基于單片機的太陽能無線手機充電器的研制

陳奕翰，朱鋁芬，卜銘洋，高 宇

（南京工業大學浦江學院，江蘇 南京 211100）

0 引 言

隨著科技的發展，太陽能作為最常見的環保能源被廣泛應用。隨著無線時代的到來，日常使用頻率最高的物品如鍵盤、鼠標、耳機等[1]早已不再受到線的約束，但電源的位置和數據線的長短束縛著手機充電器。在綠色環保方面，太陽能有著其他能源無可比擬的優勢，而傳統的有線充電方式必將被簡單便捷的無線充電方式逐漸替代，且在某些特殊情況下，太陽能無線充電器具有很高的使用價值。因此，一款便于攜帶的太陽能無線手機充電器具有極高的研究價值。本文融入太陽能無線充電器的知識，以無線充電為目的，對自動充電自動停止充電進行優化。

1 總體電路結構設計

本項目根據電磁感應原理，輔以太陽能作為能源供給來設計一款無線充電器。通過將太陽能轉換成電能，并以無線傳輸方式進行傳輸，從而實現對手機等設備的供電。

太陽能無線手機充電器主要由太陽能電池板、降壓穩壓電路、無線電力傳輸電路、單片機電壓采集監控電路、無線電力接收電路、手機充電電路和充電保護電路等組成，如圖1所示[2]。其中，單片機電路通過多路電壓采集芯片獲取太陽能電池板電壓和降壓穩壓電路的電壓，通過液晶顯示屏顯示電壓。

圖1 總體設計結構框圖

2 硬件設計

本設計的硬件部分由太陽能電池板、無線電力發射接收電路、單片機系統電路、液晶顯示電路和電壓采集電路組成。本文著重介紹無線電力發射接收電路。

2.1 太陽能電池板選型及降壓穩壓電路設計

本設計通過太陽能電板將光能轉換為電能從而實現后續的功能，并采取將多塊太陽能電板串并聯的方式提高電壓，以克服太陽光照強度不穩定所引起的電壓不穩定問題。再利用DC-DC降壓穩壓芯片LM2575對其進行降壓，之后為蓄電池供電，從而使得蓄電池能夠輸出相對穩定的電壓。

2.2 無線電力發射接收電路

該無線電力發射電路核心元件為XKT-510，直流輸入電壓范圍為5.0～5.5 V[3]。在有直流電源的情況下，該芯片通過內部高頻逆變電路進行轉變來產生高頻交變電流，并將其輸入至發射端的一次線圈產生電磁感應電動勢，然后使用高頻整流及直流斬波等相關系統電路對用電設備進行有效供電，從而實現充電的目的。當一次側的繞組中流過高頻電流時，二次側的繞組中會感應同頻率的電功率，并以此感應耦合實現電能傳輸，如圖2所示。

圖2 無線發射電路

由該無線發射電路產生的交變磁場對外發射來使接收端感應到該交變磁場，并將該磁場信號轉換成電壓輸出[4-7]。但是，該電壓為交流高頻電壓，無法直接接到手機。因此，本設計采用單橋整流電路對其進行整流，再輸出直流電，此后還需進行降壓操作，因為直流電電壓會隨著線圈距離的變化而變化。因此，本設計采用基于T3168芯片的降壓電路來實現降壓的目的。該芯片在不工作時所有電路都將關閉，且空載情況下的工作電流僅為8 mA。當芯片控制無線電力接收電路開啟時，所有狀態顯示燈將同時點亮。對外輸出電壓的大小則通過設置R21和R22的比值決定。為了能夠輸出穩定的電壓，本設計采用5.2 kΩ與2.0 kΩ的配比來供設備充電使用，如圖3所示。

2.3 單片機系統電路

51單片機為了實現12 V電源輸入、5 V電源輸出，采用7805降壓芯片，并采用11.059 2 MHz晶振為單片機提供外部時鐘，同時使用電容和電阻實現上電復位功能[8]。

本設計中額外添加了復位電路。復位電路通過采用上電復位電路和按鍵復位電路結合的方式，在上電及按鍵按下時對單片機的寄存器進行清零初始化。此外，為了增強P0口的輸出能力，添加了10 kΩ排阻，從而提高該數據端口的輸出電流。

2.4 電壓采集電路

本設計采用PCF8591采集模擬電壓，并傳輸給單片機處理。如果A/D芯片采集通道的輸入電壓高于電源電壓，會使該通道損壞或使芯片燒毀。因此，PCF8591芯片在輸入電壓高于5 V時，整個芯片會燒毀[9]。若不超過5 V，則可以直接采集電壓；若采集電壓超過5 V，則需要分壓后采集。本設計中的輸入電壓小于5 V，可以直接采集并進行檢測。

圖3 無線接收電路

3 軟件設計

本設計選用89C51單片機作為微處理器，使用KEIL軟件編寫C語言程序[10]。編譯好程序后，使用ISP下載器將編寫的程序寫入單片機。本設計的軟件流程如圖4所示。

實際運行時，單片機上電后先進行上電復位，再初始化全部配置，然后初始化PCF8591芯片和液晶屏，隨后系統進行A/D轉換，檢測無線電力接收電路的電壓。若電壓不在安全充電范圍，則提示用戶暫時不要進行充電；如果電壓正常，則提示用戶可以充電。

4 調 試

通過軟件與硬件結合調試后，實現了通過太陽能電板提供電能并通過無線傳輸電路為手機充電的功能，如圖5所示。

5 結 論

本設計為一款太陽能無線手機充電器。通過太陽能電池板將光能轉換為電能，由降壓穩壓電路將電能存儲于蓄電池，再利用無線電力傳輸電路將電能傳送至手機端。無線電力接收電路將電磁能量轉化為電能，最后經過降壓穩壓處理后給手機充電。此外，利用單片機實時檢測電池板及輸出電壓，并由液晶模塊顯示當前的電壓。如果出現欠壓、過壓情況，由液晶顯示報警。利用單片機對充電過程進行智能控制，從而有效保護蓄電池。最終，獲得的太陽能無線充電電路能夠實現手機充電等功能。然而，本文設計的無線電力傳輸距離受到一定的限制，無線電力傳輸性能不穩定，需要今后進行進一步調試。

圖4 功能流程圖

圖5 實物圖