太陽能手機充電系統設計

何磊杰 王海玲 楊 佳 聞 銘 馬潔瑾

（1.國網浙江省電力有限公司寧波供電公司，寧波 315000；2國網浙江寧波市奉化區供電有限公司，寧波 315500）

隨著時代的發展，手機不僅用于通信，而且成為生活工作不可或缺的重要工具。因此，手機的電量顯得尤為重要。手機電量不足會導致關機，給人們的生活帶來困擾。基于此，本文設計一種通過單片機控制的太陽能手機充電系統，能將太陽能通過電路變換成穩定的直流電用于手機充電，并可在檢測到手機電池充好電后自動停止充電，同時可被當作一般的直流電源。

1 硬件設計

太陽能手機充電系統的硬件設計框圖如圖1所示。用單硅晶太陽能電池板發電，以STC89C52單片機為核心進行控制，將太陽能電池板輸出的不穩定電壓經過LM7805電路轉化為穩定的5 V輸出電源，再通過Buck降壓DC/DC轉換電路給手機電池充電。顯示屏可以顯示本設計中電池電壓的實際值，在檢測到充電結束后自動停止充電。系統選用STC89C52單片機作為控制核心，實現利用太陽能對手機充電的功能。STC89C52是一種帶8K字節閃爍可編程可擦除只讀存儲器的低電壓、高性能微處理器。外圍電路主要包括復位電路、時鐘電路、按鍵電路、A/D轉換電路、顯示電路、穩壓電路以及充電電路等[1]。

1.1 太陽能電池板的選用

太陽能電池板吸收太陽光并且通過光電效應或光化學效應把太陽輻射轉換成電能。絕大部分太陽能電池板的材料是硅，其中單晶硅太陽能電池板的轉換效率近乎14%，最大能夠達到23%，在不同類型中轉換程度排第一。太陽能電池片常用單晶125大倒角，大小為125 mm 125 mm，對角線有150 mm，最大功率可達2.6 W，最大工作電壓可達0.523 V，工作電流為4.934 A，開路電壓為0.629 V，短路電流為5.285 A。太陽能電池可滿足不同電壓的需求，由數量不等的太陽能電池片組成。它的轉換率受到光強、溫度以及太陽電池晶體種類的影響。常用的太陽能電池板電壓有3 V、6 V、9 V、12 V、18 V以及32 V等。本文手機充電的所需電壓并不是單個太陽能晶片所能供應的，因此選用組合的模塊化設計對多塊太陽能電池片進行串聯和并聯來擴大輸出電壓和輸出功率，以滿足不同的手機充電要求。

1.2 復位電路

復位電路保障單片機的正常初始化啟動和運行，死機時重啟單片機。復位電路如圖2所示，采用S1作為復位按鍵。系統運行時，電源給電容充電，使得電容內存儲的電能上升。復位時，需要手動按下按鍵，使得端口由0變為1。當單片機收到信號后，可自主復位[2]。

圖1 太陽能手機充電系統硬件設計框圖

圖2 復位電路圖

1.3 按鍵電路

設有3個按鍵：第1個為復位電路中的復位按鍵；第2個為電壓選擇按鍵，按下可以選擇不同的充電電壓；第3個為開始鍵，按下則開始為手機電池充電。按鍵在按下時會有抖動現象，雖然持續時間很短（只有幾毫秒），但是會導致單片機對同一按鍵操作進行重復處理而出現錯誤。因此，軟件中應用延遲程序來消去抖動造成的弊端，使按鍵閉合與斷開相對穩定。按鍵接線圖如圖3所示。

圖3 按鍵電路圖

1.4 A/D轉換電路

采用ADC0809采集充電電壓，并將模擬量轉化為數字量發送到單片機。ADC0809擁有8個數據采集通道，通過A、B、C三口的數值組合選擇采集的通道，將采集到的模擬輸入量轉化為8位二進制數字量，并將轉換得到的數字信號傳給單片機進行處理計算，計算結果即充電電壓值，通過LCD1602顯示。A/D轉換電路如圖4所示。

1.5 LM7805穩壓電路

太陽能電池板的輸出電壓隨著光照強度的變化而變化。當光照強度強時，其輸出的電壓比較高；當光照強度變弱后，其輸出電壓變低。因此，輸出的電壓不穩定。只有穩定的5 V電壓才可以作為該設計的供電電源，故采用LM7805穩壓電路使輸出電壓穩定。LM7805的穩壓源電路并不需要很多外接的器件，有防止電流過大和熱量過高的保護，方便可靠。這種集成穩壓系列中的LM78xx的后兩位數字顯示這一電路的輸出電壓，即LM7805的輸出電壓是5 V。

LM7805的穩壓電路如圖5所示。圖5中的4只電容實現組合濾波功能，其中C4、C7用來濾除高頻諧波和尖脈沖，在其輸出端接上的大電容C6、C5的作用是濾除殘存交流成分和拉平波紋。通常情況下，電容的抗壓性能會比輸入及輸出的電壓高很多。同時，在LM7805管的輸入和輸出端之間有一個二極管，防止對LM7805造成損壞，使得電路能夠正常使用。當光強波動時，太陽能電池擁有不變的輸出電壓（5 V），從而使得單片機控制的電路能夠快速、可靠運行。

1.6 充電電路

DC/DC變換器是將直流電轉換成直流電的部件，主要用于各種便攜裝置[3]。本文DC/DC變換是把不變的直流電壓轉化為可變的直流電壓，從而給手機充電。本文設計的電路中，輸入始終比輸出電壓大，故采用脈寬調制方式的Buck變換器，電路如圖6所示，其中脈寬調制信號由單片機程序控制，用來控制開關管的通斷。

電路的核心部分由1 mH的電感、三極管及整流二極管3部分組成，最終構成了降壓DC/DC電路。其中，Q2由脈沖寬度調制（Pulse Width Modulation，PWM）信號打開或關閉進一步來控制Q1開關管的通斷，以達到給手機充電的目的。

圖4 A/D轉換電路圖

圖5 LM7805穩壓電路圖

圖6 電池充電電路圖

1.7 液晶屏顯示電路

選用LCD1602液晶屏顯示充電電壓，主要技術參數如下：顯示容量16 2個字符，芯片工作電壓4.5～5.5 V，工作電流2.0 mA（5.0 V），模塊最佳工作電壓5.0 V，字符尺寸2.95 mm 4.35 mm（WH）。

引腳說明如表1所示。

表1 LCD1602液晶屏引腳說明

2 軟件設計

系統在接入充電設備前，需要先設定其初始充電電流和充電電壓。接入充電設備后，系統開始充電，在設置的最大充電電流范圍內為手機鋰電池充電。充電過程中，系統實時監測充電電壓和充電電流值。先是恒流充電，即電流一定，電池電壓隨著充電過程逐步升高[4-5]。當電池端電壓達到4.2 V時，改恒流充電為恒壓充電，即電壓一定，電流根據電芯的飽和程度隨著充電過程的繼續逐步減小。當減小到20 mA時，充電終止。軟件主程序流程如圖7所示，充電子程序如圖8所示。

圖7 系統主程序流程圖

圖8 充電子程序流程圖

3 結語

編程后，將硬件電路和軟件程序相結合進行仿真調試，再將程序燒寫入單片機，最后進行電路板的焊接和測試。測試時，選擇天氣較好的時候，否則太陽能電池板可能無法正常供電。在確定太陽能電池板輸出的電壓正常的情況下，將鋰電池放入開始充電，電池充滿后自動停止充電。經測試，充電1 V大概需要20 min。測試結果表明：在天氣晴好、陽光充足的條件下，系統能高效地將太陽能轉化為電能對手機充電。

太陽能作為清潔能源，現階段被廣泛應用于通信、交通及電力等方面。本文設計了基于單片機的太陽能手機充電系統，能在節約能源的同時對手機充電。目前，人們對環境保護的意識愈發加強，會隨著科技的發展對太陽能進行更深入的開發與研究。