CN113225062B - 一种低成本单按键开关机电路 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种低成本单按键开关机电路，包括按键检测单元、开关设置单元和电荷泵单元，按键检测单元的输出端电连接至开关设置单元的控制输入端，开关设置单元的控制输出端电连接至电荷泵单元的电压输入端，按键检测单元被配置为接受单按键输入将检测端设置成低电平信号送至控制设备并且输出低电平信号至开关设置单元，开关设置单元被配置成根据从按键检测单元接收到的输出信号和/或根据从控制设备接收到的设置端信号使电池电压端与电荷泵单元的电压输入端导通或断开，电荷泵单元被配置成将开关设置单元输出的电压通过电荷泵技术转换为稳定的电压输出为控制设备供电。本发明结构简单，硬件成本低，可以简单方便地控制无人机电源。

Description

一种低成本单按键开关机电路
技术领域
本发明涉及开关机电路技术领域，尤其涉及一种低成本单按键开关机电路。
背景技术
无人驾驶飞机简称“无人机”，是利用无线电遥控设备和自备的程序控制装置操纵的不载人飞机。四轴无人机有着和直升机一样的稳定悬停能力，其一定的体量和机动性使其在目前的消费级市场中有着愈发广泛的应用。在四轴无人机中，需要开关机电路来控制电路的电源。开关机电路一般为机械开关，开关机都需要手动控制，使用十分不方便，而且机械开关使用寿命短。市面上也有一些使用单按键的开关机电路，但通常电路复杂，成本高。
因此，本领域的技术人员致力于开发一种低成本单按键开关机电路，结构简单，硬件成本低，可以简单方便地控制无人机电源。
发明内容
有鉴于现有技术的上述缺陷，本发明所要解决的技术问题是如何简化开关机电路的结构，降低硬件成本。
为实现上述目的，本发明提供了一种低成本单按键开关机电路，包括按键检测单元、开关设置单元和电荷泵单元，所述按键检测单元具有电源电压端、检测端、输出端，所述开关设置单元具有控制输入端、设置端、电池电压端、控制输出端，所述电荷泵单元具有电压输入端和电压输出端，所述按键检测单元的所述电源电压端外接直流电源，所述按键检测单元的所述输出端电连接至所述开关设置单元的所述控制输入端，所述开关设置单元的所述电池电压端外接电池，所述开关设置单元的所述控制输出端电连接至所述电荷泵单元的电压输入端，所述按键检测单元被配置为接受单按键输入将所述检测端设置成低电平信号送至控制设备并且输出低电平信号至所述开关设置单元的所述控制输入端，所述开关设置单元被配置成根据从所述按键检测单元接收到的输出信号和/或根据从所述控制设备接收到的所述设置端信号使所述电池电压端与所述电荷泵单元的所述电压输入端导通，所述电荷泵单元被配置成可将所述开关设置单元输出的电压通过电荷泵技术转换为稳定的电压输出为所述控制设备供电。
进一步地，所述控制设备包括微控制器、数字信号处理器、中央处理器、现场可编程门阵列和复杂可编程逻辑器件中的一种或多种。
进一步地，所述按键检测单元包括第一电阻、第二电阻、第三电阻、第一二极管和按键开关，所述第一电阻的一端和所述第二电阻的一端并接与所述第一二极管的阳极电连接，所述第一电阻的另一端作为所述检测端送至所述控制设备，所述第二电阻的另一端作为所述电源电压端外接所述直流电源，所述第三电阻的一端和所述第一二极管的阴极并接作为所述输出端电连接至所述开关设置单元的所述控制输入端，所述第三电阻的另一端经所述按键开关接地。
进一步地，所述开关设置单元包括第四电阻、第五电阻、第六电阻、第二二极管、第一晶体管和第二晶体管，所述第一晶体管为PMOS管，所述第二晶体管为NPN三极管，所述第四电阻的一端和所述第五电阻的一端并接与所述第二晶体管的基极电连接，所述第五电阻的另一端作为所述设置端从所述控制设备接收设置信号，所述第四电阻的另一端和所述第二晶体管的发射极并接接地，所述第二二极管的阴极作为控制输入端电连接至所述按键检测单元的所述输出端，所述第二二极管的阳极、所述第二晶体管的集电极、所述第六电阻的一端并接与所述第一晶体管的栅极电连接，所述第六电阻的另一端和所述第一晶体管的漏极并接作为电池电压端外接所述电池，所述第一晶体管的源极作为所述控制输出端电连接至所述电荷泵单元的电压输入端。
进一步地，所述电荷泵单元包括电荷泵芯片、第一储存电容、第二储存电容和飞驰电容，所述电荷泵芯片的输入端和控制端并接与所述第一储存电容的正极电连接作为所述电压输入端，所述电荷泵芯片的电容正极端和电容负极端电连接至所述飞驰电容的两端，所述电荷泵芯片的输出端和所述第二储存电容的正极并接作为所述电压输出端，所述电荷泵芯片的接地端接地。
进一步地，所述电池电压在3.5V到4.2V之间。
进一步地，所述直流电源电压为3.3V。
进一步地，所述电荷泵芯片为HX4004A型芯片。
进一步地，所述第一储存电容和第二储存电容为钽电解电容。
进一步地，所述第一储存电容和第二储存电容的电容值不大于47μF。
本发明的有益技术效果为：
1、可采用软关机技术，通过MCU输出高低电平，从而控制MOS管导通关闭来控制开关机。
2、开关机电路结构简单，降低了硬件成本。
3、MCU通过电路控制电源的开关，提高了开关机的可靠性。
以下将结合附图对本发明的构思、具体结构及产生的技术效果作进一步说明，以充分地了解本发明的目的、特征和效果。
附图说明
图1是本发明的一个较佳实施例的电路示意图。
具体实施方式
以下参考说明书附图介绍本发明的优选实施例，使其技术内容更加清楚和便于理解。本发明可以通过许多不同形式的实施例来得以体现，本发明的保护范围并非仅限于文中提到的实施例。
实施例
如图1所示，一种低成本单按键开关机电路，包括按键检测单元1、开关设置单元2和电荷泵单元3。按键检测单元1具有电源电压端VDD、检测端TC和输出端，开关设置单元2具有控制输入端、设置端SET、电池电压端VBAT、控制输出端，电荷泵单元3具有电压输入端和电压输出端。
按键检测单元1的电源电压端VDD外接直流电源，优选地，直流电源电压为+3.3V。按键检测单元1的输出端电连接至开关设置单元2的控制输入端，开关设置单元2的控制输出端电连接至电荷泵单元3的电压输入端。
按键检测单元1接受单按键输入将检测端TC设置成低电平信号，送至控制设备，并且输出低电平信号至开关设置单元2，开关设置单元2根据从按键检测单元1接收到的输出信号和/或根据从控制设备接收到的设置端SET信号使电池电压端VBAT与电荷泵单元3的电压输入端导通或断开，电荷泵单元3可将开关设置单元2输出的电压通过电荷泵技术转换为稳定的电压输出为控制设备供电。
本实施例中控制设备为微控制器(MCU)，任选地，控制设备还可以包括数字信号处理器(DSP)、中央处理器(CPU)、现场可编程门阵列(FPGA)和复杂可编程逻辑器件(CPLD)等。
按键检测单元1包括第一电阻R1、第二电阻R2、第三电阻R3、第一二极管D1和按键开关S1，第一电阻R1的一端和第二电阻R2的一端并接与第一二极管D1的阳极电连接，第一电阻R1的另一端作为检测端TC送至控制设备，第二电阻R2的另一端作为电源电压端VDD外接直流电源，第三电阻R3的一端和第一二极管D1的阴极并接作为输出端电连接至开关设置单元2的控制输入端，第三电阻R3的另一端经按键开关S1接地。
开关设置单元2包括第四电阻R4、第五电阻R5、第六电阻R6、第二二极管D2、第一晶体管Q1和第二晶体管Q2，第一晶体管Q1为2301型PMOS管，第二晶体管Q2为S8050型三NPN极管，第五电阻R5的另一端作为设置端SET从控制设备接收设置信号，第四电阻R4的一端和第五电阻R5的一端并接与第二晶体管Q2的基极B电连接，第四电阻R4的另一端和第二晶体管Q2的发射极E并接接地，第二二极管D2的阴极作为控制输入端电连接至按键检测单元1的输出端，第二二极管D2的阳极、第二晶体管Q2的集电极C、第六电阻R6的一端并接与第一晶体管Q1的栅极G电连接，第六电阻R6的另一端和第一晶体管Q1的漏极D并接作为电池电压端VBAT外接电池，第一晶体管Q1的源极S作为控制输出端电连接至电荷泵单元3的电压输入端。
电荷泵单元3包括电荷泵芯片U1(HX4004A)、第一储存电容TC1、第二储存电容TC2和飞驰电容C1，电荷泵芯片U1的输入端Vin和控制端EN并接与第一储存电容TC1的正极电连接作为电压输入端，电荷泵芯片U1的电容正极端C+和电容负极端C-电连接至飞驰电容C1的两端，电荷泵芯片U1的输出端Vout和第二储存电容TC2的正极并接作为电压输出端，电荷泵芯片U1的接地端GND接地。
优选地，第一二极管D1和第二二极管D2为小型高速开关二极管(1N4148)。
优选地，电池采用锂电池，电压在3.5V到4.2V之间。
优选地，第一储存电容TC1和第二储存电容TC2为钽电解电容。
本实施例的开关机电路的操作方法如下：
1、按键开关S1按下，D2导通，将PMOS管Q1的栅极G的电位拉低，使得Q1的DS导通，从而将VBAT(电池充满电时为+4.2V)接通至U1，U1输出+5V，为无人机上的MCU提供电源。
2、在按键开关S1按下的这段时间内，MCU工作，使得SET处输出高电平，Q2的CE导通，将Q1的栅极G的电位拉低，使得Q1的DS导通，从而使U1输出+5V，MCU电源继续导通工作。
3、当按键开关S1松开时，MCU控制SET继续输出高电平，还能保持电源继续导通工作，至此，步骤1、2、3实现了一键开机。
4、MCU控制SET输出低电平，Q2的CE截止，将Q1的栅极G的电位拉高，使得Q1的DS截止，这时，VBAT无法输出到U1的输入端Vin，使得MCU电源断开不工作，至此实现了软件关机。
5、在MCU电源导通期间，按键开关S1按下，D1导通，TC处检测到低电平，这时，MCU控制SET输出低电平，Q2截止，然后Q1截止，MCU电源断开供电，至此实现一键关机。
MCU电源系统上电时间需要尽量短，因此TC1和TC2推荐不大于47μF，这样可保证S1在按下的期间，MCU能够迅速工作，使得SET输出高电平，MCU电源得以自锁。
本发明的开关机电路设计，结合了软硬件开关机方式各自的优点，特别是按键检测单元仅包括三个电阻、一个二极管，节约了硬件成本。
按键检测单元的工作原理：
1、按键开关S1未按下时，D1截止，TC检测到高电平。
2、按键开关S1按下时，D1导通，TC检测到低电平。
3、R1、R3的电阻值是1kΩ，起到防止信号干扰和消除按键开关S1接点抖动的作用。
4、D2起到隔离作用，防止按键检测单元对开关设置单元产生影响。
以上详细描述了本发明的较佳具体实施例。应当理解，本领域的普通技术无需创造性劳动就可以根据本发明的构思作出诸多修改和变化。因此，凡本技术领域中技术人员依本发明的构思在现有技术的基础上通过逻辑分析、推理或者有限的实验可以得到的技术方案，皆应在由权利要求书所确定的保护范围内。

Claims (8)

1.一种低成本单按键开关机电路，其特征在于，包括按键检测单元、开关设置单元和电荷泵单元，所述按键检测单元具有电源电压端、检测端、输出端，所述开关设置单元具有控制输入端、设置端、电池电压端、控制输出端，所述电荷泵单元具有电压输入端和电压输出端，所述按键检测单元的所述电源电压端外接直流电源，所述按键检测单元的所述输出端电连接至所述开关设置单元的所述控制输入端，所述开关设置单元的所述电池电压端外接电池，所述开关设置单元的所述控制输出端电连接至所述电荷泵单元的电压输入端，所述按键检测单元被配置为接受单按键输入将所述检测端设置成低电平信号送至控制设备并且输出低电平信号至所述开关设置单元的所述控制输入端，所述开关设置单元被配置成根据从所述按键检测单元接收到的输出信号和/或根据从所述控制设备接收到的所述设置端信号使所述电池电压端与所述电荷泵单元的所述电压输入端导通或断开，所述电荷泵单元被配置成将所述开关设置单元输出的电压通过电荷泵技术转换为稳定的电压输出为所述控制设备供电；所述按键检测单元包括第一电阻、第二电阻、第三电阻、第一二极管和按键开关，所述第一电阻的一端和所述第二电阻的一端并接与所述第一二极管的阳极电连接，所述第一电阻的另一端作为所述检测端送至所述控制设备，所述第二电阻的另一端作为所述电源电压端外接所述直流电源，所述第三电阻的一端和所述第一二极管的阴极并接作为所述输出端电连接至所述开关设置单元的所述控制输入端，所述第三电阻的另一端经所述按键开关接地；所述开关设置单元包括第四电阻、第五电阻、第六电阻、第二二极管、第一晶体管和第二晶体管，所述第一晶体管为PMOS管，所述第二晶体管为NPN三极管，所述第四电阻的一端和所述第五电阻的一端并接与所述第二晶体管的基极电连接，所述第五电阻的另一端作为所述设置端从所述控制设备接收设置信号，所述第四电阻的另一端和所述第二晶体管的发射极并接接地，所述第二二极管的阴极作为控制输入端电连接至所述按键检测单元的所述输出端，所述第二二极管的阳极、所述第二晶体管的集电极、所述第六电阻的一端并接与所述第一晶体管的栅极电连接，所述第六电阻的另一端和所述第一晶体管的漏极并接作为电池电压端外接所述电池，所述第一晶体管的源极作为所述控制输出端电连接至所述电荷泵单元的电压输入端。
2.如权利要求1所述的低成本单按键开关机电路，其特征在于，所述控制设备包括微控制器、数字信号处理器、中央处理器、现场可编程门阵列和复杂可编程逻辑器件中的一种或多种。
3.如权利要求1所述的低成本单按键开关机电路，其特征在于，所述电荷泵单元包括电荷泵芯片、第一储存电容、第二储存电容和飞驰电容，所述电荷泵芯片的输入端和控制端并接与所述第一储存电容的正极电连接作为所述电压输入端，所述电荷泵芯片的电容正极端和电容负极端电连接至所述飞驰电容的两端，所述电荷泵芯片的输出端和所述第二储存电容的正极并接作为所述电压输出端，所述电荷泵芯片的接地端接地。
4.如权利要求1所述的低成本单按键开关机电路，其特征在于，所述电池电压在3.5V到4.2V之间。
5.如权利要求1所述的低成本单按键开关机电路，其特征在于，所述直流电源电压为3.3V。
6.如权利要求3所述的低成本单按键开关机电路，其特征在于，所述电荷泵芯片为HX4004A型芯片。
7.如权利要求3所述的低成本单按键开关机电路，其特征在于，所述第一储存电容和第二储存电容为钽电解电容。
8.如权利要求3所述的低成本单按键开关机电路，其特征在于，所述第一储存电容和第二储存电容的电容值不大于47μF。
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