多功能家用电源设计

虢 优,聂俊飞＊,王文华,赵彦斐,徐洁辉

（邵阳学院电气工程系,湖南 邵阳 422000）

0 引言

随着电子技术的迅速发展，电子产品的也越来越多，人类的生活方式和生活习惯也逐渐发生变化。手机、电脑、相机、IPAD、剃须刀、电动牙刷等电子产品也出现在越来越多人的生活中。目前这些常用的家用电子产品的供电方式不统一和每种特殊电子设备的特殊要求，其充电器标准也都不一样；在普通用户家中充电器的数量高达数十种，充电器的种类繁多给用户带来不良的体验，尤其是在某些充电设备损坏后给生活带来极大的不便，因此设计一种多功能智能家用电源是非常必要的。

1 系统功能

系统采用功能强大的STM32单片机作为控制核心，系统的供电采用两种方式，家中未停电时采用交流220V市电作为供电，当停电时采用铅酸电池作为系统的主供电电源。系统输出有3.3V直流，5V直流端，12V直流端，0-24V输出可调直流端，手机快速充电端口等；每一路的输出与否都可以通过按键设置，并通过显示屏实时显示出来。系统具有过压过流过温保护功能。

2 系统硬件组成

多功能智能电源控制系统主要由STM32最小系统、多路输出直流稳压电路、时间温度模块、继电器及其驱动电路、显示电路。其中多路输出直流稳压电压电路有3.3V直流，5V直流端，12V直流端，0-24V输出可调直流端，手机快速充电端口等。STM32单片机最小系统采集按键信号和各路电源的输出电压来控制继电器以及显示器显示各种信息。

2.1 STM32最系统

该系统采用了STM32单片机来实现，相比其它单片机STM32单片机具有功能强大，价格便宜等优点。STM32单片机是意法半导体公司推出的高性能、低价、高稳定性的超低功耗微处理器。该单片机的系统时钟高达72MHz，消耗的电流仅为36mA，待机状态下可以下降到2。单片机具有丰富的外设：SPI，IIC，AD采样，DA，CAN接口等，非常方便做扩展[1]。在本系统中采用外部8MHz晶振，让单片机工作在72MHz时钟状态下。最小系统框图如图1STM32单片机最小系统所示。

图1 STM32单片机最小系统

2.2 多路输出电源电路

为满足家用电子设备的各种需求，系统采用性能稳定的多副边工频变压器把220V交流降为所需要的低电压交流。3.3V、5V、12V直流主要采用LM系列的直流稳压芯片，在实际应用中加入散热片可以提供高达1.5A的电流。3.3V电源主要为本系统单片机和温度时间传感器等提供电源；5V的直流电源给普通的5V家用电气设备供电，12V电源一方面给常用家用电子设备供电，另一方面给继电器驱动电路供电。0-24V输出可调电源采用开关电源芯片LM2576。该芯片可以提供3A电流，当某些特殊电子设备需要不常用电压充电时就可以调节LM2576的调节端是输出满足要求。如果系统中的其他电源出现问题时也可以采用此电源来替代[2]。

在实际使用过程中，考虑有一些设备采用双电源供电；此时如果采用带中心抽头变压器和79系列的稳压芯片来实现则会大大增加电路的成本。在设计过程中灵活采用DC-DC电源芯片7660S， 可以把直流正电源3.3V，5V，12V转换为相应的-3.3V，-5V ，-12V。多路电源输出电路如图2所示。

图2 负电源输出电路

图3 铅酸电池恒压恒流浮充电路

2.3 铅酸电池充放电电路

系统具有备用铅酸电池，在有50Hz正弦交流市电时，铅酸电池充电吸收电能；在无正弦交流市电时，铅酸电池可以直接作为5V，3.3V，12V的输入信号从而给相应的负载供电。该系统给铅酸电池预留太阳能充电接口，以方便后续的继续开发使用。系统中采样12V铅酸电池作为备用电源，考虑到成本和电路的可靠性问题，电路采用传统的恒压恒流浮充的充电方式对铅酸电池进行充电。充电控制芯片采用线性直流可调稳压芯片LM317，单片机采样铅酸电池的电压判断电池的状态，然后控制LM317实现恒压恒流充电。LM317恒压恒流浮充电路如图3所示。

2.4 继电器及其驱动电路

继电器选用12V直流驱动，系统中各路电源的输出控制和总的电源保护均采用继电器来控制，根据设计选用5个继电器。考虑到继电器数量较多，并不是直接采用放大电路做为驱动电路来直接驱动继电器，而是采用采用ULN2003来驱动继电器，ULN2003内部为达林顿对管，其驱动能力强为500mA，每个继电器的驱动电流为20mA，所以能满足设计要求。继电器及驱动电路如下图4所示。

图4 继电器及其驱动电路

2.5 温度时间模块

本系统还设计了时钟和温湿度实时显示功能。时钟芯片采用性能稳定可靠的DS1302实时时钟芯片。DS1302具有串行接口可以跟STM32单片机直接通信，其功耗低至1mV，并具有备用电池涓流充电功能。

温湿传感器采用DS18B20。DS18B20采用单线数字通信，测量温度范围为-55～125℃之间，单片机可以直接读取数字温度使用非常方便。采用DS1302和DS18B20均能满足设计要求。

3 程序设计

图5 主程序流程图

系统程序主要分为两步进行设计，第一步有STM32单片机检测是否有220V交流输入，来控制系统中继电器来控制电池是否充电；第二步每一路电源的输出都是可以独立控制，其输出电压都通过采样电路送到单片机从而实时显示每一路的电源的开关状态和电压等信息[4]。其主程序流程图如图5主程序流程图所示。

系统中的温湿度、时间程序放入定时器中断1，输出电压电流检测显示放入中断2。其中时间温度显示每隔一秒定时器产生中断，读取温湿度和时间的参数，在通过OLED等显示设备显示时间；由于时间芯片是通过DS1302来实现，只要对程序稍作修改就可以实现系统的精确时钟自动控制。如图6中断流程图所示：

图6 中断程序

4 结束语

本文通过实验的方法验证了整个系统可以安全可靠的自动运行，能够稳定的输出预期的电压，实现手机等常用电子设备的稳定的充电，满足日常的需求。在下一步的研究中准备给系统加入太阳能和风能充电装置，实现家用电子设备绿色能源的使用。

[1]杨伟明等.基于STM32微控制器的数控稳压稳流电源设计[J].天津科技大学学报,2012(05):56-60.

[2]聂俊飞等.铅酸电池三段式快速智能充电仿真设计[J].仪表技术,2016(09):115-118.

[3]练杰,聂俊飞等.基于MSP430单片机的多功能蓝牙温度检测系统

[4]张达敏,吕征宇等.一种电流型电动汽车快速充电电路研究[J].电力电子技术,2017(02):100-102.