2014年ti杯大学生电子设计竞赛设计报告

2014 年 TI 杯 大 学 生 电 子 设 计 竞 赛 无线电能传输装置（F 题）设计报告 摘要 本设计以 TI 公司生产的超低功耗 MCU MSP430 处理器为核心设计并制作一 个磁耦合谐振式无线电能传输装置。该装置主要由驱动电路、发射线圈、接收 线圈、电能变换四部分组成。该无线电能传输装置能够在一定距离条件下无线 传输电能。一定条件下的传输效率与发射线圈与接收线圈的距离为评判设计完 成指标。当前主要的无线能量传输方式中,磁耦合谐振式无线供电技术这种新型 的供电方式不但可以使无线供电的距离提升到米级范畴,突破了无线能量传输距 离这个瓶颈,同时还会分离开用电设备与供电设备之间的物理连接,这样在提高 用电设备的美观,实用性的同时,还可以改善用电设备的安全性。本设计通过运 用 关键词：无线电能传输、磁耦合谐振、MSP430、传输效率、传输距 离 目录 1、引言.3 设计要求.3 2、系统方案论证与选择.4 波形选择. PWM 波产生电路 3、理论分析与参数计算. 无线传输系统工作原理. 参数计算. 4、系统总体设计 系统总体硬件电路框图. 系统总体软件结构设计框图. 5、测试 6、结论及设计感想 7、附录. 总体电路图 程序代码. 8、参考文献. 3 1、引言 设计要求 设计并制作一个磁耦合谐振式无线电能传输装置，其结构框图如图 1 所示。 发 射 线 圈 接 收 线 圈 U 1 驱 动 电 路 U 2 电 能 变 换 x I 2 I 1 图 1 电能无线传输装置结构框图 （1）保持发射线圈与接收线圈间距离 x =10cm、输入直流电压 U1=15V 时， 接收端输出直流电流 I2=0.5A，输出直流电压 U28 V，尽可能提高该无线电能 传输装置的效率 。 （2）输入直流电压 U1=15V，输入直流电流不大于 1A，接收端负载为 2 只 串联 LED 灯（白色、1W） 。在保持 LED 灯不灭的条件下，尽可能延长发射线圈与 接收线圈间距离 x。 2、系统方案论证与选择 系统总体框图 发 射 线 圈 接 收 线 圈 U 1 驱 动 电 路 U 2 电 能 变 换 x I 2 I 1 波形选择 方案一： LC 高频振荡电路产生正弦波 PWM 波产生电路 方案一：采用 NE555 构成频率可调的多谐振荡器驱动。 555 计时 IC 芯片是一款使用时间十分久远，使用范围十分广泛，设计方 案十分成熟的计时 IC 芯片。而 NE555 是 555 计时 IC 芯片大家族中的一个 型号。与其它的计时 IC 芯片相比，NE555 有其独特的优势。比如，NE555 不 仅可以作为定时器使用，还可以作为施密特触发器使用，并且还不需另外的元 器件。此外，当 NE555 用来输出 PWM 波时其外围电路十分简单，其本身的工 作也十分稳定。NE555 可稳定输出 1MHz 以下的方波，并且占空比可调，电路 调试容易，成本较低。NE555 的缺点是不带电路保护功能，PWM 波输出需另接 驱动电路，且不具备任何扩展功能。 方案二：采用单片机产生功率 MOS 管开关驱动信号。 现在市面上单片机的种类很多，常用的有 MSC-51 单片机，MSC-96 单片机， MSP430 系列单片机等等。每种单片机都有各自的特点和应用范围。例如，MSC- 51 单片机是一种具有 8 位 CPU 的单片机，它的运算速度相比较与其他单片机 来说要慢一些，但是胜在价格低廉，对于一些对单片机运算速度要求不是很高 的应用场合，MSC-51 单片机是具有一定优势的。而 MSC-96 单片机则可以看作 是 MSC-51 单片机的升级版，它的 CPU 从 8 位升级到了 16 位。而 MSP430 系列单片机同样具备 16 位的 CPU，但它的主打特性是低功耗，相比于其他系 列的单片机来说，MSP430 单片机自身的功耗很低，并且具备灵活的工作模式和 低功耗模式转化机制，这样可以大大的节能省电可以通过控制 MSP430 内部定 时器输出占空比可调的 PWM 波。此方案优点是输出方波稳定可调，能够通过软 件设计自带电路保护功能，可扩展性强；但缺点是需要调试软件，PWM 波输出 同样需另接驱动电路，且成本较高。 综合比较选择方案二。 三、理论分析与参数计算 无线传输系统工作原理. 导线绕制的线圈可视为电感与电容相连构成谐振体，谐振体包含的能量在 电场与磁场之间以其自谐振频率在空间自由振荡，产生以线圈为中心以空气为 传输媒质的时变磁场；载流线圈28之间通过彼此的磁场相互联系的物理现象称为磁耦 合。该技术通过磁场的近场29耦合，使接收线圈和发射线圈产生共振，来实现能量的无 线传输。与该谐振体相隔一定距离的具有相同谐振频率的谐振体感应磁场，所感 应的磁场能同样在电场与磁场之间以其自谐振频率在空间自由振荡，同时两个 谐振体之间不断地有磁场能交换，因此产生以两个线圈为中心以空气为媒质的 时变磁场。两谐振体内电场能与磁场能振荡交换的同时谐振体之间也存在着以 相同频率振荡的能量交换，即两谐振体组成耦合谐振系统。 参数计算 lcf21 5 75.1)8ln(02aRLN N线圈匝数； （H/m）真空磁导率；7-04 R 线圈半径（m） ； a 线圈导线半径（m） ； 四、系统总体设计 系统总体硬件电路框图 该装置由电源驱动电路、发射线圈、增强器35、接收线圈和负载构成， 本装置的开关电路36-38主要是为了产生高频电压方波信号驱动发射电路谐振，电路图如 图 3-6 所示，该电路由驱动芯片 IR2110 和开关管 RF840 连接而成 系统总体软件结构设计框图 5、测试 带负载时电压与传输距离的关系 次数 1 2 3 4 5 6 传输距离（mm） xxx 电压(v) 保持 LED 灯亮时发射线圈与接收线圈的距离 次数 距离（mm） 六、结论及设计感想 无线电能传输系统经测试效率较高达到，其在条件二的要求下传输距 离达到。完成题目各项要求。 无线电能传输技术在将来具有极广阔的应用空间。但是它仍然有许多路要 走，还有许多问题亟待解决。不如说传输效率、传输距离、装置大小等等方面 都还有很多问题没有解决。这更印证它的未来必是光辉