小型户外专业设备的多功能移动电源设计

山 西建筑
SHANXI ARCHITECTURE
第40卷第11期2 0 2 1年6月
Vol. 40 No. 11Jun. 2221
• 19 •
DOI ：10. 13019/j. cnkd 1009-6325.2021. 01.039
小型户外专业设备的多功能移动电源设计★
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 10044）
摘 要:基于当前户外专业设备缺乏移动电源的现状，设计了一款小型户外专业设备便携式供电移动电源。

该移动电源具有多种
功能,可实现3•3 V~12 V 的供电。

设计过程中，优选移动电源的外形构造及多种功能，创新研发了两种供电方式，既可基于太阳
能电池板实现移动电源电压输入，采用共射放大器控制整流二极管的导通与截止，经变压器降压为5 V 直流电;也可通过变压器 与整流电桥直接将222 V 市电转化为5 V 直流电，存储于蓄电池。

进而，深入研究了移动电源的调压功能，采用基本放大电路和
AMS1117三端线性降压电路实现固定调压,并利用PWM 原理实现手动控制输出电压，在单片机的辅助控制下，实现在3.3 V~ 1 V 间自由调压输出。

最后,设计移动电源安全保护电路，通过仿真模拟可调电压与整流电路实验，得到的实验结果与预期目标
符合率达99.05%，表明了所设计的可移动电源具有可行性和合理性。

关键词:户外专业设备供电，移动电源，调压中图分类号：S770
文献标识码:A 文章编号:109-6325 （2021） 1 -019-05
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⑴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DC6C 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⑶
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⑷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222 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（1）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（0） ,12 V 电压输出口（3）,通过内部5 V~ 1V 调压电路、5V 〜3.3V 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Sepio 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（1） 等实用结构。

注:1—移动电源本体；2—正接线柱；3—负接线柱；4—照明灯;5—数据线固定
装置;6—3.3 V 电压输出口 ；7—5 V 电压输出口 ；*—12 V 电压输出口 ；9— 充电口 10—移动电源开关；11—液晶显示器；12—太阳能电池板；13—电 压调节按钮；14—硅胶防护
图1移动电源外部结构罩
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STC39 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~ 1 V 调压电路模块与5V 〜3.3 V 调压电路模块，以及为
收稿日期：2221-02-01 ★:大学生创新创业训练项目DC2020103） 作者简介:寇允（2200-），女,在读本科生通讯作者:徐华东（1932-），男，博士，
副教授
第49卷第11期
・11・2021年6月
山西建筑
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P6层交界处存在电子和空穴的浓度差，经过太阳光的照射，会产生新的空穴一电子对，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56]o
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了3。

由于太阳能输出的电压不能直接应用于林业设备，故将9V的电压调整为5V,电压转换电路如图2所示。

图2太阳能供电模块
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、稳流地蓄电皿。

2.1.3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222V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23.736V,再通过整流电桥把交流电转化为直流电，此时电压整流为3V。

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LM7324三端稳压管，使其输出稳定的5V 直流电压，最终连至保护电路部分z。

2.3单片机控制系统
单片机控制系统采用低功耗、高性能CMOS8位STC39 C52RC单片机，包含3k字节Flash,512字节RAM,32位I/O口线，内置4KB EEPROM,MAX312复位电路，3个1位定时器/计数器,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1MHz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ADCO8O3芯片输出口相连，用于输出相应数字信号;双向TO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STC39C52RC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ADCO8O3芯片,将模拟信号转换为数字信号传给单片机。

ADCO8O3芯片是一个含3位A/D转换器,3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25C时功耗为379mW,转换时间取决于芯片时钟频
率，当CCK二500kHz时，c°nv二13ns o在本设计中，最小系统4管脚接5V电源,为数字电路提供电压,22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；P3.6/3.3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。

C1
3Op
¥口L2
C2 3。

卩
VB
H0
VS LIN C0M L0
fr
STT
"
^
5
6
.
-°
「2
-31
^
-6
-7
巩
巩
巩
巩
PO.O/ADO
P0.1/AD1
P0.2/AD2
PO.3/AD3
P0.4/AD4
PO.5/AD5
P0.6/AD6
PO.7/AD7
P2.O/AD8
P2.1/AD9
P2.2/AD1O
P2.3/AD11
P2.4/AD12
P2.5/AD13
P2.6/AD14
P2.7/AD15
P3.O/RXD
P3.1/TXD
P3.2//=JO
P3.3/I=TT
P3.4/TO
P3.5/T1
P3.6/WR
P3.7/RD
RP
Q PWM
1
2
3
4
5
6
7
3
3
3
3
3
3
3
3
R
R
R
R
R
R
R
R
-O
-O
-O
专
-O9
且2
「
4J
27n
AT89C52
图3
单片机引脚
第49卷第11期
2021年6月寇允等:小型户外专业设备的多功能移动电源设计・111•
P2.7O
P3.6O
U4：A
74LS02
U4：B
P3.7O
74LS02
7
8
1
2
3
4
5
5
4
3
2
2
2
2
2
2
2
12
26
VRE?+
VREF(-
ADC0808图4转换模块电路
2.3调压电路部分
2.3.15V〜12V调压电路部分
5V〜12V调压电路部分采用同相放大器，将输入的5V电压放大为12V。

为保证电压输出稳定，在输入和输出与地之间都连接电容C1和C2,以避免稳压所造成的波动的影响。

电阻他作平衡电阻,选取平衡阻值33il,通过调整正相输入端电阻尽与反馈电阻R f的比值来控制输出电压的放大倍数。

在同相放大器的放大电路中，满足U o二（1+R）U关系，输入的U为5V恒压直流电，输出
为12V恒压直流电，为保证输出电压的稳定性,需使反馈电阻尽可能大，因而选取R f二144kO,则与之对应的R二100kl。

为降低输出阻抗以实现阻抗匹配,在放大电路后加射极跟随器，同时起到缓冲的作用。

2. 3.55V〜3.3V调压部分
5V〜3.3V调压电路采用输出低压差的三端线性降压芯片AMS1113,将输入的5V电压降至固定电压3.3V 输出。

AMS1113芯片内部集成过热保护和限流电路，不需要外加过流保护电路。

AMS1113工作于5V直流电压下，由输入T引脚接5V直流电源驱动芯片工作;GND引脚接地,为芯片提供地电平;输入和输出端并联3uF的电解电容和100nF的瓷片电容，保证输入、输出电压的稳定。

当负载电流超过1.2A或电路温度高于104C时，过流保护电路动作，保证芯片和系统安全。

2.3.3可调电压部分
可调压部分选用开关电源拓扑结构Sepic变换电路，在周期恒定时，可通过改变脉冲宽度来改变占空比从而实现升压和降压［⑶。

在器件方面选用全控型晶体管IGBT以及肖特基二极管，IGBT综合了GTR和M0SFETE的优点不仅通流能力强，而且开关速度快且具有良好的热稳定性；肖特基二极管导通损耗小、效率高，作为续流二极管可有效提咼电压转换效率。

基本电路见图5O在一个周期内，开关T
闭合时，电源为电感L1充电，同时耦合电容C为电感L2充电，续流二极管D正极呈现负电压而截止，并且滤波电容C2与负载两端电压相同;开关T断开时，电感L1为耦合电容充电，续流二极管D导通,电感L2为负载供电,输出电压的平均值可表示为：匕u二=51。

在本设计中，电路输入为市电或光电整流后的5V电压，通过C52单片机的定时器输出的PWM方波通过驱动电路调节占空比，从而控制IGBT的开通与关断，最终达到控制输出电压的效果口4,5o
图5可调压部分基本电路
L1
H1~).BT
C5
TO
200u
强”
D2
—M—
DIODE
匸n C6
〒200u 5V—------------------------------
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3A,且在输出大电流时产生的热量比线性稳压IT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2uA,从而使整个电路更加稳定。

1管脚通过电解电容连接5V 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
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・112・2021年6月
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状态，蓄电池停止向输出部分提供直流电源，实现过放保护曲。

图6过充保护电路
3软件模拟仿真与验证
电路采用MUtisiml4.2进行仿真，由此验证电路的正确性。

220V正弦交流电经变压器隔离，之后流过单相整流桥，输入电压U在正半周的力e二0之后，整流电压U d二U，经过导通角&时间后U d下降直至反向电压正半周叫二0,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咒轴的稳定直线。

太阳能经光电转换后的电压为6V,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9所示。

5V〜3.3V,V〜12V和可调电压波形类似，输入电压为恒定5V平行于咒轴的直流电，输出的电压都为恒定的直流电压，波形均为平行于％轴的直线，幅值分别为3.3V和12V。

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9.5V,之后输出电压稳定在9.5V,波形为平行于咒轴的直线，如图2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。

15
>
10
510152025
时间/s
图7恒定直流输出波形
10152025
时间/s
图8调压输出7.5V时仿真波形图
220V正弦交流电经过变压器降压后，已降得的电压峰峰值为28.507V,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2V与市电220V调整到稳定的直流5V电压输入。

在调压电路上，将5V电压采取三端线性降压芯片AMS1112调整到3.3V稳定输出、采取同相放大器放大电路调整到12V的升压输出，并通过STC26C52RC单片机与模数转换模块构成的单片机控制系统，实现3.3V〜12V范围内的调压输出。

为不同户外小型林业设备提供3.3V和12V的电压供给,同时通过直流接线柱，实现3.3V〜12V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。

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Design of multi -functional portable power supply fot smalt outdoor prtfessionat equipment ★
Kou Yun Ma Wenbing Wang He Su Yaxio Gong Ziyi Xu Huadong*
(College of Engineering and Technology , Northeast Forestry University , Harbin 152044 , China )
Abstraci : BaseP on the currept sitnation of the lack of mobilp power supply for outdoor professional equipmept, a smali portable
portable powse supply foe 。

述,。

！ p rofessionai epuipmepi is OesipaeP. Ths moOils powse supply has a variety of fuactioos aaO cua
ackieve powse supply of 3. 3 V tn 1 V. 1/ ths Oesipa process , ths optimal shape strncture aaO a vvriety of 伍.。

,.of ths mooils powse supply , inaovative researck ana Oevelopmept of two ways of powse supply , whick can be baseP cm solan pabeis to ackieve ths
mooile powec supply voltage O ppt, ths uss of cu-emissiop amplifiecrectifiec OioOp copOpctiop aaSths transformsc
step-6owa to 5 V DC , it caa alsu cowert 222 V maias electricity into 5 V DC electricity Oirectly thropgh transformsc at rectifiec brid/s aap store O O acckmulatoc. Then, ths voltags revulatiop fuactioo of ths mopilc powsc supply is stuOieP Oeeply. The basie
amplificc circkit aap AMS111 three -termiaai liaeac step-6owa circkO are useP to realizs the fixeP voltags revulatiop, aap the PWM
priaciple is useP to realize the cop W o I of the optppt vvltage. Unpec the apxiliary cop W o I of single-chip microcomputec , the
free voltaae revulatiop is r ealizeP betweee 3.3 V 〜1 V. Finally , the safety protectioo circkit of the mooile powec supply is
OesigneP. Thropgh the simulatioo experimeet of anjustanle voltaae ana rectifiea circkit, the coiaciPepcc rate betweee the experO mentat resultr hp O the expecteO target reackes 99. 35% , whick inaicates thal the OesigaeO portame powec supply is feasible hp O
reasopanle.
Key worts : powec supply fot optyooa -10X5X0^ epuipmept , moPOe powec supply , pressure ogulatiiig
(上接第13页)的尾流区的涡流内滞留，之后经由排风 口排出。

图9中微气团的运动极有规律,流线几乎平行，是 非常有利于污染物控制的流场。

图9若干微气团的运动路径
另外,在人呼吸高度1.5处，室内平均浓度为0.55 m//m 5, 且超过1 mg/m 3范围仅有打磨件下风向的小区域内。

4结语
本研究采用CFD 数值模拟的方法计算了打磨间污染 物扩散的情况，对给定的送排风条件下的风场、温度场与污 染物扩散状况进行了深入的分析，得出以下结论：
进风口(门洞)与排风口相对布置,并且风量足够，所 以在室内形成了“活塞流”。

此种流动方向一致性好，污染 物直接被排出，不容易扩散，是非常好的通风方式。

高温气体和污染物被限制于打磨件尾流区内的很小的 区域内，没有向外部扩散，从而保证绝大部分人员工作区域 的舒适性与空气品质可以达到标准。

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Simulation analysis of pollutani diffusion in grinding arer of ccsting workstop
Li Yang Wang Zherjing
(China Shipbuilding Industre Corporation IntereationaO Engineering Co. , Lth. , Beijing 10024, China )
Abstraci : 1/ this papea, the aiOlow oraapizatiob arO the diOusion OistriPution of -011X11:1 in the
room integrai Ousl re-
movat system with siPe-wall return air in the casting worOshop were simulateP apa apalyzeP, whick intuitively 16X601:60 the winO fielO , temperature fielO arO -0111X8^: diOusion of the -0111X8^:1 in the grinping area. Il was proveO that the system har goof eOecl on controlling the diOusion of Oust-containing gases arO reOucing the Oust concextration in the worOing area of personnel , which
proveO the practicarility of the methob.
Key worts : casting shop, siPe wall return air integrateO Oust removal system ,
simulation。