基于STC8A8K64S4A12 单片机的综合电源箱设计

张 虎， 王志虎， 徐智强， 阳禩乾， 贺志昂， 杨鹏展

（1.东风汽车动力零部件有限公司， 湖北 十堰 442002；2.东风越野车有限公司， 湖北 十堰 442013）

随着车辆上的用电设备复杂多样， 目前各用电设备接口多独立设置， 并且没有电压、 电流等信号的实时监控，设备用电操作繁琐， 交互操控感差， 直接影响着车辆产品的整体竞争力。 针对这一现状， 本文设计了一种基于STC8A8K64S4A12单片机的综合电源箱， 实现了车载用电设备接口的集中布置， 以及电压、 电流、 温度、 故障等信息的采集、 控制和处理； 通过HMI界面操控简洁方便， 交互体验优良； 根据市场需求， 可以通过STC8A8K64S4A12单片机和HMI编程， 实现综合电源箱功能的柔性化拓展。

1 方案原理

以STC8A8K64S4A12单片机为核心， 通过变送器或信号采集电路测量综合电源箱中各支路的电流、 电压， 以及温度信号， 进而判断电路状态， 发送继电器或接触器控制信号， 控制各支路通断， 达到开启或关闭综合电源箱上用电设备接口的目的。 同时单片机信号通过通信电缆与HMI 触摸屏进行连接交互， 方便人员操控或查看综合电源箱工作状态。 方案原理如图1所示。

图1 方案原理

2 硬件设计

2.1 接口分析

综合电源箱接口规格需求分析如表1所示。

表1 接口规格需求分析

综合电源箱配置AC220V、 DC24V两种电压规格输入接口， AC220V输入通常有市电输入与发电机输入两种类型，DC24V输入通常外接蓄电池； 配置AC220V、 DC24V、 DC12V、DC5V四种电压输出接口， 输出接口数量根据实际需要配置， 供车辆上不同规格的负载设备工作使用。

2.2 硬件电路设计

硬件电路设计原理示意如图2所示。

2.3 信号采集处理

1） AC220V电压与电流采集。 待测AC220V电压和待测电流分别通过电压变送器、 电流变送器进行信号采集。

变送器通常输出信号规格有4～20mA、 0～20mA、 0～10mA、 0～5V、 0～10V、 1～5V、 1～10V、 RS485等， 工作电源 规 格 有DC12V、 DC24V、 AC/DC110V、 AC/DC220V 等。为了便于单片机获取信号以及综合电源箱装配， 我们选用输出信号0～5V， 工作电源DC24V规格的变送器。

2） DC24V、 DC12V电压采集。 待测DC24V、 DC12V通过降压电路进行信号采集， 单片机IO口电压规格是0～5V，一般通过电路将待采集电压的压降处理到2.5V左右。 待测DC24V、 DC12V电路示意如图3、 图4所示。

图2 硬件电路设计原理示意

图3 待测DC24V电路示意

图4 待测DC12V电路示意

3） 电压或电流变送器输出信号处理。 STC8A8K64S4A12单片机在高精度ADC应用中， AD采集为了提高精度， 基准源用的是2.5V， 参考图5所示。 而电压或电流变送器的输出信号为0～5V， 无法直接采用， 需要通过电路进行降压处理， 见图6。

图5 STC8A8K64S4A12高精度ADC应用

图6 电压或电流变送器输出信号处理示意

3 软件设计

3.1 单片机程序控制流程

控制流程分析如图7所示。

图7 控制程序流程图

3.2 单片机程序功能实现（程序片段）

单片机程序主要包括各端口初始化、 信号采集处理和控制等。

3.3 HMI操控界面

通过HMI触摸屏界面 （图8）， 可以简洁操控车载设备，如升降照明、 强光照明、 交流输出、 直流输出、 灯光系统、视频系统、 警灯系统等负载设备； 可以实时监控箱体温度、车载设备各支路电压、 电流、 支路闭合通断状态、 报警状态等。 其中交流输入、 直流输入由控制程序自动根据电源输入情况进行判别和显示。 对于采集到的电压、 电流、 温度等ADC模拟量信号， 采用多次采样， 求平均值法减小各种干扰因素引起的误差。

图8 HMI操控界面

4 综合电源箱设计制作

在综合电源箱 （图9） 设计装配工艺时， 从散热、 抗振动、 抗屏蔽、 反电势等方面进行处理。 产品适应性设计见表2。

图9 综合电源箱

表2 产品适应性设计

研制开发的综合电源箱系统， 实现了车载电源箱所需的功能： ①车载用电设备接口的集中布置； ②电压、 电流、故障等信息的采集、 监控和处理； ③具有整流和逆变双向工作模式； ④HMI界面简洁， 操控方便； ⑤尺寸为U型结构， 方便整车内部嵌入； ⑥接口样式多， 有端子、 航插、USB、 通用插座等不同种类； ⑦输入输出接口电压规格多样， 适应不同应用场景。

5 改进方向

1） 减小箱体体积。 综合电源箱的电压、 电流监控通过电压变送器、 电流变送器采集实现， 为达到各支路电压电流监控目的， 变送器数量较多， 占用电源箱空间较大。 可以改进为采用定制的集成电路板采集各支路电压电流， 大幅减小变送器所占空间。

2） 增加CAN通信功能。 目前车载电器设备普遍带有CAN接口， 以便接入车内CAN总线， 监控设备工作状态。综合电源箱后续也可在硬件与软件设计时增加CAN接口通信功能， 方便接入车内CAN总线。

6 结束语

通过基于STC8A8K64S4A12单片机的综合电源箱设计研制， 提供一种车载用电设备管理控制的智能解决方案。 方案适应不同应用场景、 多种类型负载设备， 方便整车嵌入，通过编程可以快速柔性化拓展功能， 市场前景光明。 随着整车 “五化” 理念的深入实践应用， 车载智能综合电源箱系统一定能够发展和普及。