便携式太阳能手机充电器

学号 201392170109

西北师范大学知行学院

本科学生毕业论文（设计）便携式太阳能手机充电器

系别名称：计算机与电子信息工程系

专业名称：电子信息工程（电器及自动化方向）学生姓名：李长林

指导教师：车玮讲师

二○一七年三月

Student ID 201392170109

BACHELOR'S DEGREE THESIS OF

ZHIXING COLLEGE OF NWNU

Portable solar mobile charger

Dept of ：Computer and electronic information engineering Subject ：Electronic information engineering(electrical and

automation direction)

Name ：Chang-lin li

Directed by ：CheWei lecturer

March 2017

摘要

随着手机科技的迅猛发展，智能手机早已普及现实生活，几乎是“人手一机”人们的生活也越来越离不开手机。然而，美中总有不足，由于智能手机耗电量大，以及人们的频繁使用，致使人们不得不“一日一充”所以外出的时候经常会遇到手机没电的情况，就回让信息的传输和交流陷入困境，导致一些原本可避免的经经损失。

本课题设计了一种便携式太阳能手机充电器，通过光电转换，它就可以很好地解决上述问题，从而给人们的生活带来很大的方便。既节约了能量，又使用方便，再也不用担心出行时手机没电的问题，保证了信息交流的畅通，是出行时的必备品。太阳能取之不尽，用之不竭，而且清洁环保，不产生任何污染物。所以它有着广阔的应用市场，而太阳能发电技术正在引起国内外的高度关注，现在，光伏组件的市场价格不断呈降低趋势，因此，我们相信太阳能光伏发电系统代替其他能源发电系统指日可待，从而给人们的生活带来极大的方便。

关键词：太阳能；手机充电；单片机；光电转换

ABSTRACT

With the rapid development of science and technology of the intelligent mobile phone, mobile phone has long been popular in real life, is almost a "one to one" people's life more and more cannot do without mobile phone. However, the total lack of intelligent mobile phone, because of large power consumption, and the frequent use, causing people to "one day a charge so when go out, often encounter the situation of mobile phone battery, makes the transmission and exchange of information in trouble, resulting in some of the original can be avoided by the loss.

This paper designs a portable solar mobile phone charger, through the photoelectric conversion, it can solve the problem very well, which brings great convenience to people's life. Not only save energy, but also easy to use, no longer have to worry about the travel mobile phone without electricity problems, ensure the smooth communication of information. Is necessary to travel. Solar energy is inexhaustible, inexhaustible, and clean, does not produce any pollution. So it has a broad application market, and solar power generation technology is highly concerned at home and abroad, the market price of the PV module is constantly decreasing, therefore, we believe that solar energy Photovoltaic power generation system to replace other energy generation system can bring great convenience to point the day and await for it, to people's life.

Key words:Solar energy; mobile phone charging; MCU

目录

1.前言 (1)

2. 设计要求与总体方案 (2)

2.1系统设计任务 (2)

2.2 设计方案 (2)

2.2.1设计步骤 (2)

2.2.2原件类型 (3)

3.论文主题 (3)

3.1系统元器件选型 (3)

3.1.1太阳能电池板选型 (3)

3.1.2 单片机选型 (4)

3.1.3 AD转换芯片选型 (4)

3.1.4 降压稳压芯片选型 (4)

3.2 硬件电路设计 (4)

3.2.1 系统原理图 (4)

3.2.2 单片机系统电路设计 (5)

3.2.3 A/D转换电路设计 (6)

3.3 系统软件设计 (6)

3.3.1 系统程序框架设计 (6)

3.3.2 A/D转换程序 (7)

3.4 液晶显示程序 (8)

4.系统调试与性能测试 (9)

4.1电路板焊接 (9)

4.2硬件检查 (10)

4.3 软硬件调试 (10)

4.4功能测试 (10)

结论 (13)

致谢 (14)

参考文献 (15)

便携式太阳能手机充电器

学生姓名：李长林指导教师：车玮

1.前言

随着社会的发展，化石燃料不断使用，导致全球环境不断污染和能源短缺，如电力、煤炭、石油等不可再生能源已经面临枯竭，能源危机逐渐成为制约国际社会经济发展的瓶颈，所以人类需要抓紧节奏开发出新的能源代替原有资源。为了人类社会的健康发展，我们必须增加使用清洁、可再生能源。太阳能取之不尽，用之不竭，是一种清洁环保且不产生任何污染的自然资源。作为一种新动力，世界上很多国家都着手实施“太阳能项目”。

太阳能电池通过光电转换来为设备充电，使用过程中不消耗燃料和水以及其他物质，不会向外界排放出任何有害气体，从而解决了使用其他资源时对环境污染的问题。因此，对保护环境,减少温室气体的排放方面有重大作用。太阳能充电器对比于其他充电设备有更多的可赞之处，第一是取之不尽，永远也用不完，而且无任何污染。第二，随身携带，十分方便，只要有阳光，无论何时何地都保障您与朋友以及家人保持联系。所以在节能、经济、环保、安全方面，太阳能充电器都有它的优越之处。

目前，太阳能电池已经普及到了军事和航空航天领域的工业、农业、商业、通信设备等各个方面，特别是在偏远地区，列如沙漠、海岛和农村等。太阳能发电系统的使用不仅能够节省电力线路铺设的成本，而且避免了有害废物的产生，已为国家环境保护和再生清洁能源的开发提供了很好的范例。太阳能电池板利以用太阳辐射为主要途径，为大规模利用发展太阳能奠定了基础，同时我们看到了太阳能作为一种新的自然资源越来越引起各个国家的广泛关注。

此外，就日常生活来说，随着智能手机功能越来越完善，屏幕越来越大，因此耗电量也越来越大。人们在旅途中如若遇到意外，不能给手机等设备充电时，方可采用太阳能进行充电。因此，本设计在实际生产生活中也具有非常重要的实用价值。基于上述太阳电池的多种优点，以及实用性和可行性，我们来进行太阳能手机充电器的研究与设计。

2. 设计要求与总体方案

2.1系统设计任务

设计并制作一个完整的便携式太阳能手机充电系统。利用太阳能电池板将太阳能转换为电能，经过DC/AC变换电路运算处理后将电池板电压、USB输出电压进行监测和转换。单片机将会对采集的数据进行分析处理。接着，液晶显示屏对电压进行显示。此外，使用USB接口和数据线，就能给手机、MP3、摄像机等多种数备进行充电。2.2 设计方案

2.2.1设计步骤

图2-1系统设计步骤

设计中，使用51单片机控制整个系统的运行，不仅降低了设计成本，而且可以为其他适用的数码产品进行充电。太阳能电池板将太阳能转变为电能。接着经过降压稳压电路处理，得到相对稳定的5v电压，既可通过USB接口给手机充电，也能给充电宝充电，此外，还能给单片机供电。USB接口两端的电压通过单片机控制的PCF8591

实时采集太阳能电池板电压，并显示在液晶屏上。最后，让PCF8591实现数据的采集及转换并传给单片机做分析处理，以此来控制整个系统电路正常工作。本系统总体设计步骤如图2-1所示

2.2.2原件类型

表2-1原件类型

3.论文主题

3.1系统元器件选型

3.1.1太阳能电池板选型

当火热的阳光照射到太阳能电池板上时，有很小一部分被电池板表面反射掉，剩下了的被半导体吸收。吸收的光产生“电子—空穴对”通过光电效应或者光化学效应直接把光能转化成电能。在这方面，最常用的材料有单晶硅、多晶硅、非晶硅以及太阳能电池等三种。

因为要在户外，或者太阳光照不充足的地区使用。所以，非晶硅太阳能电池对太阳光照条件要求很低，基于设计的需要，本系统采用多晶硅太阳能电池板来设计制作。本设计采用开路电压为6V的电池板，通过LM2576T降压稳压电路，实现输出5V电压供手机充电。

3.1.2 单片机选型

89C51是一种高效微控制器。当前使用最为广泛的8位系列单片机是51系列单片机，它不仅具有丰富的开发资源，而且成本很低。本设计将采用51单片机做为整个系统的的控制器。

3.1.3 AD转换芯片选型

PCF8591P是一款单电源、低功耗8位COMS型A/D、D/A转换芯片，该器件具有多路模拟量输入、片上跟踪保持、8位A/D转换和8位D/A转换等功能。A/D与D/A的最大转换速率由I2C总线的最大传输速率决定。

PCF8591具有以下特点：

（1）单电源供电；

（2）正常工作电源电压范围为2.5V~6V；

（3）使用I2C总线来进行数据的传输；

PCF8591在本电路中主要承担数模转换的作用，将电路中测量的电压电流情况转换为数字信号并在LCD1602液晶显示器中显示。

3.1.4 降压稳压芯片选型

本设计采用LM2576T芯片，应用于降压稳压电路，其参数如下：

材质：硅管，三极管结构：npn，二极管用途：功率管，适用频率：高频管，功率：大功率管，封装方式：插件三极管。

3.2 硬件电路设计

3.2.1 系统原理图

本系统首先采用稳压电路，将电池板输出电压稳定在5V输出，并直接给手机充电；采用89C51做为充电电路的监测器，该单片机直接驱动液晶屏显示手机充电电压。总体设计原理图如图3-1所示。

图3-1 系统总体设计原理图

3.2.2 单片机系统电路设计

该系统电路包括了电源电路、复位电路以及时钟源电路。其中，复位电路采用阻容复位电路。时钟源电路采用无源晶振设计。电源电路直接采用降压稳压电路得到的5V电压；最后，单片机控制液晶显示器并且显示出电压值数值。89C51单片机系统电路设计如图3-2-2所示：

图3-2 单片机电路原理图

3.2.3 A/D 转换电路设计

PCF8591P 引脚、结构图如图3-3所示。

图3-3 PCF8591P 引脚

引脚功能如下：

AIN0－AIN3：模拟信号输入；A0～A2：引脚地址；VDD 、VSS ：电源端（2.5～6V ）；SDA 、SCL ：总线的数据线、时钟线；OSC ：外部时钟输入端，内部时钟输出端；EXT ：内部、外部时钟选择线，使用内部时钟时EXT 接地；AGND ：模拟信号接地；AQU ：D ／A 转换输出端；VREF ：基准电源端。

3.3 系统软件设计

3.3.1 系统程序框架设计 具体流程图如下图所示：

图3-4 系统软件设计流程图

1 2 3 4 5 6 7 8

3.3.2 A/D转换程序

A/D检测程序，主函数，和液晶显示器子程序都包含与整个系统中。在此，对下A/D检测程序作重点介绍。

PCF8591P芯片内部可编程控制字有两个：一个是地址选择字，一个是转换控制字。A/D器件高四位地址和低三位地址分别为1001和A0，A1，A2，由硬件电路决定，地址的最后一位是方向位R/W，MCU向AD器件进行读操作时为1，写时为0。

表3-1

控制寄存器中存放PCF8591的转换控制字，用它来实现芯片运行期间的各种功能。

表3-2

D0、D1：通道选择位。00为通道0；01为通道1；10为通道2；11为通道3。

D2：自动增量允许位为1时，道转换后，将会切换到下一个通道，自动增量允许位为为0时，将不会进行进行通道的转换，需要说明的是，还可以使用软件进行通道的转换。

D3：特征位，固定位0。

D4、D5：模拟量输入方式选择位。

D6：模拟输出控制位。

D7：特征位，固定为0。

配置PCF8591芯片，并且进行读取模拟电压值操作。详细程序如下所示：

void ADC_PCF8591(uchar controlbyte)

{

uchar idata receive_da,i=0;

iic_start();

IICSendByte(PCF8591_WRITE); //控制字

check_ACK();

if(F0 == 1)

{

SystemError = 1;

return;

}

IICSendByte(controlbyte); //控制字

check_ACK();

if(F0 == 1)

{

SystemError = 1;

return;

}

iic_start(); //重新发送开始命令

IICSendByte(PCF8591_READ); //控制字

check_ACK();

if(F0 == 1)

{

SystemError = 1;

return;

}

IICreceiveByte(); //不做任何读取一次，然后再调整读读取的顺序

slave_ACK(); //接受字节并发送应答

while(i<4)

{

receive_da=IICreceiveByte();

receivebuf[i++]=receive_da;

slave_ACK(); //接受字节并发送应答

}

slave_NOACK(); //接受字节并发送应答

iic_stop();

}

3.4 液晶显示程序

系统使用单片机控制该液显示器。在显示之前，需要先对1602液晶显示器进行初始化设计，方法如下：

（1）发送0x38H指令到1602，假如液晶显示器没处在工作繁忙状态的话，将立刻进行初始化操作，单片机发送数据后就会显示数值。

（2）由于1602是可以显示2行每行16个字符，所以在显示前，需要设定显示位置。

（3）液晶显示程序如下所示：

show_value(receivebuf[1]); //显示通道1

lcd_pos(0x42);

lcd_wdat(dis[2]); //整数位显示

lcd_pos(0x44);

lcd_wdat(dis[1]); //第一位小数显示

lcd_pos(0x45);

lcd_wdat(dis[0]); //第二位小数显示

delay(10);

4.系统调试与性能测试

4.1电路板焊接

设计完统硬件的选型及组装之后，接着进行各方面的检测与调试。首先，在焊接元器件的时时候，应按照元件在在板子上的高度从低到高依次焊接。先焊接核心芯片、贴片电阻电容，然后焊接晶振、单排插针，在焊接电源插头、电源模块等。最后做整体检查，检查无误后得到的电路板如图4-1所示：

图4-1 系统整体硬件图

4.2硬件检查

（1）检查电路

系统运行之前，应该通过各种手段来检测焊接过程中产生的错误以及不合适。参考电路图的指示，严格按照顺序检查。首先检查源是否接错，电源与地有没有短路，二极管方向和电解电容的极性有没有接反，此外，还要注意器件已经是否有虚焊现象，如有，应该及时改正。

（2）通电观察

以上检查均没有问题后，接通电源。首先要观察是否有异常现象，如冒烟、异常气味、放电的声光、元器件发烫等。如果有，应立即关断电源，待排除故障后方可重新接通电源。

上述检查均无误后，进行软件以及硬件调试。

4.3 软硬件调试

首先使用软件模拟调试，使用开发单片机程序的计算机去模拟单片机的指令执行，并虚拟单片机片内资源，从而实现调试的目的，但是软件调试无法及时模拟单片机的执行时序，为了解决软件调试的问题，我们再硬件调试，大致过程如下：计算机软件把编译好的程序通过串行口、并行口或者USB口传输到硬件调试设备中，仿真器仿真全部的单片机资源，仿真器可以接入实际的电路中，然后与单片机一样执行。同时，仿真器也会返回单片机内部内存与时序等情况给计算机的辅助软件，这样就可以在软件里看到真实的执行情况。

本设计采用软硬件调试的方法，对编写好的程序先后进行调试检验，显示功能正常。

4.4功能测试

在焊接完成之后，进行功能测试。当电池板正对阳光时，液晶屏可以清晰的显示出手机充电时的电压，即降压稳压电路输出电压。当手机接到USB充电口时，手机上可显示正在充电，如下图4-2，4-3所示：

图4-2硬件测试效果图（无手机）

图4-3硬件测试效果图（有手机）

现将硬件测试结果汇总如下：

表4-1测试结果

本设计在做测试时很容易受到外界的影响。测试的时间不同，得到的测试数据也不同，在一天中的早上、中午、下午测试，以及春夏秋冬四季各个不同时候测试都会得到不同的测试结果。另外，最关键的还是光照强度的影响，系统在室内自然光下不会产生电压，只有在室外太阳光，或者电暖气的照射下才能产生电压给设备充电。还有，就是充电时太阳能电池板的摆放角度也对电压的产生有很大的影响，应该尽量保持住电池板跟太阳光呈90度的角度，这样系统才能最大限度地给设备充电。

本手机充电器系统的设计分为硬件电路设计和程序设计两个部分，硬件电路设计是电路设计的主要部分，通过对设计的分析，最终确定由STC89C51单片机完成主电路的控制和测量，首先对主要电路与控制硬件电路设计，硬件电路的设计主要是设计电路原理图和确定原件、芯片的参数。在设计中遇到很多问题，并且在后期换掉了ADC0809改用PCF8591这个四路的AD进行数模转换。

软件的设计采用模块化的设计方法，处理计算则是靠自己研究，因为这些东西涉及到具体硬件电路，是找不到相关资料的，软件编程通过AT89C51来实现。对于本设计，我认为还应该继续进行研究，如果进行下一步的的研究，应该重点考虑下面几个方面：

（1）本电路单片机起到了辅助作用，按照思路，去掉单片机从理论上也可实现，但会不准确，按照原有要求，应该思考一下如果主要利用单片机汇编程序应该怎样改变电路。

（2）要对电路进行简化，由于时间仓促，在设计中问题不断出现，就进行对芯片或者原件的思考与替换，完全没有考虑到节省原材料这一方面，如果进行长期研究和开发，就要视这个问题。

（3）电路设计中尽可能的使用较少的按键，尽量通过程序来进行实现，这样简单，易操作。

本设计首先进行硬件设计和加工制作，在完成硬件加工后，又进行了软件编程。最后得到完整的实物。通过对实物的功能测试，可发现整个设计可以满足将太阳能转换成电能，并直接给手机充电。在测试过程中，功能都达到要求，符合设计需求，具有实际应用价值。

论文完成之际，我首先向我的指导老师，车玮老师表示衷心的感谢。老师严谨的治学态度，精益求精的工作作风，对我影响深远。

从最初的选题，到资料收集，到写作、修改，直至论文定稿，老师都给了我耐心的指导和无私的帮助，使得我的毕业设计课题能够深入地进行下去。在此过程中，我接触到了许多新知识和实际应用的新问题，也做了许多有益的思考，加深了对本专业核心知识的认识和对工程设计的思考。老师认真负责的工作态度，将是我以后工作和生活的榜样。

然后，我要感谢四年中陪伴在我身边的同学、朋友以及舍友，感谢他们为在学习和探索中为我提供有益的建议和观点，这份友谊，这份情义，这份感动会成为我将来最美好的回忆。

最应该感谢的是我的父母，细想这四年来的吃穿用度，四年的财力物力，以及二十多年来的教育栽培，都是由他们两手提供。可以说“我无父母无以至今日”，在此对他们表示深深个感谢。

最后感谢母校西北师范大学知行学院，感谢母校的每一寸土地，感谢母校的每一位老师和同学，因为他们的存在构成了一个大环境，一个大平台，这个大环境和大平台不仅丰富了我的知识，开阔了我的视野，而且使我顺利完成学业。

再次感谢评委老师们辛勤的评阅工作！

参考文献

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