无线控制多功能电源设计方案.docx
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无线控制多功能电源设计方案
无线控制多功能电源设计方案
1.1电源国外研究现状
1）国外研究现状
自20世纪50年代，美国宇航局以小型化重量轻为目标而为搭载火箭开发首个开关电源以来，在半个多世纪的发展中，开关电源逐步取代了传统技术制造的相控稳压电源，并广泛应用于电子整机设备中。
随着集成电路的发展，电源逐渐向集成化方向发展，趋于小型化和模块化。
近20年来，集成电源沿两个方向发展。
第一个方向是对电源的控制电路实现集成化。
1977年国外首先研制成脉宽调制（PWM）控制器集成电路，美国Motorola公司、Silicon General公司、Unitrode公司等相继推出一系列PWM芯片。
近些年来，国外研制出开关频率达1MHz的高速PWM、PFM芯片。
第二个方向是实现中、小功率开关电源单片集成化。
1994年，美国电源集成公司（Power Integrations）在世界上率先研制成功三端隔离式PWM型单片开关电源，其属于AC/DC电源变换器。
之后相继推出TOPSwitch、TOPSwitch-II、TOPSwitch-Fx、TOPSwitch-GX、PeakSwitch、LinkSwitch等系列产品。
意-法半导体公司最近也开发出VIPer100、VIPer100A、VIPer100B等中、小功率单片电源系列产品，并得到广泛应用。
目前，单片开关电源已形成了几十个系列、数百种产品。
单片开关电源自问世以来便显示出强大的生命力，其作为一项颇具发展前景和影响力的新产品，引起了国外电源界的普遍关注。
单片开关电源具有高集成度、高性价比、最简外围电路、最佳性能指标等特点，现己成为开发中小功率开关电源、精密开关电源及开关电源模块的优选集成电路。
2）国研究现状
与国外开关电源技术相比，国从1977年才开始进入初步发展期，起步较晚、技术相对落后。
目前国DC/DC模块电源市场主要被国外品牌所占据，它们覆盖了大功率模块电源的大部分以及中小功率模块电源一半的市场。
但是，随着国技术的进步和生产规模的扩大，进口中小功率模块电源正在快速被国产DC/DC产品所代替。
开关电源的使用为国家节省了大量铜材、钢材和占地面积。
由于变换效率提高，能耗减少，降低了电源周围环境的室温，改善了工作人员的环境。
我国邮电通信部门广泛采用开关电源极推动了它在其它领域的广泛应用。
值得指出的是，近两年来出现的电力系统直流操作电源，是针对国家投资4000亿元用于城网、农网的供电工程改造、提高输配电供电质量而推出的，它已开始采用开关电源以取代传统的相控电源。
国一些通信公司如中兴通讯等均已相继推出系列产品。
目前，国开关电源自主研发及生产厂家有300多家，形成规模的有十多家。
国产开关电源已占据了相当市场，一些大公司如中兴通讯自主开发的电源系列产品已获得广泛认同，在电源市场竞争中颇具优势，并有少量开始出口。
1.2课题研究的关键问题及解决的办法
本课题研究的是集无线控制电源电压的切换和电流电压监控为一体多功能电源的设计。
在进行了大量资料阅读，决定以单片机应用技术为核心进行开发，并配以电流电压采集、LCD显示、无线模块等硬件电路组成。
通过软件编程实现多功能电源的设计。
关键问题包括：
（1）多功能电源的无线通信的方式协议
（2）常用直流稳压切换和开关的控制方法
（3）电流电压采集的处理
解决办法：
在对上述问题进行了分析与理解后，制定了基本的解决方案。
蓝牙和单片机可通过串口进行无线通信，从而实现对电源的控制，单片机对电压的切换和电源开关控制，可通过继电器的端口的闭合实现，运用AD转换芯片可实现电压电流的采集。
经分析，课题可分为无线模块、稳压模块、电流电压采集模块、中央处理模块、显示模块、过载提醒模块、继电器模块。
总体方案的设计将在第二章节介绍，第三、四章主要介绍系统的硬件和软件设计。
2总体方案设计与确定
2.1设计要求
1.无线控制电源开关；
2.稳压电源可选择常用电压12v、9v、5v、3.3v；
3.声光提醒；
4.显示电压电流；
2.2方案简述
根据设计要求，整个多功能电源可分为：
无线模块、稳压模块、电流电压采集模块、中央处理模块、显示模块、继电器模块，过载提醒模块。
整体模块图：
图2.1整体模块图
整体方案：
单片机检测到串口通信的中断后，接收手机端通过蓝牙模块发送的控制命令，单片机通过串口接收到按键命令后，将按键命令进行数据处理，分析命令的要求。
首先控制继电器的端口开关，达到接通相应的稳压芯片或断开电源目的，接着单片机利用
总线开启PF8591芯片AD转换，最后单片机通过
总线接收采集的电压电流的数据，先判断电流值是否过载，决定是否声光提醒，再以并行的方式发给LCD显示。
UART
图2.2系统整体框图
2.3方案论证
本课题研究的是基于51单片机无线控制多功能电源，经分析主要有三种方案。
方案一：
采用红外线进行无线通信。
使用红外线遥控器发送控制命令，51单片机红外线模块接收命令并处理，能基本实现本课题功能，但是红外线传输存在一些缺陷。
第一波长短衍射能力弱，所以传输时中间不能有障碍物；第二，传输距离较短最大1-2米；第三，红外线是点对点传输，角度在30度以，导致使用时，必须对准，否则单片机不能接收按键信号。
所以红外线遥控在稳定性和使用性方面效果，不是很理想。
方案二：
采用WiFi进行无线通信。
手机端通过TCP网络调试助手，发送控制WIFI数据，WIFI模块接收数据经串口发送给单片机，单片机进行数据处理，能实现本课题功能。
WIFI传输数据具有速度快，围大等特点。
但是使用较蓝牙复杂，操作过程得使用大量的AT指令进行串口调试。
方案三：
采用蓝牙进行无线通信。
手机端APP发送控制命令，使用蓝牙模块进行手机端和单片机无线数据传输，最后单片机进行数据处理，能实现本课题功能。
蓝牙传输方式是呈现球面，所以可以跨越障碍物。
蓝牙能够在10米的变径进行一点对多点数据传输，大大的提高了数据传输效果。
此外传输速度较快，操所相对于WIFI简单，性价比高，较其他两种方案更为合适本课题。
综上所述：
考虑到本设计的距离在10米之类，性价比和稳定性，以及组建方便、操作简单等原因，本课题采用方案三，使用蓝牙作为手机端和单片机之间的无线数据传输方式。
3硬件系统设计
无线控制的多用电源硬件系统由控制中心处理器STC89C52C单片机、变压器和稳压芯片LM2596构成稳压模块、芯片PCF8591构成电流电压采集模块、HC-05构成的无线蓝牙模块，由蜂鸣器和LED1构成过载提醒模块，以及由芯片PCF8591，电流传感器ACS712构成AD采集模块等组成。
本章主要介绍硬件设计原理以及和各个芯片的硬件连接。
3.1中央处理模块
STC89C52C特点
中央处理处理器STC89C52C单片机主要是进行按键数据接收和分析，继电器控制，采集数据处理和显示。
单片机和外围芯片的数据传输主要使用的是串口和
。
STC89C52RC是STC公司生产的一种低功耗、高性能CMOS8位微控制器。
工作电压为5.5V～3.3V，实际工作频率为48MHz。
在单芯片上，拥有灵巧的8位CPU和在系统可编程Flash，512字节RAM，32位I/O口线，看门狗定时器，置4KBE2PROM，全双工串行口。
另外STC89C52可降至0Hz静态逻辑操作，支持2种软件可选择节电模式。
空闲模式下，CPU停止工作，允许RAM、定时器/计数器、串口、中断继续工作。
掉电保护方式下，RAM容被保存，振荡器被冻结，单片机一切工作停止，直到下一个中断或硬件复位为止。
最高运作频率35MHz，6T/12T可选。
图3.1STC89C52RC芯片引脚图
3.1.1串行口结构及原理
STC89C52RC单片机的串行口是一个可编程的全双工串行同行接口。
它有两个数据缓冲寄存器SBUF和一个输入移位寄存器。
接收和发送寄存器的地址都是99H，名称都为SBUF。
有两个特殊功能寄存器，分别是SCON和PCON。
表3.1串行口控制寄存器SCON（98H）
SM0
SM1
SM2
REN
TB8
RB8
TI
RI
方式选择
多机
控制
接收允许/禁止
欲发第9位
收到第9位
发送中断有/无
接收中断有/无
串行口有4种工作方式，方式0为移位寄存器模式，波特率固定为f晶振/12，。
串行数据的发送和接收以8位为一帧，不设起始位和停止位；方式1为波特率可变的10位异步通信方式，10位串行数据，包括1位起始位，8位数据位和1位停止位；方式2为波特率固定的11位异步通信方式，即1位始位，9位数据位和1位停止位。
其中第9位数据既可作奇偶校验位，也可作控制位使用；方式3为波特率可设置的11位异步通信方式，本设计使用的是方式1。
表3.2电源控制寄存器PCON（87H）
SMOD
X
X
X
GF1
GF0
PD
IDL
波特率加倍位
通用标志位
掉电方式位
待机方式位
电源控制寄存器PCON中SMOD位可影响串行口的波特率。
SMOD是串行口波特率倍增位，当SMOD=1时，串行口波特率加倍。
系统复位默认为SMOD=0。
单片机和蓝牙模块进行串口通信时，单片机CPU先向SBUF写入数据，就启动发送过程，单片机中的并行数据送入SBUF，在发送控制器的控制下，按设定的波特率，每来一个移位时钟，数据移出一位，由高到低一位一位发送到电缆上，移出的数据通过电缆到达蓝牙模块。
蓝牙模块按照设定的波特率，每来一个移位时钟移入一位，由低到高一位一位移入SBUF。
图3.2单片机和蓝牙模块串行示意图
当单片机作为发送方时，一帧数据发送完毕，硬件自动置位发送中断标志位TI，该位可作为查询标志。
当单片机接收方时，需预先置位REN即允许接收，对方的数据按照波特率由低到高的进入移位寄存器，当一帧数据接收完毕，硬件置位自动置位接收中断标志位RI，该位可作为查询标志。
单片机将引起接收中断，CPU会读入SBUF，将这帧数据读入，从而完成一帧数据的传送。
3.1.2I2C总线
I2C总线是Philips公司推出的芯片间串行传输总线。
它有两根线，分别是串行时钟线SCL和串行数据线SDA。
通过这两根线实现个器件的全双工数据传送。
I2C总线规定，总线传输中所有状态都生成相对应的状态码，单片机能够依据这些状态码自动的进行总线管理，用户只需要根据数据操作完成I2C总线的初始化，启动I2C总线就能自动完成规定的数据传送操作。
系统中所有外围器件都将SDA和SCL同名端连接在一起，总线上所有节点都由器件管脚的地址确定。
本设计中PCF8591地址为0x90。
3.2稳压模块
稳压模块是由变压器、整流桥、滤波电路以及稳压芯片LM2596构成，这部分电路主要作用是将220V交流电进行降压整流得到12V、9V、5V、3.3V直流稳压。
图3.3LM2596芯片引脚图
LM2596是一款可调的降压芯片，具有良好的线性和负载调节性，可通过旋转模块上的电位器调节输出小于37V的各种电压电压调节（顺时针旋转升压,逆时针旋转降压），输入电压围是3.2V～40V，直流电压在1.25V～35V是连续可调的，该芯片的压差至少为1.5V，最大输出电流3A，长时间使用电流控制在2.5A。
在本设计中该芯片输入端连接滤波后的直流电压，输出端连接继电器的常开端，即可实现稳压。
稳压模块设计
稳压部分是由变压器、滤波电容和稳压芯片LM2596构成。
稳压模块主要工作原理：
首先由市电接入220v，经过变压器隔离变压输出15v的交流电压，交流电压经过整流桥电路整流之后是半波电压，再经过滤波电容之后为21v的直流电压，再分别经四个LM2596稳压之后，分别输出直流稳压12V、9V、5V、3.3V。
图3.4稳压总框图
变压器：
作用是将来自电网的220V交流电压变换为整流电路所需要的交流电压，这部分电路非常简单，常见的变压器的结构如图9所示，其中U1是输入信号的电压，U2是输出信号的电压，它们之间有一个比例关系，这个比例关系是根据变压器的主副线圈匝数的比值得到的，也即为主副线圈匝数之比等于主副电压之比。
图3.5变压器
整流电路：
利用二极管的单向导通性，将交流电压变为脉动的直流电压。
常见的整流电路：
半波、全波、桥式和倍压整流；单相和三相整流等
本次设计采用单相桥式整流，桥式整流电路是使用最多的一种电路，桥式整流器是利用四个二极管，依次连接，构成桥式形状，当输入信号为正半周时，其中对称的两只二极管导通，得到正的输出；当输入信号为负半周时，另外两只二极管导通，这样就可以将输入信号的正负半周的信号全不输出。
桥式整流器对输入正弦波的利用效率比半波整流高一倍。
电路图如3.6、图3.7所示：
图3.6桥式整流电路图图3.7波形图
滤波电路：
将脉动直流电压转变为平滑的直流电压。
滤波原理：
滤波电路利用储能元件电容两端的电压（或通过电感中的电流）不能突变的特性,滤掉整流电路输出电压中的交流成份，保留其直流成份，达到平滑输出电压波形的目的。
滤波电路主要有两种：
电感滤波、电流滤波。
经分析，本设计采用电感滤波。
由于电容在电路中也是起到储存能量的作用，并联的电容器在电源供给的电压升高时，能够把部分能量储存起来，而当电源电压减低的时候，就能把能量释放出来，使负载电压比较平滑稳定，也就是电容也有平波的作用。
电容滤波电路比较简单，而且负载直流电压比较高，纹波也比较少，适用于负载电压较高，负载变动不大的场合。
图3.8电感滤波电路
稳压电路：
稳压电路（稳压器）是为电路或负载提供稳定的输出电压的一种电子设备。
当电网电压波动及负载变化时，保持输出电压的稳定。
稳压电路最大的作用就是能提供相对比较稳定的直流电，但是，和理想的直流电源相比，整流滤波电路的输出电压还是有很大差别的，其中，主要是差别有：
一是当负载电流有变化的情况，由于整流滤波电路本身存在一定的阻，因此，经过整流和滤波后输出的直流电压必然也会产生一定变化。
二是因为我们平时用的电网电压并是特别稳定，当电网上的电压发生变化时，整流电路的输出很有可能会随着变压器副边电压的变化而变化，所以会导致输出直流电压会产生一定的变化。
因此，在设计中，我们需要利用三端集成稳压器LM2596这款芯片来实现稳定电压的功能。
图3.9稳压部分总电路图
3.3继电器模块
继电器的在本系统的功能控制稳压芯片LM2596的接入，从而达到控制稳压的作用。
使用继电器的常开端连接LM2596，触发端连接单片机管脚P1.4~P1.7。
具体控制过程为：
当信号触发端触发时，继电器吸合，相当于它的开关闭合，此时回路导通，设备将处于有电状态，并开始工作。
继电器说明:
图3.10继电器接常开端
继电器模块常开接口最大负载：
交流250V/10A，直流30V/10A;触发电流5mA；模块工作电压有5V、9、12V、24V可供选择；模块可以通过跳线设置高电平或低电平触发；电源指示灯（绿色），继电器状态指示灯（红色）所有接口均可通过接线端子直接连线引出。
跳线与LOW短接时为低电平触发选择端；跳线与high短接时为高电平触发选择端。
表3.3继电器接口
输入端
输出端
管脚
功能
管脚
功能
DC+
接电源正极
NO
继电器常开接口，继电器吸合前悬空，吸合后与COM短接
DC-
接电源正极
COM
继电器公用接口
IN
可以高或低电平控制继电器吸合
NC
继电器常闭接口，继电器吸合前与COM短接，吸合后悬空
3.4显示模块
本系统需要将电流电压提示字、本人基本信息、采集值等多个参数进行实时显示，因此需要使用LCD模块。
3.4.1液晶芯片的选择
方案一：
LCD1602
1602是一种置含128个字符的ASCII字符集字库的字符型液晶，可基本实现本课题的显示。
但是它有三个局限的地方在本系统，第一是，只可显示字符，不能显示汉字，第二，最大显示32个字符，对于本课题空间较小，显示效果不佳，第三不能串行进行数据传输。
方案二：
LCD12864
12864为5v电压驱动，带背光，可显示4行16个汉字，置8192个16X16点阵、128个字符（8X16点阵）及64X256点阵显示RAM（GDRAM）。
与外部CPU接口采用并行或串行两种控制方式。
它可以在液晶任意位置显示数字、符号、汉字和图形。
综上所述：
因为本课题不仅需要显示电流电压提示字、本人基本信息、采集值等多个参数，而且显示的容使用32个字符空间有点小。
所以选择方案二LCD12864，可以在液晶屏上选择任意位置显示数字、符号、汉字，并且可以显示128个字符，它具有更大的显示空间，可以使用户能清楚的了解参数显示值。
3.4.2显示原理
LCD液晶显示器的主要原理是采用电流方式刺激液晶分子产生点、线、面，同时配合背景灯光就会构成画面。
本课题设计选用ST7920作为控制器的液晶12864具有20个引脚，每个引脚具有不同的功能，具体引脚功能说明如表3.4所示。
表3.412864管脚说明
编号
符号
引脚说明
编号
符号
引脚说明
1
VSS
电源地
11
D4
数据口
2
VDD
电源正极
12
D5
数据口
3
VO
液晶显示对比度调节
13
D6
数据口
4
RS
数据/命令选择端
14
D7
数据口
5
R/W
读/写选择端
15
PSB
并/串选择
6
E
使能信号
16
NC
空脚
7
D0
数据口
17
RST
复位
8
D1
数据口
18
NC
空脚
9
D2
数据口
19
BLA
背光电源正极
10
D3
数据口
20
BLK
背景电源负极
3.4.3显示模块硬件设计
液晶LCD12864具有体积小、显示字符多、功率低、价格实惠的优点，可以用它任意显示汉字、字符、图画等。
此款液晶虽然具有串行操作方式，但是在本次课题设计，我采用并行操作方式传输需要显示的数据，运用的是液晶LCD12864的7引脚到14引脚的数据口端传输数据。
液晶LCD12864引脚1和引脚2是电源端，15、16为背光电源，为了防止背光灯被烧坏，所以在15引脚串接一个用于限流的1K电阻；液晶3引脚是液晶的对比度调节端，通过一个2K电位器接地来调节液晶LCD12864的显示亮度。
当液晶第一次上电的时候，要注意调节液晶显示亮度到液晶最上面的一行显示出黑色小格为止。
液晶的4引脚是接单片机引脚，并通过这个引脚向液晶控制器发送写数据还是写命令的控制命令。
液晶5引脚是读和写的选择端，因为本课题设计中不需要从液晶中读取任何数据，只需要向液晶里面写入命令和显示数据，所以这个端口始终是为写状态，即为低电平接地。
液晶LCD12864的6引脚是使能信号端，是操作时必需的信号，它也是一个控制信号。
图3.11液晶管脚图
3.5电流电压采集模块
电流电压采集模块是由芯片PCF8591，以及电流传感器ACS712构成。
其中PCF8591通道1采集电压，通道0采集电流，单片机和和PCF8591通过
进行通信，AD的数据口SDA与单片机的P3.3相连，串行时钟线SCL与单片机管脚P3.2相连。
AD采集芯片特点
PCF8591是一个单片集成、单独供电、低功耗、8-bitCMOS数据获取器件，它的工作电压围2.5V~6V，电压采集围0V~-5V,本设计中采集的电压围是1.1V~4V。
具有4个模拟输入、1个模拟输出和1个双线双向串行I2C总线接口。
PCF8591的3个地址引脚A0、A1和A2可用于硬件地址编程，本设计中它的地址是0x90。
允许在同个I2C总线上接入8个PCF8591器件，而无需额外的硬件。
模块上有两个指示灯，一个是电源指示灯，一个是DA输出指示灯，当模块DA输出接口电压达到一定值，会点亮板上DA输出指示灯，电压越大，指示灯亮度越明显。
此外该芯片集成热敏、光敏电阻，可以通过AD采集环境光强精确数值，在本设计中没有涉及。
图3.12PCF8591管脚
表3.5PCF8951管脚说明
AOUT
芯片DA输出接口
AINO
芯片模拟输入接口0
AIN1
芯片模拟输入接口1
AIN2
芯片模拟输入接口2
AIN3
芯片模拟输入接口3
SCL
I2C时钟接口接单片机IO口
SDA
I2C数字接口接单片机IO口
GND
模块地外接地
VCC
电源接口外接3.3V~5V
单片机和PCF8591进行数据交换时，需先写入地址，和控制字，再接收采集数据。
表3.6PCF8591地址字
1
0
0
1
A2
A1
A0
R/
固定
可编程
本设计中PCF8591地址设置为0x90。
表3.7PCF8591控制字
0
X
X
X
0
X
X
X
模拟输出使能
单一输入
/差分输入
自动增加标志
模拟输入通道（0~3）
所以启动电流通道0控制字为0x40，启动电压通道1控制字为0x41。
图3.13AD采集电路图
3.5.1电流采集设计
ACS712是一款工作电压为5V，测量电压围为+5A的电流传感器。
ACS712是基于霍尔检测的原理，模拟量输出185mV/A，它带宽为80KHZ，总输出误差为1.5％，1.2mΩ部电阻。
图3.13ACS712管脚图
表3.8ACS712管脚说明
管脚
名称
功能描述
1和2
IP+
被测电流输入/输出
3和4
IP-
被测电流输入/输出
5
GND
信号地
6
FILTER
外接电容
7
VIOUT
模拟电压输出
8
VCC
电源电压
本设计中ACS712输入端连接稳压后的电路中，输出端连入PCF8591通道0，实现电流的采集。
图3.14ACS712原理图
3.5.2电压采集设计
因为PCF8591能采集的电压最大为5V,而稳出的直流电源电压12V~3.3V，所以大于5V电压将无法采集。
考虑到这种情况，所以设计了用3个150K的电阻进行分压，这样只需将单片机采集的电压X3，就能得到原有的电压。
图3.15电流电压采集总框图
3.5.3AD转换原理
1）取样和取样定理
将连续变化的模拟信号用多个时间点上的信号值来表示称为取样，取样点上的信号值称为样点值，样点值的全体称为原信号的取样信号。
只要取样频率fS大于等于模拟信号中的最高频率fmax的2倍，利用理想滤波器即可无失真地将取样信号恢复为原来的模拟信号。
2）取样—保持
取样后的样点值必须保存下来，并在取样脉冲结束之后到下1个取样脉冲到来之前保持不变，以便ADC电路在此期间将该样点值转换成数字量，这就是所谓取样-保持。
3）量化与编码
取样保持后的样点值仍是连续的模拟信号，为了用数字量表示，必须将其化成某个最小数量单位△的整数倍。
3.6无线模块
无线部分主要是由蓝牙模块HC-05构成。
工作围在空旷的地方有效距离为10米，输入电压为3V~6V，不能超过7V，因此本设计采用3.3V。
可当全双工串口使用，支持8位数据位、1位停止位、可设置奇偶校验的通信格式。
它的主要功能是通过蓝牙和串口通信，利用射频信号使单片机和手机蓝牙APP进行数据交换。
参数设置如下：
通讯标准：
串口、TTL电平
方式：
异步全双工串口
波特率：
9600bps
数据位：
8
停止位：
1
校验位：
none
HC-05特
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