基于太阳能的手机充电系统设计与实现.docx
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基于太阳能的手机充电系统设计与实现
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
1目的和要求5
1.1基本目的5
1.2基本要求5
1.3成绩构成和注意事项5
2系统方案设计6
2.1整体设计方案7
2.2系统主要功能7
2.3太阳能电池板7
3硬件电路设计8
3.1单片机选型8
3.2键盘输入电路9
3.3显示电路10
3.4蜂鸣器电路11
3.5BUCK斩波电路11
3.6数据采集电路12
3.7D/A转换电路13
3.8电源集成控制器14
4系统软件设计15
4.1主程序15
4.2程序初始化15
4.3按键输入子程序16
4.4显示子程序17
4.5数据采集子程序18
4.6充电子程序19
5系统调试20
5.1硬件调试20
5.2程序调试21
5.3联合调试22
6结论与展望22
6.1结论22
6.2展望23
附录1电路设计原理图（参考）24
附录2PCB设计原理图（参考）25
附录3关键程序（参考）26
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
DC/DC变换
手机充电器或锂电池
太阳能电池板
LCD
显
示
屏
声光报警
3.
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
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