一種基于單片機(jī)的大功率移動(dòng)電源設(shè)計(jì)

摘要：隨著社會(huì)的進(jìn)步和隨著社會(huì)的進(jìn)步、科學(xué)技術(shù)的發(fā)展和電力電子技術(shù)的廣泛應(yīng)用，電氣化生產(chǎn)、電氣化交通、電力設(shè)備的應(yīng)用變得越來(lái)越廣泛，已經(jīng)融入到了社會(huì)的各個(gè)角落。大功率移動(dòng)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(wú)法使用、在現(xiàn)場(chǎng)用電出現(xiàn)異常而無(wú)法使用等場(chǎng)合，可以使用大功率移動(dòng)電源設(shè)備，這樣可以為你的設(shè)備提供長(zhǎng)時(shí)間的安全保障供電系統(tǒng)，特此提出了一種大功率移動(dòng)電源的設(shè)計(jì)方案，詳細(xì)給出了方案的硬件電路設(shè)計(jì)和軟件流程，具有很強(qiáng)的使用價(jià)值。

大功率移動(dòng)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(wú)法使用、在現(xiàn)場(chǎng)用電出現(xiàn)異常而無(wú)法使用等場(chǎng)合，可以使用電氣試驗(yàn)移動(dòng)電源設(shè)備，這樣可以為你的設(shè)備提供長(zhǎng)時(shí)間的安全保障供電系統(tǒng)。通常情況下，在野外作業(yè)，進(jìn)行電力設(shè)備檢測(cè)時(shí)，由于供電情況未知，或者完全沒有供電電源等因素，都將會(huì)造成工時(shí)延誤或者無(wú)法使用設(shè)備作業(yè)。故此，為保證在無(wú)法用電，負(fù)載較大的情況下，對(duì)設(shè)備進(jìn)行持續(xù)供電，特研制該大功率移動(dòng)電源，保證在斷電狀態(tài)下臨時(shí)用電需求。

該供電設(shè)備集安全、智能于一身，結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單。具有當(dāng)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(dòng)電源基本構(gòu)架及關(guān)鍵技術(shù)

大功率移動(dòng)電源是一種采用可充電電池作為儲(chǔ)電單元，通過(guò)將電池的24V直流電通過(guò)變壓器升壓，經(jīng)過(guò)整流橋IGBT開關(guān)管整流成所需要的單相220V交流電，直接對(duì)用電器供電或者充電，以達(dá)到為設(shè)備持續(xù)續(xù)航的目的。大功率移動(dòng)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(hù)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(dòng)電源的基本構(gòu)架上看，可以把移動(dòng)電源的結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)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(jī)，C8051F000系列器件是完全集成的混合信號(hào)系統(tǒng)級(jí)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(gè)10位的多通道ADC，由于其抗干擾性好，穩(wěn)定等特點(diǎn)被廣泛用于儀器儀表行業(yè)。同時(shí)采用128*64點(diǎn)陣液晶顯示數(shù)據(jù)，縮小開發(fā)周期和成本。對(duì)交流側(cè)進(jìn)行100us采樣，采樣2個(gè)周期，每個(gè)周期采樣50個(gè)數(shù)據(jù)點(diǎn)。用均方根算法，算出交流電壓的有效值。并且采用軟件進(jìn)行簡(jiǎn)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(dòng)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(dòng)電源的主要電路設(shè)計(jì)，該電路板主要功能是實(shí)現(xiàn)對(duì)電池的充放電管理、逆變模塊的輸出檢測(cè)，用電參數(shù)的顯示以及對(duì)電池的保護(hù)。大功率移動(dòng)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(diǎn)。達(dá)到充電電壓穩(wěn)定，充滿后轉(zhuǎn)為浮充模式，防止電池的過(guò)充和倒灌電流等問(wèn)題。電池的選型：選用體積小，輸出電流大的電池，達(dá)到1200W的輸出功率，由于其輸出功率大，也會(huì)伴隨產(chǎn)生許多高頻干擾，對(duì)其輸出和輸出進(jìn)行濾波是必要的，以保證其供電質(zhì)量。對(duì)大功率移動(dòng)電源的性能及安全性的影響很大。

2.硬件電路設(shè)計(jì)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(hù)板的各個(gè)功能實(shí)現(xiàn)有很多方案。根據(jù)大功率移動(dòng)電源的基本結(jié)構(gòu)給出硬件設(shè)計(jì)框架圖如圖2所示。

2.1 控制電路電源設(shè)計(jì)

由于逆變模塊會(huì)產(chǎn)生高頻的干擾回傳上控制板，對(duì)控制芯片產(chǎn)生干擾，所以控制板的電源需要進(jìn)行嚴(yán)格的隔離，對(duì)模擬地、數(shù)字地和采樣地進(jìn)行一點(diǎn)接地的方式，+5V電源由電池的24V經(jīng)過(guò)LM2576輸出+5V，再經(jīng)過(guò)電容電感濾波，給各個(gè)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(shí)起到隔離作用，如圖3。

2.2 單片機(jī)電路設(shè)計(jì)

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(yùn)用于電子儀器儀表行業(yè)。

2.3 開機(jī)控制電路設(shè)計(jì)

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(jī)交互等功能。圖5按鍵控制電路模塊設(shè)計(jì)，當(dāng)按鍵開機(jī)后，單片機(jī)上電通過(guò)P25口發(fā)送一個(gè)周期小于100ns的脈沖，由于電容的充放電特性，使IRF9630持續(xù)導(dǎo)通，對(duì)控制板供電。當(dāng)單片機(jī)程序跑飛時(shí)，此設(shè)計(jì)能保證設(shè)備可以自動(dòng)關(guān)機(jī)，做了一個(gè)硬件的關(guān)機(jī)保護(hù)，使系統(tǒng)更加安全可靠，同時(shí)使用P24口檢測(cè)按鍵持續(xù)時(shí)間，當(dāng)長(zhǎng)按開機(jī)鍵時(shí)，單片機(jī)自動(dòng)停止P25的脈沖發(fā)送，進(jìn)行自殺操作，做到一鍵開關(guān)機(jī)功能。

2.4 采樣電路設(shè)計(jì)

由于電池側(cè)的輸出電流較大，用電阻法采集的話，對(duì)電阻精度要求較高，所以此處采用了霍爾傳感器來(lái)采集直流電流，對(duì)電池的放電電流進(jìn)行監(jiān)測(cè)，防止其過(guò)放電。同時(shí)使用電阻分壓法監(jiān)測(cè)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(hào)轉(zhuǎn)換成電壓信號(hào)，OPA2277對(duì)采集上來(lái)的電壓信號(hào)進(jìn)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(duì)充電模塊的輸出進(jìn)行監(jiān)測(cè)，將信號(hào)濾波送到芯片的AIN1模擬輸入口，當(dāng)信號(hào)大于2V時(shí)，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(jī)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(guò)電阻分壓法，采集R25兩端的電壓進(jìn)行濾波，同時(shí)單片機(jī)的DAC0口輸出一個(gè)1.2V電壓，用加法器將采集過(guò)來(lái)的電壓疊加上1.2V，將其抬高到0V以上，輸入到單片機(jī)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(shí)時(shí)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(jì)

單片機(jī)程序設(shè)計(jì)要使整個(gè)電路穩(wěn)定有序的工作，因此必須考慮每個(gè)單元電路的工作原理和時(shí)序要求。本軟件的工作原理是，單獨(dú)開啟一個(gè)心跳計(jì)時(shí)器進(jìn)行分時(shí)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(yǔ)

傳統(tǒng)的移動(dòng)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(diǎn)有以下幾點(diǎn)：

①控制單元的元器件比較多，體積龐大，結(jié)構(gòu)復(fù)雜;

②硬件電路設(shè)計(jì)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(diǎn)存在漂移，這會(huì)導(dǎo)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(chǎng)合已不適應(yīng)新的設(shè)計(jì)要求。隨著高速、廉價(jià)的數(shù)字信號(hào)處理器的問(wèn)世，于是便出現(xiàn)了數(shù)字電源。其優(yōu)點(diǎn)有以下幾點(diǎn)：

①嵌入式芯片更容易實(shí)現(xiàn)數(shù)字化的處理和控制，避免了模擬信號(hào)傳遞過(guò)程中出現(xiàn)的信號(hào)畸變、失真等情況，同時(shí)也減少了由于雜散信號(hào)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(jí)維護(hù)，便于系統(tǒng)的升級(jí)維護(hù);

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

這些優(yōu)點(diǎn)使得數(shù)字化控制成為以后電源技術(shù)的發(fā)展趨勢(shì)。本文選用Silicon Labs公司生產(chǎn)的C8051f005型嵌入式芯進(jìn)行控制，對(duì)電源主電路實(shí)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^(guò)軟件編程實(shí)現(xiàn)，所以容易升級(jí)維護(hù)，便于系統(tǒng)的升級(jí)，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(dòng)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(jī)等應(yīng)急設(shè)備，其體積更小巧，成品質(zhì)輕，操作簡(jiǎn)單，性能優(yōu)良，帶載能力更強(qiáng)，可廣泛應(yīng)用電氣試驗(yàn)的常規(guī)用電需求，避免停電無(wú)法作業(yè)引起客戶不滿意，產(chǎn)生良好的經(jīng)濟(jì)、社會(huì)效益。