一種基于單片機的大功率移動電源設(shè)計

摘要：隨著社會的進步和隨著社會的進步、科學技術(shù)的發(fā)展和電力電子技術(shù)的廣泛應用，電氣化生產(chǎn)、電氣化交通、電力設(shè)備的應用變得越來越廣泛，已經(jīng)融入到了社會的各個角落。大功率移動電源設(shè)備是為了方便使用者，在沒有供電電源及設(shè)施的野外作業(yè)、在供電電壓不清楚無法使用、在現(xiàn)場用電出現(xiàn)異常而無法使用等場合，可以使用大功率移動電源設(shè)備，這樣可以為你的設(shè)備提供長時間的安全保障供電系統(tǒng)，特此提出了一種大功率移動電源的設(shè)計方案，詳細給出了方案的硬件電路設(shè)計和軟件流程，具有很強的使用價值。

大功率移動電源設(shè)備是為了方便使用者，在沒有供電電源及設(shè)施的野外作業(yè)、供電電壓不清楚無法使用、在現(xiàn)場用電出現(xiàn)異常而無法使用等場合，可以使用電氣試驗移動電源設(shè)備，這樣可以為你的設(shè)備提供長時間的安全保障供電系統(tǒng)。通常情況下，在野外作業(yè)，進行電力設(shè)備檢測時，由于供電情況未知，或者完全沒有供電電源等因素，都將會造成工時延誤或者無法使用設(shè)備作業(yè)。故此，為保證在無法用電，負載較大的情況下，對設(shè)備進行持續(xù)供電，特研制該大功率移動電源，保證在斷電狀態(tài)下臨時用電需求。

該供電設(shè)備集安全、智能于一身，結(jié)構(gòu)簡單。具有當前電壓、電流值及相關(guān)用電參數(shù)值的液晶顯示。它可為用電操作人員提供用電技術(shù)參數(shù)。使操作人員用電更安全、更直觀、更方便。

1.移動電源基本構(gòu)架及關(guān)鍵技術(shù)

大功率移動電源是一種采用可充電電池作為儲電單元，通過將電池的24V直流電通過變壓器升壓，經(jīng)過整流橋IGBT開關(guān)管整流成所需要的單相220V交流電，直接對用電器供電或者充電，以達到為設(shè)備持續(xù)續(xù)航的目的。大功率移動電源的基本構(gòu)成一般由可充電電池、升壓降壓電路，充電管理電路，電池保護電路，控制電路組成基本構(gòu)架示意圖如圖1所示。

從大功率移動電源的基本構(gòu)架上看，可以把移動電源的結(jié)構(gòu)簡化為兩大部分，控制電路和被控器件。主控電路使用C8051F系列單片機，C8051F000系列器件是完全集成的混合信號系統(tǒng)級MCU芯片，用于老式51芯片沒有的內(nèi)置12位多通道ADC和一個10位的多通道ADC，由于其抗干擾性好，穩(wěn)定等特點被廣泛用于儀器儀表行業(yè)。同時采用128*64點陣液晶顯示數(shù)據(jù)，縮小開發(fā)周期和成本。對交流側(cè)進行100us采樣，采樣2個周期，每個周期采樣50個數(shù)據(jù)點。用均方根算法，算出交流電壓的有效值。并且采用軟件進行簡單濾波，顯示數(shù)值穩(wěn)定，精度高。被控器件有：充電模塊、逆變模塊、電池。電池的材料、體積、容量等直接影響大功率移動電源的質(zhì)量，由于使用了磷酸鐵電池，在放電性能和穩(wěn)定性等方面都較一般鋰電池有大幅度的改善。

系統(tǒng)主控板是大功率移動電源的主要電路設(shè)計，該電路板主要功能是實現(xiàn)對電池的充放電管理、逆變模塊的輸出檢測，用電參數(shù)的顯示以及對電池的保護。大功率移動電源使用的電池電壓一般在24—29.4V，輸出的是220V交流純正弦波，和市電完全一樣，克服了方波不能帶儀器的缺點。達到充電電壓穩(wěn)定，充滿后轉(zhuǎn)為浮充模式，防止電池的過充和倒灌電流等問題。電池的選型：選用體積小，輸出電流大的電池，達到1200W的輸出功率，由于其輸出功率大，也會伴隨產(chǎn)生許多高頻干擾，對其輸出和輸出進行濾波是必要的，以保證其供電質(zhì)量。對大功率移動電源的性能及安全性的影響很大。

2.硬件電路設(shè)計及關(guān)鍵芯片介紹

隨著集成電路技術(shù)的飛速發(fā)展，電路保護板的各個功能實現(xiàn)有很多方案。根據(jù)大功率移動電源的基本結(jié)構(gòu)給出硬件設(shè)計框架圖如圖2所示。

2.1 控制電路電源設(shè)計

由于逆變模塊會產(chǎn)生高頻的干擾回傳上控制板，對控制芯片產(chǎn)生干擾，所以控制板的電源需要進行嚴格的隔離，對模擬地、數(shù)字地和采樣地進行一點接地的方式，+5V電源由電池的24V經(jīng)過LM2576輸出+5V，再經(jīng)過電容電感濾波，給各個電路模塊供電。E0505S輸入+5V，雙路分別輸出+5V、-5V，給采樣芯片OPA2277供電。由于C8051F芯片采用+3.3V供電，所以需要使用LM1117-3.3將+5V轉(zhuǎn)為+3.3V，同時起到隔離作用，如圖3。

2.2 單片機電路設(shè)計

圖4中主芯片采用C8051F005芯片，由于該芯片的穩(wěn)定性和低功耗等特性，被廣泛運用于電子儀器儀表行業(yè)。

2.3 開機控制電路設(shè)計

如圖4該控制電路主要完成電壓采集、輸入輸出控制、用電參數(shù)顯示、人機交互等功能。圖5按鍵控制電路模塊設(shè)計，當按鍵開機后，單片機上電通過P25口發(fā)送一個周期小于100ns的脈沖，由于電容的充放電特性，使IRF9630持續(xù)導通，對控制板供電。當單片機程序跑飛時，此設(shè)計能保證設(shè)備可以自動關(guān)機，做了一個硬件的關(guān)機保護，使系統(tǒng)更加安全可靠，同時使用P24口檢測按鍵持續(xù)時間，當長按開機鍵時，單片機自動停止P25的脈沖發(fā)送，進行自殺操作，做到一鍵開關(guān)機功能。

2.4 采樣電路設(shè)計

由于電池側(cè)的輸出電流較大，用電阻法采集的話，對電阻精度要求較高，所以此處采用了霍爾傳感器來采集直流電流，對電池的放電電流進行監(jiān)測，防止其過放電。同時使用電阻分壓法監(jiān)測電池側(cè)電壓。如圖6：JP4端子連接了用于采樣的霍爾傳感器，將電流型號轉(zhuǎn)換成電壓信號，OPA2277對采集上來的電壓信號進行低通濾波處理，再輸出給芯片的模擬輸入采集端AIN0口。芯片對充電模塊的輸出進行監(jiān)測，將信號濾波送到芯片的AIN1模擬輸入口，當信號大于2V時，判定為充電狀態(tài)。

圖7為交流電壓的采集方法，由于單片機ADC模擬采集口只能采集0V-2.4V的電壓，所以需要先將交流輸出側(cè)通過電阻分壓法，采集R25兩端的電壓進行濾波，同時單片機的DAC0口輸出一個1.2V電壓，用加法器將采集過來的電壓疊加上1.2V，將其抬高到0V以上，輸入到單片機的ADC模擬采集口，用此法比一般的將采集電壓轉(zhuǎn)換成直流電壓的方法更加具有實時采集性。電流采樣使用圖8的互感器講行采樣。

3.軟件設(shè)計

單片機程序設(shè)計要使整個電路穩(wěn)定有序的工作，因此必須考慮每個單元電路的工作原理和時序要求。本軟件的工作原理是，單獨開啟一個心跳計時器進行分時操作，主流程圖如如9所示，交流采樣端采用均方根算法驚行交流電壓電流的換算，如下代碼：

4.結(jié)語

傳統(tǒng)的移動電源技術(shù)多采用模擬控制或者模擬控制與數(shù)字控制相結(jié)合的控制方法，其缺點有以下幾點：

①控制單元的元器件比較多，體積龐大，結(jié)構(gòu)復雜;

②硬件電路設(shè)計完成之后，控制策略就固定了，不易更改為其他的方式，靈活性不夠;

③硬件調(diào)試比較麻煩，由于元器件特性不完全一致，致使電源的一致性差。模擬元器件的工作點存在漂移，這會導致系統(tǒng)參數(shù)的漂移，從而造成調(diào)試硬件電路的不便。

以上分析可知傳統(tǒng)的模擬控制方式在許多場合已不適應新的設(shè)計要求。隨著高速、廉價的數(shù)字信號處理器的問世，于是便出現(xiàn)了數(shù)字電源。其優(yōu)點有以下幾點：

①嵌入式芯片更容易實現(xiàn)數(shù)字化的處理和控制，避免了模擬信號傳遞過程中出現(xiàn)的信號畸變、失真等情況，同時也減少了由于雜散信號而引起的干擾;

②可控性好，由于嵌入式芯片本身可編程，所以軟件容易升級維護，便于系統(tǒng)的升級維護;

③數(shù)字電源可以方便的和其它功能相結(jié)合，如無線通訊功能可實現(xiàn)遠程遙感、遙測、遙調(diào)，人機交互模塊可提供友好的人機界面等。

這些優(yōu)點使得數(shù)字化控制成為以后電源技術(shù)的發(fā)展趨勢。本文選用Silicon Labs公司生產(chǎn)的C8051f005型嵌入式芯進行控制，對電源主電路實現(xiàn)了全數(shù)字控制，提高了輸出電壓的穩(wěn)定性和精確性?？刂扑惴ㄍㄟ^軟件編程實現(xiàn)，所以容易升級維護，便于系統(tǒng)的升級，也使得用戶根據(jù)各自的需要選擇不同的控制功能更加便利。

大功率移動電源的研究，創(chuàng)造性的將電池充電逆變一體化，相比以往的UPS，發(fā)電機等應急設(shè)備，其體積更小巧，成品質(zhì)輕，操作簡單，性能優(yōu)良，帶載能力更強，可廣泛應用電氣試驗的常規(guī)用電需求，避免停電無法作業(yè)引起客戶不滿意，產(chǎn)生良好的經(jīng)濟、社會效益。