多模式可調(diào)移動穩(wěn)壓充電電源的研制

黃振海　何琳　張金鳳　張寬

摘要：在現(xiàn)實社會中，隨著戶外出行次數(shù)和機(jī)會的增加，人們對可移動充電設(shè)備的要求和使用也越來越多。目前市面上流通的移動電源，多是根據(jù)電源充放電的參數(shù)來固定設(shè)計的，而且一般是單一的充電模式，難以滿足人們戶外應(yīng)急狀態(tài)下的需要?；诖?，該文設(shè)計了一種基于AT89C52單片機(jī)的、以太陽能，電磁能、電能等為充電模式的可調(diào)穩(wěn)壓移動電源，受自然條件限制因素制約較少，可以滿足不同場合下多種設(shè)備供電的需求。該移動電源采用傳統(tǒng)儲能電源與現(xiàn)代清潔能源相結(jié)合，并加入可調(diào)控穩(wěn)壓輸出裝置，不僅提高了實用性和多功能性，而且更加綠色環(huán)保，能夠給人們的生活和出行帶來更好的幫助。

關(guān)鍵詞：移動電源；AT89C52；太陽能；穩(wěn)壓；輸出可調(diào)節(jié)

中圖分類號：TP391 文獻(xiàn)標(biāo)識碼：A 文章編號：1009-3044（2014）17-4164-05

1 設(shè)計思路

本設(shè)計是基于單片機(jī)AT89c52的多功能可調(diào)輸出式穩(wěn)壓移動電源，其以鋰電池為儲能裝置，采用太陽能、電磁能和電能等充電模式，利用單片機(jī)實時控制電路的充放電、以及動態(tài)地顯示出電池輸出參數(shù)。設(shè)計內(nèi)容主要包括：（1）充電電路的設(shè)計：根據(jù)設(shè)計要求，需要實現(xiàn)多種充電模式的充電，主要包括220V交流電壓下、太陽能以及電磁能充電模式下的充電電路設(shè)計。（2）輸出穩(wěn)壓可調(diào)電路的設(shè)計：由于一般鋰電池的工作電壓在3.7V左右，要實現(xiàn)大范圍的穩(wěn)壓輸出，須經(jīng)過升壓、穩(wěn)壓、可調(diào)節(jié)輸出等過程。（3）保護(hù)電路的設(shè)計：根據(jù)電池輸入輸出參數(shù)，有針對性的防止充放電過程中的過充、過放、過壓和過流導(dǎo)致電池永久性損壞的情況，對電池起到保護(hù)作用。（4）單片機(jī)及其外圍電路設(shè)計：用于動態(tài)地顯示電源的輸出電壓、溫度和電量等參數(shù)，利用單片機(jī)進(jìn)行充放電控制，以及電源輸出電壓、溫度的檢測和顯示?？傮w原理框圖如圖1所示：

2 充電電路的設(shè)計

本移動電源采用多模式的充電方式，充電電路的設(shè)計主要包括：市電220V電壓下的充電電路的設(shè)計、電磁能手動發(fā)電充電電路的設(shè)計以及太陽能充電電路的設(shè)計。具體介紹如下。

2.1 市電220V交流電壓下充電電路的設(shè)計

根據(jù)設(shè)計要求以及儲能鋰電池的充電特性，可知市電交流220V電壓不能滿足給鋰電池充電的要求。目前市場上主流的充電產(chǎn)品通常是利用變壓器原理或者開關(guān)電源對220V的電壓進(jìn)行降壓處理，輸出電壓一般為5V。本設(shè)計采用變壓器原理，對220V交流電壓進(jìn)行變壓處理。電路連接如圖2所示。

上圖中，利用變壓器T1對220V交流電壓進(jìn)行降壓處理，然后用整流電路D1對電流進(jìn)行AC-DC的轉(zhuǎn)換使其變?yōu)橹绷麟?。R1起限流作用；C1、C2用于濾波防止電路中的工頻或者高頻干擾；穩(wěn)壓器7805使整流后的輸出電壓穩(wěn)定在5V左右，以滿足后續(xù)充電的要求。

2.2 手動電磁能充電電路的設(shè)計

手動電磁能充電是通過手搖式發(fā)電機(jī)來產(chǎn)生電能。本設(shè)計中所選用的發(fā)電機(jī)輸出電壓大約在9V左右。根據(jù)其輸出電壓幅值以及鋰電池的充電特性，需要對其經(jīng)過交流到直流的轉(zhuǎn)換處理，電路原理如圖3所示。圖中利用整流電路D2進(jìn)行AC-DC轉(zhuǎn)換，C3作為濾波電容，R2為限流電阻，D3的作用將輸出電壓穩(wěn)定在5V左右，之后方可接入充電保護(hù)電路，對鋰電池進(jìn)行充電。

2.3 簡易太陽能充電電路設(shè)計

本設(shè)計中選用的太陽能充電板輸出電壓約為8V左右，由于光照強(qiáng)度等因素的影響，其產(chǎn)生的電壓并不穩(wěn)定。為滿足充電要求，需經(jīng)過穩(wěn)壓裝置使其輸出電壓穩(wěn)定于一特定數(shù)值。電路原理如圖4所示，太陽能光電板產(chǎn)生電能后，經(jīng)過限流電阻R3、穩(wěn)壓管D6等器件使其電壓保持穩(wěn)定，之后方可經(jīng)過充電保護(hù)電路對鋰電池進(jìn)行充電。

3 輸出穩(wěn)壓可調(diào)電路的設(shè)計

本部分主要包括升壓電路與可調(diào)節(jié)穩(wěn)壓輸出電路的設(shè)計，具體介紹如下。

3.1 升壓電路的設(shè)計

本設(shè)計中的升壓電路采用傳統(tǒng)的MC34063芯片作為升壓芯片，其輸入電壓范圍為2.5～40V，輸出電壓可調(diào)為范圍1.25～40V，輸出電流可達(dá)1.5A，工作頻率最高可達(dá)180kHz。另外它還具有短路電流限制保護(hù)功能，其7端為負(fù)載峰值電流取樣端，當(dāng)6、7腳之間的電壓超過300mV時，芯片將啟動內(nèi)部過流保護(hù)功能，防止對芯片造成損壞。

升壓電路原理如圖5所示。其中，輸出電壓U0=1.25*（1+R7/R8）。為方便后續(xù)設(shè)計可調(diào)范圍1.25～12V的穩(wěn)壓電源，此處使電源的輸出電壓升高到15V，取R7=11kΩ，R8=1kΩ。

3.2 可調(diào)節(jié)穩(wěn)壓輸出電路

此部分采用LM317系列的輸出可調(diào)穩(wěn)壓器芯片實現(xiàn)，其輸出范圍為1.25～37V，最大負(fù)載電流1.5A。由該芯片的性質(zhì)可知其輸出輸入電壓可調(diào)節(jié)范圍較大，且內(nèi)部集成了過壓、過流保護(hù)電路，不需要過多的外接電路，具有較強(qiáng)的實用性，且能滿足設(shè)計的要求。本電源設(shè)計輸出調(diào)節(jié)范圍為1.25～12V，而輸入電壓一般應(yīng)大于輸出電壓2V左右。輸入/輸出電壓線性范圍內(nèi)滿足公式：U0=1.25*（1+R10/R）。電路原理如圖6，為了方便起見選取R10=2kΩ，R=220Ω。其中R10為可調(diào)節(jié)電阻。D9、D10起電路保護(hù)作用。

4 電源保護(hù)電路設(shè)計

目前市面上流通的電池一般以鋰電池為主。根據(jù)其所用的電解質(zhì)材料的不同，鋰電池主要分為聚合鋰離子電池和聚合物鋰離子電池。本設(shè)計采用聚合物鋰離子電池。聚合物鋰離子電池的充電一般包括恒壓充電和恒流充電兩個階段，在快速充電之前還包括一個預(yù)充電階段，用于檢測電池的狀態(tài)是否良好，其次進(jìn)入恒流充電階段，充電電流一般為0.25～1C（C，表示電池的容量），在恒流充電階段隨著充電時間的延長電池兩端電壓逐漸升高，當(dāng)達(dá)到4.2V時，由恒流充電轉(zhuǎn)為4.2V恒壓充電，此時充電電流將隨著充電時間的延長而減小，當(dāng)充電電流小于一定的值時（一般為50mA），認(rèn)為充電完成。

本設(shè)計采用DW01+8205芯片（如圖7所示）作為鋰電池保護(hù)芯片，當(dāng)電芯電壓在2.5V至4.3V之間時，DW01 的第1腳、第3腳均輸出高電平（等于供電電壓），第二腳電壓為0V。此時DW01 的第1腳 、第3腳電壓將分別加到8205A的第5、4腳，8205A內(nèi)的兩個電子開關(guān)因其G極接到來自DW01 的電壓，故均處于導(dǎo)通狀態(tài)，即兩個電子開關(guān)均處于開狀態(tài)。此時電芯的負(fù)極與保護(hù)板的BAT-端相當(dāng)于直接連通，保護(hù)板有電壓輸出。

當(dāng)電芯通過外接的負(fù)載進(jìn)行放電時，電芯的電壓將慢慢降低，同時DW01 內(nèi)部將通過R1電阻實時監(jiān)測電芯電壓，當(dāng)電芯電壓下降到約2.3V時DW01 將認(rèn)為電芯電壓已處于過放電電壓狀態(tài)，便立即斷開第1腳的輸出電壓，使第1腳電壓變?yōu)?V，8205A內(nèi)的開關(guān)管因第5腳無電壓而關(guān)閉。此時電芯的負(fù)極與保護(hù)板的BAT-之間處于斷開狀態(tài)，即電芯的放電回路被切斷，電芯將停止放電。保護(hù)板處于過放電狀態(tài)并一直保持。等到保護(hù)板的BAT+ 與GND間接上充電電壓后，DW01檢測到充電電壓后便立即停止過放電狀態(tài)，重新在第1腳輸出高電壓，使8205A內(nèi)的過放電控制管導(dǎo)通，即電芯的負(fù)極與保護(hù)板的BAT-端又重新接上，電芯經(jīng)充電器直接充電。

當(dāng)過充電時，DW01 內(nèi)部將通過R1電阻實時監(jiān)測電芯電壓，當(dāng)電芯電壓高于約4.3V時DW01 將認(rèn)為電芯電壓已處于過充狀態(tài)，便立即斷開第3腳的輸出電壓，使第3腳電壓變?yōu)?V，8205A內(nèi)的開關(guān)管因第4腳無電壓而關(guān)閉。當(dāng)恢復(fù)再次充電時又接通，接入保護(hù)板電路。

5 單片機(jī)及其外圍電路設(shè)計

本設(shè)計采用AT89C52單片機(jī)實現(xiàn)穩(wěn)壓電源輸出電壓的顯示，同時對電池進(jìn)行溫度檢測，當(dāng)溫度高于設(shè)定值的時候切斷充電電路。溫度傳感器與電池貼在一起，以盡可能準(zhǔn)確的測量電池的溫度。硬件原理如圖8所示。

為了方便節(jié)能，通過按鍵S2對LCD液晶進(jìn)行開關(guān)控制，當(dāng)按鍵按下時，由內(nèi)部軟件程序控制，點亮LCD屏幕，顯示電池的溫度、電壓和電量等參數(shù)，延時5s后再自動關(guān)閉LCD顯示。根據(jù)鋰電池的充電特性，當(dāng)充電完成時，電池兩端的電壓近似恒定，且當(dāng)電壓大于4.3V時保護(hù)電路會切斷電路，此時可認(rèn)為充電完成。充電未完成且溫度檢測值正常情況下，P2.3口輸出低電平，控制繼電器閉合，LED11綠燈亮，對電池進(jìn)行充電；當(dāng)溫度過高或充電完成時，P2.3口輸出高電平，繼電器打開，斷開充電，同時LED13紅燈被點亮。

單片機(jī)軟件流程如圖9所示。

6 系統(tǒng)測試

軟件仿真測試和實際硬件電路測試結(jié)果表明，該文的設(shè)計方案能夠達(dá)到預(yù)定的設(shè)計要求。焊接完成后的硬件電路板實物如圖10所示。

7 結(jié)束語

科學(xué)技術(shù)日新月異，單一傳統(tǒng)模式的移動充電電源不能隨時滿足人們的需求， 利用太陽能、手搖發(fā)電等可再生能源已成為實現(xiàn)可持續(xù)發(fā)展的不容忽視的內(nèi)容。該充電器集手搖充電、太陽能充電及市電220V交流充電三者為一體，可供各種不同場合使用。該設(shè)計實用性強(qiáng)，使用靈活，可對不同設(shè)備供電，有良好的市場推廣和應(yīng)用價值。

參考文獻(xiàn)：

[1] 童詩白，華成英.模擬電子技術(shù)基礎(chǔ)[M].北京：高等教育出版社，2006.5：515-560.

[2] 楊玉崗.現(xiàn)代電力電子的磁技術(shù)[M].北京：科學(xué)出版社，2003.

[3] 蘇玉剛，陳渝光.電力電子技術(shù)[M].重慶：重慶大學(xué)出版社，2003.

[4] 李傳琦.電力電子技術(shù)計算機(jī)仿真實驗[M].北京：電子工業(yè)出版社，2006.

[5] 馬斌，韓忠華，王長濤，夏興華.單片機(jī)原理及應(yīng)用[M].人民郵電出版社，2009.

[6] 劉超.單片機(jī)的智能手機(jī)電池充電系統(tǒng)[J].長春理工大學(xué)學(xué)報，2007（2）：157-158.

[7] 羅飛路.充電電源原理及其應(yīng)用[J].電工課堂，2003（6）：42-43.

[8] 周志敏，紀(jì)愛華.充電器電路設(shè)計與應(yīng)用[M].北京：人民郵電出版社，2005.

[9] 王長貴，崔榮強(qiáng)，周簧.新能源發(fā)電技術(shù)[M].北京：中國電力出版社，2003.

[10] 吳理博，趙爭鳴，劉建政.用于太陽能照明系統(tǒng)的智能控制器[J].清華大學(xué)學(xué)報：自然科學(xué)版，2003（4）.

[11] 余發(fā)平，張興，王國華.基于自適應(yīng)PI控制的太陽能LED照明系統(tǒng)PWM恒流控制器[J].太陽能學(xué)報，2006，27（2）：132-135.