基于單片機(jī)的智能車載電源管理器設(shè)計(jì)方案

摘要：車栽電源管理器在汽車電氣設(shè)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車載電氣設(shè)備的電源控制，該控制系統(tǒng)具有低成本、可靠性高、易于實(shí)現(xiàn)的特點(diǎn)，經(jīng)過檢測(cè)和調(diào)試，該系統(tǒng)運(yùn)行穩(wěn)定，性能良好。

0引言

隨著汽車工業(yè)和電子技術(shù)的進(jìn)步，車載電氣設(shè)備日益增多。交通警務(wù)車因其使用要求和場(chǎng)合的特殊性，更是對(duì)車載電源提出了新的要求。為實(shí)現(xiàn)移動(dòng)警務(wù)的信息處理要求，車載電腦、視頻監(jiān)控設(shè)備、夜間照明設(shè)備、車載雷達(dá)測(cè)速等一些大功率的電氣設(shè)備被集成于汽車內(nèi)部。因此，要求對(duì)上述設(shè)備電源可靠控制，并且當(dāng)汽車停止運(yùn)行以后，蓄電池電壓降低設(shè)定值時(shí)，切斷對(duì)外圍設(shè)備供電，以保證汽車點(diǎn)火系統(tǒng)的正常工作和蓄電池不會(huì)因過量放電而造成損壞。幾乎所有連接至汽車電池的電子組件和電路均要求保護(hù)，以免于受到抑制、瞬態(tài)電壓(高達(dá)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)，提示用戶備份車載電腦中的數(shù)據(jù)，復(fù)位機(jī)械伸縮部件，以保證車載各個(gè)部件安全可靠的工作。

對(duì)上述實(shí)際要求，本文提出以STC5410AD單片機(jī)為主控制單元，通過誤差放大器、電流檢測(cè)以及電壓檢測(cè)電路，根據(jù)設(shè)定參數(shù)進(jìn)行車載電氣設(shè)備供電管理。

1 STCl2C5410AD單片機(jī)的介紹

該系列單片機(jī)是新一代高速M(fèi)CU,指令代碼完全兼容傳統(tǒng)8051,速度快8-12倍，內(nèi)部集成MAX810專用復(fù)位電路，外部晶振20M以下時(shí)，可省外部復(fù)位電路。4路PWM,8路高速10位A/D轉(zhuǎn)換，針對(duì)電機(jī)控制，強(qiáng)干擾場(chǎng)合。該系列單片機(jī)有一個(gè)全雙工的串行通訊口，單片機(jī)和PC之間進(jìn)行串行通訊時(shí)必須有~個(gè)電平轉(zhuǎn)換電路，因?yàn)殡娔X的串口是I塔232電平的，而單片機(jī)的串口是11L或CMOS電平的，我們采用了專用芯片SP232EQ呵進(jìn)行轉(zhuǎn)換。

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

·工作頻率范圍：0-35MHz

·用戶應(yīng)用程序空間10K,片上集成512RAM

·GPIO口15個(gè)，可設(shè)置成四種模式：準(zhǔn)雙向口/弱上拉，推挽，強(qiáng)上拉，僅為輸入(高阻)

·PWM(4路)/PCA(可編程計(jì)數(shù)器陣列)

·ISP(在系統(tǒng)編程)/IAP(在應(yīng)用編程)，無需專用編程器和專用的仿真器，可以方便把設(shè)計(jì)的硬件電路接應(yīng)用系統(tǒng)中，一邊調(diào)試一邊通過串口(P3.0/3.1)直接下載用戶程序

·8路lO位高速A巾轉(zhuǎn)換器，速度均可達(dá)100KHz(10萬次，秒)，可做溫度檢測(cè)、電池電壓檢測(cè)、按鍵掃描、頻譜檢測(cè)等。A/D轉(zhuǎn)換結(jié)果計(jì)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(jī)實(shí)際工作電壓，用單片機(jī)工作電壓作為模擬參考電壓。取ADC D朋陡的8位為ADC轉(zhuǎn)換的高8位，取ADC LoW2的低2位為ADC轉(zhuǎn)換的低2位，則為10位精度。

2車載電源管理器電路設(shè)計(jì)與功能原理

2.1 電路設(shè)計(jì)及主要工作原理

圖1引擎觸發(fā)信號(hào)采樣電路

集成運(yùn)算放大器是一個(gè)具有高開環(huán)電壓放大倍數(shù)的多級(jí)直接耦合放大電路。為使運(yùn)放有較高的輸入電阻及很強(qiáng)的抑制零點(diǎn)漂移的能力，輸入級(jí)采用差動(dòng)放大電路，由晶體管或場(chǎng)效應(yīng)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LM358雙輸入集成運(yùn)算放大器采樣蓄電池兩端電壓輸出。采用由雙輸入集成運(yùn)算放大器LM358M進(jìn)行引擎信號(hào)采樣，其結(jié)構(gòu)如圖2所示：

圖2LM358內(nèi)部原理圖。

LM358M內(nèi)部由兩個(gè)相互對(duì)立的集成運(yùn)算放大器組成。

在本電路設(shè)計(jì)中只用了一個(gè)運(yùn)放構(gòu)成減法電路，將另一個(gè)運(yùn)放構(gòu)成電壓跟隨器消除級(jí)間竄擾。由于LM358反相輸入端存在耦合電容。汽車停止?fàn)顟B(tài)時(shí)，電池兩端輸出約為14VDC左右穩(wěn)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(yùn)算放大器輸出為低電平。汽車引擎在點(diǎn)火與加速時(shí)，發(fā)動(dòng)機(jī)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(hào)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)過波形整形電路產(chǎn)生穩(wěn)定的低電平。STC單片機(jī)采樣LM358輸出端7腳信號(hào)電平的高低判斷汽車是否起動(dòng)，延時(shí)判斷主用電池和備用電池的電雎值，與設(shè)定值進(jìn)行比較決定打開或者關(guān)閉主電池和備電池輸出信號(hào)，在后級(jí)電路中接入達(dá)林頓管驅(qū)動(dòng)較大功率繼電器以推動(dòng)大功率負(fù)載。見圖4:

圖4 STCl2C5410AD控制系統(tǒng)電路。

2.2主要功能

圖1分別完成發(fā)動(dòng)引擎信號(hào)的采集和脈沖波形的判斷，準(zhǔn)確判斷汽車何時(shí)發(fā)動(dòng)，何時(shí)停止，為汽車蓄電池與汽車點(diǎn)火系統(tǒng)正常工作提供保護(hù)。監(jiān)測(cè)車載用電設(shè)備工作情況，當(dāng)汽車停止熄火后繼續(xù)為周邊設(shè)備供電，直到達(dá)到內(nèi)部設(shè)定值，停止供電防止汽車蓄電池因過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(shè)備及時(shí)復(fù)位。

電源管理器送電工作后，在圖4中通過STC單片機(jī)監(jiān)測(cè)后備蓄電池電壓，同時(shí)延時(shí)判斷汽車引擎是否正常發(fā)動(dòng)，運(yùn)轉(zhuǎn)正常后開始對(duì)后備蓄電池進(jìn)行充電。當(dāng)汽車正常運(yùn)轉(zhuǎn)時(shí)，主蓄電池或備用蓄電池電壓降設(shè)定值，蜂鳴器發(fā)出報(bào)警，并通過RS485通信口將數(shù)據(jù)傳至車載電腦中保存記錄。當(dāng)蓄電池電壓降至危險(xiǎn)值時(shí)，切斷車載用電設(shè)備供電，以保證汽車引擎點(diǎn)火系統(tǒng)工作正常。同時(shí)，電源管理器系統(tǒng)進(jìn)入休眠狀態(tài)。只有當(dāng)汽車引擎發(fā)動(dòng)，并工作一段時(shí)間根據(jù)汽車蓄電池電量恢復(fù)情況啟動(dòng)供電系統(tǒng)。

2.3程序設(shè)計(jì)流程

本系統(tǒng)采用C語言編程用C語言來編寫目標(biāo)系統(tǒng)軟件，會(huì)大大縮短開發(fā)周期，且明顯地增加軟件的可讀性，便于改進(jìn)和擴(kuò)充，從而研制出規(guī)模更大、性能更完備的系統(tǒng)。

通過對(duì)集成運(yùn)放采集的引擎觸發(fā)信號(hào)與設(shè)定閾值相比較，計(jì)算有效脈沖數(shù)確定汽車引擎的工作狀態(tài)。主電池和備用電池電壓通過電阻網(wǎng)絡(luò)送入sTcl2c541m~D的19、18腳AD采樣端，通過計(jì)算判斷主電池和備用電池是否存在欠壓，通過P1.O~P1.3口送出編碼信號(hào)給車載電腦提示用戶及時(shí)保存數(shù)據(jù)并發(fā)出蜂鳴報(bào)警。該軟件系統(tǒng)的流程框圖如圖5所示。

圖5單片機(jī)程序流程圖。

3結(jié)論

在今天，汽車工業(yè)日新月異，車載電源管理在整個(gè)汽車電氣控制中具有舉足輕重的地位。它不但保護(hù)車內(nèi)用電設(shè)備，還同時(shí)保證駕駛者行車安全。由于該電源管理器具有成本低、易于實(shí)現(xiàn)、穩(wěn)定性好已經(jīng)被成功用于浙江某地區(qū)警用裝備車電氣系統(tǒng)改造。