基于太阳能的手机充电系统设计与实现

桂林理工大学博文管理学院实习实训课程指导教程PAGEPAGE1编号：桂林理工大学博文管理学院实习实训课程指导教程——《单片机应用实践》——《电子设计与应用实践》基于太阳能的手机充电系统设计与实现2015年9月摘要当今社会，手机作为一种工具已经极大的方便了人们的生活和工作，但由于其电池容量是非常有限的，需要经常进行充电，而太阳能作为一种绿色能源却得不到充分利用，因此，如果能设计一款基于太阳能的手机充电器，必然符合社会发展潮流和趋势。本系统的主要功能是将太阳能转化为电能，给手机进行充电。即通过电池板将太阳能转化为220V交流电能，并经过硬件电路降压处理后转换为直流供电电源，给手机进行充电；整个系统设计是以单片机为控制核心，包含电源变换电路（DC-DC）、采样电路、处理器、脉宽调制控制器和锂电池等组成部分，本系统具有智能保护功能，在检测到手机充满电后自动停止。关键词：太阳能；单片机；电源；控制

目录HYPERLINK1目的和要求 5HYPERLINK1.1基本目的 5HYPERLINK1.2基本要求 5HYPERLINK1.3成绩构成和注意事项 5HYPERLINK2系统方案设计 6HYPERLINK2.1整体设计方案 7HYPERLINK2.2系统主要功能 7HYPERLINK2.3太阳能电池板 7HYPERLINK3硬件电路设计 8HYPERLINK3.1单片机选型 8HYPERLINK3.2键盘输入电路 9HYPERLINK3.3显示电路 10HYPERLINK3.4蜂鸣器电路 11HYPERLINK3.5BUCK斩波电路 11HYPERLINK3.6数据采集电路 12HYPERLINK3.7D/A转换电路 13HYPERLINK3.8电源集成控制器 14HYPERLINK4系统软件设计 15HYPERLINK4.1主程序 15HYPERLINK4.2程序初始化 15HYPERLINK4.3按键输入子程序 16HYPERLINK4.4显示子程序 17HYPERLINK4.5数据采集子程序 18HYPERLINK4.6充电子程序 19HYPERLINK5系统调试 20HYPERLINK5.1硬件调试 20HYPERLINK5.2程序调试 21HYPERLINK5.3联合调试 22HYPERLINK6结论与展望 22HYPERLINK6.1结论 22HYPERLINK6.2展望 23HYPERLINK附录1电路设计原理图（参考） 24HYPERLINK附录2PCB设计原理图（参考） 25HYPERLINK附录3关键程序（参考） 26HYPERLINK附录4实习报告格式（参考） 26

基于太阳能的手机充电系统设计与实现1目的和要求1.1基本目的本实习指导书是电子信息类专业的集中性专业实践——《电子设计与应用实践》中的一个项目。《电子设计与应用实践》为学生毕业设计前的一次综合性课程设计实习，实习时间为4~6周。通过本次实习，使学生加深对电子技术、传感器技术、单片机或嵌入式系统等知识和技术的理解、掌握、应用、创新等。本实习主要培养电子信息类应用型本科人才的创新能力、工程能力和实践能力等，也即是电路设计与调试能力、软件设计能力、系统的集成能力和系统运行维护能力。1.2基本要求以设计小组为单位，每组约2-3人（也可以1人）。每组选择一个题目，按照各题目的功能和技术指标要求完成以下任务：（1）查阅相关技术资料，通过阅读资料了解相关技术的历史、国内外的研究现状和发展趋势；（2）通过阅读资料了解已有的主要技术方案，以及这些技术方案、相关产品所达到的技术指标；（3）制定总体技术方案，自主购买元器件和相关材料；（4）完成电路原理和PCB设计、程序设计；（5）完成样机实物硬件制作、调试和测试校准，完成软件设计与调试；（6）完成作品功能和技术指标测试；（7）完成设计报告的撰写；（8）提交作品实物和设计报告，设计报告要求每人一份（设计报告格式见附录4）。注：设计报告要求每人一份，同一组几个人在整个设计中分工合作共同完成整个设计任务，但每人的侧重点不一样，完成的具体工作有一定的差异，这些都需要在设计报告中明确反映出来，每个人的设计报告除了共同的内容，还应该有自己的特点，要对自己的工作重点进行重点描述，同一组的两个人不应全相同，不允许拷贝。1.3成绩构成和注意事项要求必须完成实物作品制作，进行作品的验收和答辩。没有完成作品，或作品不能运行，不予验收，无实习成绩。实习成绩构成比例见表1.1。表1.1成绩组成部分序号内容比例备注1实物制作硬件、软件40%演示基本功能，功能扩展可加分2设计报告、现场答辩40%PPT展示、提问3考勤、纪律20%（1）由于实验室空间限制，部分时间需要同学们在图书馆查阅资料，或在其他自选场地进行设计工作；（2）实习需按时填写实习记录本，提交实习总结；（3）实习时间：第6学期第14-18周；（4）实习地点：单片机应用实验室、嵌入式实验室、电子工艺实验室等。（5）每2~3人一组选择一题，组内分工协作共同完成设计、制作、调试工作；（6）每人提交一份设计报告，同一组内每个人以自己承担的分工为重点撰写设计报告，体现出分工与合作的工作过程，不能拷贝。（7）其他注意事项①严格遵守学校的相关规定和学院实验室管理制度；②注意实习安全；③不得提前离校。

2系统方案设计手机作为当前信息化手机作为当前信息化社会不可或缺的工具，给人们的生活、工作带来了极大的便利，也极大的促进了社会进步和发展，但是由于手机电池的容量限制，使得手机在普通电能无法涉及的野外等地方无法给手机进行及时充电，进而影响工作进度和工作效率。因此，如果能开发出一款在野外也能持续给手机进行充电的系统，将极大的促进社会信息化的发展和进步。而用之不竭的太阳能是是目前比较清洁和环保的绿色能源，不需要消耗燃料和水等物质，太阳能电池的应用已从军事领域、航天领域进入工业、商业、农业、通信、家用电器以及公用设施等部门，尤其可以分散地在边远地区、高山、沙漠、海岛和农村使用，可以节省造价很贵的输电线路。由于太阳能是通过太阳光和材料相互作用转化为电能，因此，能否设计一款手机充电系统，利用太阳能给手机进行充电，既环保又能解决野外手机充电不方便的问题？如何设计这样的一个手机充电系统？需要用到哪些材料？这就是本项目的设计来由。2.1整体设计方案由于太阳能是通过太阳光的光线照射表示，而光线变化较大，使得转换后的电能不太稳定，因此造成输出电压不稳定，输出电流较小，这就需要用硬件控制电路将太阳能电池板输出的电流进行变换降压后供给电池充电，设计框图如下图2.1所示。图2.1整体设计方案系统设计思路是：通过太阳能电池板将太阳能转换为电能，由单片机编程实现PWM波控制DC/DC变换芯片从而实现输出电压电流的改变，通过显示电路显示输出状态及大小，再由单片机内部ADC实现数据的采集及转换并传给单片机做判断处理，从而实现电路的智能输出与控制。由于充电器多采用大电流的快速充电法，在电池充满后如果不及时停止会使电池发烫，过度的充电会严重损害电池的寿命，因此系统必须含有智能保护功能。2.2系统主要功能系统主要功能如下：（1）通过太阳能电池板将太阳能转化为220V交流电能，以及交流电能转化为手机充电使用的5V直流电源。（2）设计DC-DC控制电路，通过滤波和降压，控制交流和直流稳压模块的输出。（3）实时显示交流电源，直流电源的电压、电流等。（4）手机充电系统具能自动停止充电，能智能控制。2.3太阳能电池板太阳能电池板是太阳能供电系统工作的基础，是该充电器的核心部分，其功能是将太阳光的辐射能量转化为电能，如今的便携式数码设备种类较多，所需电压电流不等，对于输入功率较大的设备，必须采用面积较大的电池板，而这又给携带带来不便。因此该设计采用模块式组合，根据不同充电负载的需要，将太阳能板进行组合以达到具有一定要求的输出功率和输出电压的一组光伏电池。本文以手机、MP3等常用小功率用电设备为例，说明其太阳能充电器的设计过程。所选用的太阳能电池板技术参数指标如下：尺寸280mm×200mm，峰值电压9V，峰值电流500mA，标称功率5W。考虑被充电池的电流不同所需充电时间不等，采用四块相同参数电池板进行串联，实测电池板的输出电压最大值为10.8V,电流最大可达450mA，总标称功率为5W左右,实际输出可根据不同的被充电对象进行平滑调整。硅太阳能电池片常用的为单晶125大角，其尺寸为125mm*125mm，对角线150mm，功率Pmax2.60W，工作电压Vm0.523V，工作电流Im4.934A，开路电压Voc0.629V，短路电流Isc5.285A。太阳能电池可根据电压大小需要，由不同数量的太阳能电池片组成，其转换效率受光照、温度、太阳电池晶体类型及制造工艺等影响，2010年中国平均效率为17.2%。常见的太阳能电池电压有3V、6V、9V、12V、18V、32V、48V等，更大的用于太阳能电厂发电项目。本设计中采用单晶硅太阳能电池板，尺寸135mm×200mm×3mm，峰值电压9V，峰值电流1800mA，串联。

3硬件电路设计本系统采用51单片机为控制核心进行设计，主要硬件电路设计如下所示：按键51单片机按键51单片机DC/DC变换手机充电器或锂电池太阳能电池板手机充电器或锂电池太阳能电池板 LCDLCD显示屏声光报警3.声光报警图3.1系统硬件设计3.1单片机选型STC12C5A60S2/AD/PWM系列单片机是宏晶科技生产的单时钟/机器周期(1T)的单片机，是高速/低功耗/超强抗干扰的新一代8051单片机，内部集成MAX810专用复位电路，2路PWM，8路高速10位A/D转换(250K/S)。图3.2单片机最小系统（STC12C5A60S2）3.2键盘输入电路在单片机应用系统中，按键主要有两种形式：1、独立按键；2、矩阵编码键盘。独立按键的每个按键都单独接到单片机的一个I/O口上，独立按键则通过判断按键端口的电位即可识别按键操作；而矩阵键盘通过行列交叉按键编码进行识别。通常所用的按键为轻触机械开关，正常情况下按键的接点是断开的，当我们按压按钮时，由于机械触点的弹性作用，一个按键开关在闭合时不会马上稳定地接通，在断开时也不会一下子断开。因而机械触点在闭合及断开的瞬间均伴随有一连串的抖动，抖动时间的长短由按键的机械特性及操作人员按键动作决定，一般为5ms～20ms；按键稳定闭合时间的长短是由操作人员的按键按压时间长短决定的，一般为零点几秒至数秒不等。在本设计中由于按键不是太多，故采用独立按键法，这样可以减小编程的难度，其功能是用来设置充电的相关参数：如设置充电电流大小，设置充电电压大小，充电时间清除等等。下图为本设计的按键接线图。图3.3独立键盘连接图对电路总体考虑后，将采集电路接在了单片机的P1口，并用PD口做采集控制，这样P0口仅用接收数据，不用发送数据，有P0口的硬件构成知道，其做输出的话需要接上拉电阻，做输入的不用接，这样整体上减少了电路的硬件开支，而P3口要做串口传输等工作，所以在本电路中将按键接在P1口，其中B2是数字减键，PB1为数字加键，PB0键位确定键，P1.3为过电流保护指示灯，P1.4、P1.5为输出功能选择键，按下P1.4代表给手机电池充电，按下P1.5则做普通直流电源使用，其中5V输出可直接用USB连接线给手机充电，电池充电控制则有手机提供。3.3显示电路系统显示部分是采用液晶模块LCD1602，主要用来显示电流、电压和充电时间。LCD1602字符型液晶显示模块是一种专门用于显示字母、数字、符号等点阵式LCD，目前常用16*1，16*2，20*2和40*2行等的模块。系统单片机STC12C5A60S2的P2.7，P2.6，P2.5作为LCD1602显示器的控制口，把P0口作为数据输出。图3.4LCD1602显示电路图3.4蜂鸣器电路蜂鸣器驱动电路一般包含：一个三极管、一个蜂鸣器、一个续流二极管，当程序检测到P3.6=1时，蜂鸣器发出“嘟嘟”的危险警告声。下图为本系统的蜂鸣器的链接图。图3.5蜂鸣器电路3.5BUCK斩波电路DC/DC变换器广泛应用于便携装置（如笔记本计算机、蜂窝电话、PDA等）中。它有两种类型，即线性变换器和开关变换器。开关变换器因具有效率高、灵活的正负极性和升降压方式的特点，而备受人们的青睐。DC/DC变换是将固定的直流电压变换成可变的直流电压，也称为直流斩波。斩波器的工作方式有两种，一是脉宽调制方式Ts不变，改变ton(通用)，二是频率调制（1）Buck电路——降压斩波器，其输出平均电压U0小于输入电压Ui，极性相同。（2）Boost电路——升压斩波器，其输出平均电压U0大于输入电压Ui，极性相同。（3）Buck－Boost电路——降压或升压斩波器，其输出平均电压U0大于或小于输入电压Ui，极性相反，电感传输。（4）BCuk电路——降压或升压斩波器，其输出平均电压U0大于或小于输入电压Ui，极性相反，电容传输。还有Sepic、Zeta电路。3.6数据采集电路STC12C5A60S2有8路10位高速A/D转换器，速度可达到250KHZ。8路电压输入型A/D，可做温度检测、电池电压检测、按键扫描、频谱检测等。上电复位后P1口为上拉型I/O口，用户可以通过软件设置将8路中的任何一路设置为A/D转换，不需要作为A/D使用的口可继续作为I/0口使用。STC12C5A60S2系列单片机的ADC是逐次比较型ADC。逐次比较型ADC由一个比较器和D/A转换器构成，通过逐次比较逻辑，从最高位（MSB）开始，顺序地对每一输入电压与内置D/A转换器输出进行比较，经过多次比较，使转换所得的数字量逐次逼近输入的模拟对应值。逐次比较型A/D转换器具有速度高，功耗低等优点。图3.6电池电压采样电路对于电流采样，电路中采用了放大电路，对微小的电流信号一定比例的放大后处理。下面是太阳能充电器中用到的差分放大电路。图3.7差分运放电路图其中必须满足R2=R6;R5=R4放大倍数为：，图中的运放是LM358，LM358内部包括有两个独立的、高增益、内部频率补偿的双运算放大器，适合于电源电压范围很宽的单电源使用，也适用于双电源工作模式，在推荐的工作条件下，电源电流与电源电压无关。它的使用范围包括传感放大器、直流增益模块和其他所有可用单电源供电的使用运算放大器的场合。内部频率补偿直流电压增益高(约100dB)单位增益频带宽(约1MHz)电源电压范围宽：单电源(3—30V)；双电源(±1.5一±15V)低功耗电流，适合于电池供电低输入偏流低输入失调电压和失调电流共模输入电压范围宽，包括接地差模输入电压范围宽，等于电源电压范围输出电压摆幅大(0至1.5V)3.7D/A转换电路PWM信号是一种具有固定周期（T）不定占空比（）的数字信号，如果PWM信号的占空比随时间变化，那么通过滤波之后的输出信号将是幅度变化的模拟信号。因此通过控制PWM信号的占空比，就可以产生不同的模拟信号。在电子和自动化技术的应用中，单片机和DAC(数模转换器)是经常需要同时使用的，然而许多单片机内部并没有集成DAC,即使有些单片机内部集成了DAC,DAC的精度也往往不高，在高精度的应用中还是需要外接DAC，这样增加了成本。但是，几乎所有的单片机都提供定时器或者PWM输出功能。如果能应用单片机的PWM输出（或者通过定时器和软件一起来实现PWM输出），经过简单的变换电路就可以实现DAC，这将大量降低成本电子设备的成本、减少体积，并容易提高精度。本文在对PWM到DAC转换关系的理论分析的基础上，设计出输出为0～5V电压的DAC。如对8-bitDAC，计数器的长度为8bits，或者256个计数值。那么分辨率也就是8bits，或者256。3.8电源集成控制器电路图中所述的集成电路KA7500B是三星公司出品的一颗专用的脉宽调制型开关电源集成控制器，它与TL494完全兼容并可互换。图中所绘电路本质上是一个电源电路，具有恒流/恒压输出功能。它带有两路反馈电路，为电流反馈和电压反馈，其中电流反馈的正、负极对应KA7500B的第1、2脚，输出电流在电流取样电阻上产生一压降，该压降经R9、R10和R14、R15电阻回馈回来，当KA7500B的第1脚电压大于第2脚电压时，KA7500B会减小输出脉宽（第8、11脚），使电流减小，否则增加脉宽，使输出电流恒定在预设值，其恒流值符合以下公式：

式中R为电流取样电阻，PWM为单片机PWM输出滤波后的电压

电路中的电压反馈的正、负极对应KA7500B的第16、15脚，在上电后，单片机输出PWM电压，提供给KA7500B的15脚作为电压基准，输出电压经过前面电压取样电阻分压后，与基准电压比较，当电压太大时，则减小脉宽，太小则增加脉宽，使之保持恒定的输出电压值，其输出电压值符合下列公式：

由于KA7500B的两路反馈是在其内部是相“与”后再进行控制的，因此当输出电压低于恒压值时，电流反馈起控制作用，当输出电压达到所设定的值后，电压反馈起控制作用，这样电路就完成了恒流/恒压控制功能，其原理与稳压电源的工作原理完全一样，只是该电路为开关电源控制方式，因此效率高，温升低。

4系统软件设计4.1主程序本系统整体工作主要由单片机程序控制实现，其工作过程为：电路启动初始化，电路功能选择，输出选择并确定输出，单片机采集计算输出PWM信号，定时采集数据并处理调节PWM信号占空比等，通过调节占空比来完成电压调节程序整体框架如下图4.1所示。开始初始化开始初始化电池充电充电监视程序等待接入电池程序YesNo结束图4.1程序整体框架流程4.2程序初始化初始化是为单片机的运行设置初始的运行环境，主要完成以下工作：清片内，每次单片机加电时，都将引起单片机的上电复位操作。复位操作完成以后，单片机的寄存器会被置以不同的值，这些值中有相当一部分是未知的值。这些未知的值在单片机复位完成，正式运行以后，会产生无法让程序设计人员掌握的后果，甚至会造成系统的损坏。因此，在单片机运行后，首先清0使之置初始参数设定，便于程序设计人员掌握，以利系统的工作。设置系统运行所需的各个参数，设置定时器和中断设定。图开始清片内RAM开始清片内RAM初始参数设定AD设定定时器设定中断设定返回图4.2程序初始化4.3按键输入子程序键盘子程序用于探测开关、是否处在有效的开关状态，以决定是否启动系统运转。读线、读取、相连的端口，并将其值判断处理后存于相关缓存中。其中读取端口后要做一定的延时以排除消抖引起的误动作。入口入口读I/O口延时处理存入缓存YesNo返回图4.3按键输入子程序4.4显示子程序LCD1602液晶显示模块是一个慢显示器件，所以在执行每条指令之前一定要确认模块的忙标志为低电平，表示不忙，否则此指令失效。要显示字符时要先输入显示字符地址，也是告诉模块在哪里显示字符，下图是LCD1602的内部显示地址。图4.41602LCD内部显示地址开始开始LCD初始化设置第一行显示位置延时显示第一行内容设置第二行显示位置显示第二行内容返回图4.51602LCD显示子程序4.5数据采集子程序数据采集主要由单片机内部的模数转换模块完成，程序分为ADC寄存器初始化，发送启动转换命令，等待转换结束，产生中断接收数据，处理并存入缓存，程序流程如图4.6所示。入口初始化入口初始化进入ADC中断处理存储返回启动转化图4.6数据采集子程序结构流程图4.6充电子程序充电过程分两阶段进行，第一阶段为恒流充电，充电电流可设定，当充电电压达到4.2V时转入第二阶段，即4.2V的恒压充电方式，恒压充电电流会随着时间的推移而逐渐降低，待充电电流降到10mA时，表明电池已充到额定容量的80%～85%，此时即可认为基本充满，如果，继续充下去充电电流会慢慢降低到零，电池完全充满。具体充电曲线如下：图4.7充电曲线充电过程中，“充电”指示灯亮；充满时，“充饱”指示灯亮，“充电”指示灯灭，通过按键设置来控制充电时间。充电子程序流程图如图4.8所示。入口入口设定电压电流设定电压电流恒流充电恒流充电恒压充电恒压充电充电结束充电结束返回返回图4.8充电子程序5系统调试本手机充电器系统的设计分为硬件电路设计和软件设计两个部分，因此调试也分成两部分进行调试。5.1硬件调试主要根据系统框图和硬件原理设计进行原理的绘制、各参数的设置、电路板的制作，以及元器件的焊接等。具体如下：5.1.1各单元电路，确认各单元电路链接无误，尤其是关键元器件，一定要接保护电阻。（1）关键器件放置：在器件布置方面与其它逻辑电路一样，应把相互有关的器件尽量放靠近些，这样可以获得较好的抗噪声效果。（2）时钟发生器、晶振和CPU的时钟输入端都易产生噪声，要相互靠近些；CPU复位电路、硬件看门狗电路要尽量靠近CPU相应引脚；易产生噪声的器件、大电流电路等应尽量远离逻辑电路，如有可能，应另外做电路板。D/A、A/D转换电路要特别注意地线的正确连接，否则干扰影响将很严重。（3）硬件防干扰技术：防止从电源系统引入干扰、接地技术、屏蔽线与双胶线传输；隔离技术、模拟信号采样抗干扰技术等。5.1.2PCB设计原则：在进行PCB设计时，必须遵守PCB设计的一般原则，并应符合抗干扰设计的要求。（1）尽量采用多层印制电路板，多层板可提供良好的接地网，可防止产生地电位差和元件之间的耦合。（2）印制电路板要合理分区。模拟电路区、数字电路区、功率驱动区要尽量分开，地线不能相混，分别和电源端的地线相连。（3）元件面和焊接面应采用相互垂直、斜交、或者弯曲走线，避免相互平行以减小寄生耦合：避免相邻导线平行段过长；加大信号线间距。高频电路互联导线尽量短，使用45°或者圆弧折线布线，不要使用90°折线，以减小高频信号的发射。（4）印制电路板要按单点接电、单点接地的原则送电。三个区域的电源线、地线分三路引出。地线、电源线要尽量粗，噪声元件与非噪声元件要尽量离远一些。时钟振荡电路、特殊高速逻辑电路部分用地线圈起来，让周围电场趋近于零。（5）使用满足系统要求的最低频率的时钟，时钟产生器要尽量靠近用到该时钟的器件。石英晶体振荡器外壳要接地，时钟线尽量短，时钟线要远离I／O线，在石英晶体振荡器下面要加大接地的面积而不应该走其它信号线。（6）I／O驱动器件、功率放大器件尽量靠近印制板的边缘、靠近引出接插件。重要的信号线尽量短并要尽量粗，并在两侧加上保护地。将信号通过扁平电缆引出时，要使用地线—信号—地线相间的结构。（7）原则上每个IC元件要加一个0．01—0．1µF去耦电容，布线时去耦电容应尽量靠近IC的电源脚和接地脚。要选高频特性好的独石电容或瓷片电容作去耦电容。去耦电容焊在印制电路板上时，引脚要尽量短。（8）闲置不用的IC管脚不要悬空以避免干扰引入。不用的运算放大器正输入端接地，负输入端接输出。单片机不用的I／O口定义成输出。单片机上有一个以上电源、接地端，每个都要接上，不要悬空。5.1.3电路板调