安徽師范大學(xué)皖江學(xué)院電子工程系 趙 巖 譚熒屏 張 上 謝若愚 謝小東

1 引言

開(kāi)關(guān)電源廣泛應(yīng)用于家庭生活、工業(yè)工廠、軍事科研等一些電力提供場(chǎng)所中，在電力方面占據(jù)著十分重要的地位。開(kāi)關(guān)電源又分為直流開(kāi)關(guān)電源和交流開(kāi)關(guān)電源，根據(jù)不同的需求不同種類(lèi)應(yīng)用于不同的場(chǎng)所，如手機(jī)充電器、電腦電源適配器、多路供電電源等。因此本課題對(duì)開(kāi)關(guān)電源進(jìn)行研究和設(shè)計(jì)也十分必要。

目前市場(chǎng)上常見(jiàn)開(kāi)關(guān)電源，已有恒壓恒流功能，高端的開(kāi)關(guān)電源如手機(jī)充電器、電瓶車(chē)充電器、多直流供電電源，已具有效率高、樣式多樣、輸出穩(wěn)定；電壓、電流、電能輸出顯示功能、及防過(guò)充自關(guān)斷等功能。但仍有可改善之地，在輸出模式、防過(guò)充形式、電源自關(guān)斷方面、安全性能方面仍需加以關(guān)注和投入研究，這是為了提高開(kāi)關(guān)電源在生活中的利用效率和開(kāi)關(guān)電源工作時(shí)的可靠性，以及提高人們的生活水平必須進(jìn)行的工作。

2 開(kāi)關(guān)電源設(shè)計(jì)內(nèi)容

本開(kāi)關(guān)電源的設(shè)計(jì)是基于STM32微控制器，開(kāi)關(guān)電源的主要系統(tǒng)組成部分包括開(kāi)關(guān)電源部分、微控制器部分、模式選擇部分、信息顯示部分、語(yǔ)音通訊部分、性能檢測(cè)部分。

在現(xiàn)有開(kāi)關(guān)電源基礎(chǔ)上進(jìn)行擴(kuò)展，為克服開(kāi)關(guān)電源電能輸出選擇模式單一對(duì)開(kāi)關(guān)電源進(jìn)行多模式模塊選擇設(shè)計(jì)，通過(guò)STM32擴(kuò)展出“定時(shí)輸出”“定量輸出”以及“自由輸出”模塊。定時(shí)輸出即由人為定時(shí)控制系統(tǒng)關(guān)斷；定量輸出即人為設(shè)定電能輸出控制系統(tǒng)關(guān)斷；自由輸出即系統(tǒng)用于為外接電池充電時(shí)進(jìn)行自我識(shí)別，充滿(mǎn)即斷從而避免了過(guò)充及長(zhǎng)時(shí)間的涓流。顯示部分進(jìn)一步顯示系統(tǒng)工作實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)即工作狀態(tài)下電壓、電流、輸出電量、工作時(shí)長(zhǎng)及系統(tǒng)工作狀態(tài)。通過(guò)語(yǔ)音通訊模塊對(duì)系統(tǒng)進(jìn)行實(shí)施模式選擇、時(shí)長(zhǎng)設(shè)定、電量設(shè)定等指令對(duì)系統(tǒng)進(jìn)行語(yǔ)音控制。性能檢測(cè)模塊通過(guò)對(duì)系統(tǒng)數(shù)據(jù)采集和分析與系統(tǒng)正常工作數(shù)據(jù)實(shí)時(shí)對(duì)比，進(jìn)行對(duì)系統(tǒng)的工作性能及安全性能進(jìn)行分析并進(jìn)行報(bào)警。

3 系統(tǒng)總體設(shè)計(jì)方案

該開(kāi)關(guān)電源通過(guò)微處理器STM32對(duì)此電源系統(tǒng)進(jìn)行控制。如圖1所示是該計(jì)量開(kāi)關(guān)電源系統(tǒng)的設(shè)計(jì)框圖。包括系統(tǒng)的總功能，包括直流開(kāi)關(guān)電源，以及微控制器STM32，語(yǔ)音模塊，模式選擇模塊，顯示模塊，性能檢測(cè)模塊。

（1）開(kāi)關(guān)電源輸出端附加采壓采流電路對(duì)系統(tǒng)輸出電壓電流進(jìn)行取樣，用STM32采集電流電壓，用OLED對(duì)系統(tǒng)輸出數(shù)據(jù)電壓、電流、電能、工作時(shí)長(zhǎng)、工作狀況進(jìn)行顯示。即在輸出端的主線(xiàn)路上加一個(gè)康銅絲電阻，在損耗極小的情況下對(duì)電壓進(jìn)行采樣可按照實(shí)驗(yàn)比例計(jì)算主線(xiàn)路實(shí)際電壓。對(duì)電流進(jìn)行采樣時(shí)用MAX4172芯片轉(zhuǎn)化電流信號(hào)為電壓信號(hào)供STM32采集計(jì)算干路電流，然后在STM32內(nèi)進(jìn)行電能計(jì)算并實(shí)時(shí)累加，采集的電壓計(jì)算的電能以及充電時(shí)長(zhǎng)在OLED上進(jìn)行顯示。在開(kāi)關(guān)電源輸出端加手動(dòng)開(kāi)關(guān)和電子開(kāi)關(guān)連接STM32對(duì)開(kāi)關(guān)電源進(jìn)行智能關(guān)斷，以完成對(duì)此系統(tǒng)的數(shù)據(jù)顯示模塊和智能控制。

（2）在STM32上外加控制電路，用三個(gè)按鍵控制定時(shí)、定量、自由三種模式，另設(shè)兩個(gè)按鍵用于定時(shí)定量模式下進(jìn)行時(shí)間、能量選擇；外設(shè)語(yǔ)音通訊模塊通過(guò)語(yǔ)音指令對(duì)系統(tǒng)輸出模式選擇，定時(shí)定量進(jìn)行選擇控制。即設(shè)置三個(gè)按鍵用來(lái)選擇定時(shí)、定量、自由三種模式，另設(shè)兩個(gè)按鍵用來(lái)在定時(shí)定量模式下選擇時(shí)長(zhǎng)和量值，兩個(gè)按鍵為加減按鍵。在定時(shí)模式下設(shè)置每加減按鍵一次步進(jìn)0.5小時(shí)，在達(dá)到設(shè)定時(shí)長(zhǎng)時(shí)，由微控制器控制電子開(kāi)關(guān)繼電器控制開(kāi)關(guān)電源關(guān)斷，系統(tǒng)不再輸出；在定量模式下設(shè)置每加減按鍵一次步進(jìn)1kw·h，當(dāng)輸出電能達(dá)到設(shè)定值，由微控制器控制電子開(kāi)關(guān)繼電器控制開(kāi)關(guān)電源關(guān)斷，系統(tǒng)停止輸出；在自由模式下，開(kāi)關(guān)電源采流模塊檢測(cè)輸出電流，當(dāng)電池充滿(mǎn)時(shí)輸出電流減小至毫安即電池充電充滿(mǎn)，由STM32檢測(cè)控制電源自動(dòng)關(guān)斷，系統(tǒng)停止輸出，從而避免系統(tǒng)對(duì)用電器超時(shí)工作。語(yǔ)音控制以同樣方式代替按鍵進(jìn)行模式選擇和定時(shí)定量設(shè)定。以上完成模式選擇和語(yǔ)音模塊。

（3）性能檢測(cè)模塊通過(guò)采集輸出干路電壓和計(jì)算輸出效率在STM32內(nèi)部與原設(shè)定實(shí)驗(yàn)室數(shù)據(jù)對(duì)比，當(dāng)與實(shí)驗(yàn)室數(shù)據(jù)不相符時(shí)判定開(kāi)關(guān)電源工作異常，STM32會(huì)在OLED顯示屏上及時(shí)提示“系統(tǒng)異常”字樣，并且會(huì)自動(dòng)關(guān)斷開(kāi)關(guān)電源，如果已修復(fù)再次插上時(shí)仍不能會(huì)正常工作，系統(tǒng)會(huì)再次被關(guān)斷，直到完全修復(fù)正常，系統(tǒng)正常工作。避免了電源不正常工作對(duì)用電器或電池造成損害以及發(fā)生用電事故。

圖1 計(jì)量開(kāi)關(guān)電源系統(tǒng)總框圖

4 結(jié)論

與現(xiàn)有開(kāi)關(guān)電源相比這種計(jì)量開(kāi)關(guān)電源有三個(gè)顯著優(yōu)勢(shì)：

（1）輸出模式多樣性，定時(shí)、定量、自由三種模式，為用戶(hù)增加了選擇性更便于用戶(hù)使用，定時(shí)定量關(guān)斷和自由智能關(guān)斷更有效的防護(hù)了對(duì)用電器超時(shí)工作造成損壞，避免了充電使用過(guò)程中的過(guò)充及長(zhǎng)時(shí)間涓流對(duì)電池造成的損害。

（2）液晶顯示模塊顯示實(shí)時(shí)電壓、輸出能量、充電時(shí)間、自身安檢情況也為電源增添了色彩，更便于用戶(hù)了解掌握系統(tǒng)工作情況；語(yǔ)音控制功能使用戶(hù)操作更簡(jiǎn)便更人性化。

（3）智能檢測(cè)功能更優(yōu)于現(xiàn)有開(kāi)關(guān)電源功能，現(xiàn)有電源并無(wú)安全檢測(cè)模塊，然而不能保證用戶(hù)的使用安全。本開(kāi)關(guān)電源自帶工作安全狀況檢測(cè)并實(shí)時(shí)顯示，當(dāng)電源發(fā)生故障或損壞時(shí)電源檢測(cè)控制系統(tǒng)關(guān)斷開(kāi)關(guān)電源，有效的避免了故障使用，降低了對(duì)電池的損壞和用戶(hù)人身安全的風(fēng)險(xiǎn)。

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