基於微控制器的多能源手機充電器設計與研究論文
1 概述
由於化石燃料的燃燒，導致了全球環境汙染和能源短缺，不可再生能源已經是進入緊急狀態，能源危機越來越制約著國際社會經濟發展，全球能源日益緊張並且環境汙染越來越嚴重，我們必須開發使用清潔、可再生能源。目前使用最廣泛的是太陽能、風能，同樣溫差能也開始受到廣泛關注。
太陽能是一種可再生且無汙染的自然資源。越來越多的國家已經使太陽能資源成為了各國經濟發展的新動力。太陽能電池透過使用太陽發出的光能和材料相互作用產生電，來避免環境汙染的可再生能源。這對改善生態環境,緩解溫室氣體等方面具有重要的意義。
風能，是一種公認的廉價環保且資源豐富的`可再生能源。風能的儲量非常豐富，並且是持續產生的。對於風力發電的技術相對成熟且開發成本較低，很適合大規模開發利用。由於風能具有該優點，所以得到了各國的高度重視和大力開發使用。
溫差發電器是能將熱能直接轉化成電能的固態裝置。美國科學家湯姆遜在研究鯊魚鼻子時發現，鯊魚將外界環境溫差轉換成電訊號，傳輸給大腦來掌握海洋溫度。並透過大量實驗研究，發現了湯姆遜效應。基於該理論開發而成具有將溫差轉換成電壓的半導體發電片。由於溫差發電的轉換效率低，造價高，僅在必要條件下才會使用，其開發潛力仍不小。
目前，採用單一的新能源技術充電，極易受到受環境影響，而達不到預期的發電效果。太陽能和風能兩種資源都是取自自然環境，而自然環境又是瞬息萬變的，所以採用單一的發電技術，很顯然會存在不穩定的弊端，難以長期提供連續的電能。為了避免採用相當大的儲電裝置，對資金浪費，同時佔用大量的場地。在此情況下，採用多種發電方式進行互補是必要的。根據我國所處氣候區，該氣候具有很強的互補性。例如冬天，太陽能輻射的強度較弱，風力較大;夏季，風力較小，太陽能輻射強度高。同時，白天風力較小，太陽能輻射強度大;黑天太陽能輻射強度接近為零，風力較大。因此，太陽能和風能具有極強的互補性。
2 系統整體設計
2.1 系統整體結構設計
在全球能源危機越發顯著的當下，開發和使用新能源已是大勢所趨。為此，本課題在太陽能、風能、溫差能方面，進行深度研究，提出並設計一套基於上述三種新能源技術的充電器，具體設計如下：硬體方面：新能源充電器主要由如下幾部分組成：微控制器模組、模數轉換模組、液晶顯示模組、降壓穩壓模組等。
系統由STC89C51 控制，模數轉換晶片PCF8591 採集太陽能電池板輸出電壓電流、風力發電機輸出電壓，顯示在液晶屏中;太陽能產生的電壓，經降壓穩壓電路轉換輸出5V 電壓，實現手機充電。溫差能發電量較小，所以僅留出介面，方便採用萬用表測量。
2.2 微控制器系統電路設計
本設計中，微處理器選用STC89C51 微控制器。51 微控制器設計電源電路、復位電路、時鐘電路，才可以使STC89C51 微控制器穩定可靠地執行。設計中電源電路選用AOZ1016 降壓穩壓晶片，經過降壓得到5.3V 電壓，該電壓可以滿足微控制器的正常工作。復位電路採用上電覆位，實現上電後即復位。
時鐘源電路採用無源晶振設計的，選用11.0592M 晶振作為系統的時鐘源。此外，微控制器直接驅動1602 液晶屏，顯示電壓資訊。
2.3 降壓穩壓電路設計
本設計採用典型的BUCK 型電源晶片-AOZ1016 晶片作為降壓穩壓晶片。該晶片採用SO-8 封裝設計而成，內部整合P 溝道場效電晶體和肖特基二極體，使外圍電路非常簡單。
2.4 A/D 轉換電路設計
PCF8591 是具有IIC 匯流排介面的8 位A/D 及D/A 轉換器。有4路A/D 轉換輸入，1路D/A 模擬輸出。這就是說，它既可以作A/D 轉換也可以作D/A 轉換。A/D 轉換為逐次比較型。電源電壓典型值為5V。引腳功能如下：
PCF8591 晶片的模擬通道0 檢測手機手機充電電壓，模擬通道1 檢測風能發電的電壓，模擬通道2 檢測太陽能電池板發電電壓，模擬通道3 檢測手機充電電流。
2.5 充電控制電路設計
在實際應用中，為了保護手機免收過高的電壓衝擊而燒壞，本系統設計了充電控制電路。結合A/D 轉換電路，如果電壓超過5.5V，則斷開充電電路，從而保護手機。同時，也設計了按鍵控制充電迴路通斷的功能。
3 系統軟體設計
本設計的基本過程是從太陽能電池板獲取太陽能後，進行電壓的降壓供系統供電和手機充電。而PCF8591 隨時進行數模轉換，將風能產生的電量、太陽能電池板發電電壓、手機充電電壓和電流等資料進行實時採集，然後進行LCD 液晶顯示屏顯示。另外，手機是否充電，以及充滿電後，均透過微控制器控制充電電路的通斷。
4 結束語
本手機充電器系統的設計分為硬體電路設計和程式設計兩個部分，硬體電路設計屬於電路設計工作，透過對方案和可行性的分析，確定由89C51 微控制器完成主電路的控制和測量，首先展開對主要電路與控制硬體電路設計，硬體電路的設計主要是設計電路原理圖和原件，晶片引數的確定。在硬體電路設計上遇到不少麻煩，最初穩壓電路想用LM7805，但後來發現設計要求中要求只利用升壓，而LM7805 涉及降壓，因此改換aoz1016 晶片來升壓，再將電壓輸入usb 介面進行控制充電。並且在後期換掉了ADC0809 改用PCF8591這個四路的AD 進行數模轉換。考慮到太陽能電池板輸出電壓隨時波動，所以採用AOZ1016 降壓穩壓晶片，產生5.3V 的穩定電壓，實現手機充電，並給微控制器系統提供電源。採用51 微控制器以及A/D 轉換晶片，採集手機充電的電壓值，並且顯示在1602 液晶屏上。
本設計首先進行硬體設計和加工製作，在完成硬體加工，進行軟體程式設計。最後得到完整的實物。透過對實物的功能測試，發現整個設計可以滿足將太陽能為主要能源轉換成電能，並直接給手機充電。在測試過程中，功能達到要求，符合設計需求，具有實際應用價值。
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