移動(dòng)電源性能檢測(cè)儀設(shè)計(jì)

陳 清 華

(福建師范大學(xué)協(xié)和學(xué)院， 福州 350108)

移動(dòng)電源性能檢測(cè)儀設(shè)計(jì)

陳 清 華

(福建師范大學(xué)協(xié)和學(xué)院， 福州 350108)

為了有效檢測(cè)移動(dòng)電源的質(zhì)量與性能，設(shè)計(jì)一款移動(dòng)電源性能檢測(cè)儀。檢測(cè)儀系統(tǒng)以STM32單片機(jī)為主控電路；分流器產(chǎn)生的一路微小電壓經(jīng)放大后送入A/D接口進(jìn)行采樣，另一路微小電壓經(jīng)放大后與設(shè)定的放電電流對(duì)應(yīng)的D/A輸出電壓進(jìn)行比較；比較器輸出電壓控制電子負(fù)載MOS管導(dǎo)通量，組成閉環(huán)調(diào)節(jié)，從而實(shí)現(xiàn)移動(dòng)電源恒流放電。對(duì)電流、電壓采樣數(shù)據(jù)進(jìn)行處理，得到移動(dòng)電源性能參數(shù)，系統(tǒng)兼具過(guò)流保護(hù)等功能。

運(yùn)算放大器； 分流器； 電子負(fù)載； STM32單片機(jī)； 性能檢測(cè)

目前移動(dòng)電源市場(chǎng)問(wèn)題也較多，各品牌魚(yú)龍混雜，產(chǎn)品質(zhì)量參差不齊，電芯濫用、容量虛標(biāo)等問(wèn)題較突出[1-2]。由于鋰電池的化學(xué)特性活潑且能量密度高，過(guò)度充電、過(guò)度放電或使用劣質(zhì)電路板都可能引起移動(dòng)電源的自燃、爆炸[3]。近幾年來(lái)，質(zhì)量不達(dá)標(biāo)移動(dòng)電源所引起的移動(dòng)電源自燃、爆炸等安全事故頻發(fā)，給消費(fèi)者的人身安全帶來(lái)了極大的風(fēng)險(xiǎn)。為了能夠有效檢測(cè)移動(dòng)電源性能，在此設(shè)計(jì)開(kāi)發(fā)一款精度高、體積小、成本低的新型移動(dòng)電源檢測(cè)儀。

1 系統(tǒng)硬件設(shè)計(jì)

1.1 硬件系統(tǒng)總體設(shè)計(jì)方案

系統(tǒng)采用STM32單片機(jī)為主控器，并由電壓放大器、電壓比較器、功率管、電流分流器、電壓采集和按鍵模塊等組成。圖1所示為系統(tǒng)硬件總體框圖。硬件工作原理是，接通移動(dòng)電源后，通過(guò)按鍵啟動(dòng)設(shè)備對(duì)移動(dòng)電源進(jìn)行放電測(cè)試，同時(shí)可通過(guò)按鍵來(lái)設(shè)置移動(dòng)電源的放電電流大小。DA接口輸出電壓大小與設(shè)定的放電電流大小相對(duì)應(yīng)，此電壓經(jīng)運(yùn)算放大器放大后輸入電壓比較器的同相輸入端。同時(shí)，放電電流流經(jīng)shunt兩端產(chǎn)生的微小電壓有一路經(jīng)過(guò)微電壓放大模塊放大后，送入微控制器AD接口進(jìn)行采樣；另一路經(jīng)放大后輸入電壓比較器的反相輸入端，電壓比較器輸出控制功率管導(dǎo)通量，從而形成閉環(huán)電路實(shí)現(xiàn)放電電流自動(dòng)調(diào)節(jié)，并對(duì)移動(dòng)電源恒流放電。電壓采集模塊采集到移動(dòng)電源兩端的電壓，然后輸入另一AD接口采樣，換算成對(duì)應(yīng)電壓值。放電電流和電壓采集結(jié)束后，經(jīng)過(guò)微處理器處理得到當(dāng)前已消耗的容量。當(dāng)移動(dòng)電源電壓下降到一定值或移動(dòng)電源能量消耗完畢時(shí)，系統(tǒng)會(huì)自動(dòng)斷開(kāi)測(cè)試，最后顯示的結(jié)果為移動(dòng)電源最大放電電流和移動(dòng)電源的最終剩余容量。

1.2 主控電路設(shè)計(jì)

主控制器選用了ST公司的32位單片機(jī)STM32F103RET6，512KiB flash，64KiB RAM，主工作頻率為72 MiHz，3個(gè)12位ADC，2個(gè)12位DAC，3個(gè)SPI接口，2個(gè)IIC接口，1個(gè)USB接口，1個(gè)CAN接口，5個(gè)USART接口等。STM32F103RET6最小系統(tǒng)由復(fù)位電路、晶體振蕩電路、下載接口電路等組成。圖2所示為STM32F103RET6最小系統(tǒng)電路。

1.3 電流采集電路設(shè)計(jì)

電流采集方法有霍爾電流傳感器測(cè)量法、小電阻采樣測(cè)量法、電流互感器測(cè)量法等[4]?；魻杺鞲衅魅菀资軠囟扔绊?，反應(yīng)時(shí)間慢，體積大，價(jià)格成本高，不適用于本次設(shè)計(jì)。小電阻采樣反應(yīng)速度快，精度較高，且價(jià)格成本低，因此選用電阻采樣法對(duì)電流進(jìn)行采樣測(cè)量。電阻采樣法對(duì)電阻的要求非常嚴(yán)格。如果直接使用普通水泥電阻或者金屬膜電阻的話(huà)，很容易受溫度的影響而產(chǎn)生溫漂，從而導(dǎo)致測(cè)量精度不高甚至失效。而康銅具有電阻溫度系數(shù)小、穩(wěn)定性好、精度高、阻值很小等優(yōu)點(diǎn),所以選用康銅作為采樣電阻。

圖1 硬件系統(tǒng)總體框圖

圖2 STM32F103RET6最小系統(tǒng)電路

圖3所示為電流采集電路。圖中的運(yùn)算放大器采用高精度、低噪聲集成運(yùn)放OP07，系統(tǒng)中功率元器件起到電子負(fù)載的作用，所以自身?yè)p耗不能太大，否則容易因過(guò)熱而燒毀。MOS管價(jià)格適中，導(dǎo)通壓降小，柵極驅(qū)動(dòng)電流小，自身?yè)p耗小，驅(qū)動(dòng)電路簡(jiǎn)單，且有自帶保護(hù)二極管，熱阻特性好，適合大功率場(chǎng)合中使用。因此設(shè)計(jì)中選用MOS管為功率器件。IRF540N是三洋公司推出的一款N溝道大功率MOS管，其Id電流可高達(dá)3 3A，Vds電壓最大達(dá)100 V，功率達(dá)到了120 W，滿(mǎn)足設(shè)計(jì)需要，因此選用IRF540N作為功率元器件。

開(kāi)始測(cè)試時(shí)，單片機(jī)PB1口輸出高電平，三極管Q3飽和導(dǎo)通，繼電器吸合，移動(dòng)電源與MOS管、shunt形成回路，開(kāi)始放電。其中D1并聯(lián)在繼電器線(xiàn)圈兩端為續(xù)流二極管，用來(lái)保護(hù)電路中其他元器件不被感應(yīng)電動(dòng)勢(shì)擊穿或燒毀。放電電流流經(jīng)shunt時(shí)，shunt兩端產(chǎn)生的微小電壓一路經(jīng)運(yùn)算放大器U3放大后輸入STM32的AD接口進(jìn)行采樣，其中電位器RP3用來(lái)微調(diào)運(yùn)算放大器放大倍數(shù)，達(dá)到更高精度，C12與R26組成簡(jiǎn)單的濾波電路，對(duì)輸入AD接口的信號(hào)進(jìn)行濾波，D5為瞬態(tài)二級(jí)管，用來(lái)保護(hù)單片機(jī)。shunt兩端產(chǎn)生的微小電壓另一路經(jīng)運(yùn)算放大器U5放大后輸入電壓比較器U4的反相輸入端，同時(shí)DA接口PA4輸出與設(shè)定的放電電流大小對(duì)應(yīng)的電壓，該電壓經(jīng)運(yùn)算放大器U2放大后輸入電壓比較器的同相輸入端，電壓比較器輸出控制功率管導(dǎo)通量，從而形成閉環(huán)電路實(shí)現(xiàn)放電電流自動(dòng)調(diào)節(jié)，對(duì)移動(dòng)電源恒流放電。

圖3 電流采集電路

1.4 電壓采集電路的設(shè)計(jì)

電壓采樣包括專(zhuān)用電壓采樣芯片和電阻分壓采樣[5-6]。專(zhuān)用電壓采樣芯片雖然精度高，但成本也高。電阻分壓采樣成本低，精度可以通過(guò)軟件進(jìn)一步提高，因此設(shè)計(jì)中采用電阻分壓采樣設(shè)計(jì)。圖4所示為電壓采樣電路。其中，RP2用來(lái)調(diào)節(jié)分壓系數(shù)，C13與C15為濾波電容，D6瞬態(tài)二極管防止R23短路后輸入單片機(jī)電壓過(guò)大導(dǎo)致單片機(jī)燒毀。移動(dòng)電源電壓經(jīng)電阻分壓后輸入另一AD接口采樣，換算成對(duì)應(yīng)電壓值。

圖4 電壓采集電路

1.5 按鍵電路的設(shè)計(jì)

圖5所示為按鍵電路。4個(gè)輕觸按鍵的功能分別為設(shè)置放電電流增加、設(shè)置放電電流減小、手動(dòng)自動(dòng)設(shè)置放電電流、啟動(dòng)關(guān)閉測(cè)試。

圖5 按鍵電路

2 系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)

系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)功能包括：

(1) 對(duì)分流器shunt兩端產(chǎn)生的微小電壓經(jīng)放大后以及分壓電路的電壓信號(hào)進(jìn)行AD采集；

(3) 循環(huán)掃描按鍵并執(zhí)行相應(yīng)功能；

(4) 根據(jù)外圍電路的參數(shù)計(jì)算放電電流、電壓及放電的容量。

圖6所示為主程序流程。系統(tǒng)上電后進(jìn)行定時(shí)器、中斷、GPIO、ADC、DAC及外接設(shè)備等程序的初始化。啟動(dòng)按鍵掃描并執(zhí)行相應(yīng)功能，每隔一段時(shí)間更新ADCDAC數(shù)據(jù)，并顯示計(jì)算得到的電壓、電流、容量。容量根據(jù)實(shí)時(shí)電流與時(shí)間的乘積之和轉(zhuǎn)換而得[7-8]。

圖6 主程序流程

3 測(cè)試結(jié)果分析

系統(tǒng)可測(cè)量電壓范圍為2～6 V(大部分鋰電池工作范圍為2.5～4.2 V，移動(dòng)電源輸出電壓一般為直流5 V)， 使用福祿克F17B+數(shù)字萬(wàn)用表進(jìn)行測(cè)量。表1所示為萬(wàn)用表與系統(tǒng)電壓測(cè)量數(shù)據(jù)。電壓測(cè)量精度為0.01 V。

表1 萬(wàn)用表與系統(tǒng)電壓測(cè)量數(shù)據(jù) V

系統(tǒng)可測(cè)量電流范圍為0～3 A，同時(shí)使用福祿克F17B+數(shù)字萬(wàn)用表進(jìn)行測(cè)量。表2所示為萬(wàn)用表與系統(tǒng)電流測(cè)量數(shù)據(jù)。電流測(cè)量精度為0.01 A，電流誤差主要是由于運(yùn)算放大器輸出非線(xiàn)性以及采樣電阻發(fā)熱所導(dǎo)致。

表2 萬(wàn)用表與系統(tǒng)電流測(cè)量數(shù)據(jù) A

選用市面上出售的充電寶：型號(hào)為飛毛腿 SPB-M100(額定容量10 000 mA·h)，儀器以2 A的電流放電0.5、1.0、2.0、3.0、4.0、5.0 h，放出容量分別為998、1 990、3 980、6 010、7 930、9 950 mA·h。由測(cè)量數(shù)據(jù)可知，該款充電寶容量接近標(biāo)稱(chēng)容量。

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[2] 張洪斌,曾樂(lè)才,廖文俊，等.鋰電池產(chǎn)業(yè)概況及其在蓄能中的應(yīng)用[J].裝備機(jī)械, 2012(1):38-44．

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DesignofthePerformanceDetectorofPortablePowerSource

CHENQinghua

(Concord College of Fujian Normal University, Fuzhou 350108, China)

In order to avoid the abuse of electric core and the fraud of capacity in portable power market, a portable power detector which can detect the performance of the portable power effectively is designed. The designed system uses STM32 MCU as the main controller. The tiny voltage produced by shunt is divided into two paths. The one is sampled by AD through amplification. The other is amplified and compared with the voltage which is produced by DA according to the set current. The comparator's output controls electronic load MOS which is part of closed-loop control, in order to realize the portable power constant current discharge. The performance parameters such as current and voltage are obtained, and the system has the function of over current protection.

operational amplifier; shunt; electronic load; STM32 MCU; performance measurement

2017-08-05

福建省教育廳A類(lèi)項(xiàng)目“無(wú)線(xiàn)傳感器網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)光伏發(fā)電技術(shù)的研究”(JA12377)

陳清華(1981 — )，女，碩士，講師，研究方向?yàn)殡娮有畔⒓夹g(shù)、嵌入式系統(tǒng)。

TM930

A

1673-1980(2017)06-0099-04