1、XXXX学院毕 业 设 计(论 文) 题目 移动电源的设计与研究 系部 专业 姓名 学号 指导教师 年 月 日 摘 要截止2012年3月，中国智能手机用户数已达到2.52亿人。这充分表明了智能手机已经成为我们日常生活中必不可少的工具。我们拨打电话，听歌、上网、看电影、导航、记事等等都需要用到它，尤其在目前3G和wifi等畅通的网络环境下，智能手机俨然已经成为了生活中的“万能侠”。不过就是这样的“万能侠”也有着致命的弱点：就是“电量不足”，这也是智能手机高速发展至今的一个技术瓶颈，而移动电源的出现恰恰成智能手机的最佳后盾。目前不少智能手机的用户，都会配备一个移动电源，以备不时之需。本文主要完成对
2、移动电源进行硬件和软件设计。硬件部分，本设计的控制器采用意法半导体的ARM（STM32F103）；用BQ24010对移动电源充电和对充电进行过充和过放保护；用LM3478将移动电源电压升为5V，然后给手机等便持设备供电，且其有输出过电流保护功能；电量显示用五个发光LED来表示。本设计的软件用KEIL编译软件，并用ST-LINK仿真器对系统进行在线仿真和下载程序。关键词：移动电源、STM32F103、BQ24010、LM3478ABSTRACTAs of March 2012, the number of smart phone users in China has reached 252 mi
3、llion . This fully shows that the smart phone has become an indispensable tool in our daily lives. Call, listening to music, Internet, watching movies, navigation, Notepad, etc. need to use it, especially in 3G and wifi open network environment, the smartphone seems to have become a life Getter Robo
4、. But is this Mazinger has a fatal weakness: low battery , which is the smartphone rapid development of a technical bottleneck since precisely the emergence of mobile power into the best smartphone backing. At present many smartphone users, will be equipped with a mobile power, to prepare for contin
5、gencies.This thesis completed the hardware and software design of mobile power. Hardware part of the design of the controller STMicroelectronics ARM (STM32F103); BQ24010 mobile power charge and the charge, overcharge and over-discharge protection; promoted to 5V with LM3478 mobile power supply volta
6、ge, and then to the phone they the holding equipment supply, and output overcurrent protection; power five light-emitting LED. The design of the software the KEIL compiler software, and the ST-LINK emulator system to Online Simulation and download the program.Keywords: mobile power supply, the STM32
7、F103, BQ24010, the LM3478目录摘要.ABSTRACT.第一章 绪论.1 1.1 概述.1 1.2 课题分析.2 1.3 设计思路.2 1.4 制作过程.3第二章 系统方案设计.3 2.1 系统需求分析.3 2.2 原理分析.4 2.3 系统硬件方案选择.4第三章 系统硬件电路设计.7 3.1 控制器电路.8 3.2 市电到5V降压电路.9 3.3 移动电源充电及过充、过放保护电路.9 3.4 电池电量检测电路.10 3.5 电源电量显示电路.10 3.6 系统供电管理电路.11 3.7 移动电源电池电压到5V输出升压电路.12 3.8 输出电压检测和输出断路保护电路.1
8、2 3.9 硬件电路元件清单.13第四章 系统软件设计.15 4.1程序结构分析.15 4.2主程序设计.15 4.3 A/D模数转换程序段.16 4.4定时器程序段.17 4.5电量LED显示程序段.17第五章 系统结果分析.18第六章 系统改进.19结束语.19致谢.20参考文献.21附录.22第一章 绪论1.1概述一、 课题背景：随着全球经济的快速发展，人们生活水平的不断提高，随身携带式的电子产品也越来越多，如笔记本电脑、平板电脑、手机、数码相机、摄像机、便携式DVD、PDA、MP3、MP4、GPS、保暖设备、医疗保健设备等。它们都要用到电池，但这些设备的原配电池都会因为电池容量低而不能
9、满足设备的正常使用时间。当出差或旅游时又是这些设备的工作高峰期，经常在关键时刻电池没有电了，特别是在手机正在打电话时，数码相机正在拍照时，PSP游戏机玩的正起劲时，PDA正在工作时等等，让您感觉很无奈和无助。而您也不可能把每种设备都配一个备用电池，不但成本高而且也不方便。基于此，为了解决人们的这种烦恼问题，移动电源应运而生。移动电源最早出现在2001年的CES展览上，那时只是在CES沙摊馆的一地摊似的展览位上，是一个留学生用几节AA电池再带一个控制电路而拼凑起来的。当时这个不起眼的东西，因它能在任何地方给数码产品充电而引起许多参展商的关注。被探子们发现后，许多人士跟风而上，大有要把盏这个新产品
10、-移动电源大炒一把之势。移动电源概念是随着2012年数码产品的普及和快速增长而发展起来的，其定义就是方便易携带的大容量随身电源。从2012年起数码产品功能日益多样化，使用也更加频繁，如何提高数码产品使用时间,发挥其最大功用的问题就凸显重要了。移动电源，就是针对并解决这一问题的最佳方案。拥有一块电源,就可以在移动状态中随时随地为多种数码产品提供电能(供电或充电)。移动电源一种集供电和充电功能于一体的便携式充电器，可以给手机等数码设备随时随地充电或待机供电。一般由锂电芯或者干电池作为储电单元。区别于产品内部配置的电池，也叫外挂电池。一般配备多种电源转接头， 通常具有大容量、多用途、体积小、寿命长和
11、安全可靠等特点，是可随时随地为手机、数码相机、MP3 、 MP4 、PDA 、掌上电脑、掌上游戏机等多种数码产品供电或待机充电的功能产品。移动电源的安全性也是一直以来受到人们重视的问题，然而在市场杂乱无章的情况下移动电源的不安全因素也是越来越多的。移动电源一定要具备：短路、过充、过放、恒流、恒压等保护措施，还应有高性能电源管理技术。二、课题研究意义有了移动电源可以解决众多移动设备的电源供给问题，从而彻底解决缺电之苦，使工作和旅游无忧无虑。市面上有的产品容量高，单机容量可达14000mAh到20000mAh，智能电量指示，一般采用聚合物锂离子电芯，广泛用于5V的设备。1.2课题分析一、课题研究内
12、容锂离子电池是一种应用广泛的可充电电池，它具有单体工作电压高、体积小、重量轻、能量密度高、循环使用寿命长，可在较短时间内快速充足电以及允许放电温度范围宽等优点。此外，锂离子电池还有自放电电流小、无记忆效应和无环境污染等优点。但是，锂电池也是极其脆弱的，对锂电池过充、过放、过电流及短路都会对其造成不可逆转的损害。因此，我们需要对其充放电过程进行全面的保护。二、本文主要完成了以下几项任务：移动电源的设计具体要求：A.内部电池使用18650锂电池;B.充电电路使用降压方式，放电电路可使用升压方式;C.该装置带有电量指示;D.该装置对电池有防止过充、过放及输出断路等保护；E.该装置适用于手机便携充电，
13、成本低、实用性较强、体积小和续航能力强等特点。1.3 设计思路（1）主要任务：查阅相关资料，完成系统整体电路设计，并完成软件调试。（2）预期成果： 在预期的时间内，满足系统的要求。 (3)论文的结构安排如下：第一部分，介绍本设计的背景，分析移动电源系统的发展现状以及实用意义，同时阐明本文的机构安排。第二部分，分析移动电源系统的原理，并完成系统的方案选择。第三部分，完成整个系统的硬件电路设计，并对所用控制器芯片进行介绍。第四部分，完成本设计的系统调试，并分析解决调试中遇到的问题。最后，对文章进行了总结与展望。1.4制作过程看懂移动电源电路原理图，并购买电路图上所需要的元器件，准备好电烙铁，焊锡丝
14、及必要工具。先将所有元器件插在印刷版对应的位置上，然后进行焊接，焊接前应熟悉各芯片的引脚，焊接时参照电路图，仔细地连接引脚。按照以下原则进行焊接：（1）先焊接各芯片的电源线和地线，这样确保各芯片有正确的工作电压；（2）同类的芯片应顺序焊接，在一片焊接并检查好之后，其他的同类芯片便可以参照第一片进行焊接。这样便可大大节省时间，也可降低出错率。最后接入220V单相交流电，对其进行调试，调试完毕后，制作机箱, 并将整个装置电路安装在机箱中。第2章 系统方案设计2.1 系统需求分析本设计是基于控制器的移动电源系统的设计，在熟练掌握控制器的基础知识之外，要求完成以下任务：A.内部电池使用18650锂电池
15、;B.充电电路使用降压方式，放电电路可使用升压方式;C.该装置带有电量指示;D.该装置对电池有防止过充、过放及输出断路等保护；E.该装置适用于手机便携充电，成本低、实用性较强、体积小和续航能力强等特点。2.2 原理分析 图移动电源系统结构框图 如图1所示为移动电源系统结构框图。该系统硬件电路结构比较复杂，主要包括市电到5V降压电路、移动电源充电及过充、过放保护电路、移动电源电池电压到5V输出升压电路、系统供电管理电路、输出断路保护电路、电池电量检测电路、控制器电路、输出电压检测电路和电源电量显示电路。其中，市电到5V输出降压电路中，输入为220V交流市电，经过此电路，转化为5V直流电输出。移动
16、电源充电及过充、过放保护电路主要是在对移动电源进行充电电过程中，对移动电源进行保护，防止因过充或过放对电源电池造成损伤。系统供电管理电路，是对移动电源电池电压进行管理，然后，给控制器供电。通过电池电量检测电路，控制器可以得到移动电源电池电压，根据电池电压对应电量的算法，将电池电量计算出来，然后在电源电量显示电路中进行显示。当控制器通过输出电压检测电路，检测到5输出口的电压为0时，控制器给输出断路保护电路保持关闭，移动电源没有电压输出；当控制器通过输出电压检测电路，检测到5V输出口接有需要充电的手机等便携设备时，控制器给输出断路保护电路一个开启信号，这样，移动电源就可以完成对便携设备进行充电的目
17、的。2.3 系统硬件方案选择2.3.1 控制器电路方案选择 控制器模块选择，可以用PLC、工控机和单片机，但本设计中，前两种器件明显是不需要考虑，价格极其昂贵，且不适合用于手持设备，一款单片机就完全可以达到系统的要求。在这里选用意法半导体的ARM内核的STM32F103，此款ARM价格低廉，资源非常丰富，且功耗低，易于功能扩展。2.3.2 市电到5V降压电路选择选择 基于任务需求，市电到5降压电路方案选择分析如下： 因为需要将市电变为5直流电，直接将市电整流，然后经过buck电路，显示不合理，因为那样占空比太小，不宜对脉宽进行控制。所以，采用先用工频变压器将市电进行降压，整流后，变压到12V直
18、流电，然后，经过buck降压电路，变为5V直流电。可以有以下几种方案选择，方案一：用分立元件构成buck降压电路方案。如用脉宽控制芯片TL494、功率管IRF540等及一些外围器件，组成buck降压电路，此方案结构技术成熟，结构比较简单，功率可以达到几瓦到上百瓦，但调试有些繁琐。方案二：直接带buck电路的集成芯片方案。如LM2596，其内部集成有脉宽控制电路和MOSFET，此方案，输出功率不能太大，只有几瓦到十几瓦，但是其应用简单，外围只需要加几个元器件，就可以达到要求，且输出效果很好，价格低廉，体积小，适用于手持便携设备。综合以上两种方案的优缺点，本设计的加热装置方案采用方案二，因为电源充
19、电功率只需要几瓦，方案二可以简单有效地达到设计的要求。2.3.3 移动电源充电及过充、过放保护电路方案选择移动电源充电及过充、过放保护电路的方案有如下两种：方案一：使用分立元件方案。此方案使用分立元件，电路很复杂，实际制作时，需要花大量时间进行调试，且体积大、成本高。方案二：使用集成芯片方案。如用TI公司的单节锂电池充电管理芯片BQ24010，此芯片给锂电池充电，电流可达1A，能够实时检测锂电池的电压，若电压大于4.2，为避免对锂电池过充，则芯片会停止充电，且在外围接三个发光LED灯，分别代表，充电中、充电完成和电池良好三种状态，完全能够满足要求。且此方案，外围元件少，电路简单，易于硬件制作，
20、体积小。综合以上两种方案的优缺点，本设计采用方案二。2.3.4电池电量检测电路选择因为STM32F103的/D模数转换器的输入通道电压最大值为3.6V，而锂电池正常电压为3.7V4.2V，所以，不能用/D模数转换器对电池电压直接进行采样。电池电量检测电路主要有以下两种方案：方案一：电阻分压方案。此方案原理简单，易于达到测量电池电压问题，但当控制器不需要测电池电压时，电阻也有电流通过，这样浪费了电池的能量。方案二：使用低开启电压MOSFET和电阻分压电阻相串联的方案。此方案中，在需要测量电源电池电压时，控制器使MOSFET导通，因为MOSFET的导通电阻很小，基本不影响电阻分压的结果，当控制器不
21、需要测量电源电池电压时，控制器使MOSFET关闭，电阻上没有电流通过，这样，就可以有效地避免电池能量的浪费。综合以上两种方法，选择方案二。2.3.5电源电量显示电路选择方案一：用液晶LCD1602作显示。LCD1602液晶能显示26个英文字母和一些简单的图标，在人机交互，可以有更多的选择，灵活多变，且价格低廉，占用控制器的资源少，但在手持设备中，LCD1602耗电量大，价格贵，体积大，不适用于手持设备。方案二：用五个发光LED二极管显示。当电量为95%以上时，5个LED全亮；当电量为80%95%，其中有4个LED亮；当电量为60%80%，其中3个LED亮；当电量为40%60%，其中2个LED亮
22、；当电量为20%40%，其中1个LED亮；当电量为20%以下时，5个LED全灭。此方案简单，价廉，且体积小，可视性好。综合以上两种方案的优缺点，本设计采用方案二。2.3.6 系统供电管理电路选择系统供电管理电路，只需要一个低压差的电源管理芯片LDO即可，如TI公司的TPS79633，体积小，纹波小，完全能满足要求。2.3.7 移动电源电池电压到5V输出升压电路方案选择方案一：使用分立元件方案。此方案使用分立元件，电路很复杂，实际制作时，需要花大量时间进行调试，且体积大、成本高。方案二：使用集成芯片方案。如用TI公司的脉宽控制器LM3478，只需要外加一个MOSFET、一个电感和一个二极管，就可
23、以构成一个从电池电压到5输出的boost电路，此方案外围元件少，电路简单，易于硬件制作，体积小。综合以上两种方案的优缺点，本设计采用方案二。2.3.8 输出电压检测电路和输出断路保护电路方案选择输出电压检测电路方法同电源电池电压检测方案原理一样。 第三章 系统硬件电路设计如图2为系统硬件框图，其中，主要包括九个部分：市电到5V降压电路、移动电源充电及过充、过放保护电路、移动电源电池电压到5V输出升压电路、系统供电管理电路、输出断路保护电路、电池电量检测电路、控制器电路、输出电压检测电路和电源电量显示电路。图2系统硬件框图3.1控制器电路如图3所示为STM32F103控制器电路，按键K1为复位按
24、键，XT1为32.768k晶振，为系统实时时钟等提供脉冲，XT2为8M晶振，为系统主时钟。此电路中，电容C1、开关K1、电阻R7和二极管D2组成复位电路，此控制器为低电平复位，单片机上电时，电容C1和R7组成的RC电路中电容缓慢充电，使RST端保持一个到几个微秒的低电平，使单片机上电复位，当电容C1充满电后RST脚变为高电平，单片机开始进入运行状态，复位已经完成；当平时控制器工作，按键K1未按下时，VCC经过电容C1和电阻R7到地，故控制器STM32F103的RST端为高电平，控制器STM32F103能够工作；当按键S3按下时，电阻两端电压从VCC变为0，则控制器STM32F103复位。电路中
25、为了计时方便计算，本设计的晶振选用8MHz和32.768k无源外部晶振。配合两个起振电容C9,C11和C12,C13。形成晶体谐振电路为单片机提供一个8MHz和32.768k的稳定的时钟源。为了方便起振，起振电容选用22pF。图3控制器电路3.2 市电到5V降压电路 如图4为市电到5V降压电路图，首先把市电220V经过工频变压器T1，经整流桥D11整流滤波后，变压12V直流电。然后采用DC-DC电路，将12V直流电变为5V，此处使用buck降压电路。此处，buck降压使用降压芯片LM2596，其内部集成脉宽反馈控制和MOSFET，只需要在外面加一个电感L2和一个二极管1N5824，即可构成bu
26、ck电路。开关S2开关闭合时，开始充电，断开时，停止充电。后面F2为1A保险管，防止后面发生短路，使电流过大，影响系统安全。图4市电220V到5V降压电路3.3 移动电源充电及过充、过放保护电路 如图5所示为移动电源充电及过充、过放保护电路。此电路中，使用了 TI的高性能单节锂电池充电管理芯片BQ24010，其原理简单。当系统接入市电时，BQ24010有5V直流电输入时，发光二极管D10发出红光；当BQ24010检测到有电池，且在对电池进行充电，电池电压小于4.2V时，发光二极管D8发出红光，表明正在充电中；当BQ24010检测到有电池电压达到4.2V时，发光二极管D8熄灭，发光二极管D9发出
27、绿光，表明充电完成。图5移动电源充电及过充、过放保护电路3.4 电池电量检测电路如图6所示为电池电量检测电路。其中，MOSFET采用SPP2341，其开启电压最小可为1.8V，且导通电阻仅为65m，封装为SOT-23，适用于低电压手持设备中。当控制器端口BAT_VCON端输出为低电平时，三极管J9截止，电阻R25两端电压为0，即P沟通MOSFET的VGS约为0，MOSFET不导通，控制器A/D模数转换端口BAT_DET电压几乎为0；当控制器端口BAT_VCON端输出为高电平时，三极管J9导通，电阻R25两端电压为2V左右，MOSFET开启，控制器A/D模数转换端口BAT_DET电压为电池电压一
28、半。图6 电池电量检测电路3.5电源电量显示电路 如图7为电源电量LED显示电路。当电量为95%以上时，5个LED全亮；当电量为80%95%，其中有4个LED亮；当电量为60%80%，其中3个LED亮；当电量为40%60%，其中2个LED亮；当电量为20%40%，其中1个LED亮；当电量为20%以下时，5个LED全灭。当控制器端口为高电平时，三极管导通，二极管发光，当控制器端口为低电平时，三极管截止，二极管熄灭。图7电源电量LED显示电路3.6 系统供电管理电路如图8为系统供电管理电路。其使用了TI公司的高性能系统电源管理芯片TPS79633。当开关S1闭合，即用户开机时，电池经过TPS796
29、33给控制器供电，整个系统开始工作；当开关S1断开，即用户关机时，电池不能经过TPS79633给控制器供电。 图8系统供电管理电路3.7 移动电源电池电压到5V输出升压电路如图9为移动电源电池电压到5V输出升压电路。其中，LM3478为TI的高性能脉宽控制器芯片，LM3478、低开启电压的MOSFET（IRF7807）、10uH电感L1和快恢复二极管1N4148一起组成BOOST升压电路。其中电阻R20和电容C7决定电路的开关频率为100KHz；电阻R14和电阻R21构成分压电路，把输出5反馈给脉宽控制器，从而使在负载变化时，输出保持不变；电阻R22用于限制电流为2A，若负载电流大于2A，则L
30、M3478输出关闭，MOSFET不导通，输出5V变为0，这样，就可以保护电源电池和电路，避免输出电流过大带来的损伤。图9移动电源电池电压到5V输出升压电路3.8 输出电压检测和输出断路保护电路如图10所示为输出电压检测和输出断路保护电路，其工作原理同电源电池电压检测电路。其中，当控制器端口VOUT_CON端输出为低电平时，三极管J2截止，电阻R3两端电压为0，即P沟通MOSFET的VGS约为0，MOSFET不导通，控制器A/D模数转换端口VOUT_DET电压几乎为0；当控制器端口VOUT_VCON端输出为高电平时，三极管J2导通，电阻R3两端电压为2V左右，MOSFET开启，控制器A/D模数转
31、换端口VOUT_DET电压为输出电压一半。当电源电池电压检测芯片检测到电池电压小于3.7时，控制器给输出断路保护电路一个关断信号，从而实现电源电池过放保护；当需要检测输出电压时，控制器给输出断路保护电路一个开启信号，就可以测出输出信号。图10输出电压检测和输出断路保护电路3.9 硬件电路元件清单本章已完成系统硬件电路设计。系统硬件电路元件清单如表1所示。表1 硬件电路元件清单器件值元件名标号封装属性数量0.1uFCapacitorC1, C5, C6, C15, C21CAP_16080603CAP_SOP5104CapacitorC2, C19CAP_16080603CAP_SOP210uF
32、CapacitorC3, C4, C14, C20CAP_A_TANCAP_A_TAN422nF陶瓷电容C7CAP_16080603CAP_SOP1100uF陶瓷电容C8CAP_16080603CAP_SOP122pF陶瓷电容C9, C11, C12, C13CAP_16080603CAP_SOP40.01uF陶瓷电容C10, C18CAP_16080603CAP_SOP22.2uF陶瓷电容C16CAP_16080603CAP_SOP11uF陶瓷电容C17CAP_16080603CAP_SOP1470uF电解电容C22RB7.6-15Cap Pol110.1uF陶瓷电容C23RAD-0.3Ca
33、p1220uF电解电容C24RB7.6-15Cap Pol111N4007二极管D1, D3, D4, D5, D7, D8, D10DIODE_0603_REDDIODE71N4148快恢复二极管D2, D6DIODE - duplicateDIODE21N4007二极管D9DIODE_0603_GREEDIODE1Bridge2整流桥D11E-BIP-P4/X2.1Bridge211N5824肖特基二极管D12SMBD Schottky11A熔断器F1, F2RES_32161206Res228050NPN三极管J1, J2, J3, J4, J5, J6, J9SOT23NPN_SOT2
34、37USBUSB端口J7miniUSBUSB1miniUSBUSB端口J8miniUSBminiUSB1STM32_JTAG10针端口J10JTAG_H20PINSTM32_JTAG1KEY按键K1button_2PINKEY110uH电感L1, L20402-AInductor2Header, 2-Pin电源端口P1HDR1X2Header 21SPP2341PChannel MOSFETQ1, Q3E3MOSFET-P2IRF7807NChannel MOSFETQ2E3MOSFET-N1Single-Pole单路开关S1SPST-2SW-SPST1Double-Pole双路开关S2DPS
35、T-4SW-DPST1Trans Cupl变压器T1TRF_4Trans Cupl1LM3478LM3478U1SOP-8LM34781STM32F103C4STM32F103C4U2TSQFP50P900X900X160-48NSTM32F103C41BQ24010BQ24010U3BQ24010BQ240101TPS79633TPS79633U4SOT223-6TPS79633118650mA/h3.7V锂电池U51/2AA-2Battery1LM2596LM2596U6SPST-5LM2596132.768k无源晶振XT1XTAL_32.768KCYSTAL18M无源晶振XT2XTALC
36、YSTAL1Res2电阻R1, R2, R3, R4, R5, R6, R7, R8, R9, R10, R11, R12, R13, R14, R15, R16, R17, R18, R19, R20, R21, R22, R23, R24, R25, R26, R27, R28, R29, R30, R31, R32, R33, R34, R35, R36, R37RES_0603Res237第四章 系统软件设计4.1 程序结构分析本设计中软件部分起到了非常重要的作用,设计的是否完美主要取决于软件的设计。本设计的软件需要完成的任务是：A.内部电池使用18650锂电池;B.充电电路使用降压方
37、式，放电电路可使用升压方式;C.该装置带有电量指示;D.该装置对电池有防止过充、过放及输出断路等保护；E.该装置适用于手机便携充电，成本低、实用性较强、体积小和续航能力强等特点。通过任务细分可将本设计中所要完成的任务分配在相应的程序段中完成。各程序段，主要包括A/D模数转换程序段、定时器程序段、电量LED显示程序段。4.2 主程序设计主程序流程图如图11所示。图11 主程序流程图 主程序中，首先对系统进行初始化。初始化所完成的是对系统中所用到的资源的控制寄存器等赋初值（如相关I/O口方向进行初始化、定时器初始化、A/D模数转换程序段初始化等）。4.3 A/D模数转换程序段A/D模数转换程序段部分如下：void ADC1_configuration(void)ADC_InitTypeDef ADC_InitStructure; ADC_DeInit(ADC1); ADC_InitStructure.ADC_Mode = ADC_Mode_Independent;/ADC工作模式:ADC1和ADC2工作在独立模式ADC_InitStructure.ADC_ScanConvMode = DISABLE;/模数转换工作
