摘要：随着时代的不断发展，直流用电设备的种类也越来越多，用电设备的充电过充现象一直是导致用电设备无法正常工作的重要原因。虽然市面上大多数用电器都配有充电保护系统，但是毕竟不能做到100%安全。为了减少因充电问题而对用电器造成的影响，设计了一款基于AT89C52单片机的智能充电保护装置。该装置主要由温度湿度监测模块、电压电流检测模块、继电器模块组成。以此减少由于过度充电造成的用电器损坏。
关键词：AT89C52单片机；DHT11温湿度传感器；1602液晶屏；ADC0832电压监测芯片
0引言
在经济快速发展的21世纪，人们的生活节奏越来越快，经常会由于忙碌忘记给正在充电的设备断电。这不但会降低电池的使用寿命，也有可能引起安全事故。该充电保护器就是为解决这个问题而设计的。基于单片机的充电保护器可以在三种情况下给设备断电：①当充电电流和电压达到设定值时判断为电池充满而断电；②当检测环境温度、湿度异常时断电。③可以设定充电时间，当时间到时给设备断电。并且该装置可以实时监控电压的变化，当出现充电异常时给予报警和提示。该装置可以在很大程度上解决过充、高温高湿等异常环境下充电的问题，给人们生活带来安全和方便。解决了人们在用电器充电方面的问题，有效的利用了单片机在电子产品控制领域中的性能优势，进一步满足了人们对高品质生活的追求。
1 硬件设计
1.1硬件设计方案
系统基于AT89C52单片机，由温湿度监测模块、电压电流监测模块、继电器模块、显示模块、数据处理模块等模块组成，在用电器充电过程中ADC0832芯片实时检测电压，通过AD转换将模拟信号转换为数字信号，通过MCU运算处理器将结果显示在1602液晶屏上，将结果输送至单片机，预设一个基准电压，通过比较所测得的电压和基准电压的大小来判断充电是否完成。（在检测过程中通过液晶屏实时显示充电电压）完成充电时由单片机控制继电器模块停止充电。充电检测模块运行的同时DHT11温湿度传感器检测用电器充电时的环境温度和湿度，若检测到温湿度异常择控制蜂鸣器报警，一定延时后切断电源。系统整体框图如图1所示：
.png)
图1 智能充电保护器的硬件组成框图
1.2 AT89C52单片机
AT89C52是一个低电压，高性能CMOS8位单片机，片内含8kbytes的可反复擦写的Flash只读程序存储器和256bytes的随机存取数据存储器（RAM），器件采用ATMEL公司的高密度、非易失性存储技术生产，兼容标准MCS-51指令系统，片内置通用8位中央处理器和Flash存储单元，内有40个引脚，32个外部双向输入/输出（I/O）端口，同时内含2个外中断口，3个16位可编程定时计数器,2个全双工串行通信口，2个读写口线。
图2 AT89C52单片机引脚图
.png)
1.3 ADC0832模数转换
ADC0832为8位分辨率A/D转换芯片，其最高分辨可达256级，可以适应一般的模拟量转换要求。其内部电源输入与参考电压的复用，使得芯片的模拟电压输入在0~5V之间。芯片转换时间仅为32μS，据有双数据输出可作为数据校验，以减少数据误差，转换速度快且稳定性能强。独立的芯片使能输入，使多器件挂接和处理器控制变的更加方便。通过DI数据输入端，可以轻易的实现通道功能的选择。
作为单通道模拟信号输入时 ADC0832 的输入电压是 0~5V 且 8 位分辨率时的电压精度为 19.53mV。如果作为由 IN+与 IN-输入的输入时，可是将电压值设定在某一个较大范围之内，从而提高转换的宽度。但值得注意的是，在进行 IN+与 IN-的输入时，如果 IN-的电压大于 IN+的电压则转换后的数据结果始终为00H。
.png)
图3 ADC0832芯片顶视图
1.4 DHT11温湿度传感器
目前市面上有很多温湿度传感器的选择，通过比对在DS18B20、SHT11、DHT11传感器中选择采用DHT11温湿度一体传感器，此款传感器是含有已校准数字信号输出的温湿度复合传感器。DHT11（图4）数字温湿度传感器是一款含有已校准数字信号输出的温湿度复合传感器。它应用专用的数字模块采集技术和温湿度传感技术，确保产品具有极高的可靠性与卓越的长期稳定性。传感器包括一个电阻式感湿元件和一个NTC测温元件，并与一个高性能8位单片机相连接。因此该产品具有品质卓越、超快响应、抗干扰能力强、性价比极高等优点。每个DHT11传感器都在极为精确的湿度校验室中进行校准。校准系数以程序的形式储存在OTP内存中，传感器内部在检测信号的处理过程中要调用这些校准系数。超小的体积、极低的功耗，信号传输距离可达20米以上，使其成为各类应用甚至最为苛刻的应用场合的最佳选则。
.png)
图4 DHT11温湿度传感器
DATA用于微处理器与DHT11之间的通讯和同步,采用单总线数据格式,一次通讯时间4ms左右,数据分小数部分和整数部分,具体格式在下面说明。当前小数部分用于以后扩展,现读出为零。操作流程如下：一次完整的数据传输为40bit,高位先出。
数据格式为8位湿度整数数据+8位湿度小数数据+8位温度整数数据+8位温度小数数据+8位校验和，数据传送正确时校验和数据等于“8位湿度整数数据+8位湿度小数数据+8位温度整数数据+8位温度小数数据”所得结果的末8位。
.png)
图5 DHT11与单片机的通讯过程
1.5 LCD1602液晶显示器
本系统采用的1602是一款物美价廉的液晶显示屏，可以显示2行标准字符，每行共有16个字符。在通信系统，智能操作仪表和办公设备的自动化中被广泛的应用，主要功能是显示ASCII字符，因此被称为“字符型显示装置”。
图6 LCD1602接线图
.png)
2 软件设计
2.1软件流程
本装置以51单片机作为主控电路实现整体系统连接，控制各个模块同时工作。系统整体均在Keil4编程软件下通过C语言完成编写。通过对各个传感器的信息收集和处理对内部充电参数和外界环境参数进行检测，最后单片机判断并作出相应的动作。系统初始化后本系统的软件流程图如图7所示，最开始先进行液晶的初始化，包括液晶功能初始化和液晶显示内容初始化，然后是报警值的初始化。接着就进入一个循环体，首先是读取温湿度的测量结果并显示。接着判断刚刚读取到的温湿度是否超出设置的报警范围，超限的话就启动声光报警。在确定温湿度正常之后进入监测电压AD转换初始化。首先，单片机片选A/D转换器，然后发出信号启动A/D转换。若有，即启动信号采集，对A/D转换器的数据输出口送来的数值进行存储，数据处理完之后，将电压数值送LCD1602显示出来。若检测数据未达到预设值择继续采集信号，直到检测值达到预设电压值经过一段延时之后切断电源，结束充电过程。
.png)
图7 智能充电保护器软件流程图
2.2软件程序编写
程序编写采用2011年3月ARM公司发布最新集成开发环境RealView MDK开发工具中集成的Keil μVision4，其编译器、调试工具实现了与ARM器件的最完美匹配。部分程序代码如下（附注释）：
bit LcdRs_P = P1^2; // 1602液晶的RS管脚
sbit LcdRw_P = P1^3; // 1602液晶的RW管脚
sbit LcdEn_P = P1^4; // 1602液晶的EN管脚
sbit DHT11_P = P1^0; // 温湿度传感器DHT11数据接入
sbit LedTL_P = P3^4; // 温度过低报警指示灯
sbit LedTH_P = P3^5; // 温度过高报警指示灯
sbit LedHL_P = P3^6; // 湿度过低报警指示灯
sbit LedHH_P = P3^7; // 湿度过高报警指示灯
sbit Buzzer_P = P1^1; // 蜂鸣器
sbit SCL=P2^2; //SCL定义为P2口的第2位脚，连接ADC0832SCL脚
sbit DO=P2^3; //DO定义为 P2口的第3位脚，连接ADC0832DO脚
sbit CS=P2^0; //CS定义为 P2口的第0位脚，连接ADC0832CS脚
3硬件调试
3.1测试方案
将装置通电，观察液晶屏上显示的温湿度是否符合实际，改变外界的温度和湿度，观察液晶屏显示情况平判断温湿度监测模块运行情况。通过实际测量计算出电池充电的参数和时间，在实际测试中将测试结果与测量结果进行比对，判断电压监测模块运行情况。
3.2测试结果
（1）装置通电运行后，DHT11监测环境温湿度、ADC0832监测电压实时显示在液晶屏上。
（2）系统运行过程中，若改变环境温湿度使其不在测定范围内，短暂延时后蜂鸣器报警并切断电源开关。
（3）当电压达到预设值，经过设置的延时之后系统自动切断电源，完成充电。
从测试结果来看该设计安全可靠，各个模块运行较为稳定，能够实现在用电器充电时智能断电同时检测环境温湿度，当温湿度异常时进行报警。成本低，维护方便，不改变原有充电器，达到了预期的目标。
4 结束语
用电器充电不规范造成的安全隐患一直是一个非常严重的问题。有调查表明2019年中国火灾原因分配比例，因电气故障而造成的火灾占27.6%居首位，电气火灾造成的损失数占损失总数的35.4%。这一个个惊人的数字无不向我们警示了在用电过程中管理不善或者使用不当造成的损失。这就是本设计存在的意义，该设计基于AT89C52单片机、DHT11温湿度传感器、ADC0832数模转换芯片，可用来实时检测充电电压和充电时的环境温湿度，根据检测到的数值来判断是否切断电源完成充电，当充电时的外部环境发生变化时可以及时作出反应，有效的减少因充电时产生的问题而造成的安全隐患。系统性能稳定且功能优良，有一定的实用价值。
参考文献：
[1] 黄春耀．基于单片机的智能充电控制器的设计与应用[J]．龙岩学院学报，2007( 03): 24－27．
[2] 李婷．多通道锂离子电池快速充、放电系统研究[D]．山西：中北大学，2008．
[3] 王静霞．单片机应用技术(C 语言版)第 2 版[M]．北京：电子工业出版社，2014．
[4] 郭天祥．51单片机C语言教程[M]．北京：电子工业出版社，2009.
[5] 沈骏.多功能充电保护器的设计[J].山东工业技术,2015(19):163.
[6]程建立,代建华.电气火灾事故成因相关性的分析与对策[J].中小企业管理与科技(中旬刊),2019(06):93-94.