太阳能手机充电器的设计与制作毕业设计(论文)

目录

摘要............................................................................................................................ - 3 - Abstract . (1)

第一章绪论 (2)

1.1题研究的背景 (2)

1.2手机充电器的运用环境 (2)

1.3手机充电器的进化史 (2)

1.4 本课题的研究内容及主要技术参数 (3)

1.4.1 研究内容 (3)

1.4.2总体框架设计 (3)

第二章手机充电器的工作原理 (4)

2.1华为手机充电器外观 (4)

2.2华为手机充电的内部构造 (4)

2.3 华为手机充电器的相关参数及运行程序 (5)

第三章太阳能集板 (7)

3.1 太阳能的发展及应用 (7)

3.2太阳能集板的结构及原理 (8)

3.3太阳能电池板的材料 (9)

第四章太阳能手机充电器的硬件设计 (10)

4.1系统设计的总体方案 (10)

4.2 在外接情况下的手机充电电路 (10)

4.2.1变压整流电路 (10)

4.2.2滤波稳压电路 (11)

4.3单片机电路 (12)

4.3.1电路的处理器 (12)

4.3.2 A/D转化 (12)

4.4 NCP1651的应用 (13)

4.4.1 NCP1651的性能及内部结构图： (13)

4.4.2恒流控制电路 (14)

4.4.3NCP1651反馈控制电路 (14)

4.4.4 PWM控制原理 (15)

4.5 NCP1651过电流检测 (15)

第五章程序源的设计实现 (17)

5.1系统整体程序框架 (17)

5.2电路启动初始化 (17)

5.3控制电路的流程图 (18)

5.4数码管显示子程序 (19)

曹凯：太阳能手机充电器的设计与制作

5.5数据的采集及模数转化程序 (20)

5.6电源子程序的设计 (20)

结论 (21)

参考文献 (22)

致谢 (24)

太阳能手机充电器的设计与制作

摘要

随着社会的不断进步，数码产品的日益更新，手机成为了人们生活中必不可少的，成为了生活中的重要通讯工具和娱乐工具。到处可见人们，无论是在街上还是在上班的空闲时间都会拿出自己的手机，然而给手机充电成为了人们棘手的问题。人们会经常的出差或者是外出旅游，在外边我们有时会携带自备的所谓的一些移动电源，但是这些电源也有没电，而且携带极度不方便，有的甚至会成我们外出的负担。伴随着数码产品的更新换代，手机充电问题也在日益的得到解决，我们以前都是用自己的手机数据线给手机充电，就不得不到一些有直流电源的地方充电，或者带一些移动电源。我们经常出差旅游或者办事不可能随时随地找到一些直流电源，或者是就算找到了也会耽误我们的一些事情，更有甚者在我们急需要使用手机的时候手机没电，或者没有合适的电源充电。

伴随着手机电池的不断进步，手机充电器也在不断的被人们改善，不断地发现一些充电器不能满足人们日常的生活，从一开始的一个手机只能采用一个数据线，到后来的多个手机可以采用一个数据线，再到现在的移动电源，手机充电器也在不断进步。人们慢慢的发现，太阳能是很好的资源，不但绿色环保，而且能够减少不少资源的浪费，在这太阳光随时随地都能找到，不至于我们想要或者需求的时候无法及时找到，这就解决了人们在户外没法充电和充电不及时的问题。

关键词：手机充电器；太阳能电池板；单片机；智能

Design and manufacture of solar mobile phone charger

Abstract

Today's society, the mobile phone became synonymous with the familiar, basically everyone has a mobile phone, mobile phone is not only a communication tool, but also an entertainment tool, and even become the pronoun of the fashion. All the time we will use a mobile phone, I think most people have experienced the phone without electricity, take the phone stem worried, some people go out, mobile phone battery is delay some important things, so a good phone charger is very important. We may take phone charger everywhere looking for dc power supply, it is not just delayed us some time, to make matters worse, would bring us convenient things I bring us unnecessary trouble. But some people carry a mobile power supply, mobile power supply will have no electricity, then the burden of mobile power as we go out. In order to solve this problem, to introduce the solar mobile charger, do not need to use dc power charging, directly in the sun after panels convert directly to mobile phone charging, this give us save a lot of time to find mobile power for charging the mobile phone, is that we go out or on a business trip to bring great convenience.

Solar presumably everyone not unfamiliar, it had no consumption, environmental protection, renewable became the hottest new energy, its rise speed unmatched. Now have to use solar energy in many ways, both in the aerospace, or the life that occupy the home, can see the use of solar energy. If the application of solar energy to the charger, it will bring great convenience to people, do not need to be looking for power supply, also need not take phone stem worried, everywhere we only need to stand in the sun for a while, the charger will charge your mobile phone for us, don't worry about looking for dc power supply.

In this paper, to talk about a kind of solar cell phone chargers, to solve the mobile phone in the case of no electricity, can use the sun to cell phone charging, bring convenience to people's lives. Mainly using solar panels to convert light energy into electrical energy, after a single chip microcomputer intelligent control circuit, to convert solar energy into dc voltage, in the case of simple and easy to safe and convenient for charging the mobile phone.

Keywords: mobile phone charger, solar panels, single chip microcomputer, intelligent

第一章绪论

1.1题研究的背景

当今社会，手机成为了我们耳熟能详的代名词，基本上每个人都有一个手机，手机不仅仅是一种通讯工具，更是一种娱乐工具，甚至成为了时尚的代名词。时时刻刻我们都会使用手机，我想绝大部分人都有经历过手机没电的时候，拿着手机干着急，一些外出的人们，手机没电耽误一些重要事情，因此一个好的手机充电器非常重要。我们可能会拿着手机充电器到处去寻找直流电源，这不仅仅耽误了我们一些时间，更糟糕的是，本来给我们带来便利的东西却给我们带来了不必要的麻烦。有些人携带了移动电源，但移动电源也会遇到没电的时候，那时移动电源就成我们外出的负担。为了解决这个问题，为大家介绍太阳能手机充电器，不需要使用直流电源充电，直接在太阳光下经过电池板的转化后直接给手机充电，这就给我们省去不少时间去找移动电源给手机充电，是我们外出或者出差带来极大的便利。

太阳能想必大家都不陌生，其环保、无消耗、可再生成为了炙手可热的新能源，其崛起速度之快无可匹敌。目前在多方面都有使用太阳能，无论是在航天航空，还是居家生活，都能见到太阳能的使用。如果把太阳能运用到充电器上，这将给人么带来极大的便利，不需要到处寻找电源，也不用到处拿着手机干着急，我们只需要在阳光下站一会，充电器就会为我们把手机充满电，不在为到处寻找直流电源烦恼。

本文为大家讲述一种太阳能手机充电器，为大家解决手机在没电的情况下，能够借助太阳光给手机充电，给人们生活带来方便。主要采用太阳能电池板把光能转化为电能，在经过单片机智能控制电路，把太阳能转化为直流电压，在安全方便简单快捷的情况下为手机充电。

1.2手机充电器的运用环境

现在随着数码产品的普遍化，手机已经不再是奢侈品，几乎人手都会有一个手机，手机更像是时尚的代表，从一开始的仅有几个人拥有，作为一种通信工具，到现在作为交友工具，甚至成为了人们的娱乐工具。手机已经成为了人们出门必备的东西了，不简简单单的是在家里使用方便通信，更多的是在外地，或者在一些没有可直充电压的地方。手机功能的增多必然会增加其耗电，那么手机没电就更是一种很常见的问题了。

1.3手机充电器的进化史

在手机诞生的初期，人们就试着想一些方法给手机充电，一开始人们只是简单的讲手机和电源相连，这不仅造成许多手机电路的损坏，更严重的造成爆炸。人

们不断的研究，从过去的直接充电，到后来的用数据线连接后充电，再到现在的用些万能充充电，科技在发展，手机充电器也在不断的改进。但是这些远远不能满足当代手机客户的需求，这会为手机用户带来不少的麻烦。人们现在追求的简单快捷充电方式，就促使我们不短的进步，加上目前太阳能发电技术比较成熟，人们就构思讲太阳能运用到充电器上。华为手机在目前市场上销售比较火爆，一个为华为手机充电的手机充电器以逐渐露出水面。

1.4 本课题的研究内容及主要技术参数

本课题研究是的是在单片机的控制下完成太阳能手机充电器的智能充电,该手机充电器实现了能量的自给自足，在直流电和太阳能之间随意切换。其主要运用到电压的整流、稳压滤波、以及单片机89C51智能控制电路、以及电流的A/D 转换。

1.4.1 研究内容

本课题以华为手机充电器HW-050200C3W 型号为例，主要研究：手机充电的工作环境、太阳能电池板的工作状态以及手机充电器在光照情况下的工作状态。通过简单的单片机的控制电路，达到在交流电和太阳能两种情况下能够随时随地的切换电路进行充电。达到解决人们在外无法充电的问题。

1.4.2总体框架设计

图1-1太阳能手机充电器的总体设计思路

交流电220v 太阳能电池

切 换 电 路

电

池

第二章手机充电器的工作原理

2.1华为手机充电器外观

像所有手机充电器一样，这款手机充电器没有什么特别之处，其照片如图一所示，是华为USB手机充电器HW-050200C3W。产品规格：输入AC100~240V,50Hz/60Hz@0.5A（MAX);s输出5.0V@2A。之所以把其作为我们的调研的对象，是因为华为手机在人群众使用比较普遍，其适中的价格及优越的外观博得人们的心动，其主要原因是我国自主研发，手机充电器也有一些不同之处。

图2-1 华为手机充电器

2.2华为手机充电的内部构造

图2-2为华为手机充电器的内部结构图，图三为华为USB手机充电器HW-050200C3W电路原理图。市电经保险丝F1输入，DB1桥堆式整流、、与组成型滤波电路；滤波后的电压经变压器T1初级绕组加到开关管Q1(SW6070）的漏极。是磁阻，抑制差模干扰。DR1是压敏电阻，防止雷击等浪涌电压可能对开关电源造成的损坏。

图2-2华为USB手机充电器内部原理图

图2-3华为USB手机充电器HW-050200C3W电路原理图

2.3 华为手机充电器的相关参数及运行程序

在本电路中用到集成式开关控制器FAN104，是美国Fairchild公司出品的初级反馈（PSR）PWM控制器。开关控制器FAN104采用SOIC8封装，图2-4为相关参数报告表。

图2-4开关控制器FAN104引脚功能

启动电阻，把直流母线的高压送到FAN104的8脚，内部振荡器开始工作，2脚输出PWM脉冲，随后辅助绕组和次级绕组产生脉冲电压。辅助绕组的脉冲电压一路经二极管D6、整流给FAN104供电；另一路经电阻与分压（滤波杂波）加到内部电压误差放大器反相端（见下文），与同相端的精密基准电压比较，输出放大的电压误差信号COMV，控制2脚输出PWM的占空比。

FAN104的1脚用于检测开关管的峰值电流，并联电阻的压降正比于其电流。在恒流输出时，1脚检测的正比于开关管的峰值电流的电压，加到内部电流误差放大器反相端，与同相端的精密基准电压比较，输出放大的电流误差信号COMI，控制2脚输出PWM的占空比。

本电路省去了光耦、降低了成本。但因输出电压与、及初次匝比有关，因此一旦确定了初次匝比，若要设计输出电压为5V，则、的比值就定了，实际选择、的阻值时，未必符合标准系列。比如，电路图中、的值都不是标准系列的阻值。

若把接地端断开串接不同电阻到，负载时（给充电宝充电）输出电压也不同：串接的电阻越大，输出的电压越低。比如，820Ω时，开关频率约为57kHz，输出电压为4.80V；1.5kΩ时，开关频率约为40kHz，输出电压为4.64V。

如图2-5所示空载与负载（给充电宝充电）时，FAN104的2脚与开关管漏极的电压波形。当负载加重时，工作频率提高到85kHz且不再随负载加重而提高。

图2-5 FAN104W的2脚与Q1 漏极电压波形若输出短路，FAN104的2脚会间歇输出占空比很小的PWM，如图2-6所示。也就是说FAN104具有关断重启功能，在最恶劣的故障发生时起保护作用。

图2-6输出短路FAN301的2脚会间歇输出占空比很小的PWM 以上简单的介绍了以华为的代表的普通的手机充电器工作原理，要想把其改造成一个太阳能手机充电器还需要找到好的太阳能电池板，要全方面的考虑一些综合问题。

第三章太阳能集板

3.1 太阳能的发展及应用

太阳对于我们来说一点也不陌生，有太阳的地方就有太阳能。当今世界发展的速度之快，无人知道，资源的利用也不加节制，考虑都不可再生资源的使用年限，人们把目光瞄准了无处不在的太阳光。早在二十世纪早期就有人提出和开发使用太阳能，但是当时的开发环境和条件有限，只是了解到一些皮毛。然而在科技发达的今天，太阳能的可发已经相当成熟，太阳能电池板到处可见，大到天上

的卫星，小到家里的一些计算器，从科研、航天到居家生活，无处不在，太阳能已经是我们生活中的一部分。

3.2太阳能集板的结构及原理

太阳能电池是通过光电效应或者光化学效应直接把光能转化成电能的装置。太阳光照在半导体p-n结上，形成新的空穴-电子对，在p-n结电场的作用下，空穴由n区流向p区，电子区p区流向n区，接通电路后就形成电流。这就是光电效应太阳能电池的工作原理。太阳能发电方式有两种方式，一种是光—热—电转换方式，另一种是光—电直接转换方式。太阳能电池板的机构及原理图如下图所示。

图3-1 太阳能电池板工作原理

图3-2太阳能电池结构

3.3太阳能电池板的材料

目前市场上的单晶硅太阳能电池发电效率17%~25%左右，相比多晶硅太阳能电池发电14%左右来说要高些。因为单晶硅太阳能电池制造工艺也相比多晶硅电池复杂，所以成本也相比高了许多。单晶硅发电效率高价格高，多晶硅发电效率稍低但价格相比便宜好多。考虑到我们要用的就是能将太阳能高效率的转化称为电能，在通过一定的电路转换把电能转换成直流电压给急需要用电的手机充电，加上我们在充电器上使用电池板，为了方便减轻人们的负担，所需的电池板也不会太大，因此高效率使我们首要考虑的，综合实际情况，我们最终确定采用单硅晶作为电池板的主要材料。单晶硅电池板，在阳光照射下输出8V 至25V，使用降压式电源转换器使电压降至稳定的直流5v接至手机使手机充电。

每个太阳能电池所能产生的电压大约是0.5v，这远不能达到偶们所需的5v 电压，要想达到我们所需的电压就必须要把至少十块电池板集合在一起，考虑到电池的转化效率，就必须多天添加几块电池板。但是考虑到方便简单易携带，又必须做的相当精致，加上集板间会产生“热斑效应”，对于电极板的要求相当高。规格如下：

1.太阳能电池板规格：5.5V/80mA；

2.输出电压：5V；

3.输出电流：2.0A；

4.外形尺寸：10 x 6.8 x0.8cm；

5. 太阳能集板转化效率65%。

第四章太阳能手机充电器的硬件设计

4.1系统设计的总体方案

图4-1 系统设计图

各模块的功能介绍：太阳能手机充电器的硬件的分为两个模块，如上图所示，第一部分是冲充电器太阳能电池板通过将光能经过DC\DC直接转换成电能给手机充电；第二部分是在变压的情况下通过CPU切换电路，达到给手机充电的目的。其中的CPU太阳能起到接收能量的作用，DC/DC是把光能直接转化成电能，CPU是负责控制切换电路，A/D是负责采集把信号转化后给CPU，切换电路以及稳压滤波、变压整流都是负责把电压转化成充电器可直接给手机充电的电压。

4.2 在外接情况下的手机充电电路

太阳能手机充电器可以像普通的充电器一样可以外接家用的电源给手机充电，在就需要在电路中增加一些保护设施，毕竟该款手机所需的电源要比我的家用电源小的多。在这种情况下就需要把交流的电压经过变压以及整流在通过稳压滤波后给手机充电，保障手机所需的电源。

4.2.1变压整流电路

图4-2变压整流电路

在图4-2中的二极管D2的反向电压为29V，所以IO3与IO4之间的电压为

Vi=29+5=34v

则变压器二次侧的电压为V2=Vi/1.2 28v

则变压器的闸比为220 /28=7.87

这是直接通过充电器直接充电的电路。

4.2.2滤波稳压电路

图4-3滤波稳压电路

稳压电源电压输出计算方式

V。=1.25(1+R2/R1)

因为V。=5v所以

R2/R1=3

仅仅从公式本身看，R1、R2的电阻值可以随意设定。然而作为稳压电源的输出电压计算公式，R1和R2的阻值是不能随意设定的。

首先317稳压块的输出电压变化范围是37~25.1 OVV，所以R2/R1的比值范围只能是0～28.6。其次是317稳压块都有一个最小稳定工作电流，有的资料称为最小输出电流，也有的资料称为最小泄放电流。最小稳定工作电流的值一般为1.5mA。由于317稳压块的生产厂家不同、型号不同，其最小稳定工作电流也

不相同，但一般不大于5mA。当317稳压块的输出电流小于其最小稳定工作电流时，317稳压块就不能正常工作。当317稳压块的输出电流大于其最小稳定工作电流时，317稳压块就可以输出稳定的直流电压。如果用317稳压块制作稳压电源时，没有注意317稳压块的最小稳定工作电流，那么制作的稳压电源可能会出现下述不正常现象：稳压电源输出的有载电压和空载电压差别较大。

要解决317稳压块最小稳定工作电流的问题，可以通过设定R1和R2阻值的大小，而使317稳压块空载时输出的电流大于或等于其最小稳定工作电流，从而保证317稳压块在空载时能够稳定地工作。此时，只要保证V o/（R1+R2）≥1.5mA，就可以保证317稳压块在空载时能够稳定地工作。上式中的1.5mA为317稳压块的最小稳定工作电流。当然，只要能保证317稳压块在空载时能够稳定地工作，V o/（R1+R2）的值也可以设定为大于1.5mA的任意值。经计算可知R1的最大取值为R1≈0.83KΩ。又因为R2/R1的最大值为28.6。所以R2的最大取值为R2≈23.74KΩ。因此，必须保证R1≤0.83KΩ，R2≤23.74KΩ两个不等式同时成立，才能保证317稳压块在空载时能够稳定地工作[5] 。为满足上述条件，我选择R2=2KΩ,R1=700Ω。

C1为滤波电容，C2是旁路电容

同时，为了电路的稳定工作，我接入二极管作为保护电路，防止电路中的电容放电时的高压把317烧坏。

4.3单片机电路

单片机主要完成的任务是控制数据的采集过程，并将采集到的数据经过分析处理后生成PWM脉宽调制信号控制开关管的导通与关断，从而控制输出大小，上电复位是具体的工作过程，查询按键按确定功能，从而转入相应的程序并分析计算PWM占空比，开始输出电流或电压这样显示电路显示出数据。在输出过程中通过单片机定时器定时检测输出电流或电压，调节PWM占空比与设定值比较，使输出趋于设定值，在电池充电中，通过检测电流大小从而确定电池充电的多少，通过这些去改变充电方式或决定是否继续充电。

通过单片机编程实现了充电过程的智能充电控制，而且简化了硬件电路设计，由于单片机良好的可重用性，如果需要改变电路工作状态或电路工作参数，只需简单的修改程序就可实现，使得电路的升级改造变得简单易行。

4.3.1电路的处理器

处理器采用51 系列单片机89C51。单片机内部有两个定时器、两个外部中断和一个串口中断、三个八路的I/O 口，采用12MHz 的晶振。单片机的任务是通过采样电路实时采集太阳能电池板的输出电压和电流以及电池的充电状态，通过计算决定如何对电池板最大输出功率进行寻找以及确定充电电池的充电状态。

4.3.2 A/D转化

如果在系统中要对电流进行检测，必须先将电流信号转换为电压信号，然后

才能实现A/D 的转换。常用的转换方法是在电路中加入精密电阻，由此将电流信号转换为电压信号。这种方法的优点是测量简单方便，但是这种方法当电流很小时，影响测量准确度，因而很难选择一个合适的阻值；其次，所得到的电流检测信号只有通过放大以后才能进入电路中的比较器，从而增加了电路设计调试时的复杂度。因此，可以采用电流电压转换芯片MAX472，克服了常规测量电流方法存在的测量范围小、测量误差大等缺点，可提高测量精度，并且可以用单片机进行精确控制。

电压和电流采样采用串行模/ 数转换器TLC0834，8 位分辨率易于和微处理器接口或独立使用满比例尺工作或用5V基准电压用地址逻辑多路器选通的4 或8 输入通道单5V 供电，输入范围0- 5V。

4.4 NCP1651的应用

4.4.1 NCP1651的性能及内部结构图：

（1）具有固定频率工作模式；

（2）电流型PWM控制方式；

（3）内置高压启动电路；

（4）过热关闭；

（5）外设关机功能；

（6）欠电压锁定；

（7）斜坡补偿不影响振荡器精度。

图4-4 NCP1651的内部结构

NCP1651可以提供具有低成本、元器件数量少的高压输出的AC/DC转换方案。同时用该芯片驱动反激式变换器电路拓扑，可以随时跟随电压来时刻控制并

保持稳压的效果，同时也是一个可工作在电流连续或断续模式下的PWM 控制器。

4.4.2恒流控制电路

在电压输出的同时，需要保证电流的稳点输出，如果电流的不稳点会引起充电器内部的很大反应，停止工作甚至引起充电的爆炸都有可能。稳点电流的电路图如下图所示。

图4-5恒流控制电路

对于要进行恒流控制，对此要确定一个基准电压，在该电路中基准电压来自U2（2.5V 可调电压基准）和R20、R27和R28构成的基准源。

输出恒流控制电路的基本思路是：用U3D 的同相输入端接运放的GND 端，以“零电压”作为同相端电压，而将输出整流电路负端的电压作为反向端的电压。这个电压与输出电压负端的电压关系为)(631R R I V o IFB +-=。这个电压通过R30作用到放大器的反相输入端。

在该恒流控制电路中，U3D 的反相输入端通过R30节一个负电源，这将与运放的电源负端等电位。此时，为了使运放正常工作，运放的选择必须是单电源工作的运放才行。同时，该恒流电源设计控制电路有一个大特点，即就是当电流误差放大器U3D 起作用，输出端反馈就失去作用，只有在电流反馈不起作用时电压反馈才起作用。

4.4.3NCP1651反馈控制电路

太阳能手机充电器与手机充电器是两个自主控制的两个充电器，当集板工作时直接影响驱动电源的效率。为此，必须要时刻检测来自输出端的反馈，通过单片机控制的NCP1651芯片来实现相应的控制，随时对电路进行保护。本设计的反馈控制电路如下图所示。

图4-6 NCP1651反馈电路

4.4.4 PWM控制原理

PWM模式控制的结构图下图示，其工作原理是：输出反馈信号电压与参考电压一起经过误差放大器后得到误差信号VeA。VeA与三角波信号进行比较，输出一个脉宽不定的矩形波，即为PWM 控制信号。当负载较重时，电压反馈信号就会降低，输入到误差放大器的负端，VeA升高，其与锯齿波“切割”的区域减小，PWM 控制信号脉宽增加，开关管导通时间增加，系统为负载供能增加。反之，亦然。

图4-7 PWM模式控制电路

PWM 调制模式在开关电源中是十分普遍的一种调制方式，其具有频率特性好、输出电压纹波较小、较高的电压调整率等优点。而PWM 控制模式也具有相应的缺点，其主要是在轻负载下效率较低，这将影响电路系统的环路增益和响应速度等，从而实际应用中，要尽量克服这些缺点。

4.5 NCP1651过电流检测

任何电路在实际运用中，难免会受到电压（或电流）不稳定，而产生过流的情形，为了延长驱动电源的寿命，必须进行过流检测并保护。在本设计中，由于

采用了NCP1651芯片其本身就具有过流检测的功能，这就省去另设其他的电路而使电路变复杂。

NCP1651的过电流检测保护是一旦检测到过电流就关闭控制器输出，然后再经过一段延时间后，又会重新恢复控制器的输出，直到下一个过电流会再次关闭，依次往复循环进行。NCP1651的过电流检测电路不是利用常见的电流检测电阻，而是利用二极管的导通时电流流过电阻产生的电压降。