何磊杰 王海玲 楊 佳 聞 銘 馬潔瑾

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

隨著時代的發(fā)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(dǎo)致關(guān)機，給人們的生活帶來困擾?；诖?，本文設(shè)計一種通過單片機控制的太陽能手機充電系統(tǒng)，能將太陽能通過電路變換成穩(wěn)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(dāng)作一般的直流電源。

1 硬件設(shè)計

太陽能手機充電系統(tǒng)的硬件設(shè)計框圖如圖1所示。用單硅晶太陽能電池板發(fā)電，以STC89C52單片機為核心進(jìn)行控制，將太陽能電池板輸出的不穩(wěn)定電壓經(jīng)過LM7805電路轉(zhuǎn)化為穩(wěn)定的5 V輸出電源，再通過Buck降壓DC/DC轉(zhuǎn)換電路給手機電池充電。顯示屏可以顯示本設(shè)計中電池電壓的實際值，在檢測到充電結(jié)束后自動停止充電。系統(tǒng)選用STC89C52單片機作為控制核心，實現(xiàn)利用太陽能對手機充電的功能。STC89C52是一種帶8K字節(jié)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(fù)位電路、時鐘電路、按鍵電路、A/D轉(zhuǎn)換電路、顯示電路、穩(wěn)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(yīng)或光化學(xué)效應(yīng)把太陽輻射轉(zhuǎn)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(zhuǎn)換效率近乎14%，最大能夠達(dá)到23%，在不同類型中轉(zhuǎn)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(dá)2.6 W，最大工作電壓可達(dá)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(shù)量不等的太陽能電池片組成。它的轉(zhuǎn)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(yīng)的，因此選用組合的模塊化設(shè)計對多塊太陽能電池片進(jìn)行串聯(lián)和并聯(lián)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(fù)位電路

復(fù)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(fù)位電路如圖2所示，采用S1作為復(fù)位按鍵。系統(tǒng)運行時，電源給電容充電，使得電容內(nèi)存儲的電能上升。復(fù)位時，需要手動按下按鍵，使得端口由0變?yōu)?。當(dāng)單片機收到信號后，可自主復(fù)位[2]。

圖1 太陽能手機充電系統(tǒng)硬件設(shè)計框圖

圖2 復(fù)位電路圖

1.3 按鍵電路

設(shè)有3個按鍵：第1個為復(fù)位電路中的復(fù)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(xiàn)象，雖然持續(xù)時間很短（只有幾毫秒），但是會導(dǎo)致單片機對同一按鍵操作進(jìn)行重復(fù)處理而出現(xiàn)錯誤。因此，軟件中應(yīng)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(wěn)定。按鍵接線圖如圖3所示。

圖3 按鍵電路圖

1.4 A/D轉(zhuǎn)換電路

采用ADC0809采集充電電壓，并將模擬量轉(zhuǎn)化為數(shù)字量發(fā)送到單片機。ADC0809擁有8個數(shù)據(jù)采集通道，通過A、B、C三口的數(shù)值組合選擇采集的通道，將采集到的模擬輸入量轉(zhuǎn)化為8位二進(jìn)制數(shù)字量，并將轉(zhuǎn)換得到的數(shù)字信號傳給單片機進(jìn)行處理計算，計算結(jié)果即充電電壓值，通過LCD1602顯示。A/D轉(zhuǎn)換電路如圖4所示。

1.5 LM7805穩(wěn)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(dāng)光照強度強時，其輸出的電壓比較高；當(dāng)光照強度變?nèi)鹾螅漭敵鲭妷鹤兊?。因此，輸出的電壓不穩(wěn)定。只有穩(wěn)定的5 V電壓才可以作為該設(shè)計的供電電源，故采用LM7805穩(wěn)壓電路使輸出電壓穩(wěn)定。LM7805的穩(wěn)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(wěn)壓系列中的LM78xx的后兩位數(shù)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(wěn)壓電路如圖5所示。圖5中的4只電容實現(xiàn)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(dāng)光強波動時，太陽能電池?fù)碛胁蛔兊妮敵鲭妷海? 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(zhuǎn)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(zhuǎn)化為可變的直流電壓，從而給手機充電。本文設(shè)計的電路中，輸入始終比輸出電壓大，故采用脈寬調(diào)制方式的Buck變換器，電路如圖6所示，其中脈寬調(diào)制信號由單片機程序控制，用來控制開關(guān)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(gòu)成了降壓DC/DC電路。其中，Q2由脈沖寬度調(diào)制（Pulse Width Modulation，PWM）信號打開或關(guān)閉進(jìn)一步來控制Q1開關(guān)管的通斷，以達(dá)到給手機充電的目的。

圖4 A/D轉(zhuǎn)換電路圖

圖5 LM7805穩(wěn)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(shù)參數(shù)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(shè)計

系統(tǒng)在接入充電設(shè)備前，需要先設(shè)定其初始充電電流和充電電壓。接入充電設(shè)備后，系統(tǒng)開始充電，在設(shè)置的最大充電電流范圍內(nèi)為手機鋰電池充電。充電過程中，系統(tǒng)實時監(jiān)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(dāng)電池端電壓達(dá)到4.2 V時，改恒流充電為恒壓充電，即電壓一定，電流根據(jù)電芯的飽和程度隨著充電過程的繼續(xù)逐步減小。當(dāng)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(tǒng)主程序流程圖

圖8 充電子程序流程圖

3 結(jié)語

編程后，將硬件電路和軟件程序相結(jié)合進(jìn)行仿真調(diào)試，再將程序燒寫入單片機，最后進(jìn)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(jīng)測試，充電1 V大概需要20 min。測試結(jié)果表明：在天氣晴好、陽光充足的條件下，系統(tǒng)能高效地將太陽能轉(zhuǎn)化為電能對手機充電。

太陽能作為清潔能源，現(xiàn)階段被廣泛應(yīng)用于通信、交通及電力等方面。本文設(shè)計了基于單片機的太陽能手機充電系統(tǒng)，能在節(jié)約能源的同時對手機充電。目前，人們對環(huán)境保護的意識愈發(fā)加強，會隨著科技的發(fā)展對太陽能進(jìn)行更深入的開發(fā)與研究。