多功能家用電源設計

虢 優,聶俊飛＊,王文華,趙彥斐,徐潔輝

（邵陽學院電氣工程系,湖南 邵陽 422000）

0 引言

隨著電子技術的迅速發展，電子產品的也越來越多，人類的生活方式和生活習慣也逐漸發生變化。手機、電腦、相機、IPAD、剃須刀、電動牙刷等電子產品也出現在越來越多人的生活中。目前這些常用的家用電子產品的供電方式不統一和每種特殊電子設備的特殊要求，其充電器標準也都不一樣；在普通用戶家中充電器的數量高達數十種，充電器的種類繁多給用戶帶來不良的體驗，尤其是在某些充電設備損壞后給生活帶來極大的不便，因此設計一種多功能智能家用電源是非常必要的。

1 系統功能

系統采用功能強大的STM32單片機作為控制核心，系統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，當停電時采用鉛酸電池作為系統的主供電電源。系統輸出有3.3V直流，5V直流端，12V直流端，0-24V輸出可調直流端，手機快速充電端口等；每一路的輸出與否都可以通過按鍵設置，并通過顯示屏實時顯示出來。系統具有過壓過流過溫保護功能。

2 系統硬件組成

多功能智能電源控制系統主要由STM32最小系統、多路輸出直流穩壓電路、時間溫度模塊、繼電器及其驅動電路、顯示電路。其中多路輸出直流穩壓電壓電路有3.3V直流，5V直流端，12V直流端，0-24V輸出可調直流端，手機快速充電端口等。STM32單片機最小系統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

該系統采用了STM32單片機來實現，相比其它單片機STM32單片機具有功能強大，價格便宜等優點。STM32單片機是意法半導體公司推出的高性能、低價、高穩定性的超低功耗微處理器。該單片機的系統時鐘高達72MHz，消耗的電流僅為36mA，待機狀態下可以下降到2。單片機具有豐富的外設：SPI，IIC，AD采樣，DA，CAN接口等，非常方便做擴展[1]。在本系統中采用外部8MHz晶振，讓單片機工作在72MHz時鐘狀態下。最小系統框圖如圖1STM32單片機最小系統所示。

圖1 STM32單片機最小系統

2.2 多路輸出電源電路

為滿足家用電子設備的各種需求，系統采用性能穩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系列的直流穩壓芯片，在實際應用中加入散熱片可以提供高達1.5A的電流。3.3V電源主要為本系統單片機和溫度時間傳感器等提供電源；5V的直流電源給普通的5V家用電氣設備供電，12V電源一方面給常用家用電子設備供電，另一方面給繼電器驅動電路供電。0-24V輸出可調電源采用開關電源芯片LM2576。該芯片可以提供3A電流，當某些特殊電子設備需要不常用電壓充電時就可以調節LM2576的調節端是輸出滿足要求。如果系統中的其他電源出現問題時也可以采用此電源來替代[2]。

在實際使用過程中，考慮有一些設備采用雙電源供電；此時如果采用帶中心抽頭變壓器和79系列的穩壓芯片來實現則會大大增加電路的成本。在設計過程中靈活采用DC-DC電源芯片7660S， 可以把直流正電源3.3V，5V，12V轉換為相應的-3.3V，-5V ，-12V。多路電源輸出電路如圖2所示。

圖2 負電源輸出電路

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的負載供電。該系統給鉛酸電池預留太陽能充電接口，以方便后續的繼續開發使用。系統中采樣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，電路采用傳統的恒壓恒流浮充的充電方式對鉛酸電池進行充電。充電控制芯片采用線性直流可調穩壓芯片LM317，單片機采樣鉛酸電池的電壓判斷電池的狀態，然后控制LM317實現恒壓恒流充電。LM317恒壓恒流浮充電路如圖3所示。

2.4 繼電器及其驅動電路

繼電器選用12V直流驅動，系統中各路電源的輸出控制和總的電源保護均采用繼電器來控制，根據設計選用5個繼電器。考慮到繼電器數量較多，并不是直接采用放大電路做為驅動電路來直接驅動繼電器，而是采用采用ULN2003來驅動繼電器，ULN2003內部為達林頓對管，其驅動能力強為500mA，每個繼電器的驅動電流為20mA，所以能滿足設計要求。繼電器及驅動電路如下圖4所示。

圖4 繼電器及其驅動電路

2.5 溫度時間模塊

本系統還設計了時鐘和溫濕度實時顯示功能。時鐘芯片采用性能穩定可靠的DS1302實時時鐘芯片。DS1302具有串行接口可以跟STM32單片機直接通信，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采用單線數字通信，測量溫度范圍為-55～125℃之間，單片機可以直接讀取數字溫度使用非常方便。采用DS1302和DS18B20均能滿足設計要求。

3 程序設計

圖5 主程序流程圖

系統程序主要分為兩步進行設計，第一步有STM32單片機檢測是否有220V交流輸入，來控制系統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立控制，其輸出電壓都通過采樣電路送到單片機從而實時顯示每一路的電源的開關狀態和電壓等信息[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生中斷，讀取溫濕度和時間的參數，在通過OLED等顯示設備顯示時間；由于時間芯片是通過DS1302來實現，只要對程序稍作修改就可以實現系統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 結束語

本文通過實驗的方法驗證了整個系統可以安全可靠的自動運行，能夠穩定的輸出預期的電壓，實現手機等常用電子設備的穩定的充電，滿足日常的需求。在下一步的研究中準備給系統加入太陽能和風能充電裝置，實現家用電子設備綠色能源的使用。

[1]楊偉明等.基于STM32微控制器的數控穩壓穩流電源設計[J].天津科技大學學報,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計[J].儀表技術,2016(09):115-118.

[3]練杰,聶俊飛等.基于MSP430單片機的多功能藍牙溫度檢測系統

[4]張達敏,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,2017(02):100-102.