无线充电系统的设计与实现毕业设计论文.pdf

收稿日期： 2013-07-05修回日期： 2013-08-07 基金项目： 国家自然科学基金项目 （61004127） 作者简介： 王红亮 （1978-） ， 男， 河南林州人， 副教授， 硕士。研究方向： 动态测试技术、 数字信号处理和目标识别。 摘要： 针对传统充电系统的非便携性， 利用无线感应原理设计了一种无线充电系统。 该系统包括发射模块、 接 收模块和监测模块， 监测模块以 at89c51 单片机为核心， 实现了对充电状态的监测和控制。 通过实验验证， 本系统最 大充电电流达到了 600 ma， 最大功率达到了 3 w， 同时本系统还验证了不同充电距离下的充电电流和充电功率。 关键词： 无线感应， 无线充电， 逆变， 整流滤波 中图分类号： tn914文献标识码： a 无线充电系统的设计与实现 * 王红亮， 张天文， 符多铎， 张世界 （中北大学仪器科学与动态测试教育部重点实验室； 电子测试技术国家重点实验室， 太原030051） design and implementation of wireless charging system wang hong-liang， zhang tian-wen， fu duo-duo， zhang shi-jie （north university of china key laboratory of instrumentation science ministry of education， national key laboratory for electronic measurement technology， taiyuan 030051， china） abstract：aiming at the non-portable of traditional charging system， the paper design a wireless chargine system by using wireless induction principe.the system include transmitting module， receiving module and monitor module.the monitor module centered on at89c51 mcu， realized the monitoring and control of the charging state.the experiment proved that the charging current can reach 600 ma. besides the maximum of the power is 3 w.meanwhile， the system also test the charging current and power at different distance. key words： wireless induction， wireless charging， contravariant， rectifying and fitration 引言 随着科技的日新月异，越来越多的消费类电子 产品进入人们的日常生活，例如手机、相机、 mp3、 pda 等1-2。 其中充电技术方面， 现在的电子产品全 部是接触式充电（无论是充电模式还是换电模式） ， 非接触式的无线充电技术尚处于起步阶段3-5。然 而接触式充电方式有很多不利的地方，首先频繁 的插拔很容易损坏接头，另外也可能带来触电的 危险 6。非接触式的无线充电方式很好地解决了 这些问题 7 - 9。 本文利用无线感应原理设计了一种无线充电 系统， 该系统很好地实现了充电设备的便携性和通 用性。 1系统功能及组成 本系统在无线传感原理的基础上设计与实现。 系统主要包括发射模块、接收模块和监测模块， 其 中发射模块包含供电、 驱动、 逆变和发射线圈； 接收 模块包括接收线圈、整流和滤波；监测模块以 at89c51 单片机为核心，以 lcd12864 为人机交互 界面的基础， 实现了电池充电状态的可视化、 图形 化。系统组成框图如图 1 所示。 文章编号： 1002-0640 （2014） 11-0183-04 vol. 39， no. 11 nov， 2014 火 力 与 指 挥 控 制 fire control & command control 第 39 卷第 11 期 2014 年 11 月 图 1系统组成框图 * 183 （总第 39-） 系统工作原理：电源部分由直流电源提供， 经 过高频逆变之后在发射线圈产生高频交流电。交变 电流产生变化的磁场发射出去， 接收线圈通过电磁 感应耦合接收到发射线圈发射的能量， 经过整流变 换之后给电池充电。 2硬件电路 2.1高频逆变电路 高频逆变电路是本系统中发射电路的核心， 为 lc 谐振发射电路提供谐振所需的交变电流。 高频逆 变的主要功能是将供电模块提供的 12 v 直流电， 变 成交流电。本设计采用 mos 管组成的全桥逆变结 构， 电路如图 2 所示。 图 2全桥逆变电路 如图 2 所示， 4 个 mos 开关管组成此全桥电 路。当 mos 管 q1和 q4导通时， q2和 q3截至， 电流 由 mos 管 q1经 lc 电路到 mos 管 q4。当 mos 管 q2和 q3导通时， mos 管 q1和 q4同时截至， 电流经 由 mos 管 q3、 lc 到 mos 管 q2。如此循环， 将直流 电逆变为交流电， 供给 lc 电路发射。 在 mos 管的选择上， 经过比较和筛选以及考虑 成本的因素，最终选定了 ir 公司设计生产的一款 低阻抗，快速开关管 irf3205 作为全桥的开关器 件， 其主要性能如下： 导通电阻： 8 m赘； 工作温度范围： -55c 175c； 极快的开关速度， 开延时 14 ns， 上升时 间 101 ns， 关延时 50 ns， 下降时间 65 ns。 2.2驱动电路 当高频逆变电路中的高端桥臂导通时 （q1或 q3 桥臂） ， 由于负载的存在， 源极的电位将被抬升与栅 极相同， 就会导致高端桥臂不能持续导通， 所以需 要加入驱动电路。本设计中采用 ir 公司生产的 ir2110 芯片来驱动开关管，同时 ir2110 芯片还同 时具备隔离芯片的功能。 ir2110 是一种双通道、 栅极驱动、 器件的单片 式集成驱动模块，每个 ir2110 能同时驱动 2 个开 关管，在芯片中采用了高度集成的电平转换技术， 大大简化了逻辑电路对功率器件的要求， 同时提高 了驱动电路的可靠性。驱动电路如图 3 所示。 如图 3 所示，选用 2 个 ir2110 即可驱动高频 逆变电路中的 4 个开关管， 其中 ir2110 的 sd 管脚 是 ir2110 的使能管脚，可以方便控制发射电路的 开关。 2.3方波发生电路 驱动电路中的 ir2110 芯片需要 pwm 波， 为了 整个充电模块的调试方便， 需要设计一个占空比和 频率可调的方波发生电路。 本设计的方波发生模块采用 555 芯片， 可以通 过调节滑动变阻器来控制方波的占空比和频率。 ne555 芯片构成的方波发生电路， 如图 4 所示。 图 4ne555 构成的方波发生电路图 ra为 r2的左端导通电阻， rb为 r2的右端导通 时的阻值。 电路上电时， 电源通过 r1 、 r a支路给电容 c1充 电， 此时 3 脚输出高电平， 当 c1的电位充至 2/3 vcc 时， 555 内部比较器使 rs 触发器输出低电平，通过 与非门打开放电回路， 电容放电， 此时输出低电平， 当电容电位放到 1/3vcc 时， 比较器使 rs 触发器输 出高电平， 放电回路关闭， 电容充电， 输出高电平。 单个周期内， 电路的充电时间 tr=0.7 （r1 +r a ） c 1， 放电时间 tf=0.7 （r3+rb） c1， 输出的方波频率为： f = 1 0.7 （r1+ra+rb+r3） c1 = 1 0.7 （r1+r2+r3） c1 占空比为： q （豫） = r1 +r a r1 +r 2+r3 100 豫 由于驱动电路需要两路反相 pwm 波，为了防 止电源中上下桥臂 mosfet 出现 “直通” 现象， 必须 遵循先关断后开通的原则。所以， 输入 ir2110 的高 低压通道的两路 pwm 波应适当留“死区” ，即 555 图 3驱动电路 火 力 与 指 挥 控 制2014 年第 11 期 184 2052 （总第 39-） 构成的方波发生器产生的波的占空比不等于 50 豫， 而两路反相 pwm 波则由 555 产生的波通过反相器 产生。 2.4接收端电路 本设计的接收端电路设计如图 5 所示。 图 5接收端电路图 由于接收端接收到的也是交流电， 充电电池充 电所需的是直流电， 所以， 接收端电路需要将交流 电变换成直流电，完成这一任务主要靠整流电路， 整流电路依靠的是二极管的单向导电性。本设计利 用的是桥式整流电路， 桥式整流电路的优点是输出 电压高， 纹波电压较小， 管子所承受的最大反向电 压较低。根据本设计的需要， 整流二极管要求快恢 复， 较高的电流上限， 综合考虑选择了 1n5819。 2.5监测控制电路 2.5.1主控单元电路 系统中充电状态检测电路中的主控单元电路 以美国 atmel 公司生产的低电压、高性能 cmos 单片机 at89c51 为核心。片内含 4k bytes 的可反复 擦写的 flash 只读程序存储器和 128 bytes 的随机存 取数据存储器 （ram） ， 器件采用 atmel 公司的高 密度、 非易失性存储技术生产， 兼容标准 mcs-51 指 令系统， 片内置通用 8 位中央处理器 （cpu） 和 flash 存储单元， 功能强大的 at89c51 单片机能应用许多 高性价比的场合， 可灵活应用于各种控制领域。 2.5.2ad 电压采集转换电路 充电电压作为一个模拟量， 需要数模转换芯片 将其转换为数字量以供单片机进行读写计算来完 成控制。本设计采用的模数转换芯片为 adc0804， 它是 cmos 8 位单通道逐次渐近型的模数转换器， 电路图如图 6 所示。 图 6ad 转换电路 如图所示，当 cs、 rd 端为低电平时， adc0804 会将转换后的数字信号经由 db7db0 输出至其他 处理单元。 当 cs、 wr 端皆为低电平时， adc 作清除 动作，系统重装，当 wr 由低电平变为高电平时， adc0804 会开始转换信号。 clkin、 clkr 为频率的 输入输出端， 一般要求频率范围 100 khz1.28 mhz。 一般通过外接 rc 电路产生模数转换器所需的时钟 信号， 时钟频率为 f =1/1.1rc。 2.5.3显示电路 可视化界面使充电系统使用更加方便， 友好的 界面能对充电进程进行实时的监测。本设计采用带 中文字库的 lcd12864 作为显示单元，带中文字库 的 lcd12864 是一种具有 4 位、 8 位并行、 2 线或 3 线串行多种接口方式， 内部含有国标一级、 二级简 体中文字库的点阵图形液晶显示模块， 其显示分辨 率为 12864， 内置 8 192 个 1616 点汉字， 和 128 个 168 点 ascii 字符集。 3系统程序设计 本系统的软件程序设计主要在充电系统的监 测控制这一部分中。在主程序中， 系统上电自动复 位以后， 首先启动 adc0804 转换程序， 采集接收端 的电压值， 根据采集来的电压值来判断接收端是否 处于空载或充电状态。在上电复位后显示单元初始 化， 将送入显示单元的状态显示出来。 由于 adc0804 转换后的数据是二进制数据， 采 集出数据要通过 lcd12864 显示出来， ad 转换程序 的主要任务是将所采集的二进制数据要转化为十 进制。 在转化进制之前， 为了 保证采集电压的准确性， 采 用 n 次 （本文中 n=10） 采样 取平均值的方法。 将转化后 的十进制数据送入显示单 元进行显示。ad 转换的流 程图， 如图 7 所示。 显示程序需要完成电 池电量的显示和充电的图 形动态显示， 锂电池电压和 电量的关系如下页表 1 所 示。通过 matlab 软件拟合 电量和电压 （拟合曲线如图 8 所示） ， 可以得出二者 间的函数关系： f （x） =p1x4 +p 2 x 3 +p 3 x 2 +p 4x+p5， 其 中 p1=4 919、 p2=-7.638e+04、 p3=4.441e+05、 p4= -1.146e+06、 p5=1.107e+06。 由此可通过 ad 采集的电压值来判断电池的充 电量， 从而可在 lcd12864 上显示其相应的状态。 图 7ad 转换流程图 王红亮， 等： 无线充电系统的设计与实现 185 2053 （总第 39-） 图 8电压和电量的拟合曲线 表 1锂电池电压和电量关系示意表 4实验结果及分析 在系统实验测试时 （如图 9 所示） ， 用数字电源 给发射端供 12 v 电压， 750 ma 电流。 在保证接收端 5 v 电压的前提下，不断拉大发射线圈和接收线圈 之间的距离， 测试对应的接收端的电流， 同时计算 相应的功率， 具体测试结果如表 2 所示。 图 9系统整体测试 由 浊 （豫） = ps pr（其中 p s为发射端功率， pr为接收 端功率）可以计算出不同距离下本设计的效率， 不 同距离下的效率和距离的关系如图 10 所示。 图 10不同距离下的充电效率 由图 10 可以看出效率随之距离的增加而减 小。经过分析得出， 影响无线充电装置传输的因素 有： 距离、 线圈直径、 频率。其中传输效率会随着距 离的增加而减小， 距离与效率成倒数关系， 而线圈 直径越大传输的效率也就越高。 表 2不同距离下的电流和功率 5结论 本系统利用无线感应的原理设计出无线充电 系统， 能实现最大充电电流为 600ma， 最大功率 3w 的无线充电功能。本文提供了一种有别于有线充电 方式的新型充电模式， 对电子产品的充电技术乃至 电子产品本身的发展起到了一定的促进作用。 参考文献院 1kurs a， karalis a， moffatt r， et al. wireless power transfer via strongly coupled magnetic resonances j . science， 2007， 317 （5834） ： 83-86. 2王晓静. 基于 rfid 技术的无线充电系统研究 d .北京： 北京邮电大学， 2008. 3赵兴福，魏健. 电动汽车无线充电技术的现状与展望 j . 上海汽车， 2012 （6） ： 3-6. 4孙轩. 非接触式手机充电平台的设计 d . 杭州： 浙江 大学， 2010. 5李建华， 陈水妹. 手机无线充电系统设计 j . 咸宁学院学 报， 2011， 31 （1