基于光伏发电的太阳能手机充电器的设计与研究

基于光伏发电的太阳能手机充电器的设计与研究
摘要：光伏发电是广泛应用于交通、通信、气象、航天等领域的供电系统的一
项重要技术。

光伏发电是利用了光生伏特效应来将光能转换成电能的。

太阳能作
为一种环保无消耗可再生的新型能源，是为便携式设备供电的有吸引力的能源。

本文设计了一款基于光伏发电原理的太阳能手机充电器，它以单片机作为整个充
电系统的控制中心，由太阳能充电电路、ADC0832模数转换器、升压电路、数码
显示模块和电源模块等功能电路构成。

该充电器结构简单，性价比高，且没有地
域的限制，满足了人们在出差、旅游和生活中的充电需求，在未来拥有广泛的应
用前景。

关键词：光伏发电；单片机；ADC0832模数转换器；数码显
0 引言
随着科技的不断发展智能手机也在不停的更新换代，直到今天，手机已经不
仅仅只是作为通讯工具出现在我们的生活中了，手机已经成为了重要的交友和娱
乐工具。

但是由于智能手机的耗电快的问题，大部分人在出门的时候会随身携带
一些移动电源，来避免手机没电造成的麻烦，但实际上的情况是这些移动电源不
仅携带起来不方便，而且也会很快就没电，不仅没有给我们带来方便，反而给我
们增加了不必要的负担。

且由于近几年来，环境污染严重造成的生态被破坏、资
源日益枯竭在此背景之下推广使用太阳能这种可再生的新型能源不仅能够节约能
源而且避免了对环境造成污染，因此使用太阳能来为便携式设备供电有着非常广
阔的市场前景。

1 硬件设计
1.1硬件设计方案
太阳能充电系统由单片机最小系统、太阳能充电电路、ADC0832模数转换器、太阳能充电电池、液晶显示模块和电源模块这六部分组成。

太阳能充电系统是太
阳能充电板在阳光的照射下产生电荷，存储太阳能电池板的电荷，经过稳压芯片
稳压后给TP4056芯片提供电源和充电电池充电。

充电时，充电指示灯点亮，当
充电完成后，充电指示灯熄灭。

利用ADC0832模数转换器采集充电电池的电压并
在液晶LCD1602上显示充电电压值。

其硬件组成框图如图1所示：
1.2 太阳能电池板单元
1.2.1太阳能光伏发电原理的研究
光伏发电是利用半导体界面的光生伏特效应将光能转变为电能，光伏发电的
原理是太阳光照在半导体p-n结上，形成新的空穴-电子对，在p-n结内建电场的
作用下，空穴由n区流向p区，电子由p区流向n区，接通电路后就形成电流，
从而发电。

这种技术的关键元件是太阳能电池。

太阳能电池经过串联后进行封装
保护可形成大面积的太阳电池组件，再配合上功率控制器等部件就形成了光伏发
电装置。

1.2.2太阳能电池板的选用
太阳能电池板是太阳能充电器的供电基础，是本设计的核心部分。

硅太阳能
电池分为单晶硅太阳能电池、多晶硅薄膜太阳能电池和非晶硅薄膜太阳能电池3种，它们各有优势。

其光电转换效率如表1所示：
其中单晶硅太阳能电池转化效率最高，使用寿命一般在15年到25年之间，
在光电转换效率和使用寿命等方面单晶硅要优于多晶硅电池和非晶硅电池，故本
设计选用单晶硅电池。

2 软件设计
2.1 太阳能充电系统的软件设计
充电电路的主要工作是由单片机进行控制，充电系统软件流程如下：充电电
路初始化，输出功能选择，选择确定输出电流和输出电压，为负载进行充电直至
充电完成，充电停止，整个充电过程结束。

系统主程序流程如图2所示：
3 太阳能充电器各模块电路设计
3.1电源部分的设计
为保证太阳能充电系统安全工作，对该系统电源部分进行如下设计：太阳能
光伏充电系统采用USB线电源供电方案，其中SW1为电源开关，DC成为电池接口，发光二极管是太阳能充电系统的电源工作指示灯，电阻R1的作用是限流，
防止电流太大击穿电源指示灯。

电路原理图如图3所示：
3.2 稳压电路设计
稳压电路可以保护手机电池不会被不稳定的电压损害，因此稳压电路是本设
计必不可少的部分。

在电路中，稳压通常是由四部分组成：电源变压器，整流、
滤波和稳压。

电源变压器，是将交流电网220 V的电压降至所需要的电压值，然后，通过整流电路将交流电压变成脉动的直流电压。

由于脉动电压还含有较大的
波纹，所以需要滤波电路进行滤除，从而得到平滑的直流电压，但电压随电网负
载和温度而变化，所以要有稳压电路。

稳压电源作为模拟电路中一项必不可少的
重要组成部分，也被广泛运用。

稳压电路的设计以三端集成稳压器W7800为核
心 , 由启动电路、取样电路、比较放大电路、基准环节、调整环节和过流保护环
节等组成。

稳压电路如图4所示：
当输入连线较长时，由于电感效应会引起自激振荡，产生纹波电压，电路中
的电容Ci的作用是消除自激振荡，减小纹波电压；输出端的电容Ci作用是消除
电路的高频噪声，改善负载的瞬态响应；电路中二极管的作用是当输入端断开时，电容Co会从稳压器的输出端向稳压器进行放电，从而损坏稳压器，在稳压器的
输出端和输入端之间接一个二极管，可以对稳压器W7800起到保护作用。

3.3 充电电路设计
本次我们采用的是锂电池，锂电池容量大，体积小，无污染，安全性能好，
应用广泛。

但是锂电池对充电条件要求严格，过充承受能力比较差。

因此, 本设计的充电电路应该包括充电控制电路和电量检测控制电路两部分。

其中电池充电控制电路来控制稳压电路来向锂电池进行充电，电池电量检测电路可以来检测充电的电量，当电量充满时，指示灯亮起，显示充满，停止充电。

4 太阳能光伏充电系统的测试
4.1测试方案
将本系统放置在阳光下，调整太阳能电池板与光照角度，从而获得在不同的光照条件下，太阳能手机充电器的数据，用万用表测量对应的输入电压输入电流和输出电压输出电流并将其绘制成表，并对测试所得的数据进行分析。

4.2测试结果
测试结果如表2所示。

经过对测试数据的分析，该系统的输出电压稳定，太阳能光伏充电系统运作状态良好，测试结果和预期成果相符合。

5结束语
本文设计了一款基于光伏发电原理的便携式太阳能手机充电器，解决了当前电子产品续航能力不足的问题，与市面上其他充电器相比较具有性能稳定、易于携带等优点，可有效满足于人们在不同环境下的充电需求，为光伏电源的小型化应用提供了参考。

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