基于單片機的智能車(chē)載電源管理器設計方案

摘要：車(chē)栽電源管理器在汽車(chē)電氣設備控制中具有非常重要的地位。采用STC12C5410AD作為主控單元被用于交通警用車(chē)車(chē)載電氣設備的電源控制，該控制系統具有低成本、可靠性高、易于實(shí)現的特點(diǎn)，經(jīng)過(guò)檢測和調試，該系統運行穩定，性能良好。

0引言

隨著(zhù)汽車(chē)工業(yè)和電子技術(shù)的進(jìn)步，車(chē)載電氣設備日益增多。交通警務(wù)車(chē)因其使用要求和場(chǎng)合的特殊性，更是對車(chē)載電源提出了新的要求。為實(shí)現移動(dòng)警務(wù)的信息處理要求，車(chē)載電腦、視頻監控設備、夜間照明設備、車(chē)載雷達測速等一些大功率的電氣設備被集成于汽車(chē)內部。因此，要求對上述設備電源可靠控制，并且當汽車(chē)停止運行以后，蓄電池電壓降低設定值時(shí)，切斷對外圍設備供電，以保證汽車(chē)點(diǎn)火系統的正常工作和蓄電池不會(huì )因過(guò)量放電而造成損壞。幾乎所有連接至汽車(chē)電池的電子組件和電路均要求保護，以免于受到抑制、瞬態(tài)電壓(高達60V)和反向電壓狀態(tài)的損害。同時(shí)，在蓄電池電量不足時(shí)，提示用戶(hù)備份車(chē)載電腦中的數據，復位機械伸縮部件，以保證車(chē)載各個(gè)部件安全可靠的工作。

對上述實(shí)際要求，本文提出以STC5410AD單片機為主控制單元，通過(guò)誤差放大器、電流檢測以及電壓檢測電路，根據設定參數進(jìn)行車(chē)載電氣設備供電管理。

1 STCl2C5410AD單片機的介紹

該系列單片機是新一代高速MCU,指令代碼完全兼容傳統8051,速度快8-12倍，內部集成MAX810專(zhuān)用復位電路，外部晶振20M以下時(shí)，可省外部復位電路。4路PWM,8路高速10位A/D轉換，針對電機控制，強干擾場(chǎng)合。該系列單片機有一個(gè)全雙工的串行通訊口，單片機和PC之間進(jìn)行串行通訊時(shí)必須有~個(gè)電平轉換電路，因為電腦的串口是I塔232電平的，而單片機的串口是11L或CMOS電平的，我們采用了專(zhuān)用芯片SP232EQ呵進(jìn)行轉換。

·工作電壓：5.5V~3.5V單片機(5V單片機)/3.8V-2.2V(3V單片機)

·工作頻率范圍：0-35MHz

·用戶(hù)應用程序空間10K,片上集成512RAM

·GPIO口15個(gè)，可設置成四種模式：準雙向口/弱上拉，推挽，強上拉，僅為輸入(高阻)

·PWM(4路)/PCA(可編程計數器陣列)

·ISP(在系統編程)/IAP(在應用編程)，無(wú)需專(zhuān)用編程器和專(zhuān)用的仿真器，可以方便把設計的硬件電路接應用系統中，一邊調試一邊通過(guò)串口(P3.0/3.1)直接下載用戶(hù)程序

·8路lO位高速A巾轉換器，速度均可達100KHz(10萬(wàn)次，秒)，可做溫度檢測、電池電壓檢測、按鍵掃描、頻譜檢測等。A/D轉換結果計算公式如下：

(ADC_DATA[7:0],ADC LOW2[1:0])=1024xVin/Vcc,Vin為模擬輸入通道輸入電壓，Vcc為單片機實(shí)際工作電壓，用單片機工作電壓作為模擬參考電壓。取ADC D朋陡的8位為ADC轉換的高8位，取ADC LoW2的低2位為ADC轉換的低2位，則為10位精度。

2車(chē)載電源管理器電路設計與功能原理

2.1 電路設計及主要工作原理

圖1引擎觸發(fā)信號采樣電路

集成運算放大器是一個(gè)具有高開(kāi)環(huán)電壓放大倍數的多級直接耦合放大電路。為使運放有較高的輸入電阻及很強的抑制零點(diǎn)漂移的能力，輸入級采用差動(dòng)放大電路，由晶體管或場(chǎng)效應組成。本電源管理器電路主要有兩部分組成。圖1所示電路部分，通過(guò)LM358雙輸入集成運算放大器采樣蓄電池兩端電壓輸出。采用由雙輸入集成運算放大器LM358M進(jìn)行引擎信號采樣，其結構如圖2所示：

圖2LM358內部原理圖。

LM358M內部由兩個(gè)相互對立的集成運算放大器組成。

在本電路設計中只用了一個(gè)運放構成減法電路，將另一個(gè)運放構成電壓跟隨器消除級間竄擾。由于LM358反相輸入端存在耦合電容。汽車(chē)停止狀態(tài)時(shí)，電池兩端輸出約為14VDC左右穩定的直流波形。由于TL431鉗位作用，使得LM358同相和反相輸入端維持在于2.5V左右，運算放大器輸出為低電平。汽車(chē)引擎在點(diǎn)火與加速時(shí)，發(fā)動(dòng)機的突然啟動(dòng)或加速會(huì )將電池電壓瞬間拉低，電池兩端電壓產(chǎn)生跳變，輸出為周期脈沖，如圖3:

圖3引擎觸發(fā)信號波形。

此時(shí)，由于耦合電容和齊納二極管共同的作用使得在LM358正相輸入端和反相輸入端產(chǎn)生電壓差，經(jīng)過(guò)波形整形電路產(chǎn)生穩定的低電平。STC單片機采樣LM358輸出端7腳信號電平的高低判斷汽車(chē)是否起動(dòng)，延時(shí)判斷主用電池和備用電池的電雎值，與設定值進(jìn)行比較決定打開(kāi)或者關(guān)閉主電池和備電池輸出信號，在后級電路中接入達林頓管驅動(dòng)較大功率繼電器以推動(dòng)大功率負載。見(jiàn)圖4:

圖4 STCl2C5410AD控制系統電路。

2.2主要功能

圖1分別完成發(fā)動(dòng)引擎信號的采集和脈沖波形的判斷，準確判斷汽車(chē)何時(shí)發(fā)動(dòng)，何時(shí)停止，為汽車(chē)蓄電池與汽車(chē)點(diǎn)火系統正常工作提供保護。監測車(chē)載用電設備工作情況，當汽車(chē)停止熄火后繼續為周邊設備供電，直到達到內部設定值，停止供電防止汽車(chē)蓄電池因過(guò)量放電造成電池耗盡。同時(shí)，保證緊急與在啟動(dòng)所需電力和處于工作狀態(tài)的設備及時(shí)復位。

電源管理器送電工作后，在圖4中通過(guò)STC單片機監測后備蓄電池電壓，同時(shí)延時(shí)判斷汽車(chē)引擎是否正常發(fā)動(dòng)，運轉正常后開(kāi)始對后備蓄電池進(jìn)行充電。當汽車(chē)正常運轉時(shí)，主蓄電池或備用蓄電池電壓降設定值，蜂鳴器發(fā)出報警，并通過(guò)RS485通信口將數據傳至車(chē)載電腦中保存記錄。當蓄電池電壓降至危險值時(shí)，切斷車(chē)載用電設備供電，以保證汽車(chē)引擎點(diǎn)火系統工作正常。同時(shí)，電源管理器系統進(jìn)入休眠狀態(tài)。只有當汽車(chē)引擎發(fā)動(dòng)，并工作一段時(shí)間根據汽車(chē)蓄電池電量恢復情況啟動(dòng)供電系統。

2.3程序設計流程

本系統采用C語(yǔ)言編程用C語(yǔ)言來(lái)編寫(xiě)目標系統軟件，會(huì )大大縮短開(kāi)發(fā)周期，且明顯地增加軟件的可讀性，便于改進(jìn)和擴充，從而研制出規模更大、性能更完備的系統。

通過(guò)對集成運放采集的引擎觸發(fā)信號與設定閾值相比較，計算有效脈沖數確定汽車(chē)引擎的工作狀態(tài)。主電池和備用電池電壓通過(guò)電阻網(wǎng)絡(luò )送入sTcl2c541m~D的19、18腳AD采樣端，通過(guò)計算判斷主電池和備用電池是否存在欠壓，通過(guò)P1.O~P1.3口送出編碼信號給車(chē)載電腦提示用戶(hù)及時(shí)保存數據并發(fā)出蜂鳴報警。該軟件系統的流程框圖如圖5所示。

圖5單片機程序流程圖。

3結論

在今天，汽車(chē)工業(yè)日新月異，車(chē)載電源管理在整個(gè)汽車(chē)電氣控制中具有舉足輕重的地位。它不但保護車(chē)內用電設備，還同時(shí)保證駕駛者行車(chē)安全。由于該電源管理器具有成本低、易于實(shí)現、穩定性好已經(jīng)被成功用于浙江某地區警用裝備車(chē)電氣系統改造。