基于單片機(jī)的太陽能無線手機(jī)充電器的研制

陳奕翰，朱鋁芬，卜銘洋，高 宇

（南京工業(yè)大學(xué)浦江學(xué)院，江蘇 南京 211100）

0 引 言

隨著科技的發(fā)展，太陽能作為最常見的環(huán)保能源被廣泛應(yīng)用。隨著無線時(shí)代的到來，日常使用頻率最高的物品如鍵盤、鼠標(biāo)、耳機(jī)等[1]早已不再受到線的約束，但電源的位置和數(shù)據(jù)線的長短束縛著手機(jī)充電器。在綠色環(huán)保方面，太陽能有著其他能源無可比擬的優(yōu)勢，而傳統(tǒng)的有線充電方式必將被簡單便捷的無線充電方式逐漸替代，且在某些特殊情況下，太陽能無線充電器具有很高的使用價(jià)值。因此，一款便于攜帶的太陽能無線手機(jī)充電器具有極高的研究價(jià)值。本文融入太陽能無線充電器的知識(shí)，以無線充電為目的，對自動(dòng)充電自動(dòng)停止充電進(jìn)行優(yōu)化。

1 總體電路結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

本項(xiàng)目根據(jù)電磁感應(yīng)原理，輔以太陽能作為能源供給來設(shè)計(jì)一款無線充電器。通過將太陽能轉(zhuǎn)換成電能，并以無線傳輸方式進(jìn)行傳輸，從而實(shí)現(xiàn)對手機(jī)等設(shè)備的供電。

太陽能無線手機(jī)充電器主要由太陽能電池板、降壓穩(wěn)壓電路、無線電力傳輸電路、單片機(jī)電壓采集監(jiān)控電路、無線電力接收電路、手機(jī)充電電路和充電保護(hù)電路等組成，如圖1所示[2]。其中，單片機(jī)電路通過多路電壓采集芯片獲取太陽能電池板電壓和降壓穩(wěn)壓電路的電壓，通過液晶顯示屏顯示電壓。

圖1 總體設(shè)計(jì)結(jié)構(gòu)框圖

2 硬件設(shè)計(jì)

本設(shè)計(jì)的硬件部分由太陽能電池板、無線電力發(fā)射接收電路、單片機(jī)系統(tǒng)電路、液晶顯示電路和電壓采集電路組成。本文著重介紹無線電力發(fā)射接收電路。

2.1 太陽能電池板選型及降壓穩(wěn)壓電路設(shè)計(jì)

本設(shè)計(jì)通過太陽能電板將光能轉(zhuǎn)換為電能從而實(shí)現(xiàn)后續(xù)的功能，并采取將多塊太陽能電板串并聯(lián)的方式提高電壓，以克服太陽光照強(qiáng)度不穩(wěn)定所引起的電壓不穩(wěn)定問題。再利用DC-DC降壓穩(wěn)壓芯片LM2575對其進(jìn)行降壓，之后為蓄電池供電，從而使得蓄電池能夠輸出相對穩(wěn)定的電壓。

2.2 無線電力發(fā)射接收電路

該無線電力發(fā)射電路核心元件為XKT-510，直流輸入電壓范圍為5.0～5.5 V[3]。在有直流電源的情況下，該芯片通過內(nèi)部高頻逆變電路進(jìn)行轉(zhuǎn)變來產(chǎn)生高頻交變電流，并將其輸入至發(fā)射端的一次線圈產(chǎn)生電磁感應(yīng)電動(dòng)勢，然后使用高頻整流及直流斬波等相關(guān)系統(tǒng)電路對用電設(shè)備進(jìn)行有效供電，從而實(shí)現(xiàn)充電的目的。當(dāng)一次側(cè)的繞組中流過高頻電流時(shí)，二次側(cè)的繞組中會(huì)感應(yīng)同頻率的電功率，并以此感應(yīng)耦合實(shí)現(xiàn)電能傳輸，如圖2所示。

圖2 無線發(fā)射電路

由該無線發(fā)射電路產(chǎn)生的交變磁場對外發(fā)射來使接收端感應(yīng)到該交變磁場，并將該磁場信號(hào)轉(zhuǎn)換成電壓輸出[4-7]。但是，該電壓為交流高頻電壓，無法直接接到手機(jī)。因此，本設(shè)計(jì)采用單橋整流電路對其進(jìn)行整流，再輸出直流電，此后還需進(jìn)行降壓操作，因?yàn)橹绷麟婋妷簳?huì)隨著線圈距離的變化而變化。因此，本設(shè)計(jì)采用基于T3168芯片的降壓電路來實(shí)現(xiàn)降壓的目的。該芯片在不工作時(shí)所有電路都將關(guān)閉，且空載情況下的工作電流僅為8 mA。當(dāng)芯片控制無線電力接收電路開啟時(shí)，所有狀態(tài)顯示燈將同時(shí)點(diǎn)亮。對外輸出電壓的大小則通過設(shè)置R21和R22的比值決定。為了能夠輸出穩(wěn)定的電壓，本設(shè)計(jì)采用5.2 kΩ與2.0 kΩ的配比來供設(shè)備充電使用，如圖3所示。

2.3 單片機(jī)系統(tǒng)電路

51單片機(jī)為了實(shí)現(xiàn)12 V電源輸入、5 V電源輸出，采用7805降壓芯片，并采用11.059 2 MHz晶振為單片機(jī)提供外部時(shí)鐘，同時(shí)使用電容和電阻實(shí)現(xiàn)上電復(fù)位功能[8]。

本設(shè)計(jì)中額外添加了復(fù)位電路。復(fù)位電路通過采用上電復(fù)位電路和按鍵復(fù)位電路結(jié)合的方式，在上電及按鍵按下時(shí)對單片機(jī)的寄存器進(jìn)行清零初始化。此外，為了增強(qiáng)P0口的輸出能力，添加了10 kΩ排阻，從而提高該數(shù)據(jù)端口的輸出電流。

2.4 電壓采集電路

本設(shè)計(jì)采用PCF8591采集模擬電壓，并傳輸給單片機(jī)處理。如果A/D芯片采集通道的輸入電壓高于電源電壓，會(huì)使該通道損壞或使芯片燒毀。因此，PCF8591芯片在輸入電壓高于5 V時(shí)，整個(gè)芯片會(huì)燒毀[9]。若不超過5 V，則可以直接采集電壓；若采集電壓超過5 V，則需要分壓后采集。本設(shè)計(jì)中的輸入電壓小于5 V，可以直接采集并進(jìn)行檢測。

圖3 無線接收電路

3 軟件設(shè)計(jì)

本設(shè)計(jì)選用89C51單片機(jī)作為微處理器，使用KEIL軟件編寫C語言程序[10]。編譯好程序后，使用ISP下載器將編寫的程序?qū)懭雴纹瑱C(jī)。本設(shè)計(jì)的軟件流程如圖4所示。

實(shí)際運(yùn)行時(shí)，單片機(jī)上電后先進(jìn)行上電復(fù)位，再初始化全部配置，然后初始化PCF8591芯片和液晶屏，隨后系統(tǒng)進(jìn)行A/D轉(zhuǎn)換，檢測無線電力接收電路的電壓。若電壓不在安全充電范圍，則提示用戶暫時(shí)不要進(jìn)行充電；如果電壓正常，則提示用戶可以充電。

4 調(diào) 試

通過軟件與硬件結(jié)合調(diào)試后，實(shí)現(xiàn)了通過太陽能電板提供電能并通過無線傳輸電路為手機(jī)充電的功能，如圖5所示。

5 結(jié) 論

本設(shè)計(jì)為一款太陽能無線手機(jī)充電器。通過太陽能電池板將光能轉(zhuǎn)換為電能，由降壓穩(wěn)壓電路將電能存儲(chǔ)于蓄電池，再利用無線電力傳輸電路將電能傳送至手機(jī)端。無線電力接收電路將電磁能量轉(zhuǎn)化為電能，最后經(jīng)過降壓穩(wěn)壓處理后給手機(jī)充電。此外，利用單片機(jī)實(shí)時(shí)檢測電池板及輸出電壓，并由液晶模塊顯示當(dāng)前的電壓。如果出現(xiàn)欠壓、過壓情況，由液晶顯示報(bào)警。利用單片機(jī)對充電過程進(jìn)行智能控制，從而有效保護(hù)蓄電池。最終，獲得的太陽能無線充電電路能夠?qū)崿F(xiàn)手機(jī)充電等功能。然而，本文設(shè)計(jì)的無線電力傳輸距離受到一定的限制，無線電力傳輸性能不穩(wěn)定，需要今后進(jìn)行進(jìn)一步調(diào)試。

圖4 功能流程圖

圖5 實(shí)物圖