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一种手动式手机充电器

摘要

在本文中，由于我们对发电设备和管理很感兴趣，我们提出了一个带LED发光二极管的便携式的手曲柄手机充电器，它可以被应用于任何的地方。与此同时，这一设计它将在我们户外旅行时为我们提供了方便，当停电时，此时你还需要一个可以发光的光源以用于照明使用，这时这个设备就可以派上用场了，因为它总是像电池没电时出现的闪光灯一样发出像手电筒一样的光亮。这个设计既很实用又很方便，很明显，一个能为人类获取能量的，为手机电池充电的设备是一个非常具有吸引力和具有市场前景的产品。

关键词：LED发光二极管、手摇发电机、电压调节器

I 引言

毫无疑问，在日常生活中，我们大家能强烈地感受到我们需要有一个手机这件事情的重要性。尽管如此，在生活中，人们往往普遍存在忘了给自己的手机充电这种习惯。大多数手机都用户存在过这样的体验，当你与其他人有重要的手机通话时你的手机的电量突然用完了，或者做过这样的噩梦：当你被困在某一个陌生的地方并且此时你的手机电池没电了。除此之外，当我们在旅途中时，为手机电池充电是一个很大问题，这是因为在旅途中电力供应来源不容易被人们获取。如果你使你的手机保持持续开机中，那么它的电池电量将在五到六个小时内被用完，使你的手机没法再开机使用。因此手动充电电池成为日常生活中人们必要的用品，特别是当你距离你最近的中继站的距离增加时。这是一个简单的充电器，它可以为你的手机电池补充两到三个小时的电量。从本质上来说，充电器就是一个电流限制的电压源。在一般情况下，手机电池包需要3.6-6V直流电压和180 -200mA的直流电流来充电。它通常含有三个镍镉电池板，每个镍镉电池被的额定电压为1.2V，100mA的输出电流足以以一个较慢的速度为手机电池充电。一个额定电压为12V的电池内部共含有八个单元，连接输出端子给予足够的直流电流（1.8A）来为手机电池进行充电。

这就是为什么我们决定制造一个在紧急情况下能为手机电池进行快速充电的临时手机电源的原因。有了我们发明创造它的兴趣，并将我们所学过的专业知识应用在制造日常生活用品上，这一行为对消费者和环境都大有益处。

在下一节中，我们提出了本手动式手机充电器设计的设计目标。在第3节中，我们提出了本产品设计的详细设计。这个产=手动式手机充电器的验证是被放在第4节中予以描述。最后，我们做了设计总结并指出我们未来应该进行的改进工作。

II 项目目标

本项目的主要目标是设计一个设备，它将产生足够的电流为手机电池进行充电。我们本次设计的这个设备的一个潜在的应用是在紧急情况下的路边服务，在有人被困在公路边的情况下，这时他们的手机电池已经没电了，在这种情况下，当用户手动摇动了一会儿我们的手动式手机充电器之后，我们的设备将产生足够的电荷，使他们能够完成一个快速的手机通话。我们创造了一个手机充电器，使用手摇发电机在紧急情况下为手机电池进行充电。由发电机给定的电压将调节电压以保持电压稳定大约在5 V左右，发电机所产生的能量也会储存在一个超级电容器中，LED发光二极管显示了超级电容器的充电状态。除此之外，本充电器还将具有保护功能，它可能够防止手机的过充电和过放电。

该手动式充电器的优点：1.当手机电池进行充电时，手机可支持通话功能

2.在紧急情况下可为手机用户提供几分钟的通话时间

3.清洁能源，绿色环保

4.充电器电池的电量永远不会被耗尽

5.几乎有无限的自由能是可以重复使用的

该手动式充电器的特点：

1.它能够进行双向充电

2.小巧轻便的设计

3.手摇发电机优化额定速度

4.LED发光二极管显示充电状态

5.拥有防过充、防过放功能

III 装置的设计

系统的设计框图和电路图显示为图1-4。给出的详细描述如下所示。

图1 板块描述框图

图2 整体电路示意图

图3 电流限制电路原理图

图4 电路图的示意图

手摇式发电机：本单元将产生大约5—10V左右的直流电源。手摇是发电机它是将人类的机械能转化为电能的动力学组件。这个模块是我们制作的手动式充电器能量的来源，为电池进行充电。在该模块产生的能量将被转移到电压调节器当中。

电压调节器：将直流电源从手摇发电机传输至本机。本模块的功能是确保电力供应电压大约为5V左右，使电压不会产生巨大的等级变化。电压调节器将保护手机和设备中的其他组件不受因为电压波动而导致的损坏，然后将调节电压转移到微控制器单元。

微控制器：电压调节器控制这一单元。该单元的作用如下所述，第一个作用是监测功率传输的多少，第二个作用是监测储存在电池或电容器中的能量，并将此信息传递给显示器单元。该单元确定何时要将能量储存在储能单元中，以及何时直接将能量存储在手机电池中。

显示器：该单元由LED发光二极管组成，其由微控制器单元接收的信息组成。该单元将显示在储能单元的电容器的充电状态，并将指示能量存储单元是否能完全充电。

储能单元/电池：本单元是我们设备的最后一个阶段。它所传送的能量将被储存在电容器或电池的手机电池中。

性能要求：本充电器产生的电压在4.5V～6.0V这一范围内，产生的电流范围超过250mA。本手动式充电器具有比较小的物理尺寸，很容易比较舒服地被人们拿在一只手里。整个装配组件的总重量大约为1磅，它所需的功率输出是在转动手摇式发电机的曲柄达到每分钟转数为1.5 转的情况下得到的。

上述要求是通过我们的实验测试后确定的，此手动式充电器，它的实用性是我们创造此设备的最初目的。此手动充电器的设计要求如下所述，第一，要求此手动式充电器所产生的电压必须是直流电压，在这一范围内，大多数手机可通过此手机充电器来使用操作，以便于为手机电池进行充电。我们这一手动式充电器目前的设计要求，有一点点稍微低于市场商业化中手机充电器的电流要求范围，其规定手机充电器的充电电流必须处在450-800mA的电流范围。因为对于手摇式发电机来说，要获得这么大的电流，这是一件相当困难的事情。然而，目前我们的手动式手机充电器的充电电流为250-300mA左右，这一范围的电流已经足够为手机电池进行充电以用于拨打一个时间较为短促的紧急电话。下一个要求，我们需要来处理我们的手动式充电器的物理尺寸和它的实际重量。我们通常希望它作为一个手机充电器，首先在物理体积上要尽可能的小巧，其次在物理质量上我们要求它要尽可能的轻巧便于携带，因此我们正在设计一个结构紧凑的手机充电装置以便于了人们能够在外出时或在日常生活中使用时便于随身携带。我们最后的设计要求，是要确保本手动式充电器被设计得很好很合理，以便于它能合理的由用户进行能量消耗使用，方便地使用本手动式手机充电器为他们的手机电池进行充电。

V 系统的调试及验证

1. 产品测试

电压调节器的测试：该测试通过使用示波器和一个功能发生器来测试电压调节模块是否具备其正确的功能。本次试验中，函数发生器用于提供输入电压，我们将检查电压调节电路输出电压实际上是否保持在允许电压范围内。图5，6，7显示的是手机和LED作为负载是发动机的电压。

延长电池寿命测试：这里我们将进行一系列的测试，以用来确定定量的电池寿命，这是从我们的设备的使用进行的扩展。 目前，由于手机电池电量不足，该手机将首次关机，我们的设备将会产生一个设定的时间间隔，然后，手机语音通话的最大长度将被我们记录下来。这个测试将进行多次，为每个曲柄间隔找到因运转得到现实最大的回报来投入充电电池。然而，这种测试可能会产生误导性的数据，那是因为这样的事实，在最初的手机关机后，在电池中可能还具有残余的剩余电量。

电流测试：我们都知道，要使手摇式发电机达到相当高的电压起动这是一件相对容易的事情，但我们也知道，如果没有足够高的电流伴随着电压，任何的建设性工作将无法得以实现。当我们的设备在进行充电时，示波器将被用来测量电流。我们也将测试我们的电路，以确保在曲柄充电器中没有电流从超电容器向后流向电池。

显示测试：接下来，我们将测试本手动式手机充电器的显示模块，以验证当LED发光二极管点亮时，超电容器处于充电状态。为了测试这种情况，我们将电压在一定范围内变化的电源连接到超电容器上，并观察LED发光二极管的发光情况。通过这一范围变化的电压，我们将监测电流通过超电容产生的情况，并观察LED发光二极管是否在电流为零时能发出光亮。在实际系统中进行实验操作后所得到的图片如下图8所示。

图5以手机为负载的电机性能

图6 以LED为负载的电机性能

图7电机电压和电压调节器的输出电压

图8 LED二极管发光时的照片

B公差分析

因为手摇发电机的缘故，本手动式手机充电器装置产生了很多的变化。用户可以在不同的速度范围内转动曲柄轴，速度从非常低的速度到人们所能做到的尽可能的快的速度这样由慢到快地依次变化。由于手摇式发电机曲轴转速不断地发生变化，因此，发电机将产生不规则的输出功率输送给设备。

接下来我们将验证这一效果，首先要验证的是，手摇发电机的充电速度，其次要验证的是，当手摇发电机工作在不同的曲柄转速时，它可以产生的输出功率大概为多少。为了测试这一点，我们将监测手摇发电机在不同的曲柄速度时，此手动式手机充电器的电容器的充电速率，从而观察其对发电机产生的影响。除此之外，对于从手摇式发电机所产生的电压和电流，我们将通过范围和数据采集程序来进行测量和绘制，从而确定手摇发电机曲柄的最佳转动速度（此时发电机的电压大约为5 V左右，电流大约在300 mA左右）。通过对所采集到的数据进行了分析之后，我们将确定该装置手摇发电机曲柄转速的最佳的每秒转速，以保证该设备可以最有效地进行工作，以及我们的手动式手机充电器设备必须满足以下这一条件，我们必须要确保，当手摇发电机的曲柄工作在最低的每秒转速下时，我们的手动式发电机这一设备，仍能继续正常工作，为手机电池进行充电工作。

V 结论

最终，我们得到了我们可以用于实际日常生活中的最终的产品，一个手动发电的手机充电器。在此我们已经成功地生产制造出了一个这样的装置，它可以产生足够的能量，让一个手机能够充电足够长的时间，从而来向外拨打一个紧急呼叫电话。除此之外，LED发光二极管也能够产生足够亮的光，使其可以作为一个可以使用的手电筒。但是在这里我们不能使LED发光二极管的发光输出保持5分钟以上，这是因为我们增加了通过LED发光二极管的电流从而使它产生一个更明亮的光，因此LED二极管的发光时间不能维持很长时间。无论是通过限制电流这种方法或者使用一个容量更大的超级电容器这种方法，都能够使LED发光二极管得到额外的光照时间来为用户提供光源以便于当做一个手电筒使用。

在这里，有几个变化或者说需要改进的地方，我们希望出现在未来的设计版本中。我们大家都知道，普通的发电机这种装置对于我们本手动式手机充电器可行的生产制造来说，其外形太过于巨大的，质量也是太过于笨重的，价格也是相对来说过于昂贵的。并且它产生的能量远远超过了实际生活应用中我们的手动式手机充电器中的电路所需要的能量，这难免会造成不必要的能源浪费，不利于节能减排这种环保政策。因此我们可以选用一个外型更小巧、价格更便宜的电动机来代替普通的发电机，并且我们还可以使用更大的齿轮传动装置来使手摇式电动机更快地进行旋转。

散热电源通过电流限流电路产生的热量，可以储存在电池或其他超级电容器中，从而以便于在之后的环节进行使用。这种方法将能够提高我们手动充电器的电路效率，并可以使手机或LED发光二极管工作更长的时间。除此之外，脉宽调制和降压转换器这两种方法也可用于提高电路的工作效率。我们丢失的大多数能量被消耗的原因，是因为电压调节器的电压下降了5V。本手动充电器设备如果添加了USB通用串行总线结构的支持，将会使我们的设备适用于对各种类型的手机来对各类型的手机电池进行充电，比如苹果手机的iPhone。USB通用串行总线结构的引脚连接5V的电压作为输入功率，所以我们就不必为让电源适用于USB连接而对我们的设备做出任何的改变。另一个我们想做出的改进是，一个四周是印刷连接的非导电表面印制PCB板。由于未使用的表面的窄槽的连接之间的关系，在焊接过程中我们出现了一点闪失。对于此事，我们大家都一致认为，薄弱的焊点，是使电路在演示过程中没有进行正常工作的主要原因，如果PCB印制板的表面是由非导电物质构成的话，那么电路就可能在演示过程中被阻止以至于我们的手动充电器这一设备无法继续进行正常工作来为手机电池进行充电。

在这里我们有几种不同的方式来制做一个电源监测电路，但是对于它们而

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