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传感器与检测技术课程设计 基于太阳能手机充电器的设计制作、安装、调试姓 名: 王研 班 级: 14信二 学 号: 14020231 同组成员:左丘霞 周海蛟 徐一含指导老师: 钱显毅 考核成绩: 2023年6月摘 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，并且携带极度不方便，有的甚至会成我们外出的承担。随着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也许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。 随着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平常的生活，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，不仅绿色环保，并且可以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 ofsolar mobile phone chargerAbstractTodays 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, dont 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 peoples 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目录：第一章 绪论.11.1题研究的背景.11.2手机充电器的运用环境.11.3手机充电器的进化史.11.4 本课题的研究内容及重要技术参数.21.4.1 研究内容.21.4.2总体框架设计.2第二章 设计方案及原理.32.2手机充电的内部构造.32.3 手机充电器的相关参数及运营程序.4第三章 硬件设计.73.1 太阳能电池板到5V降压电路.73.2基于TP4056降压充电电路.83.2.1 TP4056芯片.83.2.2工作原理.103.2.3电路设计.10 3.3 PT1301芯片.11 3.3.1芯片介绍.11 3.3.2芯片电路设计规定.12 3.4 DC/DC升压电路设计.13结论.14参考文献.15心得.16附录.17 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。我们也许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，但移动电源也会碰到没电的时候，那时移动电源就成我们外出的承担。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，直接在太阳光下通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。假如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，可以借助太阳光给手机充电，给人们生活带来方便。重要采用太阳能电池板把光能转化为电能，在通过单片机智能控制电路，把太阳能转化为直流电压，在安全方便简朴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，不简简朴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长其耗电，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，一开始人们只是简朴的讲手机和电源相连，这不仅导致许多手机电路的损坏，更严重的导致爆炸。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善。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。人们现在追求的简朴快捷充电方式，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重要技术参数本课题研究是的是在单片机的控制下完毕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。其重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，重要研究：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。通过简朴的单片机的控制电路，达成在交流电和太阳能两种情况下可以随时随地的切换电路进行充电。达成解决人们在外无法充电的问题。1.4.2总体框架设计电池切换电路交流电220v 太阳能电池图1-1太阳能手机充电器的总体设计思绪第二章 设计方案及原理 如图2-1为系统硬件框图，其中，重要涉及三个部分：太阳能电池板到5V降压电路、移动电源充电电路、移动电源电池电压到5V输出升压电路。太阳能电池板5V降压电路用电设备PT1301移动电源升压到5V输出升压电路电池TPS4056充电电路图2-1设计框架图2.2手机充电的内部构造 图2-2为手机充电器的内部结构图，图三为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，克制差模干扰。DR1是压敏电阻，防止雷击等浪涌电压也许对开关电源导致的损坏。 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 手机充电器的相关参数及运营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、减少了成本。但因输出电压与、及初次匝比有关，因此一旦拟定了初次匝比，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，820时，开关频率约为57kHz，输出电压为4.80V；1.5k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 以上简朴的介绍了以华为的代表的普通的手机充电器工作原理，要想把其改导致一个太阳能手机充电器还需要找到好的太阳能电池板，要全面的考虑一些综合问题。 第三章 硬件设计3.1 太阳能电池板到5V降压电路 该部分电源稳压器件选用的是低压差的稳压芯片LM2940，LM2940集成稳压器是常用的固定正输出电压的集成稳压器，输出电压有5V、12V等规格，最大输出电流为1.5A。LM2940输出电压为5V。LM2940是三端稳压集成电路，且为有正电压输出。这种稳压用的集成电路，只有三条引脚输出，分别是输入端、接地端和输出端。它的样子像是普通的三极管。用LM2940三端稳压IC来组成稳压电源所需的外围元件很少，电路内部尚有过流、过热及调整管的保护电路，采用了噪声低、温度漂移小的基准电压源，使用起来可靠、方便，并且价格便宜。在实际应用中，应在三端集成稳压电路上安装足够大的散热器（当然小功率的条件下不用）。当稳压管温度过高时，稳压性能将变差，甚至损坏。LM2940典型应用电路图：LM2940集成稳压器的典型应用电路如图3-1所示，这是一个输出正5V直流电压的稳压电源电路。VR1采用集成稳压器LM2940，C3、C4分别为输入端和输出端滤波电容。当输出电流较大时，LM2940应配上散热板。 图3-1LM2940集成稳压器的典型应用电路3.2基于TP4056降压充电电路3.2.1 TP4056芯片TP4056 是一款完整的单节锂离子电池采用恒定电流/恒定电压线性充电器。其底部带有散热片的SOP8/MSOP8封装与较少的外部元件数目使得TP4056成为便携式应用的抱负选择。TP4056 可以适合USB电源和适配器电源工作。由于采用了内部PMOSFET架构，加上防倒充电路，所以不需要外部隔离二极管。热反馈可对充电电流进行自动调节，以便在大功率操作或高环境温度条件下对芯片温度加以限制。充电电压固定于4.2V，而充电电流可通过一个电阻器进行外部设立。当充电电流在达成最终浮充电压之后降至设定值1/10时，TP4056 将自动终止充电循环。当输入电压（交流适配器或USB电源）被拿掉时，TP4056 自动进入一个低电流状态，将电池漏电流降至2uA以下。TP4056 在有电源时也可置于停机模式，以而将供电电流降至55uA。TP4056 的其他特点涉及电池温度检测、欠压闭锁、自动再充电和两个用于指示充电、结束的LED 状态引脚。特点：高达1000mA的可编程充电电流无需MOSFET、检测电阻器或隔离二极管用于单节锂离子电池、采用SOP封装的完整线性充电器恒定电流/恒定电压操作，并具有可在无过热危险的情况下实现充电速率最大化的热调节功能精度达成1%的4.2V 预设充电电压用于电池电量检测的充电电流监控器输出自动再充电充电状态双输出、无电池和故障状态显示C/10 充电终止待机模式下的供电电流为55uA2.9V涓流充电器件版本软启动限制了浪涌电流电池温度监测功能采用 8 引脚SOP-PP/MSP-PP封装。图 芯片封装和引脚结构引脚功能TEMP（引脚1）：电池温度检测输入端。将TEMP 管脚接到电池的NTC 传感器的输出端。假如TEMP管脚的电压小于输入电压的45或者大于输入电压的80，意味着电池温度过低或过高，则充电被暂停。假如 TEMP 直接接GND，电池温度检测功能取消，其他充电功能正常。PROG（引脚2）：恒流充电电流设立和充电电流监测端。从PROG 管脚连接一个外部电阻到地端可以对充电电流进行编程。在预充电阶段，此管脚的电压被调制在0.1V；在恒流充电阶段，此管脚的电压被固定在1V。在充电状态的所有模式，量该管脚的电压都可以根据下面的公式来估算充电电流：GND（引脚3）：电源地。Vcc (引脚4)：输入电压正输入端。此管脚的电压为内部电路的工作电源。当Vcc与BAT管脚的电压差小于30mV时，TP4056将进入低功耗的停机模式，此时BAT管脚的电流小于2uA。BAT（引脚5）：电池连接端。将电池的正端连接到此管脚。在芯片被严禁工作或者睡眠模式，BAT管脚的漏电流小于2uA。BAT管脚向电池提供充电电流和4.2V 的限制电压。（引脚 6）：电池充电完毕指示端。当电池充电完毕时被内部开关拉到低电平，表达充电完毕。除此之外，管脚将处在高阻态。（引脚 7）漏极开路输出的充电状态指示端。当充电器向电池充电时， 管脚被内部开关拉到低电平，表达充电正在进行；否则管脚处在高阻态。CE（引脚8）芯片始能输入端。高输入电平将使TP4056 处在正常工作状态；低输入电平使TP4056 处在被严禁充电状态。CE 管脚可以被TTL电平或者CMOS电平驱动。3.2.2工作原理TP4056 是专门为一节锂离子或锂聚合物电池而设计的线性充电器电路，运用芯片内部的功率晶体管对电池进行恒流和恒压充电。充电电流可以用外部电阻编程设定，最大连续充电电流可达1A，不需要另加阻流二极管和电流检测电阻。TP4056 包含两个漏极开路输出的状态指示输出端，充电状态指示端和电池故障状态指示输出端。芯片内部的功率管理电路在芯片的结温超过145时自动减少充电电流，这个功能可以使用户最大限度的运用芯片的功率解决能力，不用紧张芯片过热而损坏芯片或者外部元器件。这样，用户在设计充电电流时，可以不考虑最坏情况，而只是根据典型情况进行设计就可以了，由于在最坏情况下，TP4056会自动减小充电电流。3.2.3电路设计图3-8 本设计TP4056充电电路3.3 PT1301芯片 3.3.1 芯片介绍PT1301 是一款最低启动电压可低于1V的小尺寸高效率升压DC/DC转换器，采用自适应电流模式PWM 控制环路。 PT1301 内部包含误差放大器、斜.产生器、比较器、功率开关和驱动器。PT1301 能在较宽的负载电 流范围内稳定和高效的工作，并且不需要任何外部补偿电路。 PT1301 的启动电压可低于 1V，因此可满足单节干电池的应用。PT1301 内部具有 2A 功率开关，在锂 电池供电时最大输出电流可达 300mA，同时 PT1301 还提供用于驱动外部功率器件（NMOS 或 NPN）的驱 动端口，以便在应用需要更大负载电流时，扩展输出电流。500KHz 的开关频率可缩小外部元件的尺寸。输 出电压由两个外部电阻设定。14A 的低静态电流，再加上高效率，可使电池使用更长时间。 图9芯片引脚排列图10芯片引脚说明 3.3.2 芯片电路设计规定图11芯片典型应用电路输出电压： 参考应用电路图，输出电压 Vout 由电阻 R1 和 R2 按以下公式设定： 反馈环路设计： 参考应用电路图，电阻 R1 和 R2 阻值的选择，除要符合上述 Vout 公式外，还须在系统的静态电 流和抗干扰能力方面做权衡。1.更高的电阻取值可减少系统的静态电流（电流 I1.25V/R2）。 2.较低的电阻取值则可获得较好的抗噪声和抗干扰能力，减少对 PCB 布图寄生参数的敏感度，提 高稳定性。 因此，对于无待机状态或悬置状态的应用而言，R1 和 R2 取值宜低些，而对于对待机或悬置电流规定 很高的应用，R1 和 R2 阻值需要取高，这时候由于反馈回路的阻抗很高，从而对干扰非常敏感，必须非常 仔细.进行布图，并且避免任何对 FB 端的干扰。 为了提高系统的稳定性，可在 FB 端与 Vout 之间接一电容，该电容的经验取值是：当上述电阻为 M 级时，取值约 100pF，当上述电阻取值为几十至几百 K时，取值在10nF0.1uF之间。 3.4 DC/DC升压电路设计如图11为移动电源电池电压到5V输出升压电路。其中，PT1301为TI的高性能脉宽控制器芯片，PT1301、低启动电压的MOSFET（AO3400）、22uH电感L1和快恢复二极管SR260一起组成BOOST升压电路。其中电阻R1和电阻R3构成分压电路，把输出5反馈给脉宽控制器，从而使在负载变化时，输出保持不变；图12移动电源电池电压到5V输出升压电路 结 论太阳能移动电源系统的设计为硬件电路设计，硬件电路设计属于前期的重要工作，通过方案论证与可行性分析，安装完毕后，接上太阳能电池板，并将其放在阳光下，空载时电路输出电压约为4.2V，通过样机实验可以得到：对放电终了的手机锂离子充电至饱和大约用时1.5-2小时，温度在25-30，符合锂离子充电的安全规定。从整体上来看，电路的控制精度高、体积小、重量轻，非常适合于制成一个便携式充电器。对于本设计，假如进行进一步的的研究，应在以下几个方面重点考虑：(1)考虑液晶显示屏上是不是可以显示更多的功能，这样可使显示更加丰富人性化，但在总的造价有所增长；(2)电路设计中尽也许的使用较少的按键，使五个按键减为三个，这需要通过程序来实现。尽管该设计还存在诸如接口扩展不方便等方面的问题，但由于其既有节约能源，结构简朴，携带方便，使用灵活的特点，因此它必将会为长期户外工作者带来方便。参考文献1 蒋鸿飞,胡淑婷.绿色能源太阳能充电器.上海应用技术学院学报(自然科学版),2023.2 阎石.数字电子技术基础.北京:高等教育出版社,2023. 3 路秋生.常用充电器电路与应用.北京:机械工业出版社,2023.4 董文博,吴知非.数字化智能充电器的设计.电子技术应用，2023.5 张毅刚等.单片机原理及应用.北京:高等教育出版社，2023.6 刘超.基于单片机的智能手机电池充电系统.长春理工大学学报(高教版)，2023.7 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指导老师王利强老师，他给了我很大的鼓励和帮助，让我对论文的完毕充满了信心。在我查找资料和整理论文的过程中王老师给了我许多建设性的意见。再次表达感谢！同时也要感谢我在碰到困难时能细心帮我检查电路并耐心陪着我一起解决问题的同学们，要是没有他们，我想每当我碰到问题时，都一定无法从容面对，也无法这么顺利的解决，从而得到这么成功的毕业设计作品，我想作品最后调试的成功，不仅仅是对我的鼓励，更多的是对你们的认可。但是因工作因素时间紧、任务重。同时由于自身专业知识资质局限性，资料搜集不够全面，最终综合分析研究局限性，相关测试、分析资料不全，难免有错漏之处和结识上的肤浅。敬请答辩组专家老师的批评和指正！附录A:硬件电路图件电路图附录B:PCB原理图附录C:电路图附录D：元器件清单电阻数量元器件数量1K53K1SR260110K14UF电感1绿色发光二极管1LM29401红色发光二极管1黄色发光二极管11400mah锂电池1电容9V3W电池板10.1uF147UF1