基于单片机的太阳能手机充电器的设计

张昊，张婧婧（通讯作者）

（湖北文理学院物理与电子工程学院，湖北襄阳，441053）

0 引言

随着5G通信技术的成熟，手机的应用越来越广泛。许多人会遇到在外出差时手机突然没电或者在野外恶劣环境中手机突然没电的情况，在周围没有充电端口的情况下，如果能应用太阳能对手机进行充电就能解决这类紧急问题[1]。同时，太阳能是一种清洁、高效、易于获取的免费自然资源，如果能应用它对手机进行充电，在节能减排方面也具有非常重大的意义。

本项目设计了一个具有过充保护功能可储存电量的便携式太阳能手机充电器。系统主要利用光电效应将太阳能转换成电能，再利用稳压保护电路，将电能转换成合适的电压为充电电池充电。

1 总体设计

系统主要由太阳能电池板、单片机控制模块、电源模块、A/D转换模块、LCD显示模块、过充保护等模块组成。该系统以STC89C52单片机为控制核心，利用太阳能电池板进行太阳能的采集，利用模/数转换模块将太阳能转换成电能，利用可充电电池将电能储存起来，利用过充保护电路防止过大电流烧坏手机，用液晶屏实时显示充电电压、充电电流和充电时间。

太阳能手机充电器的系统框图如图1所示。

图1 太阳能充电系统框图

2 硬件电路设计

系统选择了STC89C52单片机为控制核心。充电芯片选用了TP4056[2]。转换芯片选用了ADC0832，它相比ADC0809性价比更高，可以满足本系统的功能需求。系统选择了体积小、低功率、高性价比的LCD1602液晶显示屏进行充电电压和充电电流值的监控显示。

图2 单片机主控电路原理图

2.1 主控模块

系统选用了STC89C52单片机作为控制核心，时钟电路由一个晶振和两个电容组成产生自激振荡的时钟脉冲为单片机提供时钟脉冲信号。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。

2.2 模数转换模块

系统将采样信号通过转换芯片ADC0832转变成相对应的数字信号，再发送给单片机，经过计算分析后将充电的电压值通过LCD1602显示。

ADC0832的CS端与单片机的P2.2相连，CLK端与单片机P2.0相连，DO与单片机P2.1相连。模数转换模块电路如图3所示。

图3 模数转换模块电路图

2.3 充电和过充保护模块

系统提供了两种充电方式：一是直接对锂电池进行充电；第二种则是通过USB接口连接手机进行充电。

充电芯片选择了TP4056。充电模块利用发光二极管显示系统充电状态。对手机进行充电时，充电指示灯点亮；充电完成后，充电指示灯熄灭。P1作为跳帽，连接到1、2两端时使用太阳能进行充电，连接到2、3两端时为USB电源供电，当连接到充电模块上的USB接口时为手机充电。BAT1是存储电荷的锂电池，容量可根据需求进行更换。

充电时为了防止过大电流烧坏手机，系统利用继电器进行过充保护。一般情况下，手机锂电池的工作电压为3.6~3.8V，额定的充电电流约为0.6~2A。因此，系统设置的充电电压最高是3.7V。系统检测到锂电池的电压接近3.7V时就会控制继电器断开充电开关。

充电和过充保护模块电路如图4所示。

图4 充电和过充保护模块电路图

2.4 显示模块

系统使用LCD1602液晶显示屏显示充电电压和充电时间。将LCD的RS、RW、EN端口分别与单片机的P1.0、P1.1、P1.2相连，D0~D7口通过排阻PR1与单片机相连。同时将一个发光二极管与LCD1602相连，主要用于显示LCD的是否接入电源进行充电的状态。

LCD1602与单片机的连接电路如图5所示。

图5 显示模块电路图

3 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并显示充电电压和充电电流值。当充电电压达到充电电压上限3.7V时，采用恒压充电，此时，充电电流将会不断地下降，当充电电流下降至20 mA时，则系统认为充电完成，此时设置充电电压和电流均为0，防止锂电池过充。主程序流程图如图6所示。

图6 系统主程序流程图

4 系统测试

编写完程序后将硬件电路和软件程序相结合进行仿真调试，优化，再将程序烧写入单片机中。最后进行电路板的焊接和测试。经测试表明：在阳光充足的情况下，系统能高效地将太阳能传化为电能对手机充电。系统实物图如图7所示。

图7 系统实物图