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一种穿戴式系统电源控制器设计与实现

文章作者:照明工业 上传时间:2020-03-24

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2.3 DC/DC变换电路

发光二极管电路图

微机控制电路如图6所示:控制部分的核心由C8051F330单片机组成。该单片机集成有Flash、内部数据RAM、10位AD、17个数字I/O引脚等,是一款高效的8位微处理器,极大地简化了硬件电路设计。该单片机实现控制器电源开关软控制;实时监测充电电路的电压、电流信息;对充电输出开关进行控制;与上位机通信,实现控制器的遥控关机,并上传电池电量、控制器工作状态等信息;控制一个双色发光二极管来指示电池电量及控制器工作状态等信息。

第3脚是绿灯,中间脚接地。红灯和绿灯通过接线跟驱动板相连,受控于微处理器芯片。

单片机控制一个双色发光二极管(红绿、共阳)来指示对应的充电、电量故障等状态信息:

图5-5-3 第1脚红灯

根据上述设计思想制作出的穿戴式系统电源控制器,可以实现为系统供电;可以在控制器关机状态为电池充电;充电指示为:充电绿灯闪烁、充满红灯;控制器指示灯能指示电池电量信息:电量充足绿灯、电量不足橙灯、严重不足红灯;按下按键开关机时指示灯红绿交替闪烁提醒,长按3 s左右控制器能够开关机;充电输出短路或电源输出短路、过流时能够保护关断相应的输出,并红灯闪烁指示该故障。其他指标测试如表1所示。

电路图我们就不画了,直接从《自学显示器维修》这里复制过来,稍作改动。

控制器与上位机通过RS-232串口通信,实现数据传输。上传电池容量、各路输出电压/电流等信息。

微处理器的第14脚为红灯控制端,待机时第14脚输出低电平,q204饱和导通,vcc3.3经q204过来,加到led001的第1脚上,红灯发光。

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发光二极管电路概述

LTC4006的充电电流由R7阻值设置,恒流充电时R7的压降恒定在0.1 V,如图2中充电电流设置为4 A。充电输出控制由MOS管(P沟道)V4来实现,充电过程中充电输出控制信号VON1为高电平,V4导通;充电结束后VON1信号为低电平,关断充电输出。当充电输出端短路时,可以通过肖特基二极管V8的箝位快速关断充电输出,同时微机监测到该短路信息后,通过软件关断充电输出。

发光二极管电路实物

(同方电子科技有限公司,江西 九江332002)

32007.com太阳集团,开机后,第14脚输出高电平,红灯熄灭,微处理器的第13脚为绿灯控制端。

开关控制电路如图5所示:在控制器关机状态下,按下复位开关K1,电池电压VC通过二极管V26、N9为单片机供电;另一通过R32、R33得到的PON信号送至单片机的P1.5端口,P1.5端口监测到约3 s的连续高平后,其P1.6端口的SON信号反转为高电平,MOS管V22导通,控制器开机;控制器开机后松开开关K1,单片机电源由VD经V24维持供电;控制器维持开机状态。

led001,它是双色灯,有3个脚。第1脚是红灯。

1.2 控制器供电

发光二极管电路分析

控制器各电路都采用高效电路实现,做到小而轻,如图8所示,其外形尺寸为90 mm×45 mm×30 mm。

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(2)供电输出:直流5 V输出,电流5 A;直流12 V输出,电流1 A。

这是发光二极管,第1脚红,第3脚绿,第2脚地。pnp的三极管,限流电阻,微处理器两个引脚。

在充电电路输入端串接一个肖特基二极管(如图2中V1),可以实现输入防反接保护功能,提高设备使用可靠性。

图5-5-5 发光二极管电路图

(5)指示:用一个三色发光管完成各状态指示。电量指示:电量充足指示灯绿色,电量不足指示灯橙色,电量严重不足指示灯红色;充电指示:充电指示灯绿灯闪烁;充满指示灯绿色;开关机指示:长按电源开关开关机时,指示灯红绿交替闪烁;故障机指示:故障时指示灯红灯闪烁。

开机后,第13脚输出低电平,q205饱和导通,vcc3.3经q205过来加到led001的第3脚上,绿灯发亮。

如图3所示,当LTC4412的6脚电压比起1脚电压低时,其5脚为低电平,MOS管导通,电路导通工作;反之当LTC4412的6脚电压比1脚电压高时,MOS管截止,电路反相截止。该功能等效于一个二极管:具有“正”相导通、“反”相截止功能,“正”相导通压降很小(MOS管上的导通压降),该电路也叫“理想二极管”电路。

我们来看一个按键板上的指示灯。

(2)指令格式:起始符(02)+指令符+[参数1]+…+

待机时,第13脚输出高电平,绿灯不亮。

[6] 邓化科,江志农.便携设备多电池系统充放电方法研究[J].仪器仪表用户,2007(6):105-106.

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单片机内置10位AD,实现对5 V、12 V电源的电压、电流采样;对充电电路的电流采样;对两块电池的电压采样。充电电流信号来自LTC4006的8脚(ICD),12 V及5 V电源的电流信号来自电流采样放大芯片LT6107。单片机对电源输出电流信号进行采样,并进行过流保护,5 V输出的过流保护门限设置为6 A,12 V输出的过流保护门限设置为1.2 A。当输出过流时,切断电源输出(控制信号VON2置低),并红灯闪烁告警。

图5-5-1 主板上的指示灯

充电管理电路如图2所示,LTC4006EGN-4是一款高效同步整流充电管理芯片,其转换效率高于90%。

图5-5-4 微处理器芯片

2.4 开关机控制电路

电脑中需要发光的地方都是用它,比如主板上的指示灯,液晶显示器上的指示灯等等。

C8051F020的端口配置:P0.1为电源输出控制(VON2)口;P0.2为红灯控制口;P0.3为绿灯控制口;P0.4、P0.5为串口通信口;P0.6~P1.4为各电压电流采样输入口;P1.5为开关按键信号(PON)口;P1.6为电源开关MOS管控制信号(SON)口;P1.7为充电输出控制信号(VON1)口。

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3 软件设计

发光二极管简称led,是工作时把电能转化为光能的二极管。当给它加上正向电压,就能发有颜色的光。所用的材料不同,发出光的颜色也不相同。发光二极管电路就是由发光二极管构成的电路,特点是工作电压低、电流小、寿命长、抗冲击、可靠性高。

[1] 张莉,张松.电动汽车充电站的充放电控制策略研究[J].电子技术应用,2018,44(11):150-153.

图5-5-2 按键板上的指示灯

4 控制器的测试验证

3.6 串口通信

指示灯的指示优点级别是:故障指示级别最高,其次是开/关机指示,然后是充电指示,最后是电量指示。

自电源接口输入9 V~28 V的直流电源,控制器就可以对电池进行充电。控制器连接一块电池时,充电电流只给该电池充电,当连接两块电池时,控制器内部的均衡电路自动优先给电量(电压)低的电池充电,电量低的电池分配的充电电流大,两块电池的电量逐渐趋于一致,两块电池得到的充电电流也趋于均分;充电过程中指示灯绿灯闪烁,充满指示灯亮绿灯。

[5] 吴林,杨国为,刘斌.光伏微型逆变器辅助电源的变压器设计[J].电子设计工程,2015(17):115-117.

3.2 充电子程序

两块电量有差异的电池接入控制器充电或放电一段时间后其电量会趋于一致,具有自动均衡功能;同时该电路有隔离作用,通过该电路使两块电池并接在系统中工作而相互隔离,避免两块电池之间的相互放电,确保双电池工作的安全性;该电路的应用使得电池具有热插拔功能,系统双工作时拔下任一块电池,系统不会出现异常,保持正常工作状态,系统单工作时再加入一块电池,系统不会出现异常,保持正常工作状态。

随着电子及信息技术的突飞猛进发展,电子及信息技术产品体积更小、功耗更低、效率更高、功能更强大,这就为穿戴式系统设备的发展提供了技术可能。穿戴式系统要求其供电管理设备具有效率高、体积小等特点。本文介绍一款基于单片机控制的穿戴式系统电源控制器,具有双电池的充电/供电管理功能,电池配置灵活;电源开关软控制,并可遥控关机;实时监控并指示控制器各工作状态,可指示电池电量信息;与上位机通信上传电源工作状态及电池电量等信息;充电输入电压范围宽,穿戴式系统在野外工作时,可以用太阳能电源或手摇发电机通过控制器给电池充电,提高其野外使用适应性。

[3] 高小鹏,庞宇,黎圣峰,等.耳夹式可穿戴体征参数感测装置的设计[J].电子技术应用,2016,42(12):41-44.

3.3 电量监测充电子程序

(1)输入电压:额定12 V电压输入;电压范围为9 V~28 V。

B1(SIP10W-12S05A)为一款输出10 A的高效非隔离电源转换模块,其输入为6 V~14 V。输出电压由R13的阻值来设置,考虑到大电流的压降,电路中输出电压设置为5.3 V左右,其转换效率高于95%。

2 硬件设计

(1)工作方式:对电池组充电(在控制器关机状态下也能进行充电);对用电设备供电;同时对电池组充电和对用电设备供电。

(3)通信命令:电池A容量查询命令、电池B查询命令、5 V输出电压/电流查询命令、12 V输出电压/电流查询命令、遥控关机命令。

(1)通信方式:以RS-232的方式进行通信;波特率:9 600 b/s;数据位:8位;奇偶效验:无;停止位:1位。

(3)配套电池:配套的蓄电池为聚合物锂电池组,电池规格为7.2 V/10 Ah,电池有两个,可以单独使用,也可以并接使用。

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2.5 单片机电路

(4)充电电流:4 A。

(4)开/关机指示:在控制器关机充电状态下,按下电源开关,指示灯为红绿交替闪烁,长按电源开关约3 s后控制器开机,指示灯按充电状态指示(充电绿灯闪烁、充满绿灯),停止开关按键动作,完成充电状态下开机动作;在控制器开机充电状态下,按下电源开关机按键,指示灯为红绿交替闪烁,长按电源开关约3 s后控制器关机,指示灯熄灭,停止开关按键动作,指示灯继续按充电状态指示,完成充电状态下关机动作。

该控制器为穿戴式系统的信息处理单元、通信电台及摄像头等设备供电;可实现双电池的充电供电管理;内置单片机实现与上位机通信上传电源工作状态及电池电量等信息。

主要技术指标要求如下:

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