基于STC15 單片機(jī)的電動(dòng)車充電保護(hù)裝置設(shè)計(jì)

劉易君，蘇凱

（南昌航空大學(xué)測試與光電工程學(xué)院，江西南昌 330000）

隨著人們生活節(jié)奏的加快，電動(dòng)車給人們交通出行帶來便利的同時(shí)，也帶來了不可忽視的安全隱患。數(shù)據(jù)顯示，絕大部分電動(dòng)車火災(zāi)發(fā)生在充電時(shí)期。因此，實(shí)現(xiàn)電動(dòng)車的安全充電，避免火災(zāi)等嚴(yán)重安全事故的發(fā)生，是目前亟待解決的問題[1]。

目前市面上已有防過充的轉(zhuǎn)接插板，但該插板不能過溫保護(hù)，功能單一。有的發(fā)明專利利用內(nèi)部接線作為控制信號(hào)插頭對充電器進(jìn)行改裝，但需要對充電器進(jìn)行破拆或替代，難以推廣使用[2]。設(shè)計(jì)的充電保護(hù)裝置使用期間連接在充電器與蓄電池組之間，采用STC15 單片機(jī)作為控制中心，通過檢測模塊對充電參數(shù)進(jìn)行實(shí)時(shí)監(jiān)測。PMOS 與繼電器配合斷電的模式，使得該裝置能夠以較低成本安全兼容多種規(guī)格的充電電壓，相較于傳統(tǒng)充電保護(hù)裝置而言，杜絕了因充電器故障、電池鼓包引起的危險(xiǎn)事故。

1 設(shè)計(jì)方案

1.1 原因分析

電動(dòng)車充電期間起火的原因可分為以下3 種：1）電池老化導(dǎo)致漏液短路，電池鼓包后造成熱失控。2）充電器線路故障導(dǎo)致電池過充發(fā)熱。3）電池組充電時(shí)與高溫源接觸或太陽暴曬過程中導(dǎo)致過熱[3]。因此，針對以上3 種原因進(jìn)行功能開發(fā)，該方案實(shí)現(xiàn)以下情況的自動(dòng)斷電：1）當(dāng)電池組達(dá)到用戶設(shè)定的告警溫度。2）充電期間實(shí)時(shí)監(jiān)測電壓和電流，當(dāng)電壓或電流出現(xiàn)異常波動(dòng)（電流過大切斷電路，電流過小進(jìn)入浮充）。

1.2 整體設(shè)計(jì)

該裝置采用STC15W4K32S4 芯片作為主控芯片，由PMOS 與繼電器配合切斷的開關(guān)控制電路、電流電壓檢測電路、溫度監(jiān)測電路、OLED 顯示模塊、電容觸摸按鍵電路、繼電器驅(qū)動(dòng)電路以及其他必要電路構(gòu)成。通過type-C 串口通信電路對單片機(jī)進(jìn)行程序燒錄。電壓電流檢測電路以及電容觸摸按鍵電路均通過單片機(jī)AD 采樣引腳進(jìn)行數(shù)據(jù)讀取。溫度傳感器電路采用單總線通信模式通過IO 口實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)讀取。OLED 顯示模塊通過單片機(jī)模擬IIC通信實(shí)現(xiàn)電路參數(shù)顯示。原理圖如圖1 所示。

圖1 系統(tǒng)原理圖

2 硬件電路設(shè)計(jì)

該裝置針主要以STC15W4K32S4 單片機(jī)為控制核心，配合外圍電路主要分為8 個(gè)模塊：控制模塊、電源模塊、電流電壓檢測模塊、溫度監(jiān)測模塊、開關(guān)控制模塊、電容按鍵模塊、時(shí)鐘模塊和OLED 顯示模塊。硬件連接圖如圖2 所示。

圖2 硬件設(shè)計(jì)原理圖

2.1 控制模塊

該裝置采用的STC15W4K32S4 單片機(jī)，相較于傳統(tǒng)51 系列，該系統(tǒng)不需外部晶振和外部復(fù)位，還可對外輸出時(shí)鐘和低電平復(fù)位信號(hào)，具有8 通道10位高速AD，內(nèi)置11.059 2 MHz 的晶振，且具有26k 的EEPROM。其原理圖如圖3 所示，兩路LED 作為編譯調(diào)試點(diǎn)，其指令代碼完全兼容于傳統(tǒng)8051。

圖3 STC15W4K32S4系統(tǒng)原理圖

2.2 電源模塊

充電電壓從充電器端輸出，通過兩組XL7005A開關(guān)芯片將48～80 V 的電壓進(jìn)行降壓，一組輸出12 V提供繼電器驅(qū)動(dòng)電壓，另一組輸出6.5 V 通過三端穩(wěn)壓器件降壓至穩(wěn)定的5 V 電壓給單片機(jī)電路供電。其原理圖如圖4 所示。

圖4 電源模塊原理圖

2.3 開關(guān)控制模塊

該電路設(shè)計(jì)了一種PMOS 管和繼電器配合的方式控制充電電流的通斷，當(dāng)在充電器滿載充電時(shí)（通常為48 V、3 A），由于繼電器對于直流高壓的通斷可能出現(xiàn)觸電打火粘連的情況，采用高規(guī)格或增加繼電器個(gè)數(shù)均會(huì)大幅提高設(shè)計(jì)成本，故先通過PMOS管預(yù)夾斷電流再用磁保持繼電器進(jìn)行二次夾斷；當(dāng)需要接通充電電路時(shí)，在PMOS 管夾斷狀態(tài)下閉合磁保持繼電器，通電時(shí)先開啟磁保持繼電器再導(dǎo)通PMOS 管，單片機(jī)引腳控制光耦器件對電壓進(jìn)行隔離，從而實(shí)現(xiàn)在較低成本下大電流的通斷切換。

繼電器采用磁保持常開2 繼電器，雙向繼電器驅(qū)動(dòng)芯片對其進(jìn)行驅(qū)動(dòng)控制，如圖5 所示。單片機(jī)給A、B口分別置高低電平，OA 和OB端分別輸出12 V和0 V，若AB 電平相反，則芯片輸出也相反。

圖5 開關(guān)模塊原理圖

2.4 溫度監(jiān)測模塊

使用單總線通信的形式，即單根信號(hào)線雙向數(shù)據(jù)傳輸，讀取DS18B20 探頭的實(shí)時(shí)溫度，使用時(shí)設(shè)置一個(gè)溫度閾值，當(dāng)溫度超過此數(shù)值時(shí)，說明溫度異常，極有可能電池出現(xiàn)充電異常，單片機(jī)通過IO 口控制PMOS 和磁保持繼電器立即切斷充電回路。其原理圖如圖6 所示。

圖6 溫度監(jiān)測模塊原理圖

2.5 電壓檢測電路

充電電壓通過500 kΩ與200 kΩ可調(diào)電阻進(jìn)行分壓與限流后輸入單片機(jī)IO 口，利用STC15W4K32S4自帶10 位AD 檢測功能，通過程序按以下公式進(jìn)行換算對電壓值進(jìn)行讀取。

2.6 電流檢測電路

電流檢測部分在充電回路中采取高測檢流方式。其原理圖如圖7 所示。INA193AIDBVT 作為電流分流監(jiān)控器，能夠在-16～+80 V 范圍內(nèi)的共模電壓下檢測分流電阻兩端的壓差，由單片機(jī)AD 引腳進(jìn)行電流值的讀取。其輸出電壓與輸入電壓滿足以下等式：

圖7 電流電壓檢測模塊原理圖

2.7 電容觸摸按鍵電路

設(shè)置單片機(jī)時(shí)鐘輸出300 kHz的方波輸入按鍵電路，當(dāng)手指按壓取樣用的金屬片時(shí)，輸出到ADC的電壓降低，即可檢測到按鍵動(dòng)作。通過觸摸按鍵可以延長使用壽命，方便用戶進(jìn)行參數(shù)查看。其原理圖如圖8所示。

圖8 電容觸摸按鍵電路原理圖

2.8 時(shí)鐘模塊

DS1302 時(shí)鐘芯片提供時(shí)間基準(zhǔn)，單片機(jī)循環(huán)程序每經(jīng)過Flag=200 次的循環(huán)，將閾值溫度、當(dāng)前溫度以及電壓電流值存入單片機(jī)EEPROM 中。

2.9 OLED顯示模塊

基于1306 驅(qū)動(dòng)芯片的OLED 顯示模塊采用IIC通信，在系統(tǒng)中顯示實(shí)時(shí)充電狀態(tài)，配合電容觸摸按鍵電路進(jìn)行參數(shù)顯示以及充電開啟關(guān)閉狀態(tài)的切換。

3 軟件設(shè)計(jì)

程序在KEIL5 軟件中采用C 語言編譯，程序框架主要由參數(shù)檢測、開關(guān)控制、顯示函數(shù)構(gòu)成。程序流程圖如圖9 所示。

圖9 程序流程圖

部分框架代碼如下所示：

1）參數(shù)檢測部分

溫度傳感器：

void DS18B20Init()；//初始化溫度傳感器單總線

void TempGet()；//獲取溫度數(shù)據(jù)

電容觸摸按鍵：

void ADCButInit()；//初始化電容觸摸按鍵

void ShowBut()；//輸出按鍵數(shù)據(jù)

2）繼電器和PMOS 控制部分

void RelayOn()；//繼電器開關(guān)打開

void RelayOff()；//繼電器開關(guān)關(guān)閉

3）OLED 顯示

void OLED_Init(void)；//OLED 初始化

void OLED_ShowChinese

(uchar x,uchar y,uchar no,uchar sizey)；//顯示漢字

void OLED_ShowNum

(uchar x,uchar y,ulong num,uchar len,uchar sizey)；//顯示數(shù)字

4 調(diào)試結(jié)果

通過串口燒錄程序后，系統(tǒng)正常運(yùn)行。單片機(jī)可以正常控制PMOS 和磁保持繼電器對電路進(jìn)行夾斷。接入實(shí)驗(yàn)室48 V 穩(wěn)壓電源時(shí)，萬用表測量到檢測點(diǎn)正常分壓，單片機(jī)AD 引腳電壓為4.5 V。電流監(jiān)測電路經(jīng)多次實(shí)驗(yàn)后設(shè)置檢流電阻為30 mΩ時(shí)電源接入電流為1.5 A，10 位ADC 讀數(shù)位于中間值500，此時(shí)為檢測最佳范圍。通過物理加熱DS18B20 溫度探頭，OLED 顯示屏顯示當(dāng)溫度超過閾值時(shí)電路自動(dòng)切斷，蜂鳴器發(fā)出警報(bào)，當(dāng)DS18B20 離線時(shí)，顯示屏?xí)詣?dòng)跳轉(zhuǎn)到報(bào)錯(cuò)界面。按下彈簧觸摸按鍵片時(shí)，顯示屏上參數(shù)顯示正常切換。經(jīng)過多次調(diào)試，該裝置可以連接在充電器與電池組之間進(jìn)行充電保護(hù)。

5 結(jié)論

由于電動(dòng)車作為越來越多家庭的代步工具，充電時(shí)期引發(fā)的火災(zāi)問題會(huì)造成嚴(yán)重的人身傷害和財(cái)產(chǎn)損失。該設(shè)計(jì)解決了電動(dòng)車充電時(shí)因線路故障或電池鼓包造成危險(xiǎn)事故的問題，PMOS 與繼電器配合的斷電方式使得該裝置兼容于多種規(guī)格的充電電壓。其成本低、體積小、安全性高等特點(diǎn)使其具有廣闊的應(yīng)用前景。