毕业设计（论文）-基于单片机的无线电能传输装置设计.doc

沈阳理工大学学士学位论文摘 要无线供电是不需要任何物理上的连接，且可以不接触就可以近距离供电的供电技术。传统的电能传输都是通过有形的导电介质，从而导致现在凡是使用到电力传输的地方都充斥着电线、插座，在电力的传输中，有形的导电介质对能量的损耗较多，而损耗的能量也大多是以散热的形式释放，尤其在线路密集的地方不仅有碍观瞻，也具有一定的安全隐患。所以无线供电技术针对于传统供电技术其安全性、美观性、智能性的优点应运而生。本设计方案由振荡电路、图腾柱电路、功率放大电路、负载检测电路、电源模块、接收部分等组成。该系统具有负载检测功能，当负载进入充电区域时，当距离小于10cm时，蜂鸣器发出四声响声以提示负载进入，数码管显示超声波所测接收线圈与发射线圈之间的距离。经测试，该平台现最高供电效率可达56.8%，证明了所采用的系统结构和设计方法合理、有效，皆具有一定实用性。同时对于接收端，采用供电和充电两种模式，供电负载为自制台灯，充电负载为智能手机，无线供电装置均能正常工作。关键词：无线供电；效率；振荡电路；负载检测AbstractWireless power is a kind of technology that can supply power closly and contactless without physical connection. Traditional power transmission through tangible conductive medium, who is now leading to a typical example of the use of local transmission are filled with wires and sockets in the transmission of electricity, the tangible conductive medium to large energy loss, and loss of mostly in the form of thermal energy release, especially in the line-intensive areas is not only unsightly, but also has some security risks. So wireless power technology for conventional power technology security, aesthetics. Shortcoming intelligence emerged.The design of the oscillation circuit, totem pole circuit, power amplifier circuit, the load detection circuit, power supply module, the receiver and other components. The system has a load detection function, when there is load into the charging area, when the distance is less than 10cm, the buzzer sound to alert the load into the tones, digital display the distance between the receiver coil and the transmitter coil measured by ultrasound in order to to study the relationship between the charging efficiency and power distance. After testing, the platform maximum power efficiency up to 56.8%, proves the system structure and design methods employed reasonable, effective and all have a certain practicality. While for the receiver, using power and charge modes, power load is homemade lamps, charging load for smart phones, both of which can achieve the desired objectives. Keywords: Wireless powe; Efficiency; Oscillation circuit; Load detection 目 录1 绪 论11.1 研究的目的与意义11.2 国内外现状21.3 研究内容22 理论基础42.1 无线供电主要方式42.1.1 电磁共振方式42.1.2 电磁感应方式42.1.3 电磁波方式42.2 电磁感应方式中影响效率的因素52.2.1 线圈参数的影响62.2.2 距离与效率关系72.2.3 线圈相对位置与效率关系102.2.4 线圈及补偿电容与效率之间关系112.3 超声波测距132.3.1 单片机142.3.2 超声波173 硬件设计193.1 电源模块193.2 方波发生器203.3 图腾柱电路223.4 功率放大电路233.5 超声波测距电路243.6 显示电路253.7 报警电路263.8 接收端273.9 整体电路284 软件设计294.1 主程序设计294.2 中断处理程序314.3 计算及显示模块设计344.4 报警模块设计355 电路仿真及实物测试365.1 电路仿真365.2 实物测试38结 论41致 谢42参考文献43附录A 英文原文44附录B 汉语翻译49附录C 源代码53IV1 绪 论1.1 研究的目的与意义 近几年来，智能手机、相机、平板电脑等电子产品以指数式增长覆盖人们日常生活的方方面面，而锂电池在技术上迟迟没有突破，导致电池的续航能力远远不能满足用户的用电需求。此时诞生了一个名词充电宝，而“充电宝”则是对现在高度智能电子产品的大大的讽刺，就好比一条大大的尾巴不仅影响美观，储存电量有限，而且存在一定的安全隐患，无线充电技术应运而生。其实在1891年，尼古拉特斯拉（Nikola Tesla，1856年1943年）就成功试验了把电力以无线能量传输的形式送到了目标用电器，并且以此设想建造了半成品沃登克里弗塔，随后终止。随后人们对于无线供电进行了深入的研究，由之前的仅仅能将能量传输到负载端，再到今天考虑效率、距离、体积、美观性等方面研究，无线供电方案在不断地被完善。无线供电具有以下优点：第一，可以大幅度提高电子产品的续航能力。由于无线供电不需要物理连接，所以每当设备靠近发射端时，设备会自动充电，当设备处在发射端附近时，就永不会因为电量不足而关机。第二，对于一些特殊的传感器的充供电较为方便，好比一些埋在墙里的传感器，把它取出来充电是挺困难的，并且花费也大；还有一些起到远程监控用途的传感器，更换电池等比较困难，而无线供电技术却能很好的解决这个问题。第三，给交通、医疗领域带来的革新。目前广泛应用的植入性医疗器件，如心脏起搏器，病人每隔七年左右就得更换电池，这样不仅花费巨大，并且存在一定的风险性。如果可以对起搏器进行无线充电，就不需要危险的手术，从而减轻患者经济和身体上的压力。第四，无线充电技术还可以提高设备的安全性，在一些线路复杂及一些在潮湿环境中工作的设备，外露的充电接口存在很大的潜在安全隐患。使用无线充电技术，能量接收端内置于设备中，设备的外表面就可以达到全封闭,提高了产品的密闭性。第五，无线供电技术可以改变目前电子产品充电接口不兼容的情况，在平常生活中,用户再也不用准备一大堆充电器和电线，只要将需要充电的设备置于发射器周围，就可以充电了。第六，提高电子产品的美观性。电子产品再也不用拖着长长的电源线，也不用带着笨重的大储存量的电池，使得电子产品的封闭性得到提高，从而使得防水等一系列性能得到质的提高，使得产品看上去更简洁。1.2 国内外现状从尼古拉.特斯拉提出无线供电的设想，到初步实施，从而打开了人类对无线供电探索的大门，2007年美国麻省理工大学研究团队利用电磁共振器和电源隔空点亮一盏2米开外的60W灯泡；2009年日本昭和飞机工业公司推出了基于电磁感应原理的非接触式电源供应系统；2010年日本富士通公司通过利用磁共振实现无线供电；2011年世界上第一辆无线充电电动车也在韩国首尔公园试运营；2012年诺基亚发布两款可以无线充电的智能手机；2013年芬兰首都机场为乘客免费提供手机无线充电器；同样在2013年苹果公司的一项名为“保护外套综合充电感应技术”的发明专利申请书曝光.而在国内，2004年双飞燕公司推出无线供电鼠标；2005年比亚迪申请了应用电磁感应技术的非接触感应式充电器专利；2011年海尔在CES上推出了“无尾电视”.同时在2008年，无线充电联盟成立，从而诞生了无线充电标准Qi，并且在2010年无线充电联盟在北京宣布将Qi无线充电国际标准率先引入中国。联盟成员包括诺基亚、飞利浦、摩托罗拉、德州电子等一系列电子巨头，从而使得无线供电技术迅猛发展，并且使得无线充电技术的应用领域不断扩大。刚开始，无线供电技术主要针对低功耗便携式电子产品领域，而如今其应用范围也涉及到医疗，交通甚至我们的平常生活活动中，比如电动牙刷，从而改变我们的生活，为我们更好地服务。1.3 研究内容本次设计的的题目是基于单片机的无线电能传输装置，其主要目的为设计一款无线供电装置，并研究各因素对其传输效率的影响。在影响因素中我们着重研究传输距离、发射与接收夹角、补偿电容的形式、负载及线圈对其的影响，通过单片机系统对于距离进行测量及负载检测，所以本设计从以上几个方面开始展开。针对于要研究的影响因素，我们保证其他因素不变，从而使得整个系统的设计达到最优。具体内容主要分为四个部分：第一部分：对无线供电的电磁感应方式、超声波测距进行理论分析，并对影响其传输效率的各个因素分别进行理论实验分析，从而得出各个影响因素与传输效率之间的关系。第二部分：根据第一部分得出的结论进行各分模块的硬件电路设计，近而使得系统电路的硬件设计达到最优化。第三部分：对于超声波测距模块进行软件设计，使得系统具有显示和报警的功能，增加系统功能的多样性。第四部分：对上一部分设计好的电路进行仿真调试，判断电路设计是否合理，软件编写是否真确，并对仿真正确的电路进行实物焊接、调试。2 理论基础2.1 无线供电主要方式目前，对于空间无线电力传输主要有以下3种方案2： 1.电磁波方案 2.电磁耦合/共振（非辐射性谐振耦合）方案 3.电磁感应方案2.1.1 电磁共振方式 利用磁耦合共振效应近程无线供电。磁共振方式的原理和声音的共振原理接近,就好比排列好震动频率相同的音叉，一个发声的话，其他的也会肯定共振发声。无线供电线圈就好比排列的音叉，也可以从一个向另一个供电。磁共振方式由能量发送装置和能量接收装置组成，当两个装置调整到相同频率上，或者说他们在一个特定的频率上共振，能量就可以实现从发送方传输到接收方。缺点：必须对所需频率进行保护，且在传输过程中需要较高的传输频率。2.1.2 电磁感应方式电磁感应式为利用电流通过线圈产生磁场实现近程无线供电。在通常情况下放入磁场中的闭合线圈均会产生感应电流，在传输过程中无需较高传输频率，适合小功率近程无线充、供电。缺点:终端器件中的线圈应与终端电路隔离，以避免产生涡流（现可以通过隔磁片解决）。2.1.3 电磁波方式其原理是通过将电力转换成电波以辐射传输供电。其工作原理和早期使用的矿石收音机基本一致，主要由微波发射装置和微波接收装置组成。接收电路可以捕捉到由墙壁弹回的无线电波能量，在随负载做出调整的同时并保持稳定的输出直流电压。缺点是其传输功率小，无法在1-2小时内完成一些电子产品的充电任务，并且发射器发送的大量功率以无线电波的方式被损耗。经过分析比较，选择电磁感应的无线充电方式作为本次设计主要研究对象，下面就电磁感应方式中影响传输效率的各种因素进行详细分析。2.2 电磁感应方式中影响效率的因素本次无线供电系统是基于电磁感应方式，该方案分为两种工作模式：模式一，直接供电模式，最终演示产品为无线供电台灯，该台灯分为两种工作模式：无线供电工作模式和有线供电模式；模式二，无线充电模式，最终演示产品为某款国产智能手机进行无线充电。电磁感应采用原副两个线圈耦合进行电能传输，等效系统如图2.1所示。图2.1 互感原理L1S为原边线圈电感，L2S为副边线圈电感，R1为原边电阻，R2为副边电阻，RL为负载电阻。因为原、副边线圈之间的漏感较大，故不能忽略，可以将电路等效为图2.2。图2.2 等效电路Lm为线圈之间的互感，L1S为原边线圈的漏感，L2S为副边线圈的漏感，其余同上。设线圈间的耦合系数为K，R1与L1S的合阻抗为Z1，R2与L2S的合阻抗为Z2，Lm的阻抗为Zm。 (2.1) (2.2) （2.3）无线传能的传输效率可表示为 （2.4）式中为负载上的功率； 为电源的功率；因为线圈之间是间隙耦合，K值很小，由上式显然可见。漏感L1S,L2S很大，使得Z1、Z2很大，从而使系统的传输效率很低。2.2.1 线圈参数的影响在无线供电系统中用到两组线圈，分别为发射线圈和接收线圈，而线圈直接影响着传输率。线圈的形状影响着磁场的磁路，如果两组线圈形状不统一 的话，磁通量就不能再两线之间高效的通过，首先要确定两线圈的形状一致。又因为电磁波在圆形线圈中不易像水平方向泄露，磁通量通过率较高，所以我们选定两组线圈的形状为圆形。圆形线圈模型如下：图2.3 圆形线圈结构已知圆形线圈自感值的计算公式如下： (2.5) (2.6)式中线圈总匝数； 中心线匝半径； 线圈半径；在线圈绕制中，当通过线圈的电压越高，则绕制的圈数应越多；功率越大，线径也应该越大。本次设计的接收端均为低功率，我们选择线径较细的漆包线。已知高频电流在导体中通过，随着导体表面的距离逐渐增大，导体内的电流密度呈指数型递减，所以，导体的电流一般集中在导体的表面。如果从电流方向垂直的横切面来看，导体的中心部分电流几乎为零，只在导体的边缘部分有电流，所以称之为集肤效应。产生集肤效应的原因是变化的电磁场在导体内部产生了涡旋电场，与原来的电流相抵消。而在高频应用中如果只用一根导线绕制线圈，就会因为其表面积相对较小，电流利用率就会大大降低，使导线发热严重或者信号衰减量大，所以在本次设计中为了能尽可能减小集肤效应，在线圈绕制中采用多股线并联，以为电流提供更多的“皮肤”通路。根据接收端的大小尺寸，为了系统的美观和协调，发射线圈L1是由8股线径为0.21mm的漆包线绕成内径为5cm的圆环，匝数N1为18匝，电感L1S为36，线圈阻值R1为330M；接收线圈L2同样是由8股线径为0.21mm的漆包线绕成内径为5cm的圆环，匝数N2为18匝，电感L2S为44，线圈阻值R2为350M。确定线圈参数后，下面对其它影响因素展开讨论。2.2.2 距离与效率关系 根据毕奥一萨伐尔定律3（电流元在空间点P处产生的磁感应强度的大小与电流元的大小成正比，与电流元 所在处到 P点的位置矢量和电流元之间的夹角的正弦成正比，而与电流元到P点的距离的平方成反比），那么稳恒电流通过导线时在导线周围产生磁场，则在点P处产生的磁感应强度为： (2.7)式中P点处的磁感应强度；电流元； P点到电流轨迹的距离；计算单个载流圆线圈轴线上的磁场，设圆线圈的中心为O，半径为R，载有电流I。 图2.4 单个载流圆线圈轴线上的磁场在线圈上任取一电流元,设电流元到P点的矢径为，由于恒与垂直，由毕奥一萨伐尔定律知，电流元在P点产生的磁感应强度为 （2.8）其中，在与中轴所在平面内，并垂直与。显然，线圈上各电流元在P点所产生的磁感应强度方向是各不相同的，所以可以把分成垂直于轴线的分矢量与平行与轴线的分矢量，由于对称关系，相互抵消，而相互加强。 （2.9）由（2.7）式可知，线圈在P点产生的磁场，与P点到线圈的距离的三次方成反比，与线圈的半径成正比。即有如下关系 （2.10）因为磁通量 ，由上面几个式子可以看出，与互感M成正比关系。又因为耦合系数，可以得出 （2.11）由此式可知，要提高无线传能的效率，得要增大耦合线圈的半径，并减小线圈之间的距离。接下来我们通过实验进行验证效率与传输距离之间的关系，方法如图所示。图2.5 验证方法测得数据如下：表2.2 距离与互感和耦合系数关系距离/cm互感/耦合系数050.670.54.050.450.83.060.34120.221.51.350.152.50.90.130.450.05400 图2.6 距离和耦合系数由上图可知，上述理论成立。2.2.3 线圈相对位置与效率关系线圈之间的相对位置极大地影响着线圈之间互感的大小。相对位置的影响主要有两种形式：线圈轴心水平偏移和线圈轴心间角度偏移。线圈轴心间水平偏移关系如下：表2.3 轴心水平偏移和互感关系水平偏移/cm互感/uh040.53.50.83.212.91.52.221.22.50.830图2.7 轴心水平偏移与互感折线图根据所得数据，可以得出这样的结论：线圈间的互感与轴心间的偏移距离成反比，也就是说，要达到最大的无线充电效率，就要使两个线圈之间的轴心偏移为0。线圈轴心间角度偏移关系如下：表2.4 轴心角度偏移和互感关系偏移角度/度互感/uh04153.4302.8452600.8900图2.8 轴心角度偏移与互感折线图根据上面的数据与图表可以得出这样的结论：在0-90范围内，线圈的互感与线圈间的夹角成反比。所以想要达到最大的无线充电效率，两个线圈必须要平行放置。2.2.4 线圈及补偿电容与效率之间关系因为原、副边线圈存在一定的漏感，所以想要提高系统的效率，需要加入适当的补偿结构，以减小漏感的能量消耗，使电路工作在谐振状态。电路的补偿共有四种结构，分别是初级串联补偿PS，初级并联补偿PP，次级串联补偿SS，次级并联补偿SP5。由于双边补偿结构比单边补偿具有更大的优势，我们采用双边补偿结构，那么就会有四种补偿结构：初级串联次级串联（PSSS）、初级串联次级并联（PSSP）、初级并联次级串联（PPSS）、初级串联次级并联（PPSP）。四种双边补偿结构图如下：图2.9 初级串联次级串联（PSSS）图2.10 初级串联次级并联（PSSP）图2.11 初级并联次级串联（PPSS）图2.12 初级并联次级并联（PPSP）当采用双边补偿后，次级补偿会对初级补偿产生影响，所以需要添加补偿电容。我们可知，当达到谐振状态时，系统的阻抗最小，效率才能最大。所以我们应该选择合适的谐振电容，发射、接收端的谐振电容计算公式如下表。表2.5 四种补偿方式下谐振电容计算PSSSPSSPPPSSPPSPC1C2为了能产生电容与电感的谐振，则电感与电容必须并联，这样才能组成一个“环”，所以功率放大驱动源的输出端必须与谐振电路并联。根据最适合本次设计的原则，我们选择PPSP。2.3 超声波测距在本次设计电路中，我们采用超声波测距电路来研究传输效率与传输距离之间的关系，整个超声波测距系统的主控芯片是51单片机，我们通过显示模块实时显示发射线圈与接收线圈平面之间的距离，也就是传输距离，建立传输距离与传输效率间的数据对应关系。再通过报警提示模块根据设定条件来判断是否报警提醒。超声波测距模块将发射模块与接收模块之间联系起来，使得实验阶段数据获得更加方便，也使得系统功能更加丰富。 图2.13 8051超声波测距结构框图2.3.1 单片机STC89C52系列单片机是宏晶科技推出的一代具有超强抗干扰、高速、低功耗的单片机，指令码完全兼容传统的8051单片机，12时钟/机器周期和6时钟/机器周期可供选择。STC89C52具备比较完善的中断功能，有两个外部中断、两个定时/计数器中断和一个串行中断，可以满足不同的控制要求，并具有2级的优先级别可供选择，可以满足系统在各个子模块程序之间的切换，运算速度可满足一般的设计要求，而且STC系列单片机支持ISP在线编程功能，可以不用购买昂贵的编程器。1.8051系列单片机的内部结构8051系列单片机的内部结构是由各种逻辑单元及其之间的互连构成的，主要包含中央处理器（CPU）、程序存储器(ROM)、数据存储器(RAM)、定时/计数器、并行接口、串行接口、中断系统等几大单元及数据总线、地址总线和控制总线等三大总线，8051系列单片机的内部结构框架示意如图。图2.14 8051系类单片机的内部结构框图中央处理器：中央处理器(CPU)是整个单片机核心部件，51系列单片机是8位数据宽度的处理器，它能处理8位二进制数据或代码。中央处理器主要由算术逻辑部件，控制器和专用寄存器三部分电路组成。其作用负责控制、指挥和调度整个单元系统协调的工作，完成运算和控制输入输出功能等操作。数据存储器(RAM)：数据存取器（RAM）可用于存放读写的数据，运算中间结果或者用户定义的字型表。8051内部共有128个8位用户数据存储单元、128个专用寄存器单元，它们是统一编址并且专用寄存器只能用于存放控制指令数据，也就是说用户只能访问，而不能用来存放用户数据。所以，用户能自己使用的的RAM只有128个存储单元。程序存储器(ROM)：程序存取器（ROM）是用来存放用户的程序、原始数据或表格等内容，8051共有4096个8位掩膜ROM。 定时/计数器：定时/计数器主要用于硬件的定时/计数。8051共有两个16位的可编程定时/计数器，用以实现定时或计数功能，也可产生中断用于控制程序的跳转。并行输入输出(I/O)口：单片机的并行输入输出（I/O）口主要用于和外部设备进行通信，以方便处理外部的输入并且将运算结果反馈到外部设备。8051共有4组8位I/O口(P0、 P1、P2或P3)，主要用于对外部数据的传输。全双工串行口：全双工串行口主要作用是与其他设备间的串行数据传送。8051内置有一个全双工串行通信口，用于与其它设备之间的串行数据传送，该口不仅可以作为异步通信收发器，同时也可以作为同步移位器。中断系统：8051拥有比较完善的中断功能，由两个外部中断、两个定时/计数器中断和一个串行中断组成，并具有2级的优先级别选择，这样就可以满足不同的控制要求。时钟电路：8051拥有内置最高频率高达12MHz的时钟电路，可以用于产生整个单片机运行时所需的脉冲时序，但8051单片机需外置振荡电容，通常选用30PF。2. 51系列单片机的引脚功能8051系列单片机采用40Pin封装的双列直接DIP结构，它们的引脚配置如图所示，40个引脚中，正电源VCC和地线GND，外置石英振荡器的时钟线XTAL1、XTAL2两根，4组8位共32个I/O口，中断口线与P3I/O口线复用。下面对这些引脚的功能加以说明：图2.15 8051引脚配置Pin20:接地脚。Pin40:正电源脚，正常工作或对CPU烧写程序时，接+5V电源。Pin19:时钟XTAL1脚，单片机片内振荡电路的输入端。Pin18:时钟XTAL2脚，单片机片内振荡电路的输出端。8051的时钟有两种方式，一种是片内时钟振荡方式，但需在18和19脚外接石英晶体(2-12MHz)和振荡电容，振荡电容的值一般取10pF-30pF。另外一种是外部时钟方式，即将XTAL1接地，外部时钟信号从XTAL2脚输入。输入输出(I/O)引脚：Pin39-Pin32为P0.0-P0.7输入/输出脚；Pin21-Pin28为P1.0-P1.7输入输出脚；Pin21-Pin28为P2.0-P2.7输入输出脚；Pin10-Pin17为P3.0-P3.7输入输出脚，P3口还具有第二功能，主要用于特殊信号输入输出和控制信号（属控制总线）及程序的下载。Pin9:RESET/VPD为复位信号复用脚。当8051通电，时钟电路开始工作后会在RESET引脚上持续出现24个时钟周期以上的高电平，系统此时即为初始复位。初始化结束后，程序计数器PC指向0000H，P0-P3输出口全置为高电平，堆栈指钟写入07H，其它专用寄存器全被清“0”。当RESET由高电平降为低电平后，系统就会从0000H地址开始执行程序。但是初始复位并不改变RAM（包括工作寄存器R0-R7）的状态。Pin30:ALE/访问外部程序器时，ALE(地址锁存)的作用是用于锁存地址的低位字节。而当访问内部程序存储器时，ALE端将会持续输出一个1/6时钟频率的正脉冲信号，这个信号 可以用于识别单片机是否工作，也可以当作时钟向外输出。当访问外部程序存储器，ALE会跳过一个脉冲。如果单片机是EPROM，在编程其间，将用于输入编程脉冲。Pin29:访问外部程序存储器时，此脚输出负脉冲选通信号，PC的16位地址数据将出现在P0和P2口上，外部程序存储器则把指令数据放到P0口上，由CPU读入并执行。Pin31:EA/Vpp程序存储器的内外部选通线，8051和8751单片机，内置有4kB的程序存储器，当EA为高电平并且程序地址小于4kB时，读取内部程序存储器指令数据，而超过4kB地址则读取外部指令数据。如EA为低电平，则不管地址大小，一律读取外部程序存储器指令。2.3.2 超声波超声波是一种振动频率超过20 kHz的机械波，其沿直线方向传播，而且具有传播的方向性好，传播的距离也较远的优点，在介质中传播时遇到障碍物在入射到它的反射面上就会产生反射波。由于超声波的以上几个特点，所以被广泛地应用于测量物体距离、厚度等方面。并且超声波的测量也是一种比较理想的的非接触式的测距方法。在测量距离时，在同一高度、同一水平面的超声波发送器和接收器完成超声波的发送与接收，于此同时启动定时器进行计数。起初超声波发射探头向负载方向发射超声波并打开定时器，当超声波在传输过程中遇到负载平面即被反射回来，接收探头收到反射回来的脉冲后会给单片机一个信号使其停止计时。这样，定时器就能够准确的记录下了超声波发射点至障碍物之间往返传播所用的时间t（s）。在常温下超声波在空气中的传播速度大约为340 m/s，所以障碍物到发射探头之间的距离为：S=340t/2=170t . 因为单片机内部定时器的计时本质上就是对机器周期T的计数，而本设计中时钟频率fosc取12 MHz，设计数值N，则:T12/fosc=1s，t=NTN0.000001s, S170NT170N/1000000m,在程序中按式S170NT170N/1000000计算距离。此次系统中采用的是HC-SR04超声波模块，其工作原理： （1）采用IO口TRIG触发测距，给至少10us的高电平信号； （2）模块自动发送8个40KHZ的方波，自动检测是否有信号返回； （3）有信号返回，通过IO口ECHO输出一个高电平，高电平持续的时间就是 超声波从发射到返回的时间。综上所述，使无线充电装置效率传输最大化的条件：1. 采用多股细径的绕制方式，不仅可以减少线圈阻抗，还可以减小趋肤效应，从而 减小损耗，提高传输效率。2.两线圈要平行放置，轴心在一条线上。3.根据负载的大小，选择合适的补偿结构，使系统要工作在谐振频率上。4.传输效率会随着距离的增大而减小，距离与效率成倒数关系。5.系统的谐振频率会随着距离的增加而减小，所以要根据距离调整频率。3 硬件设计整个系统电路主要由两大部分组成：发射部分和接收部分。发射部分由电源模块、振荡电路、图腾柱电路、功率放大、超声波测距、报警显示电路。接收部分分为两部分：无线供电台灯和无线充电手机。整个系统结构如下图。图3.1 系统结构图3.1 电源模块整个系统由唯一供电源提供：220V市电提供。又由于系统单片机需要5V供电，NE555、图腾柱及功率放大电路采用12V供电。所以需要电源模块需要对其降压处理。整个电源模块是由220V转12V变压器、1N4001桥型整流、电容滤波、稳压管及降压芯片。220V转12V通过三端稳压源芯片LM7812，其内部结构图如下所示。图3.2 LM7812内部结构图12V转5V采用的是开关集成稳压电路芯片LM2575，其内部结构图如下所示。 图3.3 LM2575内部结构图图3.4 220V转12V图3.5 12V转5V3.2 方波发生器NE555由三个电阻组成的分压器、两个电压比较器C1和C2、基本RS触发器、放电三极管TD和缓冲反相器G4组成。其引脚分配：1脚为接地端；2脚为低电平触发端（由此输入低电平触发脉冲）；6脚为高电平触发端（由此输入高电平触发脉冲）；4脚为复位端（输入负脉冲（或使其电压低于0.7V）可使555定时器直接复位）；5脚为电压控制端（在此端外加电压可以改变比较器的参考电压，不用时通过外接电容避免其干扰）；7脚为放电端（当555定时器输出低电平时，放电晶体管TD处于导通，外接电容元件通过TD对地放电）；3脚为输出端（输出高电压约低于电源电压1V3V，输出电流可达200mA，因此可以做驱动源）；8脚为电源端，（输入电压范围在5V18V之间）。图3.6 NE555内部结构图555定时器工作时过程分析如下：当VI12/3VCC，VI21/3VCC时，比较器C1输出低电平，比较器C2输出高电平，基本RS触发器置0，G3输出高电平，放电三极管TD导通，定时器输出低电平。当VI12/3VCC，VI21/3VCC时，比较器C1输出高电平，比较器C2输出高电平，基本RS触发器保持原状态不变，555定时器输出状态保持不来。当VI12/3VCC，VI21/3VCC时，比较器C1输出低电平，比较器C2输出低电平，基本RS触发器两端都被置1，G3输出低电平，放电三极管TD截止，定时器输出高电平。当VI12/3VCC，VI21/3VCC时，比较器C1输出高电平，比较器C2输出低电平，基本RS触发器置1，G3输出低电平，放电三极管TD截止，定时器输出高电平。图3.7 NE555外部接线图单个周期内，电路的充电时间 (3.1)输出的方波频率为 (3.2)理论上，在保持50%占空比的条件下，RP=0K时，电路输出的方波频率最高,为950Khz；RP=50K时，输出频率最小，为95Khz。但实际上，输出频率最大为220KHz，其主要原因是二极管在高频下有等效阻抗，降低了充放电的速度。3.3 图腾柱电路由于NE555输出端输出的信号电流有限，所以有时不能完全驱动功率放大管工作，导致大多数能量损失在功率管上，以热量的形式损耗。我们引入图腾柱电路实际上是一个电流放大电路，为完全驱动功率管提供足够的灌电流和拉电流。图腾柱就是上下各一个晶体管，上管为NPN，c极接正电源，下管为PNP，e极接负电源，注意，是负电源，是地。两个b极接到一起，接输入，上管的e和下管的c接到一起，接输出。用来匹配电压，或者提高I/O口的驱动能力。在本次设计中采用NPN管S8050、PNP管S8550，S8050的c极接+12V电源，S8550的e极接地。图3.8 图腾柱电路3.4 功率放大电路针对于功率放大电路，本设计采用的是单管驱动源实现分频激励能量传递方式。其主要有以下优点：1.电路结构紧凑，体积较小。工作期间仅有一个功率管工作，主电路和功率管驱动电路的元件数量大大减少；2.功率管的驱动电路较为简单。无需考虑桥式电路驱动的互补导通、死去时间等问题；3.工作频率高。与由于驱动电路简单，而且单管工作过程的开通关断过程也较为容易，因此有利于提高工作频率；4.最重要的是可以与其连接的谐振电路形成自谐振路径，既可以在不分频条件下工作还能实现分频激励能量传输方式。功率管为核心元件，通过对若干功率管进行的性能比较：表3.1 几种功率管性能比较型号导通电阻/mo开关延迟/ns最大电压Vds/V最大电流Id/A最大Vgs/VIRF54055105+7010022+20-20IRF8400.8537+695008+20-20IRF28042133+2604075+20-20IRF29032.4124+853075+20-20IRF32058115+11555110+20-20IRF38181.95206+9330260+20-20通过性能及性价比的比较后选择IRF540。根据上章我们搭建电路如下图所示。图3.9功率放大电路3.5 超声波测距电路 HR-SR04超声波集成模块是由超声波发射探头，超声波接收探头，CX20106A芯片电路，74LS04芯片组成，HR-SR04可以说是一个集成模块电路。HR-SR04型超声波集成模块的工作电压为5 V，而且此模块的静态工作电流是小于2 mA的，具有低功耗的特性，工作时候比较稳定。最大的有点是它的感应的角度不大于15，可以减少了很大部分可能存在的角度干扰问题。此模块的具有几个优点：1.测量范围广。测距范围宽至0.02m5 m，能基本满足测距要求；2.测量精度高。其精度可以达到0.3 cm，盲区仅仅为2 cm，完全可以能够满足本设计的测距要求；3.测距比较稳定，受外界环境干扰较小。HR-SR04超声波集成模块采用的是I/O触发测距，至少10 us的高电平信号才能触发。另外，此模块可以自动发送8个40 kHz的方波脉冲，更好的是其能够自动检测是否有信号返回，当检测到有信号返回则立即通过I/O口输出高电平，高电平的持续时间就是超声波从发射到返回所用的时间，也就是声音传播距离往返，所以测量的距离=（高电平时间声速）/2。一个控制口发出一个10 us以上的高电平，接收口就会等待高电平的输出。一旦有输出就马上开启定时器计时，当此口变为低电平时就立即停止计时并读定时器的值，此时就为此次测距的时间，就能够算出距离。在不断地周期循环测量中，该模块就能实时读取物体所处的位置，即使测量对象是动态变化的。为防止发射信号对回收信号的影响，我们应该选择合适的超声波发射周期，HR-SR04型超声波集成模块的测量周期最少需要在60MS以上，所以本次设计取得测量周期的值是80ms，满足设计要求，同时满足模块最优设计要求。 其连线图如下所示。图3.10 超声波测距电路3.6 显示电路发光二极管的缩写是LED，在每个数码管里面都有8只发光二极管，它们分别记作a、b、c、d、e、f、g、dp，其中dp是小数点，每一只发光二极管对应到一根外部的引脚，而二极管的另外一段一起连在外部一个引脚上，此引脚就记作公共端COM。市面上常用的LED数码管有两种即共阳极数码管与共阴极数码管。共阳极是数码管里面的一个数显位的阳极接在一起作为公共引脚即公共阳极，在使用时此公共引脚接到电源正极。相反，共阴极就是数码管里面的一个数显位的阴极接在一起作为公共引脚即公共阴极，在使用时此引脚接到电源负极。单片机对数码管的显示可以分为静态显示和动态显示，静态显示能够较为稳定地显示数值，但是搭建电路时比较烦索，而动态显示是数码管轮流显示再利用人眼的“视觉暂留”特性，这样看出来的就是在显示不同数值8。数码管的动态显示比较实用，电路构建简单，所以本设计采用动态扫描的方法显示测量距离，只要轮流显示的速度足够快的时候就能够实现测量数值的显示。本设计显示模块选用4位共阴极数码管通过动态扫描的方式，此扫描方式能完全达到显示要求。显示模块连接电路图如下所示。图3.11 数码管显示电路3.7 报警电路本设计的报警电路采用蜂鸣器发声报警的形式。蜂鸣器分为两种形式：有源蜂鸣器和无源蜂鸣器，如果蜂鸣器是有源的，单片机只要输出高低电平就可以驱动蜂鸣器发声；如果蜂鸣器是无源的，单片机就要输出一定频率PWM波才可以让蜂鸣器发声。如果单片机的驱动能力查，可以在电阻左侧接一个上拉电阻到单片机电源端。本设计选择的是有源蜂鸣器，其电路结构如图所示。图3.12 报警电路3.8 接收端本设计接收端采用两种方式：无线台灯供电方式和无线手机充电方式。其基本原理如下图所示。其结构主要为接收线圈与电容构成谐振回路，再通过桥型整流桥整流，电容滤波，稳压管稳压为5.1V，从而达到给负载供电。图3.13 负载电路3.9 整体电路图3.14系统总电路图4 软件设计本设计通过模块化的设计方法进行程序设计与编写，程序主要分为两部分：系统主程序和中断程序。主程序完成单片机的初始化，超声波的发射和接收、计算超声波发射点与障碍物之间的距离、数码管显示和蜂鸣器报警等。而中断程序主要为中断点的响应。系统程序设计的主要的功能是发射超声波、接受超声波、计算测量距离、数据计算、蜂鸣器报警和数码管显示。4.1 主程序设计主程序首先整个单片机系统进行初始化，先将超声波的回波接收标志位置位并使单片机P3.7端口输出一个低电平用来启动超声波发射电路工作，同时将定时器T0启动，然后调用距离计算的子程序，再根据定时器T0记录的时间差计算出所需要测量的距离的大小，然后再调用显示子程序，再将测出的距离以十进制的形式送到四位数码管显示，同时通过距离大小控制蜂鸣器是否进行报警。最后主程序通过对回波信号的接收，假如标志位清零说明接收到了回波信号，那么主程序就返回到初始状态并将回波接收标志位置位同时在单片机的P0.1端口上发送低电平到超声波发射电路，这样不断地循环进行距离的测量判断。整个系统的设计的关键是对距离进行测量的，然后通过单片机来处理测量数据是比较容易实现的，能精确的实现测距。在测距中，各种信号包括温度对声速的影响都将干扰到测距的准确性，其中超声波的余波信号对整个设计中测距的精确度的干扰的影响比较大。超声波接收回路中的超声波信号一共有两种波信号：第一种波信号为余波信号就是当发射探头发射出信号之后，超声波接收探头马上就接收到的超声波信号，实际就是超声波的发射信号；另一种波信号就是有效信号，即经过障碍物表面反射回来的超声波回波信号，也是所需要测量的距离数值。 在进行