基于單片機的多能源手機充電器設計

姚磊 梁春美

摘 要：在現代，手機成為人們的主要通訊工具，甚至是購物娛樂工具，成為外出旅游的必備，但由于沒有隨時充電的條件，經常耽誤手機的使用。但是在室外條件下，很難具備市電充電的條件。為了解決這個難題，文章介紹一種太陽能、風能、溫差能的手機充電器，這樣，不僅解決了手機隨時充電的問題，且節約市電，節能降耗，減少污染，安全方便。

關鍵詞：太陽能；風能；溫差能；手機充電

1 概述

由于化石燃料的燃燒，導致了全球環境污染和能源短缺，不可再生能源已經是進入緊急狀態，能源危機越來越制約著國際社會經濟發展，全球能源日益緊張并且環境污染越來越嚴重，我們必須開發使用清潔、可再生能源。目前使用最廣泛的是太陽能、風能，同樣溫差能也開始受到廣泛關注。

太陽能是一種可再生且無污染的自然資源。越來越多的國家已經使太陽能資源成為了各國經濟發展的新動力。太陽能電池通過使用太陽發出的光能和材料相互作用產生電，來避免環境污染的可再生能源。這對改善生態環境，緩解溫室氣體等方面具有重要的意義。

風能，是一種公認的廉價環保且資源豐富的可再生能源。風能的儲量非常豐富，并且是持續產生的。對于風力發電的技術相對成熟且開發成本較低，很適合大規模開發利用。由于風能具有該優點，所以得到了各國的高度重視和大力開發使用。

溫差發電器是能將熱能直接轉化成電能的固態裝置。美國科學家湯姆遜在研究鯊魚鼻子時發現，鯊魚將外界環境溫差轉換成電信號，傳輸給大腦來掌握海洋溫度。并通過大量實驗研究，發現了湯姆遜效應。基于該理論開發而成具有將溫差轉換成電壓的半導體發電片。由于溫差發電的轉換效率低，造價高，僅在必要條件下才會使用，其開發潛力仍不小。

目前，采用單一的新能源技術充電，極易受到受環境影響，而達不到預期的發電效果。太陽能和風能兩種資源都是取自自然環境，而自然環境又是瞬息萬變的，所以采用單一的發電技術，很顯然會存在不穩定的弊端，難以長期提供連續的電能。為了避免采用相當大的儲電裝置，對資金浪費，同時占用大量的場地。在此情況下，采用多種發電方式進行互補是必要的。根據我國所處氣候區，該氣候具有很強的互補性。例如冬天，太陽能輻射的強度較弱，風力較大；夏季，風力較小，太陽能輻射強度高。同時，白天風力較小，太陽能輻射強度大；黑天太陽能輻射強度接近為零，風力較大。因此，太陽能和風能具有極強的互補性。

2 系統整體設計

2.1 系統整體結構設計

在全球能源危機越發顯著的當下，開發和使用新能源已是大勢所趨。為此，本課題在太陽能、風能、溫差能方面，進行深度研究，提出并設計一套基于上述三種新能源技術的充電器，具體設計如下：

硬件方面：新能源充電器主要由如下幾部分組成：單片機模塊、模數轉換模塊、液晶顯示模塊、降壓穩壓模塊等。（圖1）

圖1 系統硬件電路結構圖

系統由STC89C51控制，模數轉換芯片PCF8591采集太陽能電池板輸出電壓電流、風力發電機輸出電壓，顯示在液晶屏中；太陽能產生的電壓，經降壓穩壓電路轉換輸出5V電壓，實現手機充電。溫差能發電量較小，所以僅留出接口，方便采用萬用表測量。

2.2 單片機系統電路設計

本設計中，微處理器選用STC89C51單片機。51單片機設計電源電路、復位電路、時鐘電路，才可以使STC89C51單片機穩定可靠地運行。設計中電源電路選用AOZ1016降壓穩壓芯片，經過降壓得到5.3V電壓，該電壓可以滿足單片機的正常工作。復位電路采用上電復位，實現上電后即復位。

時鐘源電路采用無源晶振設計的，選用11.0592M晶振作為系統的時鐘源。此外，單片機直接驅動1602液晶屏，顯示電壓信息。

2.3 降壓穩壓電路設計

本設計采用典型的BUCK型電源芯片-AOZ1016芯片作為降壓穩壓芯片。該芯片采用SO-8封裝設計而成，內部集成P溝道場效應管和肖特基二極管，使外圍電路非常簡單。

2.4 A/D轉換電路設計

PCF8591是具有IIC總線接口的8位A/D及D/A轉換器。有4路A/D轉換輸入，1路D/A模擬輸出。這就是說，它既可以作A/D轉換也可以作D/A轉換。A/D轉換為逐次比較型。電源電壓典型值為5V。引腳功能如下：

PCF8591芯片的模擬通道0檢測手機手機充電電壓，模擬通道1檢測風能發電的電壓，模擬通道2檢測太陽能電池板發電電壓，模擬通道3檢測手機充電電流。

2.5 充電控制電路設計

在實際應用中，為了保護手機免收過高的電壓沖擊而燒壞，本系統設計了充電控制電路。結合A/D轉換電路，如果電壓超過5.5V，則斷開充電電路，從而保護手機。同時，也設計了按鍵控制充電回路通斷的功能。

3 系統軟件設計

本設計的基本過程是從太陽能電池板獲取太陽能后，進行電壓的降壓供系統供電和手機充電。而PCF8591隨時進行數模轉換，將風能產生的電量、太陽能電池板發電電壓、手機充電電壓和電流等數據進行實時采集，然后進行LCD液晶顯示屏顯示。另外，手機是否充電，以及充滿電后，均通過單片機控制充電電路的通斷。

4 結束語

本手機充電器系統的設計分為硬件電路設計和程序設計兩個部分，硬件電路設計屬于電路設計工作，通過對方案和可行性的分析，確定由89C51單片機完成主電路的控制和測量，首先展開對主要電路與控制硬件電路設計，硬件電路的設計主要是設計電路原理圖和原件，芯片參數的確定。在硬件電路設計上遇到不少麻煩，最初穩壓電路想用LM7805，但后來發現設計要求中要求只利用升壓，而LM7805涉及降壓，因此改換aoz1016芯片來升壓，再將電壓輸入usb接口進行控制充電。并且在后期換掉了ADC0809改用PCF8591這個四路的AD進行數模轉換。考慮到太陽能電池板輸出電壓隨時波動，所以采用AOZ1016降壓穩壓芯片，產生5.3V的穩定電壓，實現手機充電，并給單片機系統提供電源。采用51單片機以及A/D轉換芯片，采集手機充電的電壓值，并且顯示在1602液晶屏上。

本設計首先進行硬件設計和加工制作，在完成硬件加工，進行軟件編程。最后得到完整的實物。通過對實物的功能測試，發現整個設計可以滿足將太陽能為主要能源轉換成電能，并直接給手機充電。在測試過程中，功能達到要求，符合設計需求，具有實際應用價值。

參考文獻

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作者簡介：姚磊（1990-），男，河北省滄州市人，工作單位：公安海警學院，職務：學生，研究方向：電子信息工程。