太阳能手机充电系统设计

何磊杰 王海玲 杨 佳 闻 铭 马洁瑾

（1.国网浙江省电力有限公司宁波供电公司，宁波 315000；2国网浙江宁波市奉化区供电有限公司，宁波 315500）

随着时代的发展，手机不仅用于通信，而且成为生活工作不可或缺的重要工具。因此，手机的电量显得尤为重要。手机电量不足会导致关机，给人们的生活带来困扰。基于此，本文设计一种通过单片机控制的太阳能手机充电系统，能将太阳能通过电路变换成稳定的直流电用于手机充电，并可在检测到手机电池充好电后自动停止充电，同时可被当作一般的直流电源。

1 硬件设计

太阳能手机充电系统的硬件设计框图如图1所示。用单硅晶太阳能电池板发电，以STC89C52单片机为核心进行控制，将太阳能电池板输出的不稳定电压经过LM7805电路转化为稳定的5 V输出电源，再通过Buck降压DC/DC转换电路给手机电池充电。显示屏可以显示本设计中电池电压的实际值，在检测到充电结束后自动停止充电。系统选用STC89C52单片机作为控制核心，实现利用太阳能对手机充电的功能。STC89C52是一种带8K字节闪烁可编程可擦除只读存储器的低电压、高性能微处理器。外围电路主要包括复位电路、时钟电路、按键电路、A/D转换电路、显示电路、稳压电路以及充电电路等[1]。

1.1 太阳能电池板的选用

太阳能电池板吸收太阳光并且通过光电效应或光化学效应把太阳辐射转换成电能。绝大部分太阳能电池板的材料是硅，其中单晶硅太阳能电池板的转换效率近乎14%，最大能够达到23%，在不同类型中转换程度排第一。太阳能电池片常用单晶125大倒角，大小为125 mm 125 mm，对角线有150 mm，最大功率可达2.6 W，最大工作电压可达0.523 V，工作电流为4.934 A，开路电压为0.629 V，短路电流为5.285 A。太阳能电池可满足不同电压的需求，由数量不等的太阳能电池片组成。它的转换率受到光强、温度以及太阳电池晶体种类的影响。常用的太阳能电池板电压有3 V、6 V、9 V、12 V、18 V以及32 V等。本文手机充电的所需电压并不是单个太阳能晶片所能供应的，因此选用组合的模块化设计对多块太阳能电池片进行串联和并联来扩大输出电压和输出功率，以满足不同的手机充电要求。

1.2 复位电路

复位电路保障单片机的正常初始化启动和运行，死机时重启单片机。复位电路如图2所示，采用S1作为复位按键。系统运行时，电源给电容充电，使得电容内存储的电能上升。复位时，需要手动按下按键，使得端口由0变为1。当单片机收到信号后，可自主复位[2]。

图1 太阳能手机充电系统硬件设计框图

图2 复位电路图

1.3 按键电路

设有3个按键：第1个为复位电路中的复位按键；第2个为电压选择按键，按下可以选择不同的充电电压；第3个为开始键，按下则开始为手机电池充电。按键在按下时会有抖动现象，虽然持续时间很短（只有几毫秒），但是会导致单片机对同一按键操作进行重复处理而出现错误。因此，软件中应用延迟程序来消去抖动造成的弊端，使按键闭合与断开相对稳定。按键接线图如图3所示。

图3 按键电路图

1.4 A/D转换电路

采用ADC0809采集充电电压，并将模拟量转化为数字量发送到单片机。ADC0809拥有8个数据采集通道，通过A、B、C三口的数值组合选择采集的通道，将采集到的模拟输入量转化为8位二进制数字量，并将转换得到的数字信号传给单片机进行处理计算，计算结果即充电电压值，通过LCD1602显示。A/D转换电路如图4所示。

1.5 LM7805稳压电路

太阳能电池板的输出电压随着光照强度的变化而变化。当光照强度强时，其输出的电压比较高；当光照强度变弱后，其输出电压变低。因此，输出的电压不稳定。只有稳定的5 V电压才可以作为该设计的供电电源，故采用LM7805稳压电路使输出电压稳定。LM7805的稳压源电路并不需要很多外接的器件，有防止电流过大和热量过高的保护，方便可靠。这种集成稳压系列中的LM78xx的后两位数字显示这一电路的输出电压，即LM7805的输出电压是5 V。

LM7805的稳压电路如图5所示。图5中的4只电容实现组合滤波功能，其中C4、C7用来滤除高频谐波和尖脉冲，在其输出端接上的大电容C6、C5的作用是滤除残存交流成分和拉平波纹。通常情况下，电容的抗压性能会比输入及输出的电压高很多。同时，在LM7805管的输入和输出端之间有一个二极管，防止对LM7805造成损坏，使得电路能够正常使用。当光强波动时，太阳能电池拥有不变的输出电压（5 V），从而使得单片机控制的电路能够快速、可靠运行。

1.6 充电电路

DC/DC变换器是将直流电转换成直流电的部件，主要用于各种便携装置[3]。本文DC/DC变换是把不变的直流电压转化为可变的直流电压，从而给手机充电。本文设计的电路中，输入始终比输出电压大，故采用脉宽调制方式的Buck变换器，电路如图6所示，其中脉宽调制信号由单片机程序控制，用来控制开关管的通断。

电路的核心部分由1 mH的电感、三极管及整流二极管3部分组成，最终构成了降压DC/DC电路。其中，Q2由脉冲宽度调制（Pulse Width Modulation，PWM）信号打开或关闭进一步来控制Q1开关管的通断，以达到给手机充电的目的。

图4 A/D转换电路图

图5 LM7805稳压电路图

图6 电池充电电路图

1.7 液晶屏显示电路

选用LCD1602液晶屏显示充电电压，主要技术参数如下：显示容量16 2个字符，芯片工作电压4.5～5.5 V，工作电流2.0 mA（5.0 V），模块最佳工作电压5.0 V，字符尺寸2.95 mm 4.35 mm（WH）。

引脚说明如表1所示。

表1 LCD1602液晶屏引脚说明

2 软件设计

系统在接入充电设备前，需要先设定其初始充电电流和充电电压。接入充电设备后，系统开始充电，在设置的最大充电电流范围内为手机锂电池充电。充电过程中，系统实时监测充电电压和充电电流值。先是恒流充电，即电流一定，电池电压随着充电过程逐步升高[4-5]。当电池端电压达到4.2 V时，改恒流充电为恒压充电，即电压一定，电流根据电芯的饱和程度随着充电过程的继续逐步减小。当减小到20 mA时，充电终止。软件主程序流程如图7所示，充电子程序如图8所示。

图7 系统主程序流程图

图8 充电子程序流程图

3 结语

编程后，将硬件电路和软件程序相结合进行仿真调试，再将程序烧写入单片机，最后进行电路板的焊接和测试。测试时，选择天气较好的时候，否则太阳能电池板可能无法正常供电。在确定太阳能电池板输出的电压正常的情况下，将锂电池放入开始充电，电池充满后自动停止充电。经测试，充电1 V大概需要20 min。测试结果表明：在天气晴好、阳光充足的条件下，系统能高效地将太阳能转化为电能对手机充电。

太阳能作为清洁能源，现阶段被广泛应用于通信、交通及电力等方面。本文设计了基于单片机的太阳能手机充电系统，能在节约能源的同时对手机充电。目前，人们对环境保护的意识愈发加强，会随着科技的发展对太阳能进行更深入的开发与研究。