小型戶外專業設備的多功能移動電源設計★

寇 允 馬文冰 王 禾 蘇雅欣 公姿懿 徐華東

(東北林業大學工程技術學院，黑龍江 哈爾濱 150040)

0 引言

移動電源，是一種便攜式充電器，通過自身內部存儲的電能為手機等設備供電。移動電源的研究方向側重于日常生活使用與商用，以為手機等設備供電為目的，實現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展。谷建寧等[1]設計了一款將太陽能充電和手搖充電結合在一起的移動電源，另外增加LED照明等實用輔助功能。吳學軍等[2]設計了一款DC-DC升壓方式的移動電源，并選用低功耗的單片機作為核心控制系統。丁成功和王升鴻[3]設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。還有些移動電源設有增大自身充電電流[4]的功能。

林業、土木、測繪等行業工作者在戶外長時間使用不同類型的設備(如手持GPS、數據采集器、水準儀、木材含水率檢測儀等)，當設備電量不足時，工作效率和測試時間將會受到嚴重影響。目前的移動電源無法為安裝電池的設備供電，且不能為采取充電方式的設備提供相應的供電電壓?；诖?，在分析戶外小型專業設備不同的供電方式以及輸入電壓要求的基礎上，實現多種方式的續航供電，根據戶外工作環境設計多種電路保護及移動電源整體保護措施，能夠便利戶外工作者工作，提高工作效率。

1 總體結構設計

移動電源的總體結構設計分為外部設計與控制電路設計兩部分。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、外部實用結構設計。移動電源內部控制電路設計包括：電壓輸入部分、單片機控制系統、調壓電路部分、穩壓電路部分、保護電路部分。

移動電源外部設計首先是鋰電池的USB接口充電，如圖1所示，通過充電口(9)進行電量輸入，采用線性充電方式，通過移動電源內部的市電整流模塊，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，通過內部太陽能光發電模塊，將太陽能轉化為電能儲存于鋰電池中。該結構針對林業相關工作者戶外工作時的特殊條件進行設計，能夠實現戶外充電、應急供電。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)，通過內部5 V～12 V調壓電路、5 V～3.3 V調壓電路進行調壓與輸出。該結構電壓針對小型戶外林業儀器進行設計，滿足大部分小型戶外林業儀器的需求。直流接線柱輸出部分通過電壓調節按鈕(13)控制開關電源拓撲結構Sepic變換電路進行3.3 V～12 V范圍內的電壓選擇，并通過正接線柱(2)和負接線柱(3)進行輸出。該結構針對安裝電池的小型戶外林業儀器進行設計。最后還包括數據線照通過照明燈(4)、數據線固定裝置(5)、液晶顯示器(11)和硅膠防護罩(14)等實用結構。

移動電源內部的控制電路中，電壓輸入部分包含太陽能發電模塊與市電整流模塊，實現電壓的輸入與不同電壓到固定5 V電壓的整流；單片機控制系統由STC89 C52 RC單片機與模數轉換模塊組成，實現對調壓電路的整體控制；調壓電路部分包含對多功能輸出模組進行供電的5 V～12 V調壓電路模塊與5 V～3.3 V調壓電路模塊，以及為直流接線柱手動調壓提供支持的可調電路部分；穩壓電路采用LM2596芯片，起到整體穩壓的效果；保護電路部分主要包括電池的過沖、過放保護電路，防止電池變形和漏液等現象。

2 移動電源控制電路設計

2.1 電壓輸入部分

2.1.1太陽能光發電

半導體的P-N層交界處存在電子和空穴的濃度差，經過太陽光的照射，會產生新的空穴—電子對，同時在內電場力的作用下，N區空穴向P區漂移，P區電子向N區漂移，使N區和P區分別累積大量的負電荷和正電荷，P-N結上出現電勢差，接通線路后產生電流[5,6]。

當光線條件適宜時，通過太陽能電池板吸收太陽光，將太陽能轉化為電能[7,8]。由于太陽能輸出的電壓不能直接應用于林業設備，故將9 V的電壓調整為5 V，電壓轉換電路如圖2所示。

三極管Q2為共射放大，其導通的時候，高頻變壓器T1電壓為①正②負，變壓器兩端電壓方向相反，即③負④正，此時整流二極管D1左端為負，處于截止狀態，電池不進行充電。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。整流二極管D1處于導通狀態，通過電容C3整流，此方法能夠使蓄電池持續、穩壓、穩流地蓄電[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鍵。生長期內結合灌水及時進行中耕和追肥，同時要注意及時發現和防治苗木病蟲害，對于楊樹大苗，整形修剪是苗期管理的關鍵，特別是截干移植的木。整形修剪的技術有以下幾種：

2.1.2市電整流

市電模塊采用降壓變壓器和整流電橋結合的方式，將220 V市電轉變為較低的直流電，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化為直流電，此時電壓整流為8 V。然后經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個串聯的LM7824三端穩壓管，使其輸出穩定的5 V直流電壓，最終連至保護電路部分[13]。

2.2 單片機控制系統

單片機控制系統采用低功耗、高性能CMOS8位STC89 C52 RC單片機，包含8k字節Flash，512字節RAM，32位I/O 口線，內置4KB EEPROM，MAX810復位電路，3個16位定時器/計數器，4個外部中斷，一個能兼容傳統51的5向量2級中斷結構的7向量4級中斷結構以及全雙工串行口[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外接石英晶振使內部振蕩器按石英晶振頻率12 MHz振蕩，產生時鐘信號；C52單片機內、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；雙向I/O口接上拉電阻后與ADC0808芯片輸出口相連，用于輸出相應數字信號；雙向I/O口P2.0輸出PWM方波，通過由IR2101芯片組成的驅動電路控制可調電壓電路中開關管IGBT的通斷，從而實現電壓的調節。

但STC89 C52 RC單片機中不包含A/D轉換模塊，需外加模數轉換模塊將輸入電壓轉換為數字信號，使單片機能夠讀取數據信息，并對外部電路進行控制。A/D轉換部分采用ADC0808芯片，將模擬信號轉換為數字信號傳給單片機。ADC0808芯片是一個含8位A/D轉換器，8路多路開關，采用逐次逼近的轉換芯片。其精度為1/2LSB，在溫度為25 ℃時功耗為875 mW，轉換時間取決于芯片時鐘頻率，當CLK=500 kHz時，TCONV=128 us。在本設計中，最小系統40管腳接5 V電源，為數字電路提供電壓，20管腳接地，提供地電平；P0引腳接上拉電阻再驅動數模轉換模塊，用于控制數模間的相互轉換；X1，X2引腳接石英晶體振蕩器，用于為單片機提供工作的時鐘信號；P1口分別連接3個電壓轉換模塊；P21口與復位引腳相連；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模轉換芯片相連。單片機引腳如圖3所示，轉換模塊電路如圖4所示。

2.3 調壓電路部分

2.3.15 V～12 V調壓電路部分

2.3.25 V～3.3 V調壓部分

2.3.3可調電壓部分

2.4 穩壓電路部分

穩壓電路中采用LM2596芯片。LM2596是常用的大電流開關穩壓芯片，最大輸出電流可達3 A，且在輸出大電流時產生的熱量比線性穩壓IC要小得多。LM2596的5管腳為關斷控制端，低電平有效。在正常工作時，將5管腳接地。穩壓電路后連接負載檢測電路，當負載停止工作時，檢測電路輸出高電平，送至LM2596的5腳，使其輸出端關閉，從而使整個電路處于超低功耗狀態，靜態耗電僅80 uA，從而使整個電路更加穩定。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定電壓，從而起到整體穩壓的效果，4管腳分別與輸入、輸出端構成反饋網絡以維持穩壓電路整體的穩定性。穩壓電路輸出端可采用USB母口輸出或接線柱輸出，以滿足各種不同設備接口需求。

2.5 保護電路部分

2.5.1過充保護電路

過充保護電路連接在調壓電路部分，用于測試調壓電路的電流。電壓輸入部分通過接觸器K1的常閉接點為蓄電池充電，當過充保護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，進而斷開光伏市電輸入模塊與電池的聯系，實現過充保護，電路如圖6所示。

2.5.2過放保護電路

蓄電池電壓大于欠壓定值時，接觸器K2線圈M吸合，將常開接點閉合，為輸出部分提供直流電源，當蓄電池電壓低于欠壓定值時接觸器線圈M不吸合，常開接點恢復斷開狀態，蓄電池停止向輸出部分提供直流電源，實現過放保護[16]。

3 軟件模擬仿真與驗證

電路采用Multisim14.0進行仿真，由此驗證電路的正確性。220 V正弦交流電經變壓器隔離，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，經過導通角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準正弦波，整流后變為只存在于正半軸的半波；經過電容濾波后，變為穩定的恒定直流輸出，電壓波形為一條平行于x軸的穩定直線。太陽能經光電轉換后的電壓為9 V，為使其持續穩定地應用于林業設備，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。由于前兩種恒定調壓方式較簡單，因此只放入較復雜的可調電壓波形。觸發脈沖到來時，門極觸發需要時間，因此在觸發剛到來時電壓波形的起始出現了短暫的上升沿，之后上升到預期輸出電壓，如7.5 V，之后輸出電壓穩定在7.5 V，波形為平行于x軸的直線，如圖8所示，通過單片機主控，輸出PWM波，但單片機輸出的方波不能夠直接驅動場效應管，需要經過驅動電路后再控制場效應管，調整占空比從而調節IGBT通斷時間而實現調壓。

220 V正弦交流電經過變壓器降壓后，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；再經過電容濾波，變為穩定的恒定直流輸出。太陽能經光電轉換電路后，輸出的同樣也為穩定的恒定直流輸出，波形符合預期設定要求。

4 結語

本文所述的一種小型戶外專業設備的多功能移動電源系統設計，設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,實現太陽能光發電輸入電壓8 V與市電220 V調整到穩定的直流5 V電壓輸入。在調壓電路上，將5 V電壓采取三端線性降壓芯片AMS1117調整到3.3 V穩定輸出、采取同相放大器放大電路調整到12 V的升壓輸出，并通過STC89 C52 RC單片機與模數轉換模塊構成的單片機控制系統，實現3.3 V～12 V范圍內的調壓輸出。為不同戶外小型林業設備提供3.3 V和12 V的電壓供給，同時通過直流接線柱，實現3.3 V～12 V范圍內可調的電壓輸出，實現了給使用電池的設備供電，為不同充電方式的設備持續供電實現可能。同時，設置穩壓電路以及保護電路部分實現穩定安全的輸出。通過仿真模擬可調電壓部分與整流部分的實驗，驗證了本設計方案的可行性和合理性，可以推廣使用。