基于單片機的太陽能手機充電器的設計

張昊，張婧婧（通訊作者）

（湖北文理學院物理與電子工程學院，湖北襄陽，441053）

0 引言

隨著5G通信技術的成熟，手機的應用越來越廣泛。許多人會遇到在外出差時手機突然沒電或者在野外惡劣環境中手機突然沒電的情況，在周圍沒有充電端口的情況下，如果能應用太陽能對手機進行充電就能解決這類緊急問題[1]。同時，太陽能是一種清潔、高效、易于獲取的免費自然資源，如果能應用它對手機進行充電，在節能減排方面也具有非常重大的意義。

本項目設計了一個具有過充保護功能可儲存電量的便攜式太陽能手機充電器。系統主要利用光電效應將太陽能轉換成電能，再利用穩壓保護電路，將電能轉換成合適的電壓為充電電池充電。

1 總體設計

系統主要由太陽能電池板、單片機控制模塊、電源模塊、A/D轉換模塊、LCD顯示模塊、過充保護等模塊組成。該系統以STC89C52單片機為控制核心，利用太陽能電池板進行太陽能的采集，利用模/數轉換模塊將太陽能轉換成電能，利用可充電電池將電能儲存起來，利用過充保護電路防止過大電流燒壞手機，用液晶屏實時顯示充電電壓、充電電流和充電時間。

太陽能手機充電器的系統框圖如圖1所示。

圖1 太陽能充電系統框圖

2 硬件電路設計

系統選擇了STC89C52單片機為控制核心。充電芯片選用了TP4056[2]。轉換芯片選用了ADC0832，它相比ADC0809性價比更高，可以滿足本系統的功能需求。系統選擇了體積小、低功率、高性價比的LCD1602液晶顯示屏進行充電電壓和充電電流值的監控顯示。

圖2 單片機主控電路原理圖

2.1 主控模塊

系統選用了STC89C52單片機作為控制核心，時鐘電路由一個晶振和兩個電容組成產生自激振蕩的時鐘脈沖為單片機提供時鐘脈沖信號。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。

2.2 模數轉換模塊

系統將采樣信號通過轉換芯片ADC0832轉變成相對應的數字信號，再發送給單片機，經過計算分析后將充電的電壓值通過LCD1602顯示。

ADC0832的CS端與單片機的P2.2相連，CLK端與單片機P2.0相連，DO與單片機P2.1相連。模數轉換模塊電路如圖3所示。

圖3 模數轉換模塊電路圖

2.3 充電和過充保護模塊

系統提供了兩種充電方式：一是直接對鋰電池進行充電；第二種則是通過USB接口連接手機進行充電。

充電芯片選擇了TP4056。充電模塊利用發光二極管顯示系統充電狀態。對手機進行充電時，充電指示燈點亮；充電完成后，充電指示燈熄滅。P1作為跳帽，連接到1、2兩端時使用太陽能進行充電，連接到2、3兩端時為USB電源供電，當連接到充電模塊上的USB接口時為手機充電。BAT1是存儲電荷的鋰電池，容量可根據需求進行更換。

充電時為了防止過大電流燒壞手機，系統利用繼電器進行過充保護。一般情況下，手機鋰電池的工作電壓為3.6~3.8V，額定的充電電流約為0.6~2A。因此，系統設置的充電電壓最高是3.7V。系統檢測到鋰電池的電壓接近3.7V時就會控制繼電器斷開充電開關。

充電和過充保護模塊電路如圖4所示。

圖4 充電和過充保護模塊電路圖

2.4 顯示模塊

系統使用LCD1602液晶顯示屏顯示充電電壓和充電時間。將LCD的RS、RW、EN端口分別與單片機的P1.0、P1.1、P1.2相連，D0~D7口通過排阻PR1與單片機相連。同時將一個發光二極管與LCD1602相連，主要用于顯示LCD的是否接入電源進行充電的狀態。

LCD1602與單片機的連接電路如圖5所示。

圖5 顯示模塊電路圖

3 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并顯示充電電壓和充電電流值。當充電電壓達到充電電壓上限3.7V時，采用恒壓充電，此時，充電電流將會不斷地下降，當充電電流下降至20 mA時，則系統認為充電完成，此時設置充電電壓和電流均為0，防止鋰電池過充。主程序流程圖如圖6所示。

圖6 系統主程序流程圖

4 系統測試

編寫完程序后將硬件電路和軟件程序相結合進行仿真調試，優化，再將程序燒寫入單片機中。最后進行電路板的焊接和測試。經測試表明：在陽光充足的情況下，系統能高效地將太陽能傳化為電能對手機充電。系統實物圖如圖7所示。

圖7 系統實物圖