虢 優(yōu),聶俊飛＊,王文華,趙彥斐,徐潔輝

（邵陽學(xué)院電氣工程系,湖南 邵陽 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、電動牙刷等電子產(chǎn)品也出現(xiàn)在越來越多人的生活中。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，家中未停電時采用交流220V市電作為供電，當(dāng)停電時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按鍵設(shè)置，并通過顯示屏實(shí)時顯示出來。系統(tǒng)具有過壓過流過溫保護(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、時間溫度模塊、繼電器及其驅(qū)動電路、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)采集按鍵信號和各路電源的輸出電壓來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、高穩(wěn)定性的超低功耗微處理器。該單片機(jī)的系統(tǒng)時鐘高達(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)動電路供電。0-24V輸出可調(diào)電源采用開關(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)問題時也可以采用此電源來替代[2]。

在實(shí)際使用過程中，考慮有一些設(shè)備采用雙電源供電；此時如果采用帶中心抽頭變壓器和79系列的穩(wěn)壓芯片來實(shí)現(xiàn)則會大大增加電路的成本。在設(shè)計(jì)過程中靈活采用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，鉛酸電池充電吸收電能；在無正弦交流市電時，鉛酸電池可以直接作為5V，3.3V，12V的輸入信號從而給相應(yīng)的負(fù)載供電。該系統(tǒng)給鉛酸電池預(yù)留太陽能充電接口，以方便后續(xù)的繼續(xù)開發(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題，電路采用傳統(tǒng)的恒壓恒流浮充的充電方式對鉛酸電池進(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)動電路

繼電器選用12V直流驅(qū)動，系統(tǒng)中各路電源的輸出控制和總的電源保護(hù)均采用繼電器來控制，根據(jù)設(shè)計(jì)選用5個繼電器?？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)動電路來直接驅(qū)動繼電器，而是采用采用ULN2003來驅(qū)動繼電器，ULN2003內(nèi)部為達(dá)林頓對管，其驅(qū)動能力強(qiáng)為500mA，每個繼電器的驅(qū)動電流為20mA，所以能滿足設(shè)計(jì)要求。繼電器及驅(qū)動電路如下圖4所示。

圖4 繼電器及其驅(qū)動電路

2.5 溫度時間模塊

本系統(tǒng)還設(shè)計(jì)了時鐘和溫濕度實(shí)時顯示功能。時鐘芯片采用性能穩(wěn)定可靠的DS1302實(shí)時時鐘芯片。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)檢測是否有220V交流輸入，來控制系統(tǒng)中繼電器來控制電池是否充電；第二步每一路電源的輸出都是可以獨(dú)立控制，其輸出電壓都通過采樣電路送到單片機(jī)從而實(shí)時顯示每一路的電源的開關(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、時間程序放入定時器中斷1，輸出電壓電流檢測顯示放入中斷2。其中時間溫度顯示每隔一秒定時器產(chǎn)生中斷，讀取溫濕度和時間的參數(shù)，在通過OLED等顯示設(shè)備顯示時間；由于時間芯片是通過DS1302來實(shí)現(xiàn)，只要對程序稍作修改就可以實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)的精確時鐘自動控制。如圖6中斷流程圖所示：

圖6 中斷程序

4 結(jié)束語

本文通過實(shí)驗(yàn)的方法驗(yàn)證了整個系統(tǒng)可以安全可靠的自動運(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,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)牙溫度檢測系統(tǒng)

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