寇 允 马文冰 王 禾 苏雅欣 公姿懿 徐华东

(东北林业大学工程技术学院，黑龙江 哈尔滨 150040)

0 引言

移动电源，是一种便携式充电器，通过自身内部存储的电能为手机等设备供电。移动电源的研究方向侧重于日常生活使用与商用，以为手机等设备供电为目的，实现5 V的电压输出。目前，对移动电源的研究正在向多功能方向发展。谷建宁等[1]设计了一款将太阳能充电和手摇充电结合在一起的移动电源，另外增加LED照明等实用辅助功能。吴学军等[2]设计了一款DC-DC升压方式的移动电源，并选用低功耗的单片机作为核心控制系统。丁成功和王升鸿[3]设计了以电源管理芯片为核心部件的移动电源，通过USB接口或5 V适配器供电。还有些移动电源设有增大自身充电电流[4]的功能。

林业、土木、测绘等行业工作者在户外长时间使用不同类型的设备(如手持GPS、数据采集器、水准仪、木材含水率检测仪等)，当设备电量不足时，工作效率和测试时间将会受到严重影响。目前的移动电源无法为安装电池的设备供电，且不能为采取充电方式的设备提供相应的供电电压。基于此，在分析户外小型专业设备不同的供电方式以及输入电压要求的基础上，实现多种方式的续航供电，根据户外工作环境设计多种电路保护及移动电源整体保护措施，能够便利户外工作者工作，提高工作效率。

1 总体结构设计

移动电源的总体结构设计分为外部设计与控制电路设计两部分。移动电源外部包括：锂电池的USB充电接口、太阳能电池板、多功能输出模组、直流接线柱输出部分、外部实用结构设计。移动电源内部控制电路设计包括：电压输入部分、单片机控制系统、调压电路部分、稳压电路部分、保护电路部分。

移动电源外部设计首先是锂电池的USB接口充电，如图1所示，通过充电口(9)进行电量输入，采用线性充电方式，通过移动电源内部的市电整流模块，使用降压变压器和整流电桥电路将220 V市电电压降压整流。此功能具有一定的普适性，适用于移动电源日常的电量输入。太阳能电池板(12)吸收太阳光，通过内部太阳能光发电模块，将太阳能转化为电能储存于锂电池中。该结构针对林业相关工作者户外工作时的特殊条件进行设计，能够实现户外充电、应急供电。多功能输出模组包含3.3 V电压输出口(6)，5 V电压输出口(7)，12 V电压输出口(8)，通过内部5 V～12 V调压电路、5 V～3.3 V调压电路进行调压与输出。该结构电压针对小型户外林业仪器进行设计，满足大部分小型户外林业仪器的需求。直流接线柱输出部分通过电压调节按钮(13)控制开关电源拓扑结构Sepic变换电路进行3.3 V～12 V范围内的电压选择，并通过正接线柱(2)和负接线柱(3)进行输出。该结构针对安装电池的小型户外林业仪器进行设计。最后还包括数据线照通过照明灯(4)、数据线固定装置(5)、液晶显示器(11)和硅胶防护罩(14)等实用结构。

移动电源内部的控制电路中，电压输入部分包含太阳能发电模块与市电整流模块，实现电压的输入与不同电压到固定5 V电压的整流；单片机控制系统由STC89 C52 RC单片机与模数转换模块组成，实现对调压电路的整体控制；调压电路部分包含对多功能输出模组进行供电的5 V～12 V调压电路模块与5 V～3.3 V调压电路模块，以及为直流接线柱手动调压提供支持的可调电路部分；稳压电路采用LM2596芯片，起到整体稳压的效果；保护电路部分主要包括电池的过冲、过放保护电路，防止电池变形和漏液等现象。

2 移动电源控制电路设计

2.1 电压输入部分

2.1.1太阳能光发电

半导体的P-N层交界处存在电子和空穴的浓度差，经过太阳光的照射，会产生新的空穴—电子对，同时在内电场力的作用下，N区空穴向P区漂移，P区电子向N区漂移，使N区和P区分别累积大量的负电荷和正电荷，P-N结上出现电势差，接通线路后产生电流[5,6]。

当光线条件适宜时，通过太阳能电池板吸收太阳光，将太阳能转化为电能[7,8]。由于太阳能输出的电压不能直接应用于林业设备，故将9 V的电压调整为5 V，电压转换电路如图2所示。

三极管Q2为共射放大，其导通的时候，高频变压器T1电压为①正②负，变压器两端电压方向相反，即③负④正，此时整流二极管D1左端为负，处于截止状态，电池不进行充电。三极管Q1也为共射放大，其截止时，变压器两端电压方向相同，即③正④负。整流二极管D1处于导通状态，通过电容C3整流，此方法能够使蓄电池持续、稳压、稳流地蓄电[9-12]。

培育杨树大苗的苗期管理工作包括中耕除草、灌水、追肥、防治病虫害和整形修剪等。移植后适时灌水是提高成活率的关键。生长期内结合灌水及时进行中耕和追肥，同时要注意及时发现和防治苗木病虫害，对于杨树大苗，整形修剪是苗期管理的关键，特别是截干移植的木。整形修剪的技术有以下几种：

2.1.2市电整流

市电模块采用降压变压器和整流电桥结合的方式，将220 V市电转变为较低的直流电，降压变压器已降得的交流电压峰峰值为28.736 V，再通过整流电桥把交流电转化为直流电，此时电压整流为8 V。然后经RC滤波电路，以减小交流成分，滤去整流过后输出电压的波纹，将直流电压送入2个串联的LM7824三端稳压管，使其输出稳定的5 V直流电压，最终连至保护电路部分[13]。

2.2 单片机控制系统

单片机控制系统采用低功耗、高性能CMOS8位STC89 C52 RC单片机，包含8k字节Flash，512字节RAM，32位I/O 口线，内置4KB EEPROM，MAX810复位电路，3个16位定时器/计数器，4个外部中断，一个能兼容传统51的5向量2级中断结构的7向量4级中断结构以及全双工串行口[17]。由于外部时钟方式电路繁琐，因而使用自激振荡方式，时钟电路引脚XTAL1与XTAL2外接石英晶振使内部振荡器按石英晶振频率12 MHz振荡，产生时钟信号；C52单片机内、外程序存储器均需要CPU的访问，因而允许输入端EA接高电平，用于打开总中断开关；双向I/O口接上拉电阻后与ADC0808芯片输出口相连，用于输出相应数字信号；双向I/O口P2.0输出PWM方波，通过由IR2101芯片组成的驱动电路控制可调电压电路中开关管IGBT的通断，从而实现电压的调节。

但STC89 C52 RC单片机中不包含A/D转换模块，需外加模数转换模块将输入电压转换为数字信号，使单片机能够读取数据信息，并对外部电路进行控制。A/D转换部分采用ADC0808芯片，将模拟信号转换为数字信号传给单片机。ADC0808芯片是一个含8位A/D转换器，8路多路开关，采用逐次逼近的转换芯片。其精度为1/2LSB，在温度为25 ℃时功耗为875 mW，转换时间取决于芯片时钟频率，当CLK=500 kHz时，TCONV=128 us。在本设计中，最小系统40管脚接5 V电源，为数字电路提供电压，20管脚接地，提供地电平；P0引脚接上拉电阻再驱动数模转换模块，用于控制数模间的相互转换；X1，X2引脚接石英晶体振荡器，用于为单片机提供工作的时钟信号；P1口分别连接3个电压转换模块；P21口与复位引脚相连；P3.5T1口外接USB接口;P3.6/3.7外部RAM读/写存储器分别通过或非门与数模转换芯片相连。单片机引脚如图3所示，转换模块电路如图4所示。

2.3 调压电路部分

2.3.15 V～12 V调压电路部分

2.3.25 V～3.3 V调压部分

2.3.3可调电压部分

2.4 稳压电路部分

稳压电路中采用LM2596芯片。LM2596是常用的大电流开关稳压芯片，最大输出电流可达3 A，且在输出大电流时产生的热量比线性稳压IC要小得多。LM2596的5管脚为关断控制端，低电平有效。在正常工作时，将5管脚接地。稳压电路后连接负载检测电路，当负载停止工作时，检测电路输出高电平，送至LM2596的5脚，使其输出端关闭，从而使整个电路处于超低功耗状态，静态耗电仅80 uA，从而使整个电路更加稳定。1管脚通过电解电容连接5 V输入电压，为芯片提供电压，3管脚与5管脚共地，提供地电平，2管脚通过反接二极管和电解电容稳定电压，从而起到整体稳压的效果，4管脚分别与输入、输出端构成反馈网络以维持稳压电路整体的稳定性。稳压电路输出端可采用USB母口输出或接线柱输出，以满足各种不同设备接口需求。

2.5 保护电路部分

2.5.1过充保护电路

过充保护电路连接在调压电路部分，用于测试调压电路的电流。电压输入部分通过接触器K1的常闭接点为蓄电池充电，当过充保护电路中的电池电压大于过压定值时，接触器K1线圈M吸合，将断开常闭接点，进而断开光伏市电输入模块与电池的联系，实现过充保护，电路如图6所示。

2.5.2过放保护电路

蓄电池电压大于欠压定值时，接触器K2线圈M吸合，将常开接点闭合，为输出部分提供直流电源，当蓄电池电压低于欠压定值时接触器线圈M不吸合，常开接点恢复断开状态，蓄电池停止向输出部分提供直流电源，实现过放保护[16]。

3 软件模拟仿真与验证

电路采用Multisim14.0进行仿真，由此验证电路的正确性。220 V正弦交流电经变压器隔离，之后流过单相整流桥，输入电压u2在正半周的wt=0之后，整流电压ud=u2，经过导通角θ时间后ud下降直至反向电压正半周wt=0，成为正相偏置的直流电压，输入的交流电波形为标准正弦波，整流后变为只存在于正半轴的半波；经过电容滤波后，变为稳定的恒定直流输出，电压波形为一条平行于x轴的稳定直线。太阳能经光电转换后的电压为9 V，为使其持续稳定地应用于林业设备，采用共射放大器和高频变压器将降压后的电压存储于蓄电池中，其输出与市电整流结果相同，二者波形均如图7所示。

5 V～3.3 V，5 V～12 V和可调电压波形类似，输入电压为恒定5 V平行于x轴的直流电，输出的电压都为恒定的直流电压，波形均为平行于x轴的直线，幅值分别为3.3 V和12 V。由于前两种恒定调压方式较简单，因此只放入较复杂的可调电压波形。触发脉冲到来时，门极触发需要时间，因此在触发刚到来时电压波形的起始出现了短暂的上升沿，之后上升到预期输出电压，如7.5 V，之后输出电压稳定在7.5 V，波形为平行于x轴的直线，如图8所示，通过单片机主控，输出PWM波，但单片机输出的方波不能够直接驱动场效应管，需要经过驱动电路后再控制场效应管，调整占空比从而调节IGBT通断时间而实现调压。

220 V正弦交流电经过变压器降压后，已降得的电压峰峰值为28.736 V，之后流过单相整流桥，成为正相偏置的直流电压；再经过电容滤波，变为稳定的恒定直流输出。太阳能经光电转换电路后，输出的同样也为稳定的恒定直流输出，波形符合预期设定要求。

4 结语

本文所述的一种小型户外专业设备的多功能移动电源系统设计，设计了多功能输出模组与直流接线柱输出部分以及多种实用装置,实现太阳能光发电输入电压8 V与市电220 V调整到稳定的直流5 V电压输入。在调压电路上，将5 V电压采取三端线性降压芯片AMS1117调整到3.3 V稳定输出、采取同相放大器放大电路调整到12 V的升压输出，并通过STC89 C52 RC单片机与模数转换模块构成的单片机控制系统，实现3.3 V～12 V范围内的调压输出。为不同户外小型林业设备提供3.3 V和12 V的电压供给，同时通过直流接线柱，实现3.3 V～12 V范围内可调的电压输出，实现了给使用电池的设备供电，为不同充电方式的设备持续供电实现可能。同时，设置稳压电路以及保护电路部分实现稳定安全的输出。通过仿真模拟可调电压部分与整流部分的实验，验证了本设计方案的可行性和合理性，可以推广使用。