中心議題：

• 便攜式環境測試儀電源電路設計
• 環境測試儀電源係統總體結構

解決方案：

• 采用基於硬件架構和軟件控製的解決方案

環境測試儀是指能夠測量溫度、濕度
、壓力、風(feng)速(su)等(deng)環(huan)境(jing)參(can)數(shu)的(de)儀(yi)器(qi)。為(wei)了(le)滿(man)足(zu)各(ge)種(zhong)複(fu)雜(za)地(di)理(li)環(huan)境(jing)下(xia)的(de)測(ce)試(shi)需(xu)求(qiu)
，測(ce)試(shi)儀(yi)迫(po)切(qie)需(xu)要(yao)小(xiao)型(xing)化(hua)和(he)便(bian)攜(xie)式(shi)。為(wei)了(le)保(bao)持(chi)與(yu)現(xian)有(you)軟(ruan)件(jian)的(de)最(zui)大(da)兼(jian)容(rong)性(xing)， 我們選用PC104 的係統架構設計了便攜式的測試儀。PC104 是IBM PC 兼容工業標準的架構體係。PC104 主板對電源係統要求較高
， 設計選用工業級的PC104 電源板

，此電源板支持寬範圍輸入( DC8~ 36 V) ， 效率高達96 % 。為了滿足便攜性
， 係統必須支持電池組供電( 鋰電池組或鉛酸蓄電池組等) ， 由於鋰電池組具有單節電池標稱電壓高、自放電率低、質量能量密度和體積能量密度高、沒有記憶效應等優點，本係統選用鋰電池組供電。本文主要討論了係統供電電路及電池組充電電路的設計。

1 係統總體結構

經實際測試， 並留出一定裕量
， 設計選用9 600mAh 12 V 鋰電池組。實際采用單節標稱電壓3. 7 V
，充電限製電壓4. 2 V， 容量2 400 mAh 的鋰電池電芯，三串四並組成電池組， 使用MM1414 芯片完成過充、過放、過流以及短路保護功能。鋰電池的典型充電算法是恒流與恒壓算法( CC/ CV ) 。根據國家標準GB/T18287- 2000 的要求首先恒流充電， 電池電壓隨著充電過程逐步升高
， 當電池端電壓達到12. 6 V， 改恒流充電為恒壓充電
，電流根據電芯的飽和程度
， 隨著充電過程的逐步減小， 當減小到某個值時， 認為充電終止。

根據此標準設計選用0. 2 C 倍率恒流充電， 充電倍率達到0. 01 C 時認為充電結束， 即分別對應電流約為2A 和100 mA。根據以上要求設計係統總體結構
， 具體如圖1 所示。 係統使用直流18~ 30 V 輸入， 可以直接使用筆記本電源。D1 用於防止電源方向插反。12. 6 V/ 2 A 恒壓限流電路為本電路核心， 在輸出電壓低於12. 6 V 時工作在2 A 恒流狀態， 當輸出電壓達到12. 6 V 時，使輸出電壓恒定。D2、D3 和C1 完成電源切換功能。外部電源供電時， 由於P 端電壓總是保持在12. 6 V 以上， S 端通過外部電源供電
， 若無外部電源時
， 由於電池電壓比P 端的電壓高， 則通過電池對係統進行供電。穩壓電路主要負責將S 端的電壓轉換為係統所需的各種電壓。ADC1 和A DC2 分別為電流和電壓采集端， ADC1 和ADC2 端的信號經過OP 電路放大
，然後輸入到ADC 電路， MCU 把各種相關數據通過RS232傳送到PC104 係統。R4 和D4 完wan成cheng供gong電dian狀zhuang態tai的de檢jian測ce，用yong於yu檢jian測ce係xi統tong是shi外wai部bu電dian源yuan供gong電dian還hai是shi電dian池chi供gong電dian，使shi係xi統tong自zi動dong調tiao整zheng自zi動dong關guan機ji或huo自zi動dong待dai機ji的de等deng待dai時shi間jian。電dian路lu同tong時shi提ti供gong聲sheng光guang方fang式shi的de報bao警jing及ji顯xian示shi功gong能neng， 當出現電壓過低等情況時，能以比較醒目的方式進行提醒。PC104 電源板和PC104 係統是本電路的負載。電路中D1 、D2 、D3均為肖特基二極管，肖特基二極管具有正向壓降低
、反向恢複時間短等優點; R1 、R2、R3 為1 %精密電阻。
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2 係統軟件設計

係統工作時間與電池電量成線性關係， 而電量與電池端電壓為非線性關係。圖2 所示為本係統所用電池在2 000 mA 恒流放電的情況下， 電池端電壓與電量的關係曲線， 其中橫軸為電池電壓， 縱軸為剩餘電量相對於總電量的百分比。根據此曲線
， 在MCU 軟件中擬合一個電壓與電量關係的數據表， 同時設置10 V為告警電壓; 係統可以實時查詢諸如電池電壓、電流、剩餘電量
、估計供電時間等信息， 並同時仿手機做成3段式顯示， 使上位機全麵掌握電池狀態，決定控製策略
， 從而提高係統運行可靠性。MCU 軟件使用KeiluV2 軟件開發

， 上位機軟件使用LabWindow s 軟件開發。MCU 除完成電量查詢相關功能
， 還要完成報警與顯示功能; 上位機軟件同時要完成環境參數的相關采集與處理。 3 係統測試

將該電路應用到實際係統並進行測試。外部電源為DC20 V
， 測試內容及測試結果如下:

( 1) 充分放電後進行測試
， 5. 1 h 完成充電， 理論充電電流2 000 mA

， 理論時長4. 8 h， 基本正常;

( 2) 所有數據讀取正常， 報警及顯示功能正常;

( 3) 各電壓值均在指定範圍內
， 誤差低於 2 %，測試波形穩定;

( 4) 2 A 額定電流工作
， 各種芯片溫度正常， 係統工作正常;

( 5) 充滿電後， 可以連續使用約4 h;

( 6) 外部電源供電時效率約為85 %
， 電池供電效率約為90 %。

經測試， 該電路在性能上完全滿足要求， 並同時可以做到對電池狀態準確和實時了解。

4 結束語

本文從實用角度出發，設計了一種基於硬件架構和軟件控製的便攜式設備智能電源模塊解決方案。該方案充電速度快、充電電流易調、成本低。實驗和測試結果表明
，該方案完全能夠滿足係統需要， 並且該電源模塊具備可見性、可控性和節能性。由於該電路軟硬件均具有可裁剪性，所以該電路適用於各種便攜式嵌入式係統等對體積和重量要求較高的應用場合。