多功能充電樁的設計

尤麗萍

泉州信息工程學院，福建 泉州 362000

0 引言

隨著社會的進步，人們的需求越來越高，各種各樣的電子設備也隨之增加。為了減少不可再生資源的消耗，電動車的推行是必然的，電動車充電樁也應隨之增加[1]。目前已出現各種各樣的電單車充電樁、電動車充電樁，電瓶充電柜等都是單一服務，不方便。現階段已更新出使用互聯網智能控制器其輸出的穩定性，可在手機上調試各種電源數據、遠程監控、自動斷電、采用間接性充電，一方面保護充電樁本身，其二是保護負載，實現多樣化混合提供充電，提高服務質量，進而提高城市充電樁的可靠性[2]。在充電樁的設計領域中，直流穩壓數字電源是發展的速度最快的。電源對充電樁的重要性就相當于血液對人體的重要性。通過控制電路的集成，采用可調節的方式為更多需求設備供電，服務更多行業。

1 設計任務

本次設計就是為了設計一個可調節的直流穩壓的智能充電樁，讓充電不再被所規定的電壓束縛。其將具有以下功能：①顯示屏將各個參數顯示出來；②增加或減少按鍵的控制；③各個電路的組合穩壓；④輸出精準穩定的電壓。

2 系統方案設計

2.1 硬件電路組成

根據所述方案設計，整個系統的設計框架如圖1所示，通過降壓模塊使電壓下降到5V，降壓后的電壓主要控制部分以STC89C51為主，通過按鍵增加或減少輸出，在通過AD、DA、LM358的轉換放大，最后LCD1602液晶顯示屏顯示出來。

圖1 硬件組成結構圖

本次系統設計采用主控電路芯片為STC89C51，通過控制D/A轉換來輸出基準電壓，然后通過控制A/D轉換來讀取反饋電壓，并自動調整D/A的輸出來使輸出電壓穩定，從而達到我們的目的：程控穩壓。

2.2 硬件電路方案設計

為了能實現設計任務，硬件電路流程圖如圖2所示。將220V的交流電壓轉化成我們所需的值就是電壓的壓降，再經過設定的整流的電路轉換成脈動的直流電壓[3]。轉換的脈動直流電壓一般含有比較大的波動，還會含有交流的成分，這個時候使用濾波電路進行去除，從而得到較平緩的電壓。但還是會隨著電網的波動而波動，然后再通過穩壓電路就能夠輸出直流的電壓。

圖2 硬件電路流程圖

利用二極管的單向導通性進行整流的最常用的電路，常用來將交流電轉變為直流電。橋式整流電路在生活中廣泛運用，快充行業手機的充電器，電動車的快充模式。當降壓設置輸出電壓為V2為12V時，經過橋式整流后，會有所損耗，此電壓大約等于9～10V左右。

為了得到上更多的穩定的直流電源，我們使用濾波的電路去除交流的成分。其由電抗元件構成的，在負載兩端并聯了電容C或電感，組成復式濾波電路。其還有儲存電能作用，這在充電器中使用的很普遍。電容其實就是個高通濾波器，因為直流基本通不了，可以說是通交流隔直流，小電容的設計是高頻通，低頻阻抗高；大電容的作用反之。

在本次設計中7812、7805兩個為穩壓三極管，以在必要的時候對基極電流起到分流的和限制的作用。在降壓整流濾波后電壓會變大且不穩定，7812三極管將電壓穩定在12V后，再通過7805三極管穩定在5V輸入到STC89C51中。如果沒有7812三極管的緩沖，直接將整流后的電壓施加在7805三極管上，那么7805三極管可能會發燙嚴重而導致其穩壓功能丟失，因此采用雙重穩壓是非常有必要的。

2.3 主程序設計

為能實現設計任務，主體程序設計以及功能流程圖如圖3所示。首先，由用戶通過按鍵直接輸入需要的電壓的值，然后繼續DA轉換，輸出用戶所需要的基準的電壓，結束之后將數據通過AD轉換然后通過單片機進行數據的取樣，然后輸出[4]。系統初始化時，為了能夠采用查詢之方法，從而直接而非間接地判斷出AD是否已經達成，需將數據輸出置零。而為了得到適宜之輸出二進制編碼，在調配使用DA轉換之時先行進行碼的轉換，之后再將除法程序調配使用從而輸出電壓方式。轉換完成之后，將其中得到的數據讀取入單片機之中。之后將其調整程序比較后，將接收入單片機之中的轉換數據進行反饋，之后進一步進行調整，調整DA的輸出，從而使電壓能夠變得更加穩定。而后，判斷結果是否達到理想的狀態，然后進行微調，從而達到在自己需要的要求[5]。

圖3 主程序設計流程圖

3 測試結果及分析

（1）設計制作過程：①購買相應的元器件，先測量其電阻等參數是否合格；②首先搭建原理圖將各個電子元器件選好大致位置，生成PCB圖，一定要檢查是否接錯線，220V交流電短接可能會引起火花；③打印電路圖，將銅板熱印；④用化學藥劑對無用地方進行短時間的腐蝕，時間不能太長；⑤接下來就是給電路板鉆孔，依次擺放元器件，焊接及跳線；⑥由于本次設計采用的是220V交流電，因此必須做好防靜電措施。

（2）硬件測試結果硬件軟件調試完成后，開始嘗試運行，一旦出錯，立刻停止運行。在第一次調試前，由于本次設計的充電樁充電的可調節電壓范圍在（0～12V），因此上電的時候，應該從低電壓慢慢往上加，加的時候速度也應該緩慢，防止按鍵過快，系統反應不過來，而導致系統崩潰。上電剛開始時，需要給輸出最大電壓測量，經過多次測量得到最大實際電壓為11.99V，精度已經達標。

（3）在快速變動直流電壓時，液晶顯示屏的反應速度有點跟不上，顯示的電流也會有波動、重影。硬件的調試好的實物超出最大功率后只有斷電重啟才能恢復，此時顯示屏顯示“Short circuit!!! Please restart!!!”。

（4）在運轉過程中偶爾也會發生錯誤，在發生錯誤的時候，系統就會重新啟動，所輸出的電壓會清零，在系統發生錯誤時，顯示屏顯示“Welcome to use adj power supply”。

（5）實驗參數測試，經過調節精密可調電位器及萬用表的調節后，誤差確實小了很多，但最大誤差還有0.12，實際上已經滿足本次設計的要求。經發現在5V以上電壓較為穩定，5V以下電壓波動較大，初步懷疑是萬用表不夠靈敏的影響和用手拿著測的原因，靜電防護沒到位導致。表1是調節后的測試結果。

表1 調節后測試數據

（6）硬件誤差分析。①經過多次測量發現電壓在0～2V以內，在一通電還未輸出的時候就已經有些電壓了，原因應該是萬用表自身攜帶些小電阻在電壓小的時候，影響比較大些，在電壓逐步上升后，影響逐漸降低，起起落落的變化應該是穩壓LM358輸出精度不夠穩定。②運算放大器零點偏移。③取樣電阻會隨著溫度上升阻值而發生變化，使得測出來的電壓偏差值不斷變化。④可能是數模轉換出現誤差。

4 結語

本多功能充電樁的設計根據設計需求，按照方案設計、方案論證、硬件電路、機械結構、軟件程序的順序展開工作。本文按照該順序，詳細介紹了系統中所用到的電路以及程序，設計精度除能滿足基本需求外還有所提高，解決了設計當中的技術難點，完成了設計任務，最后經過調試測試驗證結果，證明符合設計目標。往后還可以在以下幾個方面拓展功能：①如果溫度達到設定的閾值，持續1分鐘沒有變化或者繼續升高溫度，系統將進行報警；②將報警模塊進行升級，為滿足更多人的需求，增加燈光閃爍報警；③經濟最小化且性能、功能、效率不變；④嵌入聯網功能，將各個數據顯示在手機上，遠程查看且能夠修改。