陈奕翰，朱铝芬，卜铭洋，高 宇

（南京工业大学浦江学院，江苏 南京 211100）

0 引 言

随着科技的发展，太阳能作为最常见的环保能源被广泛应用。随着无线时代的到来，日常使用频率最高的物品如键盘、鼠标、耳机等[1]早已不再受到线的约束，但电源的位置和数据线的长短束缚着手机充电器。在绿色环保方面，太阳能有着其他能源无可比拟的优势，而传统的有线充电方式必将被简单便捷的无线充电方式逐渐替代，且在某些特殊情况下，太阳能无线充电器具有很高的使用价值。因此，一款便于携带的太阳能无线手机充电器具有极高的研究价值。本文融入太阳能无线充电器的知识，以无线充电为目的，对自动充电自动停止充电进行优化。

1 总体电路结构设计

本项目根据电磁感应原理，辅以太阳能作为能源供给来设计一款无线充电器。通过将太阳能转换成电能，并以无线传输方式进行传输，从而实现对手机等设备的供电。

太阳能无线手机充电器主要由太阳能电池板、降压稳压电路、无线电力传输电路、单片机电压采集监控电路、无线电力接收电路、手机充电电路和充电保护电路等组成，如图1所示[2]。其中，单片机电路通过多路电压采集芯片获取太阳能电池板电压和降压稳压电路的电压，通过液晶显示屏显示电压。

图1 总体设计结构框图

2 硬件设计

本设计的硬件部分由太阳能电池板、无线电力发射接收电路、单片机系统电路、液晶显示电路和电压采集电路组成。本文着重介绍无线电力发射接收电路。

2.1 太阳能电池板选型及降压稳压电路设计

本设计通过太阳能电板将光能转换为电能从而实现后续的功能，并采取将多块太阳能电板串并联的方式提高电压，以克服太阳光照强度不稳定所引起的电压不稳定问题。再利用DC-DC降压稳压芯片LM2575对其进行降压，之后为蓄电池供电，从而使得蓄电池能够输出相对稳定的电压。

2.2 无线电力发射接收电路

该无线电力发射电路核心元件为XKT-510，直流输入电压范围为5.0～5.5 V[3]。在有直流电源的情况下，该芯片通过内部高频逆变电路进行转变来产生高频交变电流，并将其输入至发射端的一次线圈产生电磁感应电动势，然后使用高频整流及直流斩波等相关系统电路对用电设备进行有效供电，从而实现充电的目的。当一次侧的绕组中流过高频电流时，二次侧的绕组中会感应同频率的电功率，并以此感应耦合实现电能传输，如图2所示。

图2 无线发射电路

由该无线发射电路产生的交变磁场对外发射来使接收端感应到该交变磁场，并将该磁场信号转换成电压输出[4-7]。但是，该电压为交流高频电压，无法直接接到手机。因此，本设计采用单桥整流电路对其进行整流，再输出直流电，此后还需进行降压操作，因为直流电电压会随着线圈距离的变化而变化。因此，本设计采用基于T3168芯片的降压电路来实现降压的目的。该芯片在不工作时所有电路都将关闭，且空载情况下的工作电流仅为8 mA。当芯片控制无线电力接收电路开启时，所有状态显示灯将同时点亮。对外输出电压的大小则通过设置R21和R22的比值决定。为了能够输出稳定的电压，本设计采用5.2 kΩ与2.0 kΩ的配比来供设备充电使用，如图3所示。

2.3 单片机系统电路

51单片机为了实现12 V电源输入、5 V电源输出，采用7805降压芯片，并采用11.059 2 MHz晶振为单片机提供外部时钟，同时使用电容和电阻实现上电复位功能[8]。

本设计中额外添加了复位电路。复位电路通过采用上电复位电路和按键复位电路结合的方式，在上电及按键按下时对单片机的寄存器进行清零初始化。此外，为了增强P0口的输出能力，添加了10 kΩ排阻，从而提高该数据端口的输出电流。

2.4 电压采集电路

本设计采用PCF8591采集模拟电压，并传输给单片机处理。如果A/D芯片采集通道的输入电压高于电源电压，会使该通道损坏或使芯片烧毁。因此，PCF8591芯片在输入电压高于5 V时，整个芯片会烧毁[9]。若不超过5 V，则可以直接采集电压；若采集电压超过5 V，则需要分压后采集。本设计中的输入电压小于5 V，可以直接采集并进行检测。

图3 无线接收电路

3 软件设计

本设计选用89C51单片机作为微处理器，使用KEIL软件编写C语言程序[10]。编译好程序后，使用ISP下载器将编写的程序写入单片机。本设计的软件流程如图4所示。

实际运行时，单片机上电后先进行上电复位，再初始化全部配置，然后初始化PCF8591芯片和液晶屏，随后系统进行A/D转换，检测无线电力接收电路的电压。若电压不在安全充电范围，则提示用户暂时不要进行充电；如果电压正常，则提示用户可以充电。

4 调 试

通过软件与硬件结合调试后，实现了通过太阳能电板提供电能并通过无线传输电路为手机充电的功能，如图5所示。

5 结 论

本设计为一款太阳能无线手机充电器。通过太阳能电池板将光能转换为电能，由降压稳压电路将电能存储于蓄电池，再利用无线电力传输电路将电能传送至手机端。无线电力接收电路将电磁能量转化为电能，最后经过降压稳压处理后给手机充电。此外，利用单片机实时检测电池板及输出电压，并由液晶模块显示当前的电压。如果出现欠压、过压情况，由液晶显示报警。利用单片机对充电过程进行智能控制，从而有效保护蓄电池。最终，获得的太阳能无线充电电路能够实现手机充电等功能。然而，本文设计的无线电力传输距离受到一定的限制，无线电力传输性能不稳定，需要今后进行进一步调试。

图4 功能流程图

图5 实物图