基于AVR的電源管理系統(tǒng)的設(shè)計(jì)-設(shè)計(jì)應(yīng)用

精品文檔-下載后可編輯基于AVR的電源管理系統(tǒng)的設(shè)計(jì)-設(shè)計(jì)應(yīng)用摘要：為了能實(shí)時(shí)監(jiān)控?zé)o人機(jī)電源系統(tǒng)的狀態(tài)和提高無(wú)人機(jī)的安全可靠性，利用Atmega16l豐富的資源和接口，設(shè)計(jì)了一套無(wú)人機(jī)電源管理系統(tǒng)；該系統(tǒng)通過(guò)單片機(jī)采集供電電源和備用電源的電壓，根據(jù)這些數(shù)據(jù)以及地面站的控制命令，對(duì)兩組電源進(jìn)行充放電管理；該系統(tǒng)采用了無(wú)線射頻模塊XT09-SI,利用其長(zhǎng)距離特性及網(wǎng)絡(luò)安全等特點(diǎn)，將單片機(jī)采集到的電源信息發(fā)送給地面站，并接收地面監(jiān)控平臺(tái)發(fā)送過(guò)來(lái)的充放電等控制命令。實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明該系統(tǒng)能自主完成機(jī)載電源的充放電管理，快速準(zhǔn)確的傳輸飛機(jī)的電源、控制等信息，能夠保障自主飛行時(shí)無(wú)人直升機(jī)的安全。

0引言

當(dāng)今，由于在民用及國(guó)防等諸多領(lǐng)域中的廣泛應(yīng)用，空中機(jī)器人技術(shù)已經(jīng)越來(lái)越被人們所重視，并吸引了各國(guó)學(xué)者的注意。小型旋翼機(jī)器人是以模型直升機(jī)為載體，裝備上傳感器單元，控制單元和伺服機(jī)構(gòu)等裝置以實(shí)現(xiàn)自主飛行。而為了提高飛機(jī)的安全性，需要設(shè)計(jì)一套設(shè)備監(jiān)測(cè)系統(tǒng)，實(shí)時(shí)的監(jiān)測(cè)飛機(jī)的姿態(tài)信息，機(jī)載設(shè)備的狀況以及電源的情況等。

該平臺(tái)所使用的電源是兩節(jié)鋰電池串聯(lián)組成的電池組，利用鋰離子電池的充放電特性，設(shè)計(jì)了一套以mega16l為的充放電管理系統(tǒng)。鋰電池具有體積小、能量密度高、無(wú)記憶效應(yīng)、循環(huán)壽命高、高電壓電池和自放電率低等優(yōu)點(diǎn)，與鎳鎘電池、鎳氫電池不太一樣的是必須考慮充電、放電時(shí)的安全性，以防止特性劣化。因此在系統(tǒng)運(yùn)行過(guò)程中，為了保護(hù)鋰電池的安全，設(shè)計(jì)了一套欠壓保護(hù)電路，以防止電源管理系統(tǒng)因過(guò)用而發(fā)生電池特性和耐久性特性劣化。

1電源管理系統(tǒng)總體框架

無(wú)人機(jī)電源管理系統(tǒng)是飛機(jī)實(shí)現(xiàn)自主飛行的重要組成部分，其大致框架如圖1所示。在該系統(tǒng)中，利用AXI公司生產(chǎn)的2212/34型號(hào)發(fā)電機(jī)將動(dòng)能轉(zhuǎn)換為220V交流電，再經(jīng)過(guò)整流穩(wěn)壓后輸出11.6V的直流電壓，可由該輸出電壓為兩節(jié)鋰電池充電。電源管理系統(tǒng)的控制器是mega161單片機(jī)，該控制器通過(guò)檢測(cè)兩節(jié)鋰電池的電壓大小從而控制繼電器開關(guān)來(lái)對(duì)電池進(jìn)行充放電管理。

圖1電源管理系統(tǒng)框架

控制器采集到電源系統(tǒng)中的信息后，通過(guò)無(wú)線傳輸設(shè)備將該數(shù)據(jù)實(shí)時(shí)傳輸給地面。地面監(jiān)控平臺(tái)還可以發(fā)送一些指令給mega16l,通過(guò)控制繼電器開關(guān)來(lái)控制電池充放電，從而實(shí)現(xiàn)監(jiān)測(cè)和控制飛機(jī)的目的。

機(jī)上電源模塊由兩節(jié)英特曼電池有限公司生產(chǎn)的鋰電池組成，電池組電量充足時(shí)電壓為8??4V.電池的荷電量與整個(gè)供電系統(tǒng)的可靠性密切相關(guān)，電池剩余電量越多，系統(tǒng)的可靠性越高，因此飛行時(shí)能實(shí)時(shí)獲得電池的剩余電量，這將大大提高飛機(jī)的可靠性。

2電源監(jiān)控系統(tǒng)的實(shí)現(xiàn)

直升機(jī)能順利完成飛行任務(wù)，充足的電源供應(yīng)不可或缺。

由鋰電池的特性可知，在過(guò)度放電的情況下，電解液因分解而導(dǎo)致電池特性劣化并造成充電次數(shù)降低。因此為了保護(hù)電池的安全，電源系統(tǒng)在給控制系統(tǒng)供電前要經(jīng)過(guò)欠壓保護(hù)模塊和穩(wěn)壓模塊。為了預(yù)測(cè)電源系統(tǒng)中剩余的電量，這里采用檢測(cè)電源系統(tǒng)電壓的方法，在測(cè)得系統(tǒng)的電源電壓后，查找由放電曲線建立的數(shù)據(jù)庫(kù)，就能估計(jì)出電源系統(tǒng)中所剩余的電量。

單片機(jī)所需要的電源電壓是2.7~5.5V,因此可為mega16l設(shè)計(jì)外部基準(zhǔn)電壓為2.5V,該基準(zhǔn)穩(wěn)壓電路如圖2所示。所以系統(tǒng)要檢測(cè)電池的電壓，需要將電池用電阻進(jìn)行分壓且分得的電壓值不能超過(guò)2.5V.控制器測(cè)得的電壓值乘上電壓分壓縮小的倍數(shù)后，就能得到電源系統(tǒng)中的實(shí)時(shí)電壓。時(shí)刻監(jiān)測(cè)鋰電池的用電情況，防止電池過(guò)用現(xiàn)象出現(xiàn)，就能達(dá)到有效使用電池容量和延長(zhǎng)壽命的目的。

圖2基準(zhǔn)電壓電路

2.1硬件設(shè)計(jì)

2.1.1直流無(wú)刷電機(jī)電路

無(wú)刷直流電機(jī)是由電動(dòng)機(jī)主體和驅(qū)動(dòng)器組成，是一種典型的機(jī)電一體化產(chǎn)品。直流無(wú)刷電機(jī)與一般直流電機(jī)具有相同的工作原理和應(yīng)用特性，而其組成是不一樣的，除了電機(jī)本身外，前者還多一個(gè)換向電路，直流無(wú)刷電動(dòng)機(jī)的電機(jī)本身是機(jī)電能量轉(zhuǎn)換部分，它除了電機(jī)電樞、永磁勵(lì)磁兩部分外，還帶有傳感器。該發(fā)電機(jī)的部分AC-DC電路如圖3所示。

圖3無(wú)刷電機(jī)AC-DC電路

2.1.2充電電路

鋰離子電池的充電特性和鎳鎘、鎳氫電池的充電特性有所不同，鋰離子電池在充電時(shí)，電池電壓緩慢上升，充電電流逐漸減小，當(dāng)電壓達(dá)到4.2V左右時(shí)，電壓基本不變，充電電流繼續(xù)減小。因此對(duì)于改型充電器可先用先恒流后恒壓充電方式進(jìn)行充電，具體充電電路如圖4所示。該電路選用LM2575ADJ組成斬波式開關(guān)穩(wěn)壓器，充電電流為1A.

圖4高效開關(guān)型恒流/恒壓充電器部分電路

該電路工作原理如下：當(dāng)電池接入充電器后，該電路輸出恒定電流，對(duì)電池充電。該充電器的恒流控制部分由雙運(yùn)放LM358的一半、增益設(shè)定電阻R3和R4、電流取樣電阻R5和1.23V反饋基準(zhǔn)電壓源組成。剛接入電池后，運(yùn)放LM358輸出低電平，開關(guān)穩(wěn)壓器LM2575-ADJ輸出電壓高，電池開始充電。當(dāng)充電電流上升到1A時(shí)，取樣電阻R5（50m歐）兩端壓降達(dá)到50mV,該電壓經(jīng)過(guò)增益為25的運(yùn)放放大后，輸出1.23V電壓，該電壓加到LM2575的反饋端，穩(wěn)定反饋電路。

當(dāng)電池電壓達(dá)到8.4V后，LM3420開始控制LM2575ADJ的反饋腳。LM3420使充電器轉(zhuǎn)入到恒壓充電過(guò)程，電池兩端電壓穩(wěn)定在8??4V.R6、R7和C3組成補(bǔ)償網(wǎng)絡(luò)，保證充電器在恒流/恒壓狀態(tài)下穩(wěn)定工作。若輸入電源電壓中斷，二極管D2和運(yùn)放LM358中的PNP輸入級(jí)反向偏置，從而使電池和充電電路隔離，保證電池不會(huì)通過(guò)充電電路放電。當(dāng)充電轉(zhuǎn)入恒壓充電狀態(tài)時(shí)，二極管D3反向偏置，因此運(yùn)放中不會(huì)產(chǎn)生灌電流。

2.1.3電源欠壓保護(hù)

電源欠壓保護(hù)由鋰電池的電池放電特性易知，當(dāng)電池處于3.5V時(shí)，此時(shí)電池電量即將用完，應(yīng)及時(shí)給電池充電，否則電池電壓將急劇下降直至電池?fù)p壞。于是設(shè)計(jì)了一套欠壓保護(hù)電路如圖5所示，利用電阻分壓所得和由TL431設(shè)計(jì)的基準(zhǔn)電壓比較，將比較結(jié)果送人LM324放大電路進(jìn)而觸發(fā)由三極管構(gòu)成的開關(guān)系統(tǒng)，從而控制負(fù)載回路的通阻。試驗(yàn)證明，當(dāng)系統(tǒng)電壓達(dá)到臨界危險(xiǎn)電壓7V時(shí)，系統(tǒng)的輸出電流僅為4mA,從而防止了系統(tǒng)鋰電池過(guò)度放電現(xiàn)象的產(chǎn)生。

圖5欠壓保護(hù)電路

由于鋰離子電池能量密度高，因此難以確保電池的安全性。在過(guò)度充電狀態(tài)下，電池溫度上升后能量將過(guò)剩，于是電解液分解而產(chǎn)生氣體，因內(nèi)壓上升而發(fā)生自燃或破裂的危險(xiǎn)；反之，在過(guò)度放電狀態(tài)下，電解液因分解導(dǎo)致電池特性及耐久性劣化，從而降低可充電次數(shù)。該充電電路和本管理系統(tǒng)能有效的防治鋰電池的過(guò)充和過(guò)用，從而確保了電池的安全，提高鋰電池的使用壽命。

2.2軟件設(shè)計(jì)

電源管理系統(tǒng)的軟件設(shè)計(jì)主要是mega16l通過(guò)其8路10位ADC端口來(lái)檢測(cè)電池的電壓狀態(tài)，根據(jù)不同的情況采取相應(yīng)措施。一旦出現(xiàn)有電池低于7.0V的情況，單片機(jī)就將該電池切換到充電狀態(tài)并保證至少有一組電池為負(fù)載供電，且電池1優(yōu)先級(jí)別高于電池2.主要程序流程圖如圖6所示，程序處于一個(gè)無(wú)限循環(huán)，單片機(jī)時(shí)刻監(jiān)測(cè)兩組電池的電壓的狀態(tài)并記憶當(dāng)前的充電狀態(tài)，一旦放電的電池達(dá)到7V以下，單片機(jī)驅(qū)動(dòng)繼電器開關(guān)將充電回路切換到該電池并將另一組電池切換為負(fù)載回路的電源。

圖6AVR主程序流程圖

程序在運(yùn)行的過(guò)程當(dāng)中，每隔1秒定時(shí)器1產(chǎn)生中斷，通過(guò)串口接收監(jiān)控平臺(tái)發(fā)來(lái)的指令信息并將飛機(jī)的兩組電源的實(shí)時(shí)電壓狀況、繼電器的狀態(tài)等信息通過(guò)無(wú)線射頻模塊發(fā)送給地面站以便地面能實(shí)時(shí)了解到飛機(jī)的供電情況。

2.3上位機(jī)設(shè)計(jì)

2.3.1無(wú)線射頻模塊

電源管理系統(tǒng)的上位機(jī)硬件方面主要由無(wú)線射頻模塊、電平轉(zhuǎn)換電路及PC電腦組成，大致框圖如圖1所示。因射頻模塊將接收出來(lái)的數(shù)據(jù)是TTL電平，再通過(guò)max232電平轉(zhuǎn)換將其變?yōu)镽S232電平傳送給電腦，從而實(shí)現(xiàn)飛機(jī)和地面的通信。

該系統(tǒng)之所以能實(shí)現(xiàn)遠(yuǎn)距離監(jiān)測(cè)飛機(jī)，主要依靠無(wú)線射頻模塊的遠(yuǎn)距離和高準(zhǔn)確度等特性。其主要特點(diǎn)如下所示：（1）長(zhǎng)距離特性：室內(nèi)/城市距離高達(dá)450米；室外可視范圍：帶2.1dB偶極天線高達(dá)11公里，帶高增益天線可達(dá)32公里；接收器靈敏度為-110dBm.（2）網(wǎng)絡(luò)和安全：7個(gè)跳頻信道，每個(gè)信道可獲得65k地址，恢復(fù)和確認(rèn)機(jī)制以保證可靠分組傳輸；支持對(duì)等網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)（沒(méi)有主/從依賴關(guān)系）,支持點(diǎn)對(duì)點(diǎn)、點(diǎn)對(duì)多和多點(diǎn)接入網(wǎng)絡(luò)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)。

由此可知，XTendOEM無(wú)線射頻模塊在低成本無(wú)線數(shù)據(jù)通訊解決方案中提供了遠(yuǎn)的距離。該模塊易于使用，耗電低，對(duì)設(shè)備間重要數(shù)據(jù)包提供了可靠的數(shù)據(jù)傳送，體積緊湊節(jié)省寶貴的電路板空間。圖7表示的是由XTendOEM無(wú)線射頻模塊構(gòu)成的主機(jī)間無(wú)線連接的系統(tǒng)框圖。

圖7主機(jī)間無(wú)線連接的系統(tǒng)框圖

2.3.2地面監(jiān)控平臺(tái)

監(jiān)控平臺(tái)是整個(gè)設(shè)備監(jiān)控系統(tǒng)的重要組成部分，監(jiān)控平臺(tái)與控制程序之間要求具有雙工通信的。一方面，飛機(jī)平臺(tái)上控制器將飛機(jī)的實(shí)時(shí)信息利用數(shù)傳發(fā)到地面，另一方面，地面站將指令發(fā)給飛機(jī)以完成所需要的任務(wù)。

地面軟件基于Microsoft的VC++6.0平臺(tái)借助其提供的MFC類庫(kù)進(jìn)行開發(fā)。具體的軟件開發(fā)過(guò)程，采用面向?qū)ο蟮脑O(shè)計(jì)方法，使用C++語(yǔ)言實(shí)現(xiàn)。每種功能模塊，對(duì)應(yīng)一個(gè)類。這樣，使得終的軟件實(shí)現(xiàn)結(jié)構(gòu)上清晰合理，易于維護(hù)升級(jí)。該程序利用MFC技術(shù)結(jié)合MSComm控件，使用C++編寫。程序功能包括：手動(dòng)設(shè)置串口參數(shù)，串行接收數(shù)據(jù)和發(fā)送指令，顯示接收數(shù)據(jù)信息和保存接收數(shù)據(jù)等功能。

3實(shí)驗(yàn)結(jié)果分析

控制器在得到電源電壓、繼電器狀態(tài)、充放電情況等信息后，將這些信息傳給地面并保存到PC機(jī)上面。圖8所示就是飛機(jī)在飛行時(shí)采集到的數(shù)據(jù)。

圖8電池1充放電數(shù)據(jù)。

從圖中可知，首先電池1作為負(fù)載給系統(tǒng)供電，經(jīng)過(guò)一段時(shí)間使用后由7.5V降到7.0V,此時(shí)單片機(jī)在檢測(cè)到該電池電量不足后驅(qū)動(dòng)繼電器，并將該電池切換到充電回路。經(jīng)過(guò)10分鐘充電后，因電池2的電壓也小于7V單片機(jī)再次將系統(tǒng)的電源切換到電池1,如此反復(fù)直至完成任務(wù)。由此可知該系統(tǒng)能將動(dòng)能轉(zhuǎn)換為動(dòng)能并有效的管理系統(tǒng)的用電循環(huán)，提高了系統(tǒng)的運(yùn)行時(shí)間，從而提高整個(gè)系統(tǒng)的實(shí)用性和可靠性。

4結(jié)束語(yǔ)

本文設(shè)計(jì)了一套UAV電源管理系統(tǒng)，該系統(tǒng)具有自動(dòng)控制充放電管理，實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)電池電壓等功能。該系統(tǒng)已經(jīng)經(jīng)過(guò)調(diào)試和試驗(yàn)驗(yàn)證了其可行性，但是為了保證飛機(jī)安全，還要做更多的試驗(yàn)以保證無(wú)人機(jī)自主飛行的安全和穩(wěn)定。除此之外，高低頻濾波，電池電量預(yù)測(cè)等也是重要的方向，需要深入的研究?，F(xiàn)今，鋰電池的使用范圍越來(lái)越廣，其價(jià)格也相對(duì)適中，如果掌握先進(jìn)的科學(xué)的使用方法，讓鋰電池發(fā)揮應(yīng)有的效用，將會(huì)節(jié)省大量的資源和財(cái)富。

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