一种多功能矿灯充电板电路的制作方法

本发明涉及矿灯充电板技术领域，具体是一种多功能矿灯充电板电路。

背景技术：

矿灯是煤矿工人下井常用的必备装置，故设计一个人性化管理的智能充电装置必不可少。现有的矿灯管理设备大多是将矿灯充电状态的相关数据采集后，通过通讯接口上传给服务器，由上位机统一进行管理。但当出现通讯故障，管理系统崩溃，计算机死机等一系列情况时，无法及时获取充电柜的充电状态信息和人员信息，导致充电柜无法独立运行使用，这给矿灯的管理带来了诸多不便。为了适应煤炭工业日趋智能化，自动化的发展方向，急需一套短时内脱离计算机管理可独立运行的充电柜，使管理人员能够在不使用上位机管理的情况下，也能对矿灯的充电状态，人员信息等数据进行管理。

技术实现要素：

本发明的目的在于克服现有技术的不足，而提供一种多功能矿灯充电板电路，该电路能及时获取充电柜的充电状态信息和人员信息，可以掉电存储，且电流值稳定性和准确性好，还带有语音播报功能，保证矿灯及充电柜门处于正确状态。

实现本发明目的的技术方案是：

一种多功能矿灯充电板电路，包括控制电路，还包括分别与控制电路连接的RS485通信接口电路、充电及状态监测电路、字库读取电路、光电检测电路、TM卡读卡电路、充电电路、磁码锁电路、LCD显示电路和语音播报电路，通过RS485通信接口电路与上位机连接，电源模块为该充电板电路供电。

所述的控制电路，是基于STC15F2K16S2芯片的控制电路，包括STC15F2K16S2芯片、第一电容、第二电容、第三电容、第四电容、第一晶振和第一电阻；第一电容的一端接地，另一端分别与第一晶振的一端、STC15F2K16S2芯片的12号管脚XTAL1连接；第一晶振的另一端分别与第二电容的一端、STC15F2K16S2芯片的11号管脚XTAL2连接；第二电容的另一端接地；第三电容的一端分别与第一电阻的一端、STC15F2K16S2芯片的13号管脚RESET连接，另一端接5V电压；第一电阻的另一端接地；第四电容的一端分别与STC15F2K16S2芯片的14号管脚、5V电压连接，另一端接地；STC15F2K16S2芯片的16号管脚接地。

所述的充电及状态监测电路，包括第二电阻、第三电阻、第四电阻、第五电阻、第六电阻、第七电阻、第八电阻、第九电阻、第十电阻、第五电容、第六电容、第七电容、第一MOS管、第一三极管、第二三极管、第三三极管和第一运算放大器；第二电阻的一端与控制电路STC15F2K16S2芯片的31号管脚P2.1/A9连接，另一端分别与第五电容的一端、第一三极管的基极连接；第一三极管的发射极接地，集电极与第四电阻的一端连接；第四电阻的另一端分别与第三电阻的一端、第一MOS管的栅极连接；第一MOS管的源极接6V电压，漏极与充电架的正极接口连接；第三电阻的另一端接6V电压；第五电阻的一端分别与充电架的负极接口、第六电容的一端、第一运算放大器的正输入端连接，另一端接地；第六电容的另一端接地；第二三极管的基极与控制电路STC15F2K16S2芯片的8号管脚P1.3/MOSI/ADC3连接，发射极接地，集电极与第六电阻的一端连接；第六电阻的另一端分别与第七电阻的一端、第一运算放大器的负输入端、第九电阻的一端、第三三极管的发射极连接；第七电阻的另一端接地；第三三极管的基极与控制电路STC15F2K16S2芯片的7号管脚P1.2/ECI/SS/ADC2连接，集电极与第八电阻的一端连接；第一运算放大器的信号输出端分别与第八电阻的另一端、第九电阻的另一端、第十电阻的一端连接；第十电阻的另一端分别与第七电容的一端、控制电路STC15F2K16S2芯片的7号管脚P1.5/SCLK/ADC5连接；第七电容的另一端接地。

所述的光电检测电路，包括红外对管、第十一电阻、第十二电阻、第十三电阻、第十四电阻、第十五电阻、第四三极管、第五三极管和第一光敏三极管；红外对管的1号、4号管脚接5V电压，2号管脚与第十一电阻的一端连接，3号管脚分别与第十二电阻的一端、第四三极管的基极连接；第十一电阻的另一端、第十二电阻的另一端、第四三极管的发射极接地；第四三极管的集电极与第十三电阻的一端连接，还与控制电路STC15F2K16S2芯片的7号管脚P3.6/INT2/CCP1_2连接；第十三电阻的另一端接5 V电压；第一光敏三极管一端接5 V电压，另一端分别与第十四电阻的一端、第五三极管的基极连接；第十四电阻的另一端接地；第五三极管的发射极接地，集电极与第十五电阻的一端连接，还与控制电路STC15F2K16S2芯片的7号管脚P3.7/INT3/CCP2连接；第十五电阻的另一端接5 V电压。

所述的字库读取电路，包括GT30L32S4W字库芯片，第九电容、第十六电阻；GT30L32S4W字库芯片的1号、2号、5号、6号管脚分别与控制电路STC15F2K16S2芯片的29号、28号、26号、27号管脚连接，4号管脚接地，7号管脚与第十六电阻的一端连接，8号管脚接3.3V电压；第九电容的一端、第十六电阻的另一端接3.3V电压；第九电容的另一端接地。

所述的语音播报电路，包括NY3P016BS芯片、第十电容和喇叭接口；NY3P016BS芯片的1号管脚与第十电容的一端连接，2号、3号管脚与喇叭接口连接，4号管脚接3.3V电压，5号引脚接地，6号、7号、8号管脚分别与控制电路STC15F2K16S2芯片的23号、22号、21号管脚连接；第十电容的另一端接地。

所述的TM卡读卡电路，包括DS9092芯片、第十七电阻和第十八电阻；DS9092芯片的1号管脚分别与第十七电阻的一端、控制电路STC15F2K16S2芯片的9号管脚P1.4/MISO/ADC4连接，2号管脚与第十八电阻的一端连接，3号管脚与控制电路STC15F2K16S2芯片的20号管脚P3.2/INT0连接。

所述的磁码锁电路，包括磁码锁插口、肖特基二极管、AO4466芯片；AO4466芯片1号、2号、3号管脚接地，4号管脚与控制电路STC15F2K16S2芯片的32号管脚P2.2/A10连接；磁码锁插口与AO4466芯片的5号、6号、7号、8号管脚连接；肖特基二极管设在磁码锁插口与AO4466芯片之间。

所述的RS485通信电路，包括VP3082芯片、第十九电阻、第二十电阻、第二十一电阻和通信接口；VP3082芯片的1号管脚与控制电路STC15F2K16S2芯片的18号管脚P3.0/RxD/INT4/T2CLKO连接，2号和3号管脚与控制电路STC15F2K16S2芯片的17号管脚P4.0连接，4号管脚与控制电路STC15F2K16S2芯片的19号管脚P3.1/TxD/T2连接，4号管脚接地，6号管脚分别与第二十电阻的一端、通信接口连接，7号管脚与通信接口连接，8号管脚分别与第十九电阻的一端、5V电压连接；第十九电阻的另一端、第二十电阻的另一端、第二十一电阻的一端与通信接口连接；第二十一电阻的另一端接地。

有益效果：1、该多功能矿灯充电板带有液晶屏显示功能。可显示矿工的人员信息，柜号，矿灯所剩充电次数，充电状态和已充电（使用）时间。

2、该多功能矿灯充电板接收到的所有信息均实现掉电存储（再次上电可恢复掉电之前的数据和液晶显示状态）。

3．该多功能矿灯充电板可实时监测充电状态并自动调节充电电流的采样增益系数，保证采样电流值的稳定性和准确性。

4、该多功能矿灯充电板带有语音播报功能。光电传感器可检测柜门的开关状态和矿灯是否放置准确。如果柜门长时间未关或者矿灯已放置但并未进行充电都会进行语音提醒。

5、该多功能矿灯充电板使用TM卡探头读取TM卡内置64位密码进行开门操作。开门操作可在1s内实现，比一般传统开锁方式更加快捷方便。此密码存储在TM卡ROM内，全球唯一，安全性能高。TM卡价格低廉，节约成本。

6、该多功能矿灯充电板和上位机之间采用RS485总线通信方式，各充电板之间相互独立，可根据实际需求任意增加或减少485总线上的充电板数量。实际应用中更加灵活便捷。

附图说明

图1为多功能矿灯充电板电路的电路原理框图；

图2为STC15F2K16S2控制器电路图；

图3为矿灯充电及状态监测电路图；

图4为光电检测电路图；

图5为LCD显示电路；

图6为字库读取电路图；

图7为语音播报电路；

图8为TM卡读卡电路；

图9为磁码锁开锁电路；

图10为RS485通信电路图；

图11为电源电路图。

具体实施方式

下面结合附图和实施例对本发明做进一步阐述，但不是对本发明的限定。

实施例：

如图1所示，一种多功能矿灯充电板电路，包括控制电路，还包括分别与控制电路连接的RS485通信接口电路、充电及状态监测电路、字库读取电路、光电检测电路、TM卡读卡电路、充电电路、磁码锁电路、LCD显示电路和语音播报电路，通过RS485通信接口电路与上位机连接，电源模块为该充电板电路供电。

如图2所示，所述的控制电路，是基于STC15F2K16S2芯片的控制电路，包括STC15F2K16S2芯片U1、第一电容C1、第二电容C2、第三电容C3、第四电容C4、第一晶振Y1和第一电阻R1；第一电容C1的一端接地，另一端分别与第一晶振Y1的一端、STC15F2K16S2芯片U1的12号管脚XTAL1连接；第一晶振Y1的另一端分别与第二电容C2的一端、STC15F2K16S2芯片U1的11号管脚XTAL2连接；第二电容C2的另一端接地；第三电容C3的一端分别与第一电阻R1的一端、STC15F2K16S2芯片U1的13号管脚RESET连接，另一端接5V电压；第一电阻R1的另一端接地；第四电容C4的一端分别与STC15F2K16S2芯片U1的14号管脚、5V电压连接，另一端接地；STC15F2K16S2芯片U1的16号管脚接地。STC15F2K16S2控制电路对多功能矿灯充电板各个功能模块进行控制和管理，并且存储收发的数据信息。

如图3所示，所述的充电及状态监测电路，包括第二电阻R2、第三电阻R3、第四电阻R4、第五电阻R5、第六电阻R6、第七电阻R7、第八电阻R8、第九电阻R9、第十电阻R10、第五电容C5、第六电容C6、第七电容C7、第一MOS管Q1、第一三极管Q2、第二三极管Q3、第三三极管Q4和第一运算放大器U2；第二电阻R2的一端与控制电路STC15F2K16S2芯片U1的31号管脚P2.1/A9连接，另一端分别与第五电容C5的一端、第一三极管Q2的基极连接；第一三极管Q2的发射极接地，集电极与第四电阻R4的一端连接；第四电阻R4的另一端分别与第三电阻R3的一端、第一MOS管Q1的栅极连接；第一MOS管Q1的源极接6V电压，漏极与充电架的正极接口Lamp+连接；第三电阻R3的另一端接6V电压；第五电阻R5的一端分别与充电架的负极接口Lamp-、第六电容C6的一端、第一运算放大器U2的正输入端连接，另一端接地；第六电容C6的另一端接地；第二三极管Q3的基极与控制电路STC15F2K16S2芯片U1的8号管脚P1.3/MOSI/ADC3连接，发射极接地，集电极与第六电阻R6的一端连接；第六电阻R6的另一端分别与第七电阻R7的一端、第一运算放大器U2的负输入端、第九电阻R9的一端、第三三极管Q3的发射极连接；第七电阻R7的另一端接地；第三三极管Q4的基极与控制电路STC15F2K16S2芯片U1的7号管脚P1.2/ECI/SS/ADC2连接，集电极与第八电阻R8的一端连接；第一运算放大器U2的信号输出端分别与第八电阻R8的另一端、第九电阻R9的另一端、第十电阻R10的一端连接；第十电阻R10的另一端分别与第七电容C7的一端、控制电路STC15F2K16S2芯片U2的7号管脚P1.5/SCLK/ADC5连接；第七电容C7的另一端接地。

CHARGE_EN连接STC15F2K16S2的P2^1，此引脚一直默认为高，即三极管Q2一直处于导通状态；R3和R4构成一个分压电路，Q1为p沟道mos管，基极被拉高，Q1一直处于导通状态。Lamp+/-是充电架的正负极接口，当用矿灯放置在充电架上时，开始对矿灯进行充电。R2是规格为0.1欧姆，1%精度的采样电阻，将采集到的充电电流I转化为充电电压U=I*R2后输入U2的正相输入端，经放大后送入CHARGE_ADC，CHARGE_ADC连接STC15F2K16S2的P1^5，经过其内部的ADC模块模数转换后，STC15F2K16S2根据采集的电压值做进一步处理判断。

U2，R6，R7，R8和R9共同构成了一个自动调节增益的电压放大电路。Large_Gain和Small_Gain分别连接STC15F2K16S2的P1^3和P1^2。当STC15F2K16S2采集到的电压值处于正常范围，控制Large_Gain和Small_Gain均置低，第三三极管Q4和第二三极管Q3处于截止状态，此时增益为Gain=1+R9/R7。当STC15F2K16S2的采集到的电压值在0.6V上下浮动时，判断采集值过低，控制Large_Gain=1，Small_Gain=0，Q3导通，Q4截止，此时增益为Gain=1+R9/（R7//R6），增大了放大倍数。当STC15F2K16S2的采集到的电压值在5V上下浮动时，判断采集值过高，控制Large_Gain=0，Small_Gain=1，Q4导通，Q3截止，此时增益为Gain=1+（R9//R8）/R7，减小了放大倍数。如此一来，即可保证采样值的准确性和稳定性。

矿灯充电状态监测电路对放置在充电架上的矿灯进行充电，并且实时采集充电电压，根据采集的电压值来判断矿灯的充电状态（充满，正常充电或过流）。当出现过流现象时，电路会立刻切断，进行过流保护。

如图4所示，所述的光电检测电路，包括红外对管U3、第十一电阻R11、第十二电阻R12、第十三电阻R13、第十四电阻R14、第十五电阻R15、第四三极管Q5、第五三极管Q7和第一光敏三极管Q6；红外对管U3的1号、4号管脚接5V电压，2号管脚与第十一电阻R11的一端连接，3号管脚分别与第十二电阻R12的一端、第四三极管Q5的基极连接；第十一电阻R11的另一端、第十二电阻R12的另一端、第四三极管Q5的发射极接地；第四三极管Q5的集电极与第十三电阻R13的一端连接，还与控制电路STC15F2K16S2芯片U1的7号管脚P3.6/INT2/CCP1_2连接；第十三电阻R13的另一端接5 V电压；第一光敏三极管Q6一端接5 V电压，另一端分别与第十四电阻R14的一端、第五三极管Q7的基极连接；第十四电阻R14的另一端接地；第五三极管Q7的发射极接地，集电极与第十五电阻R15的一端连接，还与控制电路STC15F2K16S2芯片U1的7号管脚P3.7/INT3/CCP2连接；第十五电阻R15的另一端接5 V电压。

LEGHT_DET连接STC15F2K16S2的P3.6/INT2/CCP1_2，检测矿灯放置情况。GATE_DET连接STC15F2K16S2的P3.7/INT3/CCP2，检测柜门开闭状态。

U3为红外对管RP220，通电后左端的1号、2号管脚相连产生一束可见光，当有物体遮挡时，这束可见光会反射到3，4端口，使二者相连，此时，Q5导通使LEGHT_DET置低。当没有物体遮挡时，Q5截止，LEGHT_DET始终被置高。所以，当STC15F2K16S2检测到LEGHT_DET=0时判断有矿灯放置，LEGHT_DET=1时判断矿灯在使用。

Q6为光敏三极管，有光照射时导通。当有物体遮挡时，Q6截止，Q7截止，GATE_DET=1。当没有物体遮挡时，Q6导通，Q7导通，GATE_DET=0。所以，当STC15F2K16S2检测到GATE_DET=0时判断柜门打开，GATE_DET=1时判断柜门关闭。

如图5所示，J6为液晶显示屏。

如图6所示，所述的字库读取电路，包括GT30L32S4W字库芯片U4，第九电容C9、第十六电阻R16；GT30L32S4W字库芯片U4的1号、2号、5号、6号管脚分别与控制电路STC15F2K16S2芯片U1的29号、28号、26号、27号管脚连接，4号管脚接地，7号管脚与第十六电阻R16的一端连接，8号管脚接3.3V电压；第九电容C9的一端、第十六电阻R16的另一端接3.3V电压；第九电容C9的另一端接地。

STC15F2K16S2控制电路获取充电状态，充电时间和员工信息后，将对应汉字，数字和字符的模值从字库读取电路中读出后送入LCD显示电路中进行显示。

如图7所示，所述的语音播报电路，包括NY3P016BS芯片U5、第十电容C10和喇叭接口J7；NY3P016BS芯片U5的1号管脚与第十电容C10的一端连接，2号、3号管脚与喇叭接口J7连接，4号管脚接3.3V电压，5号引脚接地，6号、7号、8号管脚分别与控制电路STC15F2K16S2芯片U1的23号、22号、21号管脚连接；第十电容C10的另一端接地。

J7为喇叭插口。VOICE_IO2，VOICE_OKY1和VOICE_IO1连接STC15F2K16S2的P3^3，P3^4和P3^5。光电检测电路中的光敏电阻监测柜门的开闭，红外对管监测矿灯的放置。充电状态监测电路实时监测矿灯的充电电流。三者将实时的监测状态反馈给STC15F2K16S2控制电路，STC15F2K16S2控制电路根据三者监测的综合情况控制语音播报电路播报不同的内容。当光敏三极管检测到柜门打开超过2秒钟，STC15F2K16S2使VOICE_IO2=1，则语音播报电路立刻播报一次“今天您辛苦了”。当光敏三极管监测到柜门处于开门状态超过1分钟，STC15F2K16S2使VOICE_IO1=1，语音播报电路立即播报“请关好柜门”，直到柜门关闭才会停止。当红外对管监测到有矿灯放置，且充电状态监测电路未检测到电流，STC15F2K16S2使VOICE_OKY1=1，则会播报“矿灯未挂好，请重新放置”，直到矿灯处于正常放置状态才停止播报。

如图8所示，所述的TM卡读卡电路，包括DS9092芯片J5、第十七电阻R17和第十八电阻R18；DS9092芯片J5的1号管脚分别与第十七电阻R17的一端、控制电路STC15F2K16S2芯片U1的9号管脚P1.4/MISO/ADC4连接，2号管脚与第十八电阻R18的一端连接，3号管脚与控制电路STC15F2K16S2芯片U1的20号管脚P3.2/INT0连接。

如图9所示，所述的磁码锁电路，包括磁码锁插口J3、肖特基二极管D1、AO4466芯片U6；AO4466芯片1号、2号、3号管脚接地，4号管脚与控制电路STC15F2K16S2芯片U1的32号管脚P2.2/A10连接；磁码锁插口J3与AO4466芯片U6的5号、6号、7号、8号管脚连接；肖特基二极管D1设在磁码锁插口J3与AO4466芯片U6之间。

参照图8和图9。J5为TM卡读卡触头插口。J3为磁码锁插口。D1为肖特基二极管，在电磁锁断电时反向放电消除电磁锁的自感电动势。U6为N沟道mos管，用来控制电磁锁开关。TM_IO连接TC15F2K16S2的P1^4，LOCK_EN连接STC15F2K16S2的P2^2。TM卡ROM中内置64位密码，当TM卡与触头接触时，两者之间会自动完成配合并实现数据线与数据线、地线与地线之间的电气接触。TM卡读卡电路读取刷入TM卡中存储的密码，并将密码数据（即员工卡号）通过单数据总线TM_IO发送给STC15F2K16S2控制电路。STC15F2K16S2控制电路将读到的卡号和内部存储的卡号进行比对，如果一致则控制磁码锁开锁电路中的LOCK_EN=1，执行开锁操作，柜门打开。

如图10所示，所述的RS485通信电路，包括VP3082芯片U7、第十九电阻R19、第二十电阻R20、第二十一电阻R21和通信接口J2；VP3082芯片U7的1号管脚与控制电路STC15F2K16S2芯片U1的18号管脚P3.0/RxD/INT4/T2CLKO连接，2号和3号管脚与控制电路STC15F2K16S2芯片U1的17号管脚P4.0连接，4号管脚与控制电路STC15F2K16S2芯片U1的19号管脚P3.1/TxD/T2连接，4号管脚接地，6号管脚分别与第二十电阻R20的一端、通信接口J2连接，7号管脚与通信接口J2连接，8号管脚分别与第十九电阻R19的一端、5V电压连接；第十九电阻R19的另一端、第二十电阻R20的另一端、第二十一电阻R21的一端与通信接口J2连接；第二十一电阻R21的另一端接地。

J2为RS485通信电路与总线的连接接口A，B，从接口引出的两根数据线连接到485总线上。STC15F2K16S2控制电路接收到控制命令和员工信息后，依据命令执行相应的操作，主要包括向上位机发送实时监测的矿灯充电状态信息和接收数据后的反馈信息，并将员工信息存储至EEPROM中，以防掉电后信息丢失。其中员工信息包括姓名，柜号，单位，TM卡号和矿灯剩余充电次数。

如图11所示。电源电路分出4路电压值，分别为12V，6V，5V，3.3V。其中，12V电压供给磁码锁电路，6V供给矿灯充电电路，5V供给STC15F2K16S2控制电路，RS485通信电路，光电检测电路，TM卡读卡电路，LCD显示电路。3.3V供给字库读取电路6和语音播报电路。