多功能充電樁的設(shè)計(jì)

尤麗萍

泉州信息工程學(xué)院，福建 泉州 362000

0 引言

隨著社會(huì)的進(jìn)步，人們的需求越來越高，各種各樣的電子設(shè)備也隨之增加。為了減少不可再生資源的消耗，電動(dòng)車的推行是必然的，電動(dòng)車充電樁也應(yīng)隨之增加[1]。目前已出現(xiàn)各種各樣的電單車充電樁、電動(dòng)車充電樁，電瓶充電柜等都是單一服務(wù)，不方便?，F(xiàn)階段已更新出使用互聯(lián)網(wǎng)智能控制器其輸出的穩(wěn)定性，可在手機(jī)上調(diào)試各種電源數(shù)據(jù)、遠(yuǎn)程監(jiān)控、自動(dòng)斷電、采用間接性充電，一方面保護(hù)充電樁本身，其二是保護(hù)負(fù)載，實(shí)現(xiàn)多樣化混合提供充電，提高服務(wù)質(zhì)量，進(jìn)而提高城市充電樁的可靠性[2]。在充電樁的設(shè)計(jì)領(lǐng)域中，直流穩(wěn)壓數(shù)字電源是發(fā)展的速度最快的。電源對(duì)充電樁的重要性就相當(dāng)于血液對(duì)人體的重要性。通過控制電路的集成，采用可調(diào)節(jié)的方式為更多需求設(shè)備供電，服務(wù)更多行業(yè)。

1 設(shè)計(jì)任務(wù)

本次設(shè)計(jì)就是為了設(shè)計(jì)一個(gè)可調(diào)節(jié)的直流穩(wěn)壓的智能充電樁，讓充電不再被所規(guī)定的電壓束縛。其將具有以下功能：①顯示屏將各個(gè)參數(shù)顯示出來；②增加或減少按鍵的控制；③各個(gè)電路的組合穩(wěn)壓；④輸出精準(zhǔn)穩(wěn)定的電壓。

2 系統(tǒng)方案設(shè)計(jì)

2.1 硬件電路組成

根據(jù)所述方案設(shè)計(jì)，整個(gè)系統(tǒng)的設(shè)計(jì)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(zhuǎn)換放大，最后LCD1602液晶顯示屏顯示出來。

圖1 硬件組成結(jié)構(gòu)圖

本次系統(tǒng)設(shè)計(jì)采用主控電路芯片為STC89C51，通過控制D/A轉(zhuǎn)換來輸出基準(zhǔn)電壓，然后通過控制A/D轉(zhuǎn)換來讀取反饋電壓，并自動(dòng)調(diào)整D/A的輸出來使輸出電壓穩(wěn)定，從而達(dá)到我們的目的：程控穩(wěn)壓。

2.2 硬件電路方案設(shè)計(jì)

為了能實(shí)現(xiàn)設(shè)計(jì)任務(wù)，硬件電路流程圖如圖2所示。將220V的交流電壓轉(zhuǎn)化成我們所需的值就是電壓的壓降，再經(jīng)過設(shè)定的整流的電路轉(zhuǎn)換成脈動(dòng)的直流電壓[3]。轉(zhuǎn)換的脈動(dòng)直流電壓一般含有比較大的波動(dòng)，還會(huì)含有交流的成分，這個(gè)時(shí)候使用濾波電路進(jìn)行去除，從而得到較平緩的電壓。但還是會(huì)隨著電網(wǎng)的波動(dòng)而波動(dòng)，然后再通過穩(wěn)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?qū)ㄐ赃M(jìn)行整流的最常用的電路，常用來將交流電轉(zhuǎn)變?yōu)橹绷麟?。橋式整流電路在生活中廣泛運(yùn)用，快充行業(yè)手機(jī)的充電器，電動(dòng)車的快充模式。當(dāng)降壓設(shè)置輸出電壓為V2為12V時(shí)，經(jīng)過橋式整流后，會(huì)有所損耗，此電壓大約等于9～10V左右。

為了得到上更多的穩(wěn)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(gòu)成的，在負(fù)載兩端并聯(lián)了電容C或電感，組成復(fù)式濾波電路。其還有儲(chǔ)存電能作用，這在充電器中使用的很普遍。電容其實(shí)就是個(gè)高通濾波器，因?yàn)橹绷骰就ú涣?，可以說是通交流隔直流，小電容的設(shè)計(jì)是高頻通，低頻阻抗高；大電容的作用反之。

在本次設(shè)計(jì)中7812、7805兩個(gè)為穩(wěn)壓三極管，以在必要的時(shí)候?qū)鶚O電流起到分流的和限制的作用。在降壓整流濾波后電壓會(huì)變大且不穩(wěn)定，7812三極管將電壓穩(wěn)定在12V后，再通過7805三極管穩(wěn)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(huì)發(fā)燙嚴(yán)重而導(dǎo)致其穩(wěn)壓功能丟失，因此采用雙重穩(wěn)壓是非常有必要的。

2.3 主程序設(shè)計(jì)

為能實(shí)現(xiàn)設(shè)計(jì)任務(wù)，主體程序設(shè)計(jì)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(xù)DA轉(zhuǎn)換，輸出用戶所需要的基準(zhǔn)的電壓，結(jié)束之后將數(shù)據(jù)通過AD轉(zhuǎn)換然后通過單片機(jī)進(jìn)行數(shù)據(jù)的取樣，然后輸出[4]。系統(tǒng)初始化時(shí)，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(jīng)達(dá)成，需將數(shù)據(jù)輸出置零。而為了得到適宜之輸出二進(jìn)制編碼，在調(diào)配使用DA轉(zhuǎn)換之時(shí)先行進(jìn)行碼的轉(zhuǎn)換，之后再將除法程序調(diào)配使用從而輸出電壓方式。轉(zhuǎn)換完成之后，將其中得到的數(shù)據(jù)讀取入單片機(jī)之中。之后將其調(diào)整程序比較后，將接收入單片機(jī)之中的轉(zhuǎn)換數(shù)據(jù)進(jìn)行反饋，之后進(jìn)一步進(jìn)行調(diào)整，調(diào)整DA的輸出，從而使電壓能夠變得更加穩(wěn)定。而后，判斷結(jié)果是否達(dá)到理想的狀態(tài)，然后進(jìn)行微調(diào)，從而達(dá)到在自己需要的要求[5]。

圖3 主程序設(shè)計(jì)流程圖

3 測(cè)試結(jié)果及分析

（1）設(shè)計(jì)制作過程：①購(gòu)買相應(yīng)的元器件，先測(cè)量其電阻等參數(shù)是否合格；②首先搭建原理圖將各個(gè)電子元器件選好大致位置，生成PCB圖，一定要檢查是否接錯(cuò)線，220V交流電短接可能會(huì)引起火花；③打印電路圖，將銅板熱??；④用化學(xué)藥劑對(duì)無用地方進(jìn)行短時(shí)間的腐蝕，時(shí)間不能太長(zhǎng)；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(shè)計(jì)采用的是220V交流電，因此必須做好防靜電措施。

（2）硬件測(cè)試結(jié)果硬件軟件調(diào)試完成后，開始嘗試運(yùn)行，一旦出錯(cuò)，立刻停止運(yùn)行。在第一次調(diào)試前，由于本次設(shè)計(jì)的充電樁充電的可調(diào)節(jié)電壓范圍在（0～12V），因此上電的時(shí)候，應(yīng)該從低電壓慢慢往上加，加的時(shí)候速度也應(yīng)該緩慢，防止按鍵過快，系統(tǒng)反應(yīng)不過來，而導(dǎo)致系統(tǒng)崩潰。上電剛開始時(shí)，需要給輸出最大電壓測(cè)量，經(jīng)過多次測(cè)量得到最大實(shí)際電壓為11.99V，精度已經(jīng)達(dá)標(biāo)。

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

（4）在運(yùn)轉(zhuǎn)過程中偶爾也會(huì)發(fā)生錯(cuò)誤，在發(fā)生錯(cuò)誤的時(shí)候，系統(tǒng)就會(huì)重新啟動(dòng)，所輸出的電壓會(huì)清零，在系統(tǒng)發(fā)生錯(cuò)誤時(shí)，顯示屏顯示“Welcome to use adj power supply”。

（5）實(shí)驗(yàn)參數(shù)測(cè)試，經(jīng)過調(diào)節(jié)精密可調(diào)電位器及萬(wàn)用表的調(diào)節(jié)后，誤差確實(shí)小了很多，但最大誤差還有0.12，實(shí)際上已經(jīng)滿足本次設(shè)計(jì)的要求。經(jīng)發(fā)現(xiàn)在5V以上電壓較為穩(wěn)定，5V以下電壓波動(dòng)較大，初步懷疑是萬(wàn)用表不夠靈敏的影響和用手拿著測(cè)的原因，靜電防護(hù)沒到位導(dǎo)致。表1是調(diào)節(jié)后的測(cè)試結(jié)果。

表1 調(diào)節(jié)后測(cè)試數(shù)據(jù)

（6）硬件誤差分析。①經(jīng)過多次測(cè)量發(fā)現(xiàn)電壓在0～2V以內(nèi)，在一通電還未輸出的時(shí)候就已經(jīng)有些電壓了，原因應(yīng)該是萬(wàn)用表自身攜帶些小電阻在電壓小的時(shí)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(yīng)該是穩(wěn)壓LM358輸出精度不夠穩(wěn)定。②運(yùn)算放大器零點(diǎn)偏移。③取樣電阻會(huì)隨著溫度上升阻值而發(fā)生變化，使得測(cè)出來的電壓偏差值不斷變化。④可能是數(shù)模轉(zhuǎn)換出現(xiàn)誤差。

4 結(jié)語(yǔ)

本多功能充電樁的設(shè)計(jì)根據(jù)設(shè)計(jì)需求，按照方案設(shè)計(jì)、方案論證、硬件電路、機(jī)械結(jié)構(gòu)、軟件程序的順序展開工作。本文按照該順序，詳細(xì)介紹了系統(tǒng)中所用到的電路以及程序，設(shè)計(jì)精度除能滿足基本需求外還有所提高，解決了設(shè)計(jì)當(dāng)中的技術(shù)難點(diǎn)，完成了設(shè)計(jì)任務(wù)，最后經(jīng)過調(diào)試測(cè)試驗(yàn)證結(jié)果，證明符合設(shè)計(jì)目標(biāo)。往后還可以在以下幾個(gè)方面拓展功能：①如果溫度達(dá)到設(shè)定的閾值，持續(xù)1分鐘沒有變化或者繼續(xù)升高溫度，系統(tǒng)將進(jìn)行報(bào)警；②將報(bào)警模塊進(jìn)行升級(jí)，為滿足更多人的需求，增加燈光閃爍報(bào)警；③經(jīng)濟(jì)最小化且性能、功能、效率不變；④嵌入聯(lián)網(wǎng)功能，將各個(gè)數(shù)據(jù)顯示在手機(jī)上，遠(yuǎn)程查看且能夠修改。