在充電時(shí)，保證主電路斷開。

1.人機(jī)交互模塊選擇

人機(jī)交互模塊部分需要提供輸入操作及信息的現(xiàn)實(shí)，使系統(tǒng)能夠更加直觀地為操作者提供相關(guān)設(shè)置及參數(shù)信息。在此模塊部分的設(shè)計(jì)中應(yīng)主要考慮到顯示模塊的設(shè)計(jì)。采用點(diǎn)陣式LCD，可以將用戶輸入的信息通過相應(yīng)的圖形或進(jìn)度條及時(shí)顯示出來，使用戶自定義輸入變得非常方便。而且，配合Flash ROM中的128×64點(diǎn)陣漢字庫，可以實(shí)現(xiàn)漢字顯示，使界面顯得非常親切。

液晶顯示模塊以其微功耗、體積小、顯示內(nèi)容豐富、模塊化、接口電路簡單等諸多優(yōu)點(diǎn)得到廣泛應(yīng)用。本設(shè)計(jì)能直觀顯示用戶輸入的信息，能夠?yàn)橛脩籼峁┎藛喂芾斫缑妗?/p>

2.單片機(jī)控制模塊選擇

單片機(jī)模塊部分是控制的核心，通過對(duì)電路中電流電壓量的采樣進(jìn)行運(yùn)算處理判斷是否過流或欠壓，根據(jù)結(jié)果執(zhí)行相應(yīng)的故障保護(hù)動(dòng)作。同時(shí)通過液晶顯示數(shù)據(jù)和當(dāng)前設(shè)備工作狀態(tài)。另一個(gè)重要功能就是和上位機(jī)完成CAN總線通信協(xié)議，接受或傳達(dá)上位機(jī)的指令。

AVR 單片機(jī)是 Atmel 公司 1997 年推出的 RISC 單片機(jī)。RISC（精簡指令系統(tǒng)計(jì)算機(jī)）是相對(duì)于CISC（復(fù)雜指令系統(tǒng)計(jì)算機(jī)）而言的。RISC 并非只是簡單地減少指令，而是通過使計(jì)算機(jī)的結(jié)構(gòu)更加簡單合理而提高運(yùn)算速度的。RISC 優(yōu)先選取使用頻率最高的簡單指令，避免復(fù)雜指令，并固定指令寬度，減少指令格式和尋址方式的種類，從而縮短指令周期，提高運(yùn)行速度。由于 AVR 采用了 RISC 的這種結(jié)構(gòu)，使AVR系列單片機(jī)都具備1MIPS/MHz（百萬條指令每秒/兆赫茲）的高速處理能力。因此本設(shè)計(jì)選用 Atmega48單片機(jī)作為系統(tǒng)的控制器。

3.系統(tǒng)電路設(shè)計(jì)

系統(tǒng)的硬件部分設(shè)計(jì)，包括主控電路、單片機(jī)控制電路、電源模組、驅(qū)動(dòng)控制電路、液晶顯示電路、故障保護(hù)電路，現(xiàn)場(chǎng)總線通信電路、信號(hào)采樣處理電路、報(bào)警裝置電路以及部分電路模塊的工作原理和各個(gè)模塊之間的控制關(guān)系。

二、主電路的設(shè)計(jì)

在本電源管理系統(tǒng)中，主電路是通過較大功率的電流回路，最終輸出供整機(jī)負(fù)載使用，負(fù)載包括行走電動(dòng)機(jī)（伺服電動(dòng)機(jī)），上位機(jī)、直流電動(dòng)機(jī)、步進(jìn)電動(dòng)機(jī)和攝像頭、各種傳感器供電，所以電流較大。通過各個(gè)大容量繼電器的控制通斷來實(shí)現(xiàn)電路的各種啟停、保護(hù)、模式轉(zhuǎn)換等功能。

1.驅(qū)動(dòng)電路

在本設(shè)計(jì)中有4組繼電器，這些繼電器線圈電壓為直流24V驅(qū)動(dòng)信號(hào)由單片機(jī)或其他方式接入。為了保證驅(qū)動(dòng)信號(hào)不受干擾，筆者采用光電隔離器TLP521完全可滿足要求。其原理以光為媒介傳輸電信號(hào)的一種電—光—電轉(zhuǎn)換器件，由發(fā)光源和受光器兩部分組成，把發(fā)光源和受光器組裝在同一密閉的殼體內(nèi)，彼此間用透明絕緣體隔離。發(fā)光源的引腳為輸入端，受光器的引腳為輸出端，常見的發(fā)光源為發(fā)光二極管，受光器為光敏二極管、光敏三極管等等。光電耦合器的種類較多，常見有光電二極管型、光電三極管型、光敏電阻型、光控晶閘管型、光電達(dá)林頓型、集成電路型等。

（1）啟動(dòng)、停止控制電路如圖1所示。啟動(dòng)信號(hào)取自電池兩端通過分壓得到，通過光耦、三極管放大驅(qū)動(dòng)繼電器線圈，具有自鎖和零壓保護(hù)功能。

（2）放電動(dòng)作模式控制電路如圖2所示。控制信號(hào)是從鑰匙轉(zhuǎn)換開關(guān)和單片機(jī)I/O口輸出，經(jīng)過光電隔離電路之后，經(jīng)三極管放大驅(qū)動(dòng)繼電器動(dòng)作，圖中二極管并聯(lián)在線圈兩端，起續(xù)流保護(hù)作用。

圖1 啟動(dòng)、停止控制電路

圖2 放電動(dòng)作控制電路

2.信號(hào)處理及報(bào)警電路

（1）信號(hào)處理電路。該電路包括電流采樣信號(hào)和電壓采樣信號(hào)處理電路。電壓取樣信號(hào)由滑變R30給出至由R9、R10、C4 LM324的U4組成的濾波電壓給隨電路使采樣的信號(hào)傳至單片機(jī)的A/D口，做A/D的運(yùn)算處理（如圖3所示）。

圖3 電壓采集

電流采樣信號(hào)經(jīng)過R14、R15、C6 LM324的U4B組成的濾波電壓給隨電路后，經(jīng)兩級(jí)放大后（第一級(jí)為1.5倍，第二級(jí)為18倍）放大后給單片機(jī)A/D口進(jìn)行運(yùn)行電流檢測(cè)處理（如圖4所示）。電壓跟隨器，顧名思義，就是輸出電壓與輸入電壓是相同的，就是說，電壓跟隨器的電壓放大倍數(shù)恒小于且接近1。電壓跟隨器的顯著特點(diǎn)就是，輸入阻抗高，而輸出阻抗低，一般來說，輸入阻抗要達(dá)到幾兆歐姆是很容易做到的。輸出阻抗低，通?？梢缘綆讱W姆，甚至更低。

圖4 電流采集放大

（2）故障報(bào)警電路（如圖5所示）。

圖5 報(bào)警指示

故障報(bào)警：當(dāng)設(shè)備出現(xiàn)問題后不要繼續(xù)運(yùn)行，否則容易燒壞，所以當(dāng)系統(tǒng)出現(xiàn)如下故障時(shí)會(huì)自動(dòng)切斷電源，同時(shí)發(fā)出故障報(bào)警，給出警示信號(hào)。當(dāng)故障出現(xiàn)時(shí)，單片機(jī)運(yùn)算處理判斷故障原因后，將故障代碼傳至上位機(jī)并通過LCD顯示故障狀態(tài)。

三、系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)

軟件控制在本設(shè)計(jì)中至關(guān)重要，通過對(duì)電流、電壓值的采集運(yùn)算處理，并作出判斷后執(zhí)行相應(yīng)的保護(hù)動(dòng)作。同時(shí)把采集來的數(shù)據(jù)和自檢的狀態(tài)通過LCD顯示，并發(fā)送至上位機(jī)，完成上位機(jī)與CAN總線的通信。軟件的實(shí)現(xiàn)更能使本系統(tǒng)更加智能、安全、高效、友好。

主程序邏輯原理如下：合上總開關(guān)，單片機(jī)初始化；初始化完成后（確認(rèn)沒有故障時(shí)），使繼電器K接通主電路得電；正常運(yùn)行時(shí)LCD顯示當(dāng)前電流、電壓值；自行檢測(cè)到故障（欠壓、過載、溫度）時(shí)，切斷繼電器K使電動(dòng)機(jī)停止運(yùn)行；同時(shí)這些電源工作狀態(tài)時(shí)時(shí)通過CAN總線反饋給上位機(jī)，以便做出故障處理；電池充滿電后自動(dòng)切斷充電器，在充電時(shí)，保證主電路斷開。

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（作者單位：杭州市蕭山區(qū)技工學(xué)校）