多模式可调移动稳压充电电源的研制

2014-07-28黄振海何琳张金凤张宽

电脑知识与技术 2014年17期

黄振海　何琳　张金凤　张宽

摘要：在现实社会中，随着户外出行次数和机会的增加，人们对可移动充电设备的要求和使用也越来越多。目前市面上流通的移动电源，多是根据电源充放电的参数来固定设计的，而且一般是单一的充电模式，难以满足人们户外应急状态下的需要。基于此，该文设计了一种基于AT89C52单片机的、以太阳能，电磁能、电能等为充电模式的可调稳压移动电源，受自然条件限制因素制约较少，可以满足不同场合下多种设备供电的需求。该移动电源采用传统储能电源与现代清洁能源相结合，并加入可调控稳压输出装置，不仅提高了实用性和多功能性，而且更加绿色环保，能够给人们的生活和出行带来更好的帮助。

关键词：移动电源；AT89C52；太阳能；稳压；输出可调节

中图分类号：TP391 文献标识码：A 文章编号：1009-3044（2014）17-4164-05

1 设计思路

本设计是基于单片机AT89c52的多功能可调输出式稳压移动电源，其以锂电池为储能装置，采用太阳能、电磁能和电能等充电模式，利用单片机实时控制电路的充放电、以及动态地显示出电池输出参数。设计内容主要包括：（1）充电电路的设计：根据设计要求，需要实现多种充电模式的充电，主要包括220V交流电压下、太阳能以及电磁能充电模式下的充电电路设计。（2）输出稳压可调电路的设计：由于一般锂电池的工作电压在3.7V左右，要实现大范围的稳压输出，须经过升压、稳压、可调节输出等过程。（3）保护电路的设计：根据电池输入输出参数，有针对性的防止充放电过程中的过充、过放、过压和过流导致电池永久性损坏的情况，对电池起到保护作用。（4）单片机及其外围电路设计：用于动态地显示电源的输出电压、温度和电量等参数，利用单片机进行充放电控制，以及电源输出电压、温度的检测和显示。总体原理框图如图1所示：

2 充电电路的设计

本移动电源采用多模式的充电方式，充电电路的设计主要包括：市电220V电压下的充电电路的设计、电磁能手动发电充电电路的设计以及太阳能充电电路的设计。具体介绍如下。

2.1 市电220V交流电压下充电电路的设计

根据设计要求以及储能锂电池的充电特性，可知市电交流220V电压不能满足给锂电池充电的要求。目前市场上主流的充电产品通常是利用变压器原理或者开关电源对220V的电压进行降压处理，输出电压一般为5V。本设计采用变压器原理，对220V交流电压进行变压处理。电路连接如图2所示。

上图中，利用变压器T1对220V交流电压进行降压处理，然后用整流电路D1对电流进行AC-DC的转换使其变为直流电。R1起限流作用；C1、C2用于滤波防止电路中的工频或者高频干扰；稳压器7805使整流后的输出电压稳定在5V左右，以满足后续充电的要求。

2.2 手动电磁能充电电路的设计

手动电磁能充电是通过手摇式发电机来产生电能。本设计中所选用的发电机输出电压大约在9V左右。根据其输出电压幅值以及锂电池的充电特性，需要对其经过交流到直流的转换处理，电路原理如图3所示。图中利用整流电路D2进行AC-DC转换，C3作为滤波电容，R2为限流电阻，D3的作用将输出电压稳定在5V左右，之后方可接入充电保护电路，对锂电池进行充电。

2.3 简易太阳能充电电路设计

本设计中选用的太阳能充电板输出电压约为8V左右，由于光照强度等因素的影响，其产生的电压并不稳定。为满足充电要求，需经过稳压装置使其输出电压稳定于一特定数值。电路原理如图4所示，太阳能光电板产生电能后，经过限流电阻R3、稳压管D6等器件使其电压保持稳定，之后方可经过充电保护电路对锂电池进行充电。

3 输出稳压可调电路的设计

本部分主要包括升压电路与可调节稳压输出电路的设计，具体介绍如下。

3.1 升压电路的设计

本设计中的升压电路采用传统的MC34063芯片作为升压芯片，其输入电压范围为2.5～40V，输出电压可调为范围1.25～40V，输出电流可达1.5A，工作频率最高可达180kHz。另外它还具有短路电流限制保护功能，其7端为负载峰值电流取样端，当6、7脚之间的电压超过300mV时，芯片将启动内部过流保护功能，防止对芯片造成损坏。

升压电路原理如图5所示。其中，输出电压U0=1.25*（1+R7/R8）。为方便后续设计可调范围1.25～12V的稳压电源，此处使电源的输出电压升高到15V，取R7=11kΩ，R8=1kΩ。

3.2 可调节稳压输出电路

此部分采用LM317系列的输出可调稳压器芯片实现，其输出范围为1.25～37V，最大负载电流1.5A。由该芯片的性质可知其输出输入电压可调节范围较大，且内部集成了过压、过流保护电路，不需要过多的外接电路，具有较强的实用性，且能满足设计的要求。本电源设计输出调节范围为1.25～12V，而输入电压一般应大于输出电压2V左右。输入/输出电压线性范围内满足公式：U0=1.25*（1+R10/R）。电路原理如图6，为了方便起见选取R10=2kΩ，R=220Ω。其中R10为可调节电阻。D9、D10起电路保护作用。

4 电源保护电路设计

目前市面上流通的电池一般以锂电池为主。根据其所用的电解质材料的不同，锂电池主要分为聚合锂离子电池和聚合物锂离子电池。本设计采用聚合物锂离子电池。聚合物锂离子电池的充电一般包括恒压充电和恒流充电两个阶段，在快速充电之前还包括一个预充电阶段，用于检测电池的状态是否良好，其次进入恒流充电阶段，充电电流一般为0.25～1C（C，表示电池的容量），在恒流充电阶段随着充电时间的延长电池两端电压逐渐升高，当达到4.2V时，由恒流充电转为4.2V恒压充电，此时充电电流将随着充电时间的延长而减小，当充电电流小于一定的值时（一般为50mA），认为充电完成。

本设计采用DW01+8205芯片（如图7所示）作为锂电池保护芯片，当电芯电压在2.5V至4.3V之间时，DW01 的第1脚、第3脚均输出高电平（等于供电电压），第二脚电压为0V。此时DW01 的第1脚、第3脚电压将分别加到8205A的第5、4脚，8205A内的两个电子开关因其G极接到来自DW01 的电压，故均处于导通状态，即两个电子开关均处于开状态。此时电芯的负极与保护板的BAT-端相当于直接连通，保护板有电压输出。

当电芯通过外接的负载进行放电时，电芯的电压将慢慢降低，同时DW01 内部将通过R1电阻实时监测电芯电压，当电芯电压下降到约2.3V时DW01 将认为电芯电压已处于过放电电压状态，便立即断开第1脚的输出电压，使第1脚电压变为0V，8205A内的开关管因第5脚无电压而关闭。此时电芯的负极与保护板的BAT-之间处于断开状态，即电芯的放电回路被切断，电芯将停止放电。保护板处于过放电状态并一直保持。等到保护板的BAT+ 与GND间接上充电电压后，DW01检测到充电电压后便立即停止过放电状态，重新在第1脚输出高电压，使8205A内的过放电控制管导通，即电芯的负极与保护板的BAT-端又重新接上，电芯经充电器直接充电。

当过充电时，DW01 内部将通过R1电阻实时监测电芯电压，当电芯电压高于约4.3V时DW01 将认为电芯电压已处于过充状态，便立即断开第3脚的输出电压，使第3脚电压变为0V，8205A内的开关管因第4脚无电压而关闭。当恢复再次充电时又接通，接入保护板电路。

5 单片机及其外围电路设计

本设计采用AT89C52单片机实现稳压电源输出电压的显示，同时对电池进行温度检测，当温度高于设定值的时候切断充电电路。温度传感器与电池贴在一起，以尽可能准确的测量电池的温度。硬件原理如图8所示。

为了方便节能，通过按键S2对LCD液晶进行开关控制，当按键按下时，由内部软件程序控制，点亮LCD屏幕，显示电池的温度、电压和电量等参数，延时5s后再自动关闭LCD显示。根据锂电池的充电特性，当充电完成时，电池两端的电压近似恒定，且当电压大于4.3V时保护电路会切断电路，此时可认为充电完成。充电未完成且温度检测值正常情况下，P2.3口输出低电平，控制继电器闭合，LED11绿灯亮，对电池进行充电；当温度过高或充电完成时，P2.3口输出高电平，继电器打开，断开充电，同时LED13红灯被点亮。

单片机软件流程如图9所示。

6 系统测试

软件仿真测试和实际硬件电路测试结果表明，该文的设计方案能够达到预定的设计要求。焊接完成后的硬件电路板实物如图10所示。

7 结束语

科学技术日新月异，单一传统模式的移动充电电源不能随时满足人们的需求，利用太阳能、手摇发电等可再生能源已成为实现可持续发展的不容忽视的内容。该充电器集手摇充电、太阳能充电及市电220V交流充电三者为一体，可供各种不同场合使用。该设计实用性强，使用灵活，可对不同设备供电，有良好的市场推广和应用价值。

参考文献：

[1] 童诗白，华成英.模拟电子技术基础[M].北京：高等教育出版社，2006.5：515-560.

[2] 杨玉岗.现代电力电子的磁技术[M].北京：科学出版社，2003.

[3] 苏玉刚，陈渝光.电力电子技术[M].重庆：重庆大学出版社，2003.

[4] 李传琦.电力电子技术计算机仿真实验[M].北京：电子工业出版社，2006.

[5] 马斌，韩忠华，王长涛，夏兴华.单片机原理及应用[M].人民邮电出版社，2009.

[6] 刘超.单片机的智能手机电池充电系统[J].长春理工大学学报，2007（2）：157-158.