无线遥控智能电源的设计与实现

陈惠静 林家铸 丁康佳 莫儒浩

摘要 无线遥控智能电源的设计采用AC-DC开关电源为前级降压变换模块，对KIM-3R35 DC-DC模块电路进行重新设计和修改，作为自动调压的核心电路，通过外部输出口连接特制线材，实现自动调压功能。利用单片机、ADC模数转换芯片实现电压、电流检测，LCD16 02进行数据显示。远程管理采用ESP8266无线Wi-Fi模块和继电器开关电路，配合手机APP软件可以进行远程开启和关闭控制。电源内部设有过载保护、短路保护等功能。通过论证，本作品能够应用于常用电子产品的充电，实用性强。

【关键词】智能电源 自动调压 LCD显示 远程遥控

无线遥控智能电源，兼容多种电子产品，包括笔记本电脑、手机、无线路由器、台灯等，可以代替各类直流电源适配器，达到一机多用的效果，输出稳定、经济实惠，安全性能高，使用范围广，有较好的市场经济价值。

本作品由开关电源、ATTINY26单片机、LCD1602液晶屏、无线遥控和LT1083cp调压模块等几个部分组成。主要功能如下：

（1）电压智能输出。配合相应的电源线，经智能调压后可给不同电压要求的电子产品供电。

（2）双开关控制模式。配备WIFI功能后可进行无线远程控制模式;为保证无线遥控器在损坏或丢失的情况下电源仍能正常使用，设计有手动开关模式。

（3）实时监控。在LCD1602液晶显示屏上可察看正在充电的电子产品的实时电压和电流，起到监控该电子产品安全的作用。

（4）电路保护功能。电源内部设计有电路短路保护以及过流保护功能。

（5）双路输出。电源扩展有A、B双路输出，可同时为两个电子产品供电。

1 系统方案

本系统主要由前级降压模块、自动调压模块、显示系统模块、控制模块组成，下面分别论证这几个模块的选择。

1.1 前级降压模块的论证与选择

1.1.1 方案一

环牛变压器降压。传统的环牛变压器降压的优点是输出功率大，电路简单。缺点是市电电压的不稳定会导致输出电压有波动，稳定性相对较差，而且体积大庞大，非常笨重，不利于便携。

1.1.2 方案二

开关电源。相比的传统环牛变压器降压，开关电源变压模块降压输出更稳定，且体积小、功率大、转换效率高，不会随市电电压的改变而造成输出电压有波动，更加符合设计需求。

以上二种方案综合分析，采用方案二。

1.2 自动调压模块的论证与选择

1.2.1 方案一

LT1083CP三端稳压管。LT1083CP三端稳压管的优点是可以实现大电流、高功率的可调线性稳压输出，缺点是输入输出的压差小，无法满足宽电压输出，压差过大时，发热量大，稳定性和电源的转换效率大大降低。

1.2.2 方案二

KIM-3R35 DC-DC模 块。 KIM-3R35DC-DC模块的体积小、价格便宜、性能卓越，有超宽的输出电压和高达8A的峰值电流，采用同步降压原理，发热量小，效率高，经过适当电路修改，即可改装成调压电路。

以上二种方案综合分析，采用方案二。

1.3 显示系统的论证与选择

1.3.1 方案一

数码管显示。数码管的优点是体积小、使用寿命长，价格便宜，缺点是只能显示简单的数字，无法完成多样复杂的显示内容，无法满足设计的需求。

1.3.2 方案二

LCD1602液晶显示。LCD1602液晶显示屏可以完成2行16位显示，可以完整的显示电源的输出电压、电流、功率等信息，给人更加直观、完美的显示体验，更好的监护用电设备。

以上二种方案综合分析，采用方案二。

1.4 控制系统的论证与选择

1.4.1 方案一

315M遥控模块。315M遥控模块的优点是控制简单，价格实惠，缺点是遥控距离短，遥控和接收模块只能一对一使用，抗干扰能力差、稳定性差。

1.4.2 方案二

ESP8266无线Wi-Fi模块。ESP8266无线Wi-Fi模块的功能强大，采用无线数字信号传输，有超强的抗干扰能力，配合开发好的手机APP软件使用，可以实现强大的远程控制管理，通用性强、可扩展性好，实用性高且便于操作。

以上二种方案综合分析，采用方案二。

2 系統理论分析与计算

2.1 核心电路的分析

2.1.1 降压电路原理分析

本设计采用KIM-3R35模块DC-DC降压电路原理，是一种同步整流降压电路，它可以使输出电压比输入电压低。同步降压过程即是可调功率MOSFET开关管的能量传递过程。给MOSFET管施加一个整流交变电压同步驱动信号，在整流电压正半周期到来控制MOFFET管的导通，负半周到来时控制MOSFET管截止，MOSFET管的导通、截止和整流的电压相位同步。如果这个通断过程不断重复，就可以实现同步整流降压，同步信号的频率越低，MOSFET管输出的电压也越低。图l为降压原理框图。

2.1.2 自动调压原理分析

自动调压电路，采用信号反馈原理实现，在电源的输出电路设有信号检测电路，当有特制电源线材插入电源输出端口时，特制电源线材的信号会反馈给调压电路进行调压，实现电压自动调节功能。图2为自动调压原理框图。

2.1.3 采样显示电路分析

采样显示电路，利用单片机实现，在输出电路串入采样电阻，利用采样电阻，采集变化的电信号，将采集好的模拟信号传输给ADC7705进行模数转换芯片转换成数字信号，ADC7705将模拟数字信号运算放大后反馈给单片机处理，单片机将信号运算处理完成后驱动LCD1602液晶显示屏，从而显示出用电器实时的工作电压、电流、功率等信息。图3为采样显示原理框图。

2.2 遥控电路的分析

2.2.1 Wi-Fi模块分析

ESP8266串口Wi-Fi模块内部集成32位CPU、闪存、2.4GHz Wi-Fi、功率放大器、电源管理组件等，内置TC P/IP协议栈，支持WPA/WPA2安全模式。当无线上网接入承担Wi-Fi适配器的任务时，可以使用手机终端设备通过无线网络连接操控ESP8266内部的固件程序，使其可以控制连接在GPIO口的其他应用模块或特定的设备。

2.2.2 APP开发分析

APP开发使用E4A（易安卓）易语言编写，APP界面如图4所示。

2.2.3 开关控制电路分析

开关控制电路，用继电器作为核心控制器件，通过控制继电器触头吸合或断开来控制电源输出的口的开启和关闭管理。使用安卓手机APP连接ESP8266无线Wi-Fi遥控模块，用手机APP来控制ESP8266的GPIO口的输出信号，输出信号通过控制三极管的导通或截止，使其继电器线圈的得电或断电，从而实现开关的控制。图5为远程开关控制原理框图。

2.3 自动调压电路转换效率的分析计算

2.3.1 自动调压电路转换效率分析

电路降压调压，其实就是电能的变换。那么电路在降压变换过程中就会存在电能损耗的问题，电能的损耗多少，会影响电能输出转换效率高低。在DC-DC将压电路变换中，MOSFET开关同步降压原理应用比较广泛且技术相对成熟，是一种相对比较高效率的典型降压电路，在很多实际应用电路上转换效率都可以达到90%左右。

2.3.2 理论降压效率计算

理论降压效率11= （Pl/P2） xl00%，其中Pl为输出功率，P2为输入功率。

理论升压效率的计算，参考KIM-3R35官方给出的数据，用35V供电，输出电压从5V到30V，经计算效率都在92%以上。

3 电路与程序设计

3.1 电路的设计

3.1.1 系统总体框图

系统总体框图如图6所示。

3.1.2 自动调压子系统框图与电路原理图

自动调压子系统框图如图7所示。

自动调压子系统电路如图8所示。

3.1.3 采样显示子系统框图与电路原理图

采样显示子系统框图如图9所示。

采样显示子系统电路如图10所示。

3.2 程序的设计

3.2.1 程序功能描述

软件部分主要实现信号采样转换和数据处理显示。

（1）信号采样转换;采集电压、电流信号，模数转换以及运算处理。

（2）数据处理显示：数据运算处理，显示电压值、电流值、功率值等。

3.2.2 程序流程图

主程序流程图如图11所示。

A/D子程序流程图如图12所示。

4 测试结果及分析

测试仪器：数字万用表、水泥电阻、笔记本电脑、安卓手机等。

4.1 测试结果

自动调压线测试结果如表1所示。

电源转换效率测试结果如表2所示。

手机APP兼容测试结果如表3所示。

4.2 测试分析与结论

根据上述测试数据，自动调压线接入电源输出口均能正确识别，输出电压与设定电压差别非常小;在电源转换效率测试时，接上负载，输出口电压值没有明显的偏差，整体效率也在70%以上，但是在5V电压输出时效率仅仅只有46%，转换效率偏低;手机APP随机使用几款常见的手机进行安装测试，都能兼容且可以实现遥控控制。由此可以得出以下结论

测试5V电压输出电源的转换效率时，电源整体效率过低的原因是负载的功率偏小，电源本身就存在7W左右的消耗功率。

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