基于单片机的太阳能手机充电器的设计

张新亮

（江苏工程职业技术学院，南通 226007）

基于单片机的太阳能手机充电器的设计

张新亮

（江苏工程职业技术学院，南通 226007）

提出了一种基于8位单片机的太阳能手机充电器的设计。系统以松翰SN8P2711AS单片机为核心，通过芯片FS8205A及DW01J对锂电池进行充放电保护，分别利用DC-DC升压模块FP6291、LED灯实现对手机的充电及锂电池电量的显示。给出了系统的硬件结构框图，介绍了系统的硬件及软件设计。该系统能够根据不同类型的手机，选择合适的USB接口，从而实现对手机的充放电控制。

充电器；SN8P2711AS；太阳能；充放电控制

随着社会经济水平和人们生活水平的不断提高，传统能源正在不断枯竭。为解决传统能源的不可逆性及污染环境的缺点，太阳能等清洁能源的高效应用成为当今发展最快的热门产业，也是近年来最具活力的研究方向。在快节奏的生活中，手机已成为人们日常生活中必不可少的便携式电子产品。虽然单台手机的单次充电的耗电量看起来微不足道，但是由于其是量大面广的产品，充耗电量不应被忽视。据测算，我国一年中手机消耗掉近8亿度电。另一方面，我国是太阳能电池片的生产大国，但绝大多数太阳能电池片的出口严重依赖国外市场，美国、欧盟等实施的“双反”政策严重影响了相关生产企业的安全，国内应用市场的开发迫在眉睫。本文设计了一种太阳能手机充电器，既符合节能环保的现代消费理念，亦为太阳能电池的广泛应用提供一种思路。

1 系统总体设计方案

为了方便对系统进行修改、功能升级以及进行测试和调试，系统采用模块化设计的思想[1]。本系统可分充电模块、放电模块、显示模块、照明模块、保护模块和微控制器模块，系统框图如图1所示。充电模块用于锂电池的充电，放电模块是对外部的手机进行充电，显示模块用于显示锂电池的电量，保护模块用于锂电池的过充/放保护，照明模块用于照明，微控制器模块用于协调处理各部分工作。

图1 系统组成框图

2 系统硬件电路设计

2.1 微控制器模块

本系统选用松翰SN8P2711AS单片机作为主控制器。SN8P2711AS拥有一个RISC-like的高性能和低功耗系统，具有16 MIPS的计算能力，高EFT性能，适合应用于高干扰的工业环境。SN8P2711AS的IC结构一流，包括1K-word的程序存储器（OTP ROM），64-byte的数据存储器（RAM），2定时计数器（TC0，TC1），一个看门狗定时器，5个中断源，一个5＋1通道的12-bit的ADC转换，2通道的PWM输出，buzzer输出（BZ0，BZ1）和4层堆栈缓存器[2]。在系统中，单片机主要负责读取锂电池的电量，控制其充放电方式，并将读取的数据进行处理，通过LED灯显示。因此SN8P2711AS单片机完全可以满足系统设计要求。

2.2 充/放电模块

系统中采用3.7 V、2 600 mAh锂电池作为储能模块[3]。对锂电池进行充电有两种模式：一种方式采用市电充电，该方式应用在连续阴天没有阳光的情况下；另一种方式采用太阳能光伏组件直接充电[4]。利用市电充电模式时，单片机检测锂电池两端的电压，当锂电池的端电压达到4.2 V上限时，6脚发出低电平信号，使三极管Q5关断，控制MOS管Q3、Q4，使其停止工作，从而使其通过R13和D8组成的支路进行涓流充电。利用太阳能光伏组件直接充电时，当光伏组件的电压高于锂电池两端的电压时可以充电。当锂电池两端的电压达到充电电压上限时，电路停止工作，同时显示电量的4只LED灯熄灭，充电结束。充电控制电路如图2所示。当单片机检测到手机接入电路时，MOS管Q1、Q2导通，锂电池为智能升压模块FP6291提供电能，升压模块LX脚输出标准5V电压为外部手机充电。当手机充满电后，手机自动切断与充电器的连接，充电结束。锂电池放电电路如图3所示。

图2 充电控制电路

图3 放电控制电路

2.3 保护模块

为了给3.7 V锂电池提供稳定的充电电压，本设计采用了DW01J芯片，它内置高精度电压检测电路和延迟电路，适用于单节锂电池及锂聚合物电池的稳压及保护。DW01J芯片控制充电上限电压为4.300±0.050 V，放电下限电压为2.40±0.100 V。系统中保护电路主要由FS8205A和DW01J智能芯片组成，外围电路辅以部分电阻、电容器件，具体稳压及充放电保护电路如图4所示。当DW01J检测锂电池两端的电压达到4.2 V或者低于2.4 V时，断开充/放电电路，整个系统停止工作。

2.4 显示/照明模块设计

电量显示电路由4个发光二极管组成，每个二极管分别表示25%的锂电池电量[5]。当市电或者是太阳能光伏组件为锂电池充电时，按下按钮S1，给单片机8脚一个低电平，使其知道充电电路开始工作，这时单片机开始检测锂电池的电量，并通过上述4只发光二极管显示，当锂电池充满电后，4只显示电量二极管同时发光，延时一段时间后熄灭。该系统还具有照明功能，照明电路由两只白色超亮LED灯A1、A2组成，当夜晚需要照明时，只需按下按钮S1，A1、A2就会发出明亮的光。具体的电量显示/照明电路如图5所示。

3 系统软件总体设计

系统软件采用模块化设计思想，主要由充/放电控制模块、保护模块、显示模块和照明模块构成。其中，对锂电池的充放电控制方案是本系统软件设计的难点和核心内容。

图4 保护电路

图5 电量显示、照明电路

图6 系统设计流程图

主程序流程如图6所示。系统上电后，先进行初始化，即I/O初始化设置、中断初始化设置、变量赋初值等；然后启动锂电池两端电压检测，锂电池两端电压大于2.4 V时，说明锂电池电压处于正常工作范围，可以对外充电；启动USB电压检测，如果USB的电压处于4.75~5.25 V之间，则使标志位Flag置1，表明USB可以正常为锂电池充电，否则标志位Flag置0，USB不能正常工作；启动PV电压检测，如果PV两端的电压大于锂电池两端的电压，就将标志位Flag置1，锂电池电量指示灯进入充电闪烁模式，否则标志位Flag置0，进入电量指示模式。

4 试验部分

实际制作的太阳能手机充电器如图7所示。经过实际测试，该手机充电器在正常阳光下工作时，可以在20～25 h内将充电器内置2 600 mAH锂电池充满电。在为手机充电时，太阳能电池板和内置锂电池同时工作，并可在2～3 h内将1 000 mAH手机电池充满。该手机充电器亦可在没有阳光的情况下，利用内置锂电池为手机充电，充电时间的长短和手机内置锂电池的容量相关，手机锂电池的充电曲线如图8所示。

图7 太阳能手机充电器

图8 手机内置锂电池充电曲线

5 结语

利用SN8P2711AS单片机作为主控制器，结合其他芯片及电路构成的太阳能手机充电器，具备多种保护电路，在有效地提高充电效率的同时，延长了手机的使用寿命。从整体上来看，该手机充电器的体积小、重量轻，实际使用效果较好，具有较大的推广价值。

[1]潘永雄，刘殊.单片机原理及应用[M].西安：西安电子科技大学出版社，2000：18-25.

[2]松翰科技.SN8P2711AS系列单片机器件手册[K].2008：5.

[3]吴宇平.锂离子二次电池[M].北京:化学工业出版社，2002：57-63.

[4]罗运俊，何梓年，王长贵.太阳能利用技术[M].北京:化学工业出社，2005：12-17.

[5]童诗白，华成英.模拟电子技术基础[M].北京：等教育出版社，2001：31-37.

（责任编辑：王晓燕）

Design of Solar Phone Charger Based on MCU

ZHANG Xin-liang
（Jiangsu College of Engineering and Technology，Nantong 226007，China）

The design of solar phone charger based on 8 bit MCU is introduced.We use SN8P2711AS as the core of the charger and use FS8205A and DW01J to protect the lithium battery,with FP6291 and LED to indicate the electric information of the charger and the battery of the mobile phone respectively.The hardware and software framework as well as the design of the system is presented.The system can choose USB according to different types of mobile phones so as to realize the charge and discharge control of the mobile phones.

charger；SN8P2711AS；solar energy；charge/discharge control

TN02

B

1671-6191（2014）03-0012-04

2014-01-16

张新亮（1982-），男，江苏连云港人，江苏工程职业技术学院机电工程学院教师，研究方向为光伏发电技术。