基于单片机的智能车载电源管理器设计方案

　　摘要：车栽电源管理器在汽车电气设备控制中具有非常重要的地位。采用STC12C5410AD作为主控单元被用于交通警用车车载电气设备的电源控制，该控制系统具有低成本、可靠性高、易于实现的特点，经过检测和调试，该系统运行稳定，性能良好。

　　0引言

　　随着汽车工业和电子技术的进步，车载电气设备日益增多。交通警务车因其使用要求和场合的特殊性，更是对车载电源提出了新的要求。为实现移动警务的信息处理要求，车载电脑、视频监控设备、夜间照明设备、车载雷达测速等一些大功率的电气设备被集成于汽车内部。因此，要求对上述设备电源可靠控制，并且当汽车停止运行以后，蓄电池电压降低设定值时，切断对外围设备供电，以保证汽车点火系统的正常工作和蓄电池不会因过量放电而造成损坏。几乎所有连接至汽车电池的电子组件和电路均要求保护，以免于受到抑制、瞬态电压（高达60V）和反向电压状态的损害。同时，在蓄电池电量不足时，提示用户备份车载电脑中的数据，复位机械伸缩部件，以保证车载各个部件安全可靠的工作。

　　对上述实际要求，本文提出以STC5410AD单片机为主控制单元，通过误差放大器、电流检测以及电压检测电路，根据设定参数进行车载电气设备供电管理。

　　1 STCl2C5410AD单片机的介绍

　　该系列单片机是新一代高速MCU,指令代码完全兼容传统8051,速度快8-12倍，内部集成MAX810专用复位电路，外部晶振20M以下时，可省外部复位电路。4路PWM,8路高速10位A/D转换，针对电机控制，强干扰场合。该系列单片机有一个全双工的串行通讯口，单片机和PC之间进行串行通讯时必须有~个电平转换电路，因为电脑的串口是I塔232电平的，而单片机的串口是11L或CMOS电平的，我们采用了专用芯片SP232EQ呵进行转换。

　　·工作电压：5.5V~3.5V单片机（5V单片机）/3.8V-2.2V（3V单片机）

　　·工作频率范围：0-35MHz

　　·用户应用程序空间10K,片上集成512RAM

　　·GPIO口15个，可设置成四种模式：准双向口/弱上拉，推挽，强上拉，仅为输入（高阻）

　　·PWM（4路）/PCA（可编程计数器阵列）

　　·ISP（在系统编程）/IAP（在应用编程），无需专用编程器和专用的仿真器，可以方便把设计的硬件电路接应用系统中，一边调试一边通过串口（P3.0/3.1）直接用户程序

　　·8路lO位高速A巾转换器，速度均可达100KHz（10万次，秒），可做温度检测、电池电压检测、按键扫描、频谱检测等。A/D转换结果计算公式如下：

　　（ADC_DATA[7:0],ADC LOW2[1:0]）=1024xVin/Vcc,Vin为模拟输入通道输入电压，Vcc为单片机实际工作电压，用单片机工作电压作为模拟参考电压。取ADC D朋陡的8位为ADC转换的高8位，取ADC LoW2的低2位为ADC转换的低2位，则为10位。

　　2车载电源管理器电路设计与功能原理

　　2.1 电路设计及主要工作原理

图1引擎触发信号采样电路

　　集成运算放大器是一个具有高开环电压放大倍数的多级直接耦合放大电路。为使运放有较高的输入电阻及很强的抑制零点漂移的能力，输入级采用差动放大电路，由晶体管或场效应组成。本电源管理器电路主要有两部分组成。图1所示电路部分，通过LM358双输入集成运算放大器采样蓄电池两端电压输出。采用由双输入集成运算放大器LM358M进行引擎信号采样，其结构如图2所示：

图2LM358内部原理图。

　　LM358M内部由两个相互对立的集成运算放大器组成。

　　在本电路设计中只用了一个运放构成减法电路，将另一个运放构成电压跟随器消除级间窜扰。由于LM358反相输入端存在耦合电容。汽车停止状态时，电池两端输出约为14VDC左右稳定的直流波形。由于TL431钳位作用，使得LM358同相和反相输入端维持在于2.5V左右，运算放大器输出为低电平。汽车引擎在点火与加速时，发动机的突然启动或加速会将电池电压瞬间拉低，电池两端电压产生跳变，输出为周期脉冲，如图3:

图3引擎触发信号波形。

　　此时，由于耦合电容和齐纳二极管共同的作用使得在LM358正相输入端和反相输入端产生电压差，经过波形整形电路产生稳定的低电平。STC单片机采样LM358输出端7脚信号电平的高低判断汽车是否起动，延时判断主用电池和备用电池的电雎值，与设定值进行比较决定打开或者关闭主电池和备电池输出信号，在后级电路中接入达林顿管驱动较大功率继电器以推动大功率负载。见图4:

图4 STCl2C5410AD控制系统电路。

　　2.2主要功能

　　图1分别完成发动引擎信号的采集和脉冲波形的判断，准确判断汽车何时发动，何时停止，为汽车蓄电池与汽车点火系统正常工作提供保护。监测车载用电设备工作情况，当汽车停止熄火后继续为周边设备供电，直到达到内部设定值，停止供电防止汽车蓄电池因过量放电造成电池耗尽。同时，保证紧急与在启动所需电力和处于工作状态的设备及时复位。

　　电源管理器送电工作后，在图4中通过STC单片机监测后备蓄电池电压，同时延时判断汽车引擎是否正常发动，运转正常后开始对后备蓄电池进行充电。当汽车正常运转时，主蓄电池或备用蓄电池电压降设定值，蜂鸣器发出报警，并通过RS485通信口将数据传至车载电脑中保存记录。当蓄电池电压降至危险值时，切断车载用电设备供电，以保证汽车引擎点火系统工作正常。同时，电源管理器系统进入休眠状态。只有当汽车引擎发动，并工作一段时间根据汽车蓄电池电量恢复情况启动供电系统。

　　2.3程序设计流程

　　本系统采用C语言编程用C语言来编写目标系统软件，会大大缩短开发周期，且明显地增加软件的可读性，便于改进和扩充，从而研制出规模更大、性能更完备的系统。

　　通过对集成运放采集的引擎触发信号与设定阈值相比较，计算有效脉冲数确定汽车引擎的工作状态。主电池和备用电池电压通过电阻网络送入sTcl2c541m~D的19、18脚AD采样端，通过计算判断主电池和备用电池是否存在欠压，通过P1.O~P1.3口送出编码信号给车载电脑提示用户及时保存数据并发出蜂鸣报警。该软件系统的流程框图如图5所示。

图5单片机程序流程图。

　　3结论

　　在今天，汽车工业日新月异，车载电源管理在整个汽车电气控制中具有举足轻重的地位。它不但保护车内用电设备，还同时保证驾驶者行车安全。由于该电源管理器具有成本低、易于实现、稳定性好已经被成功用于浙江某地区警用装备车电气系统改造。

参考文献:

[1]. STC12C5410AD datasheet https://www.dzsc.com/datasheet/STC12C5410AD_1135295.html.
[2]. MAX810 datasheet https://www.dzsc.com/datasheet/MAX810_1019165.html.
[3]. LM358 datasheet https://www.dzsc.com/datasheet/LM358_1060605.html.
[4]. LM358M datasheet https://www.dzsc.com/datasheet/LM358M_1079669.html.
[5]. TL431 datasheet https://www.dzsc.com/datasheet/TL431_651177.html.
[6]. STC datasheet https://www.dzsc.com/datasheet/STC_2043151.html.
[7]. RS485 datasheet https://www.dzsc.com/datasheet/RS485_585289.html.