基于STC单片机的电动自行车充电防过充自动断电装置的制作方法

基于stc单片机的电动自行车充电防过充自动断电装置
技术领域
1.本实用新型涉及电动自行车充电技术领域，具体涉及一种基于stc单片机的电动自行车充电防过充自动断电装置。


背景技术：

2.随着电动自行车新国标的落地，该行业迎来新一轮的升级换代，电动自行车正成为市民重要的短途交通工具。来自中国自行车协会的数据显示，2021年我国电动自行车保有量为3.4亿辆，据研究机构预测，2022年我国电动自行车保有量将达到3.5亿辆，未来两年电动自行车平均销量将达到5700万辆。
3.电动自行车以电能为驱动能源，电能储存在蓄电池（锂电池、铅酸电池）中，故为其充电成为使用过程中重要的一环。但在给蓄电池充电时存有较大的安全风险，因蓄电池过充引发的火灾事故频频发生，这给人们使用电动自行车带来较大的安全焦虑，影响了使用体验。数据显示，80%的电动自行车火灾发生在充电过程中，造成人员伤亡的火灾几乎都发生在充电时段，其中，66.7%的电动自行车火灾发生在20时至次日05时。一般夜间给蓄电池充电，需要6～8h，如果从20～21时充电，直至第二天早上才断电，蓄电池基本被提前充满，若未能及时断电，极易引发蓄电池过充。蓄电池过充、充电器发热，不仅有可能引起火灾，而且影响蓄电池的使用寿命。现有电动自行车厂家所配充电器不具有充满电自动断电功能。因此，如何避免蓄电池充满过充，保障其充电过程安全，成为当务之急。
4.目前，现有技术有采用替代原厂家充电器方案，它是以at89s52单片机为控制部件，结合外围硬件检测电路，实时检测充电过程中蓄电池的温度、电流、电压值，由单片机来确定充电模式；其采用常规充电和快速充电相结合工作模式，既能缩短充电时间，防止温度过高，导致蓄电池产生极化现象，又能提高充电效率，延长蓄电池使用年限。此方案需要替代原厂标配充电器，因电动自行车厂家众多，且各厂家型号五花八门，显然适配难度大，成本高，不适合普及推广。现有技术还有采用在交流充电回路中窜入采样电阻，采样电阻两端的电压大小与充电回路中电流大小成正比，将采样电阻两端电压信号经运算放大器电路处理放大后，满足继电器动作条件时，驱动继电器动作，从而具有充满电自动断电功能。此方案中采样电阻的精度、预设继电器动作条件能适配部分电动自行车充电工况，但由于硬件电路在参数设计时预设了继电器的动作条件，使用中没有调节功能，从而限制了其使用的灵活性和普遍适用性，影响推广使用。


技术实现要素：

5.本实用新型涉及一种可降低生产成本、能增强电路使用的灵活性及普遍适用性、并且能提高电路的可靠性、稳定性及使用安全性的基于stc单片机的电动自行车充电防过充自动断电装置。
6.本实用新型采用如下技术方案：一种基于stc单片机的电动自行车充电防过充自动断电装置，其包括控制按钮s1、控制单元、继电保护单元、采样单元、隔离放大单元、电压
转换单元、整流单元、稳压滤波单元和uart接口p3；电压转换单元的零线输入端接外部220v交流电源的零线n端，电压转换单元的火线输入端经控制按钮s1接外部220v交流电源的火线l端；电压转换单元的输出端经整流单元接稳压滤波单元的相应输入端；稳压滤波单元的输出端分别接控制单元、继电保护单元、隔离放大单元的相应直流电源端；控制按钮s1接在继电保护单元的第一开关控制端与第二开关控制端之间；继电保护单元的控制信号输入端接控制单元的相应控制输出端；控制单元经uart接口p3与外部计算机的相应端口双向连接；采样单元接在隔离放大单元的阳极输入端与阴极输入端之间；隔离放大单元的检测电流输出端接控制单元的相应输入端口；继电保护单元的第二开关控制端经采样单元接外部充电回路的火线输入端；外部充电回路的零线输入端接外部220v交流电源的零线n端。
7.本实用新型的有益效果在于：本实用新型由于使用了超高性价比stc8g1k08a单片机作为电路控制核心，该单片机集成了硬件10位adc转换电路、复位电路、时钟电路、大量的ram及rom电路，i/o口内部自带上拉电阻，无需其它元件即可运行，另外，该单片机采用sop8封装，电路板面积节省了一半以上，使得生产制造成本大大降低；本实用新型利用adc实时采集电路，可以实时监控交流充电回路中电流值，如遇电流值异常（过载、短路）时，单片机能及时控制继电器动作，使全电路从电网断开，确保用电安全；通过adc采集电路实时采集交流充电回路电流值，能够更精准地判定充电器充电状态，精准智能地控制继电器动作，使电路适应性更强；本实用新型通过按键灵活设置继电器动作灵敏度，由于设置值保存在stc8g1k08a单片机内部可编程flash中，使得失电时数据不丢失，从而提高了电路普遍适应性；本实用新型采用交流充电回路电流的检测与控制，极大地提高了电路使用的安全性；本实用新型采用stc8g1k08a单片机作为电路控制核心，由于电路中元器件数量少进而使电路的故障率减少，降低了成本，提高电路的可靠性及稳定性；本实用新型有利于降低信号检测电路、处理电路的生产成本，增强了电路使用的灵活性和普遍适用性。
附图说明
8.图1为本实用新型原理框图。
9.图2为加有交流电源接线端子的本实用新型的原理框图。
10.图3为本实用新型的控制单元及uart接口p3的结构示意图。
11.图4为本实用新型的继电保护单元、隔离放大单元、电压转换单元、整流单元、稳压滤波单元及控制按钮s1的结构示意图。
具体实施方式
12.下面将结合本技术实施例中的附图，对本技术实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本技术一部分实施例，而不是全部的实施例。
13.应当理解的是，当在本说明书中使用术语“包含”和/或“包括”时，其指明存在特征、步骤、操作、器件、组件和/或它们的组合。除非另外具体说明，否则在这些实施例中阐述的部件和步骤的相对布置、数字表达式和数值不限制本技术的范围。同时，应当明白，为了便于描述，附图中所示出的各个部分的尺寸并不是按照实际的比例关系绘制的。对于相关领域普通技术人员已知的技术、方法和设备可能不作详细讨论，但在适当情况下，所述技术、方法和设备应当被视为授权说明书的一部分。
14.由图1-4所示的实施例可知，它包括控制按钮s1、控制单元、继电保护单元、采样单元、隔离放大单元、电压转换单元、整流单元、稳压滤波单元和uart接口p3；电压转换单元的零线输入端接外部220v交流电源的零线n端，电压转换单元的火线输入端经控制按钮s1接外部220v交流电源的火线l端；电压转换单元的输出端经整流单元接稳压滤波单元的相应输入端；稳压滤波单元的输出端分别接控制单元、继电保护单元、隔离放大单元的相应直流电源端；控制按钮s1接在继电保护单元的第一开关控制端与第二开关控制端之间；继电保护单元的控制信号输入端接控制单元的相应控制输出端；控制单元经uart接口p3与外部计算机的相应端口双向连接；采样单元接在隔离放大单元的阳极输入端与阴极输入端之间；隔离放大单元的检测电流输出端接控制单元的相应输入端口；继电保护单元的第二开关控制端经采样单元接外部充电回路的火线输入端；外部充电回路的零线输入端接外部220v交流电源的零线n端。
15.所述电压转换单元包括变压器t1，所述变压器t1的零线输入端1脚接外部220v交流电源的零线n端，所述变压器t1的火线输入端2脚依次经控制按钮s1的2脚、控制按钮s1的1脚接外部220v交流电源的火线l端；所述稳压滤波单元包括稳压芯片u2、电容c1至电容c3，电容c1接在稳压芯片u2的输入端1脚与地之间，电容c2与c3并联后接在稳压芯片u2的输出端3脚与地之间，稳压芯片u2的2脚接地；所述整流单元包括整流桥d2，所述整流桥d2的第一交流输入端2脚接变压器t1的火线输出端4脚，整流桥d2的第二交流输入端4脚接变压器t1的零线输出端3脚，整流桥d2的正输出端1脚接稳压芯片u2的输入端1脚，整流桥d2的负输出端3脚接地。稳压芯片u2的输出端3脚即为稳压滤波单元的输出端，输出 5v直流电压。
16.所述控制单元包括单片机u1、发光二极管led、电阻r1、第一灵敏度按钮s2和第二灵敏度按钮s3；所述单片机u1的2脚依次经电阻r1、发光二极管led的正极、发光二极管led的负极接单片机u1的3脚；单片机u1的2脚接稳压芯片u2的输出端3脚；单片机u1的5脚接uart接口p3的2脚，单片机u1的6脚接uart接口p3的1脚；单片机u1的5脚经第二灵敏度按钮s3接uart接口p3的3脚，单片机u1的6脚经第一灵敏度按钮s2接uart接口p3的3脚。单片机u1的1脚为控制信号输出端，与继电保护单元的控制信号输入端相连接；单片机u1的8脚为检测电流输入端，与隔离放大单元的检测电流输出端相连接。
17.所述继电保护单元包括继电器k1、续流二极管d1、三极管q1和电阻r2；继电器k1包括继电器k1线圈、继电器k1线圈的正极4脚、继电器k1线圈的负极5脚、动臂1、常闭触点2、常开触点3；继电器k1线圈的正极4脚接稳压芯片u2的输出端3脚；继电器k1线圈的负极5脚接三极管q1的集电极1脚；继电器k1的动臂1接控制按钮s1的1脚，继电器k1的常开触点3接控制按钮s1的2脚，继电器k1的常闭触点2悬空；续流二极管d1反向并联在继电器k1线圈的两端；三极管q1的基极2脚经电阻r2接单片机u1的1脚，三极管q1的发射极3脚接地。继电器k1的动臂1即为继电保护单元的第一开关控制端，继电器k1的常开触点3即为继电保护单元的第二开关控制端，继电保护单元的第二开关控制端接变压器t1的火线输入端2脚。
18.所述采样单元包括电阻r3；所述隔离放大单元包括光耦u3、电阻r4和电阻r5；所述电阻r3与电阻r4串联后接在光耦u3的阳极1脚与阴极2脚之间，电阻r3与电阻r4的节点接外部充电回路的火线端口；光耦u3的阴极2脚接变压器t1的火线输入端2脚；光耦u3的发射极3脚接单片机u1的8脚；光耦u3的集电极4脚接稳压芯片u2的输出端3脚；所述电阻r5接在光耦u3的发射极3脚与地之间。光耦u3的发射极3脚即为隔离放大单元的检测电流输出端。光耦
u3的阴极2脚为隔离放大单元的阴极输入端，光耦u3的阳极1脚经电阻r4接隔离放大单元的阳极输入端。
19.本实用新型还包括第一接线端子p1和第二接线端子p2；所述第一接线端子p1为220v交流输入接线端子，所述第二接线端子p2为220v交流输出接线端子；电压转换单元的零线输入端经第一接线端子p1的零线端接外部220v交流电源的零线n端，电压转换单元的火线输入端依次经控制按钮s1、第一接线端子p1的火线端接外部220v交流电源的火线l端；所述变压器t1的零线输入端1脚接第一接线端子p1的零线端；所述变压器t1的火线输入端2脚依次经控制按钮s1的2脚、控制按钮s1的1脚接第一接线端子p1的火线端；外部充电回路的火线输入端经电阻r3接继电器k1的常开触点3，外部充电回路的零线输入端接外部220v交流电源的零线n端。继电器k1的常开触点3接变压器t1的火线输入端2脚。
20.所述单片机u1的型号为stc8g1k08a；所述稳压芯片u2的型号为7805；所述光耦u3的型号为pc817c；所述继电器k1 型号g2rl-1a；所述变压器t1为参数220v转7.5v；所述三极管q1的型号为8050；所述控制按钮s1为常开触发按钮；所述第一灵敏度按钮s2和第二灵敏度按钮s3均为常开触发按钮；所述整流桥d2的型号w005；所述uart接口p3的型号2edgk-3p；所述续流二极管d1的型号为in5819。
21.本实用新型包括单片机u1（stc8g1k08a，sop8贴片封装）、稳压芯片u2（型号7805，5v）、u3光耦（型号pc817c，线性光耦）、t1变压器（参数220v转7.5v，电流1a）、d2整流桥（参数1a50v）、k1继电器（型号g2rl-1a，5vdc驱动）、三极管q1（型号8050）、续流二极管d1（型号in5819）、led工作指示灯（红色φ3）、三个按钮（s1启动按钮、s2灵敏度增加按钮、s3灵敏度减少按钮）、三个接线端子（p1交流220v输入、p2交流220v输出、p3单片机串行口程序下载）、三个电容（c1、c2参数为25v10μf，c3参数为103）、5个电阻（r1r2 1kω、r4 330ω、r5 5.1kω 0.25w 0804封装，r3电流采样电阻 1ω 4w）。
22.u1单片机1引脚（p5.4）输出信号pwr_on（电源控制信号）；u1单片机8引脚（p3.3）输入信号dc_signal（电流的检测信号）与u3光耦3引脚连接；u1单片机6引脚（p3.1）与s2的1脚、p3的1脚连接；u1单片机5引脚（p3.0）与s3的1脚、p3的2脚连接；u1单片机3引脚（p5.5）与led指示灯2脚连接；u1单片机2引脚接直流 5v（vcc），电阻r1右端与led指示灯的1脚连接；p1的2脚与t1的1脚、p2的2脚连接；p1的1脚与s1的1脚、k1的1脚连接；s1的2脚、t1的2脚、k1的3脚、r3的左端与u3的2脚连接；k1的5脚与q1的1脚连接；t1的3脚与d2的4脚连接；t1的4脚与d2的2脚连接；d2的1脚与u2的1脚连接；u1的2脚、u2的3脚（vout为 5v稳压后的输出端）、u3的4脚、k1的4脚都与直流 5v（vcc）连接；u1的4脚、s2的2脚、s3的2脚、p3的3脚、q1的3脚、d2的3脚、u2的2脚都与直流地（gnd）连接。
23.本实用新型的工作过程：当待充电的蓄电池连接上原厂充电器（外部充电回路）且充电器（外部充电回路）连接好p2接线端子（交流220v输出）上，按下启动按钮s1后随即松开。按下s1启动按钮瞬间，交流220v通过输入接线端子p1的1脚、启动按钮s1的1、2引脚加载到变压器t1的初级线圈（t1的2脚、1脚）和p1的2脚形成交流输入回路，之后经变压器t1的3、4引脚输出交流7.5v，交流7.5v加载到整流桥d2的2、4引脚，经整流桥d2的1、3引脚输出脉动直流。脉动直流经电容c1初步滤波后加载到稳压芯片u2（7805）的1、2引脚，稳压芯片u2将稳压后的直流 5v经稳压芯片u2的3脚、2脚加载到电容c2和c3上，经电容c2、c3进一步滤波后得到稳压的 5v直流电（vcc），稳压芯片u2的3脚输出的 5v直流电（vcc），供全电路使用。单
片机u1的2、4引脚加载 5v直流电后，单片机立即运行内置程序，首先进行引脚状态设置和寄存器初始化，led指示灯点亮，将电源控制信号pwr_on（u1的p5.4引脚）输出为高电平，pwr_on信号（高电平）经电阻r2加载到三极管q1的基极2引脚，三极管q1饱和导通，此时vcc（ 5v）经继电器k1的4引脚进、5引脚出，经过三极管q1的1引脚、3引脚到直流地（gnd）构成回路，继电器k1线圈得电吸合，继电器k1的1、3触点闭合。交流220v经p1的2引脚、t1的1引脚、t1的2引脚、继电器k1的3引脚、继电器k1的1引脚回到p2的1引脚构成交流回路，此时s1的状态不影响电路持续供电。本实用新型由继电器k1的动臂1、常开触点3与s1两端并联构成了自锁电路，实现按下s1后电路持续供电功能。同时，交流220v通过p1的1引脚、继电器k1的1引脚、继电器k1的3引脚，经电阻r3到p2的1脚、p2的2脚回到p1的2脚构成交流充电回路。随着交流充电回路中负载电流的变化，采样电阻r3两端的电压降也随之变化，由欧姆定理可知，电阻r3两端的电压降与交流充电回路中电流呈线性关系。电阻r3两端的电压信号经电阻r4加载到线性光耦u3的1脚、2脚构成信号采集回路。光耦u3不仅通过光电转换电路将采集的交流信号和直流输出信号进行了物理隔离，而且通过发光二极管将交流小信号转换成了直流大信号。光耦u3通过光耦u3的3引脚将直流信号发送到单片机u1的p3.3引脚（p3.3引脚为单片机adc3采集通道）。单片机u1通过集成的ad转换器将直流模拟信号实时处理成10位数字信号（stc8g1k08a单片机内部集成了10位ad转换器），根据信号值判定交流充电回路中电流值的大小和变化规律，结合充电器充电曲线进而判定充电器(外部充电回路)工况，当充电器(外部充电回路)进入涓流充电时，表明蓄电池即将充满电，此时led指示灯慢闪烁（频率0.5次/s）,延时10分钟后，将电源控制信号pwr_on（u1的p5.4引脚）输出为低电平，该低电平信号通过r2加载到q1的2引脚（基极），q1由导通状态转为截止状态，进而k1继电器线圈4、5失电，k1的1、3触点断开，则由p1的2脚、t1的1、2脚到p1的1脚交流回路断开，t1失电，全电路直流失电，同样从p1到p2的交流充电回路也失电。这样全电路都失电，从电网物理性断开，从而保证了充电过程的安全。
24.当充电过程中，出现过载或短路时，r3两端的电压降将超出允许范围，该信号将被单片机实时检测到，单片机会立刻通过电源控制信号pwr_on（u1的p5.4引脚）输出为低电平控制q1为截止状态，继电器触点因失电而断开，从而全电路失电，电路实现防过载或短路保护功能。
25.当交流充电回路中没有接负载，即没有接蓄电池或只连接接充电器(外部充电回路)时，按下启动按钮s1后，单片机u1因检测到的信号小于最低灵敏度信号值，此时led指示灯慢闪烁（频率1次/s），等待20s后，信号仍然小于最低灵敏度信号值，单片机u1将电源控制信号pwr_on（u1的p5.4引脚）输出为低电平，使三极管q1为截止状态，继电器k1的触点因失电而断开，从而全电路失电，空载时电路也处于失电状态。
26.单片机u1默认的负载信号最低灵敏度对应的负载电流（交流充电回路电流）为300ma，该值满足市面上大部分电动自行车充电需求。可以通过第一灵敏度按钮s2和第二灵敏度按钮s3按钮改变默认电流值，同时按下第一灵敏度按钮s2和第二灵敏度按钮s3按钮两秒钟以上，led红色指示灯快速闪烁（频率2次/s）（表明当前进入灵敏度设置状态），按下第一灵敏度按钮s2一次，默认电流值增加10ma，最大可设置500ma，按下第二灵敏度按钮s3一次，默认电流值减少10ma，最小可设置10ma。1分钟内s2、s3无操作，自动退出灵敏度设置状态，设置的默认电流值被自动保存在单片机u1的flash中，断电后设置的默认电流值不变，
方便了使用，普遍适用性更强。
27.本具体实施方式的实施例均为本实用新型的较佳实施例，并非依此限制本实用新型的保护范围，故：凡依本实用新型的结构、形状、原理所做的等效变化，均应涵盖于本实用新型的保护范围之内。