带车载电池电压实时监测的USB充电器研究

张 咪

(金华融盛投资发展集团有限公司，浙江 金华 321017)

0 引言

随着生活水平的提高，人们出行的次数也越来越频繁，汽车为其中最重要的交通工具。当今的时代是智能的时代，电子设备发展越来越快，然而有时人们外出时，会遇到电子产品没电的情况，作为我们平时外出的主要交通工具——汽车，如果可以实现给移动设备充电的功能，那就解决了很多不方便，将很大程度上便利我们的生活[1]。因此研究车载充电器具有实际意义，并且能够带来巨大的生活便利和经济效益。

1 系统结构

本文主要研究如何在车载环境下给移动设备充电，并且实时监测汽车电瓶电压；同时还要研究实现危险情况下的及时报警，以及输入负载过大时的自保护电路。系统结构如图1所示。

图1 系统结构框图

汽车电瓶产生12 V直流电压输入到车载充电系统中，由LM2596 DC/DC降压模块把12 V的DC电压降到了5 V，一路用于单片机供电，另一路则作为输出电压给移动电子设备充电。继电器的通断控制移动电子设备充放电。单片机则循环采集电瓶电压然后实时反馈到液晶显示屏，当输入电压超过规定范围，报警器则会立马报警，同时蜂鸣器也发出响声[2]。

2 系统硬件设计

如图2所示为系统电路原理图，主要包括：电源电路、控制模块、显示模块、输出模块、报警模块、复位模块。电源转换采用LM2596s 降压模块，单片机采用宏晶新一代STC12C5A40S2，继电器采用HK4100F，液晶显示屏采用LCD1602，过载保护采用保险丝。

2.1 电源电路

如图3所示是车载充电器系统的电源电路：

汽车电瓶电压为12 V，作为输入电压接入到VCC端。保险丝起过载保护作用，电源电路12 V的直流电压降到5 V，5 V电压将用于给移动电子设备充电，同时也要用于给单片机、报警电路、复位电路以及显示屏接口电路供电。

2.2 LM2596 DC/DC 可调降压模块

通过LM2596模块电路驱动LM2596DC/DC可调降压模块，如图4所示，对输入的汽车电瓶电压进行转换[3]。

图2 系统总体电路原理图

图3 电源电路

图4 LM2596模块电路图

输入电压的区间值：直流是3.2 V一直到40 V；输出电压的区间值：直流是1.25 V一直到35 V，此范围内的电压是持续可调的，最大效率可以达到92%。而经过实际测量，12 V的输入电压，5 V的输出电压，电流1A时的负载调整率低于1%。使用时，只需要调节可调电阻，达到需要的输出电压，该模块的一大特性就是无论多么恶劣的工作状况下，都可以稳定输出5 V的电压。

2.3 主处理电路

本文采用的处理芯片为STC12C5A40S2新一代单片机，循环采集输入电压，然后经AD转换将信号反馈到液晶显示屏上，同时也控制继电器的闭合和断开，控制报警电路和复位电路，它是整个车载充电系统的核心。

如图5所示为主处理电路，R2，R3用于分压，J1 是串行口，晶振的充放电则靠C4、C5来实现，晶振产生规定的12 MHz的基准波，C2则是用于滤波，把跃变信号过滤掉，这样给单片机提供的直流电压就会较为稳定；管脚1检测输入信号，管脚9控制复位电路，管脚10接收串口信号，管脚10发送信号给串行口，单片机检测管脚14的状态，控制管脚16的状态，从而控制继电器的闭合与断开，管脚 26到28则是将单片机信号传输给液晶显示屏，管脚32到39插有排阻，将单片机钳在高电位，管脚 40则是VCC，用于给单片机供电。

2.4 继电器电路

如图6所示，继电器控制输出电压的有无给移动电子设备充放电，当需要充电时，单片机输入低电平来控制继电器，这时继电器的常开触点闭合，此时V5和R4组成的状态指示灯点亮，管脚6有输出电流，移动设备正常充电；当不需充电时，单片机输出高电平来控制继电器，在高电平控制信号下，继电器处于断开状态，状态指示灯熄灭，移动设备无法充电。R8及R11为保护电阻；三极管V2用于截止或者导通继电器的电流，二极管V4用于吸收和释放继电器停止供电时产生的反向电动势，且避免反向电动势把三极管击穿，干扰其他电路[4]；电容C7和C8的作用是减少纹波，输出稳定的电压用于给移动电子设备充电。

图5 主处理电路图

图6 继电器电路

2.5 显示屏接口电路

单片机循环检测并且经过内部计算后，将所测得的电瓶电压值传送给 LCD1602液晶显示屏，液晶显示屏显示相应的电压和状态：当电压正常时，液晶屏上显示相应的电压及State Normal；当电瓶电压超过规定的14 V上限电压时，显示State High；当电瓶电压超过下限10 V时，显示State Low。

2.6 报警电路

报警电路的作用是在输入的电瓶电压超过规定的10 V～14 V的安全电压范围值时，则会启动报警电路，让用户及时发现，并快速关闭电压防止危险情况的发生。

2.7 复位电路

在车载系统运行的过程中，难免会遇到单片机死机的情况，当这种情况发生时，按下复位按钮，信号通过RESET管脚传输给单片机，单片机的程序则会重新执行，使整个车载系统正常工作。

3 系统软件设计

单片机接通电源之后，便开始工作，然后进行单片机、液晶屏、串口、以及ADC一系列初始化工作，单片机根据降压模块输出的电压进行判断是否稳定，对输出电压进行控制，并循环检测及显示电瓶电压和状态。

3.1 电压值显示模块

电压值显示模块的主要功能是对输入电压进行AD转换，并显示到液晶显示屏上。具体流程是：单片机I/O口将分压电阻分出的电压进行读取，然后通过单片机AD模块，进行电压的比较和换算，将模拟量转换成数字量，输送到液晶显示屏，显示电瓶电压。

AD转换数据读取流程：片选信号置底，等待AD芯片确认片选信号，并将AD转换结果最高位传送到数据口，此后每一个下降沿时钟到来时，AD芯片都会将下一位转换结果传送到数据口，当第七个下降沿到来后，AD转换的8位数据已全部发送完毕，这时再给一个下降沿，AD芯片进行下一次AD转换。AD转换期间不允许对AD芯片进行操作，所以在第八个下降沿后，置片选信号为高或者保持时钟信号为低电平。

3.2 继电器控制

继电器控制模块的主要作用是控制继电器的闭合和断开，从而控制输出电压。具体流程是：单片机检测输入电压的状态，当检测到的电压为较稳定的5 V电压时，控制继电器开关闭合，有电压输出给移动设备供电，如果片机检测到的电压为不稳定的电压时，控制继电器开关断开，处于断电状态。

3.3 报警状态判断模块

报警状态判断模块的主要功能就是对输入电压的值是否超过预定值进行判断。具体流程如下：当输入的电瓶电压被单片机采集后，与预设好的电压的范围进行比较，当高于14 V和低于10 V时，蜂鸣器开始报警，并且报警标志置位，如果在10 V～14 V的范围内，则蜂鸣器不报警，且清零报警标志。

4 系统测试

通过220 V交流转12 V直流转换器模拟汽车电瓶产生12 V的直流电压，LM2596 DC/DC降压模块将12 V的DC电压降到了5 V，一路用于单片机供电，一路用作输出电压给移动电子设备充电。当单片机检测到的电压为稳定输出的5 V时，单片机控制继电器吸合，给移动电子设备充电；当单片机检测到的电压不稳定时，单片机控制继电器断开，停止给移动设备充电。单片机用于循环采集电瓶电压然后实时反馈到液晶显示屏，当输入电压超过规定范围，报警器则会立马报警，同时蜂鸣器也会发出响声。

5 结束语

本文介绍了一种车载电池电压实时监测的 USB充电器。该充电器首先具有最基本的支持车载充电功能，同时能够实时监测并显示汽车电瓶电压。采用降压模块对电瓶电压进行降压，输出稳定的5 V电压对移动设备供电；同时采用宏晶新一代 51单片机对输入电压循环采集，经AD转换后，通过显示屏显示出来；继电器起到实现当输入电压是否在安全范围内时的通断电作用；报警系统则更方便的提醒用户所使用的车载充电器出现异常；复位电路则是起到单片机死机处理作用。

[1] 杨婷,景占荣,高田.电动汽车车载智能快速充电器的设计与研究[J].现代电力，2010,27(5)：62-66.

[2] 林倩,胡耀武,胡丽冰,等.基于51单片机的电动车手机充电器设计[J].物联网技术，2013(2)：44-48.

[3] 王建辉,陈效华,朱得亚,等.基于UCC28950的车载动力锂电池充电器的DC-DC 变换器设计[J].电力技术与软件工程，2013(14)：103-103.

[4] 熊云,钟再敏,孙泽昌,牛宇航.集成式电动汽车用车载充电器的研究[J].汽车技术，2009(11)：20-23.