一种基于单片机的大功率移动电源设计

摘要：随着社会的进步和随着社会的进步、科学技术的发展和电力电子技术的广泛应用，电气化生产、电气化交通、电力设备的应用变得越来越广泛，已经融入到了社会的各个角落。大功率移动电源设备是为了方便使用者，在没有供电电源及设施的野外作业、在供电电压不清楚无法使用、在现场用电出现异常而无法使用等场合，可以使用大功率移动电源设备，这样可以为你的设备提供长时间的安全保障供电系统，特此提出了一种大功率移动电源的设计方案，详细给出了方案的硬件电路设计和软件流程，具有很强的使用价值。

大功率移动电源设备是为了方便使用者，在没有供电电源及设施的野外作业、供电电压不清楚无法使用、在现场用电出现异常而无法使用等场合，可以使用电气试验移动电源设备，这样可以为你的设备提供长时间的安全保障供电系统。通常情况下，在野外作业，进行电力设备检测时，由于供电情况未知，或者完全没有供电电源等因素，都将会造成工时延误或者无法使用设备作业。故此，为保证在无法用电，负载较大的情况下，对设备进行持续供电，特研制该大功率移动电源，保证在断电状态下临时用电需求。

该供电设备集安全、智能于一身，结构简单。具有当前电压、电流值及相关用电参数值的液晶显示。它可为用电操作人员提供用电技术参数。使操作人员用电更安全、更直观、更方便。

1.移动电源基本构架及关键技术

大功率移动电源是一种采用可充电电池作为储电单元，通过将电池的24V直流电通过变压器升压，经过整流桥IGBT开关管整流成所需要的单相220V交流电，直接对用电器供电或者充电，以达到为设备持续续航的目的。大功率移动电源的基本构成一般由可充电电池、升压降压电路，充电管理电路，电池保护电路，控制电路组成基本构架示意图如图1所示。

从大功率移动电源的基本构架上看，可以把移动电源的结构简化为两大部分，控制电路和被控器件。主控电路使用C8051F系列单片机，C8051F000系列器件是完全集成的混合信号系统级MCU芯片，用于老式51芯片没有的内置12位多通道ADC和一个10位的多通道ADC，由于其抗干扰性好，稳定等特点被广泛用于仪器仪表行业。同时采用128*64点阵液晶显示数据，缩小开发周期和成本。对交流侧进行100us采样，采样2个周期，每个周期采样50个数据点。用均方根算法，算出交流电压的有效值。并且采用软件进行简单滤波，显示数值稳定，精度高。被控器件有：充电模块、逆变模块、电池。电池的材料、体积、容量等直接影响大功率移动电源的质量，由于使用了磷酸铁电池，在放电性能和稳定性等方面都较一般锂电池有大幅度的改善。

系统主控板是大功率移动电源的主要电路设计，该电路板主要功能是实现对电池的充放电管理、逆变模块的输出检测，用电参数的显示以及对电池的保护。大功率移动电源使用的电池电压一般在24—29.4V，输出的是220V交流纯正弦波，和市电完全一样，克服了方波不能带仪器的缺点。达到充电电压稳定，充满后转为浮充模式，防止电池的过充和倒灌电流等问题。电池的选型：选用体积小，输出电流大的电池，达到1200W的输出功率，由于其输出功率大，也会伴随产生许多高频干扰，对其输出和输出进行滤波是必要的，以保证其供电质量。对大功率移动电源的性能及安全性的影响很大。

2.硬件电路设计及关键芯片介绍

随着集成电路技术的飞速发展，电路保护板的各个功能实现有很多方案。根据大功率移动电源的基本结构给出硬件设计框架图如图2所示。

2.1 控制电路电源设计

由于逆变模块会产生高频的干扰回传上控制板，对控制芯片产生干扰，所以控制板的电源需要进行严格的隔离，对模拟地、数字地和采样地进行一点接地的方式，+5V电源由电池的24V经过LM2576输出+5V，再经过电容电感滤波，给各个电路模块供电。E0505S输入+5V，双路分别输出+5V、-5V，给采样芯片OPA2277供电。由于C8051F芯片采用+3.3V供电，所以需要使用LM1117-3.3将+5V转为+3.3V，同时起到隔离作用，如图3。

2.2 单片机电路设计

图4中主芯片采用C8051F005芯片，由于该芯片的稳定性和低功耗等特性，被广泛运用于电子仪器仪表行业。

2.3 开机控制电路设计

如图4该控制电路主要完成电压采集、输入输出控制、用电参数显示、人机交互等功能。图5按键控制电路模块设计，当按键开机后，单片机上电通过P25口发送一个周期小于100ns的脉冲，由于电容的充放电特性，使IRF9630持续导通，对控制板供电。当单片机程序跑飞时，此设计能保证设备可以自动关机，做了一个硬件的关机保护，使系统更加安全可靠，同时使用P24口检测按键持续时间，当长按开机键时，单片机自动停止P25的脉冲发送，进行自杀操作，做到一键开关机功能。

综上所述，单片机已成为计算机发展和应用的一个重要方面，单片机应用的重要意义还在于，它从根本上改变了传统的控制系统设计思想和设计方法。从前必须由模拟电路或数字电路实现的大部分功能，现在已能用单片机通过软件方法来实现了。这种软件代替硬件的控制技术也称为微控制技术，是传统控制技术的一次革命。此外在开发和应用过程中我们更要掌握技巧，提高效率，以便于发挥它更加广阔的用途.

2.4 采样电路设计

由于电池侧的输出电流较大，用电阻法采集的话，对电阻精度要求较高，所以此处采用了霍尔传感器来采集直流电流，对电池的放电电流进行监测，防止其过放电。同时使用电阻分压法监测电池侧电压。如图6：JP4端子连接了用于采样的霍尔传感器，将电流型号转换成电压信号，OPA2277对采集上来的电压信号进行低通滤波处理，再输出给芯片的模拟输入采集端AIN0口。芯片对充电模块的输出进行监测，将信号滤波送到芯片的AIN1模拟输入口，当信号大于2V时，判定为充电状态。

图7为交流电压的采集方法，由于单片机ADC模拟采集口只能采集0V-2.4V的电压，所以需要先将交流输出侧通过电阻分压法，采集R25两端的电压进行滤波，同时单片机的DAC0口输出一个1.2V电压，用加法器将采集过来的电压叠加上1.2V，将其抬高到0V以上，输入到单片机的ADC模拟采集口，用此法比一般的将采集电压转换成直流电压的方法更加具有实时采集性。电流采样使用图8的互感器讲行采样。

3.软件设计

单片机程序设计要使整个电路稳定有序的工作，因此必须考虑每个单元电路的工作原理和时序要求。本软件的工作原理是，单独开启一个心跳计时器进行分时操作，主流程图如如9所示，交流采样端采用均方根算法惊行交流电压电流的换算，如下代码：

4.结语

传统的移动电源技术多采用模拟控制或者模拟控制与数字控制相结合的控制方法，其缺点有以下几点： 

①控制单元的元器件比较多，体积庞大，结构复杂;

②硬件电路设计完成之后，控制策略就固定了，不易更改为其他的方式，灵活性不够;

③硬件调试比较麻烦，由于元器件特性不完全一致，致使电源的一致性差。模拟元器件的工作点存在漂移，这会导致系统参数的漂移，从而造成调试硬件电路的不便。

以上分析可知传统的模拟控制方式在许多场合已不适应新的设计要求。随着高速、廉价的数字信号处理器的问世，于是便出现了数字电源。其优点有以下几点：

①嵌入式芯片更容易实现数字化的处理和控制，避免了模拟信号传递过程中出现的信号畸变、失真等情况，同时也减少了由于杂散信号而引起的干扰;

②可控性好，由于嵌入式芯片本身可编程，所以软件容易升级维护，便于系统的升级维护;

③数字电源可以方便的和其它功能相结合，如无线通讯功能可实现远程遥感、遥测、遥调，人机交互模块可提供友好的人机界面等。

这些优点使得数字化控制成为以后电源技术的发展趋势。本文选用Silicon Labs公司生产的C8051f005型嵌入式芯进行控制，对电源主电路实现了全数字控制，提高了输出电压的稳定性和精确性。控制算法通过软件编程实现，所以容易升级维护，便于系统的升级，也使得用户根据各自的需要选择不同的控制功能更加便利。

大功率移动电源的研究，创造性的将电池充电逆变一体化，相比以往的UPS，发电机等应急设备，其体积更小巧，成品质轻，操作简单，性能优良，带载能力更强，可广泛应用电气试验的常规用电需求，避免停电无法作业引起客户不满意，产生良好的经济、社会效益。