小型戶外專業(yè)設(shè)備的多功能移動電源設(shè)計★

寇 允 馬文冰 王 禾 蘇雅欣 公姿懿 徐華東

(東北林業(yè)大學(xué)工程技術(shù)學(xué)院，黑龍江 哈爾濱 150040)

0 引言

移動電源，是一種便攜式充電器，通過自身內(nèi)部存儲的電能為手機(jī)等設(shè)備供電。移動電源的研究方向側(cè)重于日常生活使用與商用，以為手機(jī)等設(shè)備供電為目的，實現(xiàn)5 V的電壓輸出。目前，對移動電源的研究正在向多功能方向發(fā)展。谷建寧等[1]設(shè)計了一款將太陽能充電和手搖充電結(jié)合在一起的移動電源，另外增加LED照明等實用輔助功能。吳學(xué)軍等[2]設(shè)計了一款DC-DC升壓方式的移動電源，并選用低功耗的單片機(jī)作為核心控制系統(tǒng)。丁成功和王升鴻[3]設(shè)計了以電源管理芯片為核心部件的移動電源，通過USB接口或5 V適配器供電。還有些移動電源設(shè)有增大自身充電電流[4]的功能。

林業(yè)、土木、測繪等行業(yè)工作者在戶外長時間使用不同類型的設(shè)備(如手持GPS、數(shù)據(jù)采集器、水準(zhǔn)儀、木材含水率檢測儀等)，當(dāng)設(shè)備電量不足時，工作效率和測試時間將會受到嚴(yán)重影響。目前的移動電源無法為安裝電池的設(shè)備供電，且不能為采取充電方式的設(shè)備提供相應(yīng)的供電電壓。基于此，在分析戶外小型專業(yè)設(shè)備不同的供電方式以及輸入電壓要求的基礎(chǔ)上，實現(xiàn)多種方式的續(xù)航供電，根據(jù)戶外工作環(huán)境設(shè)計多種電路保護(hù)及移動電源整體保護(hù)措施，能夠便利戶外工作者工作，提高工作效率。

1 總體結(jié)構(gòu)設(shè)計

移動電源的總體結(jié)構(gòu)設(shè)計分為外部設(shè)計與控制電路設(shè)計兩部分。移動電源外部包括：鋰電池的USB充電接口、太陽能電池板、多功能輸出模組、直流接線柱輸出部分、外部實用結(jié)構(gòu)設(shè)計。移動電源內(nèi)部控制電路設(shè)計包括：電壓輸入部分、單片機(jī)控制系統(tǒng)、調(diào)壓電路部分、穩(wěn)壓電路部分、保護(hù)電路部分。

移動電源外部設(shè)計首先是鋰電池的USB接口充電，如圖1所示，通過充電口(9)進(jìn)行電量輸入，采用線性充電方式，通過移動電源內(nèi)部的市電整流模塊，使用降壓變壓器和整流電橋電路將220 V市電電壓降壓整流。此功能具有一定的普適性，適用于移動電源日常的電量輸入。太陽能電池板(12)吸收太陽光，通過內(nèi)部太陽能光發(fā)電模塊，將太陽能轉(zhuǎn)化為電能儲存于鋰電池中。該結(jié)構(gòu)針對林業(yè)相關(guān)工作者戶外工作時的特殊條件進(jìn)行設(shè)計，能夠?qū)崿F(xiàn)戶外充電、應(yīng)急供電。多功能輸出模組包含3.3 V電壓輸出口(6)，5 V電壓輸出口(7)，12 V電壓輸出口(8)，通過內(nèi)部5 V～12 V調(diào)壓電路、5 V～3.3 V調(diào)壓電路進(jìn)行調(diào)壓與輸出。該結(jié)構(gòu)電壓針對小型戶外林業(yè)儀器進(jìn)行設(shè)計，滿足大部分小型戶外林業(yè)儀器的需求。直流接線柱輸出部分通過電壓調(diào)節(jié)按鈕(13)控制開關(guān)電源拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)Sepic變換電路進(jìn)行3.3 V～12 V范圍內(nèi)的電壓選擇，并通過正接線柱(2)和負(fù)接線柱(3)進(jìn)行輸出。該結(jié)構(gòu)針對安裝電池的小型戶外林業(yè)儀器進(jìn)行設(shè)計。最后還包括數(shù)據(jù)線照通過照明燈(4)、數(shù)據(jù)線固定裝置(5)、液晶顯示器(11)和硅膠防護(hù)罩(14)等實用結(jié)構(gòu)。

移動電源內(nèi)部的控制電路中，電壓輸入部分包含太陽能發(fā)電模塊與市電整流模塊，實現(xiàn)電壓的輸入與不同電壓到固定5 V電壓的整流；單片機(jī)控制系統(tǒng)由STC89 C52 RC單片機(jī)與模數(shù)轉(zhuǎn)換模塊組成，實現(xiàn)對調(diào)壓電路的整體控制；調(diào)壓電路部分包含對多功能輸出模組進(jìn)行供電的5 V～12 V調(diào)壓電路模塊與5 V～3.3 V調(diào)壓電路模塊，以及為直流接線柱手動調(diào)壓提供支持的可調(diào)電路部分；穩(wěn)壓電路采用LM2596芯片，起到整體穩(wěn)壓的效果；保護(hù)電路部分主要包括電池的過沖、過放保護(hù)電路，防止電池變形和漏液等現(xiàn)象。

2 移動電源控制電路設(shè)計

2.1 電壓輸入部分

2.1.1太陽能光發(fā)電

半導(dǎo)體的P-N層交界處存在電子和空穴的濃度差，經(jīng)過太陽光的照射，會產(chǎn)生新的空穴—電子對，同時在內(nèi)電場力的作用下，N區(qū)空穴向P區(qū)漂移，P區(qū)電子向N區(qū)漂移，使N區(qū)和P區(qū)分別累積大量的負(fù)電荷和正電荷，P-N結(jié)上出現(xiàn)電勢差，接通線路后產(chǎn)生電流[5,6]。

當(dāng)光線條件適宜時，通過太陽能電池板吸收太陽光，將太陽能轉(zhuǎn)化為電能[7,8]。由于太陽能輸出的電壓不能直接應(yīng)用于林業(yè)設(shè)備，故將9 V的電壓調(diào)整為5 V，電壓轉(zhuǎn)換電路如圖2所示。

三極管Q2為共射放大，其導(dǎo)通的時候，高頻變壓器T1電壓為①正②負(fù)，變壓器兩端電壓方向相反，即③負(fù)④正，此時整流二極管D1左端為負(fù)，處于截止?fàn)顟B(tài)，電池不進(jìn)行充電。三極管Q1也為共射放大，其截止時，變壓器兩端電壓方向相同，即③正④負(fù)。整流二極管D1處于導(dǎo)通狀態(tài)，通過電容C3整流，此方法能夠使蓄電池持續(xù)、穩(wěn)壓、穩(wěn)流地蓄電[9-12]。

培育楊樹大苗的苗期管理工作包括中耕除草、灌水、追肥、防治病蟲害和整形修剪等。移植后適時灌水是提高成活率的關(guān)鍵。生長期內(nèi)結(jié)合灌水及時進(jìn)行中耕和追肥，同時要注意及時發(fā)現(xiàn)和防治苗木病蟲害，對于楊樹大苗，整形修剪是苗期管理的關(guān)鍵，特別是截干移植的木。整形修剪的技術(shù)有以下幾種：

2.1.2市電整流

市電模塊采用降壓變壓器和整流電橋結(jié)合的方式，將220 V市電轉(zhuǎn)變?yōu)檩^低的直流電，降壓變壓器已降得的交流電壓峰峰值為28.736 V，再通過整流電橋把交流電轉(zhuǎn)化為直流電，此時電壓整流為8 V。然后經(jīng)RC濾波電路，以減小交流成分，濾去整流過后輸出電壓的波紋，將直流電壓送入2個串聯(lián)的LM7824三端穩(wěn)壓管，使其輸出穩(wěn)定的5 V直流電壓，最終連至保護(hù)電路部分[13]。

2.2 單片機(jī)控制系統(tǒng)

單片機(jī)控制系統(tǒng)采用低功耗、高性能CMOS8位STC89 C52 RC單片機(jī)，包含8k字節(jié)Flash，512字節(jié)RAM，32位I/O 口線，內(nèi)置4KB EEPROM，MAX810復(fù)位電路，3個16位定時器/計數(shù)器，4個外部中斷，一個能兼容傳統(tǒng)51的5向量2級中斷結(jié)構(gòu)的7向量4級中斷結(jié)構(gòu)以及全雙工串行口[17]。由于外部時鐘方式電路繁瑣，因而使用自激振蕩方式，時鐘電路引腳XTAL1與XTAL2外接石英晶振使內(nèi)部振蕩器按石英晶振頻率12 MHz振蕩，產(chǎn)生時鐘信號；C52單片機(jī)內(nèi)、外程序存儲器均需要CPU的訪問，因而允許輸入端EA接高電平，用于打開總中斷開關(guān)；雙向I/O口接上拉電阻后與ADC0808芯片輸出口相連，用于輸出相應(yīng)數(shù)字信號；雙向I/O口P2.0輸出PWM方波，通過由IR2101芯片組成的驅(qū)動電路控制可調(diào)電壓電路中開關(guān)管IGBT的通斷，從而實現(xiàn)電壓的調(diào)節(jié)。

但STC89 C52 RC單片機(jī)中不包含A/D轉(zhuǎn)換模塊，需外加模數(shù)轉(zhuǎn)換模塊將輸入電壓轉(zhuǎn)換為數(shù)字信號，使單片機(jī)能夠讀取數(shù)據(jù)信息，并對外部電路進(jìn)行控制。A/D轉(zhuǎn)換部分采用ADC0808芯片，將模擬信號轉(zhuǎn)換為數(shù)字信號傳給單片機(jī)。ADC0808芯片是一個含8位A/D轉(zhuǎn)換器，8路多路開關(guān)，采用逐次逼近的轉(zhuǎn)換芯片。其精度為1/2LSB，在溫度為25 ℃時功耗為875 mW，轉(zhuǎn)換時間取決于芯片時鐘頻率，當(dāng)CLK=500 kHz時，TCONV=128 us。在本設(shè)計中，最小系統(tǒng)40管腳接5 V電源，為數(shù)字電路提供電壓，20管腳接地，提供地電平；P0引腳接上拉電阻再驅(qū)動數(shù)模轉(zhuǎn)換模塊，用于控制數(shù)模間的相互轉(zhuǎn)換；X1，X2引腳接石英晶體振蕩器，用于為單片機(jī)提供工作的時鐘信號；P1口分別連接3個電壓轉(zhuǎn)換模塊；P21口與復(fù)位引腳相連；P3.5T1口外接USB接口;P3.6/3.7外部RAM讀/寫存儲器分別通過或非門與數(shù)模轉(zhuǎn)換芯片相連。單片機(jī)引腳如圖3所示，轉(zhuǎn)換模塊電路如圖4所示。

2.3 調(diào)壓電路部分

2.3.15 V～12 V調(diào)壓電路部分

2.3.25 V～3.3 V調(diào)壓部分

2.3.3可調(diào)電壓部分

2.4 穩(wěn)壓電路部分

穩(wěn)壓電路中采用LM2596芯片。LM2596是常用的大電流開關(guān)穩(wěn)壓芯片，最大輸出電流可達(dá)3 A，且在輸出大電流時產(chǎn)生的熱量比線性穩(wěn)壓IC要小得多。LM2596的5管腳為關(guān)斷控制端，低電平有效。在正常工作時，將5管腳接地。穩(wěn)壓電路后連接負(fù)載檢測電路，當(dāng)負(fù)載停止工作時，檢測電路輸出高電平，送至LM2596的5腳，使其輸出端關(guān)閉，從而使整個電路處于超低功耗狀態(tài)，靜態(tài)耗電僅80 uA，從而使整個電路更加穩(wěn)定。1管腳通過電解電容連接5 V輸入電壓，為芯片提供電壓，3管腳與5管腳共地，提供地電平，2管腳通過反接二極管和電解電容穩(wěn)定電壓，從而起到整體穩(wěn)壓的效果，4管腳分別與輸入、輸出端構(gòu)成反饋網(wǎng)絡(luò)以維持穩(wěn)壓電路整體的穩(wěn)定性。穩(wěn)壓電路輸出端可采用USB母口輸出或接線柱輸出，以滿足各種不同設(shè)備接口需求。

2.5 保護(hù)電路部分

2.5.1過充保護(hù)電路

過充保護(hù)電路連接在調(diào)壓電路部分，用于測試調(diào)壓電路的電流。電壓輸入部分通過接觸器K1的常閉接點(diǎn)為蓄電池充電，當(dāng)過充保護(hù)電路中的電池電壓大于過壓定值時，接觸器K1線圈M吸合，將斷開常閉接點(diǎn)，進(jìn)而斷開光伏市電輸入模塊與電池的聯(lián)系，實現(xiàn)過充保護(hù)，電路如圖6所示。

2.5.2過放保護(hù)電路

蓄電池電壓大于欠壓定值時，接觸器K2線圈M吸合，將常開接點(diǎn)閉合，為輸出部分提供直流電源，當(dāng)蓄電池電壓低于欠壓定值時接觸器線圈M不吸合，常開接點(diǎn)恢復(fù)斷開狀態(tài)，蓄電池停止向輸出部分提供直流電源，實現(xiàn)過放保護(hù)[16]。

3 軟件模擬仿真與驗證

電路采用Multisim14.0進(jìn)行仿真，由此驗證電路的正確性。220 V正弦交流電經(jīng)變壓器隔離，之后流過單相整流橋，輸入電壓u2在正半周的wt=0之后，整流電壓ud=u2，經(jīng)過導(dǎo)通角θ時間后ud下降直至反向電壓正半周wt=0，成為正相偏置的直流電壓，輸入的交流電波形為標(biāo)準(zhǔn)正弦波，整流后變?yōu)橹淮嬖谟谡胼S的半波；經(jīng)過電容濾波后，變?yōu)榉€(wěn)定的恒定直流輸出，電壓波形為一條平行于x軸的穩(wěn)定直線。太陽能經(jīng)光電轉(zhuǎn)換后的電壓為9 V，為使其持續(xù)穩(wěn)定地應(yīng)用于林業(yè)設(shè)備，采用共射放大器和高頻變壓器將降壓后的電壓存儲于蓄電池中，其輸出與市電整流結(jié)果相同，二者波形均如圖7所示。

5 V～3.3 V，5 V～12 V和可調(diào)電壓波形類似，輸入電壓為恒定5 V平行于x軸的直流電，輸出的電壓都為恒定的直流電壓，波形均為平行于x軸的直線，幅值分別為3.3 V和12 V。由于前兩種恒定調(diào)壓方式較簡單，因此只放入較復(fù)雜的可調(diào)電壓波形。觸發(fā)脈沖到來時，門極觸發(fā)需要時間，因此在觸發(fā)剛到來時電壓波形的起始出現(xiàn)了短暫的上升沿，之后上升到預(yù)期輸出電壓，如7.5 V，之后輸出電壓穩(wěn)定在7.5 V，波形為平行于x軸的直線，如圖8所示，通過單片機(jī)主控，輸出PWM波，但單片機(jī)輸出的方波不能夠直接驅(qū)動場效應(yīng)管，需要經(jīng)過驅(qū)動電路后再控制場效應(yīng)管，調(diào)整占空比從而調(diào)節(jié)IGBT通斷時間而實現(xiàn)調(diào)壓。

220 V正弦交流電經(jīng)過變壓器降壓后，已降得的電壓峰峰值為28.736 V，之后流過單相整流橋，成為正相偏置的直流電壓；再經(jīng)過電容濾波，變?yōu)榉€(wěn)定的恒定直流輸出。太陽能經(jīng)光電轉(zhuǎn)換電路后，輸出的同樣也為穩(wěn)定的恒定直流輸出，波形符合預(yù)期設(shè)定要求。

4 結(jié)語

本文所述的一種小型戶外專業(yè)設(shè)備的多功能移動電源系統(tǒng)設(shè)計，設(shè)計了多功能輸出模組與直流接線柱輸出部分以及多種實用裝置,實現(xiàn)太陽能光發(fā)電輸入電壓8 V與市電220 V調(diào)整到穩(wěn)定的直流5 V電壓輸入。在調(diào)壓電路上，將5 V電壓采取三端線性降壓芯片AMS1117調(diào)整到3.3 V穩(wěn)定輸出、采取同相放大器放大電路調(diào)整到12 V的升壓輸出，并通過STC89 C52 RC單片機(jī)與模數(shù)轉(zhuǎn)換模塊構(gòu)成的單片機(jī)控制系統(tǒng)，實現(xiàn)3.3 V～12 V范圍內(nèi)的調(diào)壓輸出。為不同戶外小型林業(yè)設(shè)備提供3.3 V和12 V的電壓供給，同時通過直流接線柱，實現(xiàn)3.3 V～12 V范圍內(nèi)可調(diào)的電壓輸出，實現(xiàn)了給使用電池的設(shè)備供電，為不同充電方式的設(shè)備持續(xù)供電實現(xiàn)可能。同時，設(shè)置穩(wěn)壓電路以及保護(hù)電路部分實現(xiàn)穩(wěn)定安全的輸出。通過仿真模擬可調(diào)電壓部分與整流部分的實驗，驗證了本設(shè)計方案的可行性和合理性，可以推廣使用。