張昊，張婧婧（通訊作者）

（湖北文理學(xué)院物理與電子工程學(xué)院，湖北襄陽，441053）

0 引言

隨著5G通信技術(shù)的成熟，手機(jī)的應(yīng)用越來越廣泛。許多人會遇到在外出差時手機(jī)突然沒電或者在野外惡劣環(huán)境中手機(jī)突然沒電的情況，在周圍沒有充電端口的情況下，如果能應(yīng)用太陽能對手機(jī)進(jìn)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(fèi)自然資源，如果能應(yīng)用它對手機(jī)進(jìn)行充電，在節(jié)能減排方面也具有非常重大的意義。

本項目設(shè)計了一個具有過充保護(hù)功能可儲存電量的便攜式太陽能手機(jī)充電器。系統(tǒng)主要利用光電效應(yīng)將太陽能轉(zhuǎn)換成電能，再利用穩(wěn)壓保護(hù)電路，將電能轉(zhuǎn)換成合適的電壓為充電電池充電。

1 總體設(shè)計

系統(tǒng)主要由太陽能電池板、單片機(jī)控制模塊、電源模塊、A/D轉(zhuǎn)換模塊、LCD顯示模塊、過充保護(hù)等模塊組成。該系統(tǒng)以STC89C52單片機(jī)為控制核心，利用太陽能電池板進(jìn)行太陽能的采集，利用模/數(shù)轉(zhuǎn)換模塊將太陽能轉(zhuǎn)換成電能，利用可充電電池將電能儲存起來，利用過充保護(hù)電路防止過大電流燒壞手機(jī)，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(jī)充電器的系統(tǒng)框圖如圖1所示。

圖1 太陽能充電系統(tǒng)框圖

2 硬件電路設(shè)計

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

圖2 單片機(jī)主控電路原理圖

2.1 主控模塊

系統(tǒng)選用了STC89C52單片機(jī)作為控制核心，時鐘電路由一個晶振和兩個電容組成產(chǎn)生自激振蕩的時鐘脈沖為單片機(jī)提供時鐘脈沖信號。復(fù)位電路保障單片機(jī)的正常初始化啟動和運(yùn)行，死機(jī)時重啟單片機(jī)。

2.2 模數(shù)轉(zhuǎn)換模塊

系統(tǒng)將采樣信號通過轉(zhuǎn)換芯片ADC0832轉(zhuǎn)變成相對應(yīng)的數(shù)字信號，再發(fā)送給單片機(jī)，經(jīng)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(jī)的P2.2相連，CLK端與單片機(jī)P2.0相連，DO與單片機(jī)P2.1相連。模數(shù)轉(zhuǎn)換模塊電路如圖3所示。

圖3 模數(shù)轉(zhuǎn)換模塊電路圖

2.3 充電和過充保護(hù)模塊

系統(tǒng)提供了兩種充電方式：一是直接對鋰電池進(jìn)行充電；第二種則是通過USB接口連接手機(jī)進(jìn)行充電。

充電芯片選擇了TP4056。充電模塊利用發(fā)光二極管顯示系統(tǒng)充電狀態(tài)。對手機(jī)進(jìn)行充電時，充電指示燈點(diǎn)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(jìn)行充電，連接到2、3兩端時為USB電源供電，當(dāng)連接到充電模塊上的USB接口時為手機(jī)充電。BAT1是存儲電荷的鋰電池，容量可根據(jù)需求進(jìn)行更換。

充電時為了防止過大電流燒壞手機(jī)，系統(tǒng)利用繼電器進(jìn)行過充保護(hù)。一般情況下，手機(jī)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(tǒng)設(shè)置的充電電壓最高是3.7V。系統(tǒng)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(guān)。

充電和過充保護(hù)模塊電路如圖4所示。

圖4 充電和過充保護(hù)模塊電路圖

2.4 顯示模塊

系統(tǒng)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(jī)的P1.0、P1.1、P1.2相連，D0~D7口通過排阻PR1與單片機(jī)相連。同時將一個發(fā)光二極管與LCD1602相連，主要用于顯示LCD的是否接入電源進(jìn)行充電的狀態(tài)。

LCD1602與單片機(jī)的連接電路如圖5所示。

圖5 顯示模塊電路圖

3 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(jī)鋰電池充電，充電過程中系統(tǒng)實時監(jiān)測并顯示充電電壓和充電電流值。當(dāng)充電電壓達(dá)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(dāng)充電電流下降至20 mA時，則系統(tǒng)認(rèn)為充電完成，此時設(shè)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(tǒng)主程序流程圖

4 系統(tǒng)測試

編寫完程序后將硬件電路和軟件程序相結(jié)合進(jìn)行仿真調(diào)試，優(yōu)化，再將程序燒寫入單片機(jī)中。最后進(jìn)行電路板的焊接和測試。經(jīng)測試表明：在陽光充足的情況下，系統(tǒng)能高效地將太陽能傳化為電能對手機(jī)充電。系統(tǒng)實物圖如圖7所示。

圖7 系統(tǒng)實物圖