基于单片机的多能源手机充电器设计

姚磊 梁春美

摘 要：在现代，手机成为人们的主要通讯工具，甚至是购物娱乐工具，成为外出旅游的必备，但由于没有随时充电的条件，经常耽误手机的使用。但是在室外条件下，很难具备市电充电的条件。为了解决这个难题，文章介绍一种太阳能、风能、温差能的手机充电器，这样，不仅解决了手机随时充电的问题，且节约市电，节能降耗，减少污染，安全方便。

关键词：太阳能；风能；温差能；手机充电

1 概述

由于化石燃料的燃烧，导致了全球环境污染和能源短缺，不可再生能源已经是进入紧急状态，能源危机越来越制约着国际社会经济发展，全球能源日益紧张并且环境污染越来越严重，我们必须开发使用清洁、可再生能源。目前使用最广泛的是太阳能、风能，同样温差能也开始受到广泛关注。

太阳能是一种可再生且无污染的自然资源。越来越多的国家已经使太阳能资源成为了各国经济发展的新动力。太阳能电池通过使用太阳发出的光能和材料相互作用产生电，来避免环境污染的可再生能源。这对改善生态环境，缓解温室气体等方面具有重要的意义。

风能，是一种公认的廉价环保且资源丰富的可再生能源。风能的储量非常丰富，并且是持续产生的。对于风力发电的技术相对成熟且开发成本较低，很适合大规模开发利用。由于风能具有该优点，所以得到了各国的高度重视和大力开发使用。

温差发电器是能将热能直接转化成电能的固态装置。美国科学家汤姆逊在研究鲨鱼鼻子时发现，鲨鱼将外界环境温差转换成电信号，传输给大脑来掌握海洋温度。并通过大量实验研究，发现了汤姆逊效应。基于该理论开发而成具有将温差转换成电压的半导体发电片。由于温差发电的转换效率低，造价高，仅在必要条件下才会使用，其开发潜力仍不小。

目前，采用单一的新能源技术充电，极易受到受环境影响，而达不到预期的发电效果。太阳能和风能两种资源都是取自自然环境，而自然环境又是瞬息万变的，所以采用单一的发电技术，很显然会存在不稳定的弊端，难以长期提供连续的电能。为了避免采用相当大的储电装置，对资金浪费，同时占用大量的场地。在此情况下，采用多种发电方式进行互补是必要的。根据我国所处气候区，该气候具有很强的互补性。例如冬天，太阳能辐射的强度较弱，风力较大；夏季，风力较小，太阳能辐射强度高。同时，白天风力较小，太阳能辐射强度大；黑天太阳能辐射强度接近为零，风力较大。因此，太阳能和风能具有极强的互补性。

2 系统整体设计

2.1 系统整体结构设计

在全球能源危机越发显著的当下，开发和使用新能源已是大势所趋。为此，本课题在太阳能、风能、温差能方面，进行深度研究，提出并设计一套基于上述三种新能源技术的充电器，具体设计如下：

硬件方面：新能源充电器主要由如下几部分组成：单片机模块、模数转换模块、液晶显示模块、降压稳压模块等。（图1）

图1 系统硬件电路结构图

系统由STC89C51控制，模数转换芯片PCF8591采集太阳能电池板输出电压电流、风力发电机输出电压，显示在液晶屏中；太阳能产生的电压，经降压稳压电路转换输出5V电压，实现手机充电。温差能发电量较小，所以仅留出接口，方便采用万用表测量。

2.2 单片机系统电路设计

本设计中，微处理器选用STC89C51单片机。51单片机设计电源电路、复位电路、时钟电路，才可以使STC89C51单片机稳定可靠地运行。设计中电源电路选用AOZ1016降压稳压芯片，经过降压得到5.3V电压，该电压可以满足单片机的正常工作。复位电路采用上电复位，实现上电后即复位。

时钟源电路采用无源晶振设计的，选用11.0592M晶振作为系统的时钟源。此外，单片机直接驱动1602液晶屏，显示电压信息。

2.3 降压稳压电路设计

本设计采用典型的BUCK型电源芯片-AOZ1016芯片作为降压稳压芯片。该芯片采用SO-8封装设计而成，内部集成P沟道场效应管和肖特基二极管，使外围电路非常简单。

2.4 A/D转换电路设计

PCF8591是具有IIC总线接口的8位A/D及D/A转换器。有4路A/D转换输入，1路D/A模拟输出。这就是说，它既可以作A/D转换也可以作D/A转换。A/D转换为逐次比较型。电源电压典型值为5V。引脚功能如下：

PCF8591芯片的模拟通道0检测手机手机充电电压，模拟通道1检测风能发电的电压，模拟通道2检测太阳能电池板发电电压，模拟通道3检测手机充电电流。

2.5 充电控制电路设计

在实际应用中，为了保护手机免收过高的电压冲击而烧坏，本系统设计了充电控制电路。结合A/D转换电路，如果电压超过5.5V，则断开充电电路，从而保护手机。同时，也设计了按键控制充电回路通断的功能。

3 系统软件设计

本设计的基本过程是从太阳能电池板获取太阳能后，进行电压的降压供系统供电和手机充电。而PCF8591随时进行数模转换，将风能产生的电量、太阳能电池板发电电压、手机充电电压和电流等数据进行实时采集，然后进行LCD液晶显示屏显示。另外，手机是否充电，以及充满电后，均通过单片机控制充电电路的通断。

4 结束语

本手机充电器系统的设计分为硬件电路设计和程序设计两个部分，硬件电路设计属于电路设计工作，通过对方案和可行性的分析，确定由89C51单片机完成主电路的控制和测量，首先展开对主要电路与控制硬件电路设计，硬件电路的设计主要是设计电路原理图和原件，芯片参数的确定。在硬件电路设计上遇到不少麻烦，最初稳压电路想用LM7805，但后来发现设计要求中要求只利用升压，而LM7805涉及降压，因此改换aoz1016芯片来升压，再将电压输入usb接口进行控制充电。并且在后期换掉了ADC0809改用PCF8591这个四路的AD进行数模转换。考虑到太阳能电池板输出电压随时波动，所以采用AOZ1016降压稳压芯片，产生5.3V的稳定电压，实现手机充电，并给单片机系统提供电源。采用51单片机以及A/D转换芯片，采集手机充电的电压值，并且显示在1602液晶屏上。

本设计首先进行硬件设计和加工制作，在完成硬件加工，进行软件编程。最后得到完整的实物。通过对实物的功能测试，发现整个设计可以满足将太阳能为主要能源转换成电能，并直接给手机充电。在测试过程中，功能达到要求，符合设计需求，具有实际应用价值。

参考文献

[1]滨川圭弘.太阳能光伏电池及其应用[M].北京：科学出版社，2008.

[2]李朝青.单片机原理及接口技术[M].北京航空航天大学出版社，2005（5）.

[3]陈维，沈辉，王东海，等.太阳能半导体照明驱动技术研究[J].照明工程学报.

作者简介：姚磊（1990-），男，河北省沧州市人，工作单位：公安海警学院，职务：学生，研究方向：电子信息工程。