基于STC8A8K64S4A12 單片機的綜合電源箱設計

張 虎， 王志虎， 徐智強， 陽禩乾， 賀志昂， 楊鵬展

（1.東風汽車動力零部件有限公司， 湖北 十堰 442002；2.東風越野車有限公司， 湖北 十堰 442013）

隨著車輛上的用電設備復雜多樣， 目前各用電設備接口多獨立設置， 并且沒有電壓、 電流等信號的實時監控，設備用電操作繁瑣， 交互操控感差， 直接影響著車輛產品的整體競爭力。 針對這一現狀， 本文設計了一種基于STC8A8K64S4A12單片機的綜合電源箱， 實現了車載用電設備接口的集中布置， 以及電壓、 電流、 溫度、 故障等信息的采集、 控制和處理； 通過HMI界面操控簡潔方便， 交互體驗優良； 根據市場需求， 可以通過STC8A8K64S4A12單片機和HMI編程， 實現綜合電源箱功能的柔性化拓展。

1 方案原理

以STC8A8K64S4A12單片機為核心， 通過變送器或信號采集電路測量綜合電源箱中各支路的電流、 電壓， 以及溫度信號， 進而判斷電路狀態， 發送繼電器或接觸器控制信號， 控制各支路通斷， 達到開啟或關閉綜合電源箱上用電設備接口的目的。 同時單片機信號通過通信電纜與HMI 觸摸屏進行連接交互， 方便人員操控或查看綜合電源箱工作狀態。 方案原理如圖1所示。

圖1 方案原理

2 硬件設計

2.1 接口分析

綜合電源箱接口規格需求分析如表1所示。

表1 接口規格需求分析

綜合電源箱配置AC220V、 DC24V兩種電壓規格輸入接口， AC220V輸入通常有市電輸入與發電機輸入兩種類型，DC24V輸入通常外接蓄電池； 配置AC220V、 DC24V、 DC12V、DC5V四種電壓輸出接口， 輸出接口數量根據實際需要配置， 供車輛上不同規格的負載設備工作使用。

2.2 硬件電路設計

硬件電路設計原理示意如圖2所示。

2.3 信號采集處理

1） AC220V電壓與電流采集。 待測AC220V電壓和待測電流分別通過電壓變送器、 電流變送器進行信號采集。

變送器通常輸出信號規格有4～20mA、 0～20mA、 0～10mA、 0～5V、 0～10V、 1～5V、 1～10V、 RS485等， 工作電源 規 格 有DC12V、 DC24V、 AC/DC110V、 AC/DC220V 等。為了便于單片機獲取信號以及綜合電源箱裝配， 我們選用輸出信號0～5V， 工作電源DC24V規格的變送器。

2） DC24V、 DC12V電壓采集。 待測DC24V、 DC12V通過降壓電路進行信號采集， 單片機IO口電壓規格是0～5V，一般通過電路將待采集電壓的壓降處理到2.5V左右。 待測DC24V、 DC12V電路示意如圖3、 圖4所示。

圖2 硬件電路設計原理示意

圖3 待測DC24V電路示意

圖4 待測DC12V電路示意

3） 電壓或電流變送器輸出信號處理。 STC8A8K64S4A12單片機在高精度ADC應用中， AD采集為了提高精度， 基準源用的是2.5V， 參考圖5所示。 而電壓或電流變送器的輸出信號為0～5V， 無法直接采用， 需要通過電路進行降壓處理， 見圖6。

圖5 STC8A8K64S4A12高精度ADC應用

圖6 電壓或電流變送器輸出信號處理示意

3 軟件設計

3.1 單片機程序控制流程

控制流程分析如圖7所示。

圖7 控制程序流程圖

3.2 單片機程序功能實現（程序片段）

單片機程序主要包括各端口初始化、 信號采集處理和控制等。

3.3 HMI操控界面

通過HMI觸摸屏界面 （圖8）， 可以簡潔操控車載設備，如升降照明、 強光照明、 交流輸出、 直流輸出、 燈光系統、視頻系統、 警燈系統等負載設備； 可以實時監控箱體溫度、車載設備各支路電壓、 電流、 支路閉合通斷狀態、 報警狀態等。 其中交流輸入、 直流輸入由控制程序自動根據電源輸入情況進行判別和顯示。 對于采集到的電壓、 電流、 溫度等ADC模擬量信號， 采用多次采樣， 求平均值法減小各種干擾因素引起的誤差。

圖8 HMI操控界面

4 綜合電源箱設計制作

在綜合電源箱 （圖9） 設計裝配工藝時， 從散熱、 抗振動、 抗屏蔽、 反電勢等方面進行處理。 產品適應性設計見表2。

圖9 綜合電源箱

表2 產品適應性設計

研制開發的綜合電源箱系統， 實現了車載電源箱所需的功能： ①車載用電設備接口的集中布置； ②電壓、 電流、故障等信息的采集、 監控和處理； ③具有整流和逆變雙向工作模式； ④HMI界面簡潔， 操控方便； ⑤尺寸為U型結構， 方便整車內部嵌入； ⑥接口樣式多， 有端子、 航插、USB、 通用插座等不同種類； ⑦輸入輸出接口電壓規格多樣， 適應不同應用場景。

5 改進方向

1） 減小箱體體積。 綜合電源箱的電壓、 電流監控通過電壓變送器、 電流變送器采集實現， 為達到各支路電壓電流監控目的， 變送器數量較多， 占用電源箱空間較大。 可以改進為采用定制的集成電路板采集各支路電壓電流， 大幅減小變送器所占空間。

2） 增加CAN通信功能。 目前車載電器設備普遍帶有CAN接口， 以便接入車內CAN總線， 監控設備工作狀態。綜合電源箱后續也可在硬件與軟件設計時增加CAN接口通信功能， 方便接入車內CAN總線。

6 結束語

通過基于STC8A8K64S4A12單片機的綜合電源箱設計研制， 提供一種車載用電設備管理控制的智能解決方案。 方案適應不同應用場景、 多種類型負載設備， 方便整車嵌入，通過編程可以快速柔性化拓展功能， 市場前景光明。 隨著整車 “五化” 理念的深入實踐應用， 車載智能綜合電源箱系統一定能夠發展和普及。